基于链式理论的单灾种向多灾种演绎*

梅 涛，肖盛燮

(重庆交通大学防灾减灾工程研究所，重庆400074)

基于链式理论的单灾种向多灾种演绎*

梅 涛，肖盛燮

(重庆交通大学防灾减灾工程研究所，重庆400074)

从灾变链角度出发，以灾变链式理论的八种链式形态为依托，基于耗散结构理论，指出自然灾害系统链式响应行为是外部环境复杂输入和自身内部结构关系变化两方面共同作用的结果;构建系统的单灾种模型，并推演出多灾种模型，反映各灾种之间的耦合关系和相互影响，探讨单灾种向多灾种的演化机理。研究表明各灾变链致灾因子所具有的能量是灾变链式阶段的关键，在此基础上提出防灾减灾策略，为单灾种和多灾种灾害的防治提供参考依据。

链式理论;耗散结构理论;灾种模型;演绎机理;单灾种;多灾种

0 引言

当今世界，地质灾害频发，涉及地域广泛，破坏性大，给人们的生命和财产安全构成极大威胁。灾变链式理论认为，每当一种特大灾害发生时，都会导致或者伴随着多种次生灾害。如山区发生强震或者山洪，便接踵而至的是泥石流、崩塌、滑坡等地质灾害，由此导致公路交通生命线中断、桥梁垮塌、水系急剧改变而形成堰塞湖等。因此，研究多种灾害相互之间的演化关系尤为重要。对单一灾变链式关系的研究已提出各种思路，并提出各种灾害链式关系［1－3］。游珍等研究重庆市暴雨规律，探讨了暴雨灾害特点、类型及灾变链，指出暴雨不但能引发单个灾害，还可以形成暴雨灾变链，相比于单一灾害，灾变链具有灾情放大效应［4］。魏一鸣在20世纪即提出自然灾害的复杂性［5］。范海军等研究了自然灾害链式结构的复杂规律［6］。本文以灾变链式理论为依托，基于耗散结构理论，探索单灾种向多灾种演绎机理。

1 链式理论概述

链式理论是将宇宙间自然或人类活动等因素导致的自然灾害，抽象为具有载体共性反应特征，以描绘单一或者多种灾害的形成、渗透、干涉、转化、分解、合成、耦合等相关的物化信息过程，直至灾害发生给人类社会造成损失和破坏等各种链式关系的总称。灾害的形成总有一个逐渐演化的过程，其演化过程暴露了自然环境状态朝着不利于人类社会的发展方向演绎。这个过程表明灾害形成必有延续性，其延续性的演化过程总是以一定的物质、能量等信息形式予以表征，这就是链式效应的载体反映，这种载体反映体现了由量变到质变的内涵和外延关系的演化。这种演化过程就是一种“链式效应”。不同的灾害类型可用统一的链式效应关系来表征，灾变链式理论根据性态演化，量级演化，时空演化，将灾害分为8种链式关系;分别为A崩裂滑移链;B周期循环链;C支干流域链;D树支叶脉链;E蔓延侵蚀链;F冲淤沉积链;G波动袭击链;H放射杀伤链［7－8］。实际上链式关系又相互耦合，在条件具备时，灾害极易由单一灾种向多灾种进行演化。如崩裂滑移链反复爆发，就构成周期循环链;地震爆发属于波动袭击连，同时地震爆发能诱发各种次生灾害，当次生灾害再受到外界影响，进一步造成更严重的灾害，形成另一种灾害链。

2 耗散结构理论

耗散结构理论可概括为:一个远离平衡态的非线性的开放系统(物理的、化学的、生物的、社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”［9］。

耗散结构理论创始人在研究大量系统的自组织过程以后，总结、归纳得出，系统形成有序结构需要下列条件:①系统必须开放;②远离平衡态;③非线性相互作用;④涨落。如果把灾变链的发生和转化放入一个系统中研究，则符合耗散结构理论的条件。

开放系统:灾变链式系统不断与外界环境进行着物质、能量和信息的交换，并进一步增加有序性，走向自组织，表现为灾害内子部分的协同运动。

远离平衡态:开放的链式系统在外界作用下离开平衡态，开放逐渐加大，外界对系统的影响逐渐变强，将系统逐渐从近平衡区推向远离平衡的非线性区。

非线性相互作用:组成系统的子系统之间存在着相互作用，灾害发生的原因以及造成的损失不是简单的满足叠加原理。正因为这样，由子系统形成系统时，会涌现出新的性质。

涨落:涨落是指对系统稳定状态的偏离，它是实际存在的一切系统的固有特征。系统内部原因造成的涨落，称为内涨落;系统外部原因造成的涨落，称为外涨落。处于平衡态系统的随机涨落，称为微涨落;处于远离平衡态的非平衡态系统的随机涨落，称为巨涨落。对于远离平衡态的非平衡态系统，随机的小涨落有可能迅速放大，使系统由不稳定状态跃迁到一个新的有序状态，从而形成耗散结构。各种灾害形态都存在内外原因，致灾因子的涨落因不同灾害链而表现不同。即内涨落、外涨落、微涨落、巨涨落等在灾害链中是根据不同灾害链而确定的。

3 单灾种向多灾种演化规律探索

3.1 单一灾变的耗散理论解释

现代理论研究证明，系统在量变的过程中也有部分突变，突变是量变的积累;每一种灾害的发生都是系统微涨落的结果。将系统的微涨落用一种数值来衡量，即熵，用ds表示;当熵值增加到临界值时，灾害发生。以滑坡为例，原始地貌处于宇宙的开放系统中，由于人为或地质构造等原因形成了潜在滑坡体，即出现远离平衡态过程;在地震、强降雨等诱发因子的激励下，滑坡体逐渐产生缓慢的滑移或蠕变，即在外部环境输入熵值增加;当滑坡体的潜在滑动面逐渐贯通，岩土体的主要力学参数如c、φ等发生劣化降低，达到了滑坡发生的临界值，亦即熵值达到灾害发生的临界值，进而在诱发因子的异变耦合作用下产生突变，表现为滑坡失稳，形成滑坡灾害。

在系统处于临界状态时，系统朝着混沌、无序、不稳定方向发展，系统熵值一直处于增加状态。将熵值ds分为内部熵变(dis)和外部熵变(des)表示，则系统内部自身的熵变量dis始终大于或等于0。同时，当灾害由原发灾害向次生灾害转化的临界过程中，des为大于0，因此加速系统朝向不稳定方向发展，最终形成了多种灾害。整个流程图如图1所示。

图1 滑坡熵变流程图

从单一灾害来看，系统的熵值一直处于增加状态。耗散结构理论认为，熵值的增加伴随着能量的转化，能量的自发转化实质上是系统自组织现象。单一灾害形成过程中，能量不断蓄积，熵值不断增加，达到临界值，能量释放，灾害发生。

3.2 单灾种向多灾种演绎的耗散规律探索

近年来频发的灾害都不是单一的灾害体，而是从一种致灾因子产生主灾害，进而引发次生灾害，同时主次灾害之间在环境恶劣的条件下还能进行转化，从灾害发生的致灾因子可以看出，非线性或者耦合性质往往是灾害造成重大损失或者次生灾害的主要原因。将8种灾变链式分别记为ABCDEFGH，状态为 E(i)(其中 i为 A，B，…，H);A灾害系统的致灾因子记为e(Aj)(其中j为1，2…，NA，表示致灾因子种类，如滑坡灾害中的地质运动，地震，强降雨等)，同样B灾害系统的致灾因子记为e(Bj)(其中 j为1，2…，NB)，其他依此类推。同时当某种灾害成为另外一种灾害的致灾因子时E(i)可转化为e(ij)。

灾害系统的状态是致灾因子的动态函数，致灾因子具有的能量表示为时间和环境的函数，对于灾害链 A有 f(e(A1)，t)，f(e(A2)，t)，f(e(…)，t)，f(e(ANA)，t)，用G表示各致灾因子之间的状态关系函数，熵值变化为内部熵变和外部熵变的函数F(dis(A)，des(A))，则灾害的致灾链式机理可以表示为:

式(1)即为基于系统论建立的能量耗散理论模型。要避免灾害的发生则需满足函数关系G＜F，从断链减灾思路出发，即减少各个致灾因子的致灾能量。求出链式阶段划分的阶段—Ⅰ孕育阶段、Ⅱ潜存阶段、Ⅲ诱发阶段三个临界熵，对应的F函数为 FⅠ(dis(A)，des(A))，FⅡ(dis(A)，des(A))，FⅢ(dis(A)，des(A))。

4 应用分析示例

以波动袭击链为例说明以上理论的应用。地震滑坡等属于典型的波动袭击链，其致灾因子为断层滑移 e(G1)、板块撞击 e(G2);火山喷发e(G3)，不稳定地质地貌(G4)、地下水活动(G5)、人类活动(G6)，6个致灾因子对系统的熵贡献分别为:f(e(G1)，t)，f(e(G2)，t)，f(e(G3)，t)，f(e(G4)，t)，f(e(G5)，t)，f(e(G6)，t)为便于量化计算，将e(G1)、e(G2)、e(G3)三个地震因素统称为e(GQ)，根据具体地震来计算。则波动袭击链状态函数为:G(f(e(GQ)，t)，f(e(G4)，t)，f(e(G5)，t)，f(e(G6)，t))，对于可能因地震诱发滑坡的区域，根据经验和统计规律得出滑坡系统的临界熵值为F(dis(G)，des(G))。当地震发生后，根据场地加速度时程曲线得出滑坡系统具有的能量Q，再由熵与能量的关系即可得出地震对滑坡系统的熵值f(e(GQ)，t)的贡献值。根据地勘资料和长期监测可得出f(e(G4)，t)，f(e(G5)，t)，f(e(G6)，t)，最终确定震—崩—滑—泥链的状态函数 G(f(e(GQ)，t)，f(e(G4)，t)，f(e(G5)，t)，f(e(G6)，t))，同时计算出震—崩—滑—泥链的各个阶段熵函数，为FⅠ(dis(A)，des(A))，FⅡ(dis(A)，des(A))，FⅢ(dis(A)，des(A))，若G＜FI，则系统处于孕育阶段;同理可以根据G与F的关系判断其他两个阶段。从断链减灾角度对三个阶段分别提出防治措施为:①孕育阶段可用绿化、排水、清方减载等;②潜存阶段可用反压、各种支档结构等;③诱发阶段可用滑带土改良，各种支档结构等:根据阶段选择最经济的治理方案。

5 结语

本文以灾变链式理论的八种链式形态为依托，基于耗散结构理论，指出自然灾害系统链式响应行为是外部环境复杂输入和自身内部结构关系变化两方面共同作用的结果，构建系统的状态数学函数，实现面向问题的数学表达，基于模型分析揭示了自然灾害系统在内外环境作用下的复杂性响应行为规律，将单一灾变链式推演至多种灾变关系，将灾害链式关系的共性理论抽象并量化，反应了单一灾种向多灾种演化的机理能帮助人们更好地理解和控制复杂的自然灾害。并从断链减灾和经济角度提出防灾减灾思路。所构建的模型为多种灾害链进一步研究奠定数学理论基础，具有一定的理论意义，将此结论进一步推广应用可以更加有效地减少灾害发生或灾害发生时造成的损失。

［1］荣莉莉，张继永．突发事件连锁反应的实证研究——以2008年初我国南方冰雪灾害为例［J］．灾害学，2010，25(1):1－6．

［2］马保成，王亮，牟顺．公路滑坡灾害链式反应阶段性识别方法研究［J］．灾害学，2011，26(2):54－58．

［3］韩金良，吴树仁，汪华斌．地质灾害链［J］．地学前缘，2007，14(6):11－23．

［4］游珍，蒋庆丰，徐刚．重庆市暴雨规律及其引发的灾害初探［J］．重庆环境科学，2001，23(3):13－16．

［5］魏一鸣．自然灾害复杂性研究［J］．地理科学，1998，18(1):25－31．

［6］范海军，肖盛燮，郝艳广，等．自然灾害链式效应结构关系及其复杂性规律研究［J］．岩石力学与工程学报，2006，25(Sl):2603－2611．

［7］肖盛燮．灾变链式理论及应用［M］．北京:科学出版社，2006:1－16．

［8］肖盛燮．灾变链式演化跟踪技术［M］．北京:科学出版社，2011:1－23．

［9］申维．耗散结构、自组织、突变理论与地球科学［M］．北京:地质出版社，2008:1－13．

Chain Theory Based Evolution from Single Disaster to M ulti-disasters

Mei Tao and Xiao Shengxie
(Research Institute of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

From the perspective of disaster chain，based on the eight chain forms of chain theory of disaster and dissipative structure theory，it is pointed out that chain response behavior of natural disasters system is the result of the joint effectof complex input of the external environments and its internal structure changes．A single disastermodel is developed and amulti-disastermodel is deducted，which can be used to reflect the coupling relation and interaction of different types of disasters and explore themechanism of evolution of single disaster tomulti-disasters．The study shows that the energy of disaster-causing factors of different disaster chains is the key of chainstyled stage．Accordingly，the strategies of disaster prevention and mitigation are put forward as references for control of single and multi disasters．

chain theory;dissipative structure theory;disastermodel;evolutionmechanism;single disaster;multi-disaster

X4

A

1000－811X(2012)03－0019－03

2011－11－23

2012－02－11

国家自然科学基金项目(50879097);重庆市国土局项目

梅涛(1987－)，男，湖北天门人，硕士研究生，主要从事交通设施防灾减灾方面的研究．E-mail:meitaohust@163.com