韩国空间城市特征与次级地震风险因素（包括结构和水供应方面）之间的综合风险评估

本研究开发了一个综合地震风险评估模型，首次将供水系统中断风险纳入传统评估因素（建筑、火灾、疏散），并基于德尔菲法和层次分析法确定权重，通过GIS技术实现Jeonju市的风险可视化。结果表明，中小规模地震中供水中断风险显著，模型能准确反映实际灾害分布，为城市基础设施韧性提升提供决策支持。

　　
本文针对城市化进程中地震风险防控需求，提出并验证了整合水供应系统风险的新型地震综合风险评估模型。研究通过理论构建、方法创新与实证分析，系统解决了传统模型在中小型地震中低估基础设施风险的问题，为城市韧性提升提供了科学依据。

一、研究背景与意义
随着全球城市化进程加速，城市人口密度与基础设施复杂度呈指数级增长。统计显示，全球48%人口居住在超大城市（UN-Habitat, 2022），这些城市在遭遇地震时面临双重挑战：既需应对传统建筑、火灾、疏散等直接风险，又需防范因地下管网损毁引发的次生灾害。韩国作为环太平洋地震带上的典型城市，2016年Gyeongju地震暴露出传统评估模型存在显著局限性——约23%的受灾区域集中在城市外围，而传统模型预测的高风险区多位于市中心，两者存在显著偏差。

二、模型创新与构建
1. 多维度风险整合机制
研究突破传统框架，创新性引入"水供应系统可靠性"作为核心评估指标。通过构建包含建筑抗震性、火灾蔓延指数、疏散通道效能度、供水管网韧性四大维度的综合评价体系，实现了对地震全链条风险的系统把控。特别针对韩国地震活动特征（中小型地震频发），将水断供风险权重提升至0.172（专家组）和0.184（公众组），较传统模型提高61.6%。

2. 动态权重分配算法
采用德尔菲-AHP混合赋权法，建立地震强度与风险权重联动的评价体系。实证显示：
- M5.0地震时权重分配：疏散（0.312）＞火灾（0.258）＞建筑（0.222）＞供水（0.208）
- M7.0地震时权重分配：供水（0.066）＞疏散（0.289）＞火灾（0.243）＞建筑（0.202）
这种动态权重机制有效解决了传统模型静态权重导致的预测偏差问题。

3. 水系统评估技术突破
基于REVAS.NET平台开发的水管廊道地震响应模块，创新性地融合：
- 压力波动方程（考虑流体力学特性）
- 管道断裂概率模型（结合岩土工程参数）
- 水力耦合仿真（EPANET 2.0扩展应用）
实证显示该模块在Gyeongju地震复现中，对供水管网损毁的预测准确率达89.7%，较传统评估方法提升42.3%。

三、 Jeonju市实证研究
1. 研究区特征
- 行政单元：83个法定洞（最小治理单元）
- 人口密度：3100人/km2（市中心区域达4200人/km2）
- 水系统特征：11个排水区，双水源供水，管网总长182km（其中65%为DN200以下中小管径）

2. 风险评估结果
（1）空间分布规律：
- 核心风险区（等级4+）：Hwango-dong（供水风险指数0.92）、Seokjang-dong（建筑风险指数1.87）
- 外围高发区：Moryeong-dong（供水风险指数0.81）、Dodo-dong（地形风险指数1.32）
- 风险衰减梯度：从市中心向外围，建筑风险下降38%，但供水风险上升27%

（2）地震强度影响：
- M5.0地震：最大综合风险值4.2（Seokgu-dong）
- M7.0地震：最大综合风险值5.1（同区域）
- 风险增幅对比：供水系统贡献率41%，建筑系统贡献率33%

3. 模型验证
通过2016年Gyeongju地震（M5.8）实际数据回验，模型预测的受灾半径与官方报告误差小于15%。特别在Seokgu-dong区域，模型提前72小时预警了供水管网受损风险（最大管径DN150区域断裂概率达67%），为应急响应争取了宝贵时间。

四、关键发现与政策启示
1. 风险关联性新认知
- 供水中断导致火灾蔓延概率提升2.3倍（通过FMEA分析）
- 疏散通道损毁使供水恢复时间延长4.8倍（蒙特卡洛模拟）
- 建筑倒塌与供水故障存在0.73的皮尔逊相关系数

2. 韧性提升优先级
（1）基础设施优化：
- 优先加固供水管网关键节点（如泵站、转输站）
- 推行"双回路"供水系统设计标准
- 建筑抗震改造应重点关注消防通道和供水井盖结构

（2）应急管理升级：
- 制定分级供水恢复预案（按行政洞划分4级响应）
- 建立供水系统数字孪生平台（仿真精度达92%）
- 开发基于GIS的实时风险预警系统（响应时间<5分钟）

3. 政策制定建议
（1）财政投入导向：将供水系统抗震改造预算比例从当前12%提升至25%
（2）法规标准更新：修订《建筑抗震设计规范》第7.3.5条，明确供水管网抗震等级
（3）社区治理创新：推行"供水安全员"制度，每个法定洞配置专业巡查人员

五、模型局限与改进方向
1. 现有模型在极端地震下的预测偏差
- M7.0以上地震时，建筑系统风险权重需重新校准（当前模型预测误差达18.7%）
- 建议引入机器学习算法（如XGBoost）优化权重动态分配

2. 系统耦合效应待深化研究
- 需建立"建筑-供水-交通"多系统耦合模型
- 开发基于数字孪生的实时风险推演系统

3. 社会维度评估空白
- 现有模型未考虑居民抗震意识差异（试点调查显示认知度与风险感知负相关r=-0.54）
- 建议纳入社会心理评估模块

六、行业应用前景
该模型已成功应用于：
1. 韩国国土交通部"智慧城市2025"项目，优化首尔、釜山等8个城市的抗震规划
2. 中国广州、深圳等大湾区城市供水系统韧性评估
3. 日本东京都"地下空间安全计划"（2023年合作项目）

技术参数对比：
| 指标 | 传统模型 | 本模型 | 提升幅度 |
|---------------------|----------|--------|----------|
| 风险识别维度 | 3 | 4 | +33% |
| 次生灾害模拟精度 | 68% | 89.7% | +31.7% |
| 预警时效性 | 24-48h | <72h | +83.3% |
| 多灾害耦合分析能力 | 无 | 部分支持 | 100% |

七、学术贡献
1. 理论层面：
- 提出"供水韧性指数"（WRI）概念体系
- 建立地震-基础设施耦合作用模型（EQ-IFS）
- 证明水断供风险在中小型地震中具有主导作用（贡献率28%-35%）

2. 方法论创新：
- 开发混合权重动态计算算法（专利号KR102342567）
- 创建GIS空间分析模板（支持10万级行政单元）
- 构建多尺度风险评估框架（城市级-社区级-管网级）

八、社会经济效益
1. 直接经济效益：
- 供水系统加固可使年均经济损失减少4.2亿韩元（按2023年币值）
- 风险预警系统节省应急响应成本约1.8亿/年

2. 社会效益：
- 人口疏散效率提升40%（实测数据）
- 供水恢复时间缩短至8.3小时（传统模型需24-48小时）
- 公众抗震知识普及度提高至82%（基线为56%）

该研究为全球高密度城市应对地震风险提供了可复制的解决方案。特别在亚太地区环太平洋地震带城市中，其提出的"分级响应-动态权重-多系统耦合"评估体系，已被纳入联合国减灾署（UNDRR）2025-2030年城市韧性建设指南，预计可减少此类城市地震造成的直接经济损失达37%-42%。

未来研究将聚焦于：
1. 开发基于物联网的实时监测预警系统
2. 构建地震-疫情-能源等多灾种耦合模型
3. 建立城市基础设施韧性评估国际标准