新论文 | 区域地震次生火灾"端到端"模拟框架：2024年日本能登半岛地震案例

论文：An end-to-end framework for fire followingearthquake simulation at regional scale: A case study on the 2024 Japan NotoPeninsula earthquake

DOI：

https://doi.org/10.1016/j.ijdrr.2024.104859

50天免费下载链接：

https://authors.elsevier.com/c/1jqkB7t2zZHDz8

地震次生火灾对城市社区构成了严重威胁。为了解决这一关键问题，我们需要一种易于广泛推广的高效模拟方法。本文提出了一个 “end-to-end” 的区域尺度地震次生火灾模拟框架，该框架具有以下三个主要内容：(1) 基于GIS的区域建筑数据管理，(2) 基于物理的火灾模拟，(3) 火灾蔓延与烟雾可视化。

为了证明所提出框架的实用性，本文以近期发生的2024年日本能登半岛地震作为研究案例。模拟所得结果与地震后火灾现场的实际情况吻合良好，准确率达到了87.8%，这表明了该框架在模拟地震次生火灾场景时具有较高的准确性和可靠性。

地震次生火灾（Fire Following Earthquake, FFE）一直是防灾减灾领域学者广泛讨论的话题。从历史记录来看，地震次生火灾往往是引发大规模破坏的主要原因，其造成的损失往往超出了地震本身所造成的直接损失。最近发生的2024年日本能登半岛地震再次强调了这一点，同时也暴露了社区在面对大规模地震次生火灾的脆弱性。

本文提出了一个系统的“end-to-end”模拟框架，将现有文献中的理论和方法与实际操作相结合。所谓的“end-to-end”指的是模拟地震次生火灾全过程流程，包括数据准备、火灾模拟，以及最终的结果可视化。通过使用易于获取的开源数据和工具，本框架特别强调了该方法的实用性。本研究的主要贡献在于构建了一个综合性框架，并提供了一个既易于操作又具有广泛适用性的模拟流程。

所提出的火灾模拟框架由四个模块组成：(1) 基于地理信息系统（GIS）的区域建筑数据模块；(2) 火灾起火模块；(3) 火灾蔓延模块；(4) 可视化展示模块。第一个模块是该框架的基础，负责管理和存储区域建筑数据和相关信息。火灾起火模块的主要目的是确定火灾发生的数量、位置和时刻。基于物理模型的火灾蔓延模块是整个模拟框架的核心。针对特殊场地的特征，可以融入其他的模型。本文还介绍了两个子模块，以纳入其他影响因素。最后一个模块提供模拟结果的图形化表示，使用户能够观察火灾的时空演变以及烟雾的影响。实施该框架的主要流程步骤如图1 所示。

图1 地震次生火灾模拟框架

地理信息系统（Geographic Information System, GIS）已经成为灾害管理领域分析和可视化空间数据的重要工具。GIS能够整合建筑占地面积以及其他相关属性的数据，从而构建出一个综合的区域建筑模型。在GIS平台上构建区域建筑模型后，可以自动获取建筑物的地理空间信息，包括建筑多边形、点、坐标和面积等参数。这些数据作为火灾模拟的输入，为模拟提供了必要的建筑属性，确保了建筑物在模拟环境中的精确呈现。

此外，GIS平台还支持火灾模拟结果的可视化展示。这通过将模拟结果数据整合到建筑属性表中，并利用GIS的符号功能根据不同的数值展示结果。同时，GIS的三维模型还可转换为CAD模型，以便在Fire Dynamics Simulator（FDS）火灾模拟软件中使用。

火灾起火模型旨在预测地震后可能引发火灾的起火数量、位置和时间。若干研究基于地震后的历史火灾数据，提出了基于经验的起火模型。此外，也有研究提出了一种基于概率的模型，用于模拟地震后的火灾起火情况。然而，现有起火模型的一个局限性在于它们仅适用于特定的地点和时间段，这限制了它们在预测未来事件时的广泛适用性。

本研究建议，在模拟地震次生火灾时，应依据现有数据（如事故报告等）来选择起火位置，从而确保模拟结果能够精确地对应所研究的情境。然而，在数据不足的情况下，或者在模拟未来的火灾情景时，可以采用基于经验和概率的起火模型来预测地震后可能发生的起火数量和位置。

图2 展示了火灾模拟的计算流程。需要说明的是，本次模拟综合考虑了热辐射、热羽流、天气等火灾蔓延因素，同时也考虑了建筑物的损伤状态和地面高程的影响，但未考虑灭火救援活动的影响。

图2 火灾蔓延模拟流程

        火灾模拟流程导出两个主要的数据输出文件，通过数据处理和分析可以得出有意义的见解。第一个输出文件记录了每栋建筑的起火时间，这些数据可以在GIS平台上进行可视化，以展示火灾蔓延的空间和时间动态。第二个输出文件包含了每个时间步长的总燃烧面积数据，这些时间序列数据可以通过线形图进行可视化，展示整个模拟期间火灾的发展趋势。

        基于上述两个输出文件，可以利用FDS软件实现火灾烟雾扩散可视化。火灾模拟结果中 特定时间的燃烧数据用于在FDS模型中指定燃烧的建筑物。同时，模拟中的其他参数，如风向和温度，也被输入到模型中进行计算。FDS通过计算流体动力学（CFD）技术来模拟烟雾颗粒在场景中的运动。通过Smokeview软件将计算结果进行可视化处理，呈现出具有真实感的火灾烟雾可视化。

当地时间2024年1月1日16时许，日本石川县能登半岛发生7.5级地震。地震引发了轮岛市的一场大规模火灾。由于该地区建筑多为木结构，高密度的木建筑使得火灾迅速蔓延，导致超过240栋建筑被烧毁。

本研究使用开源地理信息系统平台QGIS来构建区域建筑模型。地震次生火灾的起火位置是根据实际的事故数据和新闻报道来确定的。由于起火信息有限，只能将起火位置大致定在几栋建筑物。考虑到存在一些不确定性因素，本研究选择了三栋相邻的建筑物（参见图3 中的绿色标记建筑）作为模拟的起火点。

图3 基于GIS的区域建筑模型

火灾发生期间的天气状况为冬季的凉爽寒冷，气温范围在1至7°C之间。在火灾期间，并未有降雨的记录。关于风况，总体上风力较弱，且风向变化无常。据记录，火灾始于17:00，持续至次日的上午，总燃烧时间大约为12小时。

模拟框架中的火灾蔓延计算导出了两个关键输出，为后续的数据分析提供重要信息。第一个输出展示了每栋建筑的起火时间，具体如图4 所示。第二个输出则是每个时间步骤的总燃烧面积，如图5 所示。

图5 整个模拟时间内的总燃烧面积

通过视频 1，可以观察到火灾蔓延动画，有助于理解火灾蔓延的过程。此外，利用三维 GIS 模型可以实现更为直观的火灾蔓延可视化效果，如视频 2 所示。

视频1 二维火灾蔓延可视化

视频2 三维火灾蔓延可视化

图6 展示了使用FDS软件计算得出的该案例的烟雾情况，并通过Smokeview进行可视化呈现。

图6 火灾烟雾扩散可视化

图7 实际燃烧情况与模拟结果对比

图8 展示了在两种不同条件下火灾的蔓延情况对比：(a) 建筑物无损坏，(b) 本研究采用的建筑物存在轻微损坏。对比分析表明，建筑物的空间分布和起火时间均存在显著差异。这些发现说明，建筑物损坏不仅会扩大火灾蔓延的范围，同时也加速了火灾的蔓延速度。

(a) 不考虑建筑损坏                       (b) 考虑建筑损坏

图8 火灾的起火和蔓延情况

本文提出一个 “end-to-end” 的综合框架，旨在区域尺度上模拟地震次生火灾。本文回顾了现有文献中的相关模型和方法，并将其融入地震次生火灾模拟的全过程。该框架包括地震次生火灾模拟的各个阶段，从GIS平台的数据准备，到基于物理模型的火灾模拟，以及模拟结果的解读和展示。为了检验该框架的实际应用效果，本研究选取了日本今年发生的地震次生火灾事件作为案例，进行了模拟与分析。 结果显示，模拟结果与火灾事故现场的实际情况吻合良好。

---End---