基于鏈?zhǔn)嚼碚摰膯螢?zāi)種向多災(zāi)種演繹*

梅 濤，肖盛燮

(重慶交通大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)工程研究所，重慶400074)

基于鏈?zhǔn)嚼碚摰膯螢?zāi)種向多災(zāi)種演繹*

梅 濤，肖盛燮

(重慶交通大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)工程研究所，重慶400074)

從災(zāi)變鏈角度出發(fā)，以災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摰陌朔N鏈?zhǔn)叫螒B(tài)為依托，基于耗散結(jié)構(gòu)理論，指出自然災(zāi)害系統(tǒng)鏈?zhǔn)巾憫?yīng)行為是外部環(huán)境復(fù)雜輸入和自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系變化兩方面共同作用的結(jié)果;構(gòu)建系統(tǒng)的單災(zāi)種模型，并推演出多災(zāi)種模型，反映各災(zāi)種之間的耦合關(guān)系和相互影響，探討單災(zāi)種向多災(zāi)種的演化機(jī)理。研究表明各災(zāi)變鏈致災(zāi)因子所具有的能量是災(zāi)變鏈?zhǔn)诫A段的關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)上提出防災(zāi)減災(zāi)策略，為單災(zāi)種和多災(zāi)種災(zāi)害的防治提供參考依據(jù)。

鏈?zhǔn)嚼碚?耗散結(jié)構(gòu)理論;災(zāi)種模型;演繹機(jī)理;單災(zāi)種;多災(zāi)種

0 引言

當(dāng)今世界，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，涉及地域廣泛，破壞性大，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅。災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚撜J(rèn)為，每當(dāng)一種特大災(zāi)害發(fā)生時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致或者伴隨著多種次生災(zāi)害。如山區(qū)發(fā)生強(qiáng)震或者山洪，便接踵而至的是泥石流、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，由此導(dǎo)致公路交通生命線中斷、橋梁垮塌、水系急劇改變而形成堰塞湖等。因此，研究多種災(zāi)害相互之間的演化關(guān)系尤為重要。對(duì)單一災(zāi)變鏈?zhǔn)疥P(guān)系的研究已提出各種思路，并提出各種災(zāi)害鏈?zhǔn)疥P(guān)系［1－3］。游珍等研究重慶市暴雨規(guī)律，探討了暴雨災(zāi)害特點(diǎn)、類型及災(zāi)變鏈，指出暴雨不但能引發(fā)單個(gè)災(zāi)害，還可以形成暴雨災(zāi)變鏈，相比于單一災(zāi)害，災(zāi)變鏈具有災(zāi)情放大效應(yīng)［4］。魏一鳴在20世紀(jì)即提出自然災(zāi)害的復(fù)雜性［5］。范海軍等研究了自然災(zāi)害鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜規(guī)律［6］。本文以災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摓橐劳?，基于耗散結(jié)構(gòu)理論，探索單災(zāi)種向多災(zāi)種演繹機(jī)理。

1 鏈?zhǔn)嚼碚摳攀?/h2>

鏈?zhǔn)嚼碚撌菍⒂钪骈g自然或人類活動(dòng)等因素導(dǎo)致的自然災(zāi)害，抽象為具有載體共性反應(yīng)特征，以描繪單一或者多種災(zāi)害的形成、滲透、干涉、轉(zhuǎn)化、分解、合成、耦合等相關(guān)的物化信息過程，直至災(zāi)害發(fā)生給人類社會(huì)造成損失和破壞等各種鏈?zhǔn)疥P(guān)系的總稱。災(zāi)害的形成總有一個(gè)逐漸演化的過程，其演化過程暴露了自然環(huán)境狀態(tài)朝著不利于人類社會(huì)的發(fā)展方向演繹。這個(gè)過程表明災(zāi)害形成必有延續(xù)性，其延續(xù)性的演化過程總是以一定的物質(zhì)、能量等信息形式予以表征，這就是鏈?zhǔn)叫?yīng)的載體反映，這種載體反映體現(xiàn)了由量變到質(zhì)變的內(nèi)涵和外延關(guān)系的演化。這種演化過程就是一種“鏈?zhǔn)叫?yīng)”。不同的災(zāi)害類型可用統(tǒng)一的鏈?zhǔn)叫?yīng)關(guān)系來表征，災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摳鶕?jù)性態(tài)演化，量級(jí)演化，時(shí)空演化，將災(zāi)害分為8種鏈?zhǔn)疥P(guān)系;分別為A崩裂滑移鏈;B周期循環(huán)鏈;C支干流域鏈;D樹支葉脈鏈;E蔓延侵蝕鏈;F沖淤沉積鏈;G波動(dòng)襲擊鏈;H放射殺傷鏈［7－8］。實(shí)際上鏈?zhǔn)疥P(guān)系又相互耦合，在條件具備時(shí)，災(zāi)害極易由單一災(zāi)種向多災(zāi)種進(jìn)行演化。如崩裂滑移鏈反復(fù)爆發(fā)，就構(gòu)成周期循環(huán)鏈;地震爆發(fā)屬于波動(dòng)襲擊連，同時(shí)地震爆發(fā)能誘發(fā)各種次生災(zāi)害，當(dāng)次生災(zāi)害再受到外界影響，進(jìn)一步造成更嚴(yán)重的災(zāi)害，形成另一種災(zāi)害鏈。

2 耗散結(jié)構(gòu)理論

耗散結(jié)構(gòu)理論可概括為:一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性的開放系統(tǒng)(物理的、化學(xué)的、生物的、社會(huì)的、經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng))通過不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)參量的變化達(dá)到一定的閾值時(shí)，通過漲落，系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變，由原來的混沌無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。這種在遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)形成的新的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)，由于需要不斷與外界交換物質(zhì)或能量才能維持，因此稱之為“耗散結(jié)構(gòu)”［9］。

耗散結(jié)構(gòu)理論創(chuàng)始人在研究大量系統(tǒng)的自組織過程以后，總結(jié)、歸納得出，系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)需要下列條件:①系統(tǒng)必須開放;②遠(yuǎn)離平衡態(tài);③非線性相互作用;④漲落。如果把災(zāi)變鏈的發(fā)生和轉(zhuǎn)化放入一個(gè)系統(tǒng)中研究，則符合耗散結(jié)構(gòu)理論的條件。

開放系統(tǒng):災(zāi)變鏈?zhǔn)较到y(tǒng)不斷與外界環(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)、能量和信息的交換，并進(jìn)一步增加有序性，走向自組織，表現(xiàn)為災(zāi)害內(nèi)子部分的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

遠(yuǎn)離平衡態(tài):開放的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)在外界作用下離開平衡態(tài)，開放逐漸加大，外界對(duì)系統(tǒng)的影響逐漸變強(qiáng)，將系統(tǒng)逐漸從近平衡區(qū)推向遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)。

非線性相互作用:組成系統(tǒng)的子系統(tǒng)之間存在著相互作用，災(zāi)害發(fā)生的原因以及造成的損失不是簡(jiǎn)單的滿足疊加原理。正因?yàn)檫@樣，由子系統(tǒng)形成系統(tǒng)時(shí)，會(huì)涌現(xiàn)出新的性質(zhì)。

漲落:漲落是指對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的偏離，它是實(shí)際存在的一切系統(tǒng)的固有特征。系統(tǒng)內(nèi)部原因造成的漲落，稱為內(nèi)漲落;系統(tǒng)外部原因造成的漲落，稱為外漲落。處于平衡態(tài)系統(tǒng)的隨機(jī)漲落，稱為微漲落;處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡態(tài)系統(tǒng)的隨機(jī)漲落，稱為巨漲落。對(duì)于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡態(tài)系統(tǒng)，隨機(jī)的小漲落有可能迅速放大，使系統(tǒng)由不穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到一個(gè)新的有序狀態(tài)，從而形成耗散結(jié)構(gòu)。各種災(zāi)害形態(tài)都存在內(nèi)外原因，致災(zāi)因子的漲落因不同災(zāi)害鏈而表現(xiàn)不同。即內(nèi)漲落、外漲落、微漲落、巨漲落等在災(zāi)害鏈中是根據(jù)不同災(zāi)害鏈而確定的。

3 單災(zāi)種向多災(zāi)種演化規(guī)律探索

3.1 單一災(zāi)變的耗散理論解釋

現(xiàn)代理論研究證明，系統(tǒng)在量變的過程中也有部分突變，突變是量變的積累;每一種災(zāi)害的發(fā)生都是系統(tǒng)微漲落的結(jié)果。將系統(tǒng)的微漲落用一種數(shù)值來衡量，即熵，用ds表示;當(dāng)熵值增加到臨界值時(shí)，災(zāi)害發(fā)生。以滑坡為例，原始地貌處于宇宙的開放系統(tǒng)中，由于人為或地質(zhì)構(gòu)造等原因形成了潛在滑坡體，即出現(xiàn)遠(yuǎn)離平衡態(tài)過程;在地震、強(qiáng)降雨等誘發(fā)因子的激勵(lì)下，滑坡體逐漸產(chǎn)生緩慢的滑移或蠕變，即在外部環(huán)境輸入熵值增加;當(dāng)滑坡體的潛在滑動(dòng)面逐漸貫通，巖土體的主要力學(xué)參數(shù)如c、φ等發(fā)生劣化降低，達(dá)到了滑坡發(fā)生的臨界值，亦即熵值達(dá)到災(zāi)害發(fā)生的臨界值，進(jìn)而在誘發(fā)因子的異變耦合作用下產(chǎn)生突變，表現(xiàn)為滑坡失穩(wěn)，形成滑坡災(zāi)害。

在系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)朝著混沌、無序、不穩(wěn)定方向發(fā)展，系統(tǒng)熵值一直處于增加狀態(tài)。將熵值ds分為內(nèi)部熵變(dis)和外部熵變(des)表示，則系統(tǒng)內(nèi)部自身的熵變量dis始終大于或等于0。同時(shí)，當(dāng)災(zāi)害由原發(fā)災(zāi)害向次生災(zāi)害轉(zhuǎn)化的臨界過程中，des為大于0，因此加速系統(tǒng)朝向不穩(wěn)定方向發(fā)展，最終形成了多種災(zāi)害。整個(gè)流程圖如圖1所示。

圖1 滑坡熵變流程圖

從單一災(zāi)害來看，系統(tǒng)的熵值一直處于增加狀態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，熵值的增加伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，能量的自發(fā)轉(zhuǎn)化實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)自組織現(xiàn)象。單一災(zāi)害形成過程中，能量不斷蓄積，熵值不斷增加，達(dá)到臨界值，能量釋放，災(zāi)害發(fā)生。

3.2 單災(zāi)種向多災(zāi)種演繹的耗散規(guī)律探索

近年來頻發(fā)的災(zāi)害都不是單一的災(zāi)害體，而是從一種致災(zāi)因子產(chǎn)生主災(zāi)害，進(jìn)而引發(fā)次生災(zāi)害，同時(shí)主次災(zāi)害之間在環(huán)境惡劣的條件下還能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從災(zāi)害發(fā)生的致災(zāi)因子可以看出，非線性或者耦合性質(zhì)往往是災(zāi)害造成重大損失或者次生災(zāi)害的主要原因。將8種災(zāi)變鏈?zhǔn)椒謩e記為ABCDEFGH，狀態(tài)為 E(i)(其中 i為 A，B，…，H);A災(zāi)害系統(tǒng)的致災(zāi)因子記為e(Aj)(其中j為1，2…，NA，表示致災(zāi)因子種類，如滑坡災(zāi)害中的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，地震，強(qiáng)降雨等)，同樣B災(zāi)害系統(tǒng)的致災(zāi)因子記為e(Bj)(其中 j為1，2…，NB)，其他依此類推。同時(shí)當(dāng)某種災(zāi)害成為另外一種災(zāi)害的致災(zāi)因子時(shí)E(i)可轉(zhuǎn)化為e(ij)。

災(zāi)害系統(tǒng)的狀態(tài)是致災(zāi)因子的動(dòng)態(tài)函數(shù)，致災(zāi)因子具有的能量表示為時(shí)間和環(huán)境的函數(shù)，對(duì)于災(zāi)害鏈 A有 f(e(A1)，t)，f(e(A2)，t)，f(e(…)，t)，f(e(ANA)，t)，用G表示各致災(zāi)因子之間的狀態(tài)關(guān)系函數(shù)，熵值變化為內(nèi)部熵變和外部熵變的函數(shù)F(dis(A)，des(A))，則災(zāi)害的致災(zāi)鏈?zhǔn)綑C(jī)理可以表示為:

式(1)即為基于系統(tǒng)論建立的能量耗散理論模型。要避免災(zāi)害的發(fā)生則需滿足函數(shù)關(guān)系G＜F，從斷鏈減災(zāi)思路出發(fā)，即減少各個(gè)致災(zāi)因子的致災(zāi)能量。求出鏈?zhǔn)诫A段劃分的階段—Ⅰ孕育階段、Ⅱ潛存階段、Ⅲ誘發(fā)階段三個(gè)臨界熵，對(duì)應(yīng)的F函數(shù)為 FⅠ(dis(A)，des(A))，F(xiàn)Ⅱ(dis(A)，des(A))，F(xiàn)Ⅲ(dis(A)，des(A))。

4 應(yīng)用分析示例

以波動(dòng)襲擊鏈為例說明以上理論的應(yīng)用。地震滑坡等屬于典型的波動(dòng)襲擊鏈，其致災(zāi)因子為斷層滑移 e(G1)、板塊撞擊 e(G2);火山噴發(fā)e(G3)，不穩(wěn)定地質(zhì)地貌(G4)、地下水活動(dòng)(G5)、人類活動(dòng)(G6)，6個(gè)致災(zāi)因子對(duì)系統(tǒng)的熵貢獻(xiàn)分別為:f(e(G1)，t)，f(e(G2)，t)，f(e(G3)，t)，f(e(G4)，t)，f(e(G5)，t)，f(e(G6)，t)為便于量化計(jì)算，將e(G1)、e(G2)、e(G3)三個(gè)地震因素統(tǒng)稱為e(GQ)，根據(jù)具體地震來計(jì)算。則波動(dòng)襲擊鏈狀態(tài)函數(shù)為:G(f(e(GQ)，t)，f(e(G4)，t)，f(e(G5)，t)，f(e(G6)，t))，對(duì)于可能因地震誘發(fā)滑坡的區(qū)域，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)規(guī)律得出滑坡系統(tǒng)的臨界熵值為F(dis(G)，des(G))。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，根據(jù)場(chǎng)地加速度時(shí)程曲線得出滑坡系統(tǒng)具有的能量Q，再由熵與能量的關(guān)系即可得出地震對(duì)滑坡系統(tǒng)的熵值f(e(GQ)，t)的貢獻(xiàn)值。根據(jù)地勘資料和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)可得出f(e(G4)，t)，f(e(G5)，t)，f(e(G6)，t)，最終確定震—崩—滑—泥鏈的狀態(tài)函數(shù) G(f(e(GQ)，t)，f(e(G4)，t)，f(e(G5)，t)，f(e(G6)，t))，同時(shí)計(jì)算出震—崩—滑—泥鏈的各個(gè)階段熵函數(shù)，為FⅠ(dis(A)，des(A))，F(xiàn)Ⅱ(dis(A)，des(A))，F(xiàn)Ⅲ(dis(A)，des(A))，若G＜FI，則系統(tǒng)處于孕育階段;同理可以根據(jù)G與F的關(guān)系判斷其他兩個(gè)階段。從斷鏈減災(zāi)角度對(duì)三個(gè)階段分別提出防治措施為:①孕育階段可用綠化、排水、清方減載等;②潛存階段可用反壓、各種支檔結(jié)構(gòu)等;③誘發(fā)階段可用滑帶土改良，各種支檔結(jié)構(gòu)等:根據(jù)階段選擇最經(jīng)濟(jì)的治理方案。

5 結(jié)語

本文以災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摰陌朔N鏈?zhǔn)叫螒B(tài)為依托，基于耗散結(jié)構(gòu)理論，指出自然災(zāi)害系統(tǒng)鏈?zhǔn)巾憫?yīng)行為是外部環(huán)境復(fù)雜輸入和自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系變化兩方面共同作用的結(jié)果，構(gòu)建系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)學(xué)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)面向問題的數(shù)學(xué)表達(dá)，基于模型分析揭示了自然災(zāi)害系統(tǒng)在內(nèi)外環(huán)境作用下的復(fù)雜性響應(yīng)行為規(guī)律，將單一災(zāi)變鏈?zhǔn)酵蒲葜炼喾N災(zāi)變關(guān)系，將災(zāi)害鏈?zhǔn)疥P(guān)系的共性理論抽象并量化，反應(yīng)了單一災(zāi)種向多災(zāi)種演化的機(jī)理能幫助人們更好地理解和控制復(fù)雜的自然災(zāi)害。并從斷鏈減災(zāi)和經(jīng)濟(jì)角度提出防災(zāi)減災(zāi)思路。所構(gòu)建的模型為多種災(zāi)害鏈進(jìn)一步研究奠定數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，具有一定的理論意義，將此結(jié)論進(jìn)一步推廣應(yīng)用可以更加有效地減少災(zāi)害發(fā)生或?yàn)?zāi)害發(fā)生時(shí)造成的損失。

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Chain Theory Based Evolution from Single Disaster to M ulti-disasters

Mei Tao and Xiao Shengxie
(Research Institute of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

From the perspective of disaster chain，based on the eight chain forms of chain theory of disaster and dissipative structure theory，it is pointed out that chain response behavior of natural disasters system is the result of the joint effectof complex input of the external environments and its internal structure changes．A single disastermodel is developed and amulti-disastermodel is deducted，which can be used to reflect the coupling relation and interaction of different types of disasters and explore themechanism of evolution of single disaster tomulti-disasters．The study shows that the energy of disaster-causing factors of different disaster chains is the key of chainstyled stage．Accordingly，the strategies of disaster prevention and mitigation are put forward as references for control of single and multi disasters．

chain theory;dissipative structure theory;disastermodel;evolutionmechanism;single disaster;multi-disaster

X4

A

1000－811X(2012)03－0019－03

2011－11－23

2012－02－11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50879097);重慶市國(guó)土局項(xiàng)目

梅濤(1987－)，男，湖北天門人，碩士研究生，主要從事交通設(shè)施防災(zāi)減災(zāi)方面的研究．E-mail:meitaohust@163.com