一种考虑场地效应的概率地震危险性评价方法

本发明属于地震危险性分析，具体涉及一种考虑场地效应的概率地震危险性评价方法。

背景技术：

1、地震危险性评价是工程抗震设防与场址安全性评价的重要基础工作，其目的在于定量评估工程场地在设计使用年限内可能遭受的地震动水平，为工程结构抗震设计、场地适宜性比选及地震风险防控提供依据。现行地震危险性评价方法主要包括确定性地震危险性分析和概率地震危险性分析两类。其中，确定性地震危险性分析方法多用于水电、核电等设防要求较高、控制性地震情景明确的重大工程；概率地震危险性分析方法能够综合考虑地震发生的不确定性、震级分布特征、震源空间分布及地震动衰减规律，兼顾工程安全性与经济合理性，已成为常规工业与民用工程抗震设防的重要技术手段。

2、概率地震危险性分析方法自20世纪五十年代引入概率理论以来逐步发展完善。1968年，cornell建立了概率地震危险性分析用于工程场地危险性评价的理论框架；此后，该方法被广泛应用于地震区划、工程场地地震动参数确定及抗震设防标准制定。我国现行国家标准gb18306-2015《中国地震动参数区划图》同样以概率地震危险性分析方法为基础，以地面峰值加速度、反应谱特征周期等参数表征区域地震危险性，为工程抗震设防提供了重要支撑。

3、然而，对于西部山区线性工程沿线的弃渣场、施工营地、临时设施及其他单点工程而言，其场址地形地貌、覆盖层厚度和土体类型往往在短距离范围内变化显著，场地效应明显，并会直接影响地震动强度、频谱特征和持续时间。受实测剪切波速、钻探资料及覆盖层厚度数据不足等因素限制，传统概率地震危险性分析通常以基岩场地或简化场地条件作为计算前提，难以充分刻画局部场地条件差异及其对地震动响应的影响，容易造成场地地震动水平低估或高估，进而影响工程场址适宜性判断和抗震防护措施配置，难以满足单点工程精细化比选与安全评价的需求。

4、现有相关技术仍存在一定局限。例如，专利cn114693066b提出了一种地震危险性分析方法、装置、设备及存储介质，通过概率地震危险性分解与等效地震计算实现地震危险性分析，但该方法未将场地效应参数纳入计算过程，评价结果难以反映区域场地实际条件对地震动响应的影响。论文《考虑场地效应的概率地震危险性分析——以玉溪为例》采用usgs基于地形坡度反演的vs30数据表征场地效应，但并未进一步考虑覆盖层厚度与土体类型对场地效应的影响；同时，该研究固定相关距离c=60km，参数取值缺乏区域适配性验证，容易造成特定时间窗内地震活动性高估或低估，难以满足复杂山区单点工程高精度、区域化地震危险性评价的需求。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有概率地震危险性评价中存在的场地效应表征不足、地震活动性参数选取主观，区域尺度评价结果难以满足单点工程精细比选需求等问题，提出一种考虑场地效应的概率地震危险性评价方法。

2、本发明基于点位实测覆盖层厚度与土体类型，对区域覆盖层厚度进行估算与校正，并将覆盖层厚度转换为场地剪切波速参数vs30，进一步计算地震动衰减模型所需的传播深度参数。通过开展不同相关距离条件下地震活动性平滑计算，并对pga模拟计算结果进行对比分析，构建相关距离参数的区域适配优选方法，从而获得更符合研究区实际场地条件和历史地震活动特征的概率地震危险性评价结果。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种考虑场地效应的概率地震危险性评价方法，包括如下步骤：

4、步骤一、获取研究区历史地震数据，包含发震时刻、震中坐标、震源深度、震级及震级标度；通过现场调查、物探、钻探或既有资料收集等方式，获取研究区点位实测覆盖层厚度以及土体类型数据；

5、步骤二、对所述历史地震数据进行震级标度统一、地震目录除丛、最小完整震级计算，获得满足概率地震危险性分析要求的独立地震目录；基于实测覆盖层厚度数据，利用地形地貌因子约束的gist模型估算研究区全域覆盖层厚度，得到覆盖层厚度空间分布结果；

6、步骤三、根据研究区土体类型确定覆盖层厚度与剪切波速之间的二次函数模型参数，将步骤二得到的全域覆盖层厚度转换为剪切波速vs30，获得用于表征浅层场地效应的vs30空间分布结果；

7、步骤四、结合研究区尺度、地震目录完整性和历史地震空间分布特征划分计算网格，采用高斯光滑模型作为地震活动性空间平滑模型，分别在多个候选相关距离c条件下计算各网格的地震活动性分布；

8、步骤五、基于预处理后的历史地震目录，统计研究区震级与发生频次关系，建立震级-频度关系，并结合步骤四得到的网格地震活动性结果，确定各网格对应的地震活动性参数；

9、步骤六、根据研究区地质构造背景、震源深度分布和地震时空活动特征，选取适宜的地震动衰减模型；基于步骤三得到的vs30空间分布结果，计算所选地震动衰减模型所需的传播深度参数，以表征场地条件对地震波传播及衰减过程的影响；

10、步骤七、将vs30空间分布、地震活动性参数、地震动衰减模型及传播深度参数输入概率地震危险性计算引擎，模拟计算不同候选相关距离c值条件下研究区在设定超越概率和设定年限条件下的地面峰值加速度pga空间分布；所述概率地震危险性计算引擎优选为openquake引擎。

11、步骤八、对比不同候选相关距离c值条件下地震活动性分布与历史地震点位空间分布之间的契合程度，并将不同c值条件下的pga模拟计算结果与国家公布地震动参数区划数据进行相关性分析；综合历史地震点位契合程度、pearson相关系数和spearman相关系数，确定研究区最优相关距离c，并将该最优相关距离对应的pga空间分布作为最终概率地震危险性评价结果。

12、进一步地，在步骤二中，所述地震震级标度统一是指将以面波震级、地方性震级表示的地震事件统一换算为矩震级表示，以提高不同数据来源地震事件之间的可比性；所述地震目录除丛是指采用时空窗法识别并剔除前震、余震等非独立事件，保留独立主震事件；所述最小完整震级计算是指采用最大曲率法确定研究区在给定时间范围内可被可靠记录的最低震级，即同时绘制震级-累计频次曲线和震级-非累计频次曲线，取累计频次曲线最大曲率对应的震级作为最小完整震级。

13、进一步地，所述利用地形地貌因子约束的gist模型估算研究区全域覆盖层厚度，包括：

14、借助gis平台，通过正向、反向dem的水文过程分析完成斜坡单元划分，并基于斜坡单元纵剖面形态进行坡形判别与分类；

15、基于区域dem计算各栅格的标准曲率，并进行归一化处理，获取斜坡曲率贡献度cc；

16、结合研究区覆盖层土体类型及其物理力学参数取值范围，确定内摩擦角和坡度临界值，对坡度栅格进行重分类，获得坡度贡献度ac；

17、按照坡形类型对实测覆盖层厚度点位进行分组，并在各坡形类型内随机抽取80%点位，计算斜坡相对位置贡献度pc；

18、将斜坡曲率贡献度cc、坡度贡献度ac和斜坡相对位置贡献度pc相乘形成覆盖层厚度综合控制指标，并依据覆盖层实测厚度反算校正系数kc，将不同坡形类型对应的最优kc作为该坡形类型的校正系数，最终得到覆盖层厚度估算值。

19、进一步地，在步骤三中，采用二次函数模型将全域覆盖层厚度转换为剪切波速vs30，所述二次函数模型为：

20、

21、式中：vs为土体剪切波速，单位m/s；h为覆盖层厚，单位m；e、f、g为根据土体类型确定的拟合参数。

22、进一步地，在步骤四中，所述高斯光滑模型假设地震活动性在空间上服从高斯衰减规律，并以网格中心为圆心、半径为3c的邻域范围内地震事件对目标网格地震活动性的贡献作为该网格地震活动性的计算依据，计算公式如下：

23、

24、式中：为第j个网格大于最小完整震级的地震数目；为第i个网格的地震活动性；为第i个和第j个网格的中心距离，单位km；c为相关距离。

25、进一步地，在步骤五中，所述震级-频度关系采用gutenberg-richter关系表示：

26、

27、式中：n为震级大于或等于m的地震事件数；m为震级；a为表征区域地震活动水平的参数；b为表征不同震级地震发生比例关系的参数。

28、对于各网格单元，根据高斯光滑模型得到的地震活动性结果和震级-频度关系，确定相应的地震活动性参数。

29、进一步地，所述单个网格的地震活动性参数b值采用极大似然法估算，计算公式为：

30、

31、式中：为以网格中心为圆心、半径3c的邻域内地震事件的震级均值；为最小完整震级；为震级分档宽度；e为所述高斯光滑模型计算的网格地震活动性；

32、单个网格的地震活动性参数a值根据震级-频度关系式计算。

33、进一步地，在步骤六中，所述地震动衰减模型包括ask14、cy14、cb14模型，其中ask14和cy14模型采用z1.0表征剪切波速达到1.0km/s时的深度，cb14采用z2.5表征剪切波速达到2.5km/s时的深度。基于vs30计算z1.0和z2.5，使场地效应不仅通过vs30进入地震危险性计算，同时通过传播深度参数进入地震动衰减模型，以提高场地效应表征的完整性。z1.0和z2.5的计算公式如下：

34、

35、。

36、另一方面，本发明还提出了一种考虑场地效应的概率地震危险性评价装置，包括：

37、数据获取模块，用于获取研究区历史地震数据集以及点位实测覆盖层厚度数据集和土体类型数据集；所述历史地震数据集包含发震时刻、震中坐标、震源深度、震级及震级标度；

38、数据预处理模块，用于对所述历史地震数据集进行震级标度统一、地震目录除丛、最小完整震级计算，获得满足概率地震危险性分析要求的独立地震目录；

39、覆盖层厚度估算模块，用于基于实测覆盖层厚度数据，采用地形地貌因子约束的gist模型进行数值计算，估算研究区全域覆盖层厚度，得到覆盖层厚度空间分布数据；

40、场地效应参数转换模块，用于根据研究区土体类型确定覆盖层厚度与剪切波速之间的二次函数模型参数，将全域覆盖层厚度数据转换为剪切波速vs30数据，获得用于表征浅层场地效应的vs30空间分布数据；

41、地震活动性计算模块，用于结合研究区尺度、地震目录完整性和历史地震空间分布特征划分计算网格，采用高斯光滑模型作为地震活动性空间平滑模型，分别在多个候选相关距离c条件下计算各网格的地震活动性分布数据；

42、地震活动性参数确定模块，用于基于预处理后的独立地震目录，通过gutenberg-richter关系建立震级-频度数学模型，统计研究区震级与发生频次关系，并结合所述网格地震活动性分布数据，确定各网格对应的地震活动性参数；

43、传播深度参数计算模块，用于根据研究区地质构造背景选取地震动衰减模型，并基于所述vs30空间分布数据，计算所选地震动衰减模型所需的传播深度参数；

44、危险性模拟计算模块，用于将所述vs30空间分布数据、地震活动性参数、地震动衰减模型及传播深度参数输入概率地震危险性计算引擎，模拟计算不同候选相关距离c值条件下研究区在设定超越概率和设定年限条件下的地面峰值加速度pga空间分布数据；

45、最优参数确定与评价结果输出模块，用于分别计算不同候选相关距离c值条件下地震活动性分布与历史地震点位空间分布之间的契合度，以及不同c值条件下的pga模拟计算结果与国家公布地震动参数区划数据之间的相关性，综合确定研究区最优相关距离c，并将该最优相关距离对应的pga空间分布数据作为最终概率地震危险性评价结果输出。

46、本发明还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的一种考虑场地效应的概率地震危险性评价方法中的步骤。

47、综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

48、1.本发明在传统概率地震危险性评价框架基础上，考虑覆盖层厚度和土体类型对场地效应的共同控制作用，并将其转变为剪切波速vs30参与地震危险性计算，克服了传统方法仅采用基岩场地条件或单一场地参数，难以反映实际场地地震响应差异的问题，提高了评价结果的场地适配性和可靠性。

49、2.本发明基于地貌特征构建gist模型，利用点位覆盖层厚度反演估算区域覆盖层厚度空间分布，并结合土体类型建立覆盖层厚度与剪切波速vs30之间的转换关系，显著提升了场地效应参数的精细化表征能力。该方法可有效支撑线性工程沿线弃渣场、施工营地等点位工程的场地地震安全适宜性比选，尤其适用于覆盖层广布、实测资料相对匮乏的复杂山区。

50、3.本发明在地震活动性计算过程中，设置多个候选相关距离c开展地震活动性试算，并通过对比地震活动性分布与历史地震点位空间分布的一致性，以及pga模拟计算结果与国家地震动参数区划数据的相关性，综合确定最优相关距离c及其对应的概率危险性评价结果。该过程减少了相关距离参数选取中的人为干预，提升参数选取的科学性、客观性和区域适用性。

51、4.本发明在处理历史地震数据过程中，通过震级标度统一提高不同来源地震数据的一致性与可比性，通过地震目录除丛剔除前震、余震等非独立事件的影响，并通过最小完整震级计算确定地震事件样本范围，从而提高地震活动性分析及概率地震危险性评价结果准确性。