一种基于PTVA模型的多灾种耦合物理脆弱性评估方法与流程

本发明涉及灾害评估方法，具体涉及一种基于ptva模型的多灾种耦合物理脆弱性评估方法。

背景技术：

因自然因素和人类活动的影响，沿海地区受多种灾害的威胁越来越严重，单灾种评估已无法满足城市综合风险管理的需求，多灾种风险评估对社会灾害应对及恢复具有重要作用。而多灾种风险评估中，承灾体脆弱性的研究相对滞后，且灾害之间因发生时间、影响范围、影响效果等耦合而呈现出复杂关系，忽视这些关系会导致评估结果不准确。因此，如何处理耦合效应成为当前多灾种脆弱性研究的热点和难点。而由于灾害系统的复杂性和评估尺度(区域尺度、局地尺度、详地尺度)的局限性，实现多灾种耦合物理脆弱性评估及可视化较为困难。大多数方法将单灾种评估的结果直接叠加或加权叠加，以获得综合脆弱性；且多为区域尺度的评估，常采用人口密度、人均gdp等宏观指标表征灾害脆弱性，因而受评估尺度限制，未能详细分析建筑单体的物理脆弱性指标。部分方法建立了局地尺度的物理脆弱性指标体系，但往往未能考虑多灾种。综上，目前仍无较完备的多灾种耦合物理脆弱性评估指标体系及方法。

技术实现要素：

papathoma海啸脆弱性评估(papathomatsunamivulnerabilityassessment，ptva)模型被广泛应用于单灾种物理脆弱性评估。考虑到多种灾害之间的耦合关系，修正ptva模型，构建多灾种耦合物理脆弱性评估指标体系，提出一种基于ptva修正模型的多灾种耦合物理脆弱性评估方法。首先根据不同灾种影响下承灾体脆弱性指标的差异性，构建指标体系；然后运用修正的ptva模型，计算单灾种初始脆弱性指数和耦合后的脆弱性指数，经综合计算后，得到灾种综合脆弱性指数；最终实现多灾种耦合物理脆弱性的量化和可视化，从而提高了灾害风险评估的准确性。

为了实现本发明目的所采用的技术方案是，一种基于ptva模型的多灾种耦合物理脆弱性评估方法，其特征在于它包括以下步骤：

第一步：物理脆弱性指数及脆弱等级的分级；引入脆弱性指数来表征脆弱性，包括指标脆弱性指数(aij)、初始脆弱性指数(bi)和综合脆弱性指数(c)；由于同一指标、同一建筑对不同灾种均呈现出不同的脆弱性，需建立统一的脆弱性分级标准，并明确脆弱性指数与脆弱性等级的对应关系。依据keiler、kappes等的研究及专家意见，将物理脆弱性分为5个等级，详见表1；

表1物理脆弱性指数及脆弱等级的分级标准

第二步：通过文献对比研究，统计并分析台风、暴雨、地震、滑坡等不同灾种物理脆弱性的指标特征(见表2)，建立多灾种物理脆弱性评估指标体系；

表2单灾种脆弱性指标体系统计与对比表

第三步：单灾种物理脆弱性指数的计算；计算单灾种脆弱性指数并确定等级，是评估多灾种脆弱性的基础；采用指标权重法计算单灾种脆弱性指数，并依据表1分级，设区域内共有m种灾害，用i标记(i＝1，2，...，m)，第i种灾害的初始脆弱性指数bi计算如下：

式中：n为灾害i的指标个数，用j标记，j＝1，2，...，n；wij为第j个指标对应的权重，aij为第j个指标对应的脆弱性指数。

第四步：耦合效应的识别与耦合模型的建立；根据耦合模型实现多灾种耦合物理脆弱性指数的计算；在单灾种脆弱性量化的基础上分析多灾种耦合效应。耦合效应包括伴随关系、触发关系和多米诺关系。按复杂程度对耦合效应进行分类：2个灾害事件的单次耦合作用为一次耦合效应，包括伴随关系(如台风伴随暴雨)和触发关系(如地震触发滑坡)；2个以上灾害事件多次耦合作用为n次耦合效应，例如：多米诺关系、灾害链；由于多灾种耦合的研究尚处于起步阶段，实现n次耦合的分析极为困难，故从一次耦合效应入手开展多灾种脆弱性研究。若某一事件为被触发事件，则其初始脆弱指数bi不能完全反映实际脆弱性，需根据耦合效应对其进行修正；考虑耦合效应对指标脆弱性指数和权重的影响，需对多灾种耦合情境下的指标脆弱性指数aij、指标权重wij进行修正；根据修正后的值结合权重计算即可获得耦合后的脆弱性指数bi′；计算框架如图1所示，图中sk为指标不同脆弱性等级对应的脆弱性指数值。

第五步：多灾种综合物理脆弱性的计算；在对脆弱性综合考量的过程中，一些灾害需要优先考虑或者某几种灾害都同样重要。因此，需先分析单灾种脆弱性的权重，再据此计算综合脆弱性指数。记未考虑耦合作用的综合脆弱性指数为c，其计算式见下式；记多灾种耦合综合脆弱性指数为c’，其计算式见下式：

式中：bi′为灾种i耦合后的脆弱性指数；wi为灾种i的权重。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明首次综合考虑各种灾害的指标特征，构建了多灾种物理脆弱性评估指标体系，该体系比传统ptva模型指标体系更适用于多灾种脆弱性分析，同时还提高了多灾种脆弱性评估的准确性；基于ptva修正模型的多灾种耦合评估方法具有可行性和科学性，应用此方法进行脆弱性指数耦合，能有效反映不同建筑物在不同灾种耦合情景下物理脆弱性的相似性和差异性；在实现多灾种耦合物理脆弱性评估的过程中，简化了复杂的耦合、脆弱性指标量化、权重选取等过程，从而存在主观不确定性，针对这些不确定性问题，在今后的研究中应加强单灾种及多灾种耦合情境下物理脆弱性基础数据库的建设，以提高耦合分析的精确度；本发明建立的针对城市建筑单体进行的灾害脆弱性评估方法，为城市公共安全评估提供了新思路和新依据。

【附图说明】

下面结合附图说明和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明多灾种耦合脆弱性的计算框架。

图2为本发明是以暴雨为例展示暴雨耦合前后脆弱性指数的对比统计。

【具体实施方式】

结合附图，对福建省某一城市进行城市建筑单体物理脆弱性评估。一种基于ptva模型的多灾种耦合物理脆弱性评估方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)通过文献对比研究，统计并对分析台风、暴雨、地震、滑坡等不同灾种物理脆弱性的指标特征，建立多灾种物理脆弱性评估指标体系，见表3；

表3多灾种物理脆弱性指标体系

(2)对研究区内55栋建筑进行编号，依据表3开展现场调研，获得各建筑脆弱性指标的基础数据；

(3)脆弱性指数的计算；运用本文介绍方法对55个建筑的初始脆弱性指数进行计算。根据式(1)获得台风、暴雨、地震、滑坡的初始脆弱性指数bi；经过耦合性分析可知：暴雨和滑坡为被触发事件。分别计算其在耦合情景下的脆弱性指数，对被多次触发的灾害取平均值，得到被触发事件耦合后的脆弱性指数bi’；依据式(2)、式(3)，获得多灾种综合脆弱性指数c、多灾种耦合综合脆弱性指数c’，统计所得表4；

表4多灾种耦合前后脆弱性指数统计表

(4)物理脆弱性等级分布及可视化；根据计算所得脆弱性指数，按照表1进行分级，对存在耦合效应的灾种进行对比分析，可知该城市的多数承灾体经耦合分析后脆弱性指数明显升高，这是因为区内地质及气象因素导致多种灾害共同发生的概率和频率较大，相较于只考虑单灾种的脆弱性，考虑耦合作用后灾害对承灾体脆弱性的影响会相对上升；同时，区内不存在极高综合脆弱性等级的建筑，表明考虑多灾种耦合后，区内建筑虽脆弱性等级有所上升但并未达到极高水平；计55栋建筑耦合前后的脆弱性指数，分析两者存在相似性和差异性的原因；该区被触发事件为暴雨和滑坡，以暴雨为例，其耦合前后脆弱性指数对比统计如图2所示；

由图2可知：(a)考虑耦合作用的暴雨脆弱性比初始脆弱性大致升高一级；(b)房屋编号25的建筑体脆弱性指数上升显著，如图2中a、a′所示。经实地调查，该建筑为砖混结构，虽建筑年代和保存条件等因素的脆弱性等级为中，但因楼层较高其对应的脆弱性等级为低，导致仅考虑暴雨单灾种时脆弱性指数为0.4，处于较低等级；而该区存在台风伴随暴雨的典型耦合现象，进行暴雨脆弱性评估不能忽略台风对建筑物的影响，依据前文提出多灾种耦合物理脆弱性评估模型，最终计算得到耦合后的脆弱性指数为0.65，等级为高，符合研究区实际。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。