災(zāi)害系統(tǒng)的鏈?zhǔn)巾憫?yīng)行為與單災(zāi)種與多災(zāi)種演化

災(zāi)害系統(tǒng)的鏈?zhǔn)巾憫?yīng)行為與單災(zāi)種與多災(zāi)種演化

0自然災(zāi)害與鏈?zhǔn)疥P(guān)系今天，世界上頻繁發(fā)生的災(zāi)難是罕見的，具有高度的破壞性，對人們的生活和財產(chǎn)安全構(gòu)成了重大威脅。災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚撜J(rèn)為,每當(dāng)一種特大災(zāi)害發(fā)生時,都會導(dǎo)致或者伴隨著多種次生災(zāi)害。如山區(qū)發(fā)生強震或者山洪,便接踵而至的是泥石流、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,由此導(dǎo)致公路交通生命線中斷、橋梁垮塌、水系急劇改變而形成堰塞湖等。因此,研究多種災(zāi)害相互之間的演化關(guān)系尤為重要。對單一災(zāi)變鏈?zhǔn)疥P(guān)系的研究已提出各種思路,并提出各種災(zāi)害鏈?zhǔn)疥P(guān)系。游珍等研究重慶市暴雨規(guī)律,探討了暴雨災(zāi)害特點、類型及災(zāi)變鏈,指出暴雨不但能引發(fā)單個災(zāi)害,還可以形成暴雨災(zāi)變鏈,相比于單一災(zāi)害,災(zāi)變鏈具有災(zāi)情放大效應(yīng)。魏一鳴在20世紀(jì)即提出自然災(zāi)害的復(fù)雜性。范海軍等研究了自然災(zāi)害鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜規(guī)律。本文以災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摓橐劳?基于耗散結(jié)構(gòu)理論,探索單災(zāi)種向多災(zāi)種演繹機理。1災(zāi)變鏈?zhǔn)叫?yīng)的概念及其演化過程鏈?zhǔn)嚼碚撌菍⒂钪骈g自然或人類活動等因素導(dǎo)致的自然災(zāi)害,抽象為具有載體共性反應(yīng)特征,以描繪單一或者多種災(zāi)害的形成、滲透、干涉、轉(zhuǎn)化、分解、合成、耦合等相關(guān)的物化信息過程,直至災(zāi)害發(fā)生給人類社會造成損失和破壞等各種鏈?zhǔn)疥P(guān)系的總稱。災(zāi)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發(fā)展方向演繹。這個過程表明災(zāi)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(zhì)、能量等信息形式予以表征,這就是鏈?zhǔn)叫?yīng)的載體反映,這種載體反映體現(xiàn)了由量變到質(zhì)變的內(nèi)涵和外延關(guān)系的演化。這種演化過程就是一種“鏈?zhǔn)叫?yīng)”。不同的災(zāi)害類型可用統(tǒng)一的鏈?zhǔn)叫?yīng)關(guān)系來表征,災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摳鶕?jù)性態(tài)演化,量級演化,時空演化,將災(zāi)害分為8種鏈?zhǔn)疥P(guān)系;分別為A崩裂滑移鏈;B周期循環(huán)鏈;C支干流域鏈;D樹支葉脈鏈;E蔓延侵蝕鏈;F沖淤沉積鏈;G波動襲擊鏈;H放射殺傷鏈。實際上鏈?zhǔn)疥P(guān)系又相互耦合,在條件具備時,災(zāi)害極易由單一災(zāi)種向多災(zāi)種進(jìn)行演化。如崩裂滑移鏈反復(fù)爆發(fā),就構(gòu)成周期循環(huán)鏈;地震爆發(fā)屬于波動襲擊連,同時地震爆發(fā)能誘發(fā)各種次生災(zāi)害,當(dāng)次生災(zāi)害再受到外界影響,進(jìn)一步造成更嚴(yán)重的災(zāi)害,形成另一種災(zāi)害鏈。2耗散結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)理論可概括為:一個遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性的開放系統(tǒng)(物理的、化學(xué)的、生物的、社會的、經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng))通過不斷地與外界交換物質(zhì)和能量,在系統(tǒng)內(nèi)部某個參量的變化達(dá)到一定的閾值時,通過漲落,系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變,由原來的混沌無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。這種在遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)形成的新的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu),由于需要不斷與外界交換物質(zhì)或能量才能維持,因此稱之為“耗散結(jié)構(gòu)”。耗散結(jié)構(gòu)理論創(chuàng)始人在研究大量系統(tǒng)的自組織過程以后,總結(jié)、歸納得出,系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)需要下列條件:①系統(tǒng)必須開放;②遠(yuǎn)離平衡態(tài);③非線性相互作用;④漲落。如果把災(zāi)變鏈的發(fā)生和轉(zhuǎn)化放入一個系統(tǒng)中研究,則符合耗散結(jié)構(gòu)理論的條件。開放系統(tǒng):災(zāi)變鏈?zhǔn)较到y(tǒng)不斷與外界環(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)、能量和信息的交換,并進(jìn)一步增加有序性,走向自組織,表現(xiàn)為災(zāi)害內(nèi)子部分的協(xié)同運動。遠(yuǎn)離平衡態(tài):開放的鏈?zhǔn)较到y(tǒng)在外界作用下離開平衡態(tài),開放逐漸加大,外界對系統(tǒng)的影響逐漸變強,將系統(tǒng)逐漸從近平衡區(qū)推向遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)。非線性相互作用:組成系統(tǒng)的子系統(tǒng)之間存在著相互作用,災(zāi)害發(fā)生的原因以及造成的損失不是簡單的滿足疊加原理。正因為這樣,由子系統(tǒng)形成系統(tǒng)時,會涌現(xiàn)出新的性質(zhì)。漲落:漲落是指對系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的偏離,它是實際存在的一切系統(tǒng)的固有特征。系統(tǒng)內(nèi)部原因造成的漲落,稱為內(nèi)漲落;系統(tǒng)外部原因造成的漲落,稱為外漲落。處于平衡態(tài)系統(tǒng)的隨機漲落,稱為微漲落;處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡態(tài)系統(tǒng)的隨機漲落,稱為巨漲落。對于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡態(tài)系統(tǒng),隨機的小漲落有可能迅速放大,使系統(tǒng)由不穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到一個新的有序狀態(tài),從而形成耗散結(jié)構(gòu)。各種災(zāi)害形態(tài)都存在內(nèi)外原因,致災(zāi)因子的漲落因不同災(zāi)害鏈而表現(xiàn)不同。即內(nèi)漲落、外漲落、微漲落、巨漲落等在災(zāi)害鏈中是根據(jù)不同災(zāi)害鏈而確定的。3單災(zāi)向多災(zāi)向多災(zāi)的發(fā)展規(guī)律的探索3.1系統(tǒng)的熵值變化的過程現(xiàn)代理論研究證明,系統(tǒng)在量變的過程中也有部分突變,突變是量變的積累;每一種災(zāi)害的發(fā)生都是系統(tǒng)微漲落的結(jié)果。將系統(tǒng)的微漲落用一種數(shù)值來衡量,即熵,用ds表示;當(dāng)熵值增加到臨界值時,災(zāi)害發(fā)生。以滑坡為例,原始地貌處于宇宙的開放系統(tǒng)中,由于人為或地質(zhì)構(gòu)造等原因形成了潛在滑坡體,即出現(xiàn)遠(yuǎn)離平衡態(tài)過程;在地震、強降雨等誘發(fā)因子的激勵下,滑坡體逐漸產(chǎn)生緩慢的滑移或蠕變,即在外部環(huán)境輸入熵值增加;當(dāng)滑坡體的潛在滑動面逐漸貫通,巖土體的主要力學(xué)參數(shù)如c、φ等發(fā)生劣化降低,達(dá)到了滑坡發(fā)生的臨界值,亦即熵值達(dá)到災(zāi)害發(fā)生的臨界值,進(jìn)而在誘發(fā)因子的異變耦合作用下產(chǎn)生突變,表現(xiàn)為滑坡失穩(wěn),形成滑坡災(zāi)害。在系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)時,系統(tǒng)朝著混沌、無序、不穩(wěn)定方向發(fā)展,系統(tǒng)熵值一直處于增加狀態(tài)。將熵值ds分為內(nèi)部熵變(dis)和外部熵變(des)表示,則系統(tǒng)內(nèi)部自身的熵變量dis始終大于或等于0。同時,當(dāng)災(zāi)害由原發(fā)災(zāi)害向次生災(zāi)害轉(zhuǎn)化的臨界過程中,des為大于0,因此加速系統(tǒng)朝向不穩(wěn)定方向發(fā)展,最終形成了多種災(zāi)害。整個流程圖如圖1所示。從單一災(zāi)害來看,系統(tǒng)的熵值一直處于增加狀態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為,熵值的增加伴隨著能量的轉(zhuǎn)化,能量的自發(fā)轉(zhuǎn)化實質(zhì)上是系統(tǒng)自組織現(xiàn)象。單一災(zāi)害形成過程中,能量不斷蓄積,熵值不斷增加,達(dá)到臨界值,能量釋放,災(zāi)害發(fā)生。3.2基于致災(zāi)鏈?zhǔn)降臒嶝?fù)荷模型近年來頻發(fā)的災(zāi)害都不是單一的災(zāi)害體,而是從一種致災(zāi)因子產(chǎn)生主災(zāi)害,進(jìn)而引發(fā)次生災(zāi)害,同時主次災(zāi)害之間在環(huán)境惡劣的條件下還能進(jìn)行轉(zhuǎn)化,從災(zāi)害發(fā)生的致災(zāi)因子可以看出,非線性或者耦合性質(zhì)往往是災(zāi)害造成重大損失或者次生災(zāi)害的主要原因。將8種災(zāi)變鏈?zhǔn)椒謩e記為ABCDEFGH,狀態(tài)為E(i)(其中i為A,B,…,H);A災(zāi)害系統(tǒng)的致災(zāi)因子記為e(Aj)(其中j為1,2…,NA,表示致災(zāi)因子種類,如滑坡災(zāi)害中的地質(zhì)運動,地震,強降雨等),同樣B災(zāi)害系統(tǒng)的致災(zāi)因子記為e(Bj)(其中j為1,2…,NB),其他依此類推。同時當(dāng)某種災(zāi)害成為另外一種災(zāi)害的致災(zāi)因子時E(i)可轉(zhuǎn)化為e(ij)。災(zāi)害系統(tǒng)的狀態(tài)是致災(zāi)因子的動態(tài)函數(shù),致災(zāi)因子具有的能量表示為時間和環(huán)境的函數(shù),對于災(zāi)害鏈A有f(e(A1),t),f(e(A2),t),f(e(…),t),f(e(ANA),t),用G表示各致災(zāi)因子之間的狀態(tài)關(guān)系函數(shù),熵值變化為內(nèi)部熵變和外部熵變的函數(shù)F(dis(A),des(A)),則災(zāi)害的致災(zāi)鏈?zhǔn)綑C理可以表示為:G(f(e(A1),t),f(e(A2),t),f(e(…),t),f(e(ANA),t))=F(dis(A),des(A))。(1)式(1)即為基于系統(tǒng)論建立的能量耗散理論模型。要避免災(zāi)害的發(fā)生則需滿足函數(shù)關(guān)系G<F,從斷鏈減災(zāi)思路出發(fā),即減少各個致災(zāi)因子的致災(zāi)能量。求出鏈?zhǔn)诫A段劃分的階段—Ⅰ孕育階段、Ⅱ潛存階段、Ⅲ誘發(fā)階段三個臨界熵,對應(yīng)的F函數(shù)為FⅠ(dis(A),des(A)),FⅡ(dis(A),des(A)),FⅢ(dis(A),des(A))。4從斷鏈災(zāi)原理分析滑坡系統(tǒng)的熵函數(shù)以波動襲擊鏈為例說明以上理論的應(yīng)用。地震滑坡等屬于典型的波動襲擊鏈,其致災(zāi)因子為斷層滑移e(G1)、板塊撞擊e(G2);火山噴發(fā)e(G3),不穩(wěn)定地質(zhì)地貌(G4)、地下水活動(G5)、人類活動(G6),6個致災(zāi)因子對系統(tǒng)的熵貢獻(xiàn)分別為:f(e(G1),t),f(e(G2),t),f(e(G3),t),f(e(G4),t),f(e(G5),t),f(e(G6),t)為便于量化計算,將e(G1)、e(G2)、e(G3)三個地震因素統(tǒng)稱為e(GQ),根據(jù)具體地震來計算。則波動襲擊鏈狀態(tài)函數(shù)為:G(f(e(GQ),t),f(e(G4),t),f(e(G5),t),f(e(G6),t)),對于可能因地震誘發(fā)滑坡的區(qū)域,根據(jù)經(jīng)驗和統(tǒng)計規(guī)律得出滑坡系統(tǒng)的臨界熵值為F(dis(G),des(G))。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后,根據(jù)場地加速度時程曲線得出滑坡系統(tǒng)具有的能量Q,再由熵與能量的關(guān)系即可得出地震對滑坡系統(tǒng)的熵值f(e(GQ),t)的貢獻(xiàn)值。根據(jù)地勘資料和長期監(jiān)測可得出f(e(G4),t),f(e(G5),t),f(e(G6),t),最終確定震—崩—滑—泥鏈的狀態(tài)函數(shù)G(f(e(GQ),t),f(e(G4),t),f(e(G5),t),f(e(G6),t)),同時計算出震—崩—滑—泥鏈的各個階段熵函數(shù),為FⅠ(dis(A),des(A)),FⅡ(dis(A),des(A)),FⅢ(dis(A),des(A)),若G<FI,則系統(tǒng)處于孕育階段;同理可以根據(jù)G與F的關(guān)系判斷其他兩個階段。從斷鏈減災(zāi)角度對三個階段分別提出防治措施為:①孕育階段可用綠化、排水、清方減載等;②潛存階段可用反壓、各種支檔結(jié)構(gòu)等;③誘發(fā)階段可用滑帶土改良,各種支檔結(jié)構(gòu)等:根據(jù)階段選擇最經(jīng)濟(jì)的治理方案。5基于模型的抗災(zāi)機理分析本文以災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摰陌朔N鏈?zhǔn)叫螒B(tài)為依托,基于耗散結(jié)構(gòu)理論,指出自然災(zāi)害系統(tǒng)鏈?zhǔn)巾憫?yīng)行為是外部環(huán)境復(fù)雜輸入和自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系變化兩方面共同作用的結(jié)果,構(gòu)建系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)學(xué)函數(shù),實現(xiàn)面向問題的數(shù)學(xué)