災害鏈機理及斷鏈措施研究

崔志勇，王艷晗，呂春磊，尹貽新

（1.泰安市交通運輸局，山東 泰安 271000；2.北京林業大學 水土保持學院，北京 100083；3.河南理工大學，河南 焦作 454000；4.山東泰山路橋工程公司，山東 泰安 271000）

0 前言

地質災害是指在自然或人為因素作用下形成的，對自然界造成破壞并對人類生命財產造成損失的地質作用或現象，包括泥石流、滑坡、地面沉降、沙漠化、石漠化和巖溶等等。我國的地質災害情況十分嚴重，頻發的地質災害無疑會對人民生命財產和社會經濟發展造成巨大的影響。因此對于典型的地質災害類型，有必要針對其形成和發展規律進行更進一步研究。

由于自然界是一個能動體，在其中的每個個體之間都存在著普遍的客觀聯系和發展規律，因此任何一種或幾種地質災害的發生，都會引起一系列的次生災害和附加效應的產生[1]。故當把某一具體地質災害的形成和發展看作一個鏈式過程時，將有助于分析該地質災害的形成、經過和影響過程[2]。災害發生的過程中伴隨大量的物質和能量交換，它是一個由簡到繁的過程。鏈式效應使得自然災害相互影響的范圍不斷擴大，過程越來越復雜。基于此，可以把災害啟動要素和激發過程稱之為災害啟動環，把地質災害帶來的直接或間接影響稱之為損害環，對于人類從防治地質災害的角度出發、試圖預防或阻止地質災害啟動因素形成和地質災害發生后的治理防護統稱為斷鏈過程。

當前對于災害鏈體系的研究已取得了較大進展，災害鏈的內在起因也已從單一的地質災害拓展到了更廣泛的“自然/人為災害”概念之上；但是對于斷鏈過程中的鏈式規則和演變規律研究還不夠深入。本文通過對災害鏈的研究現狀出發，對災害鏈的內涵定義、基本類型、研究方法、運行載體和實際應用進行總結，試圖對斷鏈過程從內在機制、具體內容和發展階段進行評價和展望，以期為區域災害管理和安全規劃提供科學的理論依據，從而達到預防和治理自然災害的預期效果。

1 災害鏈的內涵定義

二十世紀九十年代初，作為災害學的基本理論問題，災害鏈這一概念逐漸引起了眾多學者的關注，學者們也從不同角度對災害學的定義進行了闡述。1987年，郭增建[3]首先提出了災害鏈的概念：“災害鏈就是一系列災害相繼發生的現象。”1991年，史培軍[4]認為災害鏈是由某一種致災因子或生態環境變化引發的一系列災害現象。隨后趙阿興[5]區分了原發災害和次生災害的概念，文傳甲[6]強調了各災害事件之間的關聯性。Burkholder[7]認為自然災害是自然系統和人類社會相互作用的結果，災害鏈就是各災害不斷演化擴散的特征。二十一世紀之后，隨著多學科理論與研究實踐的交叉深入，看待災害鏈現象也出現了更豐富和多層次的角度。眾多學者從數學[8]、物理學[9]和土木工程學[10]等角度深度剖析了對災害鏈概念的理解（表1）。雖然前人對于災害鏈內涵的認知存在差異，但是對于以下兩點是達成共識的，即：①災害鏈內包括兩種及兩種以上的災害，同時各種災害之間存在一定程度上的時空關聯性；②在災害鏈作用下，受災體或受災環境的破壞程度會被放大或擴散，因此災害鏈具有誘生性、時序性和擴展性的特征[11]。

2 災害鏈的基本類型

災害鏈指成因上相互關聯并呈線性分布的一系列災害體組成的鏈條；或者是由一系列在時間上有先后，在空間上彼此相依，呈連鎖反應依次出現的幾種災害組合。災害鏈的分類標準多種多樣，不同標準的分類側重點不盡相同，多樣化分類有利于深入了解不同類型災害鏈的形成機制及演化規律，對于尋找適當的斷鏈措施具有重要意義。

首先，按照災害時空關系進行劃分，可將災害鏈分為空間鏈和時空鏈[12]。空間鏈是指由一系列分布于同一條構造帶、斷裂帶、交通線或河流上，形成條件相似、誘發因素相同呈線性分布的各種地質災害組成的地質災害鏈。此類災害在空間或地域具有一定的線性相關性，例如地震帶誘發的多種災害多沿地震帶線性分布。時空鏈是指由一系列在時間上有先后，在空間上彼此相依，在成因上相互聯系、互為因果，呈連鎖反應依次出現的幾種災害組成的災害鏈。其特點是前一種災害作為后一種災害的激發因素依次出現，例如地震引發海嘯，繼而形成洪水，這就是典型的時空鏈。

其次，災害鏈也可按照誘發因素來劃分，主要分為內動力災害鏈、外動力災害鏈、人類工程活動災害鏈、內外地質作用耦合災害鏈、復合型災害鏈。由內動力作用誘發的一系列災害即為內動力災害鏈，相對應的外動力作用誘發的即為外動力災害鏈，內外作用同時發生，相互耦合，誘發多重作用的復雜災害鏈。在災害鏈形成的過程中，人類行為也是引發災害的重要因素。

最后，有的學者更為詳細的根據災害鏈載體特性，將災害鏈分為以下按鏈的載體反映不同性狀的鏈式類型特征，可將其歸納為八種形態：①崩裂滑移鏈；②周期循環鏈；③支干流域鏈；④樹枝葉脈鏈；⑤蔓延侵蝕鏈；⑥沖淤沉積鏈；⑦波動襲擊鏈；⑧放射殺傷鏈[13]。

3 災害鏈的研究方法

當前對于災害鏈的研究方法主要有以下五種：經驗地學統計模型[14-15]、概率模型[16-17]、復雜網絡模型[18-19]、災害系統模擬[20-21]和多領域知識下的災害鏈概念模型[22-23]。

經驗地學統計模型是從時空尺度下認識災害鏈傳播分異規律的，并通過特征指標篩選分析出災情結果。該方法優點是可以很好地反映出區域特征，災害鏈要素之間意義明確、便于理解，能夠快速開展災害鏈損失評估；但是模型中各變量的參數化方法過于簡單，在一定程度上影響了評估精確性。概率模型主要應用在描述災害引發次生災害的可能性，通過災害時間樹的表達方式計算了次生災害的條件概率。雖然概率模型解決了信息量不足的問題，但該方法并不能完全反映實際情況中發生的災害鏈情況。復雜網絡模型借鑒了其他學科領域中的復雜拓撲結構特征網絡方法，對于描述災害鏈事件結構和動態演化過程效果很好，但在表達災害鏈要素的時空特征方面性能較弱；針對此問題前人通過加入地理環境信息對模型進行了改善[24]。災害系統模擬是通過對物理系統模型進行計算模擬、從而得出災害動態演化過程結果的一種分析方法。對于刻畫災害累計演化過程狀態十分有效，但目前在災害鏈傳播擴散條件下的模擬還不夠成熟。多領域知識下的災害鏈概念模型是基于已有知識對多種突發事件的共性結構特征進行挖掘，并通過科學符號來統一描述。該方法有助于解決災害鏈信息挖掘效率的問題，為災情演化過程建模提供了積極參考，但目前有待進一步深入研究[25]。

綜上所述，對以上方法進行比較之后可以得出結論，即：在對災害鏈進行研究時更為推薦改良后的復雜網絡模型方法，可以高效地描述災害鏈事件結構和演化過程，有助于模型結果更加接近災害實際情況（圖1-圖2）。

圖1 珠海市臺風災害鏈演化系統網格圖[26]

圖2 2011年日本大地震-海嘯災害鏈[11]

4 災害鏈的運行載體

災害鏈是一個由多種要素組成的復雜體系，鏈中各個要素之間相互影響。災害的形成具有鏈式的普遍性，構成災害的各個因素不管多復雜，但災害的形成是一個逐漸演化的過程，其演化過程暴露了自然環境狀態朝著不利于人類社會的偏移方向演繹，這個過程的機制表明了災害形成必有延續性，其延續性的演化過程總是以一定的物質、能量等信息式予以表征，這就是災害鏈的載體反映，這種載體反映體現了由量變到質變的內涵和外延的演化（圖3）。這種演化過程的表現形式可用“鏈式關系”或“鏈式效應”來概化。因此，災害的形成過程就可以用鏈式關系或效應進行描繪[14]。

圖3 鏈式載體

災害鏈的演化過程是一個連續的過程，載體具有相對穩定的形態。一旦災害鏈開始反應，產生的能量仍會不斷地轉化，直到達到一種相對穩定的平衡狀態。單一的自然災害并不存在，必須以物質作為災害鏈的載體，也符合生態系統內部相互作用的后果。演化的過程使災害鏈式關系演繹更具多種多樣性。載體另一反映是能量的轉化關系，破壞力的度量主要是通過能量轉化在災害形成過程中，表現出的不同程度災害破壞作用的力度大小來完成的。

5 災害鏈的實際應用

近年來，基于災害鏈效應的應用十分廣泛。孫寶軍[27]從災害鏈視角出發，分析了內蒙古四種主要自然災害（風災、雷電、火災和冰災）的孕災環境、致災因子和特征因子，并在此基礎上構建了內蒙古電力系統自然災害鏈和故障鏈。羅軍華等[28]基于山區暴雨作用下農業經濟防治的實際需求，使用復雜網絡模型分析了暴雨-農業災害鏈的靜態風險。針對目前在臺風災害風險評估中存在的問題，葉金玉[29]提出了一套基于多維矩陣方法的臺風災害鏈綜合風險評估模型，并可視化了臺風災害風險格局的空間規律。張永雙等[30]從汶川地震后地質災害效應入手，開展了地震-滑坡-泥石流災害鏈思路下的震后汛期地質災害研究。劉愛華[31]基于災害鏈思想對城市災害進行了風險評估，并研究了城市災害鏈的形成機理和演化規律。

6 災害鏈的斷鏈過程

6.1 斷鏈機制

從一般災害的發展過程入手，將災害過程視為鏈式過程，將人為的工程防護治理措施視為斷鏈過程。一個完整的鏈式過程包括激發環、致災環、損害環和斷鏈環。致災環主要是由地質構造而形成的地質因素構成，激發環主要是由暴雨、地震、冰雪融水等環境因素構成，損害環是由災害發生后形成的災害損失構成，斷鏈環則是指工程治理與防護措施。

圖4 斷鏈機制示意圖

6.2 斷鏈要素

災害鏈S(n)是由n個相互關聯的災害要素組成，災害鏈要素用SG(n)表示，也是一個災害系統，災害要素之間的關聯關系用R表示，災害鏈所處的環境用E表示[32]。因此，災害鏈一般可描述為:

現實中的災害鏈S(n)以及組成災害鏈的各災害鏈要素的集合SG(n)都是一個復雜的開放系統，它們與環境處于經常的物質、能量和信息交換之中[33]，由此可見，尋找災害鏈的斷鏈措施，需要依據各災害鏈要素之間的內在關系，選取最有效的控制因素，科學合理制定防災減災措施，以此達到最好的斷鏈效果。在災害鏈的斷鏈減災實施過程中，需要從災害鏈內要素SG(n)、災害要素之間的關聯關系R和災害鏈所處的環境E這三個環節著手，對這些過程采取預測、去除、減弱、切斷等措施從而防止和減弱災害鏈中各災害要素發生所需物質、能量和信息傳遞路徑的暢通性。

6.3 斷鏈階段

斷裂階段可以分為早期的孕育階段、中期的潛存階段以及后期的誘發階段。而根據這三種階段特性提出了三種技術舉措，分別是早期“斷鏈”、中期“防御”和晚期“治理”。所謂斷鏈，就是在還未構成災害破壞力的漫長過程中，通過了解的各要素之間的聯系來阻擋鏈式反應的發生。首要的是需要認識到不同災害的成因，發生條件等等，在了解了這些規律的基礎之上，針對不同的災害類型，確定相應的減災方式，從根源上來建立一個減災的模式。預警就是一種科學有效的減災手段，但對于較大型的災害，由于其發生的速度以及避免的困難程度，通過預警來避免災害損失并不能達到控制效果，所以建議將災害預警再朝著災害前的發生時間延申，通過監測初期災害的特征來達到從源頭上的減災作用，立足于孕源斷鏈最為有效[34-36]。

而對于中后期階段，通過量化破壞力度從而達到防御或者治理的一個標準，這也是人們控制災害的一個突破口。通過可視化監控演繹可獲得有關災情及災害破壞狀況的重要指標參數，為防災減災提供重要依據[37]。災情狀態可為模型構建和動態演繹提供依據，通過建立災害模型，為動態演繹提供理論依據，實現災害過程濃縮和災害預警的功能。對于以及發生的災害，追溯模擬其各項有關參數來為確定災害極限狀態參數提供切實可靠的指標依據[38]。

7 結論與展望

災害鏈的形成不是簡單的單一因素作用結果，考慮自然災害的成因時需認識到其是各種因素作用下的綜合效應。通過對災害鏈特點和規律的了解，可以分析得出災害鏈的形成演化過程，從而對不同階段的災害鏈采取不同減災措施。如何抓住災害鏈的核心，用最經濟有效的方式將災害損失降到最低，是災害鏈研究的關鍵。當前對于災害鏈和斷鏈過程的研究還存在以下問題。

①目前國內外對于災害鏈的研究多在沿海地區和災害較多地區，研究區域較為局限。因此后續研究應對針對不同區域范圍下，基于災害鏈體系建立不同災害類型的研究模型，完善針對不同類型災害的預警機制，對防災減災的實際工作進行科學依據和實踐指導。

②現有的災害鏈研究基本上多是對典型災害的定性描述，通過建立數學、物理模型來定量化研究災害鏈的較少，同時，有關災害鏈理論還需繼續完善，針對不同災害類型的災害鏈措施體系還有待進一步研究。

③目前在災害處理方面的研究上，還是過于側重于單一災害的后續影響，對災害組合和災害鏈的影響狀態考慮不夠充分。同時現階段針對某種災害發生后防止次生災害的發生而進行了大量研究，但在災害鏈斷鏈減災研究中缺乏針對斷鏈技術之間有機結合的方法理論，故對于各措施和方法之間的交叉性和協調性還需要進一步的充分體現。