2025年大学《地球系统科学》专业题库- 地震灾害对城市基础设施的影响

2025年大学《地球系统科学》专业题库——地震灾害对城市基础设施的影响考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题3分，共15分）1.地震烈度2.生命线工程3.地震地质灾害4.基础设施脆弱性5.城市系统韧性二、简答题（每题5分，共25分）1.简述地震波的主要类型及其传播特征。2.地震灾害可能对城市交通基础设施造成哪些直接和间接影响？3.影响城市供水基础设施地震脆弱性的主要因素有哪些？4.简述结构抗震性能和场地地质条件如何共同决定基础设施的地震破坏程度。5.非工程性措施在提升城市基础设施抗震韧性中扮演着怎样的角色？三、论述题（每题10分，共30分）1.综合说明地震灾害通过哪些途径对城市能源供应系统（电力、燃气等）产生连锁破坏效应？并简析如何提高该系统的抗震韧性。2.以某一典型城市（如你所在城市或了解的城市）为例，分析其地下管网系统（如供水、排水、燃气管网）在地震中的主要脆弱性，并提出相应的抗震设防或减缓措施建议。3.阐述在地球系统科学视角下，评估地震对整个城市基础设施系统综合影响时需要考虑的关键要素，并说明提升城市基础设施系统整体韧性的重要性。试卷答案一、名词解释1.地震烈度：指地震时地面振动的强度和影响程度，是描述地震破坏效应的宏观指标，与地震震级、震源深度、震中距、场地条件等因素有关。它直接反映了地震对地表和建筑物的影响程度。**解析思路：*定义要清晰，并点明其主要影响因素，体现其作为衡量地面影响程度的宏观性。2.生命线工程：指保障城市生存、运行和发展的关键基础设施，如供水、排水、供电、供气、通信、交通（桥梁、隧道、港口等）以及消防、医院等系统中的关键节点和线路。这些工程在地震中若发生中断或破坏，会对城市社会秩序和居民生命财产安全造成严重影响。**解析思路：*点明其“关键性”和“保障城市生存运行发展”的核心功能，并列举典型例子，强调其在地震中的特殊重要性。3.地震地质灾害：指由地震活动直接引发的、对人类生命财产和环境造成危害的地质现象，主要包括地面沉降或隆起、滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝、液化等。这些灾害往往加剧地震对基础设施和建筑的破坏。**解析思路：*定义要准确，点明是“地震活动直接引发”的，并列出主要类型，强调其危害性和对破坏的加剧作用。4.基础设施脆弱性：指城市基础设施系统在面临地震等外部扰动时，易受损伤、功能中断甚至瘫痪的内在属性或敏感性。它取决于基础设施自身的结构特点、建设标准、材料质量、维护状况、地理位置以及场地地质条件等多种因素。**解析思路：*定义要抓住“易受损伤”、“功能中断”的核心，并说明影响脆弱性的关键因素，体现其内在属性和综合性。5.城市系统韧性：指城市系统在遭受地震等灾害冲击后，吸收扰动、恢复原有功能、适应新条件并从中学习进步的能力。韧性不仅包括物理修复，还包括社会、经济和心理层面的恢复与适应。**解析思路：*定义要包含“吸收扰动”、“恢复功能”、“适应新条件”、“学习进步”等核心要素，并强调其多维性（物理、社会、经济、心理）。二、简答题1.地震波的主要类型及其传播特征：*P波（纵波）：纵波是弹性体中传播的最快的一种波，质点振动方向与波的传播方向一致。它可以通过固体、液体和气体传播，波速最快，到达时间最早，破坏力相对较小。*S波（横波）：横波是质点振动方向垂直于波的传播方向的波，只能在固体中传播，不能在液体和气体中传播。它的传播速度慢于P波，到达时间晚于P波，但振动幅度较大，破坏力更强。*面波（Love波和Rayleigh波）：面波是沿地表或地表附近传播的波，由P波和S波在地壳界面处转换产生。Love波质点振动方向在垂直于传播方向的平面内，呈蛇形运动；Rayleigh波质点振动方向呈滚摆式，质点运动轨迹为椭圆。面波传播速度最慢，但振幅最大，衰减最慢，是造成建筑物强烈摇晃和破坏的主要因素，尤其对高层建筑影响显著。**解析思路：*清晰区分三种主要波型，分别说明其振动方向、传播介质、传播速度和破坏特征，特别是面波作为造成破坏的主要因素需要强调。2.地震灾害可能对城市交通基础设施造成的影响：*道路与桥梁：道路可能出现路面开裂、沉降、坑洼，桥梁可能发生结构损伤、垮塌、连接件松动等，导致道路中断或通行能力严重下降。*铁路：铁轨可能发生变形、断裂、错位，路基可能出现沉降、滑坡，隧道可能发生结构开裂、渗水甚至坍塌，导致铁路中断，影响货运和客运。*机场：跑道可能出现裂缝、坑洼，停机坪可能发生不均匀沉降，机场建筑物（航站楼、塔台等）可能受损，导致机场关闭，空中交通受阻。*港口与航运：港口码头可能发生结构破坏，防波堤可能坍塌，航道可能被沉船或落石堵塞，导致港口功能丧失，海上运输中断。*地下交通：地铁隧道可能发生结构变形、渗水、坍塌，车站可能因地面沉降或结构破坏而无法使用，影响城市公共交通系统。*间接影响：地震可能引发火灾，破坏加油站，导致燃油供应中断；通讯中断可能使交通信号系统失灵；次生灾害（如滑坡）可能堵塞道路。**解析思路：*按照交通方式分类（道路、铁路、机场、港口、地下交通），列举可能的具体破坏形式，并提及间接影响，全面覆盖地震对交通系统的冲击。3.影响城市供水基础设施地震脆弱性的主要因素：*管网材料与结构：旧有铸铁管、水泥管等材质脆性大，抗震性能差；管道接口处理不当、管道基础不稳定易在震动中损坏。*管网布局与几何特性：管网密度低、覆盖面积广易形成供水死区；管线埋深过浅易受地表震动破坏；复杂的三维空间交叉可能增加应力集中点。*系统冗余度与连通性：管网冗余度低，一旦关键管段或节点破坏，难以快速通过阀门隔离和旁通实现供水切换，导致大面积停水。*泵站与水塔：泵站、水塔等关键设施本身结构若抗震能力不足，或其供电系统被破坏，将导致供水能力丧失。*维护状况：缺乏定期检测和维护，管线老化、腐蚀、接口松动等问题会加剧地震时的破坏风险。*地质条件：不稳定的地质条件（如软土、液化土层）可能加剧地面震动对浅埋管网的破坏。**解析思路：*从管网自身属性（材料、结构、布局）、系统特性（冗余度）、关键节点（泵站、水塔）、维护水平和外部环境（地质）等多个维度分析影响脆弱性的因素。4.结构抗震性能和场地地质条件如何共同决定基础设施的地震破坏程度：*结构抗震性能：基础设施（如建筑物、桥梁）自身的抗震设计、材料质量、施工工艺、维护状况等决定了其在地震作用下的响应能力和损伤程度。抗震性能好的结构能吸收和耗散更多地震能量，限制变形和破坏，保持部分或全部功能。*场地地质条件：地震波在传播过程中会因场地地质条件的差异（如土层厚度、性质、是否存在软弱夹层、液化土层等）发生衰减、放大和频谱转换。软土场地易发生大幅度沉降和失稳（液化），导致上部结构超载破坏；坚硬土层或基岩场地地震动强度可能较高，但地面运动形式相对简单。场地条件还影响地震动特性（如周期），与结构自振周期发生共振时可能导致更大的破坏。*共同作用：结构抗震性能是“内因”，决定了基础设施在地震作用下的“抵抗能力”；场地地质条件是“外因”，决定了施加在基础设施上的“地震荷载”的大小和特性。两者共同作用决定了最终的破坏程度。通常，在强震作用下，即使结构抗震性能良好，恶劣的场地条件也可能导致严重破坏；反之，即使场地条件较好，结构自身抗震性能差，同样会遭受严重损坏。最佳策略是两者兼顾，即进行合理的结构抗震设计，并选择有利的场地或对不利场地进行改良。**解析思路：*首先分别阐述结构性能和场地条件的作用，然后强调两者是“内因”与“外因”的相互作用关系，共同决定最终结果，并可以举例说明这种共同作用的重要性。5.非工程性措施在提升城市基础设施抗震韧性中扮演着怎样的角色：*应急预案与响应：制定完善的地震应急预案，明确各部门职责和响应流程；定期进行应急演练，提高政府和公众的应急反应能力，确保在震后能快速有效地组织救援、恢复关键服务。*风险沟通与公众教育：加强地震风险知识普及和公众教育，提高市民的防震减灾意识和自救互救能力；建立有效的风险沟通机制，及时发布预警信息和灾情信息。*土地利用规划与建设管理：在城市规划中避开地震危险地段（如断裂带、液化土层、滑坡危险区）；严格控制抗震设防标准外的建设活动；加强施工质量和竣工验收监管。*保险机制：建立或完善地震灾害保险制度，分散经济损失风险，为灾后恢复提供资金支持。*恢复与重建规划：制定具有韧性的灾后恢复重建规划，不仅修复受损设施，还要吸取教训，提升重建项目的抗震标准，恢复甚至提升城市的综合功能。*信息管理与技术创新：建立城市基础设施的数据库和风险评估信息系统；鼓励应用先进的监测、模拟和修复技术。**解析思路：*列举主要的非工程性措施类别（应急、沟通教育、规划管理、保险、恢复重建、信息技术），并简要说明每类措施如何通过提升认知、组织协调、规范管理、风险分担、恢复能力等方式，间接但至关重要地提升整个城市基础设施系统的韧性。三、论述题1.综合说明地震灾害通过哪些途径对城市能源供应系统（电力、燃气等）产生连锁破坏效应？并简析如何提高该系统的抗震韧性。*连锁破坏途径：*直接破坏：地震波及发电厂（核电站、火电站、水电站厂房）、变电站、输电塔、燃气电厂、储气罐、输气管线等关键设施，导致设备损坏、停产停运。建筑物垮塌可能压坏线路和管道。*网络破坏：输电线路（架空或电缆）可能因杆塔倾斜、断裂、绝缘子损坏而中断；燃气管道可能因地面错动、沉降、液化、热胀冷缩应力集中而破裂、泄漏；输油管道也可能受损。*控制系统破坏：控制中心、通信系统（电力、通信光缆可能中断）被破坏，导致无法对能源系统进行远程监控和调度，即使部分设备未完全损坏也无法恢复运行。*次生灾害诱发：地震引发的火灾可能烧毁变电站、油库、燃气设施；液化可能使燃气管道浮起或接口松动导致泄漏；滑坡或泥石流可能掩埋输电线路或管道。*供应中断的连锁反应：电力中断导致燃气电厂无法启动、水泵无法运行（影响燃气输送泵站）、用户端用电设备停摆；燃气中断影响工业生产和居民生活。关键工业用户（如医院、供水、交通）能源中断将严重影响社会运行。*提高抗震韧性措施：*工程措施：对关键设施（电厂、主变电站、泵站等）进行抗震加固；采用抗震性能更好的设备（如柔性管道、抗震支架）；对输电塔、管线进行基础处理和加固；设置管线穿越断裂带的隔离装置；建设备用电源和燃气供应设施。*规划与管理措施：在选址时避开高风险区；优化网络布局，提高冗余度，设置多路径供电/供气；制定详细的应急预案，明确抢修流程和资源调配；加强日常巡检和维护，及时消除隐患；建立快速抢修队伍和技术储备；推广分布式能源。*技术创新：应用智能电网、智能燃气系统，实现故障快速定位和隔离；利用地震预警信息提前切断危险设备电源或关闭燃气阀门，减少次生灾害。**解析思路：*第一部分需全面、系统地阐述能源系统（区分电力和燃气）在地震中可能遭受的直接和间接、内部和外部各种破坏环节，体现“连锁效应”。第二部分针对这些破坏途径，提出工程、规划管理、技术等多方面的韧性提升策略，体现综合性和可操作性。2.以某一典型城市（如你所在城市或了解的城市）为例，分析其地下管网系统（如供水、排水、燃气管网）在地震中的主要脆弱性，并提出相应的抗震设防或减缓措施建议。*（此处以“某沿海平原城市”为例进行分析，具体城市需自行替换）*主要脆弱性分析：*地质条件不利：该城市位于沿海平原，地质条件以软土为主，浅层存在液化土风险。地震时易发生大面积地面沉降、不均匀沉降和液化，导致浅埋或埋深较浅的管道承受额外应力、接口错位、断裂或功能失效。*管网老化与标准滞后：城市建成时间较长，大量采用铸铁管、水泥管等脆性材料，管龄老化，接口不牢，抗震能力差。部分管段建设年代早，未按现行抗震设防标准设计。*管网布局与信息缺失：管网错综复杂，三维空间交叉密集，应力集中点多。许多管道采用“顶管”等方式穿越，接口处理是薄弱环节。缺乏精确、统一的地下管网GIS数据库，给风险评估和应急抢修带来困难。*系统冗余度低：部分管网区域布局单一，缺乏替代路径。一旦关键主干管或重要阀门站损坏，难以快速隔离影响范围，修复难度大。*维护能力不足：日常巡检和检测手段相对落后，难以发现管道内部或早期损伤。应急抢修队伍和专业设备可能不足。*抗震设防或减缓措施建议：*风险评估与精细化测绘：开展全面的地下管网地震风险评估，识别高风险区域和关键管段。利用物探、探地雷达等技术进行精细化地下管线测绘，建立高精度的三维GIS数据库。*管道材料更新与接口改造：对老旧脆性管道实施更新改造，优先采用抗震性能更好的球墨铸铁管、钢管或塑料管道。对现有管道进行接口加固处理，如采用柔性接头、改善接口密封性等。*管网结构加固与基础处理：对重要管段和穿越重要地段的管道进行结构加固。对易发生液化区域的管道基础进行加固处理（如采用桩基础、换填等）。*优化管网布局与提升冗余度：在条件允许的区域，适当加密管网，增加平行管线或替代路径，提高系统冗余度。优化阀门布局，确保关键节点易于操作。*加强监测与应急能力建设：部署管道泄漏、沉降、位移等监测传感器，建立实时监测预警系统。加强应急抢修队伍建设和培训，储备充足的备品备件和抢修设备。制定详细的地下管线震后抢修预案。*分区段设防与分段隔离：对不同风险等级区域采取差异化的设防标准。在重要节点和长距离管道上设置阀门，震后可快速分段隔离，缩小影响范围。**解析思路：*首先设定一个具体场景（典型城市及其地质特点），然后基于该场景分析地下管网（选取供水、排水、燃气）在地震中的共性脆弱点（地质、材料、布局、信息、冗余、维护）和个性问题（如软土液化、老城区标准低）。接着，针对这些具体脆弱点，提出具体、有针对性的抗震设防（如加固、更新、基础处理）和减缓措施（如测绘、监测、应急、布局优化），使建议具有针对性和可行性。3.阐述在地球系统科学视角下，评估地震对整个城市基础设施系统综合影响时需要考虑的关键要素，并说明提升城市基础设施系统整体韧性的重要性。*评估关键要素（地球系统科学视角）：*系统边界与组成：明确城市基础设施系统的范围，不仅包括传统的交通、能源、供水、通讯等“硬”基础设施，还应纳入建筑物、生命线网络、绿地空间、水系、废弃物管理系统等“软”或半基础设施元素，以及它们与自然环境（地形地貌、地质土壤、水系）的相互作用。*物质与能量流动：关注地震如何中断或改变系统内部以及系统与环境之间的物质（如水、电、燃气、信息、人流、物流）和能量流动路径与效率。例如，地震如何阻断能源供应，影响交通物流，进而影响供水、食品供应等。*空间关联与网络结构：分析基础设施系统各组成部分在空间上的分布格局、相互邻近程度、连接关系（物理连接、功能依赖）。识别关键节点、脆弱环节和影响传播路径。考虑不同区域（如市中心、工业区、居民区）基础设施的相互依赖性和影响差异。*时间动态与恢复过程：考虑地震影响的时效性，从瞬时破坏到短期功能丧失再到长期恢复的过程。评估不同基础设施的恢复速度和相互影响，以及恢复过程中对其他系统的影响。*跨系统相互作用：强调基础设施系统与其他子系统（如社会经济系统、生态系统）的紧密耦合。评估地震对基础设施的影响如何通过经济活动、社会秩序、人口迁移、环境污染等途径传导放大，形成系统性的灾害后果。*反馈机制：分析地震影响下系统内部各要素之间的反馈关系。例如，交通中断如何加剧能源供应困难，