城市多灾种关联框架与链式网络的构建思路与方法*

王 威,瞿孜诺,郭小东,马东辉

(北京工业大学 城市建设学部,北京 100124)

0 引言

通过分析大型灾害发生过程的成因与演变可以发现,巨灾发生后惨重的伤亡和损失并不是由单一灾种所酿造[1],在地质构造、地形地貌、气候条件、植被与水文等自然要素综合作用下[2],多种灾害在时空一致的条件下,容易相互关联构成连锁机制,复杂的多灾系统放大了首发灾害的影响力,使得灾损非线性累积恶化,人们逐渐意识到多灾种关联后的综合危险会向城市的生存发出警告。

目前,国内外灾害领域研究的总趋势正从单灾种致灾过程向综合风险研究方向推进[3],多灾种的研究对于城市安全保障和经济社会可持续发展具有重要意义,面对综合风险评估的多灾种内在关联和综合致灾机制是当前相关领域内的研究重点,也是综合风险评估研究的基础内容[4],这对多灾关联的全面识别与分析处理方法提出了更高的要求。本文通过厘清灾害之间的关联类型,建立系统性的作用关系框架,并提供1种可复制的多灾关联框架的构建方法,在多源数据支撑下宏观可视化某城市多灾种关系体系和链式触发现象。研究结果可为灾害情景模拟等综合风险评估方法研究提供一定参考。

1 概念辨析

1.1 多灾种风险与相互作用

由于认知角度的多元性以及对相互作用理解方面观察角度的不同,目前多灾种的概念术语系统变得更为模糊[5],相对单灾种概念,多灾种是指多种致灾因子在特定时段特定地点并存、并发的情况,或者理解为多种形式灾害的叠加,一般表现为多种致灾因子在时空条件一致情况下的综合风险[6],致灾因子复杂的危险性是影响多种灾害风险水平的主要因素之一。

灾害之间的时空关系、相互作用机制和触发环境等较为多变,汪嘉俊等[7]将多灾种情形划分为灾害事故相互增强、灾害事故互斥削弱、灾害事故互不影响3类,建立包含自然灾害以及事故灾难的覆盖面较广的多灾种概念框架;明晓东等[8]从相互作用、发生时间、影响范围和致灾效果4个角度呈现多灾种概念,认为不同致灾因子之间存在相互独立、相关关系、因果触发3种关系。Melanie等[9]提出多灾种相互作用的3种类型:1种灾害可能通过级联效应导致另1种灾害,2个或2个以上的危险可能同时影响同1个地区,以及其危害可能依次影响同1个主体或物体进而导致累积效应;李宏男等[10]对结构可能遭受的多灾种进行抗灾设计,将其可分为连续型灾害、独立型灾害和并列型灾害;Tilloy等[11]将灾害相互关系划分为触发、改变条件、复合、独立和互斥5类,并总结出随机模型、经验模型和机理模型3种作用关系的量化方法。综上所述,由于认知角度的多元性,现有研究中灾害相互关系术语存在内涵上的重合和不一致,缺乏普适性的术语框架对灾害间的关系进行全方位概括。

1.2 多灾种关联框架

多种灾害的作用关系对于多灾种风险评估和综合防灾减灾领域的研究较为重要,对于城市多灾种相互作用的研究,目前仍缺乏系统化、普适化的可视化表达方式。盖程程等[12]在危险源耦合评估过程中考虑了灾害之间的相互作用,通过数字大小表示多灾联大小,但在相关领域内还尚未出现解释性的关联量化方法。本文通过文献调研和内容筛选,将城市潜在的自然灾害相互作用进行矩阵形式的可视化数据库整理,形成“城市多灾种关联框架”,结合来自自然科学和社会科学领域的多源数据总结多灾种的相互作用[13],展示出相对全面、系统、有充足参考说明的多灾关系,进而通过已有数据进行灾害链的案例研究,识别多灾种之间的触发潜力,可以在给定首发灾害的前提下,图形化展示多灾种相互作用链式情景。

2 多灾种相互作用关系与量化方法

通过对灾害间关联大小的分析衍生相互作用,总结出灾害之间存在3种关联程度,分别是以前后因果为基准的强关联、以致灾因子关联为主的弱关联以及毫无关联。通过广泛地阅读文献、提取概念、分析案例,总结出4种作用关系:级联灾害、并发性灾害、存在潜在影响和独立性灾害,并结合灾害时间上的演化细分成4种过程性相互作用关系。

2.1 级联触发

灾害之间强关联关系以因果关系为基础,可以概括为级联触发,又称“灾害链”或“链发关系”。例如,山区强降雨诱发滑坡灾害,即首发灾害的发生引发了其他次生灾害的现象,是1种典型的复合灾害,触发的可能性与孕灾环境的变化规律密切相关。从次生灾害类型上看,同种类型不同强度的灾害之间会相互触发,例如主震与余震的关系,同类型的触发施以承灾体第2次更严重的创伤,灾情产生累加效应。另外,较为严重的首发灾害在改变了次生灾害的孕灾环境后,结合承灾体的脆弱性,便能级联触发其他类型的单种或多种灾害,形成链发效应,多类灾害极易扩大灾情的空间范围。例如,“暴雨-滑坡-泥石流-堰塞湖-洪涝”灾害链,受灾范围从山体逐渐转移到河流和城市。地震通过对地面的强烈震动诱发不稳定的山体出现崩塌、滑坡等灾害,承灾范围由地震源转移到山体再转移到人口聚集地。该类灾害关系影响较大,蕴含着复杂的灾变机理,呈现出灾害系统的复杂性,是当前灾害领域研究的关键问题。

2.2 并发性灾害

并发性灾害又称群发性灾害,因果关系在2种灾害本身之间无明显体现,但由于地质环境和承灾体等时空关联特征,由于致灾因子显著的相关性或因果关系,从而经常出现“崩塌-滑坡”“台风-暴雨”等2种或多种灾害在同1个地点同时或前后爆发。在特定的孕灾环境下,结合承灾体脆弱性与暴露性,并发性灾害产生的灾情影响是复合性的,无法进行单种灾害影响的叠加,该类复合的相互作用会通过强度的增加造成对承灾体更大强度的影响,另外由于承灾体的脆弱性与其状态的复杂演化可能会导致更为严重的后果[14]。

2.3 存在潜在影响

在更多情况下,1种灾害风险会通过对环境条件的影响,提高第2种风险的发生概率,该种关系存在的因素是时间尺度,较大的灾害对孕灾环境的影响是增加次生灾害发生的可能性,即2种灾害存在弱相关的潜在关系。例如,森林火灾可能会剥去某地植被并使土壤硬质化,通过增加液体流速从而增大洪水的发生的概率和强度,并结合夏季暴雨容易导致泥石流。例如,2022年4月在新墨西哥州旗杆市1场野火烧毁大面积森林和土地,之后当地又出现强降雨天气,在没有植被蓄水防洪的情况下,导致旗杆市发生多轮山洪暴发[15]。可见,森林火灾通过改变孕灾环境增加次生灾害发生的可能性。另外,地面沉降也会增加洪水的发生概率。

2.4 独立性灾害

由于孕灾环境的差异性,不同灾害之间的关系较为微弱,如若在时空一致的条件下同时发生,可归结为人为原因或偶然,拥有该类关系的灾害为独立性灾害。2种灾害本身(致灾因子)之间没有任何依赖关系,只是出于巧合偶然发生于相近的空间和时间。例如,2010年,帕卡亚火山暴发和热带风暴阿加莎几乎同时袭击了危地马拉的太平洋海岸线,导致由于火山灰堵塞排水系统,引发火山泥流,加剧了损害[16]。在该类别中,仍然包括2种灾害在不同时间影响同1个地区的情况,例如,地震后几周内发生的气旋灾害,火山喷发后发生强降雨等现象。

2.5 过程性多灾种相互作用

自然灾害系统内部结构的恒定是灾害行为与环境一致的充分条件,灾害的演化变异过程也反映出环境作用和内部结构变化的综合性结果[17]。自然灾害呈现的复杂性很大程度上来源于时间过程下的空间耦合机制,上述灾害类型中复合型的灾害关系涉及过程性的复杂情景,结合次生灾害触发效果,级联触发类型的灾害关系可以分为引发单种单次灾害和引发多次灾害2种类型。最终得到过程性多灾种的4种相互作用关系,分别为:首次灾害级联触发1次次生灾害、首次灾害易级联触发多次次生灾害、灾害之间相关或存在影响、灾害之间相互独立。多灾种相互作用关系类型如图1所示。

图1 多灾种相互作用关系类型Fig.1 Types of multi-disaster interaction relationship

2.6 多灾种作用关系的探索方法

在信息技术不断发展的背景下,文本挖掘是提取有效信息主要方法之一。多灾种之间的关系呈现出复杂、模糊和不确定等特征,进行识别与统计需要从现有的大规模文本信息中加以搜集和筛选。本文通过灾害的共词网络统计来表征两者的关联程度,从而实现关系的量化与进一步可视化。具体是以检索为手段,评估给定词语对所属语料库中文件集的重复程度,认为重复度更高的2类或多类灾害具有更强的关联性,也更加接近真实的灾种关系。

3 多灾种关联框架与网络构建方法

3.1 构建自然灾害分类矩阵

以我国国内现行标准《自然灾害分类与代码》[18],并作合理调整后确定出5大类33小类的灾种体系,作为本文研究中样本灾种的识别依据,按顺序排列形成方形矩阵,方便后续进一步关系频次的填充。

3.2 数据收集、处理与集成

1)数据来源。制定某城市全面且有实证依据的多灾种关联框架需要大量文本数据支撑,以支持灾害之间作用的系统识别,数据内容以城市历史上的多种灾害的发生情况为主,同时包容相似孕灾环境下的其他灾种联合情景。表1所示为不同数据来源与示例,样本主要来源于4个部分,分别是科研成果与公开报告(A)、媒体(B)、利益相关者(C)和其他(D)。其中,科研成果和公开报告相对更权威和准确,包括期刊文献、硕博士论文、教科书、技术报告、数据库以及相关政府官网灾害新闻报告等,上述数据能够更直观地索引到灾害之间的作用关系以及内在机理;媒体来源数据可以结合网络、报纸、推文等多元信息,进行文章或新闻标题、内容中出现多种灾害的检索,并与科研报告的数据进行进一步比对和筛查;利益相关者是与当地政府、相关部门以及关联居民进行直面或间接的访谈,研究人员需要根据经验和与研究问题的相关性来选择参与者,以保证数据的有效性;其他数据来源主要为地图集和一些遥感图集等,也需要谨慎选择。

表1 数据来源与示例Table 1 Data sources and examples

2)文本数据转换。各类来源和形式的数据需要进行归一化的文本转换工作,从而有条件实现全数据源的文本索引,本文数据来源A与B的数据形式可以直接进行检索使用,数据来源C与D需要人工手动进行文本的撰写与输入,最终形成文本集形式的多灾关系样本。

3.3 词频与共现关系统计

本文使用微词云分词工具,从前文所形成的文本集中统计灾害之间的共现率,将筛选词典定义为33种自然灾害,即可导出灾害共词矩阵,用于人为识别灾害之间的作用关系,其次进行2种以上灾害的共现情况的识别,探索灾害链形式的多灾网络。共词网络分析结果可体现词汇的共现情况,也可以更全面地分析关键词之间的关联和相关性,上述步骤中尤其注意对无效信息的剔除,多种灾害共现并不一定说明两者必定存在关联。

3.4 多灾种相互作用关系的对应矩阵填充

软件生成的共现词矩阵无法直接使用,需要进一步筛选,并进行可视化转换,将共现频次填充入共词矩阵中。本文根据A和B为信息源导出有效的我国多灾种共现情况,频次结果呈现出以“左上-右下”对角线为对称轴的对称图形,合并同类灾种关联组合,共获得299条信息样本,呈现出45种多灾关联组合,如图2所示。

图2 多灾关系频次在分类矩阵中的填充示例Fig.2 Filling case of multi-disaster relationship frequency in classification matrix

3.5 总结归纳关系框架与网格

不同城市有明显的差异性,通过对上文得到的多组作用关系样本进行梳理和关键词识别,识别文本中“触发” “引发” “导致” “诱发” “触及” “引诱”等为级联触发的关键词,灾害共现以“并发” “伴随”等为并发性灾害关系,得到每组灾害的具体关系类型,根据次生灾害发生次数的判断进而进行矩阵的关系类型填充。然后将共现词超过2类的灾害组别进行链式网络的可视化梳理,构建静态关系框架基础上的动态网络。

4 应用实例

4.1 研究区概况与灾种分类

石家庄市域跨太行山地和华北平原2大地貌单元,地势东低西高差距大,地貌复杂;西部太行山地,海拔在1 000 m左右,山峦重叠,地势较高;地质环境特征复杂,潜在分布着影响范围广泛且突发性强的自然灾害和大量不确定风险,是开展多灾种研究的有效选择。本文通过对石家庄市域范围内可能发生的自然灾害进行整体梳理与分类,最终得到4个灾害分组,分别为:地质地震灾害、水文灾害、气象灾害、生物化学灾害。在历史数据扩展分类的情况下细分选定的灾害,总结出石家庄市域可能性相对较大的灾害类型共有19种。

4.2 石家庄市域多灾种19×19关联框架建立

获得有效的多灾关系样本102条,构成多灾组合46对。结合地质构造、地形地貌、气候条件、植被与水文等自然要素的综合作用,继而通过关键词识别和人工信息核对,填充具体的触发等级和关联等级,确定19×19多灾种关联框架如图3所示,图3中的纵轴与横轴分别表示首发灾害与次生灾害类型。由图3可知,属于“首次灾害易级联触发多次次生灾害”关系有6个,属于“首次灾害级联触发1次次生灾害”关系有22个,上述类关系多来源于河北省邢台地震、2016年特大暴雨等石家庄市大型灾害的总结研究报告和新闻报道中[19-21],68%条样本与之相关,21%样本证明石家庄市“暴雨-内涝”复合灾害频发,说明巨灾的链发潜能大且更容易关联各类灾害,是多灾研究的重中之重;属于“2类灾害之间可能并发或存在潜在影响”关系的有15个(灾害间无先后顺序,为表达一致,图3中仅表示单向关系),该类灾害关系数据主要来源于石家庄市山区地质灾害、洪水和台风等衍生灾情,该组信息呈现出灾害作用关系的模糊性,关联较小但不能忽视。例如滑坡与崩塌2种灾害,容易在极端天气下同时袭击某地,二者的并发会造成比单灾种更严重的人力、财力损失,也会加大救援和疏散难度。

图3 石家庄市多灾种关联框架Fig.3 Multi-disaster association framework in Shijiazhuang

4.3 多灾种链式关联网络的构建

筛选出包含2类以上灾害的样本信息相对较少,选择更具权威的数据源A得到的样本可以总结石家庄市域范围内发生过的灾害链有2类,分别是“暴雨-泥石流滑坡-堰塞湖现象”灾害链、“地震-崩塌-森林火灾”灾害链。具体的文本描述和作用关系的可视化如表2所示。使用点、线状标识将链发过程表现在关联框架中,呈现为石家庄市多灾种的链式关联网络,如图4所示。由于样本数据的局限性,石家庄市2类以上灾害链包含并不局限于上述2种,图3所示框架内的2类灾害关系组合均有可能以更长的链式反应发生于市域范围内。

表2 石家庄市多灾种链式关联类型与可视化Table 2 Multi-disaster chain association types and visualization in Shijiazhuang

5 多灾种关联框架的应用拓展研究

对多种灾害相互作用的评析和实证审查是理解多种灾害情景的复杂性,进而理解风险的首要步骤,以实证为基础的多灾种关联框架的构建方法能够在不同的环境中复制和扩展,可以有效提高对复杂多灾种环境的认识和对潜在链式灾害的识别,从而为给定地区的风险降低和应对策略提供指导性信息。然而任何方法都有其适用范围和限制条件,如表3所示为多灾种关联框架应用主题,体现出在研究层面本文框架的应用内容与局限性。

表3 多灾种关联框架应用主题Table 3 Application topics of multi-disaster association framework

6 结论

1)多灾种的4种相互作用关系分别为:首次灾害级联触发1次次生灾害、首次灾害易级联触发多次次生灾害、灾害之间相关或存在影响、灾害之间相互独立。

2)提出城市多灾种关联框架构建路径,其可视化方式能够快速识别灾害之间的作用关系,进而提高对特定地区复杂的多重灾害环境的认识,可为多灾种风险应对和降低提供策略上的信息基础。

3)多灾种之间相互关系的可视化可应用于不同的地理环境,以生成对潜在危险相互作用的全面、系统、有证据地审查和整理,这种多灾相互作用的可视化可作为城市综合风险评估的基础工作,但未来仍需要继续探索表现和量化多灾种关系的方法途径,以全面、系统并以科学实证为研究开展原则,探讨系统性的多灾演化机制,进而有效地指导城市综合风险评估以及防范策略。