災害系統的鏈式響應行為與單災種與多災種演化

0自然災害與鏈式關系今天，世界上頻繁發生的災難是罕見的，具有高度的破壞性，對人們的生活和財產安全構成了重大威脅。災變鏈式理論認為,每當一種特大災害發生時,都會導致或者伴隨著多種次生災害。如山區發生強震或者山洪,便接踵而至的是泥石流、崩塌、滑坡等地質災害,由此導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,研究多種災害相互之間的演化關系尤為重要。對單一災變鏈式關系的研究已提出各種思路,并提出各種災害鏈式關系。游珍等研究重慶市暴雨規律,探討了暴雨災害特點、類型及災變鏈,指出暴雨不但能引發單個災害,還可以形成暴雨災變鏈,相比于單一災害,災變鏈具有災情放大效應。魏一鳴在20世紀即提出自然災害的復雜性。范海軍等研究了自然災害鏈式結構的復雜規律。本文以災變鏈式理論為依托,基于耗散結構理論,探索單災種向多災種演繹機理。1災變鏈式效應的概念及其演化過程鏈式理論是將宇宙間自然或人類活動等因素導致的自然災害,抽象為具有載體共性反應特征,以描繪單一或者多種災害的形成、滲透、干涉、轉化、分解、合成、耦合等相關的物化信息過程,直至災害發生給人類社會造成損失和破壞等各種鏈式關系的總稱。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境狀態朝著不利于人類社會的發展方向演繹。這個過程表明災害形成必有延續性,其延續性的演化過程總是以一定的物質、能量等信息形式予以表征,這就是鏈式效應的載體反映,這種載體反映體現了由量變到質變的內涵和外延關系的演化。這種演化過程就是一種“鏈式效應”。不同的災害類型可用統一的鏈式效應關系來表征,災變鏈式理論根據性態演化,量級演化,時空演化,將災害分為8種鏈式關系;分別為A崩裂滑移鏈;B周期循環鏈;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。實際上鏈式關系又相互耦合,在條件具備時,災害極易由單一災種向多災種進行演化。如崩裂滑移鏈反復爆發,就構成周期循環鏈;地震爆發屬于波動襲擊連,同時地震爆發能誘發各種次生災害,當次生災害再受到外界影響,進一步造成更嚴重的災害,形成另一種災害鏈。2耗散結構及系統耗散結構理論可概括為:一個遠離平衡態的非線性的開放系統(物理的、化學的、生物的、社會的、經濟的系統)通過不斷地與外界交換物質和能量,在系統內部某個參量的變化達到一定的閾值時,通過漲落,系統可能發生突變即非平衡相變,由原來的混沌無序狀態轉變為一種在時間上、空間上或功能上的有序狀態。這種在遠離平衡的非線性區形成的新的穩定的宏觀有序結構,由于需要不斷與外界交換物質或能量才能維持,因此稱之為“耗散結構”。耗散結構理論創始人在研究大量系統的自組織過程以后,總結、歸納得出,系統形成有序結構需要下列條件:①系統必須開放;②遠離平衡態;③非線性相互作用;④漲落。如果把災變鏈的發生和轉化放入一個系統中研究,則符合耗散結構理論的條件。開放系統:災變鏈式系統不斷與外界環境進行著物質、能量和信息的交換,并進一步增加有序性,走向自組織,表現為災害內子部分的協同運動。遠離平衡態:開放的鏈式系統在外界作用下離開平衡態,開放逐漸加大,外界對系統的影響逐漸變強,將系統逐漸從近平衡區推向遠離平衡的非線性區。非線性相互作用:組成系統的子系統之間存在著相互作用,災害發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,由子系統形成系統時,會涌現出新的性質。漲落:漲落是指對系統穩定狀態的偏離,它是實際存在的一切系統的固有特征。系統內部原因造成的漲落,稱為內漲落;系統外部原因造成的漲落,稱為外漲落。處于平衡態系統的隨機漲落,稱為微漲落;處于遠離平衡態的非平衡態系統的隨機漲落,稱為巨漲落。對于遠離平衡態的非平衡態系統,隨機的小漲落有可能迅速放大,使系統由不穩定狀態躍遷到一個新的有序狀態,從而形成耗散結構。各種災害形態都存在內外原因,致災因子的漲落因不同災害鏈而表現不同。即內漲落、外漲落、微漲落、巨漲落等在災害鏈中是根據不同災害鏈而確定的。3單災向多災向多災的發展規律的探索3.1系統的熵值變化的過程現代理論研究證明,系統在量變的過程中也有部分突變,突變是量變的積累;每一種災害的發生都是系統微漲落的結果。將系統的微漲落用一種數值來衡量,即熵,用ds表示;當熵值增加到臨界值時,災害發生。以滑坡為例,原始地貌處于宇宙的開放系統中,由于人為或地質構造等原因形成了潛在滑坡體,即出現遠離平衡態過程;在地震、強降雨等誘發因子的激勵下,滑坡體逐漸產生緩慢的滑移或蠕變,即在外部環境輸入熵值增加;當滑坡體的潛在滑動面逐漸貫通,巖土體的主要力學參數如c、φ等發生劣化降低,達到了滑坡發生的臨界值,亦即熵值達到災害發生的臨界值,進而在誘發因子的異變耦合作用下產生突變,表現為滑坡失穩,形成滑坡災害。在系統處于臨界狀態時,系統朝著混沌、無序、不穩定方向發展,系統熵值一直處于增加狀態。將熵值ds分為內部熵變(dis)和外部熵變(des)表示,則系統內部自身的熵變量dis始終大于或等于0。同時,當災害由原發災害向次生災害轉化的臨界過程中,des為大于0,因此加速系統朝向不穩定方向發展,最終形成了多種災害。整個流程圖如圖1所示。從單一災害來看,系統的熵值一直處于增加狀態。耗散結構理論認為,熵值的增加伴隨著能量的轉化,能量的自發轉化實質上是系統自組織現象。單一災害形成過程中,能量不斷蓄積,熵值不斷增加,達到臨界值,能量釋放,災害發生。3.2基于致災鏈式的熱負荷模型近年來頻發的災害都不是單一的災害體,而是從一種致災因子產生主災害,進而引發次生災害,同時主次災害之間在環境惡劣的條件下還能進行轉化,從災害發生的致災因子可以看出,非線性或者耦合性質往往是災害造成重大損失或者次生災害的主要原因。將8種災變鏈式分別記為ABCDEFGH,狀態為E(i)(其中i為A,B,…,H);A災害系統的致災因子記為e(Aj)(其中j為1,2…,NA,表示致災因子種類,如滑坡災害中的地質運動,地震,強降雨等),同樣B災害系統的致災因子記為e(Bj)(其中j為1,2…,NB),其他依此類推。同時當某種災害成為另外一種災害的致災因子時E(i)可轉化為e(ij)。災害系統的狀態是致災因子的動態函數,致災因子具有的能量表示為時間和環境的函數,對于災害鏈A有f(e(A1),t),f(e(A2),t),f(e(…),t),f(e(ANA),t),用G表示各致災因子之間的狀態關系函數,熵值變化為內部熵變和外部熵變的函數F(dis(A),des(A)),則災害的致災鏈式機理可以表示為:G(f(e(A1),t),f(e(A2),t),f(e(…),t),f(e(ANA),t))=F(dis(A),des(A))。(1)式(1)即為基于系統論建立的能量耗散理論模型。要避免災害的發生則需滿足函數關系G<F,從斷鏈減災思路出發,即減少各個致災因子的致災能量。求出鏈式階段劃分的階段—Ⅰ孕育階段、Ⅱ潛存階段、Ⅲ誘發階段三個臨界熵,對應的F函數為FⅠ(dis(A),des(A)),FⅡ(dis(A),des(A)),FⅢ(dis(A),des(A))。4從斷鏈災原理分析滑坡系統的熵函數以波動襲擊鏈為例說明以上理論的應用。地震滑坡等屬于典型的波動襲擊鏈,其致災因子為斷層滑移e(G1)、板塊撞擊e(G2);火山噴發e(G3),不穩定地質地貌(G4)、地下水活動(G5)、人類活動(G6),6個致災因子對系統的熵貢獻分別為: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)三個地震因素統稱為e(GQ),根據具體地震來計算。則波動襲擊鏈狀態函數為: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滑坡的區域,根據經驗和統計規律得出滑坡系統的臨界熵值為F(dis(G),des(G))。當地震發生后,根據場地加速度時程曲線得出滑坡系統具有的能量Q,再由熵與能量的關系即可得出地震對滑坡系統的熵值f(e(GQ),t)的貢獻值。根據地勘資料和長期監測可得出f(e(G4),t),f(e(G5),t),f(e(G6),t),最終確定震—崩—滑—泥鏈的狀態函數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,為FⅠ(dis(A),des(A)),FⅡ(dis(A),des(A)),FⅢ(dis(A),des(A)),若G<FI,則系統處于孕育階段;同理可以根據G與F的關系判斷其他兩個階段。從斷鏈減災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、各種支檔結構等;③誘發階段可用滑帶土改良,各種支檔結構等:根據階段選擇最經濟的治理方案。5基于模型的抗災機理分析本文以災變鏈式理論的八種鏈式形態為依托,基于耗散結構理論,指出自然災害系統鏈式響應行為是外部環境復雜輸入和自身內部結構關系變化兩方面共同作用的結果,構建系統的狀態數學函數,實現面向問題的數學