災害及災害鏈式理論

1、第二章 災害鏈式理論2.1自然災害鏈式的理論體系災害鏈的定義與內涵 (A)災害鏈的定義 當今，發(fā)生在全球的生態(tài)環(huán)境災害有暴雨和山洪導致的滑坡、泥石流、巖崩等地質災害，高寒地區(qū)形成的雪崩、凍融災害，干早地區(qū)產生的沙漠化、沙塵暴災害以及地殼劇烈變遷誘發(fā)的地震、火山、海嘯等災害.這些發(fā)生在陸地或海洋圈層的物理、化學、生物、人文等災害過程的物質和能量相互作用，來勢洶涌，構成了巨大的破壞力，給生態(tài)環(huán)境釀成惡劣的生存空間，對人類構成了巨大的威脅，甚至奪去人的生命。由災害環(huán)境導致的嚴重災難，給人類以嚴峻的挑戰(zhàn)。面對重重災難的歷史悲劇，進一步認識災害、揭示災害形成的規(guī)律、更有效地遏制災害發(fā)生或使一類災害從全球

2、消逝，是當前或今后一個相當長的時期內人類所面臨的極為重要的戰(zhàn)略性任務和迫切使命。 災害的形成、發(fā)生具有鏈式規(guī)律，肖盛燮針對災害的鏈式規(guī)律，提出了災害鏈的概念。災害鏈是將宇宙間自然或人為等因素導致的各類災害，抽象為具有載體共性反映特征，以描繪單一或多災種的形成、滲透、干涉、轉化、分解、合成、禍合等相關的物化流信息過程，直至災害發(fā)生給人類社會造成損失和破壞等各種鏈鎖關系的總稱。 (B)災害鏈研究的內涵 根據(jù)災害鏈的定義，可將其內涵分解如下: (1)災害鏈是將各種災害抽象為物質、能t及信息流的載體反映; (2)災害鏈可反映單一或多災種的形成過程及其滲透、轉化、分解、合成、輻合等物化關系; (3)通過

3、對災害鏈形成的機理分析、理論模型構建以及參數(shù)的定性、定盆描述，可得到對災害破壞性能的度里: (4)災害鏈可反映各種災害對人類社會造成的破壞關系和破壞作用; (5)通過對災害鏈式關系的規(guī)律剖析，為斷鏈減災提供了災害鏈式規(guī)律的描述災害鏈式規(guī)律的描述 (A)災害鏈式反映的載體 災害的形成具有鏈式規(guī)律性，構成各類災害的因素不管怎樣復雜，不同的災害受到不同地域、環(huán)境、氣候的變遷而呈現(xiàn)千差萬別的格局和千變萬化的態(tài)勢，但災害的形成總有一個逐漸演化的過程，其演化過程暴露了自然環(huán)境狀態(tài)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(xù)性，其延續(xù)性的演化過程總是以一定的物質、能量等信息形式予以

4、表征，這就是災害鏈的載體反映，這種載體反映體現(xiàn)了由量變到質變的內涵和外延關系的演化。 災害鏈式關系的載體反映，是對災害鏈式規(guī)律的客觀認識，這種認識有兩個層面。以物質作為災害鏈的載體，物質的主要表現(xiàn)形式有固態(tài)、液態(tài)與氣態(tài)等不同體態(tài)之分，相應災害鏈式形成過程也同樣具有不同物質體態(tài)的單體演繹或多體態(tài)聚集、禍合與疊加的特征，見圖6.1。載體反映的另一伴生特征是能量的聚集、傳輸與轉換關系.能量轉換對災害破壞力構成了藕合與嵌套關系，在災害形成過程中，表現(xiàn)出的不同程度災害破壞作用的力度大小，又為破壞力的度量提供了基礎條件。 以物質作為災害鏈的載體，物質反映的主要表現(xiàn)形式有固態(tài)、液態(tài)與氣態(tài)等不同體態(tài)之分，相應

5、災害鏈式形成過程也同樣具有不同物質體態(tài)的單體演繹或多體態(tài)聚集、禍合與迭加的特征。體態(tài)的演化導致了災害鏈式關系演繹的多樣性與復雜性。載體反映的另一伴生特征是能量的聚集、傳輸與轉換關系，能量轉換對災害破壞力構成了禍合與嵌套關系，在災害形成過程中，表現(xiàn)出的不同程度災害破壞作用的力度大小，又為破壞力的度量提供了基礎條件。 以物質為基礎的信息反映也是災害鏈常見的載體反映，它們通過信息物質的基本形式光、電、聲、磁、波伴隨著鏈式載體起輻射、傳播、轉化、吸斥與干涉作用，通過這些作用媒介使災害的破壞作用更加嚴峻，災害表現(xiàn)形態(tài)更加驚險。如地震災害伴生著聲與波的同時作用，雷雨伴隨著聲、光與電的作用，電、磁場鏈式反映

6、也對災害起重要的伴生作用等等。災害鏈式載體反映規(guī)律能量反映能量聚集能量耦合能量轉換物質反映固態(tài)液態(tài)氣態(tài)演繹聚集耦合信息反映聲磁波電光傳播吸斥干涉轉化輻射 B)災害鏈載體的演化 災害鏈式載體除了以物質、能量、信息方面作為基礎條件外，在災害鏈的演化過程中還存在性態(tài)、量級和時空等演化規(guī)律，如圖2-2所示。災害鏈式載體演化規(guī)律擴增性轉化性傳遞性離散性量級演化聚集性疊加性禍合性放射性潛在性間斷性性態(tài)演化周期性延續(xù)性階段性6 支干流域示意圖圖2-2 災害鏈式載體演化規(guī)律框圖 (1) 性態(tài)演化:性態(tài)演化反映了災害鏈式載體的性質和狀態(tài)演化規(guī)律，主要包括災害鏈式階段性、延續(xù)性、周期性、間斷性、潛存性和放射性等。

7、階段性反映了災害鏈發(fā)育不同階段的特征，不同鏈式階段構成的災害破壞作用將產生量級性的差異。抓住這個特性，對根治災害具有特別重大的意義:延續(xù)性是鏈式關系的主要規(guī)律，體現(xiàn)了鏈式關系的客觀存在性，也反映了鏈的本性;鏈的關系中也存在周期性、間斷性等反映特征。這種周期性、間斷性取決于客觀因素具有明暗起伏的特征或具有潛存性規(guī)律，將災害表現(xiàn)形式隱蔽或潛存起來，使之不易顯露出來，但這種隱蔽或潛存關系是暫時的，一旦環(huán)境條件改變必將顯露出來，這些規(guī)律性反映與災害鏈的物質存在性反映并不沖突，只是隨主客體條件不同而表現(xiàn)形態(tài)各異罷了;此外，放射性也是災害鏈式載體性態(tài)演化之一，它們以放射性元素進行鏈的載體傳播，是具有強烈殺

8、傷作用的災害類型。 (2)量級演化:量級演化反映了災害鏈式載體的數(shù)量變化特征.主要包括禍合性、疊加性、聚集性、離散性、傳遞性、轉化性與擴增性等。禍合性反映了多種災害之間的禍合作用形成的量化關系，這種禍合作用顯示了災種之間相互作用演繹的復雜性，它們不但會加劇災害的變化，而且由禍合作用將引起災害性能的變化;疊加性是在線性關系或相同性狀下數(shù)量的盛加，其反映較為單一;聚集性是災害載體一物質、能量、信息等同一類性質數(shù)量的逐漸增加和積累，具有演繹過程數(shù)量儲備等隱蔽特性:離散性反映了災害的分離狀態(tài)或不連續(xù)性，在一定程度上具有分支和擴散作用;傳遞性、轉化性具有相近似的傳遞和轉化作用，由一種鏈式關系傳遞或轉化為

9、另一種鏈式關系，轉化性還將涉及鏈式性態(tài)的改變和災害作用的變化;擴增性反映了災害作用性態(tài)的擴大和量級的急劇增加，將顯示其更大范圍和更強力度的破壞性。 3.時空演化:時空演化反映了災害變化的顯著差異性，不同的時空狀態(tài)其災害形足型特征和表現(xiàn)形態(tài)千差萬別。就地域性而言，隨著地域分布和地理環(huán)境條件的變遷，其災種將發(fā)生很大差異。例如，高山、平原、丘陵區(qū)地質地貌不同，災害分布也不相同;流變性是流體狀態(tài)位置的改變，性態(tài)演繹變化均將改變?yōu)暮︽準叫詰B(tài)，或產生巨大的災害作用;傳播性、艾延性均有時空變化特征和時間成動態(tài)函數(shù)關系，它們具有強烈的擴散、蔓延作用;季節(jié)性更是災害鏈式關系隨季布變遷的反映特性，如臺風、咫風、沙

10、塵暴、暴雨、冰川等災害均具有季節(jié)特性。C)災害鏈的類型特征 災害鏈式類型特征可形象地描繪災害鏈的形成機制、性態(tài)演變規(guī)律、災害破壞形式和表現(xiàn)力度以及各類災種之間的本質區(qū)別，是研究災害鏈的核心理論。 按鏈的載體反映不同性狀的鏈式類型特征，可將其歸納為8種形態(tài)，如圖2- 3所示:(1)崩裂滑移鏈;(2)周期循環(huán)鏈;(3)支干流域鏈;(4)樹枝葉脈鏈;(5)艾延侵蝕鏈;(6)沖淤沉積鏈;(7)波動襲擊鏈;(8)放射殺傷鏈.鏈式類型特征崩裂滑移鏈周期循環(huán)鏈支干流域鏈樹枝葉脈鏈蔓延侵蝕鏈沖淤沉淀鏈波動沖襲鏈放射余傷鏈崩滑體山洪爆發(fā)洪水淹沒繁殖擴散火災腐蝕碳化風化沖刷淤積沉陷地震風震海嘯波擊病毒放射元素放射

11、對應的災害關系圖2-3 鏈式災害類型特征框圖 (1)災害鏈式效應特征參數(shù):各種災害鏈式效應的發(fā)生、發(fā)展過程都具有不同的特征行為，體現(xiàn)在外部環(huán)境作用影響、災害客觀存在形態(tài)以及在外部環(huán)境作用影響下災害鏈式響應行為等三方面的不同變化過程。相應的可以用一些特征參數(shù)來表示災害的孕育、發(fā)展、演變、爆發(fā)過程和外部環(huán)境的作用影響關系，實現(xiàn)對災害鏈式效應的定量描述。通過分析這些特征參數(shù)之間的關系就能夠認識災害演化的規(guī)律，為防災減災提供理論依據(jù)。 災害鏈式效應是以外部環(huán)境作用為影響源頭，而導致災害內部發(fā)生和對外活動的一系列鏈發(fā)式的復雜響應行為過程，表現(xiàn)出其存在意義上和演化意義上的復雜現(xiàn)象。由災害的雙重屬性可知，災

12、害是一種自然生態(tài)經濟現(xiàn)象，災害鏈式效應的外部作用影響環(huán)境一般包括自然生態(tài)環(huán)境、社會經濟環(huán)境和地球運動環(huán)境，各種環(huán)境的存在性和變化性可以采用有限參量來近似描述，以實現(xiàn)災害環(huán)境的定量化。 災害的客觀存在形態(tài)特征可以視為災害初始狀態(tài)和演化狀態(tài)。當外部環(huán)境作用影響之后，這些存在狀態(tài)將發(fā)生改變，即災害的響應；災害的響應必然會對其周邊環(huán)境發(fā)生作用關系，形成破壞，即災害的對外行為;災害演化災變過程中表現(xiàn)出的各種響應行為就構成了災害的自然屬性和社會屬性。因此，災害鏈式響應行為特征可概括為:災害在外部環(huán)境作用影響下災害自身內部發(fā)生的鏈式響應過程和災害對周圍環(huán)境的反作用行為過程，體現(xiàn)了災害的演化和破壞效應。因而，

13、災害的鏈式響應行為可以采用相關的參數(shù)來描述其客觀演化運動過程。災害的鏈式響應行為參數(shù)一般具有以下特征：(1)不完備性特征：特征參數(shù)只能描述局部或部分的災害鏈式響應行為，無法準確表示災害鏈式響應行為全過程；(2)未知性特征:特征參數(shù)是未知參數(shù)，是動態(tài)的變化參量；(3)可知性特征：特征參數(shù)可以通過計算、演繹或測量實現(xiàn)定量化。 (2害鏈的主要類型特征: (1)崩裂滑移鏈:所謂“崩裂滑移”，是指客觀環(huán)境構成了崩裂滑移的條件、地形地貌處于高山深谷或丘陵地區(qū)、巖石土體自身達到一定破裂狀態(tài)或隨重力作用具備了下滑的條件，加之環(huán)境水、溫、氣的影響從而形成了崩滑體，其鏈式類型對應于一類山地滑坡、泥石流與巖崩等地質

14、災害，如圖2- 4所示。它們均從鏈源開始，在各自的內因和外因影響下，形成了單一或串聯(lián)的崩塌、滑坡、泥石流等鏈式關系，當產生破壞形態(tài)和破壞作用后，隨能量消失而暫處相對穩(wěn)定狀態(tài)。B1崩潰C1巖石裸露節(jié)理裂縫D1滲水振動能量沖擊E能量破壞C1巖土松散坡面滑移D1滲水擾動能量轉換B1滑坡A1鏈源C1高切深溝沖刷巖土D1高切深溝沖刷巖土B1泥石流圖2-4 周期循環(huán)鏈示意圖 (2)周期循環(huán)鏈:周期循環(huán)鏈則主要表現(xiàn)在鏈的周期性反映，這種周期性不是鏈的斷續(xù)性，而是鏈式載體呈現(xiàn)的峰谷態(tài)勢，高峰期是鏈式反應強烈時期，低谷狀態(tài)則是鏈呈現(xiàn)潛存狀態(tài)，這種周期性反映主要取決于客觀環(huán)境因素的周期性，如洪水頻率具有定期一遇的

15、周期性，山洪暴發(fā)隨雨季到來而降臨，干早、季風、凍融等等，其鏈式反映都具有鮮明的季節(jié)性和區(qū)域性，圖2-5所示。始發(fā)期低谷期平穩(wěn)期成現(xiàn)期成現(xiàn)期 物 流 聚 集 物 流 耗 散 物 流 誘 發(fā) 物 流 耗 散過渡期災變過程積蓄期過渡期災變過程活躍期過渡期災變過程平靜期潛存期過渡期災變過程重發(fā)期潛存期圖2-5 周期循環(huán)鏈示意圖(3)支干流域鏈:支干流域鏈是由若干個分支系統(tǒng)聚集成次一級干流，再由次級干流聚集成主干流，其鏈的量級態(tài)勢是逐級增大的，有著由小到大、由弱到強的發(fā)育趨勢，其鏈的數(shù)量則隨著分支的聚集而逐級減少，但其破壞能量將隨鏈的聚集而急劇增加，圖2- 6給出了支干流域鏈示意圖。與支干流域鏈相應的災

16、害是洪水淹沒，上游支干水位提高，流速流t增加，將對中下游造成淹沒和威脅。此外，凡具有支干流域鏈式發(fā)育規(guī)律者，均屬于此鏈式范疇。 (4)樹枝葉脈鏈:樹枝葉脈鏈與支干流域鏈恰好相反，是由一個主干向若干分枝擴展，再由分支向葉脈狀逐級細分，一般在形式上具有由強到弱、由大到小逐漸向葉脈尖端擴展的趨勢，這種分支信息的交替與傳遞不一定意味事態(tài)的弱化，但它可遵循事物進化的規(guī)律。具有繁殖性生態(tài)發(fā)育和擴散性鏈式反映的均具有樹枝葉脈鏈式發(fā)育關系，凡能分級分層的分支系統(tǒng)，均屬于這類鏈式體系，圖2- 7給出了樹枝葉脈鏈示意圖。A1A2A3A1AnB1BiBnCD輸 出匯合過程2匯合過程1災變過程災變迸發(fā)分支鏈源合成區(qū)段

17、1合成區(qū)段2匯合區(qū)段相對平穩(wěn)物質能量信息流演繹過程破壞作用聚集與發(fā)生過程圖2-6 支干流域鏈示意圖主干 A 鏈源BC1C2C3D1D1Di一層分支二層分支輸出 圖2-7 樹枝葉脈鏈示意圖 (5)蔓延侵蝕鏈:艾延侵蝕鏈是從一點或一個層面出發(fā)向周圍或深部逐漸延伸的鏈式關系，這種關系需具備如下條件:具有艾延的時空點或層面，具備擴展艾延的啟動條件;具有性態(tài)相同或相近且逐漸同化的連續(xù)蔓延載體擴展條件。圖6. 8給出了蔓延侵蝕鏈示意圖.(6)沖淤沉積鏈:沖淤沉積鏈具有非獨立的致災因子，是其他災害鏈式反映的延續(xù)作用，如山洪暴發(fā)、洪水沖刷淹沒等繼續(xù)延移所形成的結果，最為典型的是水土流失、泥沙沖刷淤積.其鏈式過

18、程需具備兩個條件:一是具有沖刷的延續(xù)啟動條件，二是具有淤積消能的沉積條件.此外，近似沖刷淤積反映的地面沉陷，由于巖土基礎遭受水的侵蝕，或搬遷掏蝕，減小了對地面或構筑物的承載作用而產生災害性的沉陷，可歸結為沖淤沉積鏈式類型。圖6. 9給出了沖淤沉積鏈示意圖。致災啟動輸入a鏈源沖刷媒介流態(tài)載體b粒質搬運信息交換消能減速c搬運受阻d重力沉積圖2-9 沖淤沉積鏈示意圖a鏈源bbbbbbbbcccccccc圖2-8 蔓延侵蝕鏈示意圖 (7)波動襲擊鏈:波動襲擊鏈是強烈振源產生的動力作用，經過物質媒介將動力波迅猛地在介質中傳播而形成的巨大破壞力。這種波動作用有地殼運動產生的地震波激蕩、風波襲擊、海嘯的強烈

19、波擊等，這些都是典型波動襲擊鏈的反映。圖6-10給出了波動襲擊鏈示意圖。圖2-11 放射殺傷鏈示意圖振動波源放射擴散載體反映放射擴散載體反映空間圈層殺傷層殺傷層振動波源波動圖層媒質傳播破壞作用媒質傳播破壞作用圖2-10 波動襲擊鏈示意圖 (C)放射殺傷鏈:放射殺傷鏈是指具有放射性的元素，通過擴散產生巨大殺傷作用，這種鏈常通過放射性元素的擴散或病毒的荃延與擴展產生殺傷性，其殺傷作用異常迅猛。圖6-11給出了放射殺傷鏈示意圖。 (D)災害鏈式理論的框架 災害鏈式類型特征具有直觀、形象特征鮮明的特點，而且與災害容易形成直接對應關系，研究災害鏈式規(guī)律，從鏈式類型入手不失為理想的突破口.從鏈式類型特征入

20、手，構建鏈式類型理論模型反映災變的鏈式關系及其規(guī)律性是構成鏈式理論的核心，也是把握鏈式演變規(guī)律的關鍵，為此提出構建鏈式式理論框架的要點如下: 1)構建鏈式類型理論模型 理論模型是反映鏈式客觀本質、演化規(guī)律、鏈式類型特征的重要標志，其模型可分為:能量轉化模型、物理力學模型、數(shù)學本構模型、化學反應模型、鏈式性態(tài)模型等. 2)確定鏈式模型參數(shù) (1)模型參數(shù)的確定原則必須充分反映各類災害的客觀本質; (2)模型參數(shù)與災變機理必須形成密切對應的內涵關系: (3)描繪災變機理的各指標參數(shù)必須能反映災害本性和不同災變狀化指標值; (4)不同鏈式發(fā)育期應有對應小同約量化指標參數(shù)取值范圍。 根據(jù)災變機理的分折

21、和指標層次段落的劃分又可引申出災害鏈式的階段性。災害鏈式階段的劃分鏈式階段性是災害發(fā)育過程的重要反映，是災害形成破壞力對人類構成威脅的程度表現(xiàn)，是物質和能量信息聚集與轉化狀態(tài)的標志，是人們認識災害、控制災變發(fā)育的突破口。因此，對災害鏈進行科學的階段劃分是十分必要的。擬將災變早、中、晚期的時間間隔，階段的發(fā)育特性，構成破壞力的程度等作為劃分階段的重要依據(jù)，鏈式階段劃分如表s. i所示。表6.1 鏈式階段劃分階段劃分階段特征破壞程度載體信息時間比率應對措施早期孕育階段破壞力尚未形成物質與勢能聚集較長，70%以上斷鏈中期潛存階段形成潛在破壞力物質與勢能儲存25%左右防御晚期誘發(fā)階段破壞力強力爆發(fā)物質

22、擴散動能迸發(fā)5%以下治理早期處于災害的孕育階段，災害破壞強度微弱或尚未形成破壞力，載體破壞能量處于聚集與禍合階段，本階段歷時較長，時間比率約占整個災害鏈形成時間的o%以上;中期處于災害的潛存階段，破壞力己經形成，載體以勢能方式儲備或聚集了強大能量信息，此階段為時較短，一旦誘發(fā)條件具備，災害立即發(fā)生，此階段歷時為整個災害鏈形成時間的25%左右;晚期為災害的誘發(fā)階段，潛存的破壞力迅猛暴發(fā)，其載體的破壞能t由勢能迅速轉變?yōu)閯幽芏M發(fā)，災害的破壞作用過程短暫且來勢洶涌，其暴發(fā)時間僅占災害鏈形成時間的5%以下.針對鏈式階段特性，提出早期“斷鏈”、中期“防御”和晚期“治理”的技術舉措。通過對災害鏈式階段的

23、劃分，不僅為認識災變規(guī)律提供了可循的依據(jù)，而且也為分階段進一步量化災害、控制災害發(fā)育提供了可遵循的途徑。對處于中、晚期的災變過程，可通過演繹進行破壞力度和行為的量化;對早期孕育階段，可利用未構成災害破壞力的漫長過程，為實施孕源斷鏈減災提供機遇和條件。孕源斷鏈的減災觀念 所謂“孕源斷鏈”就是在災害鏈的形成初期，對于孕育階段，破壞作用力度極微弱或尚未形成破壞力，能t等信息也處于初始聚集或藕合階段，對于這種漫長的災變過程，進行斷鏈減災最為有效，不需要很大的投入，就可收到顯著的效果.要實施孕源斷鏈減災機制，首先，必須認識災害鏈在形成初期的表現(xiàn)形態(tài)，弄清不同類型災害所具備的主觀內因、客觀影響因素以及災容

24、的孕育過程演變形態(tài)的表現(xiàn)特征:然后，在認識這些規(guī)律的荃礎上，建立孕源斷鏈減災模式，確立斷鏈方式和途徑，采取有效的對策和可行的減災機制。不同的災害類型，其災害的表現(xiàn)形式和影響因素不盡相同，因此要采取不同的斷鏈模式。相反，對于具有共同特性或相互有關聯(lián)的災害鏈可建立區(qū)域性協(xié)同一體的綜合防災體系，達到同時斷鏈減災的目的.災前預替是一種減少災害損失的科學而有效的舉措，但總的說來，一般預帶總是將著眼點放在災害已經形成并處于即將暴發(fā)的緊迫時刻。對于破壞作用大、來勢洶涌的災害，給予回避和搬遷的時間太短，所以其重大災害損失是難以避免的。為將損失減至最小，建議將災害預替功能向災變孕育階段追蹤延伸，監(jiān)測災害形成初期

25、的災變特征和表現(xiàn)形態(tài)，從而起到從源頭上減災“尖頭兵”作用，立足于孕源斷鏈最為有效。應當指出的是: (1)鏈式規(guī)律具有普適性，但對災害的控制有難易之分，較容易控制的災害，實施斷鏈較為容易，也將會取得顯著效果;而對難以控制的災難，如地展、大氣災害和海嘯等，必須加強預替預報，盡可能采取有效的回避措施或加強工程防護?！半y”與“易”是相對的，主要取決于對災害鏈的認識程度和科技發(fā)展水平，隨著人類科學技術水平的日益提高，難控災害終究會被人們所征服。 (2)所謂“斷鏈”，就是實現(xiàn)人與自然的和諧，因勢利導減輕災害惡性循環(huán)，絕非是不平衡矛盾轉移的顧此失彼做法，不能在此時此地實施了斷鏈減災，而又將災害的損失轉移或加

26、倍在彼時彼地發(fā)生。例如，建造防護林帶是防御沙漠化的斷鏈途徑，退耕還林是減少水土流失的宏觀斷鏈舉措，構建海岸屏障是阻止風暴襲擊的斷鏈策略。6.2災害鏈式結構的數(shù)學關系與模型分析 自然災害所表現(xiàn)出的不均勻性、多樣性、差異性、隨機性、突發(fā)性、遲緩性、重現(xiàn)性以及無序性等復雜性特點，使得“簡單”的理論和手段己不適宜于伴隨著人類活動的開展而日趨復雜化的自然災害的研究。6. 2. 1災害的鏈式關系的結構 各種自然災害系統(tǒng)的演化變異表現(xiàn)出不同的過程規(guī)律，但在其結構變化特征上卻體現(xiàn)了一致性。自然災害系統(tǒng)的演化變異過程均表征為災害系統(tǒng)在外部環(huán)境作用影響下其內部結構關系變化、內部狀態(tài)響應和災害系統(tǒng)對外作用(或對外破

27、壞作用)過程等三方面復雜運動規(guī)律。自然災害系統(tǒng)鏈式關系結構包括自然災害外部環(huán)境和自然災害系加(n)本身，分析研究時可分為自然災害系統(tǒng)的環(huán)境E(S(t)、存在(響應)狀態(tài)Sin或SZ (t)、內部結構關系RZ (t)和對外行為(或破壞作用)HZ(t)，圖6. 12給出了自然災害結構特征示意圖。環(huán)境、狀態(tài)、內部結構關系和對外行為構成自然災害系統(tǒng)的基本概念結構，是建立自然災害系統(tǒng)結構關系概念的基礎.R(t) Sin Rz(t)Sz(t)E(S)Hz(t)環(huán)境（受災體）圖6-12 自然災害結構特征示意圖自然災害系統(tǒng)，都是由若干相互關聯(lián)的子部分組成的具有某種特有屬性的一個整體(集合)，且該整體(集合)不

28、斷與外部環(huán)境進行著物質、能量和信息的交換.例如，邊坡系統(tǒng)可視為由彈性區(qū)域和非彈性區(qū)域組成，泥石流系統(tǒng)可視為由固體顆粒和液體水組成等等。任意自然災害系統(tǒng)可表示為由n個相互關聯(lián)的子部分e(1)，e(i)， e(n)構成的整體，記z(n)= e(i)i=1,2,n;n2 。顯然，自然災害系統(tǒng)都是以某種狀態(tài)形式而客觀存在的，而這些存在狀態(tài)可以用子部分的狀態(tài)參量表示，令災害系統(tǒng)各子部分狀態(tài)參量的集合(或總和)為災害系統(tǒng)的存在狀態(tài)Sin，即 t時刻自然災害系統(tǒng)在外部環(huán)境作用下存在狀態(tài)參量將發(fā)生變化，這部分發(fā)生變化的狀態(tài)參量集合即為狀態(tài)變量Sz(t)，或者稱為系統(tǒng)的響應狀態(tài)，Sz(t)是環(huán)境和系統(tǒng)存在狀態(tài)S

29、in的函數(shù)，即式(6-la), (6-lb)中si，Ai次分別為任一子部分e(i)z(n)的狀態(tài)參量集合和狀態(tài)參量空間；S為自然災害系統(tǒng)減z(n)所處環(huán)境的狀態(tài)；R(t)為環(huán)境與自然災害系統(tǒng)的作用關系，也稱為環(huán)境輸入關系。同時，自然災害系統(tǒng)與其周邊環(huán)境也產生作用關系Hz。例如，滑坡阻斷交通，即滑坡對周邊環(huán)境發(fā)生作用關系等，則Hz是系統(tǒng)的存在狀態(tài)Sin和環(huán)境與自然災害的作用關系R(t)的函數(shù)(圖6.12)，即這種作用行為是對災害在外部環(huán)境了作用下發(fā)生響應之后反作用于外部環(huán)境的描述，體現(xiàn)了自然災害的雙重屬性，即破壞效應。自然災害系統(tǒng)不僅體現(xiàn)在與環(huán)境整體上的響應行為關系，而且災害系統(tǒng)內部各子部分響應

30、狀態(tài)也存在不同的作用關系。自然災害系統(tǒng)的環(huán)境E(S(t)作用下，設t時刻其內部任一子部分e(i)通過作用因子Ri,j(t)對e(j)產生作用，令Ri,j(t)是e(i)與e(j)間的直線關聯(lián)關系(見圖6. 13)，系統(tǒng)內任意2個子部分e(i)和e(j)之間必存在關系式中：si(t)，sj (t)分別為在t時刻部分e(i)和e(j)的狀態(tài)量集合。Si(t)Sj(t)e(i)e(j)Ri,j(t)圖2-13 2個自然災害部分結構關系示意圖對于某一具體的自然災害系統(tǒng)z(n)，關系式f (si(t),Ri,j(t),sj (t) = 0，是由子部分e(i)和e(j)作用的客觀規(guī)律決定的，反映了不同子部

31、分存在狀態(tài)和響應狀態(tài)的相關性，可能是物理力學規(guī)律方程，也可能是化學反應規(guī)律方程等。令t時刻自然災害系統(tǒng)內各子部分之間所有直線關系Ri,j(t)(i1,jn,n2)的集合為RZ (t) ,稱為自然災害系統(tǒng)內部結構關系，即與式(6-3)同理，由系統(tǒng)理論可知，必存在一個包含自然災害系統(tǒng)和災害環(huán)境系統(tǒng)的更大系統(tǒng)，則恒有如下關系： 子部分之間直線關系的多種不同形式組成就構成了多種作用關系的輻合。推而廣之，環(huán)境的多種狀態(tài)因素同時與災害系統(tǒng)內某一子部分發(fā)生直線作用關系時就是變成了多種因素輻合作用問題了。自然災害系統(tǒng)內各子部分不僅存在兩者之間的直線關聯(lián)關系，而且還可能存在多個直線關聯(lián)關系組合而成的鏈式關系環(huán)Y

32、(k)（見圖6. 3）。鏈式關系環(huán)的組成部分可能都是災害系統(tǒng)內的子部分（見圖6. 14(a)），也可能存在環(huán)境參與了環(huán)狀作用關系（見圖6. 14 (b)）。定義如下：在自然災害系統(tǒng)的環(huán)境E(S)中，自然災害系統(tǒng)z(n)在t時刻各組成部分可能具有k個如圖6. 14所示的鏈式關系。（a）鏈式關系內環(huán)（b）鏈式關系外環(huán)圖2-14 鏈式關系環(huán)Y(k)示意圖關系Ri-1,i(t)或Rp+i-1,p+i(t)的集合稱為鏈式關系環(huán)，記為Y(k)，并將前者稱為鏈式關系內環(huán)，后者稱為鏈式關系外環(huán)，即 （6-6）若t時刻有個不同的鏈式關系環(huán)則自然災害系統(tǒng)z(n)內就存在個鏈式關系環(huán)數(shù)。鏈式關系外環(huán)是災害系統(tǒng)與外部

33、環(huán)境相互作用產生的關系結構，這種關系結構在化學反映過程中普遍存在，而在物理力學過程中也存在，例如結構的幾何非線性等。災害系統(tǒng)鏈式關系環(huán)的存在意味著災害系統(tǒng)內部鏈式作用關系可以無限的發(fā)展演化下去，產生復雜的動態(tài)現(xiàn)象。自然災害系統(tǒng)中各子部分的作用關系都是通過一定路徑建立的，形成一種直接和間接關聯(lián)關系。令自然災害系統(tǒng)z(n)中的任意兩個子部分e(i)和e(j)間的作用距離(路徑)為L(i,j)，則自然災害系統(tǒng)的作用直徑為 自然災害系統(tǒng)的作用直徑反映了災害系統(tǒng)的整體結構范圍，也說明要使整個災害系統(tǒng)產生響應行為需要一段時間才能完成。設Ri,j(t)在子部分e(i)和e(j)間傳遞(作用)的速度為vij

34、(t)經過時間t后，災害系統(tǒng)達到整體響應狀態(tài)，則時間t滿足方程例如，洪水災害的洪峰以及臺風災害的臺風移動速度等。推而廣之，若環(huán)境與災害系統(tǒng)作用過程也存在關系傳遞速度vEz (t)和作用路徑L(E,z)，那么環(huán)境的變化致使災害產生響應的行為一定滿足方程： 的滯后作用時間t'。至此就完成了運用系統(tǒng)觀點對自然災害系統(tǒng)鏈式結構關系的分析，建立了基本的結構概念?；谝陨系幕鞠到y(tǒng)概念，可以推出自然災害系統(tǒng)的響應行為關系式。顯然，推而廣之，運用以上的方法、原理可以研究災害鏈的結構關系，從而建立類似結構理論的數(shù)學關系模型。6. 2. 2災害鏈式效應結構的數(shù)學模型在自然災害系統(tǒng)的環(huán)境E(S)中，設自然

35、災害系統(tǒng)z(n)在t時刻有k子部分e(pi)(i=1, 2,，k)，并且至少存在一個子部分e(j)z(n)(jpi)，使得e(pi)與e(j)仍間必然存在如圖6.15所示鏈式關系，否則e(pi)z(n)。對n個子部分e(i) (i =1, 2,，n)重新編號，令e(pi)=e(i)，則自然災害系統(tǒng)任一子部分e(j) (jk)必由與自然災害環(huán)境存在的關系(見圖6.16)和與內部其他部分存在的關系(見圖6.17)組成。圖6.15 子部分間的關系示意圖圖6.16 自然災害系統(tǒng)的環(huán)境與子部分間的鏈式關系示意圖圖6.17 子部分間的鏈式關系示意圖（1） 對于每一子部分e(j)，環(huán)境E(S)與e(j)間存

36、在如圖6.16所示鏈式關系。由式(6-3)有：從式(6-7)可得： (6-7)（2）對于每一子部分e(i)存在一個子部分e(j)與e(i)間存在鏈式關系，如圖6.17所示。由式(6-3)有： （6-8） （6-9）則從式(6-9)可得：由式(6-8)和(6-10)可得：由式(6-8)和(6-11)可得Sin =Fin(S,R,Rz)，再由式(6-1)可得Sz=Fz (S, R(t), Rz)，因此，可得到： 由式(6-1)，(6-2)和(6-5)可得：因此，可得3(S, Rz (t), Hz (t) = 0或3(R, Rz (t), Hz (t) = 0，從而可得到如下固有方程組：或 式(6-

37、14) (6-15)即為自然災害系統(tǒng)結構的數(shù)學關系模型，反映了系統(tǒng)在外部環(huán)境作用影響下的響應行為關系。在自然災害系統(tǒng)的環(huán)境E(S)作用影響下t時刻某些自然災害系統(tǒng)z(n)的響應狀態(tài)Sz(t)和系統(tǒng)對外行為Hz(t)都僅僅是自然災害系統(tǒng)的環(huán)境E(S)和內部結構關系Rz(t)的函數(shù)。例如洪水災害，河流流域基本不變(即環(huán)境輸入關系不變)，那么發(fā)生洪水只與環(huán)境降雨和河道結構有關；而一些災害系統(tǒng)的響應行為是環(huán)境與自然災害的作用關系R(t)和內部結構關系Rz(t)的函數(shù)。例如，結構的隔震減震措施、邊坡治理中的防止降雨滲透處理以及金屬結構防腐處理等都是改變環(huán)境對結構的輸入關系以達到防災減災的目的。由系統(tǒng)理論

38、可知，自然災害系統(tǒng)z(n)一般具有層次結構，因此，R(t)，Rz(t)和Hz(t)一定是自然災害系統(tǒng)的環(huán)境E(S)和某一個支配層次Hd上的系統(tǒng)結構Rzd(t)的函數(shù)，即:或：在t時刻，若d，則可以證明對于任意子部分e(i)和e(j)間的關系恒有：或至此，基于系統(tǒng)理論，從數(shù)學上建立了自然災害系統(tǒng)結構的數(shù)學關系模型。這些理論模型是一種面向問題、采用數(shù)學表達的自然災害系統(tǒng)結構關系理論，是自然災害系統(tǒng)演化過程共性的數(shù)學抽象，也即從數(shù)學層面上證明了所有自然災害系統(tǒng)演化過程存在以上關系。通過對以上關系模型的數(shù)學分析研究，可以獲得自然災害復雜演化過程定性的共同規(guī)律。6. 2. 3自然災害鏈式效應復雜性規(guī)律及

39、其本質自然災害系統(tǒng)響應行為不僅與作用環(huán)境有關，而且災害系統(tǒng)內部結構關系也是一個重要的方面，體現(xiàn)了災害演化的多樣性和復雜性。下面通過對以上結構模型的數(shù)學分析，從數(shù)學上揭示自然災害鏈式效應復雜性規(guī)律及其本質。（A）環(huán)境作用影響基本規(guī)律式(6-16)，(6-17)表明，當系統(tǒng)結構Rz(t)恒定，即d Rz(t)/ dt =0時，災害系統(tǒng)的響應狀態(tài)Sz(t)和對外行為Hz(t)僅是受自然災害系統(tǒng)的環(huán)境E(s) 或環(huán)境與自然災害的作用關系R(t)的支配。災害的演化變異規(guī)律與環(huán)境狀態(tài)和環(huán)境作用影響關系存在一一對應的關系，即災害復雜響應行為是由環(huán)境狀態(tài)復雜變化或環(huán)境復雜輸入關系引起的。各種災害系統(tǒng)在受復雜外

40、部環(huán)境作用的影響下表現(xiàn)出隨機性、(準)周期性、區(qū)域性、季節(jié)性以及突發(fā)性等動態(tài)演化特性，并且當外部環(huán)境作用的影響消失時，相應的響應行為也將隨之消失。例如山洪暴發(fā)、洪水災害等，其響應行為往往表現(xiàn)出與作用環(huán)境的一致關系，具有季節(jié)性、周期性、區(qū)域性和突發(fā)性等特征。因此，對這類災容的研究可以忽略災害系統(tǒng)內部結構的影響，只需準確描述作用環(huán)境的變化規(guī)律就可以得到災害的演化變異過程，并且可以運用環(huán)境作用與災害系統(tǒng)的響應行為存在的滯后性實現(xiàn)災前預警。由式(6-18)，(6-19)可知，當d=0，t時刻災容系統(tǒng)的響應行為只受外部環(huán)境的狀態(tài)或環(huán)境輸入關系支配，即災害系統(tǒng)內部鏈式關系環(huán)存在是災害系統(tǒng)只受災害環(huán)境作用影

41、響支配的必要條件。（B）結構演化基本規(guī)律在實際災害研究中發(fā)現(xiàn)，災害系統(tǒng)的演化變異過程并不是與作用環(huán)境存在絕對的一致性，其響應行為表現(xiàn)出自組織、突變、混沌以及非線性等復雜動態(tài)過程，而產生這些復雜現(xiàn)象的原因則是災害環(huán)境作用和內部結構關系發(fā)生變化的共同結果。當dS(t) l/dt 0或dR(t) /dt0時，則d Rz(t)/ dt 0，由式(6-16)，(6-17)，自然災害系統(tǒng)的響應狀態(tài)Sz (t)和對外行為Hz(t)將發(fā)生變化，系統(tǒng)發(fā)生演化運動，但也存在d Sz(t)/ dt0和dHz (t) /dt0的解，即災害系統(tǒng)z(n)能夠在一定程度上調節(jié)支配層Hd上的結構Rz(t)以阻止自然災害系統(tǒng)的

42、環(huán)境E(S(t)或環(huán)境輸入關系R(t)的變化對系統(tǒng)響應狀態(tài)和系統(tǒng)對外行為的影響，體現(xiàn)了自然災害系統(tǒng)對于某些漲落具有自適應能力。例如，當災害系統(tǒng)是耗散系統(tǒng)時，系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)不會因微漲落而變化。對于任一給定的自然災害系統(tǒng)z(n)，如果支配層次Hd上至少具有一個鏈式關系環(huán)，即d1，那么其響應將具有如下演化意義上的復雜性：（1）系統(tǒng)在t時刻具有與初始系統(tǒng)結構Rzd(t0)，初始響應狀態(tài)Sz(t0)或初始對外行為Hz (t0)不同的系統(tǒng)結構Rzd(t)、響應狀態(tài)Sz(t)或對外行為Hz (t)，并且，當自然災害系統(tǒng)的環(huán)境E(s(t)在t時刻消失后，Rzd (t) ，Sz (t)或Hz (t)不能返回初始

43、態(tài)或保持不變，則自然災害系統(tǒng)z(n)具有記憶性。（2）自然災害系統(tǒng)z(n)在t時刻具有的系統(tǒng)結構Rzd (t)，響應狀態(tài)Sz (t)或對外行為Hz (t)與其過去的系統(tǒng)結構關系Rzd (t')、響應狀態(tài)Sz (t')或對外行為Hz (t')(t' t0, t)有關，特別是與其初始狀態(tài)有關，則自然災害系統(tǒng)z(n)的響應行為具有不可逆性。（3）在恒定的自然災害系統(tǒng)的環(huán)境E(S)（d Sz(t)/ dt0）或恒定的環(huán)境與自然災害的作用關系R(t)（d R/ dt0）中，系統(tǒng)結構Rzd (t)、響應狀態(tài)又Sz (t)或對外行為Hz (t)具有動態(tài)過程：d Hz (t)/

44、dt 0或dRzd /dt0，則自然災害系統(tǒng)z(n)具有自組織性。根據(jù)系統(tǒng)演化的趨極性原理，災害系統(tǒng)的自組織結果是使系統(tǒng)達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。（4）若在不同自然災害系統(tǒng)的環(huán)境E (S1(t)和E (S2(t)中，自然災害系統(tǒng)z(n)在t時刻分別具有系統(tǒng)結構Rzd1 (t)，Rzd2 (t)，響應狀態(tài)Sz1(t)，Sz2(t)和對外行為Hz1 (t)，Hz2 (t)，并且對于S1(t')=S2(t')時，存在關系Rzd1 (t')Rzd2 (t)，Sz1 (t')Sz2 (t)或Hz1 (t')Hz2 (t)，則自然災害系統(tǒng)z(n)的響應行為具有環(huán)境路徑

45、敏感性。同理，自然災害系統(tǒng)z(n)的響應行為也具有環(huán)境作用關系路徑敏感性。 （5）在自然災害系統(tǒng)的環(huán)境E(S)，SB，自然災害系統(tǒng)z(n)在t時刻具有系統(tǒng)結構、響應狀態(tài)或對外行為，并且至少存在一個SB，使得Rzd (t) ，Sz (t)或Hz (t)在S=S'上不連續(xù)，則自然災害系統(tǒng)z(n)的響應行為具有不連續(xù)性(間斷性或突變性)。（C）自然災害鏈式效應復雜性本質可見，自然災害系統(tǒng)內部結構恒定是災害響應行為與作用環(huán)境一致的充要條件，相應地，也只有當災害系統(tǒng)內部結構在環(huán)境作用影響過程中基本保持不變時，才能將災害系統(tǒng)的響應行為視為作用環(huán)境的一一對應結果，即可以用環(huán)境作用影響規(guī)律預測災害的演

46、化變異過程。而災害系統(tǒng)內部結構關系往往是伴隨著外部環(huán)境作用影響同時變化的，即災害的演化變異過程反映了環(huán)境作用和內部結構變化的綜合結果。因此，當災害系統(tǒng)動態(tài)演化過程表現(xiàn)出一些復雜的現(xiàn)象時，不僅要考慮環(huán)境作用的規(guī)律性，而且還應該從內部結構關系的變化出發(fā)來研究災害的演化過程。自然災害鏈式效應復雜性不僅是外部環(huán)境復雜性所致，更主要是自然災害系統(tǒng)支配層次上的鏈式關系環(huán)引起的，即自然災害系統(tǒng)支配層次上的鏈式關系環(huán)是自然災害復雜性的主要根源。正是由于自然災害系統(tǒng)鏈式關系環(huán)的存在使得自然災害系統(tǒng)z(n)能夠支配其系統(tǒng)結構Rzd (t)的變化以致響應狀態(tài)Sz (t)和對外行為Hz (t)的改變，從而災害系統(tǒng)具有

47、記憶性、不可逆性、自組織性、路徑敏感性和不連續(xù)性，以及與此相關的一切復雜自然災害系統(tǒng)現(xiàn)象，如非線性、突變以及混沌等現(xiàn)象。在研究具體自然災害系統(tǒng)時，正確標識自然災害系統(tǒng)支配層次Hd上的鏈式關系環(huán)，并研究該鏈式關系環(huán)的變化規(guī)律，則可以正確理解和控制自然災害表現(xiàn)出的復雜現(xiàn)象。6.3自然災害鏈斷鏈減災模式分析無論何種類型的災害鏈S(n)，所包含的災害以及變量往往是很多的。災害鏈表現(xiàn)出來的宏觀層次上的性質并不能完全從災害災變的微觀性質上得到，因為微觀層次過渡到宏觀層次時，災害鏈會出現(xiàn)新的特征，比如整體表現(xiàn)行為(危害性)大于鏈中所包含的所有災害表現(xiàn)行為(危害性)之和等。災害鏈往往加劇災害本身的致災作用并易

48、于引發(fā)新的災害，通過鏈式反應，鏈首災害的加劇必然導致鏈節(jié)點災害加劇。所以在災害的防治中，應該從災害鏈這個大局來考慮：1）在災害防御中，根據(jù)災害鏈式規(guī)律，充分考慮災害的各種鏈發(fā)可能性，預測其時、空、強范圍，制定全面防災規(guī)劃，避免只從一事、一時、一地的看問題。2）在災害治理中，也要運用災害鏈式規(guī)律，在治理直接災害目標的同時，必須充分考慮伴生和派生的其他災害，特別是由派生的母源災害治理，對于直接災害目標的防治，具有治本的意義。3）在一切工程開發(fā)活動中，要根據(jù)災害的鏈式規(guī)律，從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，搞好災害環(huán)境的損益論證。所以，災害的防御與治理工作都應該以鏈的規(guī)律為依據(jù)，力爭從災害源頭或者鏈首災害加以控制

49、，會收到事半功倍的效果。源頭斷鏈減災模式與機制的形成災害鏈是一個自然的、客觀實際存在綜合體系，各災害之間相互滲透、作用、影響，相互之間以及環(huán)境進行著物質、能量和信息交換，形成相互聯(lián)系、相互制約的復雜的反饋系統(tǒng)。在災害鏈S(n)=(G,R,E)的斷鏈減災過程中，需要從災害鏈的災害要素集合SG(n)、災害之間的關聯(lián)關系R和災害鏈所處的環(huán)境E這三個環(huán)節(jié)著手，對這些環(huán)節(jié)分別實測預警、綜合治理、切斷等措施，從而阻止災害要素的傳遞路徑。由6. 3小節(jié)對災害鏈結構的建立的數(shù)學模型可知，研究災害鏈系統(tǒng)的過程中可把所涉及的變量分為輸入變量、狀態(tài)變量和輸出變量。輸入變量是研究災害鏈之外的環(huán)境(也可稱為某個系統(tǒng))所

50、給出的，是環(huán)境對災害鏈所施加的影響，是R的量值表述；狀態(tài)變量是表示災害鏈內部狀態(tài)的量，也就是Sin所表示的量。在對災害的實際分析中，選擇狀態(tài)變量的方法不是唯一的，根據(jù)研究問題的不同可以有多種選擇方法；輸出變量表示災害鏈某種外部活動或表現(xiàn)引起的某種變化的量或定義為人為控制災害有關的量，是Hz所導致的量值。輸入變量輸出變量狀態(tài)變量圖6.18 災害鏈S(n)模式圖E圖6.19 災害鏈S(n)鏈發(fā)行為示意圖采用上面的3種變量可以把災害鏈表示成如圖6. 18所示模式圖中輸入端(左端)表示輸入變量的集合狀態(tài)變盆的集合包含在災害鏈系統(tǒng)內部一般不直接出現(xiàn)在災害鏈系統(tǒng)的外部輸出端(右端)表示輸出變量的集合。在t時刻環(huán)境對災害鏈的輸R(t)導致災害鏈內要素SGi(n)，狀態(tài)Si(t)改變，而作為SGj(n)外部環(huán)境的SGi(n)通過兩者的相互關聯(lián)Ri,j(t)又使氣(n)的S (t)狀態(tài)發(fā)生改變，依次往下延續(xù)最終災害鏈會有一個外部破壞表現(xiàn)行為Hz(t)(見圖6. 19)。在環(huán)境E中災害鏈S(n)在t時刻具有系統(tǒng)結構Rz(t)和災害鏈的外部破壞表現(xiàn)行為Hz(t)(見圖6. 20)，恒有如下關系：式中