基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的臺風(fēng)災(zāi)害演化系統(tǒng)風(fēng)險分析與控制研究*

陳長坤，紀(jì)道溪

(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南長沙410075;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230027)

0 引言

臺風(fēng)與地震、洪澇、干旱、火災(zāi)等構(gòu)成了世界主要自然災(zāi)害，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)、交通、城市生命線和建筑工程等方面構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。而對臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)的理論研究可以降低臺風(fēng)災(zāi)害對人類社會造成沖擊，具有重要的實(shí)踐價值和現(xiàn)實(shí)意義。

目前，針對臺風(fēng)，國內(nèi)研究主要集中在其成因、特征及影響因素［1－5］、數(shù)值模擬［6－7］和災(zāi)害的預(yù)測評估［8－9］等方面。目前，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型［10－12］和災(zāi)害鏈［13－15］的研究為臺風(fēng)災(zāi)害演化系統(tǒng)的探討提供了理論依據(jù)。

本文在已有研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建了2009年“莫拉克”臺風(fēng)災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)模型，采用模型中節(jié)點(diǎn)出度、節(jié)點(diǎn)入度、節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)數(shù)及節(jié)點(diǎn)包含支鏈數(shù)等參數(shù)對臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險分析，并提出初步的控制建議。

1 “莫拉克”臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)演化模型

1.1 臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)的危機(jī)事件辨識

臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)由臺風(fēng)自身攜帶的大風(fēng)、暴雨、風(fēng)暴潮及其引發(fā)的次生災(zāi)害共同構(gòu)成。通過案例分析與辨識后，確定了30個主要危機(jī)事件及事件間的關(guān)系，圖1中給出了“莫拉克”臺風(fēng)災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)模型。

圖1 “莫拉克”臺風(fēng)災(zāi)害演化系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.2 臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)事故演化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

“莫拉克”臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)演化模型共有30個節(jié)點(diǎn)和39條邊，其中30個節(jié)點(diǎn)代表30個危機(jī)事件，39條邊表明演化關(guān)系。這些事件和演化關(guān)系構(gòu)成不同的災(zāi)害鏈，主要有長鏈、直鏈和環(huán)鏈等，每條鏈上的危機(jī)事件個數(shù)從2到5不等。

需要指出的是，減產(chǎn)絕收、管道破壞、交通事故、疾病、流徙、村莊毀壞、漁業(yè)受損和交通堵塞等8個事件處于網(wǎng)絡(luò)模型的終端位置，被定義為末端危機(jī)事件，并根據(jù)影響區(qū)域，進(jìn)一步細(xì)分為影響農(nóng)村的末端危機(jī)事件(村莊損壞、漁業(yè)受損、減產(chǎn)絕收、土地鹽堿化、流徙和疾病)和影響城市的末端危機(jī)事件(管道破壞、交通堵塞和交通事故)。

2 “莫拉克”臺風(fēng)災(zāi)害演化系統(tǒng)的風(fēng)險分析及斷鏈控制

2.1 基于節(jié)點(diǎn)出入度的風(fēng)險分析與斷鏈控制

災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)模型中，危機(jī)事件出度越大，則該事件可能造成的后果就越嚴(yán)重;入度越大，則導(dǎo)致該事件的途徑就越多，控制難度也相應(yīng)增加。危機(jī)事件出入度由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定，有一個箭頭指向該事件，則入度加1;有一個箭頭從該事件引出，則出度加1。表1中給出了“莫拉克”臺風(fēng)系統(tǒng)中各危機(jī)事件的出入度值，據(jù)此進(jìn)行危機(jī)事件風(fēng)險分析。

表1 “莫拉克”臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)危機(jī)事件入出度的風(fēng)險分析

續(xù)表1

根據(jù)表1可以看出，臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)中，風(fēng)暴潮、暴雨、狂風(fēng)、洪水、泥石流和山體滑坡等危機(jī)事件出度較大，影響范圍較廣泛，后果也較嚴(yán)重;交通事故、淹沒農(nóng)田、村莊毀壞和交通堵塞等危機(jī)事件的入度相對較大，事件發(fā)生途徑多，較難控制該危機(jī)事件的發(fā)生。

另外，末端危機(jī)事件的后果在短時間內(nèi)難以辨識，在網(wǎng)絡(luò)模型中定義為“末端節(jié)點(diǎn)”，其出度不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定。本文根據(jù)可能出現(xiàn)的后果的嚴(yán)重性確定風(fēng)險的相對大小。由此確定:管道破壞和村莊毀壞兩個事件的風(fēng)險較高，流徙、漁業(yè)受損和減產(chǎn)絕收等事件的風(fēng)險相對較低。

2.2 基于節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)數(shù)的風(fēng)險分析與斷鏈控制

災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)中，由危機(jī)事件及其誘發(fā)子危機(jī)事件個數(shù)累加和越大，即子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)越大，則其可能造成的后果就越嚴(yán)重。同時，筆者依據(jù)演化鏈中災(zāi)害傳播的順序，將危機(jī)事件劃分為三級。臺風(fēng)直接引發(fā)的危機(jī)事件為一級危機(jī)事件，處于災(zāi)害鏈終端位置的危機(jī)事件為三級危機(jī)事件，其余的均為二級危機(jī)事件。

表2中給出了“莫拉克”臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)中危機(jī)事件子網(wǎng)數(shù)和危險等級的關(guān)系。其中“莫拉克臺風(fēng)”事件節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)數(shù)為模型中所有事件總和。而對于其他事件的子網(wǎng)，通過進(jìn)一步分析，得到以下特點(diǎn)。

表2 危機(jī)事件級別和子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)分析

(1)事件等級與節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系

總的來說，危機(jī)事件級別越高，其子網(wǎng)數(shù)越大。一級危險事件節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)數(shù)最大;三級危機(jī)事件節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)數(shù)最小(均為1);二級危機(jī)事件節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)數(shù)介于二者之間。特別注意的是，單從表中來看，洪水事件危險高于狂風(fēng)事件，而二者具體的風(fēng)險性高低的確定較為復(fù)雜，本文不做深入研究。

(2)三級危機(jī)事件的子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為自身

“莫拉克”臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)中，減產(chǎn)絕收、管道破壞、交通事故、流徙、疾病、村莊毀壞、漁業(yè)受損、交通堵塞等所有三級危機(jī)事件的子網(wǎng)只有危機(jī)事件本身，其節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)數(shù)均為1，風(fēng)險相對低于其它級別的事件。

2.3 基于支鏈數(shù)的風(fēng)險分析與斷鏈控制

包含危機(jī)事件的支鏈數(shù)在一定程度上也反應(yīng)了危機(jī)事件的嚴(yán)重性?！澳恕迸_風(fēng)系統(tǒng)中危機(jī)事件的支鏈?zhǔn)加谝患壩C(jī)事件，終于三級危機(jī)事件，將經(jīng)過某危機(jī)事件的各條支鏈進(jìn)行累加，則可得到包含該危機(jī)事件的支鏈數(shù)，如表3所示。

表3 臺風(fēng)災(zāi)害演化系統(tǒng)中危機(jī)事件所含支鏈數(shù)分析

可以看出，“莫拉克”臺風(fēng)系統(tǒng)中，包含暴雨、洪水、海堤潰決、風(fēng)暴潮和海水倒灌等危機(jī)事件的支鏈數(shù)較大，出現(xiàn)頻率較高，后果較嚴(yán)重，屬于相對較危險的危機(jī)事件。包含景點(diǎn)關(guān)閉、乘客滯留、航班取消、廣告牌脫落、信號燈故障和翻船等危機(jī)事件的支鏈數(shù)較小，風(fēng)險相對較小。系統(tǒng)中末端危機(jī)事件的風(fēng)險仍按3.1節(jié)中的方法確定。

2.4 臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)綜合風(fēng)險分析和斷鏈研究

綜上分析，確定臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)在不同時期的關(guān)鍵環(huán)節(jié);臺風(fēng)前期，關(guān)鍵危機(jī)事件為暴雨和洪水等;臺風(fēng)后期，交通事故和交通堵塞成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。另外，“莫拉克”臺風(fēng)中，臺灣高雄縣小林村被泥石流淹沒，幾乎全村人被埋致死，當(dāng)?shù)卣虼丝迮_，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和深遠(yuǎn)的社會影響。故村莊毀壞也成為系統(tǒng)中的關(guān)鍵位置。“莫拉克”臺風(fēng)災(zāi)害系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)如圖2所示。

根據(jù)以上關(guān)鍵環(huán)節(jié)的確定，提出斷鏈方案。臺風(fēng)前期，及時疏導(dǎo)城市的排水系統(tǒng)。臺風(fēng)后期，重點(diǎn)關(guān)注城市交通系統(tǒng)，提高交通監(jiān)管和調(diào)度力度。在農(nóng)村，臺風(fēng)前期做好天氣預(yù)報和地質(zhì)勘測等工作，臺風(fēng)后期，啟動人員安置和災(zāi)后重建預(yù)案(圖2)。

3 結(jié)束語

(1)構(gòu)建了以危機(jī)事件為節(jié)點(diǎn)，以事件誘發(fā)關(guān)系為連接邊的臺風(fēng)災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)模型，并對危機(jī)事件進(jìn)行風(fēng)險分析，確定了系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提出了斷鏈方案和控制建議。

圖2 臺風(fēng)災(zāi)害演化系統(tǒng)斷鏈拓?fù)鋱D

(2)提出了一種災(zāi)害風(fēng)險分析與控制思路，并將其應(yīng)用到臺風(fēng)系統(tǒng)中。結(jié)果表明:暴雨、村莊毀壞、山體滑坡、泥石流、狂風(fēng)、交通事故與堵塞等事件是臺風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(3)在災(zāi)害系統(tǒng)中，對末端事件的風(fēng)險因素辨識和網(wǎng)絡(luò)連接邊發(fā)生概率的研究將是進(jìn)一步工作的重點(diǎn)。

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