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地震防災:怎麼推估地震災害
事先做好避災、地震監測與通報、耐震設計與補強、防災規劃與演練、風險評估與管理等具體作為,即使無法免除地震引致的傷亡或損失,也會減到最小的程度。
 
 
 
地震特性

地震、颱風、洪水和土石流是臺灣居民常面臨的天然災害,如何有效防治,一直是政府非常重視的課題。

地震與其他颱洪災害相比,在本質和特性上有許多不同的地方。首先,地震發生前並無明顯的徵兆,以目前的科技水準尚無法準確預測地震發生的時間、地點和規模,因此無法像颱風來臨前進行易淹水地區與土石流危險區域的疏散撤離行動。其次,強烈地震不常發生,但可在短時間內造成大範圍、毀滅性的破壞,即使在震央數十或數百公里外,建築物仍可能受到地震波的影響而損害。自1736年以來,臺灣地區已發生14次超過百人死亡的強震,其中4次有千人以上死亡。

震災境況模擬

所謂「知己知彼,百戰百勝」、「毋恃敵之不來,恃吾有以待之」,就是說:要做好防震減災的工作,就必須充分了解地震的特性及可能引致的災害,並且在強震來臨前,先做好避災、地震監測與通報、耐震設計與補強、防災規劃與演練、風險評估與管理等具體作為。即使無法免除地震引致的傷亡或損失,也會減到最小的程度。

透過震災境況模擬,可定量推估地震事件可能引致的各種災害潛勢、交通與民生系統損害,以及對社會經濟的影響。其中,災害潛勢是指地震所引致的、可能危害生命或財產安全的現象,包含地表強烈晃動、鬆散土壤因震動而液化、山崩和錯動斷層附近的地表破壞等。如屬海域的淺層地震,海底地表突然的上下變形也可能引致海嘯,對周圍沿海的城鎮造成很大的威脅。

在進行震災境況模擬前,通常需廣泛蒐集各種風險暴露和人文社會環境資料,包含數量、耐震能力、修復時間、重建成本、家庭可支配所得、房屋自有率等。一旦獲得各地區的地震災害潛勢後,配合建築物、橋梁、設施、地下管線等的震損評估模式,可進一步推估各種風險暴露可能的損害程度和數量、修復時間、損失金額,甚至推估傷亡人數、緊急避難與短期收容人數、震後火災數量、工程廢棄物數量,以及各項救災、醫療、民生物資需求等。

為檢視各項基本資料和評估結果並了解其空間分布,震災境況模擬須整合地理資訊系統和資料庫建置技術,也亟需跨領域的整合研究。

震源參數設定

地震的成因很多,包含核子試爆、火山爆發、隕石撞擊地面等,但有超過90%是因斷層錯動所引致的,稱為構造性地震。地球內部的岩漿活動造成地表的板塊移動,在板塊與板塊交界處的岩石厚度較小,當受相鄰板塊的推擠、拉伸或平移時,較脆弱的地方就可能突然且急遽地破裂而造成大地的震盪。

這些岩石的脆弱面稱為斷層,是發生地震的主要地點。如同變形的彈簧被鬆開後,原先存放在彈簧內的彈性位能會釋放出來,當斷層突然破裂時,存放在變形岩石內的應變能也會釋放出來。能量釋放的大小與斷層的破裂面積、斷層兩側的滑移量和岩石強度有密切關係。

在科學上,常以地震規模來表示能量釋放的大小,一個地震事件僅有一個地震規模。但因衡量地震規模有不同的方式,如常見的芮氏規模、震矩規模等,易造成一般大眾的混淆。採震矩規模的優點是較能區分超大地震事件的能量釋放大小,但因破裂面積和滑移量無法實地量測,而需透過複雜的計算,因此在震後極短時間內無法即時獲得準確的震矩規模值。目前,中央氣象局的地震測報作業主要採芮氏規模,雖然在超大地震事件時芮氏規模值會發生飽和現象,但可量測而得且滿足防救災的實務需求。

當描述一個地震事件的震源特性時,地震規模僅代表能量釋放的大小,震央座標代表錯動斷層面起始破裂點的水平位置,震源深度則是起始破裂點的垂直深度。為更精確推估各地區的震動強度,需進一步提供斷層面的幾何特性描述,譬如出露地表的斷層線、斷層長度、破裂面的寬度、傾角等。有詳實的震源參數設定,才能合理地推估各地區的災害潛勢。

災害潛勢分析

當斷層突然破裂而引起周圍地盤震盪時,地震波往四面八方傳遞。一般來說,離震源越近,震動強度越大,高頻成分較明顯。離震源越遠,震動強度越小,這時因土壤有濾波的效果且高頻成分衰減較快,因此遠域的低頻成分較明顯。

飽和鬆散的砂質土壤受反覆搖晃時,可能發生液化現象。為精確評估各地土壤液化的可能性,除需當地工程鑽孔試驗資料(包含各土層的動態試驗數據、比重、粒徑分布、細料含量、含水量等)和所受最大加速度外,地震規模也息息相關。地震規模越大,搖晃時間越長,越容易引致土壤的液化。反之,即使最大加速度頗大,但僅短暫搖晃就停止,並不一定會引起土壤液化現象。

同樣地,各地發生山崩的可能性與岩石性質、坡度、最大地表加速度、地震規模等有關。綜合來說,地震規模和震動強度是多種地震災害潛勢的主要控制因素。每一地震事件的規模值僅有一個,除代表能量釋放的大小外,也代表強震搖晃時間的長短,而震動強度則各地不同。

隨著計算機效率日益提升,以及對各地土壤和岩盤特性的調查日益完整,在震源特性和錯動斷層的幾何形貌都確定的條件下,可透過精密的數值模擬程序推估各地的震動強度,甚至模擬出各地的震動歷時,也就是地表加速度隨著時間變化的情形。然而,精確模擬耗時費日,且受限於地震的不確定性,在工程和防災應用上多數仍採用傳統的震動衰減律,也就是描述震動強度與地震規模和場址距斷層破裂面距離的關係式,再配合場址效應做修正。

根據觀測紀錄可知,各地震動強度與地震規模和距離斷層破裂面的遠近有關,也與震波傳遞路徑、各地的土壤特性、地形起伏等有關。換言之,適用於美國或日本的震動衰減律不一定適用於臺灣,美國西部加州的震動衰減律也不適用於東部地區。

中央氣象局自1991年推動強地動觀測計畫以來,已在臺灣地區布設六百多個強震站和上百個地震速報站,量測設備逐年汰舊換新,強震紀錄的品質越來越好。運用這些本土的、為數眾多且高解析度的強震紀錄,可迴歸分析獲得適用於臺灣的震動衰減律,和各地不同的場址效應修正係數。

一般建築物損害評估

根據歷史震災經驗,人命傷亡和財產損失多因建築物損害而引起。為了在平時儲訓足夠的搜救、醫療、消防人力,並準備足夠的救災與民生物資,需推估一次大規模地震事件中,因建築物倒塌受困的人數、死傷人數、震後火災數、工程廢棄物數量,以及因住宅損害而需緊急避難或短期收容的家庭、人數等。合理推估建築物損害的程度與數量,是回答上述問題的關鍵資訊。

既有的建築物分屬不同地區、年代和結構形態,不但為數眾多,且柱、梁、版、牆等構件的配置和施工品質也有差異。除非有適度簡化的損害評估模式,否則不易推估在地震事件下的損害程度與數量。目前可根據工程實務、室內的模型試驗、震災經驗等,觀察各類型建築物在地震時的反應特性和耐震能力,把它概分為幾種模型建物和耐震設計水準。換言之,同一種模型的建築物有相似的振動周期、阻尼比、極限強度、容許的變形量等,因此在同一地震作用下有相似的反應和損害程度與機率。

評估模型建物受地震的影響時,需考慮在小地震時的勁度(共振周期)和大地震時的強度特性,以及構件進入非線性反應時,結構系統的遲滯阻尼和弱化現象,才能較精確地評估在不同地震作用下的反應與損害程度。每一種模型建物都需根據專家意見和試驗資料,仔細校正其能耐曲線和易損性曲線,做為震損評估的依據。相對於橋梁的結構系統,建築物的損害模式較單純,通常以底層損害較嚴重,可以用頂層的位移率(即屋頂位移量除以樓高)做為判識可能損害程度的依據。

根據財政部和各縣市稅捐機關提供的房屋稅籍資料,包含縣市鄉鎮區和村里代碼、構造類別(如鋼構造、鋼筋混凝土造、加強磚造、磚造、木造)、總樓層數、用途(如住宅、旅館、辦公室、店鋪、醫院、工廠)、課稅年數、樓地板面積等,配合不同時期的建築物耐震設計規範和震區劃分,已建置依模型建物或用途分類的建築物風險暴露資料庫。

為推估不同時段的人口動態分布,以計算建築物損害引致的人員傷亡數,以及推估可能引致的修復費用和經濟損失,必須進一步統計用途分類與模型建物的對應關係,或稱為不同用途分類的模型建物的組成律。目前進行震災境況模擬時,是以村里為最小的評估單元。

傷亡與損失評估

地震引致的傷亡和損失多數都因建築物倒塌或損害,傷亡數量與損失金額除與模型建物和耐震水準息息相關外,也與不同時段的人口動態分布和建築物的用途有密切關係。譬如,在日間上班上學時段,多數人口集中於商業、工業、政府機關、學校等建築物內,夜間睡覺時段則多數集中於住宅區的建築物內。

不同時段的人口動態分布可依用途別,以人口密度與樓地板面積的乘積予以概估。進行人員傷亡評估時,需考慮不同時段、不同地區的人口動態分布,並配合各地區的模型建物組成律,以及模型建物在不同損害程度時的傷亡率和震損評估結果,以統計模型推估可能的傷亡數量。

建築物損害引致的經濟損失,主要包含修復時間、修復費用、財物損失、商業庫存損失、(房客)搬遷或(房東)租金損失等。其中,修復費用、財物損失、庫存損失等須考慮不同用途類別的單價不同,如屬出租的建築物損害,房客需負擔搬遷費用,房東則需承擔租金短少的損失。

防災規劃與風險管理

一般來說,易淹水地區和土石流危險區域較易辨識,且颱風豪雨來臨前有較充裕時間告知民眾,可及時做好因應措施。但大規模地震發生前並無明顯的徵兆,且只要接近震源,無論高山或平地都可能發生災害,因此需於平時做好萬全的防災準備。

提升住家和公共場所的耐震安全是最佳的震災防治對策,但需民眾有意願進行建築物耐震補強,也需政府編列龐大經費,通常緩不濟急。在老舊的社區和建築物依然普遍存在的今天,平時就做好地震防災規劃,可減少災情擴大,有效減少傷亡和損失。

根據活斷層調查、歷史地震紀錄和專家意見,各縣市須擬訂可能發生的最嚴重地震事件。以大臺北地區為例,姑且不論山腳斷層是不是活動斷層,發生的可能性是否微乎其微,可能無法避免地須把山腳斷層錯動引致大規模地震做為防災規劃的假想情境之一。

根據前述的震災境況模擬技術,可推估不同地區建築物全半倒、震後火災、人員傷亡、避難需求等的數量和分布,並進一步推估救援、消防、醫療等所需的人力和機具,也可推估各避難收容場所需提供的民生物資等。強震後,可能發生各種情境,譬如交通設施受損,導致交通中斷或返家困難,或通訊設施無法持續運作,妨礙災情通報或資源調度等。震災境況模擬可提供各種可能情境的合理數據,在平時擬訂有效的因應策略,備妥足夠的救急物資,進行防災演練,把有限的經費做最佳的運用。

及時有效的搶救和支援調度是減少人命傷亡的關鍵。在強震後運用地震早期損失評估技術,可在震後數分鐘內提供災情規模、分布等推估資訊,供防救災權責機關研判是否需成立災害應變中心,不需等待災情回報的最終結果,就可做好資源整備的工作,隨時待命支援受災地區。運用震災境況模擬也可協助分散和移轉風險,如擬訂合理的地震保險策略,一旦發生災損時可獲得保險理賠,減少巨額的經濟損失。
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