基于復雜網絡的艱險山區鐵路崩滑流災害鏈全過程風險評估

楊昌睿,李遠富,鄒 鑫,譚 義,樊惠惠

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

艱險山區鐵路沿線極端氣候多變、板塊運動活躍，地震頻繁強烈，氣象及其衍生災害、大型崩塌、重大滑坡、高勢能泥石流、災害鏈等自然災害問題十分突出，其條件復雜、數量多、規模大、危害嚴重、防治艱巨。隨著人類活動的增加，環境破壞加劇，近年來地震活躍，降雨異常等因素的影響，致使艱險山區鐵路崩滑流地質災害日趨強烈，嚴重影響鐵路正常運行和行車安全[1]。因此，針對艱險山區鐵路典型崩滑流災害鏈進行全過程風險評估研究，揭示其災害鏈系統演化規律，為艱險山區鐵路安全建設和安全運營提供技術保障，全面提升我國鐵路行業抵御自然災害的綜合防范能力具有十分重要的意義。

國內劉愛華[2]等提出一種基于復雜網絡結構的災害鏈風險評估模型的建模方法；哈斯[3]等梳理歸納了相關學者對災害鏈的研究成果，對災害鏈研究目前存在的問題和未來發展趨勢進行了探討；國外Carpignano[4]等認為，災害鏈是災害事件間的激發作用而形成的多米諾現象；Helbing[5]認為，災害之間的因果關系使得災害系統的復雜性大大加深。當前從災害鏈角度出發，有關山區鐵路災害鏈的研究主要集中在特征研究與形成機制研究等方面，以建立災害鏈網絡開展山區鐵路災害鏈風險評估研究相對較少。復雜網絡理論由于其系統性及其復雜性，被廣泛應用于風險評估領域的研究，例如城市軌道交通災害鏈演化網絡模型及其風險分析[6]、鐵路系統事故致因與風險分析[7]、鐵路危貨運輸風險評估[8]，空中交通態勢風險評估[9]等。

基于此，根據復雜網絡的基本特點，結合艱險山區鐵路現狀，對崩滑流災害鏈中各環節的風險因素進行全過程評估，分析艱險山區鐵路典型崩滑流災害鏈成災機理，構建艱險山區鐵路崩滑流災害鏈復雜網絡模型，綜合評估災害網絡節點的重要度和邊的脆弱性，分析該模型中各致因因素，找出關鍵致因因素，在實際中加強對關鍵因素的控制，從而降低鐵路災害事件發生的概率。通過崩滑流歷史災情數據，深入認識崩塌、滑坡、泥石流作用下對山區鐵路建設和行車運營的影響；對崩滑流災害鏈演化過程進行推理，辨識致災演化災害鏈中的關鍵環節，并且對災害鏈的風險進行具體分析，為山區鐵路次生或衍生災害的防控以及斷鏈減災的決策提供科學依據。

1 鐵路崩滑流災害鏈的結構特征

1.1 山區鐵路崩滑流災害鏈定義

山區鐵路崩滑流災害鏈是指由系統環境某種致災因子導致崩塌滑坡泥石流災害發生，進而引發一系列災害串發或并發現象。災害鏈復雜性取決于崩滑流災害系統的內部環境復雜性，不同的致災因子引發崩滑流災害，作用于鐵路工程系統，產生新的致災因子，產生新的災害事件，并通過鏈式反應演變成山區鐵路崩滑流災害鏈。

1.2 山區鐵路崩滑流災害鏈形成機理

根據災害學的相關研究理論，災害鏈的形成是內部環境系統及外部環境系統中各種因素相互作用的結果[10]。導致山區鐵路災害的因素很多，主要分為4個因素，即人員、管理、設備和環境，而這些因素間的相互影響使其災害后果難以預測。

山區鐵路災害是自然災害系統的一種，由孕災環境、致災因子、承災體共同組成，是3個因素綜合作用的結果。孕災環境是致災因子與承災體發生聯系的中間紐帶，保持孕災環境的有序性是實現系統安全的基本條件；致災因子是導致災害發生的直接原因，是災害風險的重要要素。承災體是指包括人類本身在內的脆弱的物質文化環境。山區鐵路工程是一個復雜系統，它是由不同子系統所構成，包括線路、車站、車輛三大基礎設備和電氣、信號控制、運行等系統。當子系統中的任何一個節點發生故障，都將有可能引起潛在的風險事故，并引發一連串的連鎖反應。山區鐵路災害鏈形成模式見圖1。

在各類山區鐵路災害事件中，由降雨、地質變化引發的崩塌、滑坡、泥石流相關的災害事故尤為突出。據有關學者統計，我國鐵路沿線的滑坡、崩塌、泥石流災害約占全國山區鐵路沿線地質災害的80%以上，平均每年中斷運輸約40次，中斷行車800多h；每年造成的直接經濟損失超過7 000萬元。以川藏鐵路康定至昌都段為例，甘孜—昌都區域既有崩塌災害點406個，既有滑坡災害點1 086個，既有泥石流災害點1 478個。崩塌、滑坡、泥石流屬于山地地質災害，它們的形成條件、區域分布規律相近，相互影響接踵成鏈之后，極具破壞性的崩滑流災害鏈由此產生。它會導致鐵路設施路基、軌道、隧道、橋涵、信號及防護設施發生變形、懸空、淤埋、失效等，影響鐵路行車運營和安全建設，危害極大。因此，主要針對崩滑流災害鏈對山區鐵路災害鏈式效應進行分析。山區典型崩滑流災害鏈模式見圖2。

2 山區鐵路崩滑流災害鏈演化網絡模型

在分析崩滑流災害系統演化過程的基礎上，建立了山區鐵路崩滑流災害系統的演化網絡。網絡中共選用26個節點，即26個災害事件。山區鐵路崩滑流災害系統演化過程中子災害事件分級是根據崩滑流災害演化鏈中災害事件傳播的先后順序進行分類，主要分為三級，第一級是崩滑流直接導致的子災害事件，如淤埋線路、車站、橋涵和隧道、沖毀周邊道路和房屋建筑等；第二級是崩滑流子災害事件導致的其他的災害事件，如行車中斷或癱瘓、通信線路受損、旅客滯留等；第三級是二級子災害事件引起的災害事件，如轉移人口等；具體分級內容如表1所示。

圖1 山區鐵路災害鏈形成模式

圖2 山區鐵路典型崩滑流災害鏈成災流程

表1 山區鐵路崩滑流災害系統演化網絡災害事件分級

山區鐵路崩滑流災害系統演化網絡包括26個災害事件和33條演化邊，即存在某一災害事件誘發另一衍生災害的演化行為。圖3所示即為山區鐵路崩滑流災害演化系統網絡示意。

圖3 山區鐵路崩滑流災害演化系統網絡示意

3 復雜網絡系統全過程風險評估

3.1 網絡節點的重要度分析

節點作為網絡系統的重要控制因素，節點的重要度越高，對應災害事件與其他災害事件的聯系越緊密。結合山區鐵路崩滑流災害鏈網絡特點，利用節點出入度、子網數、支鏈數和介數中心度4個指標，分析各個節點在網絡中的重要度，據此進行節點風險評估和斷鏈控制。

(1)出入度。出入度表示災害事件的輸入與輸出關系，其中入度表示該事件的誘因事件，出度表示該事件的引發事件，其數值由系統網絡拓撲結構確定。事件出度越大，則該事件造成的后果越嚴重；入度越大，則導致該事件的路徑越多，控制難度越大。節點的度指標表達式為

Cd(x)=d(x)

(1)

式中，d(x)為與節點x直接相連的節點數。

(2)子網數和支鏈數。節點子網數是事件模型中所有事件數量之和。事件所含支鏈數表示從一級事件至終極事件的所有路徑中經過該事件的路徑數目之和。兩個指標表征災害事件后果的嚴重性，指標值越大，事件致災重要度越高。

(3)介數中心度。介數中心度量化了某節點在點對之間短路徑上的橋梁能力，是度量網絡節點中心化的一項重要指標。其表達式為

(2)

式中，σ(s,t)為節點s與節點t之間最短路徑數目；σ(s,t|v)為節點s到節點t經過節點v的最短路徑數目。

3.2 網絡邊的脆弱性分析

網絡邊的脆弱性越大，與其他節點的關聯程度越大，重要性越高。結合山區鐵路崩滑流災害鏈網絡特點，根據復雜網絡的一些概念及網絡抗毀性評價，選擇邊介數、連通度、平均路徑長度3個指標研究災害網絡邊的脆弱性。

(1)邊介數。網絡中經過某條邊的最短路徑數。其表達式為

(3)

式中，Bi為邊i的介數；njk(i)為節點j、k之間最短路徑經過邊i的次數。

(2)連通度。以有向圖中某起始節點出發，能夠連通的節點數和總節點數的比值。其表達式為

(4)

式中，N為網絡節點的總數；Ni為從某起始節點出發能夠連通的節點數。

(3)平均路徑長度。網絡中所有節點對之間的平均最短距離。其表達式為

(5)

式中，N為網絡節點的總數；dij為節點i與j之間的最短距離。

(4)脆弱度。在網絡連通系數的基礎上，同時考慮邊介數，綜合衡量網絡抗毀性強弱?？傻贸鲇嬎氵叺拇嗳跣缘谋磉_式為

(6)

式中，k為該災害鏈中邊的總數；Bi為邊i的介數；Li、Hi分別為網絡除去邊i后的平均路徑長度、連通度。

3.3 網絡系統風險評估

根據提出的相關公式，分析計算災害鏈網絡節點重要度和邊的脆弱性，結果見表2、表3。

表2 山區鐵路崩滑流災害網絡節點重要度分析

表3 山區鐵路崩滑流災害網絡邊脆弱性分析

從表2可看出，淤埋線路、車站、橋涵和隧道事件的網絡節點出度、子網數、支鏈數均為所有事件中最高，表明該事件在災害鏈網絡中的影響最廣泛，事件造成的后果越嚴重，是災情演化網絡的中心節點；行車中斷或癱瘓事件的網絡節點入度為3、子網數為3、支鏈數為6，表明導致該事件的路徑最多，控制難度越大，屬于災情演化發展的關鍵節點。

通過對網絡節點重要度、網絡邊脆弱性分析計算，結果可知，介數中心度最大是“淤埋線路、車站、橋涵和隧道”事件，說明該事件與后續誘發事件聯系的緊密程度最高。脆弱度最大是邊“淤埋線路、車站、橋涵和隧道→行車中斷或癱瘓”，說明該關聯事件重要程度最高。在實際情況中，崩滑流災害對線路、車站、橋涵和隧道的淤埋破壞概率最大，對行車影響最嚴重。因此，對崩滑流災害網絡關鍵災害鏈進行斷鏈控制十分重要。針對災害鏈特征，建議對山區鐵路沿線災害易發點及時排查，快速有效識別；對汛期做好監測，加強地震臨震預警，實時監控和管理路基、軌道、橋涵、隧道等結構性能變化；對變形山體進行加固處理，清理河流淤積，阻止災害鏈演化；修建攔擋工程，提前制定切實有效的應急搶險預案以應對崩滑流淤埋災害、行車中斷事故。

4 結語

(1)艱險山區鐵路災害復雜多變，孕災環境敏感、致災因子危險、承載體脆弱，三者彼此關聯緊密，綜合作用。系統分析了崩滑流災害鏈特點及其對山區鐵路行車運營和施工建設的風險。

(2)構建了山區鐵路崩滑流災害鏈網絡，從網絡的抗毀性角度分析災害網絡，選用節點出入度、子網數、支鏈數、介數中心度，邊介數、連通度和平均路徑長度7個評價指標，綜合研究災害網絡節點的重要度和邊的脆弱性，給出節點重要度和邊的脆弱度的計算方法，為艱險山區鐵路崩滑流災害鏈預防、斷鏈減災工作做出決策支持。

(3)提出的山區鐵路崩滑流災害鏈演化網絡是無權有向網絡，適用于定性分析，對山區進行定量的有權綜合風險評估有待進一步深入研究。