陳長坤，趙冬月，楊　建，李　昂，姬露露

(中南大學 防災科學與安全技術研究所, 湖南 長沙 410075)

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基于災害演化網(wǎng)絡的災害裂痕分析方法研究*

陳長坤，趙冬月，楊建，李昂，姬露露

(中南大學 防災科學與安全技術研究所, 湖南 長沙 410075)

摘要:考慮到某一災害事件可能會由多種源發(fā)災害事件相互耦合作用造成，且次生災害事件的演化過程可顯著反映出整個災害事件演化情況，通過引入“初始災害事件”、“耦合災害事件”等概念，并基于災害演化網(wǎng)絡，提出了災害裂痕分析方法，進一步將該方法應用于2008年汶川8.0級地震災害演化的分析中，從災害裂痕范圍和災害裂紋深度兩個維度分析了災害演化的機理及其整體情況，最后總結出災害裂痕分析方法的作用及意義，對開展防災減災及應急處置等工作起到一定的指導作用。

關鍵詞:災害；演化網(wǎng)絡；災害裂痕；初始災害事件；耦合災害事件

由于國內(nèi)外各種災害事件頻繁發(fā)生，且一種重大災害事件發(fā)生時，往往會產(chǎn)生多種次生災害，最終造成嚴重的后果，給人民帶來嚴重的損失和影響。目前，對于災害的研究多從災害演化和災害鏈的角度展開。在理論方面，Lubos Buzna[1-2]、翁文國[3]等通過建立普適性的復雜網(wǎng)絡災害蔓延動力學模型，研究了災害演化行為。Min Ouyang[4]基于無標度網(wǎng)絡分析了具有冗余系統(tǒng)的災害演化行為。史培軍[5]闡述了災害鏈的概念，并分析了臺風-暴雨災害鏈、寒潮災害鏈、干旱災害鏈和地震災害鏈等四種常見災害鏈；李智[6]基于復雜網(wǎng)絡理論構建了災害事件演化與控制模型，并將模型運用到具體案例中。在具體應用方面，崔云[7]、徐夢珍[8]等研究了汶川地震的災害鏈特點以及防治對策。另外，陳長坤[9]等基于復雜網(wǎng)絡理論對“莫拉克”臺風進行了災害演化過程分析和風險分析；劉文方[10]等基于熵權理論對斜坡地質(zhì)災害鏈進行了綜合評判。

上述研究為筆者提供了災害演化方面的理論基礎。然而，這些研究大多僅從一個災害演化網(wǎng)絡角度開展，筆者從若干個災害演化網(wǎng)絡相互作用而形成的最終災害的角度展開研究，提出了新的災害分析方法，并結合典型案例進行應用，分析了該方法的作用和意義，希望為災害預防和災害應急救援等方面提供新思路。

1理論分析

1.1初始災害事件和耦合災害事件的概念

從大量災害案例分析研究過程中可以發(fā)現(xiàn)，初始災害事件誘發(fā)一系列次生災害事件，造成初始災害影響的同時，其他的源發(fā)災害事件也會誘發(fā)一系列次生災害事件，并且造成的災害影響會與初始災害相互耦合，形成最終的災害影響，即災害影響具有疊加特性。因此，在災害事件中，將造成初始災害影響的源發(fā)事件稱為初始災害事件(如油氣管道爆炸事故中的油氣泄漏事件)。在災害事件中，將起到加大初始災害影響作用的源發(fā)事件稱為耦合災害事件(如油氣管道爆炸事故中的其他源發(fā)事件)。同時，根據(jù)初始災害事件與耦合災害事件引發(fā)的災害演化是否為同災種災害演化，將耦合災害事件分為同類耦合災害事件(與初始災害事件引起的災害演化為同一災種災害演化的耦合災害事件)和異類耦合災害事件(與初始災害事件引起的災害演化不是同一災種災害演化的耦合災害事件)。圖1表示了初始災害事件演化與耦合災害事件演化的關系。

圖1　初始災害與耦合災害演化網(wǎng)絡

1.2災害裂痕的概念

在災害事件中，各種次生災害的演化過程表明，次生災害種類的多少在一定程度上能夠反映出該災害演化過程的復雜程度，同時，各次生災害引發(fā)的節(jié)點數(shù)量可以反映出各個次生災害對整個災害事件演化的影響程度。災害裂痕可以表示為災害事件中由次生災害的演化發(fā)展構成的裂紋，正如玻璃裂痕現(xiàn)象一樣，如圖2所示。從圖2可以看出，災害裂痕能夠反映出某個災害事件的災害演化情況，可以用災害裂痕范圍和各個方向的裂紋深度這兩個維度來表征。

圖2　玻璃裂痕

雷達圖[11]是把同一數(shù)據(jù)序列的值在不同坐標軸上的點用折線連接起來所形成的多邊形，它是通過應用定量指標反映出定性問題的模型工具。圖3為用雷達圖表示的災害裂痕，其中，次生災害的種類數(shù)量代表災害裂痕的范圍，體現(xiàn)災害事件演化過程的復雜程度；數(shù)值軸上的數(shù)值稱為次生災害影響因子，代表災害裂痕各個方向的裂紋深度，體現(xiàn)各個次生災害在整個災害事件中的影響程度。

圖3　災害裂痕雷達圖

在本文中，次生災害影響因子計算規(guī)則如下所示。用圖G=(V,E)[2]表示災害演化網(wǎng)絡。為了便于計算次生災害影響因子，在去掉源發(fā)災害節(jié)點的基礎上用圖G′=(V′,E′)表示次生災害演化網(wǎng)絡。集合V′={1,2,…i…n}表示網(wǎng)絡中的災害節(jié)點，E′為一個V′×V′的集合，災害演化連接邊(i,j)∈V′×V′用來表示節(jié)點間的連接關系。矩陣A=(aij)n×n表示圖G′中節(jié)點間的連接關系，其中

(1)

對于整個災害事件來說，某個次生災害影響因子Fi計算公式為

Fi=F1i+F2i+F3i,(i=1,2,…,n)。

(2)

2汶川8.0級地震災害演化網(wǎng)絡模型建立與災害裂痕分析

從2008年5月12日汶川發(fā)生8.0級大地震到2008年5月31日，除了主震造成慘重影響之外，4級以上余震發(fā)生了191次(其中6級以上余震5次)，導致多地段斷道、滑坡和房屋倒塌等，不僅阻斷交通，還毀壞了大量農(nóng)作物[12]。再加上局地暴雨和區(qū)域性暴雨的共同激發(fā)作用，導致泥石流活動從汶川8.0級地震發(fā)生當晚起到5月底，在汶川縣、寶興縣和崇州市等多地爆發(fā)，造成交通阻斷、農(nóng)作物毀壞、房屋倒塌等，人員傷亡和財產(chǎn)損失較大[13]。從2008年5月12日到2008年5月31日，汶川8.0級地震災害事件中主震、余震以及強降雨等多災種災害事件演化耦合現(xiàn)象明顯，因此筆者將截取該時間段的災害演化過程進行研究。

汶川8.0級地震災害造成了大量的次生災害事件，很難將所有次生災害事件都考慮到。為了便于分析，筆者僅考慮產(chǎn)生了較大影響的次生災害事件，災害末端事件只考慮人員傷亡和財產(chǎn)損失。

依據(jù)上述災情，圖4給出了汶川8.0級地震災害演化網(wǎng)絡拓撲結構。

考慮到汶川8.0級地震災害事件中，由于余震與主震致災性質(zhì)相同，余震引發(fā)的各種次生災害大多包含于主震造成的次生災害種類中，其對整個災害演化的影響程度相對于初始災害演化的來說比較小，故此處筆者將同類耦合演化中的次生災害影響系數(shù)α取1/2；而強降雨與主震致災性質(zhì)不同，一方面強降雨會導致新的次生災害事件，另一方面強降雨與主震對同種次生災害的作用方式不同，強降雨引發(fā)的次生災害對整個災害演化的影響程度不能弱化，故此處筆者將異類耦合演化中的次生災害影響系數(shù)β取1。

圖4　汶川8.0級地震災害演化網(wǎng)絡拓撲結構

次生災害事件編號i次生災害影響因子FF1i(主震)F2i(余震)F3i(強降雨)Fi(汶川地震)破壞道路橋梁131.5-4.5滑坡284-12崩塌384-12房屋倒塌42125破壞水庫大壩54--4破壞水氣電系統(tǒng)64--4易燃物泄漏73--3阻斷交通82125農(nóng)作物毀壞910.512.5形成堰塞湖1042-6洪水1131.5-4.5火災122--2影響救援1310.512.5泥石流14--66

注：Fi表示整個汶川地震災害演化過程中，某個次生災害的影響因子;F1i表示由汶川主震誘發(fā)的初始災害演化網(wǎng)絡中該次生災害的影響因子;F2i為由余震誘發(fā)的同類耦合災害演化網(wǎng)絡中該次生災害的影響因子;F3i為由強降雨誘發(fā)的異類耦合災害演化網(wǎng)絡中該次生災害的影響因子。

根據(jù)上述災害演化網(wǎng)絡拓撲結構和次生災害影響因子計算規(guī)則得出了次生災害影響因子。其結果如表1所示。依據(jù)表1繪制汶川8.0級地震災害痕跡雷達圖，具體如圖5所示。

圖5　汶川地震災害裂痕雷達圖

從圖5可以看出，汶川地震災害主要誘發(fā)了14種次生災害，其災害裂痕范圍較大，所以災害演化比較復雜?；屡c崩塌的影響因子均為12，說明這兩種次生災害的災害裂紋相對較深，對整個災害演化的影響很大，造成主要的災害后果。泥石流、房屋倒塌、阻斷交通、破壞道路橋梁及破壞水電氣系統(tǒng)的影響因子在4~6之間，因此，其對整個災害演化影響較大。然而，其他的次生災害影響因子較小，對整個災害演化影響較小。

從圖5可以推知，汶川地震災害事件中初始災害事件演化與耦合災害事件演化在整個災害演化過程中的作用機理。由主震引出的初始災害裂痕范圍大致上確定了整個地震災害裂痕的范圍，基本形成了整個地震災害演化的復雜程度?；隆⒈浪却紊鸀暮π纬闪顺跏嫉臑暮α鸭y深度，造成了初始災害影響，為耦合災害的發(fā)生提供了致災環(huán)境。由余震形成的同類耦合災害裂痕沒有對初始災害裂痕的范圍進行擴展，只是加深了初始災害裂痕部分方向的裂紋深度，擴大了對整個災害演化的影響。由強降雨形成的異類耦合災害裂痕既對初始災害裂痕的范圍進行了擴展，增加整個地震災害演化的復雜程度，又加深了初始災害裂痕部分方向的裂紋深度。

3結論

筆者基于災害演化網(wǎng)絡，提出了災害裂痕分析理論及方法，并運用該方法分析了2008年汶川8.0級地震災害演化機理，得到以下結論。

(1)災害裂痕分析法可以用來評價某個災害事件整體演化情況。災害裂痕分析法的優(yōu)點是：既可以直觀地描述某個災害事件演化復雜程度，又可以反映出各個次生災害事件對整個災害事件演化的影響程度，同時也可以得出對整個災害事件演化影響較大的若干次生災害事件。

(2)多災害耦合的本質(zhì)：初始災害裂痕為耦合災害裂痕的形成提供環(huán)境，耦合災害裂痕通過擴展災害裂痕范圍和加深次生災害裂紋深度兩種方式作用在初始災害裂痕上，進一步擴大災害的最終損失程度。災害裂痕分析法可以有效應用于分析多災種耦合事件的演化過程。

(3)在開展防災減災及應急處置救援等工作時，除了要做好應對初始災害事件及其引發(fā)的次生災害事件的工作之外，更要考慮初始災害事件會造成什么樣的致災環(huán)境，有哪些耦合災害事件會發(fā)生。

然而，初始災害事件演化造成的致災環(huán)境對耦合災害事件發(fā)生造成的影響，以及基于初始與耦合災害事件災害演化的風險分析及評估還需進一步展開相應的研究。

參考文獻：

[1]Lubos Buzna, Karsten Peters, Dirk Helbing. Modeling the dynamics of disaster spreading in networks[J]. Physica Statistical Mechanics and its Applications, 2006, 363(1): 132-140.

[2]Lubos Buzna, Karsten Peters, Hendrik Ammoser, et al. Efficient response to cascading disaster spreading[J]. Physical Review E, 2007, 75(5): 056107.

[3]翁文國, 倪順江, 申世飛, 等. 復雜網(wǎng)絡上災害蔓延動力學研究[J]. 物理學報, 2007, 56(4): 1938-1943.

[4]Min Ouyang, Ming-Hui Yu, Xiang-Zhao Huang, et al. Emergency response to disaster-struck scale-free network with redundant systems[J]. Physica Statistical Mechanics and its Applications, 2008, 387(18): 4683-4691.

[5]史培軍. 三論災害研究的理論與實踐[J]. 自然災害學報, 2002, 11(3): 1-9.

[6]李智. 基于復雜網(wǎng)絡的災害事件演化與控制模型研究[D]. 長沙: 中南大學, 2010.

[7]崔云, 孔紀名, 吳文平. 汶川地震次生山地災害鏈成災特點與防治對策[J]. 自然災害學報, 2012, 11(1): 109-116.

[8]徐夢珍, 王兆印, 漆力健. 汶川地震引發(fā)的次生災害鏈[J]. 山地學報, 2012, 30(4): 502-512.

[9]陳長坤, 紀道溪. 基于復雜網(wǎng)絡的臺風災害演化系統(tǒng)風險分析與控制研究[J]. 災害學, 2012, 27(1): 1-4.

[10]劉文方, 李紅梅. 基于熵權理論的斜坡地質(zhì)災害鏈綜合評判[J]. 災害學, 2014, 29(1): 8-11.

[11]朱建平. 應用多元統(tǒng)計分析[M]. 北京: 科學出版社, 2006.

[12]中國地震臺網(wǎng)中心. 2008年5月12日汶川8.0級地震及余震速報目錄和統(tǒng)計[EB/OL]. (2010-05-12) [2015-11-21]. http://www.csndmc.ac.cn/newweb/wenchuan/wenchuan_aftershocks.htm.

[13]謝洪, 鐘敦倫, 矯震, 等. 2008年汶川地震重災區(qū)的泥石流[J]. 山地學報, 2009, 27(4): 501-509.

A Methodology of Disaster Crack Analysis Based on Disaster Evolution Network

Chen Changkun, Zhao Dongyue, Yang Jian, Li Ang and Ji Lulu

(InstituteofDisasterPreventionScienceandSafetyTechnology,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

Abstract:A disaster event could be caused by mutual coupling of a variety of source disasters. In addition, the overall disasterevolution system can be obviously reflected by the evolution of secondary disasters. Therefore, in this paper, a disaster crack analysismethodology is presented based on disaster evolution network through introducing the concepts of initial disaster event and coupling disaster event. Furthermore, the mechanism and the overall situation of evolution of the earthquake disaster in Wenchuan 2008 are analyzed with this methodology from two dimensions, including the disaster crack range and the disaster crack depth. Finally, the function and significance of the methodology is investigated based on the above analysis of theory and case. Hopefully, this methodology will be of guidance for disaster prevention and mitigation, emergency treatment and other work related to emergency management.

Key words:disaster; evolution network; disaster crack; initial disaster event; coupling disaster event

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.02.002

中圖分類號：X43

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)02-0006-04

作者簡介：陳長坤 (1977-)，男，福建福安人，博士，教授，主要從事公共安全應急管理研究.E-mail: cckchen@ csu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金重點項目(51534008)；國家自然科學基金項目(51576212)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金

*收稿日期：2015-10-12修回日期：2015-11-26

陳長坤，趙冬月，楊 建，等. 基于災害演化網(wǎng)絡的災害裂痕分析方法研究[J].災害學, 2016,31(2):6-9. [Chen Changkun, Zhao Dongyue, Yang Jian,et al. A Methodology of Disaster Crack Analysis Based on Disaster Evolution Network[J].Journal of Catastrophology, 2016,31(2)：6-9.]