2016年10月1日

如何評估地震危害與風險?

作者/詹忠翰(任職於新加坡地球觀測研究中心。專長地震活動模型與地震危害分析,參與多項國內外地震危害評估計畫。)、王郁如(2016年與台灣地震模型(TEM)團隊,發表TEM第一版的地震危害度模型。現為核能研究所副工程師。專長為地震學。)、李雅渟(參與TEM團隊,研究地震危害度模型。現任科技部獨立博士後研究員,專長為地震災害分析。)、馬國鳳(TEM 團隊主持人,研究地震機制及危害度分析。現任國立中央大學地球科學學系講座教授、教育部國家講座,專長地震源力學及海嘯。)


受到車籠埔斷層影響而隆起的校園操場。 
(Bob Yeats, Oregon State University, https://goo.gl/YhWL0N)
 
位處於板塊交界的臺灣,地震成了無可避免的宿命。但除了消極地恐慌地震可能造成的災難,藉由跨領域的合作,或可積極地將地震造成的損失以及衝擊最小化。本文以地震危害與風險評估的角度,探討不同領域針對地震減災所做的努力。

根據聯合國「政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)」的研究報告,「風險」的明確定義為災害、脆弱性,以及暴露性等3項因素的函數(「災害」為造成社會負面影響的自然或人為因子。以地震災害為例,表示地震所造成的震度;「風險」則意指災害造成的生命與財產損失)。

於1999年集集地震中倒塌的集集武昌宮。(shutterstock)

地震災害評估
評估未來可能發生的地震災害,必須通盤瞭解地震的特性,進而評估地震分布、未來發震機率與可能的震度分布。大地震的發生多肇因於活動斷層的錯動,如1999年集集地震發生於車籠埔斷層;1935年新竹– 臺中地震肇因於獅潭與屯子腳二斷層的破裂。有鑑於此,地震災害評估首重活動斷層的辨識,如經濟部中央地質調查所在2010年公佈的活動斷層分布圖,標示全臺灣33條活動斷層地表出露位置。另外,臺灣地震模型(Taiwan Earthquake Model, TEM)團隊則提出38條孕震構造(未來可能發生地震的構造)並彙整各孕震構造之活動特性(如回歸週期、未來發震機率等)。值得注意的是,各資料庫中活動斷層的位置以及特性並非恆久不變,隨著科學研究的精進,當有更新的證據或模型提出時,資料庫數據也將隨之更動。
 
雖然科學家儘可能地發掘潛藏在我們生活周遭的活動斷層,然而許多地震並不發生在已知的斷層上,造成的災害亦不容忽視。以發生於2016年初的美濃地震為例,該地震造成臺南地區重大的生命與財產的損失。而地震的發生肇因於埋藏於地底的「盲斷層」的錯動—而非過去已知的活動斷層,無法藉由出露於地表的證據評估地震活動性。因此,記錄著過去地震資訊的地震目錄便扮演著「古為今鑰」的角色。藉由過去地震的頻率,推估未來地震發生的可能性。



除了辨別地震源以及分析發震頻率,地震震度的計算也是地震危害度評估的另一個重點。地震發生後,地震波能量向四周擴散並隨著距離衰減,稱作「路徑效應」。路徑效應與傳遞震波的介質特性有關。一般而言,相較於活動塊體(如美國加州地區),震波在穩定陸塊(美國東部)衰減較少,因此更容易在遠離震源的區域發生災害。 2011年,美國維吉尼亞地震,其規模僅5.8,在美國東部與中西部等大範圍區域的居民皆感受到地震的威力;相對地,發生於2004年加州中部地震,其規模為6.0,僅加州局部區域造成有感搖晃。上述震度分布的評估方式,目前主要有2種方法:衰減公式以及震波模擬。前者藉由過去地震觀測經驗,以數學公式表現強地動與地震規模、地震距離、場址放大效應(鬆軟土層上具有較大震度)之間的關係式。因此,我們可以藉由此關係式,估算某一位置的可能震度。後者則以地震物理的概念,考量地震波在構造介質中傳遞的特性,利用有限差分法等數值分析概念,模擬地震波能量傳遞到目標地點時的特性。




透過上述對斷層或地震源特性的瞭解以及地震波傳遞的特性,即可評估地震危害度。地震危害度的表現方法不一而足,最常見的方法為振動強度的分佈圖,呈現未來特定時間與機率條件下的振動強度分布。該結果通常顯示,在發震較為頻繁的活動斷層周遭,具有較大的地震危害度。


暴露性與脆弱性
隨著社會經濟的發展,暴露於地震危害度中的人或物等生命財產也隨之增加。例如,1909年臺北發生一規模7.0的地震,造成 9人死亡,122間房子全倒。當時的臺北人口稀少,現今臺北人口已達 270萬人,且高樓大廈櫛比林立。若類似地震再次發生,所造成的經濟財產損失可能遠超過當年。



所幸,隨著耐震工程技術的發展,可降低地震所造成的損失。地震工程界的俗語有云:「地震不殺人,殺人的是建築物。」此一俗語可藉由同樣發生於 2010年的智利以及海地二處地震傷亡數據的比較而得到驗證。該年1月,在海地首都太子港附近發生一規模 7.0之地震。由於該國並無建築法規等相關規範,因此造成大規模建築物倒塌以及超過30萬人死亡;同年2月,智利第二大城市康塞普西翁(Concepcion)鄰近地區發生一規模 8.8之強震。受惠於建築法規的落實,死亡人數(約500人)遠小於海地的案例。由此可鑑,建築物的耐震能力決定位處於其中的生命是否受到威脅。因此,建築物的脆弱性成為地震風險評估的關鍵指標。建築物的形態不一而足,實際評估地震風險時,需將建築物根據建築型態(如:木造、鋼構、鋼筋混凝土、磚造等)以及耐震設計水準(在許多國家,由於歷經多次建築法規修訂,不同時期建築物其耐震水準有所差異)分類。對於不同的建築型態,常以脆弱性曲線,量化建築物遭受不同震度時的損壞比率。結合前述地震危害度評估的結果,即可得知在未來特定時間內,建築物所可能遭受地震損害的機率。

除了建築物,人員傷亡是另一災損評估的項目。人員傷亡的估計方式較為多元。部分研究利用過去地震經驗,回歸震度與傷亡比例的關係。該方法根據觀測結果透過統計的方式評估,然而大規模災害地震並不頻繁(在臺灣,過去百年共發生2次超過千人喪生之地震),且各事件的時空背景不同(不同建築型態與耐震水準),因而可能造成回歸結果偏差,不易實際地應用於未來災損評估。另一種傷亡估計方式,則是考量建築型態以及受損情況,估計建物內部人員的傷亡比例。由於此模式將「地震不殺人,殺人的是建築物」之現象清楚量化,因此廣泛應用於地震工程評估系統之中,如美國「聯邦緊急事務管理署」(Federal Emergency Management Agency)的災害風險評估軟體──HAZUS,以及臺灣「國研院國震中心」的「臺灣地震損失評估系統」與「台灣地震模型」所使用的「OPENQUAKE」皆依照此模式開發。

除了建築物耐震水準之外,年齡結構以及社會經濟狀況亦有可能影響人口死亡比例。如1995 年阪神以及2011年日本東北地震中罹難人口統計中,年長者佔有相當比例;在 2010年海地地震的案例中,罹難人口中多為年紀較輕的幼童。這些例子強調了依賴人口(年齡在65歲以上的年長者以及15歲以下的幼童)在地震事件中的脆弱性。在1999年集集地震時,平均所得較低,或貧富差距較大的鄉鎮,死亡人數越多。此現象暗示著經濟發展導致社會中生命財產價值的提升,促使人民較為願意投資於減災的工作。然而,貧富差距越大的社會,對減災的公共預算難以達成共識,導致富人投資於自身設施並將他人排除於外,形成「以鄰為壑」的現象。

地震風險評估與應用
當具備地震危害度評估技術、掌握暴露於地震危害威脅下的生命或財產資料以及人口、建物和維生管線等脆弱性之後,即可評估地震風險。依據不同目的,地震風險亦以不同的面相呈現。以下列舉地震風險評估在實務上的應用。

政府主管機關評估地區防災設施(如避難地點、醫院)是否充足,將憑藉「地震景況模擬」進行壓力測試。在景況模擬中,首先標定可能發生地震的斷層、板塊隱沒帶,或是地殼構造中的震源。根據該震源特性,模擬地震波傳遞特性,評估該震源造成鄰近或目標地區的震度,並根據該地的建築物以及人口分布,得出景況模擬中需要安置的災民以及醫療協助的傷患。此外,模擬結果亦可作為防災演習之演練腳本。

前文中已闡述建築法規的落實對於降低地震災害的重要性。而風險評估的成果亦可反饋建築法規的制定。為求兼顧建築成本以及災害損失最小化,建築法規制定原則為「小震不壞、中震可修、大震不倒」。各地區的建築,在建物設計使用年限期間,面臨的地震風險成了建築法歸制定的標準。為此,則有賴於概率式地震危害評估未來50年內(一般建築設計使用年限)強震發生的機率以及建築物特性(如結構型態、樓高等)。由於在斷層附近區域的地震危害度較高,對應的建築法規的要求亦較嚴苛。

透過建築法規的規範,得以確保興建中的建築物的耐震能力。對於已興建,尤其未受建築法規規範的老舊建築,則可透過耐震補強或防災型都更降低地震風險。在 2016年美濃地震後,營建署提出「安家固園計畫」。預計透過補助,推動老舊建築耐震能力評估。此一計畫的執行,有賴工程師對個別建築檢驗其耐震脆弱性,再針對耐震能力不足之建築,進行結構補強或重建。藉由本計劃的推動,讓人民生命及財產受到更佳的保障。

降低地震風險除了透過建築法規的落實以及建築物的補強,增強建築物的耐震能力外,保險制度的落實則是另一有效達到地震減災的務實應用。藉由地震風險評估結果,可提供地震保險保費制定的原則,對於地震危害較高之區域收取較高額保費;相對地,較不易受災害地震侵襲之地區,保額則相對低廉。保險制度的推動,得以分散地震造成的金錢損失,減低災後重建的負擔。

不確定性
上述的例子充分顯示了地震風險評估的多元性以及實用性。然而,受到諸多不確定因素的影響,常導致評估結果與現實狀況有所出入。因此,降低不確定性成為決定評估品質的關鍵。地震危害度和風險評估的不確定性可大致區分為「認知不確定(epistemic uncertainty)」以及「偶然不確定(aleatory uncertainty)」兩種。

「認知不確定」源於不充足的知識。如:對斷層分布的誤解、地震頻率的錯估、脆弱性量化錯誤等。為了降低這類不確定因素,有賴更多的基礎研究,得到更加精確的評估參數。如同《科學月刊》第 558 期中〈活動斷層「個性」怎知曉?〉一文中提及,斷層活動的頻率可藉由「地形測量」或是「槽溝挖掘」等方法探求斷層特性。地形測量可量測活動斷層上的滑移速率,考量每次地震的滑移量,以估計斷層發震的週期。目前常見的方法有:利用全球衛星定位系統等遙測方法監測斷層近年內的滑移速率;利用斷層錯動造成地貌的變化量,考量該地貌特徵育成時間,獲得斷層的滑移速率。槽溝挖掘則可得到橫跨活動斷層的剖面,得知該斷層過去發震(稱作「古地震」)紀錄。根據經濟部地質調查所沿車籠埔斷層的7個槽溝,得知過去6次古地震紀錄(分別為:西元1999年集集地震、1650~1520年間、1270~1160年間、1240~1000年間、570~250年間,以及240~50年間)。根據這些紀錄,可推估車籠埔斷層的平均發震週期約為 371 年。隨著科學的發展和進步,認知不確定因素將可逐漸降低。

「偶然不確定」則是表現自然界的隨機現象。如上述槽溝挖掘資料中,雖然得出斷層平均發震週期,但各地震間的發震週期介於95~710年間。以此資訊,所推估的車籠埔斷層下次發震時間可能介於西元2095~2710年之間。偶然不確定因素亦存在於建築脆弱性曲線中。對於相同型態、相同樓高,受相同建築法規規範的建築,在面臨相同的震度時,損壞的程度也可能有所差異。相較於「認知不確定」可藉由更加精確的資訊降低對於風險評估造成的誤差,「偶然不確定」無法藉由任何方法縮限此不確定因素。對於地震風險評估,僅能統計各不確定因子造成評估結果的偏差。對於風險評估的應用者,必須對造成重大後果的極端事件(亦稱作「黑天鵝事件」)有所認知。雖然其發生機率低,但不可忽視發生的可能性。

由於臺灣的地理位置特殊,地震對於身處於其中的我們是不可避免的災害。然而,我們仍然可以透過各方面的努力,將損失最小化。誠如孫子兵法有云:「勿恃敵之不來,恃吾有以待之。」希望在下一次地震來臨之前,我們都能做好充分的準備,將損失降至最低。

2010 年海地地震重創首都太子港。(RIBI Image Library, https://goo.gl/tNeKlq)


延伸閱讀
1. 梁勝雄等,〈活動斷層「個性」怎知曉?〉,《科學月刊》第558期 454-457 頁,2016年。
2. Wang, Yu-Ju et. al., Probabilistic Seismic Hazard Assessments for Taiwan, Terr., Atmo. and Ocea. Sci., Vol. 27(3): 325-340, 2016.

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