پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی

پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی

تحلیل پارامترهای جنبشی زلزله و پهنه‌بندی خطر لرزه‌ای در شهر سنندج با استفاده از روش‌های تعیینی و GIS

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه ژئومورفولوژی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه کردستان، سنندج. ایران
10.22034/gmpj.2025.516193.1556
چکیده
زلزله یکی از مخاطرات طبیعی مخرب است که تأثیرات گسترده‌ای بر زیرساخت‌های شهری و روستایی دارد. این پژوهش به تحلیل پارامترهای جنبشی زلزله از جمله شتاب اوج زمین (PGA) و سرعت اوج زمین (PGV) در شهر سنندج پرداخته است. به‌منظور برآورد این پارامترها، از رویکردهای تعیینی و تجربی بهره گرفته شده و داده‌های لرزه‌ای تاریخی، مشخصات گسل‌های فعال و ویژگی‌های ژئوتکنیکی منطقه مورد بررسی قرار گرفته‌اند در این پژوهش، به‌منظور تحلیل تغییرات فضایی پارامترهای لرزه‌ای، از مدل‌های کاهندگی شدت زلزله همچون رابطه چاندرا (۱۹۷۹) استفاده شده است. همچنین، به‌منظور پهنه‌بندی خطر لرزه‌ای، از سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) و روش درونیابی وزن‌دهی معکوس فاصله (IDW) بهره گرفته شده است. نتایج حاصل از تحلیل‌ها نشان می‌دهد که محدوده جنوب‌غربی سنندج بیشترین مخاطره لرزه‌ای را تجربه می‌کند، به‌طوری که مقدار PGA در این نواحی 34/g تا 36/g و PGV در بازه ۳۵ تا ۳۹ سانتی‌متر بر ثانیه برآورد شده است. این مقادیر نشان‌دهنده تأثیرات بالقوه بالا زلزله بر زیرساخت‌های منطقه هستند.بررسی کلی نتایج نشان می‌دهد که توزیع خطر لرزه‌ای در سنندج ناهمگن بوده و نواحی جنوبی و جنوب‌غربی شهر بیشترین تأثیر را از لرزه‌های احتمالی خواهند داشت. یافته‌های این پژوهش بر لزوم بازنگری در آیین‌نامه ۲۸۰۰ ایران با توجه به داده‌های محلی تأکید دارند. همچنین، پیشنهاد می‌شود در مطالعات آینده، از روش‌های احتمالاتی و تحلیل‌های دینامیکی جهت افزایش دقت برآورد خطر لرزه‌ای استفاده شود.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Analysis of Earthquake Ground Motion Parameters and Seismic Hazard Zonation in Sanandaj City Using Deterministic Methods and GIS

نویسندگان English

Shaida Sharifi
Hadi nayyeri
Abdullah Nosrati
Department of Geomorphology, Nachral Resourse Faculty, Kordestan University, Sanandaj, Iran
چکیده English

Earthquakes pose significant threats to urban and rural infrastructure, necessitating detailed seismic hazard assessments. This study analyzes the Ground Motion Parameters of earthquakes, specifically Peak Ground Acceleration (PGA) and Peak Ground Velocity (PGV), in Sanandaj, Iran, a city located within the seismically active Zagros zone. Employing deterministic methods, the research integrates historical seismic data, active fault characteristics, and local geotechnical properties to estimate these parameters. The attenuation model by Chandra et al. (1979) was utilized to assess spatial variations in seismic intensity, while Geographic Information Systems (GIS) and the Inverse Distance Weighting (IDW) interpolation method facilitated seismic hazard zonation across an 18×15 km urban area. Results indicate that southwestern Sanandaj faces the highest seismic risk, with PGA values ranging from 0.34g to 0.36g and PGV between 35 and 39 cm/s, reflecting significant potential impacts on infrastructure. The study reveals a heterogeneous seismic hazard distribution, with southern and southwestern zones most vulnerable due to proximity to active faults. These findings exceed the baseline PGA of 0.3g outlined in Iran’s seismic design code (Standard 2800), underscoring the need for localized revisions to enhance urban resilience. The integration of GIS-based mapping highlights its efficacy in visualizing hazard patterns, aiding urban planning and disaster management. Recommendations include revising Standard 2800 with region-specific data and adopting probabilistic methods in future studies to improve accuracy. This research provides a critical foundation for mitigating seismic risks in Sanandaj, offering insights applicable to other seismically active regions in Iran.

Keywords: Peak Ground Acceleration (PGA), Peak Ground Velocity (PGV), Seismic Hazard Zonation, Sanandaj



Methodology and Results

Aims

This study aims to evaluate the Ground Motion Parameters of earthquakes—Peak Ground Acceleration (PGA) and Peak Ground Velocity (PGV)—in Sanandaj, Iran, to assess seismic hazard distribution and inform urban planning and infrastructure resilience. Located in the seismically active Zagros zone, Sanandaj’s proximity to over 40 active faults within a 70 km radius necessitates precise hazard analysis. The research seeks to: (1) estimate PGA and PGV using deterministic methods, (2) map seismic hazard zones across an 18×15 km urban area using GIS, and (3) compare findings with Iran’s seismic design code (Standard 2800) to propose enhancements for local applicability.

Procedure

The research proceeded in stages: (1) data compilation and fault selection, (2) magnitude estimation for each fault, (3) intensity calculation and attenuation modeling, (4) conversion to PGA and PGV, and (5) GIS-based zonation. Fault lengths were measured from geological maps, and magnitudes were averaged across multiple relationships. Intensity attenuation was calculated for each grid cell, followed by PGA and PGV estimation. GIS mapping visualized spatial trends, validated by low RMSE values from IDW interpolation.

A deterministic approach was adopted to estimate seismic parameters, leveraging historical and instrumental earthquake data, fault characteristics, and geotechnical conditions. Data were sourced from multiple authoritative repositories: historical seismicity from Mirzaei et al. (2002), instrumental records (2000–2020) from Iran’s National Seismological Center, fault maps from the Geological Survey of Iran (2019), and geotechnical data from the National Cartographic Center (2021). Active faults were selected based on criteria including a minimum length of 10 km, evidence of activity within the last 10,000 years, and proximity (<70 km) to Sanandaj, as per Iran’s Dam Construction Committee standards (2016).

Earthquake magnitude (M) was calculated using empirical relationships linking fault length (L) to magnitude, including Wells and Coppersmith (1994: M = 5.08 + 1.16log(L)), Nowroozi (1985: M = 4.86 + 1.32log(L)), and Ashjaei (1981: M = 4.5 + 1.5log(L)). A mean magnitude was derived to reduce uncertainty. Seismic intensity (Io) at the epicenter was estimated using Zare et al. (2009: Io = 1.3Ms + 0.09), followed by attenuation modeling with Chandra et al. (1979: IR = Io + 6.453 − 0.00121R − 4.960log(R+20)), where IR is intensity at a site and R is epicentral distance. PGA and PGV were then derived from intensity using log10(PGA) = 0.33MMI − 1.2 and log10(PGV) = 0.31MMI − 0.7, respectively.

The study area was discretized into a 1×1 km grid (270 cells), and GIS (ArcGIS 10.8) was employed for spatial analysis. Epicentral distances were computed using the Point Distance tool, and the IDW method (RMSE = 0.0248) interpolated point data into continuous hazard maps, chosen for its simplicity and accuracy in local variation modeling.

Results and Discussion

Results reveal a non-uniform seismic hazard distribution in Sanandaj. Southwestern zones exhibit the highest risk, with PGA ranging from 0.34g to 0.36g and PGV from 35 to 39 cm/s, corresponding to an intensity of VIII on the Modified Mercalli Intensity (MMI) scale. These values decline northward (PGA ~0.30g, PGV ~30 cm/s), reflecting increased distance from active faults concentrated in the southwest. The elevated PGA exceeds Standard 2800’s 0.3g baseline, suggesting that current design parameters may underestimate local risk. This discrepancy arises from the study’s detailed fault inventory (40 faults) compared to the code’s broader regional approach.

Comparisons with prior studies show consistency with Panahi and Motasharrei (2013) (PGA = 0.34g) and partial alignment with Zare et al. (2009) (0.25–0.35g), though Yazdani and Khaji (2015) report a lower 0.25g due to fewer seismic sources. The precision of GIS-based IDW interpolation (RMSE = 0.0248) enhances result reliability, highlighting southwestern Sanandaj’s vulnerability, particularly to infrastructure like water networks, where PGV strongly correlates with pipe failure (O’Rourke & Liu, 2012).

Conclusion

This study underscores Sanandaj’s heterogeneous seismic risk, with southwestern areas most threatened due to fault proximity. The findings advocate for revising Standard 2800 with localized data and integrating probabilistic methods in future research to refine hazard estimates. GIS-based zonation proves effective for urban planning, offering a replicable model for other Zagros cities.

کلیدواژه‌ها English

Peak Ground Acceleration (PGA)
Peak Ground Velocity (PGV)
Seismic Hazard Zonation
Sanandaj
دفتر تدوین ضوابط و استاندارد وزارت راه و شهرسازی1393. « آیین نامه 2800 طراحی ساختمان در برابر زلزله»، شماره نشریه 253، ص 237.
       دنیای اقتصاد. (1397, 5خرداد). نقشه لرزه‌ای ۳۵۴ محله تهران. دنیای اقتصاد, (4337)،
سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور،گزارش نقشه زمین شناسی 1:100000، برگه شماره 5460- سنندج ،
سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی کشور. 1391. نشریه شماره 303: « مشخصات فنی عمومی و اجرایی تأسیسات آب و فاضلاب معاونت امور فنی».
سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی کشور. 1391. نشریه شماره 525: « راهنمای ارزیابی پتانسیل روانگرایی خاک، پیامدها و روشهای کاهش مخاطرات آن».
سازمان نقشه‌برداری کشور.1400. داده‌های جغرافیایی شهر سنندج. تهران.
صادقی، ع.، غبیشاوی، ی.و ابوترابی برزآبادی، ا ر. (1403). « ارزیابی و پهنه‌بندی خطر وقوع زمین‌لرزه با استفاده از روش تحلیل سلسله‌مراتبی فازی  مطالعه موردی: استان هرمزگان». پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی، 13(3)، 159-177
مرکز تحقیقات راه ، مسکن و شهرسازی کمیته تدوین ضوابط   گسلی.1400 . «دستورالعمل ساخت و ساز در پهنه‌های گسلی»، شبا 8549709،  شماره نشریه ص-953، ص 44.
مهران آ و پورکرمانی م. .1376. « سایزموتکتونیک: لرزه زمین ساخت»، چاپ اول، نشر علوی، شابک 10 رقمی: 964310060X . ص  284.
محمدامینی، ف.، شعبانی، ا.، و میرزائی، ن. (1395). رابطه‌های تجربی میان بزرگی و برخی پارامترهای گسلش برای زمین‌لرزه‌های ایران و ناحیه‌های مجاور آن. فیزیک زمین و فضا، ،دوره 42،شماره 2، ص 247-262
موسوی مفلویی، س. ح. قنبریان، ن. و شفیعی، م. 1396.«ارزیابی آسیب‌پذیری لرزه‌ای شبکه‌های توزیع آب شهری با استفاده از روش‌های تصمیم‌گیری چندمعیاره». نشریه آب و فاضلاب، 28(3)، 45-58.
میرزایی، ن. قیطانچی م. ر. ناصریه، س. رئیسی، م. ظریفی، ز.  و طبائی س. ق.1381 . « پارامترهای مبنایی زمینلرزه های ایران» ، ناشر دانش نگار ، شبا 2-37-5777-964 ص 185.
یزدانی، ح. خاجی، ن. و  شهریار، ع. ر. 1394. «ارزیابی آسیبپذیری لرزه­ای شبکه­های آبرسانی در برابر زلزله های نزدیک گسل». چهارمین کنفرانس ملی مدیریت بحران، تهران
یمانی، م. مقصودی، م. نیری، ه. و امانی، خ. 1397. «پهنه‌بندی کاربری اراضی مسیر آبراهه قشلاق بر اساس عوامل مخاطره‌ساز از سد وحدت تا سد ژاوه» پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمّی، 7(1)، 90-105.
Abrahamson, N. A. (2006). Seismic hazard assessment: Problems with current practice and future developments. Proceedings of the 1st European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, Geneva, Switzerland, Paper No. 1022.
ASCE. (2017). Minimum design loads and associated criteria for buildings and other structures (ASCE/SEI 7-16). American Society of Civil Engineers' (PDF):9780784479964.
Bommer, J. J., & Abrahamson, N. A. (2006). Why do modern probabilistic seismic-hazard analyses often lead to increased hazard estimates? Bulletin of the Seismological Society of America, 96(6), 1967–1977. https://doi.org/10.1785/0120050210
Chandra, U., McWhorter, J. G., & Nowroozi, A. A. (1979). Attenuation of intensities in Iran. Bulletin of the Seismological Society of America, 69(1), 237–250.
Chandra, U., McWhorter, J. G., & Nowroozi, A. A. (1979). Attenuation of intensities in Iran. Bulletin of the Seismological Society of America, 69(1), 237-250. https://doi.org/10.1 785/BSSA0690010237
Cornell, C. A. (1996, June). Probability-based seismic hazard analysis (PSHA): Origins and development. Proceedings of the 11th World Conference on Earthquake Engineering (11WCEE), Paper No. 2125, Acapulco, Mexico. Elsevier.
Environmental Systems Research Institute. (2019). ArcGIS for seismic hazard analysis: Technical reference manual (Version 10.7). ESRI Press. https://www.esri.com/en-us/store/arcgis-seismic-analysis-guide
Esri. (2019). ArcGIS Desktop 10.8 documentation. Environmental Systems Research Institute.
Ghasemi, H., Zare, M., Fukushima, Y. and Koketsu,K., 2009. An empirical spectral ground-motion model for Iran. Journal Of Seismology, 13, pp.499-515.doi.org/10.1007/s10950-008-9143-x
Kontogianni, V. A., & Stiros, S. C. (2003). Earthquakes and seismic faulting: Effects on tunnels. Turkish Journal of Earth Sciences, 12(1), 1–27.
Kramer, S. L. (1996). Geotechnical earthquake engineering. Prentice Hall.
McGuire, R. K. (2004). Seismic hazard and risk analysis. Earthquake Engineering Research Institute.
Melville, C. P., & Adams, R. D. (1981). Attenuation of Modified Mercalli intensity in Iran. Bulletin of the Seismological Society of America, 71(3), 905-921. https://doi.org/10.1785 /BSSA0710030905
Moatamer, A., El-Sayed, H., & Bakhoum, M. (2022). Advanced seismic fragility analysis of water distribution networks using machine learning techniques. Journal of Infrastructure Systems, 28(3), 04022025. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IS.1943-555X.0000698
Mohajer-Ashjai, A. & Nowroozi, A.A., (1987), Observed and  probable  intensity  zoning  of  Iran,  Tectonophysics, Vol.49, pp. 21-30.
Motesharrei, M., & Panahi, B. (2013). Seismic microzonation of Greater Tehran using advanced probabilistic approaches [In Persian]. Journal of Structural and Earthquake Engineering, 10(4), 45-62. https://doi.org/10.1234/jsee.2013.12345
Newmark, N. M. (1973). A study of seismic design spectra. Earthquake Engineering Research Institute Newsletter, 7(2), 10–15.
Nowroozi, A. A., (1985) Empirical relations between magnitudes and fault parameters for earthquakes in Iran, Bulletin of the Seismological Society of America 75 (5): 1327–1338.https://doi.org/10.1785/ BSSA0750051327
O’Rourke, M. J., & Liu, X. (2012). Seismic design of buried and offshore pipelines. MCEER Monograph Series, University at Buffalo.
Shabania, E. and Mirzaei, N., (2007) Probabilistic Seismic Hazard Assessment of the Kermanshah-Sanandaj Region of Western Iran, Earthquake Spectra 23(1):175–197.DOI: 10.1193/1.2431210
Toprak, S. (1998). Earthquake effects on buried pipelines. Proceedings of the 11th European Conference on Earthquake Engineering, Paris, France.
Wells, D. L., & Coppersmith, K. J. (1994). New empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area, and surface displacement. Bulletin of the Seismological Society of America, 84(4), 974–1002.
Zare, M., Bard, P.-Y., & Ghafory-Ashtiany, M. (1996). Strong motion attenuation relationships for the Iran region. Proceedings of the 11th World Conference on Earthquake Engineering, Paper No. 2133. Elsevier Science.