自然灾害与风险管理

1、博士学位论文答辩报告博士学位论文答辩报告 作者：张俊香作者：张俊香 导师：黄崇福导师：黄崇福 教授教授 专业：自然地理学专业：自然地理学 自然灾害与风险管理自然灾害与风险管理2005年5月26日北京师范大学资源学院College of Resources Science and Technology,Beijing Normal University论文题目新一代自然灾害风险区划新一代自然灾害风险区划原理与方法研究原理与方法研究以地震灾害为例以地震灾害为例选题原因选题原因v国内外的减灾实践表明，用风险的理念认识和管理灾害，才能在最大程度减轻灾害影响的同时，谋求社会经济的持续发展。v人们永远不可

2、能准确估计任何自然灾害的风险。“风险值估计不准”是自然灾害风险区划的一大难题。如何在风险区划图中将“风险值估计不准”这一信息揭示出来，让用户在决策分析时清楚何处数据有质量问题及其严重程度，是新的风险区划图图型设计时应关注的问题。主要内容风险区划研究现状与展望基于信息扩散技术的模糊风险理论与方法综述软风险区划图模型设计应用实例软风险区划图与概率风险区划图的比较结论和讨论1 风险区划研究现状与展望1.1 研究现状1.2 存在问题1.3 发展趋势1.1 研究现状 自然灾害区划: 自然灾害区划图，实际上是自然灾害分布图，以自然灾害分布的空间特点进行区划。自然灾害风险区划 随着对自然灾害研究的深入，逐步

3、将灾害的量级概念引入区划图，以某一地区可能发生的灾害最大等级划分区划等级. 进一步的研究，又将概率概念引入区划图，以某一地区可能发生的灾害最大等级的概率或超越某一概率的灾害最大等级为基础编制灾害区划图。1.2 现有风险区划图及其不足图4 某个研究区 图5 极值风险分析及极值风险区划示意图 令 ; 是 的估计值。 12 ,1,2,3,4inXx xxiiYy极值风险区划不足： 极值风险区划对风险的描述采用确定性的 方法，没有顾及到灾害发生的不确定性。概率风险区划图6 超越概率风险分析及超越概率风险区划示意图不足：表达了风险的随机不确定性，而忽视了模糊不确定性（小样本情况下）。风险软计算模糊风险风

4、险区划软风险区划1.3 发展趋势2 基于信息扩散技术的模糊风险理论与方法综述2.1 自然灾害风险系统中的不确定性2.2 提高风险估计精度的信息扩散技术2.3 自然灾害模糊风险2.4 内集外集模型2.1 自然灾害风险系统中的不确定性自然灾害系统中的不确定性信息扩散技术随机不确定性模糊不确定性概率论2.2 提高风险估计精度的信息扩散技术 信息扩散技术原理：令X是一个给定的样本，假定用它可以估计一个在论域U 上的关系。当且仅当X不完备时，必定存在一个适当的扩散函数和相应的算子，使得扩散估计比非扩散估计更靠近真实关系。 目的：挖掘出尽可能多的有用信息，提高系统识别精度。 最简单的方法是信息分配方法，最

5、简单的扩散函数是正态扩散函数。2.3 自然灾害模糊风险 设I=Ij是自然灾害论域，P=pk是概率论域，为Ij的概率是pk的可能性分布， 是一个可能性概率分布（Possibility-Probability Distribution, PPD），称作I的模糊风险（Fuzzy Risk）。 ,( ) |,.JI PIjpII pP2.4 内集外集模型.ujuiukuluhDxj1 xj2 xj3 xk1 xk2 .xi1xi2xi3qj2,j1-qj1,j令 Qj =def (1-qj1,j), (1-qj2,j), (1-qj3,j) sort(Qj) = (1-qj2,j), (1-qj3,j

6、), (1-qj1,j)_令 Qj =def qi1,j, qi2,j, qi3,j, qk1,j, . sort(Qj) = qi3,j, qk1,j, qi2,j, qi1,j, . +|Qj | = nj |Qj | = n - nj_+2.4 内集外集模型1st (smallest) element of p = p02nd element ofp = p1.last (largest) element ofp = pnj 1 p = pnj 1st (largest) element ofp = pnj + 12nd element of p = pnj + 2.1last elem

7、ent of p = pnQj+Qj_Qj_Qj_Qj+Qj+j(p) =令 pk = k/n , k = 0, 1, ., n概率 0p 1p 2p 3p 4p 5p 6p 7p 8p 9p 10p ( )jIp 0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1 1I 1 1 .75 .5 .25 0 0 0 0 0 0 2I 0 0 .25 .5 .75 1 .75 .5 .25 0 0 3I 0 0 0 0 0 0 .25 .5 .75 1 1 表4 可能性概率分布表达的模糊风险 模糊风险相对于概率风险的主要区别在于：对超越概率引入可能性分布，指明了风险事件以某概率出现的可能

8、性，从而既体现了超越概率估算并不精确这一事实，又为模型容纳模糊信息提供了一条途径。3 软风险区划图模型设计3.1 不确定性可视化的相关技术分析3.2 可能性概率分布的模糊期望值3.3 软风险区划图的总思路和技术途径3.4 软风险区划图模型3.1 不确定性可视化的相关技术分析超越概率区划图技术GIS制图技术 模糊集截集技术3.2 可能性概率分布的模糊期望值图8 可能性概率分布图 ，然后将隶属度 的元素即 挑选出来。令0,1( )xpip( )min|,( ),( )max|,( ).xxpxp pPppxp pPp称有限闭区间 ( )( ),( )pxpxpx是 关于 的 水平截集。 ( )p

9、xx(4-2)(4-3)可能性概率分布的模糊集截集示意图 令 ( )( )/( ),( )( )/( ),( )( )/( ).( )( )/( ).pxpxpx dxpxpxpx dxpxpxpx dxpxpxpx dx或称 和 分别是 和 的归一化。 ( )px( )px( )px( )px令( )( ),( )( ),( )( ).( )( ).Exxpx dxExxpx dxExxpx dxExxpx dx或称 ( )( ),( )ExEx Ex是 关于 的 水平截集的期望区间。 ( )p xx(4-5)(4-6)(4-7)表5 某一地区的灾害模糊风险值 水平 CR RR 1 1( )

10、Ex 1( )Ex 2 2( )Ex 2( )Ex n ( )nEx ( )nEx 3.3 软风险区划图的总思路和技术途径总思路： 以自然灾害模糊风险为约束条件，综合模糊集截集技术、GIS技术和超越概率区划图技术在表达不确定性方面的优势，给出既能指明风险值可信度的信息，又包含传统风险图的信息的风险图图型模式。 软风险区划图编制技术方案历史灾情分析历史灾情分析建立历史灾害数据库建立历史灾害数据库灾情分布图灾情分布图灾害强度分析灾害强度分析孕灾环境分析孕灾环境分析风险区划基本单元风险区划基本单元编制软风险区划图编制软风险区划图用户需求用户需求空间叠加空间叠加模糊风险计算模糊风险计算设防标准研究设防

11、标准研究现有风险图基础数据现有风险图基础数据区划图应用政策研究区划图应用政策研究选取研究区选取研究区图10 可能性概率风险分析与软风险区划图3.4 软风险区划图模型4 应用实例4.1 研究区概况4.2 地震模糊风险计算4.3 模糊期望值的计算4.4 软风险区划图的绘制4.1 研究区概况斜线表示的区域为新生代印度板块与欧亚板块碰撞构造应力场影响的主要区域 图11 云南所处的区域构造环境 图12 云南区域的活动构造与块体划分 图13 云南地区M5.0级地震的震中分布 图14研究区示意图 资料来源 基础资料 ：（1）历史地震目录资料（包括发生时间、空间（地表坐标、 震中位置）和强度（震级）三个基本参

12、数 ）。（2）地质资料：活动构造分布图。 来源： 中国历史强震目录（国家地震局震害防御司， 1995）、中国近代地震目录（中国地震局震害防御司，1999）和中国地震年鉴（19922001）（国家地震局，19922001）。（由云南省地震局提供） 图15 研究区M5.0地震震中分布与地震活动带（区）划分 表7 各地震带（区）历史强震震级记录样本 地震带 （区） 样本名称 样本数 地震震级记录（M） 1X 14 5.7，5.0，6.5，6.2，5.0，6.0，6.1，5.2，5.2，6.5，5.2，5.3，6.5，5.1 2X 7 5.0，6.0，5.3，6.5，5.6，6.2，5.6 3X 13

13、 6.4，7.0，5.0，5.3，6.7，6.4，5.3，5.1，5.0，5.2，5.0，6.2，5.5 4X 11 6.2，5.3，6.2，5.0，5.5，5.3，5.0，6.5，7.0，5.4，5.3 5X 6 5.3，6.0，5.2，5.0，5.3，5.8 4.2 地震模糊风险计算由于我们不知道该地区强震震级所服从概率分布的函数形式（例如，是正态分布还是指数分布），而且各地震带（区）强震记录样本的容量都很小，分别为14、7、13、11、6。因此，依据所给样本进行的概率估计必然很不精确，我们将用可能性概率分布来表达该地区的强震风险。计算地震模糊风险的基本步骤地震区的样本容量仅为14，是小样

14、本，我们考虑用可能性概率来表达该地区的强震风险。考虑区间 12344.5,5.1 ,5.1,5.7),5.7,6.3),6.3,6.9IIII相应的离散论域为： 1,2,3,44.8,5.4,6.0,6.6jUuj此处控制点步长为 =0.6。 D第1步：由式（3-4）计算各样本点的分配信息，列于表8中。表8 各样本点的分配信息x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 ijq 5.7 5.0 6.5 6.2 5.0 6.0 6.1 5.2 5.2 6.5 5.2 5.3 6.5 5.1 u1=4.8 0 0.67 0 0 0.67 0 0 0.

15、33 0.33 0 0.33 0.17 0 0.5 u2=5.4 0.5 0.33 0 0 0.33 0 0 0.67 0.67 0 0.67 0.83 0 0.5 u3=6.0 0.5 0 0.17 0.67 0 1 0.83 0 0 0.17 0 0 0.17 0 u4=6.6 0 0 0.83 0.33 0 0 0.17 0 0 0.83 0 0 0.83 0 第2步：由式（3-6）计算游离信息量 ，由表9所示。对给定的j， 升序排列 ，得游离信息升序 ，如表10所示。 ijqijqjQ表9 游离信息x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x

16、14 ijq 5.7 5.0 6.5 6.2 5.0 6.0 6.1 5.2 5.2 6.5 5.2 5.3 6.5 5.1 1Q 0.33 0.33 2Q 0.33 0.33 0.33 0.17 0.5 3Q 0.5 0.33 0 0.17 4Q 0.17 0.17 0.17 1Q 0.33，0.33 2Q 0.17，0.33, 0.33, 0.33, 0.5 3Q 0, 0.17, 0.33, 0.5 4Q 0.17, 0.17, 0.17 表10 游离信息升序 第3步：由式（3-7）计算漂入信息量 ，由表11所示。对给定的j，降序排列 ，得漂入信息降序 ，如表12所示。 ijqijqjQ

17、表 11 漂入信息 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 ijq 5.7 5.0 6.5 6.2 5.0 6.0 6.1 5.2 5.2 6.5 5.2 5.3 6.5 5.1 1Q 0 0 0 0 0 0.33 0.33 0 0.33 0.17 0 0.5 2Q 0.5 0.33 0 0 0.33 0 0 0 0 3Q 0 0.17 0 0 0 0.17 0 0 0.17 0 4Q 0 0 0.33 0 0 0.17 0 0 0 0 0 表 12 漂入信息降序 1Q 0.5, 0.33, 0.33, 0.33, 0.17, 0, 0,

18、0, 0, 0, 0,0 2Q 0.5, 0.33, 0.33, 0, 0, 0, 0, 0, 0 3Q 0.17, 0.17, 0.17, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0 4Q 0.33, 0.17, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0, 0, 0 第4步：令： /140,1,2,.,14kPpkk将表10和表12的有关数值代入式（3-9），可得由可能性概率分布表达的地震模糊风险如表13所示。 表13 可能性概率分布表达的地震区的地震灾害模糊风险6p7p()jIkp I1 I2 I3 I4 0p 0 0.33 0.17 0 0.17 1p 0.07 0.33 0.33 0.17 0.

19、17 2p 0.14 1 0.33 0.33 0.17 3p 0.21 0.5 0.33 0.5 1 4p 0.29 0.33 0.5 1 0.33 5p 0.36 0.33 1 0.17 0.17 6p 0.43 0.33 0.5 0.17 0 7p 0.50 0.17 0.33 0.17 0 8p 0.57 0 0.33 0 0 9p 0.64 0 0 0 0 10p 0.71 0 0 0 0 11p 0.79 0 0 0 0 12p 0.86 0 0 0 0 13p 0.93 0 0 0 0 14p 1.0 0 0 0 0 表14 地震带的地震灾害模糊风险 0p 1p 2p 3p 4p

20、5p 6p 7p ()jIkp 0 0.14 0.29 0.43 0.57 0.71 0.86 1 I1 0 0.38 1 0.25 0.25 0.25 0 0 I2 0 0 0.25 1 0.5 0.13 0.13 0 I3 0 0.5 1 0.25 0 0 0 0 表15 地震区的地震灾害模糊风险 ()jIkp I1 I2 I3 0p 0 0.05 0 0 1p 0.08 0.28 0.5 0 2p 0.15 0.28 1 0 3p 0.23 0.28 0.5 0.5 4p 0.31 0.28 0 1 5p 0.38 0.28 0 0.28 6p 0.46 0.28 0 0 7p 0.54

21、 1 0 0 8p 0.62 0.5 0 0 9p 0.69 0 0 0 10p 0.77 0 0 0 11p 0.85 0 0 0 12p 0.92 0 0 0 13p 1.0 0 0 0 表16 地震带的地震灾害模糊风险 ()jIkp I1 I2 I3 0p 0 0.28 0.28 0 1p 0.09 0.28 0.28 0.39 2p 0.18 0.28 0.50 1.0 3p 0.27 0.28 1.0 0.28 4p 0.36 0.28 0.39 0 5p 0.45 0.39 0.39 0 6p 0.55 1.0 0.39 0 7p 0.64 0.50 0.39 0 8p 0.73

22、0.50 0.28 0 9p 0.82 0.50 0.28 0 10p 0.91 0 0.28 0 11p 1.0 0 0.28 0 表17 地震区的地震灾害模糊风险 0p 1p 2p 3p 4p 5p 6p ()jIkp 0 0.17 0.33 0.5 0.67 0.83 1 I1 0 0.33 1 0.5 0 0 0 I2 0 0 0.5 1 0.33 0.33 0.33 I3 0.33 1 0.33 0 0 0 0 表18 各地震带（区）地震灾害风险的模糊期望值 4.3 模糊期望值的计算水平 地震带（区） 保守风险值（CR） 冒险风险值（RR） 6.2 5.5 5.9 5.7 6.3 5

23、.8 6.9 5.7 0.25 6.3 5.8 5.8 5.6 5.6 5.7 5.7 5.7 5.6 5.4 0.5 5.5 5.5 4.4 软风险区划图的绘制 图16 昆明楚雄大理丽江地区地震保守风险图（ 0.25） 图17 昆明楚雄大理丽江地区地震冒险风险图（ 0.25）图18 昆明楚雄大理丽江地区地震保守风险图（ 0.5） 图19 昆明楚雄大理丽江地区地震冒险风险图（ 0.5） 5 软风险区划与概率风险区划的比较5.1 研究区的概率风险区划图5.2 研究区的地震动参数区划图5.3 软风险区划与概率风险区划的比较5.1 研究区的概率风险区划图直方图模型：nIfjj)(称 是概率密度函数的

24、直方图估计。( )p x表20 昆明楚雄大理丽江地区的概率风险（超越概率10） 地震带（区） 概率风险值 6.0 5.8 6.0 6.0 5.6 图20昆明楚雄大理丽江地区概率风险区划图（100年超越概率10） 图21 云南省有效峰值加速度区划图（50年超越概率10） 5.2 地震动参数区划图5.3 软风险区划图与概率风险区划图的比较 区划图的技术方法 概率风险区划图： 软风险区划图概率风险计算理论区划图技术模糊风险计算理论区划图技术 概率风险区划： 地质资料（断层分布）、地球物理场资料、工程地震资料、强震资料 地震软风险区划 强震资料、地质资料（断层分布）采用资料 区划图的结果 地震动峰值加速度区划图（50年超越概率10）地震动反应谱特征周期区划图（50年超越概率10）概率风险区划软风险区划 采用模糊风险分析方法； 采用“层”结构的图型模式，是一种多值风险区划图； 充分考虑到不同用户的需求，体现了“人性化”的服务趋向。软风险区划图的特点 6 结论和讨论6.1 结论6.2主要的创新点6.3讨论6.1 结论 “风险值估不准”是现有超越