未來預測-實際放流量 修正前
4.2 橋梁地震通阻分析模組之精確度提升及驗證
臺灣是地震活動頻繁國家，而都會區人口與建築結構物位置 大都集中在地質較鬆軟的平原、盆地上，因此受地震災害的威脅 也相對提高，地震模擬器目的主要於當地震發生時，藉由中央氣 象局提供的臺灣地震速報系統資訊，可獲得地震位置、規模、深 度等參數，輸入地震模擬器作為全臺地震強地動分析，以提供快 速完整的地震測報資訊給相關單位及橋梁損壞評估之依據，以利 救災與補強的進行。圖4.16為地表震動分析流程，以下依各步驟 流程進行說明。為提升既有模式之精確度，檢視交通部運輸研究 所港研中心提供「蘇澳港、臺北港、臺中港、布袋港、安平港、
高雄港」之測站資料，飾選可用部份進行迴歸分析，以獲取合適 之場址放大效應；此外，本年度亦將近年發生地震納入衰減公式 之參數擬合，討論其對準確性之影響以建立更為合適之地表震動 分析模式與模擬器。
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圖4.16 地表振動分析模式流程 (a)建立地表震動分析模式
臺灣地質構造複雜，震源傳遞過程經由地形、地層、地質構 造影響差異極大，可能會影響地震波的振幅、頻譜等特性。過去 學者 使用中央 氣象局 自由場強 地動觀 測網(TSMIP)之強震紀錄，
根據氣象局測站名稱編號將全省測站分為七區，涵蓋範圍包括臺 北地區(TAP)、臺中地區(TCU)、嘉南地區(CHY)、高屏地區(KAU)、
臺東地區(TTN)、花蓮地區(HWA)及宜蘭地區(ILA)，除中央山脈 外，各測站平均間距約為5公里，並加入了中央研究院地球科學研 究所 之山區強震站(CMA)的強震紀錄。圖4.17為中央氣象局強震 站 及 中 央 研 究 院 山 區 強 震 站 位 置 圖[26]三 角 形 符 號 表 示 使 用 的 臺 灣自由場強地動觀測網之測站分佈位置，正方形符號表示了中央
研究院山區強震站之測站分佈位置。場址的分類主要依測站的地 質狀況及其土層的剪力波速而定，美國加州地區所採用的建築技 術規範(ICBO，1991)將地盤分為S1、S2、S3、S4 四類。(郭鎧紋，
1992， 1993，1994)於中央氣象局的專題研究中，以ICBO為分類 標準，分別對臺北地區、桃竹苗地區及嘉南地區部份自由場強震 站進行分類。另外，為工程應用考量有研究 (Lee et al，2001)以 綜合地質、工程鑽探資料及標準貫入試驗之N值和頻譜分析等方 法將全臺灣自由場強震站的場址分為B、C、D、E四類。中央大學 地球科學學院應用地質研究所將臺灣Vs30製作更精確圖檔，如圖 4.18所示。
圖 4.17 中央氣象局強震站及中央研究院山區強震站位置圖[26]
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圖 4.18 臺灣 Vs30 分佈精確圖檔
(資料來源: 中央大學地質與防災科技研究室製圖)
就衰減原理而言，簡易來說就是地表震動會隨距離增加而衰 減，但地震波從震源傳遞到接收測站之間的過程卻十分複雜，涉 及諸多變數，即接收測站所收到的地動值受到震源、路徑以及場 址效應的影響，另外當地震規模越大時，地表震動強度越強，而 衰減模式較為緩慢；反之，規模小地震，能量消逝較快速。而場 址效應參考之衰減模式，採用地表下30公尺剪力波速之平均值為 分類之依據，並分為軟弱地盤及岩盤的衰減模式，另外由於衰減 公式是使用所有測站的平均場址特性，只適用於一般性地盤，因 此在岩盤地區其地動預測值可能會有高估的情形，反之沖積層會 低估。臺灣地區之淺源地震，除了集集地震為斷層破裂型態外，
其餘地震之震源型態多不明顯，以最大加速度值來看，測站的場 址 特 性 對 於 地 震 紀 錄 之 影 響 是 衰 減 模 式 分 析 過 程 中 誤 差 的 主 要 來源之一。一般而言，位於沖積層的測站所記錄到的振幅值會比 位 於 岩 盤 的 測 站 所 記 錄 到 的 振 幅 值 高 。(溫 和 葉 ， 1986） 研 究 SMART-1 陣列所記錄三大地震指出：沖積層測站的主要共振頻
率較岩盤為低，且振幅較大，由地震紀錄可發現位於沖積層測站 收到之水平最大加速度與速度值，與位於岩盤測站紀錄相比，分 別大了二到三倍，此差異會間接影響到衰減模式對於地震危害度 評估的準確性。張毓文[26]使用不同顏色的實線來代表規模4.0~7.0 的衰減曲線(如圖4.19所示)，由不同規模的實測值分佈顯示，在岩 盤 測 站 隨 規 模 越 大 ， 地 震 紀 錄 偏 差 的 現 象 越 大 ， 也 就 是 說 ， Campbell的衰減區線在規模愈大時，預測值會有偏低的現象，同 樣地，在沖積層的衰減曲線也有低估的情形出現。
圖 4.19 臺灣規模 4.0~7.0 地震與(Campbell，1997)衰減曲線關係[26]
本 研 究 之 地 震 模 擬 器 採 用 分 析 模 式 為 Chien(2001) 對 (Campbell，1981)之衰減模式迴歸分析如下：
1.1995M 1.73413
PGA(g)=f(M,R)=0.02938e [ R+0.14667exp(0.69689M )]- ... (4.1) 其中，PGA : 震度強度值；M:芮氏規模；R:場址到斷層線最 短距離。
第一階段，利用上式參考之衰減模式得到各測站預測初步之 PGA值，由於其分析時並未對測站場址特性加以分類，因此所得
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結果為一般性場址適用；而第二階段分析時，則將其對各測站實 際觀測值的系統偏差量作校正分析。第二階段分析之目的，係將 第一階段參考之衰減模式的預估結果與實測值作迴歸分析；由迴 歸分析可得到各測站的場址修正係數C0、C1值。其間之關係式為：
0 0 1
ln( )Y C C ln( )Ya ... (4.2) 其中，Ya ：參考衰減模式的預測值；Y0：實測地震動值；C0及 C1： 各測站之場址修正係數。
(b)地表震動分析模式測試
詹皓凱[27]根據式(4.2)為基礎，對於前述地震模擬器運算方法 進行測試，此測試對於地震模擬器程式所需要輸入資料條件為震 央經緯度座標、震源深度(Km) 、地震規模(ML)等參數，而地震 模擬器模式測試過程，需考量震源效應(Source Effect)、地震波傳 遞的路徑效應(Path Effect）、及局部地質特性所引起的場址效應 (Site Effect）。依據地震模擬器程式分佈全臺灣的地動強度參數 PGA，評估程式是否符合該研究探討衰減模式與場址放效應，而 詹 皓 凱[27]之 第 一 階 段 測 試 結 果 只 參 考 地 震 動 衰 減 律 與 實 測 值 的 全臺灣地表加速度，比較結果如圖4.20所示。
圖4.20 為集集地震的(a)實測值與(b)衰減模式預測值 PGA 分佈[27]
(c)歷年各地真實地震之驗證
詹皓凱[27]於第二階段測試中在衰減模式中加入場址效應，新 增TSMIP與CMA測站場址特性，而使用兩階段步驟對各測站之場 址 效 應 進 行 分 析 ， 來 得 到 更 可 靠 的 場 址 修 正 函 數 。 針 對 新 增 之 TSMIP與CMA測站的正規化誤差殘值，故於分析場址特性時，採 用即時站地震紀錄及自由場強震站之地震紀錄，在資料的選取分 析上增加了苪氏規 模5.0以上的地震資料來增強分析之準確性(如 圖4.21所示)，經由場址函數修正過後的二階段預測結果明顯的更 接近實際觀測值，得到較為可靠的預測結果。由此可知，測站之 場 址 特 性 對 衰 減 模 式 造 成 的 影 響 可 藉 由 測 站 之 場 址 函 數 修 正 其 效應，以降低其系統標準偏差，並提升系統準確性獲取更加可靠 之預測結果。
圖 4.21 修正函數校正後的預測與其觀測值之誤差殘值分佈[27]
(d)整合評估資料
本 研 究 參 考 張 毓 文[26]及 詹 皓 凱[27]對 於 地 震 衰 減 模 式 的 研 究 與修正結果，而修正後之地震衰減模式能預測出較可靠的PGA結 果。因此本研究採用此模式結果，再把歷年地震(集集地震、花蓮
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集集地震( 1999.09.21)
0
嘉義地震( 1999.10.22)
圖4.24 臺灣歷年大地震:花蓮地震之實測值與預測值比較
花蓮地震( 2002.03.31)
實測值 預測值
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有明 顯場址 放大 效應的臺 北 盆地與宜 蘭盆地 的 測站紀錄 ，來 取得 精確度 較佳 的衰減模 式 。此一部 份也將 納 入交通部 運輸 研究所港研中心提供「蘇澳港、臺北港、臺中港、布袋港、安 平港、高雄港」之測站資料，飾選可用部份進行迴歸分析，以 獲取合適之場址放大效應。
根據上述內容予以程式化，完成地震模擬器之修正與精確度 確認。只需獲得氣象局地震速報獲得地震位置、規模及深度，就 可以計算全臺灣各地地表加速度。
(e)GIS圖層顯示
上述之成果整合到 (TRENDS)中。如圖4.25所示，此功能以 Google Map作為底圖，並利用GIS Server的Geoprocess Service畫 出震度分級圖並套疊在Google Map上。同時系統將通行失敗機率 大於50%橋梁視為危險橋梁。
圖4.25 「橋梁地震破壞潛勢」介面
(f)提升地表震動分析模式預測之準確度
由圖4.22~圖4.24可觀察到，地震模擬器與測站量測PGA結果 趨勢相近，但尚有局部誤差值較高或低的情形，而造成此誤差來 源以下幾點：
1.迴歸誤差：選取苪式規模 5.0~7.5 的地震，包含近年之地震主震。採
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表4-11 2011年至2015年各港區量測地震紀錄(節錄)
港區測站資料 中央氣象局地震資料
測站代號 地震時間 PGA Intensity XPeak YPeak ZPeak 經度 緯度 深度 規模 地震編號 KAH 2011-03-20 16:01:32 5.442677 2.671625 5.283649 5.442677 2.434502 121.38 22.44 27.5 5.8 第 029 號 TCC 2011-08-12 06:08:10 3.681958 2.332158 1.377703 3.681958 2.92467 121.62 23.8 32.4 4.8 第 123 號 KAH 2011-09-09 11:27:33 1.957187 1.783265 1.161142 1.957187 0.644774 120.99 22.31 10.4 5 第 129 號 SUO 2011-10-30 11:24:53 3.740701 2.345906 3.357394 3.740701 1.965345 123.16 25.31 215.8 6.3 第 147 號 SUO 2011-10-31 23:17:32 3.626189 2.318901 3.626189 3.236678 2.376881 121.94 24.84 92.1 5 第 148 號 BUD 2011-11-06 17:36:47 7.23024 2.918305 7.23024 3.12982 2.04281 120.33 23.25 9.9 4 第 151 號 SUO 2011-12-04 18:13:22 13.70471 3.473739 11.51696 13.70471 4.860312 122.05 24.66 62.8 4.9 第 164 號 TPI 2011-12-08 06:07:26 5.594944 2.695591 3.189932 5.594944 2.137484 121.53 24.54 61 4.4 第 166 號 TCC 2011-12-14 19:13:31 3.994046 2.402826 3.775537 2.129449 3.994046 121.8 23.85 41.9 4.7 第 169 號 SUO 2011-12-15 08:36:11 3.35925 2.252485 3.35925 2.4942 1.323777 121.77 23.72 32.8 4.6 第 170 號 SUO 2012-01-04 15:00:23 1.916626 1.765075 1.916626 1.689341 1.222501 121.6 23.97 7.4 4.7 第 002 號 SUO 2012-01-16 17:55:54 26.18044 4.035954 26.18044 11.93696 8.479178 121.92 24.41 20.4 4.3 第 014 號 SUO 2012-01-20 06:07:04 22.11929 3.889542 20.79966 22.11929 5.910964 122.05 24.52 13.8 4.4 第 018 號 SUO 2012-01-25 16:36:57 4.09737 2.42501 3.802931 4.09737 1.676882 122.2 24.89 124.3 5 第 020 號 SUO 2012-02-04 10:54:57 7.114486 2.904287 5.530065 7.114486 3.500693 122.66 24.67 116.2 5.6 第 024 號 ANP 2012-03-09 08:05:13 1.446807 1.520821 1.446807 1.209314 1.121057 120.74 22.72 23.4 4.1 第 045 號 TCC 2012-03-22 07:45:25 3.852233 2.371425 3.183781 2.07069 3.852233 121.59 23.25 42.5 5 第 049 號 SUO 2012-04-03 04:41:42 2.085858 1.83857 2.064407 2.085858 1.129511 121.68 24.16 28.9 4.3 第 053 號 TPI 2012-04-09 05:44:23 2.290811 1.919978 2.124938 2.290811 1.690148 122.36 24.04 29.2 5.7 第 058 號 SUO 2012-04-09 05:44:42 1.058472 1.249359 1.058472 0.96599 0.481741 121.67 24.13 29.1 5.5 第 064 號
圖4.26 第一階段迴歸新舊系數比較 表4-12 新舊係數比較
1991~2010
年舊係數 1991~2012 年新係數 C1 0.00369 0.00402 C2 1.75377 1.75655 C3 2.056 2.059 C4 0.1222 0.1225 C5 0.7832 0.7859
資料筆數 189 202
經由篩選後，符合條件之資料為202筆，圖4.26中為新舊系數 之衰減公式比較圖，並將202筆資料放入圖中將其分為5個規模等 級，但由於資料筆數增加不多，故變化不大，圖中可看出資料大 多落於該規模之衰減公式線附近。
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第二階段場址效應:
由於衰減公式尚未考慮到每個測站之場址效應，故將衰減公 式再進行修正，比較每一個測站的實際值與誤差值取對數線性迴 歸進行修正，求出C0與C1係數，但該迴歸方法之精度會與該測站 之資料分佈以及資料數量以及其離散程度有關，並非符合篩選條 件之測站就會有很高的精度。
篩選條件:
(一) 考慮所有規模大於 4 之即時站、強震站資料。
(二) 每個測站的資料筆數須大於 5 筆(由於布袋港的地震資料僅有 1 筆，故無法迴歸)。
(三) 迴歸方法:
(1)採用兩軸取自然對數建立線性關係 (2)雙線性
(3)將原有線性關係往下偏移一個平均誤差 (四) 由於和場址有關，故將分析分為港區及非港區。