基于贝叶斯网络的地震次生灾害情景演化分析

方丹辉，于 款，万端翼，陈 涛

(1.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 中国应急管理研究中心，湖北 武汉 430070；3.华中科技大学 公共管理学院，湖北 武汉 430074)

地震是世界上最主要的自然灾害之一，据统计，地球上每年约发生500多万次地震，其中对人类造成严重损害的地震大约有十几次。中国是地震多发区，因地震造成的死亡人数居诸灾之首[1]。地震释放的能量是巨大的，若城市发生烈度较大地震，其造成的经济损失、人员伤亡和社会影响都将是不可估量的。近年来，虽然地震预测技术取得了长足的进步，但是预测的准确率依然有待提升，并且随着城市现代化水平的不断提升，各类风险因素交织，一旦发生地震，就有可能引发多种次生灾害，加大地震应急处置的难度。例如，2008年5·12汶川地震引发大量滑坡、崩塌、堰塞湖等次生灾害，交通、通讯、供电、供气等基础设施以及工矿企业、水利工程等均被损坏，加剧了灾情[2]。2011年3·11日本地震引发多起突发事件，造成了严重的人员伤亡和财产损失[3]。

世界各地学者都在积极研究地震及其次生灾害的应对。周愉峰等[4]利用情景推演与故障贝叶斯网络，研究地震时关键救灾设施的中断机理问题。顾一波等[5]利用贝叶斯网络确定地震次生燃气管道泄漏事件的影响因素。李伟等[6]运用情景构建的方法分析大灾场景下的应急通讯保障。吴婧等[7]运用蝴蝶形突变理论研究地震灾害下北京的供水网络。KAPUCU[8]研究了灾害复杂环境下政府间灾害响应系统的演化问题。上述研究多针对某一种次生灾害展开，少有文献直接研究地震次生灾害全景的演化机理等问题。这是因为地震及其次生灾害的应急处置涉及的部门不同，需要进一步综合各个职责部门对地震总体态势进行研判。

笔者基于突发事件各因素之间的耦合关系，提出了一种突发事件情景构建模型，并从全局角度出发，提取地震次生灾害的情景要素，构建地震次生灾害全景演化模型，研究地震次生灾害的演化机理，构建地震次生灾害全景下的贝叶斯网络，掌握其整体演化路径，以提高应急行动的科学性和针对性。

1 地震次生灾害情景推演

1.1 情景要素描述

国内学者对突发事件情景要素的划分方式不尽相同，范维澄等[9]提出了公共安全三角形模型，该模型由突发事件、应急管理和承灾载体组成。张江石等[10]认为突发事故情景要素由外部环境、事件情景以及应急处置3部分组成。翟振岗等[11]认为事件情景可以由事件分类、层次影响和应急阶段3个维度构成。王喆等[12]提出突发事件情景包括孕灾环境、致灾因子、承灾体和应急管理4个要素。综合上述理论模型，笔者构建由5个要素组成的地震次生灾害情景：突发事件、承灾体、应急行动、外部环境和造成的后果，要素间的相互关系如图1所示。

图1 地震次生灾害情景要素及其相互关系

该模型的5个要素可以表示不同突发事件及其衍生事件的演化过程，各个元素之间相互影响、相互制约。例如，地震烈度较强，会影响到生命线系统；当影响过大时，可能会造成断水断电断气等事故，影响民生，导致群众恐慌心理。若能够提前采取措施提高各种利民设施的抗震性，则可以避免断水断电断气等事故发生，而提前制定好事故发生后的应对措施，则可以避免造成群众生活的不便甚至心理恐慌。

1.2 地震次生灾害全景演化模型

根据建立的模型，收集整合国内外的典型地震资料，分析地震作为突发事件作用到承灾体衍生的次生灾害及其造成的后果，构建地震次生灾害全景演化模型,如图2所示。该模型确定了山体等自然物、生命线系统、水利工程、交通系统、老旧房屋和危险品储备区6种主要承灾体，设定地震会引发地质灾害、断水断电断气事故、坝体裂缝或失稳、道路塌方、房屋倒塌、危险品泄漏6种次生灾害，并造成人员伤亡和财产损失[13]。

图2 地震次生灾害演化情景结构示意图

以地震作用到山体等自然物并衍生次生灾害为例，利用文献查阅、应急预案和专家知识归纳和梳理各个节点并加入关键的应急行动后，构建情景结构示意图，如图3所示。由图3可知，地震引起崩塌、山体滑坡等次生灾害，作用到城市生命线、房屋农田、道路桥梁、附近人员等，造成人员伤亡或经济损失。

图3 地震作用到山体等自然物的情景结构示意图

假设某地突发地震并且一直处于同一外部环境下，构建地震次生灾害全景演化流程图，如图4所示。

图4 地震次生灾害全景演化流程图

2 地震次生灾害演化系统贝叶斯网络构建

2.1 贝叶斯网络

贝叶斯网络是一个有向无环图，由节点和连接节点的有向边构成，表示各节点之间的因果关系，可用于不确定性问题的表达和推理[14-15]。贝叶斯网络的优点在于每个节点事件的概率能够在引入新事件后动态变化，对于随机事件A和E，则有以下关系成立：

(1)

2.2 贝叶斯网络构建

当前，贝叶斯网络的建模方法可分为基于知识和基于数据两种。笔者根据领域的专家知识来建立模型，收集2005—2019年全国范围内发生的地震事件数据，以及典型震例数据与相关文献，在图4的基础上确定贝叶斯网络中的各个节点及其值域，如表1所示，构建的地震次生灾害全景下的贝叶斯网络如图5所示。

表1 地震次生灾害贝叶斯网络节点变量值域表

图5 地震次生灾害全景贝叶斯网络

(1)地震烈度表示地震对地表及工程建筑物影响的强弱程度。烈度较小(如Ⅶ度)的地震会造成房屋轻微损坏；而烈度过大(如Ⅻ度)则将造成毁灭性破坏，一切建筑物都将被毁坏。因此笔者将地震按震级Ⅶ～Ⅹ级来划分危险性，Ⅶ～Ⅸ级、Ⅸ～Ⅹ级、Ⅹ级以上的取值分别为1、2、3。

(2)山体等自然物受突发事件影响会导致地质灾害的发生，地质环境条件可分为简单、中等和复杂3种程度，笔者将山体等自然物状态设为低风险、中风险和高风险，其取值分别为1、2、3。水利工程(如大坝、水库)的风险等级按其严重程度可划分为4级，即Ⅳ级(低风险)、Ⅲ级(中风险)、Ⅱ级(高风险)和Ⅰ级(极高风险)。笔者将水利工程的状态简单描述为低风险、中风险和高风险3种，取值分别为1、2、3。危险品储备区因其储存物质的性质、数量和工艺的特殊性分为一般危险、高度危险和特别危险，笔者将危险品储备区的状态简化为低风险和高风险两种，取值分别为1、2。

(3)应急行动分为预防性措施和处置性措施,分别针对承灾体和突发事件。如对山体等自然物加强巡查，能有效降低崩塌、山体滑坡等发生的可能性；对地质灾害开展快速治理等措施，可以有效降低泥石流等造成的损失。同时，应急行动开展速度的快慢也会影响一些次生灾害造成的损失。因此用开展、未开展，或开展迅速、缓慢两种形式来描述应急行动，取值分别为1、2。

(4)突发事件作用到不同状态的承灾体，若承灾体提前开展应急行动，就可能切断事件链条，阻止事件进一步恶化，因此将突发事件造成的后果描述为是、否，或有、无两种状态，表示事件造成损失的概率，取值分别为1、2。

(5)周边人口密度的不同可能会造成不同的后果，笔者将人口密度在100人/km2以下的城市定义为稀少，记为1；人口密度在100人/km2以上的定义为密集，记为2。

3 结果分析

贝叶斯情景推演模型是将贝叶斯网络与情景推演相结合，通过情景演变路径分析、情景网络构建及情景概率计算等，高效解决非常规突发事件情景演化问题的动态性和不确定性[16]。以地震引发山体滑坡等自然灾害为例开展贝叶斯网络推演，如图6所示。节点的取值主要通过历史资料、统计数据及相关文献等确定，地震的震级从中国统计年鉴获得；通过查阅文献获得山体等自然物高低风险区域分布。

图6 地震导致山体滑坡等自然灾害演化贝叶斯网络

收集国内外17个典型震例的相关数据，得到的部分结果如表2所示。其中，序号A为2011年中国云南盈江地震；B为2008年中国汶川地震；C为2010年中国玉树地震；D为2017年中国九寨沟地震；E为2012年中国昭通市彝良县地震；F为1976年中国唐山大地震；G为1996年中国丽江地震；H为2016年中国台湾高雄地震；I为2013年中国四川芦山地震；J为2014年中国云南鲁甸地震；K为2011年东日本地震；L为1994年美国洛杉矶(北岭)地震；M为2004年日本新潟地震；N为1995年日本阪神地震；O为2007年日本新潟地震；P为2010年海地地震；Q为1999年中国台湾集集地震。

表2 地震导致山体滑坡等自然灾害的网络节点取值表

将表2中数据作为贝叶斯参数学习的样本，按照图6所示的因果关系计算每个变量的概率。设Vi为子节点，vi为Vi的取值；E为父节点，ei为E的取值，则由式(2)可计算得到各子节点在父节点不同状态下发生的概率，以进一步了解地震引发地质灾害的整体情况。

(2)

同时，通过计算得到贝叶斯网络中各子节点在不同应急行动影响下发生的概率，观察各子节点概率的对比情况，得到该系统中的敏感性因素：①地震烈度的影响。通过贝叶斯网络可得不同烈度的地震造成房屋道路等设施被毁(a1)、人员死亡(a2)、工程受损(a3)的概率，如图7所示。②预防措施的重要性。通过分析地震时对承灾体开展预防措施到位与否,计算网络中突发事件造成房屋道路等设施被毁(a1)、人员死亡(a2)、工程受损(a3)的概率，如图8所示。可见如果日常注重地质灾害高风险区的治理，加强监测和巡查，提前转移人员，工矿企业及时开展加固厂房等预防措施，可以削弱突发事件引发后果的严重性。③应急处置措施的重要性。通过分析地震时对突发事件采取的应急处置措施及时与否，计算网络中突发事件造成房屋道路等设施被毁(a1)、人员死亡(a2)、工程受损(a3)的概率，如图9所示。可见针对地质灾害，加强灾害治理，防止灾情蔓延；针对被困或被埋人员，及时开展人员搜救和救援；针对工矿企业，停工撤离人员等；若及时开展应急处置措施，可以降低突发事件造成的后果的发生概率。

图7 不同烈度地震造成后果的概率分布

图8 预防措施影响突发事件造成后果的概率分布

图9 应急处置措施影响突发事件造成后果的概率分布

通过以上分析可以得出影响地震次生灾害后果的敏感性因素：①影响人员伤亡的主要因素为提前开展人员转移和迅速开展搜救；②影响工程受损和房屋道路等设施被毁的主要因素为提前开展房屋道路等设施的加固与巡护。因此，针对以上结果，给出以下措施建议：

(1)对于承灾体提前采取预防措施。处在地震带的地区日常需注重对地震及其引发的次生灾害开展应急演练，提高建筑物设施等的抗震级别，加强对地质灾害易发区的巡护与治理。

(2)迅速有效开展突发事件应急处置措施。例如，在地震发生时，快速启动应急队伍，展开搜救，可以有效减少人员伤亡；对于地质灾害引发的道路塌方，需要及时清理道路，同时引导车辆和人员撤离，以加快救援工作的进程，减少人员伤亡和财产损失。

(3)完善地震及其次生灾害应急预案。对于地震可能引发的次生灾害，提前制定计划，完善应急机制，切断事件扩散路径，阻止突发事件的进一步恶化，将从整体上减轻灾害造成的损失。同时，科学地开展应急行动，可有效降低次生灾害的发生概率和严重性。

4 结论

(1)以突发事件三角形理论为基础，构建了地震次生灾害全景演化模型，列出了地震可能引发的次生灾害、造成的后果和采取的应急行动。

(2)基于贝叶斯网络，结合情景要素及其因果关系，构建地震次生灾害演化全景的贝叶斯网络，得到地震事件演化路径。以历史地震资料为样本数据，对地震引发地质灾害网络进行推理分析，提取网络中的敏感性因素，为城市防震救灾提供参考。

(3)地震发生时，如果城市有完善的应急体制，及时开展应急行动，可以有效降低次生灾害造成的人员伤亡和财产损失。同时，如果城市抗震能力较强，如建筑物、道路等基础设施的抗震级别较高，次生灾害发生的概率也会降低，所以城市应提高抗震减灾能力。

(4)地震次生灾害涉及到的要素众多，而基于历史案例的推演过程中部分数据依赖于专家的主观经验，后续可以继续完善案例库，修正网络之间的演化关系和量值，解决地震次生灾害情景推演过程中出现的不确定问题。