地震灾害是地震事件与人类社会承灾体相互作用的产物,对于相同强度的地震来说,承灾体的脆弱性对灾情的大小具有决定性的影响。近年来,脆弱性问题在灾害研究中的核心和基础地位已成为学术界的共识。关于地震灾害中的脆弱性,前人已从多种角度进行了大量研究,但以讨论承灾体当前时期的脆弱性状况居多。但是,深入理解自然灾害的成灾机理和自然灾害风险的形成机制,制定更加科学的防灾减灾特别是震灾风险控制对策,不仅需要研究承灾体当前时期的脆弱性状况,而且需要研究承灾体脆弱性的发展变化及其驱动力。基于这一认识,本文以唐山地区为例,基于系统和整体的理念,从动态变化的角度,研究了城市化过程中地震灾害脆弱性时空变化的特点,脆弱性变化导致震灾风险变化的规律,以及相应的防震减灾意义。论文首先构建了考察小空间尺度承灾体系统结构脆弱性和功能脆弱性的方法;在此基础上,重点讨论了研究区房屋脆弱性及其震灾风险的变化;以交通系统和供水系统为例,初步尝试分析了生命线工程功能脆弱性及其震灾风险的变化;最后,基于这些变化分析结果,概括了城市化驱动地震灾害脆弱性变化的一些特点与规律,讨论了相应的防震减灾意义。论文主要工作和取得的主要认识如下:(1)构建了基于高分辨率遥感影像的群体房屋结构脆弱性考察方法主要包括三步:①房屋属性信息提取;②方法验证和精度检验;③破坏概率矩阵优化。①基于高分辨率遥感影像的群体房屋属性信息的提取方法。房屋的结构类型和面积信息是房屋结构脆弱性和震灾风险变化分析的关键参数。IKONOS和QuickBird等高分辨率遥感影像中房屋建筑的阴影信息,能够反映房屋空间位置和高度等三维属性信息。根据阴影的成像原理,可以通过阴影长度计算房屋建筑的高度: H = M×。其中,H为要计算的房屋的高度,M为影像上的阴影长度,?为与成像参数(太阳、卫星等的相关参数)有关的系数。通过房屋高度、位置、形状等相关信息可以大致推断其结构类型。根据影像上房屋建筑屋顶的轮廓可以估计建筑物的单层建筑面积。②方法验证和精度检验。通过对研究区房屋的实地调研验证了上述方法的可靠性和精度。在保证房屋样本能覆盖研究区所有房屋类型的基础上,论文随机抽取了136栋房屋进行了方法验证和精度检验。通过统计分析表明:(ⅰ)房屋层数与房屋结构类型关系密切,136栋房屋中1层的房屋都是砖结构平房,2～6层的有96.15%为砖混结构,大于等于7层的有97.44%为钢混结构。(ⅱ)93%的房屋高度相对误差小于20%,根据房屋高度可以估计房屋层数。(ⅲ)房屋面积的相对误差小于20%的占95.8%。对比前人类似研究结果可知,本方法的误差水平更小,表明基于IKONOS或QuickBird影像估计和判断房屋的高度、类型和面积信息是可行和可靠的。③破坏概率矩阵的优化。通过对前人提出的该地区房屋标准破坏概率矩阵和汶川地震中房屋破坏概率矩阵的优化组合,得到了本文所用的破坏概率矩阵。(2)利用上述方法,以1976年震前、1995年、2002年和2009年为代表时期,基于设定地震情景分析理念,讨论了研究区1976年以来群体房屋的结构脆弱性变化和相应的震灾风险变化。主要结论是:①1976年震前到2009年,唐山地区房屋的暴露面积数量发生了巨大的变化,尤其是城乡过渡地区的增长更为显著。2009年城乡过渡带的房屋面积是1976年震前的近9倍。此外,房屋面积的增长还具有一定的方向性,唐山市核心区周边房屋增长以向北和向西为主,丰南镇房屋主要向南增长,开平镇以向东和向南增长为主。在城乡过渡乡镇中,30多年来果园乡和丰南镇的房屋面积增长最多,分别增长了15倍和12倍。②唐山地区的房屋主要有土木结构、砖结构平房、砖混结构和钢混结构4种类型。1976年震前到2009年,该地区尤其是其城乡过渡乡镇房屋的结构类型也发生了很大的变化:不设防的土木结构房屋基本绝迹,抗震能力较强的钢混结构和砖混结构房屋不断增加,并随城市化进程的加快呈现出迅速增长趋势,尤其是钢混结构房屋的增长速度最快;而抗震能力弱的砖结构平房比例则不断下降,建筑面积也逐渐减少。这表明,1976年唐山地震以来,该地区房屋的抗震性能越来越好、结构脆弱性越来越低。③1976年震前到2009年,由于研究区房屋数量大量增加,当遭受破坏性地震影响时,其破坏面积和经济损失也显著增加。但是,由于该地区房屋结构脆弱性的整体降低,房屋破坏面积比例呈不断下降趋势。特别是遭受地震烈度较高与较低两者之间,不同时段的损失比例和损失结构差别很大。此外,研究区特别是城乡过渡带各乡镇间的房屋破坏和损失风险还具有明显的空间差异性。各时期,果园乡的风险最高,丰南镇和女织寨乡较高,开平镇较低,郑庄子镇、越河镇、洼里镇、大庄坨乡和习家套乡最低。30多年来,果园乡的震灾风险增长最大,丰南镇和女织寨乡增长次大。如果1976年唐山地震在该地区重演,地震造成的房屋破坏面积将是1976年时的6倍,直接经济损失(房屋破坏经济损失和室内财产损失)将是1976年时的28倍。④研究区房屋脆弱性变化的直接驱动体现在人口经济增长、产业结构调整和城市化三个方面。而政策激励和规划引导是最主要的根本因素,这些因素不仅决定着房屋建设的数量和质量,而且还具有明显的方向牵引力作用。(3)论文给出了生命线工程功能脆弱性的含义,认为生命线工程的功能脆弱性是其结构脆弱性的延伸,可以理解为某生命线工程特定服务能力丧失机会的多少,能力丧失后社会经济影响程度的大小和能力恢复难易程度三方面属性的综合度量。其中,某生命线工程特定服务能力的丧失机会与其结构层次的脆弱性特点密切相关,不同的结构脆弱性和结构破坏特点(本源破坏、分布破坏和服务终端破坏等),对应着不同比例或程度的服务功能丧失水平;能力丧失后社会经济影响程度的大小可以用其服务对象对其的需求或依赖的程度来衡量。在此基础上,构建了基于事件树原理的生命线工程功能脆弱性的分析方法。(4)依据上述方法,分别以越河镇交通系统和习家套乡供水系统为例,初步示范分析了该地区1995年以来生命线工程的功能脆弱性及其震灾风险的变化。主要认识有:①随着公路系统的发展,越河镇公路自身的抗震性能不断提高,结构脆弱性不断降低。如若遭受低烈度地震影响,公路系统服务能力基本完好,这对震后的抗震救灾和恢复重建来说是有利的,从而可间接地降低地震灾害造成的风险。但是,由于公路系统所承载的社会经济职能的演化与强化,如若遭受高烈度地震影响,例如1976年唐山大地震重演,那么道路交通系统的功能丧失风险则显著加强。②1995年以来,习家套乡供水系统不断发展和完善,结构脆弱性不断降低。当该乡遭受低烈度地震影响时,供水系统破坏轻,可较快恢复,这对应急救灾和抑制火灾等地震次生灾害的发生有积极的作用,从而可降低地震造成的灾害风险;但是随着习家套乡供水系统服务对象的种类和数量的大量增加、所承载的社会经济职能的增多、加强,如若遭受高烈度地震影响,则其供水系统功能丧失风险同样会明显增大。③城市化、工商业和交通业的大发展是越河镇交通系统功能脆弱性变化的主要驱动力;产业结构调整和用水工业的快速发展是习家套乡供水系统功能脆弱性变化的主要驱动力。(5)论文的研究结果对该地区防震减灾规划和宏观地震应急预案编制具有一定的实际指导意义:①研究区房屋大量增长的同时具有一定的方向性,根据不同地区房屋增长的空间差异可以合理规划地震应急避难场所位置和规模;②在编制地方性宏观地震应急预案时,根据不同地区震灾风险的空间差异,对高风险区给予重视,能够有效减轻地震灾害。