災(zāi)害鏈的災(zāi)害累積放大機制與方法綜述

災(zāi)害鏈的災(zāi)害累積放大機制與方法綜述

1基于災(zāi)害關(guān)聯(lián)的多災(zāi)種關(guān)聯(lián)現(xiàn)象研究近年來，世界上經(jīng)常發(fā)生各種重大自然災(zāi)害事件，對人類生活、經(jīng)濟、社會和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響和影響。例如，2005年美國密歇根風暴及其引發(fā)的風暴潮洪水（travis，2005年）、2008年初中國南方的大低溫冷濕災(zāi)害（史培軍，2008年）、2008年中國四川省另一場地震，以及2008年中國四川省另一場泥石流流等災(zāi)害（石頭，2008；xuetal，2012；etal，2013），2011年日本廣島3.11地震海盜至磁體泄漏災(zāi)難鏈（anononya，2011；buessil等人，2012）等。這些巨災(zāi)慘重的傷亡與損失并不是由單一災(zāi)害造成的,而是通過多種災(zāi)害在時間和空間上的復(fù)雜相互作用造成災(zāi)情累積放大(Shietal,2010;Anonymous,2011),因此把災(zāi)害相互影響過程納入災(zāi)害損失評估、風險計算等研究,是理解巨災(zāi)形成機制與巨災(zāi)風險防范的基礎(chǔ)。經(jīng)典災(zāi)害研究往往認為不同災(zāi)種之間是同質(zhì)、線性、相互獨立的,然而這一潛在假設(shè)并不總是成立(Selva,2013),多種災(zāi)害相互關(guān)聯(lián)形成的災(zāi)害系統(tǒng)復(fù)雜性,已經(jīng)成為災(zāi)害研究的熱點問題之一。21世紀日程可持續(xù)發(fā)展報告(UNEP,1992)、美國國家減災(zāi)戰(zhàn)略(FEMA,1995)、約翰內(nèi)斯堡行動計劃(UN,2002)、兵庫行動框架(UN-ISDR,2005)、以及IPCC(IPCC,2012)等均把多災(zāi)種關(guān)聯(lián)現(xiàn)象的研究作為重要內(nèi)容。國內(nèi)外研究實踐中,災(zāi)害間的相互關(guān)聯(lián)類型復(fù)雜多樣,包括災(zāi)害鏈、災(zāi)害遭遇、多災(zāi)種或災(zāi)害群、協(xié)同作用等(史培軍,1991;Kappesetal,2012;Shi,2012;Xuetal,2014)。災(zāi)害間存在關(guān)聯(lián)的情形下,災(zāi)情往往并不是幾個單獨災(zāi)害的簡單疊加,但在災(zāi)情、風險評估等研究實踐中災(zāi)害關(guān)聯(lián)性的影響通常并未有機結(jié)合起來,主要是在空間上進行多災(zāi)種的簡單疊加(Kappesetal,2012)。災(zāi)害鏈是指因致災(zāi)因子之間存在引發(fā)關(guān)系而形成一種災(zāi)害引發(fā)一系列災(zāi)害的現(xiàn)象,是災(zāi)害系統(tǒng)復(fù)雜性的一種基本形式(史培軍,1996;Shi,2012)。災(zāi)害鏈具有兩方面特殊性:一是先發(fā)災(zāi)種發(fā)生后,次生災(zāi)害是否發(fā)生存在一定的隨機性,但由于災(zāi)害間具有因果關(guān)系,所以又不是完全的隨機現(xiàn)象。這種受到約束的隨機性會產(chǎn)生一種網(wǎng)絡(luò)化的風險,使得災(zāi)害系統(tǒng)復(fù)雜性大大增加(Helbing,2013)。二是災(zāi)害鏈存在空間與時間上的擴展過程,而其他類型的災(zāi)害關(guān)聯(lián)性一般反映在特定區(qū)域上的疊加過程(Shi,2012)。災(zāi)害鏈作為一個復(fù)雜災(zāi)害系統(tǒng),其災(zāi)情累積放大過程研究需要綜合分析災(zāi)害鏈系統(tǒng)中各要素以及要素間關(guān)系。當前,災(zāi)害鏈研究剛剛興起,不同學者對災(zāi)害鏈概念存在多種理解,描述災(zāi)害鏈災(zāi)情累積放大過程的指標、數(shù)據(jù)獲取、方法等存在明顯差異,完整解釋災(zāi)害鏈災(zāi)情累積放大機制,需要綜合考慮多種模型與方法的適用性。本文將首先梳理現(xiàn)有研究對災(zāi)害鏈概念中要素及其關(guān)系的主要認識,以此為基礎(chǔ)綜述現(xiàn)有的經(jīng)驗地理統(tǒng)計模型、概率模型、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型、以及災(zāi)害模擬這幾類分析災(zāi)害鏈災(zāi)情累積放大機制模型與方法的特點,探討其實際應(yīng)用中的適用性與不足,以期為災(zāi)害鏈研究,乃至災(zāi)害鏈風險防范提供參考。2災(zāi)因在災(zāi)后對災(zāi)后承災(zāi)體的作用機理災(zāi)害鏈是在20世紀90年代初隨著災(zāi)害科學體系建立而提出的概念(郭增建等,1987;史培軍,1991)。隨著災(zāi)害科學研究的不斷深入,以及近年來頻發(fā)的巨災(zāi)災(zāi)害鏈案例,多學科的理論與實踐從各自角度出發(fā)解釋災(zāi)害鏈現(xiàn)象(表1)。其中數(shù)學與物理學角度主要試圖從更高一層級抽象出災(zāi)害鏈過程的一般形式;工程上把災(zāi)害鏈看作是一種災(zāi)害的延續(xù)形式或者演變規(guī)律;中國傳統(tǒng)文化中的災(zāi)害鏈意義則有著更深刻的哲學意義;地理學角度旨在綜合人地關(guān)系來解釋災(zāi)害鏈現(xiàn)象。盡管對災(zāi)害鏈概念存在多種理解,但它們的共性是提出了災(zāi)害鏈現(xiàn)象的兩個基本特征:一是災(zāi)害鏈中多種災(zāi)害之間存在明確的引發(fā)關(guān)系;二是災(zāi)害鏈在時間與空間上存在連續(xù)擴展過程而造成災(zāi)情的累積放大。災(zāi)害鏈是一個復(fù)雜災(zāi)害系統(tǒng),由致災(zāi)因子鏈、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體組成,災(zāi)情是由致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境不穩(wěn)定性、承災(zāi)體暴露性以及脆弱性等特征在時間與空間上復(fù)雜的耦合作用形成的(史培軍,1996,2005)。災(zāi)害鏈中孕災(zāi)環(huán)境往往會被先發(fā)災(zāi)種改變,例如地震對于土層結(jié)構(gòu)的強烈擾動,使得滑坡災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境不穩(wěn)定性提高(Xuetal,2012)。面對災(zāi)害鏈中不同災(zāi)種的打擊,承災(zāi)體的脆弱性、暴露性不是一種簡單的線性疊加關(guān)系(Carpignanoetal,2009;Kappesetal,2012),例如建筑物單純遭受滑坡與遭受地震—滑坡災(zāi)害鏈,其脆弱性水平顯著不同。由災(zāi)害間引發(fā)作用形成的致災(zāi)因子鏈常受到孕災(zāi)環(huán)境的約束,例如在平原地區(qū)的地震就不會引發(fā)滑坡、泥石流災(zāi)害。承災(zāi)體對致災(zāi)因子鏈有更為復(fù)雜的反饋作用,特定情況下承災(zāi)體也會轉(zhuǎn)化為致災(zāi)因子本身,例如地震毀壞的建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌會成為二次災(zāi)害的致災(zāi)因子,從而導(dǎo)致電網(wǎng)事故、引發(fā)火災(zāi)等。因此,災(zāi)害鏈現(xiàn)象研究需要綜合考慮災(zāi)害系統(tǒng)中孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、承災(zāi)體之間的復(fù)雜、非線性關(guān)系。災(zāi)害鏈過程伴隨災(zāi)害能量的釋放與傳遞,這個過程必然要依賴一定的物質(zhì)載體,存在時間與空間上擴展的連續(xù)性。災(zāi)情的累積放大過程直接體現(xiàn)人—地相互作用系統(tǒng)中的綜合的復(fù)雜負向關(guān)系,因此只有從地理學的視角來理解災(zāi)害鏈才能完整地解釋其災(zāi)情累積放大機制。綜上所述,災(zāi)害鏈可定義為在特定空間尺度與時間范圍內(nèi),受到孕災(zāi)環(huán)境約束的致災(zāi)因子引發(fā)一系列致災(zāi)因子鏈,使得承災(zāi)體可能受到多種形式的打擊,形成災(zāi)情累積放大的災(zāi)害串發(fā)現(xiàn)象。災(zāi)害鏈的一般過程(圖1)是:致災(zāi)因子鏈向不同的孕災(zāi)環(huán)境擴展(致災(zāi)因子1、2),或者處于相同的孕災(zāi)環(huán)境中(致災(zāi)因子2、3),受到打擊的承災(zāi)體數(shù)量的增加(承災(zāi)體1、2),或遭受更多次打擊(承災(zāi)體2),承災(zāi)體可能會促成次生致災(zāi)因子形成,災(zāi)情在此過程中逐級累加放大。災(zāi)害鏈是多種致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境,承災(zāi)體在時間、空間上的人—地相互作用系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果,導(dǎo)致比單個災(zāi)種簡單疊加更為嚴重的災(zāi)情。災(zāi)害鏈概念易與致災(zāi)因子鏈的概念混淆。致災(zāi)因子鏈是指存在明確引發(fā)關(guān)系的一系列致災(zāi)因子,如暴雨往往引發(fā)洪水,地震往往引發(fā)滑坡、崩塌,火山噴發(fā)會帶來火山灰、熔巖流等。致災(zāi)因子鏈僅是完整的災(zāi)害鏈概念中的一部分,而不等同于災(zāi)害鏈,因為它僅強調(diào)了致災(zāi)因子的維度,而忽略了災(zāi)害鏈是一個復(fù)雜災(zāi)害系統(tǒng),包含了孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子鏈、承災(zāi)體等多個要素在時空上綜合作用的概念內(nèi)涵。3起步階段：起步階段災(zāi)害鏈作為一種典型的復(fù)雜災(zāi)害系統(tǒng),對它的研究處于起步階段。當前的研究方法借鑒了其他學科的理論與實踐,主要包括了經(jīng)驗災(zāi)情地學統(tǒng)計模型、概率模型、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型、災(zāi)害鏈模擬和多領(lǐng)域知識下的災(zāi)害概念模型等。3.1災(zāi)害b、c、d所引發(fā)的損失的估計經(jīng)驗地學統(tǒng)計模型的核心是從時間、空間上認識災(zāi)害鏈傳播分異規(guī)律后,選取特征指標進行地學統(tǒng)計分析得到最終災(zāi)情。災(zāi)害鏈中先發(fā)災(zāi)害發(fā)生后,它的影響可能會擴展到不同的孕災(zāi)環(huán)境中,繼而引發(fā)不同的次生災(zāi)害,然后次生災(zāi)害又可能會在時間、空間上擴展而形成災(zāi)害鏈(圖2)(Shietal,2010)。災(zāi)情是孕災(zāi)環(huán)境不穩(wěn)定性E、承災(zāi)體的脆弱性V、致災(zāi)因子危險性H的共同結(jié)果,災(zāi)害鏈總損失可用式(1)的概念模型來計算。式中:Aloss、Bloss、Closs、Dloss分別指先發(fā)災(zāi)害A和次生災(zāi)害B、C、D所引發(fā)的損失。E0指A的影響范圍,E0=E1A+E2A+E3A。用E、V分別代表災(zāi)害鏈的孕災(zāi)環(huán)境與承災(zāi)體的脆弱性,即E=E0+E1+E2+E3、V=VA+VB+VC+VD,則一條災(zāi)害鏈的總損失可以用式(2)來計算,其含義是把成災(zāi)區(qū)域分為多災(zāi)種與單災(zāi)種兩部分區(qū)域,多災(zāi)種區(qū)域部分用多個災(zāi)種疊加方法來計量,而單災(zāi)種的損失評估方法則直接應(yīng)用相應(yīng)單災(zāi)種的評估方法。經(jīng)驗地學統(tǒng)計方法用于災(zāi)害鏈災(zāi)情統(tǒng)計時的優(yōu)點為:一是能反映區(qū)域特征,選取的統(tǒng)計指標均是反映區(qū)域特征的最顯著標志。二是災(zāi)害鏈要素和要素間相互關(guān)系意義明確,特征指標、統(tǒng)計方法、權(quán)重等直接反映了研究者對災(zāi)害鏈災(zāi)情累積放大成因的理解。三是可以開展快速災(zāi)害鏈損失評估。例如周洪建等(2014)在半干旱地區(qū)暴雨—山洪—泥石流災(zāi)害鏈損失評估中,根據(jù)半干旱地區(qū)強降雨引發(fā)山洪、滑坡和泥石流災(zāi)害分布的基本規(guī)律,結(jié)合實時降雨、流域范圍、遙感數(shù)據(jù)、河流水系等信息得到不同程度下災(zāi)害損失范圍,再利用人口數(shù)據(jù)、房屋數(shù)據(jù)綜合得到甘肅岷縣5.10特大強降雨、山洪泥石流災(zāi)害鏈的倒損房屋評估模型,實現(xiàn)了倒損房屋直接經(jīng)濟損失快速評估。經(jīng)驗的地學統(tǒng)計模型基于已有的災(zāi)害鏈案例和專家經(jīng)驗,是綜合理解災(zāi)害鏈機制的重要參考。但式(1)和(2)僅給出了理論計算的概念模型,其中各變量的參數(shù)化方法仍有待深入探討。反映災(zāi)害鏈特征的多個指標需要較多的先驗知識與專家經(jīng)驗,這也是一個難點。災(zāi)害鏈中各個災(zāi)種的影響范圍、疊加區(qū)對承災(zāi)體的綜合作用等信息在現(xiàn)階段仍然難以獲取。此外,承災(zāi)體脆弱性、孕災(zāi)環(huán)境不穩(wěn)定性、致災(zāi)因子鏈危險性之間相互作用的函數(shù)形式主要是加權(quán)平均,因此尚不能充分解釋災(zāi)害鏈災(zāi)情累積放大過程,需要進一步改進。3.2災(zāi)害事件樹結(jié)構(gòu)災(zāi)害鏈過程涉及多種形式的災(zāi)害引發(fā)關(guān)系,但這種引發(fā)關(guān)系只是邏輯上的關(guān)聯(lián),在實際災(zāi)害鏈案例中并不表示一種災(zāi)害事件發(fā)生后,一定能引發(fā)次級災(zāi)害的發(fā)生。如地震過后,地表物質(zhì)的結(jié)構(gòu)強度降低使得滑坡災(zāi)害的可能性增大,但不一定會引發(fā)滑坡災(zāi)害。因此,概率模型適合用于描述災(zāi)害與次生災(zāi)害間引發(fā)關(guān)系的可能性。應(yīng)用概率模型的一般模式是列出先發(fā)災(zāi)種可能會引起的各種次生災(zāi)害事件以及更下一級次生事件,往往用災(zāi)害事件樹形式來表達,再計算先發(fā)災(zāi)種發(fā)生后各種次生事件發(fā)生的條件概率,條件概率計算方法的差異成為不同概率模型的主要區(qū)別。構(gòu)建災(zāi)害鏈事件樹依賴于研究目的,一般性災(zāi)害鏈研究中要考慮到災(zāi)害發(fā)生后所有可能的次生事件情形,因此災(zāi)害事件樹結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。如地震可能會引起多種可能的次生事件(余世舟等,2010;Wangetal,2013),如果研究中涉及到了社會經(jīng)濟因素,則可能的后果復(fù)雜性更高(Khanetal,2001)。災(zāi)害事件樹也常用于描述特定的災(zāi)害組合(Kappesetal,2012),如地震引發(fā)滑坡(Keefer,2002)、滑坡引發(fā)堰塞湖洪水(Peruccaetal,2009)等。確定災(zāi)害鏈次生災(zāi)害事件發(fā)生的條件概率方法是概率模型的核心。在研究實踐中,可應(yīng)用多種理論與方法。例如,貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法根據(jù)有限信息推演得到其他事件的概率信息,可用于信息不足的情況(董磊磊,2009;裘江南等,2012;Wangetal,2013)。地震—滑坡—堰塞湖—洪水災(zāi)害鏈中涉及較多過程,每個過程信息都可能不完備,可以應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型來進行災(zāi)害鏈中事件的概率推理(圖3)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、數(shù)學概念模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷确椒ㄒ脖粐L試用于確定災(zāi)害鏈事件條件概率,它們在刻畫災(zāi)害鏈過程機制、進行反向推演、以及不確定性分析方面各有所長(Gitisetal,1994;Badaletal,2005;Chavoshietal,2008;Wangetal,2010;李藐等,2010;Wangetal,2013)。利用概率模型刻畫災(zāi)害鏈事件將災(zāi)害鏈中多個災(zāi)害看作由一定條件概率連接的事件結(jié)點,利用多種方法推理事件結(jié)點的條件概率,解決了信息量不足的困難,但事件樹表達的并不是真實世界中發(fā)生的災(zāi)害鏈,它僅提供了所有可能事件組合的一個概覽(Kappes,2011)。當前災(zāi)害鏈研究中,條件概率主要集中于致災(zāi)因子引發(fā)關(guān)系的可能性上,并沒有深入考慮災(zāi)害鏈災(zāi)情累積放大過程中的承災(zāi)體分布、孕災(zāi)環(huán)境約束,以及它們的空間、時間上綜合作用等因素,因此其改進方向是在構(gòu)建事件網(wǎng)絡(luò)與計算條件概率時應(yīng)納入多種要素的限制,以便更精確地刻畫災(zāi)害鏈事件間的關(guān)系。3.3復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)演化過程復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)(ComplexNetwork)是一種在社會科學、生命科學、信息科學等多領(lǐng)域中存在的具有十分復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)特征的網(wǎng)絡(luò),其結(jié)構(gòu)形式既不是完全規(guī)則,也不是完全隨機的?，F(xiàn)實中各類高復(fù)雜性系統(tǒng),如互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和社會網(wǎng)絡(luò)都與其有密切關(guān)系。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型融合了圖論、統(tǒng)計物理學、計算機網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)學、社會學以及經(jīng)濟學等不同領(lǐng)域的知識,研究內(nèi)容主要集中于探討網(wǎng)絡(luò)的幾何性質(zhì)、形成機制、演化的統(tǒng)計規(guī)律,網(wǎng)絡(luò)模型性質(zhì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、演化動力學機制等問題(Wattsetal,1998;Barabasietal,1999)。典型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的特征是一個微小結(jié)點的擾動會觸發(fā)整個系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的連鎖反應(yīng),從而導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生崩潰的災(zāi)難性后果(Helbingetal,2003;Wengetal,2007)。當初始擾動發(fā)生后,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)xi隨時間的變化可以表示為三項之和(式(3)):結(jié)點的自修復(fù)功能、結(jié)點失效的蔓延機制和結(jié)點的固有特征(即結(jié)點的內(nèi)部隨機噪聲),復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)演化過程依賴于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、結(jié)點參數(shù)等。式中:i、j分別為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點標號;xi為結(jié)點i的狀態(tài);τ為自修復(fù)因子;t為時間因子;tij是i結(jié)點與j結(jié)點之間的延遲時間因子;Mij為表示i結(jié)點連結(jié)到j(luò)結(jié)點的相互關(guān)系強度值;f(Oi)為i結(jié)點的出度函數(shù),出度值Oi用于表征i結(jié)點直接影響其他結(jié)點的程度;ξi(t)表示結(jié)點固有特征,即結(jié)點的內(nèi)部噪聲(翁文國,2007)。災(zāi)害鏈可看作是一個災(zāi)害復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),災(zāi)害鏈中單個災(zāi)害事件可表示為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點,災(zāi)害間引發(fā)關(guān)系構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)中的有向邊,災(zāi)害損失可用網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的狀態(tài)來表述,它同時存在不完全規(guī)則與不完全隨機的特征,因此可直接應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論來研究災(zāi)害鏈災(zāi)情累積放大的動力學過程(Duenas-Osorioetal,2009;Lietal,2014)。當前,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在諸如冰雪、暴雨、臺風等災(zāi)害鏈中都有應(yīng)用(陳長坤等,2008,2009,2012;朱偉等,2011)。這種方法的一般步驟是:(1)構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),通過案例或邏輯判斷等方法列舉先發(fā)災(zāi)害可能引發(fā)的次生災(zāi)害(王鐸,2010;朱偉等,2011;陳長坤等,2012;葛月,2012;路光,2013;Lietal,2014)。例如臺風災(zāi)害鏈事件可概括為圖4中的一般性復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)形式,研究范圍與尺度較大時,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中結(jié)點數(shù)量更多,結(jié)點連接形式更為復(fù)雜(Helbing,2013)。(2)計算災(zāi)害鏈復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)演化過程,通過設(shè)定災(zāi)害系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的初始與邊界條件,確定復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)基本動力學演化過程模型(式(3))的具體形式,如Li等(2014)構(gòu)建因果回路的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)來表示某種災(zāi)害引發(fā)城市停電災(zāi)害鏈的過程,計算其動態(tài)演化過程時共考慮了5項因素:引發(fā)結(jié)點的影響、系統(tǒng)外影響的綜合作用、自恢復(fù)效應(yīng)、修復(fù)行為、內(nèi)部噪聲(式(4)):式中:i、j、o分別為構(gòu)成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點i、j和網(wǎng)絡(luò)的外部影響因素;t、tpji、tpoi分別為時間、結(jié)點i與j間延遲系數(shù)和外部因素與結(jié)點i間延遲系數(shù);Mji、Moi分別為結(jié)點i與j間和外部因素與結(jié)點i間的影響強度;pji、poi分別為結(jié)點i與j間和外部因素與結(jié)點i間有直接連接的條件概率;Vji為災(zāi)害傳播速度;Φi、Yi(t)、τi、ζi(t)分別為結(jié)點i的最大恢復(fù)能力、恢復(fù)投入比例、自恢復(fù)系數(shù)和內(nèi)部噪聲。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于災(zāi)害鏈研究時,可用來描述災(zāi)害鏈事件結(jié)構(gòu)過程和動態(tài)演化過程,能通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的特征而得到災(zāi)害鏈中事件結(jié)構(gòu)特征。如突發(fā)事件災(zāi)害鏈復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)具有典型的小世界特性,其平均路徑長度為3.2,也即大量結(jié)點間連接很少,但少數(shù)結(jié)點與多數(shù)結(jié)點連接的強度很大,提示我們斷鏈減災(zāi)要關(guān)注其中的關(guān)鍵災(zāi)害事件(Lubosetal,2006;王建偉等,2008)。當前研究中的不足之處為:研究集中于災(zāi)害鏈復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的演化過程,對災(zāi)害鏈中事件與關(guān)系抽象程度較高,而無法表達災(zāi)害鏈要素的時空特征,因此不能完整解釋災(zāi)害鏈復(fù)雜性。已有部分研究試圖對此加以改進,如加入地理環(huán)境信息來約束網(wǎng)絡(luò)的演化,構(gòu)建更加宏觀的超網(wǎng)模型等(王建偉等,2008;倪子建等,2013)。因此,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于災(zāi)害鏈研究時,綜合考慮災(zāi)害鏈時空要素帶來的復(fù)雜性將會使模型更加接近實際情況。3.4元胞自動機模型與轉(zhuǎn)換規(guī)則在災(zāi)災(zāi)模擬中的應(yīng)用災(zāi)害系統(tǒng)模擬是指設(shè)計一個實際或理論的物理系統(tǒng)模型,運用計算機模擬技術(shù)來分析災(zāi)害的動態(tài)演化過程。現(xiàn)有的災(zāi)害系統(tǒng)模擬技術(shù)主要有元胞自動機、多智能體系統(tǒng)、離散事件系統(tǒng)等(劉健利等,2009)。多智能體系統(tǒng)適用于研究人類系統(tǒng)在災(zāi)害發(fā)生時的認識與行為過程,離散事件系統(tǒng)一般應(yīng)用于應(yīng)急響應(yīng)中的資源配置與協(xié)調(diào),而元胞自動機模型適合模擬致災(zāi)因子的可能性與動態(tài)演變,是現(xiàn)階段應(yīng)用較廣的災(zāi)害系統(tǒng)模擬方法。元胞自動機(CellularAutomata)模型是一種時間、空間、狀態(tài)都離散,空間相互作用與時間的因果關(guān)系都為局部的網(wǎng)格動力學模型(Wolfram,1984)。它遵循一種“自下而上”的設(shè)計思想,認為系統(tǒng)可劃分為不可分割的最小單元(元胞),且元胞狀態(tài)僅受到周圍鄰近元胞的影響,局部的元胞間相互作用行為產(chǎn)生了全局的復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)(圖5)。元胞自動機模型的研究和應(yīng)用提供了一種從地理系統(tǒng)的微觀出發(fā),將自然與人文相統(tǒng)一的地理系統(tǒng)模擬的新視角與新途徑(周成虎等,2009)。災(zāi)害鏈存在空間與時間上的擴展過程,可以看作是一個多災(zāi)種系統(tǒng)通過局部的時間—空間相互作用產(chǎn)生損失,由累加擴展作用造成災(zāi)情放大的地理過程。元胞自動機模型一般由4個基本要素構(gòu)成:元胞、元胞狀態(tài)、鄰域與元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則。應(yīng)用于災(zāi)害鏈過程模擬時分別與災(zāi)情統(tǒng)計單元、災(zāi)情、災(zāi)情產(chǎn)生的周邊環(huán)境要素、災(zāi)情傳播機制相對應(yīng),因此元胞自動機模型可被用來模擬災(zāi)害鏈的動態(tài)過程?，F(xiàn)階段,元胞自動機模型應(yīng)用于災(zāi)害過程模擬時一般集中于火災(zāi)、洪水等典型的空間蔓延型災(zāi)害(黎夏等,2007;劉健利等,2009;Lietal,2013),而應(yīng)用于災(zāi)害鏈過程模擬的研究還比較少。以堰塞湖潰壩引發(fā)洪水為例來說明其實際應(yīng)用過程(圖6),即用規(guī)則的四方型網(wǎng)格劃分洪水泛濫區(qū)作為元胞,一個元胞只與距離最近的4個元胞發(fā)生聯(lián)系(Neumann型),轉(zhuǎn)換規(guī)則定義為:元胞Ci,j中的M、N值反映了與元胞Ci+1,j、Ci,j+1之間的單向流量,初始值為0表示沒有潰壩;在與鄰居元胞Ci-1,j、Ci,j-1的迭代中,元胞Ci,j的其他兩個方向的單向流量就被更新。從時刻T到T+1時,Mt+1i,j和Nt+1i,j用T時刻自身與領(lǐng)域的狀態(tài)量ht計算得到,這里元胞與領(lǐng)域的相互作用是基于物理意義的圣維南方程組,而后hti,j又由Mt+1i,j和Nt+1i,j值迭代更新。隨時間T的演化,將可以得到各個元胞在二維平面上的一個洪水變量隨時間的狀態(tài)(Lietal,2013)。更符合實際的元胞模型與轉(zhuǎn)換規(guī)則將極大提高模型的精度。如六邊形的元胞模型在巖熔流模擬中比方形元胞更加接近實際現(xiàn)象,因為它能具有更多流向(Criscietal,2004)。森林火災(zāi)的元胞自動機模擬中,轉(zhuǎn)換規(guī)則可以設(shè)置按風向給定動態(tài)權(quán)重值,從而有效提高林火擴散的模擬精度(Karafyllidis,2004;黎夏等,2007)。元胞間轉(zhuǎn)換規(guī)則的獲取方法是元胞自動機模型的核心,一般有基于多準則判斷、主成分分析等,近年來智能獲取方法也被嘗試引入,如遺傳算法、支持向量機算法等(Lietal,2000;黎夏等,2007)。應(yīng)用災(zāi)害系統(tǒng)過程模擬方法研究災(zāi)害鏈是從傳統(tǒng)的“靜態(tài)—描述—解釋”向“動態(tài)—過程—啟示”的研究思路轉(zhuǎn)變,該方法最大的優(yōu)點是可刻畫災(zāi)情累積演化過程的中間狀態(tài),成為理解災(zāi)害鏈災(zāi)情放大機制的一種很有前景的方法?，F(xiàn)階段較為成熟的是元胞自動機模型,但應(yīng)用元胞自動機模型進行災(zāi)害模擬還主要集中于單個災(zāi)種,在災(zāi)害鏈傳播擴散災(zāi)情的過程模擬中較少。利用元胞自動機模擬災(zāi)害鏈過程的改進方向為:多個差異較大災(zāi)種中元胞模型構(gòu)建,災(zāi)害鏈元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則獲取等。其他模擬方法,如多智能體、離散事件系統(tǒng)有待進一步研究,可與元胞自動機模型結(jié)合更加完整地描述災(zāi)害鏈(黎夏等,2007)。3.5基于知識元理論的突發(fā)事件應(yīng)急管理當前,學者嘗試應(yīng)用多領(lǐng)域的理論與方法來描述災(zāi)害鏈。研究較多的有應(yīng)用知識元理論來刻畫突發(fā)事件鏈共性,其核心思想是:現(xiàn)實中存在多種復(fù)雜情境,其中的突發(fā)事件種類繁多,在成因、性質(zhì)、演化、后果等方面存在巨大差異,因此對它的統(tǒng)一描述與分析極為困難。利用已有知識來挖掘多種突發(fā)事件的共性結(jié)構(gòu)特征、共性演化模型,并用科學符號來統(tǒng)一描述對應(yīng)對突發(fā)事件有重要意義,因此有學者嘗試引入知識元理論來解決這一難題。知識元理論來自情報學領(lǐng)域,是指完備表達知識的最小單位,是對復(fù)雜知識抽象化、形式化,為了認知事物本質(zhì)規(guī)律而產(chǎn)生的,它與特定領(lǐng)域知識無關(guān),因此可用來描述突發(fā)事件的共性屬性特征(楊德寬等,2012;仲秋雁等,2012)?；谥R元理論方法的核心在于抽象出災(zāi)害鏈中不同災(zāi)害事件的共性。以2008年中國南方雨雪冰凍災(zāi)害為例,于海峰(2013)通過設(shè)定事件知識元(如雨雪冰凍事件、公路交通癱瘓事件、電力中斷事件)與災(zāi)害知識元(如大氣、公路、物流中心等),研究這些知識元間屬性交集(如平均氣溫、相對濕度、平均風速等)并建立聯(lián)系,形成分層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),最后通過風險熵的計算,來推斷整個巨災(zāi)的風險。鈔柯(2012)通過設(shè)定元事件為滑坡,客觀事物系統(tǒng)包括斜坡、建筑物、高壓輸電線、路面,經(jīng)過推演可以得到滑坡連鎖反應(yīng)的一般性過程。災(zāi)害鏈災(zāi)情累積放大過程利用新算法而得到更多認識,如胡明生等(2012a,2012b)利用歷史災(zāi)害資料進行區(qū)域災(zāi)害鏈長時間序列的信息挖掘時,采用改進的螢火蟲群、蟻群優(yōu)化等算法來確定災(zāi)害關(guān)聯(lián)向量,解決了災(zāi)害鏈信息挖掘效率的問題。災(zāi)害鏈災(zāi)情累積放大過程是一個涉及到多個對象、多個過程的復(fù)雜現(xiàn)象,多領(lǐng)域知識的交叉融合為災(zāi)害鏈災(zāi)情演化過程建模提供了有價值的參考,但有待更進一步深入研究。4災(zāi)后重建期2002年前后常見的災(zāi)害鏈一般有4種:地震災(zāi)害鏈、臺風災(zāi)害鏈、寒潮災(zāi)害鏈以及干旱災(zāi)害鏈(史培軍,2002),前兩種因近年來巨災(zāi)案例頻發(fā)而受到了較多關(guān)注,對其災(zāi)情累積放大過程也開展了較多的研究。4.1災(zāi)害鏈與災(zāi)害后果研究2008年5月12日,中國汶川發(fā)生里氏8.0級地震,引發(fā)一系列的崩塌、滑坡、堰塞湖等次生災(zāi)害,截至2008年8月25日,共造成69226人死亡,17923人失蹤,374643人受傷的嚴重災(zāi)情(國家汶川地震災(zāi)后重建規(guī)劃組,2008)。汶川地震災(zāi)害鏈現(xiàn)象典型,一系列的崩塌、滑坡、阻斷交通,堰塞湖等,對周邊人民群眾生命財產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境造成極大影響,災(zāi)情累積放大效應(yīng)顯著(崔云等,2012)。汶川地震災(zāi)害鏈引發(fā)了一系列的災(zāi)害鏈研究熱潮,對其災(zāi)情累積放大機制的研究也成為重要內(nèi)容之一?；诰唧w案例的地學統(tǒng)計分析,從局部尺度還原了汶川地震災(zāi)害鏈發(fā)生時災(zāi)害損失在具體時空上的疊加過程。例如,Xu等應(yīng)用GPS、激光測距儀等測繪災(zāi)害區(qū)的局部地形,結(jié)合遙感、地形圖分析還原了汶川地震引發(fā)火石溝滑坡、泥石流災(zāi)害鏈的過程,得出地震前后該區(qū)地形變化,研究用泥石流土石方量表征災(zāi)害能量,表明各級災(zāi)害能量沿災(zāi)害鏈衰減,且衰減率約為1/6(Xuetal,2012)。汶川地震后災(zāi)害鏈損失評估中應(yīng)用了綜合災(zāi)情指數(shù),由因災(zāi)死亡人口和失蹤人口、房屋倒塌、轉(zhuǎn)移安置人口、平均地震烈度以及地質(zhì)災(zāi)害危險度通過加權(quán)平均得到權(quán)重,通過各方會商最終確定為:平均地震烈度0.3、死亡與失蹤人數(shù)、萬人死亡和失蹤權(quán)重各為0.15、倒塌房屋和萬人倒塌房屋率權(quán)重各為0.1、地質(zhì)災(zāi)害危險度0.1、萬人轉(zhuǎn)移安置率為0.1,最終得到的結(jié)果與經(jīng)民政部門統(tǒng)計的結(jié)果能較好的印證(史培軍,2009)?；诟怕世碚摰你氪ǖ卣馂?zāi)害鏈研究主要集中于致災(zāi)因子的危險性層面(Xuetal,2012),而對于災(zāi)情,因相互作用復(fù)雜,研究還不夠深入。而將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、元胞自動機理論應(yīng)用于汶川地震災(zāi)害鏈災(zāi)情過程中的研究,因其方法還處于初步研究階段,因此開展較少,災(zāi)害鏈模擬僅針對特定的場景與對象,如地震中壓埋人員等(肖東升,2004)。4.2基于經(jīng)驗的方法臺風災(zāi)害致災(zāi)因子為強風與暴雨,同時臺風具有移動性的特征使得臺風災(zāi)害鏈的復(fù)雜性大大增強。當前針對臺風災(zāi)害鏈災(zāi)情累積放大作用研究主要從兩個方向展開:一是研究區(qū)域內(nèi)臺風災(zāi)害鏈災(zāi)情累積的一般性機制。如潘安定等(2002)、居麗麗等(2012)分別構(gòu)建了廣東、上海的臺風災(zāi)害鏈具體形式,主要是基于經(jīng)驗以及歷史案例的定性分析;王靜愛等(2012,2013)基于報刊數(shù)據(jù)庫,統(tǒng)計分析了中國東南沿海的臺風災(zāi)害鏈時空分異規(guī)律,并以廣東為例計算臺風災(zāi)害鏈風險,計算仍是通過基于經(jīng)驗的地學統(tǒng)計方法實現(xiàn)的;葉金玉等(2014)研究了福建臺風災(zāi)害鏈的空間分布特征。二是針對具體場次臺風形成的災(zāi)害鏈,研究其災(zāi)情累積具體過程。如近年的“龍王”、“莫拉克”等臺風災(zāi)害鏈(陳香等,2007;鄧睿等,2011),仍以經(jīng)驗的地學統(tǒng)計分析為主。此外,臺風災(zāi)害鏈的建立與初步分析也用到了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法,來求取臺風突發(fā)事件的條件概率等(董磊磊,2009;裘江南等,2012)。臺風災(zāi)害鏈的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征顯著,因此復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論與方法被應(yīng)用于臺風災(zāi)害鏈研究,建立了能模擬瞬時性影響和持續(xù)性影響的災(zāi)害演化行為的動力學模型,實現(xiàn)對突發(fā)災(zāi)害事件及其相應(yīng)次生事件擴散演化狀態(tài)的數(shù)字模擬(李智,2010;陳長坤等,2012;葛月,2012)。其主要的改進方向為動力學模型中應(yīng)當考慮臺風災(zāi)害鏈系統(tǒng)中要素在時空上的綜合作用。5結(jié)論和期待5.1基于災(zāi)害系統(tǒng)論的研究方法災(zāi)害鏈研究是解決災(zāi)害系統(tǒng)復(fù)雜性的重要途徑,隨著研究深入,新的理論與方法不斷引入,必將促進對災(zāi)害鏈以及復(fù)雜災(zāi)害系統(tǒng)的理解與認識,為防范災(zāi)害鏈風險工作提供指導(dǎo)與依據(jù)。(1)災(zāi)害鏈是災(zāi)害系統(tǒng)復(fù)雜性的重要形式之一,災(zāi)害鏈中多種災(zāi)害在時間上前后相繼,空間上連續(xù)擴展,具有時空屬性的高度復(fù)雜性。只有從地理學視角出發(fā),綜合孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子鏈、承災(zāi)體以及其相互聯(lián)系,才能完整而合理地解釋災(zāi)害鏈中災(zāi)情累積放大的機制。(2)災(zāi)害鏈已成為當前災(zāi)害研究中的熱點問題。國外研究的主要思路是分析一定區(qū)域中發(fā)生的多災(zāi)種(Multi-Hazard)之間的相互關(guān)聯(lián),而沒有單獨考慮到災(zāi)害鏈存在的時間、空間擴展的特征(Kappesetal,