情景驅(qū)動的級聯(lián)災害風險協(xié)同建模方法研究
——以地震誘發(fā)化工園區(qū)次生災害為例*

楊震 郭新桉 劉哲明 郭梨

（西安建筑科技大學 資源工程學院，西安 710055）

0 引言

2015年第三屆聯(lián)合國世界減災大會通過《仙臺減災框架》，強調(diào)需要更好地研究和管理級聯(lián)反應的災害［1］。級聯(lián)災害的預防機制面臨著較大挑戰(zhàn)，因為其除了依賴于復雜的數(shù)學模型，通常還需將定性和定量方法結(jié)合起來，以便更好地理解和管理級聯(lián)災害耦合風險的挑戰(zhàn)和潛力。在事件序列中，一個或多個主要事件觸發(fā)一個或多個次要事件，導致突發(fā)事件復雜化，這被稱為“級聯(lián)cascading”［2］。早在2004年就有學者發(fā)現(xiàn)，應急響應失敗的主要原因在于對有害事件的耦合演化過程分析不足［3］。事實上，各承災體要想有效減少風險，就必須要能展示其如何受到有害事件的影響。級聯(lián)與多重、多米諾不同，級聯(lián)事件之間的連接具有隨機性，因此用級聯(lián)來描述突發(fā)災難事件系統(tǒng)更符合客觀實際。2015年PESCAROLI G等［4］將級聯(lián)災害定義為極端事件，認為級聯(lián)效應會隨著時間的推移而增加，并產(chǎn)生具有強烈影響的災難事件。KUMASAKI M等［5］通過案例總結(jié)了在日本發(fā)生的自然災害級聯(lián)效應的主要模式，但結(jié)論局限于單一災害的統(tǒng)計，缺乏普適性。為進一步降低突發(fā)事件的危害性，及時有效地對其作出反應，“情景-應對”型應急決策模式是目前國內(nèi)外研究的熱點。陳璐等［6］建立了“情景-應對”地震災區(qū)物資分配模型，將物資需求情景從3個維度進行劃分以減少營救時間和人員傷亡。連會青等［7］構(gòu)建了AHP模型，確立了“情景-應對”模型在礦井水災應急領域的應用，從而提升礦井水災事故應急救援能力。

當突發(fā)事件處理不當時，由于自然或人為災害事件的復雜空間結(jié)構(gòu)及其所涉及對象的緊密相關性，往往會產(chǎn)生嚴重的級聯(lián)災害，進而擴大影響范圍造成更強烈的危害。郭海湘等［8］通過分析災害多級聯(lián)動的模式，從而得到同類型災害多級聯(lián)動模型，探討出多級聯(lián)動模型下不同災害對城市的影響關系。級聯(lián)災害是致災因子在社會系統(tǒng)中經(jīng)過非線性增強而升級成的事故性災難［9］，因此本文在交叉影響分析的基礎上，應用阻尼解釋結(jié)構(gòu)模型進行協(xié)同建模，以地震誘發(fā)的化工園區(qū)級聯(lián)災害為例，得到災害演化的層次結(jié)構(gòu)，為化工園區(qū)地震災害的應急工作提供可靠的科學依據(jù)。

1 情景驅(qū)動的協(xié)同建模方法

化工園區(qū)發(fā)生地震對外界帶來的不僅僅是直接災害，同時更容易被忽略的是由化工園區(qū)地震而引發(fā)的級聯(lián)災害［10］。級聯(lián)災害事件具有突發(fā)性、不確定性、傷害性等特點［11］，因此這類應急決策屬于非結(jié)構(gòu)性決策范疇。雅安地震中仍存在著管理混亂、信息混亂等問題［12］，可以發(fā)現(xiàn)化工園區(qū)地震發(fā)生后，準確構(gòu)建級聯(lián)災害相互耦合這一過程有助于應對和緩解災情［13］。因此，本研究建立一種基于情景推演的級聯(lián)災害演化的CIA-DISM方法，為災害演化過程提供一種新的研究思路。

1.1 阻尼解釋結(jié)構(gòu)模型

1973年美國沃菲爾德教授首次提出了結(jié)構(gòu)模型技術，即解釋結(jié)構(gòu)模型。解釋結(jié)構(gòu)模型是通過矩陣和圖的描述方式將系統(tǒng)及系統(tǒng)要素用于分析和揭示復雜關系結(jié)構(gòu)的有效方法［14］。2003年黃煒［15］提出了阻尼解釋結(jié)構(gòu)模型，將系統(tǒng)中破壞要素與解釋結(jié)構(gòu)模型結(jié)合得出新的相應模型方法——阻尼解釋結(jié)構(gòu)模型（Damp Interpretative Structural Modeling Method，DISM）。

1.2 CIA-DISM模型

本文所建立的CIA-DISM模型首先對要素之間的關系進行交叉影響分析（CIA），然后將CIA所得到的交叉影響矩陣作為DISM的輸入，進而使所構(gòu)建情景能反映演化過程的耦合性，更符合實際?；凇扒榫埃瓚獙Α睕Q策模式的協(xié)同建模過程如圖1所示。由下列公式得出交叉影響矩陣的元素Cij（表示Cj對Ci的影響系數(shù)）。

圖1 “情景－應對”決策模式的協(xié)同建模流程

CIA-DISM模型將要素之間的關系進行了拓展，從論域［0，1］拓展到了［－1，1］。如抗震救災要素，其對于地震損失就是負向影響。因此采用CIA-DISM模型所構(gòu)建的情景表達內(nèi)容更全面。

2 案例分析

以2008年汶川地震中某化工園區(qū)為案例進行各影響事件之間的關系研究。

2.1 構(gòu)建事件集

根據(jù)事件的性質(zhì)，將事件集分為初始事件、動態(tài)事件和輸出事件，如表1所示。由于每個事件的性質(zhì)不同，因此做出648個因果關系估計，如圖2所示。

圖2 初始事件、動態(tài)事件和輸出事件的影響關系

表1 化工園區(qū)地震級聯(lián)災害事件集

此次數(shù)據(jù)主要來源于2018年5月12日汶川地震災害事件，依靠先進的評估方法與技術、各方面的技術人員和專家，對收集到的數(shù)據(jù)信息進行處理，按照事件集相應的演化過程，對其存在的間接威脅和風險進行預測評價。

2.2 情景分析

將德爾菲法獲取的事件初始概率和估計矩陣作為CIA的輸入，根據(jù)式（2）得到交叉影響矩陣，交叉影響矩陣中的數(shù)值代表事件之間的影響程度。為了評估事件集的合理性，從交叉影響矩陣中檢驗以下因素的總和：

可以看出，總影響中有91.64%是由事件集中事件所確定，8.36%是由事件集中未包含的事件所確定，說明事件集在一定程度上是綜合可行的。將獲取的交叉影響矩陣設置限定值|Cij|來提取事件集中最關鍵的事件，作為解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM）的輸入，如圖3所示，當需要提取前30%最顯著的影響時，其極限值為|Cij|=1.75。

圖3 影響系數(shù)|Cij|頻率統(tǒng)計

將原始交叉影響矩陣轉(zhuǎn)換為手性矩陣，最終得到對應的阻尼矩陣M1.75。通過運用CIA-DISM方法，將預測的場景表示為場景有向圖，在|Cij|>1.75時，經(jīng)事故情景模式分析平臺輸出的有向圖如圖4所示。

圖4中的箭頭反映事件之間的影響關系，事件之間的連線分為實線和虛線，虛線連接的事件之間是消極影響，實線連接的事件之間是積極影響。選取前30%強關系構(gòu)建情景有向圖，事件之間的關系進一步被細化。第一層中可以看到OE1與DE9、DE10、－DE16及－DE15是有關聯(lián)的，反映出地震災害下造成的環(huán)境污染與有毒氣體的擴散以及化學污水泄漏而引起的擴散成正比例關系。OE2的影響程度主要與DE13、－DE15、－DE17、－DE18及－DE19相關，可以看出傳染病的爆發(fā)會加劇災后人員傷亡情況；而擁有高度專業(yè)水準的救援隊、在災區(qū)環(huán)境下有足夠的收容場所以及有較好的緊急醫(yī)療為受害者提供護理和基本生活設施都可以降低受災人員在災害事故下的傷亡程度。從圖中能看到在所有的應急工作中，完善的防災工程建設和充足的物資儲備（IE10）對減少人員傷亡起到了很大的作用，公眾的防災意識和日常的大規(guī)模應急演習（IE9）也具有同樣的積極作用。然而，余震過后（DE11）大量建筑物倒塌等次生衍生災害會顯著增加人員傷亡的可能性。若地震發(fā)生在工作期間（IE1）將進一步惡化災區(qū)環(huán)境（DE13）并會造成嚴重的震后經(jīng)濟損失。用電高峰期（IE3）的影響程度主要與DE1、DE4、DE5、OE1及OE2相關，地震發(fā)生在用電高峰期不僅對交通系統(tǒng)、有害化學品泄漏有負面影響，同時還會出現(xiàn)火災爆炸等震后級聯(lián)災害，其震后災害的多次爆發(fā)也與災后的環(huán)境污染（OE1）和人員傷亡現(xiàn)象（OE2）成正比例關系。從圖中還可以分析出IE10與DE9、DE10、DE15、DE16、DE18、OE1、OE4等也有顯著關系：震前充足的物資儲備（IE10）能對有害氣體的擴散起到良好的防護作用，有利于高效救援的同時幫助公眾冷靜面對地震災害，可以有效減少人員傷亡，在降低災后環(huán)境污染的同時，減少群眾的不滿和社會恐慌現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖4 |Cij|>1.75時的多級遞階有向圖

3 討論

通過汶川地震案例，選擇與地震相關的因素以形成事件集。大部分事件與地震、地震級聯(lián)災害和應急預案有關，每2個事件之間的偶然關系估計值是通過邀請應急管理領域的專家和從事過一線救援的專家組成專家小組并取得共識的估計結(jié)果。基于交叉影響分析方法，建立交叉影響矩陣，將交叉影響矩陣轉(zhuǎn)換為阻尼矩陣。在劃分閾值后得到事件間的層次結(jié)構(gòu)和相互影響，通過分析菊花鏈拓撲結(jié)構(gòu)，證明CIA-DISM情景模型可以作為分析和評估地震應急效果的工具。該模型能預測可能的二次災難，過濾關鍵的緊急響應措施并識別事件之間的相關性，為應急管理組織和政府及其他相關部門提供更好的應急決策。

4 結(jié)論

本文以情景驅(qū)動的級聯(lián)災害風險為研究對象，基于據(jù)突發(fā)事件具有復雜多樣性、事故歷史數(shù)據(jù)難以獲得等特點，結(jié)合德爾菲法、交叉影響分析和阻尼解釋結(jié)構(gòu)模型方法，以地震事故為例，清晰揭示了化工園區(qū)地震次生災害的影響因素作用：余震、沒有較好的應急預案、交通系統(tǒng)癱瘓、火災和救災物資不符合要求通常是其他次生災害的原因。在應急準備中，較好的救援方案和應急物資儲備是避免重大人員傷亡的重要保障。建筑物和基礎設施的抗震性能差具有顯著的負面影響。在經(jīng)濟損失方面，建筑抗震性能差是造成巨大經(jīng)濟損失的重要原因。與其他次生災害相比，園區(qū)內(nèi)的火災造成的經(jīng)濟損失更為明顯。防震減災意識可以幫助公眾冷靜應對災難，而傳染病等疾病的傳播和低效的救援將加劇公眾的恐慌。在救援過程中，高效的救援任務和政府對輿論的積極引導可以極大地緩解恐慌，同時在應急救援階段，只有所有的救援措施相互配合才能達到預期的效果，因此地震次生災害模型的建立可以為震前準備、地震過程和震后的整個應急管理提供依據(jù)。通過CIADISM方法構(gòu)建不同級別次生災害情景，可為級聯(lián)災害的演化過程提供一種新的研究思路，也證明了該方法在應急管理決策過程中的實用性。