基于貝葉斯網(wǎng)絡的地震次生災害情景演化分析

方丹輝，于 款，萬端翼，陳 濤

(1.武漢理工大學 安全科學與應急管理學院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 中國應急管理研究中心，湖北 武漢 430070；3.華中科技大學 公共管理學院，湖北 武漢 430074)

地震是世界上最主要的自然災害之一，據(jù)統(tǒng)計，地球上每年約發(fā)生500多萬次地震，其中對人類造成嚴重損害的地震大約有十幾次。中國是地震多發(fā)區(qū)，因地震造成的死亡人數(shù)居諸災之首[1]。地震釋放的能量是巨大的，若城市發(fā)生烈度較大地震，其造成的經(jīng)濟損失、人員傷亡和社會影響都將是不可估量的。近年來，雖然地震預測技術(shù)取得了長足的進步，但是預測的準確率依然有待提升，并且隨著城市現(xiàn)代化水平的不斷提升，各類風險因素交織，一旦發(fā)生地震，就有可能引發(fā)多種次生災害，加大地震應急處置的難度。例如，2008年5·12汶川地震引發(fā)大量滑坡、崩塌、堰塞湖等次生災害，交通、通訊、供電、供氣等基礎(chǔ)設(shè)施以及工礦企業(yè)、水利工程等均被損壞，加劇了災情[2]。2011年3·11日本地震引發(fā)多起突發(fā)事件，造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失[3]。

世界各地學者都在積極研究地震及其次生災害的應對。周愉峰等[4]利用情景推演與故障貝葉斯網(wǎng)絡，研究地震時關(guān)鍵救災設(shè)施的中斷機理問題。顧一波等[5]利用貝葉斯網(wǎng)絡確定地震次生燃氣管道泄漏事件的影響因素。李偉等[6]運用情景構(gòu)建的方法分析大災場景下的應急通訊保障。吳婧等[7]運用蝴蝶形突變理論研究地震災害下北京的供水網(wǎng)絡。KAPUCU[8]研究了災害復雜環(huán)境下政府間災害響應系統(tǒng)的演化問題。上述研究多針對某一種次生災害展開，少有文獻直接研究地震次生災害全景的演化機理等問題。這是因為地震及其次生災害的應急處置涉及的部門不同，需要進一步綜合各個職責部門對地震總體態(tài)勢進行研判。

筆者基于突發(fā)事件各因素之間的耦合關(guān)系，提出了一種突發(fā)事件情景構(gòu)建模型，并從全局角度出發(fā)，提取地震次生災害的情景要素，構(gòu)建地震次生災害全景演化模型，研究地震次生災害的演化機理，構(gòu)建地震次生災害全景下的貝葉斯網(wǎng)絡，掌握其整體演化路徑，以提高應急行動的科學性和針對性。

1 地震次生災害情景推演

1.1 情景要素描述

國內(nèi)學者對突發(fā)事件情景要素的劃分方式不盡相同，范維澄等[9]提出了公共安全三角形模型，該模型由突發(fā)事件、應急管理和承災載體組成。張江石等[10]認為突發(fā)事故情景要素由外部環(huán)境、事件情景以及應急處置3部分組成。翟振崗等[11]認為事件情景可以由事件分類、層次影響和應急階段3個維度構(gòu)成。王喆等[12]提出突發(fā)事件情景包括孕災環(huán)境、致災因子、承災體和應急管理4個要素。綜合上述理論模型，筆者構(gòu)建由5個要素組成的地震次生災害情景：突發(fā)事件、承災體、應急行動、外部環(huán)境和造成的后果，要素間的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 地震次生災害情景要素及其相互關(guān)系

該模型的5個要素可以表示不同突發(fā)事件及其衍生事件的演化過程，各個元素之間相互影響、相互制約。例如，地震烈度較強，會影響到生命線系統(tǒng)；當影響過大時，可能會造成斷水斷電斷氣等事故，影響民生，導致群眾恐慌心理。若能夠提前采取措施提高各種利民設(shè)施的抗震性，則可以避免斷水斷電斷氣等事故發(fā)生，而提前制定好事故發(fā)生后的應對措施，則可以避免造成群眾生活的不便甚至心理恐慌。

1.2 地震次生災害全景演化模型

根據(jù)建立的模型，收集整合國內(nèi)外的典型地震資料，分析地震作為突發(fā)事件作用到承災體衍生的次生災害及其造成的后果，構(gòu)建地震次生災害全景演化模型,如圖2所示。該模型確定了山體等自然物、生命線系統(tǒng)、水利工程、交通系統(tǒng)、老舊房屋和危險品儲備區(qū)6種主要承災體，設(shè)定地震會引發(fā)地質(zhì)災害、斷水斷電斷氣事故、壩體裂縫或失穩(wěn)、道路塌方、房屋倒塌、危險品泄漏6種次生災害，并造成人員傷亡和財產(chǎn)損失[13]。

圖2 地震次生災害演化情景結(jié)構(gòu)示意圖

以地震作用到山體等自然物并衍生次生災害為例，利用文獻查閱、應急預案和專家知識歸納和梳理各個節(jié)點并加入關(guān)鍵的應急行動后，構(gòu)建情景結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。由圖3可知，地震引起崩塌、山體滑坡等次生災害，作用到城市生命線、房屋農(nóng)田、道路橋梁、附近人員等，造成人員傷亡或經(jīng)濟損失。

圖3 地震作用到山體等自然物的情景結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)某地突發(fā)地震并且一直處于同一外部環(huán)境下，構(gòu)建地震次生災害全景演化流程圖，如圖4所示。

圖4 地震次生災害全景演化流程圖

2 地震次生災害演化系統(tǒng)貝葉斯網(wǎng)絡構(gòu)建

2.1 貝葉斯網(wǎng)絡

貝葉斯網(wǎng)絡是一個有向無環(huán)圖，由節(jié)點和連接節(jié)點的有向邊構(gòu)成，表示各節(jié)點之間的因果關(guān)系，可用于不確定性問題的表達和推理[14-15]。貝葉斯網(wǎng)絡的優(yōu)點在于每個節(jié)點事件的概率能夠在引入新事件后動態(tài)變化，對于隨機事件A和E，則有以下關(guān)系成立：

(1)

2.2 貝葉斯網(wǎng)絡構(gòu)建

當前，貝葉斯網(wǎng)絡的建模方法可分為基于知識和基于數(shù)據(jù)兩種。筆者根據(jù)領(lǐng)域的專家知識來建立模型，收集2005—2019年全國范圍內(nèi)發(fā)生的地震事件數(shù)據(jù)，以及典型震例數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻，在圖4的基礎(chǔ)上確定貝葉斯網(wǎng)絡中的各個節(jié)點及其值域，如表1所示，構(gòu)建的地震次生災害全景下的貝葉斯網(wǎng)絡如圖5所示。

表1 地震次生災害貝葉斯網(wǎng)絡節(jié)點變量值域表

圖5 地震次生災害全景貝葉斯網(wǎng)絡

(1)地震烈度表示地震對地表及工程建筑物影響的強弱程度。烈度較小(如Ⅶ度)的地震會造成房屋輕微損壞；而烈度過大(如Ⅻ度)則將造成毀滅性破壞，一切建筑物都將被毀壞。因此筆者將地震按震級Ⅶ～Ⅹ級來劃分危險性，Ⅶ～Ⅸ級、Ⅸ～Ⅹ級、Ⅹ級以上的取值分別為1、2、3。

(2)山體等自然物受突發(fā)事件影響會導致地質(zhì)災害的發(fā)生，地質(zhì)環(huán)境條件可分為簡單、中等和復雜3種程度，筆者將山體等自然物狀態(tài)設(shè)為低風險、中風險和高風險，其取值分別為1、2、3。水利工程(如大壩、水庫)的風險等級按其嚴重程度可劃分為4級，即Ⅳ級(低風險)、Ⅲ級(中風險)、Ⅱ級(高風險)和Ⅰ級(極高風險)。筆者將水利工程的狀態(tài)簡單描述為低風險、中風險和高風險3種，取值分別為1、2、3。危險品儲備區(qū)因其儲存物質(zhì)的性質(zhì)、數(shù)量和工藝的特殊性分為一般危險、高度危險和特別危險，筆者將危險品儲備區(qū)的狀態(tài)簡化為低風險和高風險兩種，取值分別為1、2。

(3)應急行動分為預防性措施和處置性措施,分別針對承災體和突發(fā)事件。如對山體等自然物加強巡查，能有效降低崩塌、山體滑坡等發(fā)生的可能性；對地質(zhì)災害開展快速治理等措施，可以有效降低泥石流等造成的損失。同時，應急行動開展速度的快慢也會影響一些次生災害造成的損失。因此用開展、未開展，或開展迅速、緩慢兩種形式來描述應急行動，取值分別為1、2。

(4)突發(fā)事件作用到不同狀態(tài)的承災體，若承災體提前開展應急行動，就可能切斷事件鏈條，阻止事件進一步惡化，因此將突發(fā)事件造成的后果描述為是、否，或有、無兩種狀態(tài)，表示事件造成損失的概率，取值分別為1、2。

(5)周邊人口密度的不同可能會造成不同的后果，筆者將人口密度在100人/km2以下的城市定義為稀少，記為1；人口密度在100人/km2以上的定義為密集，記為2。

3 結(jié)果分析

貝葉斯情景推演模型是將貝葉斯網(wǎng)絡與情景推演相結(jié)合，通過情景演變路徑分析、情景網(wǎng)絡構(gòu)建及情景概率計算等，高效解決非常規(guī)突發(fā)事件情景演化問題的動態(tài)性和不確定性[16]。以地震引發(fā)山體滑坡等自然災害為例開展貝葉斯網(wǎng)絡推演，如圖6所示。節(jié)點的取值主要通過歷史資料、統(tǒng)計數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻等確定，地震的震級從中國統(tǒng)計年鑒獲得；通過查閱文獻獲得山體等自然物高低風險區(qū)域分布。

圖6 地震導致山體滑坡等自然災害演化貝葉斯網(wǎng)絡

收集國內(nèi)外17個典型震例的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到的部分結(jié)果如表2所示。其中，序號A為2011年中國云南盈江地震；B為2008年中國汶川地震；C為2010年中國玉樹地震；D為2017年中國九寨溝地震；E為2012年中國昭通市彝良縣地震；F為1976年中國唐山大地震；G為1996年中國麗江地震；H為2016年中國臺灣高雄地震；I為2013年中國四川蘆山地震；J為2014年中國云南魯?shù)榈卣?；K為2011年東日本地震；L為1994年美國洛杉磯(北嶺)地震；M為2004年日本新潟地震；N為1995年日本阪神地震；O為2007年日本新潟地震；P為2010年海地地震；Q為1999年中國臺灣集集地震。

表2 地震導致山體滑坡等自然災害的網(wǎng)絡節(jié)點取值表

將表2中數(shù)據(jù)作為貝葉斯參數(shù)學習的樣本，按照圖6所示的因果關(guān)系計算每個變量的概率。設(shè)Vi為子節(jié)點，vi為Vi的取值；E為父節(jié)點，ei為E的取值，則由式(2)可計算得到各子節(jié)點在父節(jié)點不同狀態(tài)下發(fā)生的概率，以進一步了解地震引發(fā)地質(zhì)災害的整體情況。

(2)

同時，通過計算得到貝葉斯網(wǎng)絡中各子節(jié)點在不同應急行動影響下發(fā)生的概率，觀察各子節(jié)點概率的對比情況，得到該系統(tǒng)中的敏感性因素：①地震烈度的影響。通過貝葉斯網(wǎng)絡可得不同烈度的地震造成房屋道路等設(shè)施被毀(a1)、人員死亡(a2)、工程受損(a3)的概率，如圖7所示。②預防措施的重要性。通過分析地震時對承災體開展預防措施到位與否,計算網(wǎng)絡中突發(fā)事件造成房屋道路等設(shè)施被毀(a1)、人員死亡(a2)、工程受損(a3)的概率，如圖8所示。可見如果日常注重地質(zhì)災害高風險區(qū)的治理，加強監(jiān)測和巡查，提前轉(zhuǎn)移人員，工礦企業(yè)及時開展加固廠房等預防措施，可以削弱突發(fā)事件引發(fā)后果的嚴重性。③應急處置措施的重要性。通過分析地震時對突發(fā)事件采取的應急處置措施及時與否，計算網(wǎng)絡中突發(fā)事件造成房屋道路等設(shè)施被毀(a1)、人員死亡(a2)、工程受損(a3)的概率，如圖9所示?？梢娽槍Φ刭|(zhì)災害，加強災害治理，防止災情蔓延；針對被困或被埋人員，及時開展人員搜救和救援；針對工礦企業(yè)，停工撤離人員等；若及時開展應急處置措施，可以降低突發(fā)事件造成的后果的發(fā)生概率。

圖7 不同烈度地震造成后果的概率分布

圖8 預防措施影響突發(fā)事件造成后果的概率分布

圖9 應急處置措施影響突發(fā)事件造成后果的概率分布

通過以上分析可以得出影響地震次生災害后果的敏感性因素：①影響人員傷亡的主要因素為提前開展人員轉(zhuǎn)移和迅速開展搜救；②影響工程受損和房屋道路等設(shè)施被毀的主要因素為提前開展房屋道路等設(shè)施的加固與巡護。因此，針對以上結(jié)果，給出以下措施建議：

(1)對于承災體提前采取預防措施。處在地震帶的地區(qū)日常需注重對地震及其引發(fā)的次生災害開展應急演練，提高建筑物設(shè)施等的抗震級別，加強對地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)的巡護與治理。

(2)迅速有效開展突發(fā)事件應急處置措施。例如，在地震發(fā)生時，快速啟動應急隊伍，展開搜救，可以有效減少人員傷亡；對于地質(zhì)災害引發(fā)的道路塌方，需要及時清理道路，同時引導車輛和人員撤離，以加快救援工作的進程，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

(3)完善地震及其次生災害應急預案。對于地震可能引發(fā)的次生災害，提前制定計劃，完善應急機制，切斷事件擴散路徑，阻止突發(fā)事件的進一步惡化，將從整體上減輕災害造成的損失。同時，科學地開展應急行動，可有效降低次生災害的發(fā)生概率和嚴重性。

4 結(jié)論

(1)以突發(fā)事件三角形理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了地震次生災害全景演化模型，列出了地震可能引發(fā)的次生災害、造成的后果和采取的應急行動。

(2)基于貝葉斯網(wǎng)絡，結(jié)合情景要素及其因果關(guān)系，構(gòu)建地震次生災害演化全景的貝葉斯網(wǎng)絡，得到地震事件演化路徑。以歷史地震資料為樣本數(shù)據(jù)，對地震引發(fā)地質(zhì)災害網(wǎng)絡進行推理分析，提取網(wǎng)絡中的敏感性因素，為城市防震救災提供參考。

(3)地震發(fā)生時，如果城市有完善的應急體制，及時開展應急行動，可以有效降低次生災害造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失。同時，如果城市抗震能力較強，如建筑物、道路等基礎(chǔ)設(shè)施的抗震級別較高，次生災害發(fā)生的概率也會降低，所以城市應提高抗震減災能力。

(4)地震次生災害涉及到的要素眾多，而基于歷史案例的推演過程中部分數(shù)據(jù)依賴于專家的主觀經(jīng)驗，后續(xù)可以繼續(xù)完善案例庫，修正網(wǎng)絡之間的演化關(guān)系和量值，解決地震次生災害情景推演過程中出現(xiàn)的不確定問題。