王 威,瞿孜諾,郭小東,馬東輝

(北京工業(yè)大學 城市建設(shè)學部,北京 100124)

0 引言

通過分析大型災害發(fā)生過程的成因與演變可以發(fā)現(xiàn),巨災發(fā)生后慘重的傷亡和損失并不是由單一災種所釀造[1],在地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、氣候條件、植被與水文等自然要素綜合作用下[2],多種災害在時空一致的條件下,容易相互關(guān)聯(lián)構(gòu)成連鎖機制,復雜的多災系統(tǒng)放大了首發(fā)災害的影響力,使得災損非線性累積惡化,人們逐漸意識到多災種關(guān)聯(lián)后的綜合危險會向城市的生存發(fā)出警告。

目前,國內(nèi)外災害領(lǐng)域研究的總趨勢正從單災種致災過程向綜合風險研究方向推進[3],多災種的研究對于城市安全保障和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,面對綜合風險評估的多災種內(nèi)在關(guān)聯(lián)和綜合致災機制是當前相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的研究重點,也是綜合風險評估研究的基礎(chǔ)內(nèi)容[4],這對多災關(guān)聯(lián)的全面識別與分析處理方法提出了更高的要求。本文通過厘清災害之間的關(guān)聯(lián)類型,建立系統(tǒng)性的作用關(guān)系框架,并提供1種可復制的多災關(guān)聯(lián)框架的構(gòu)建方法,在多源數(shù)據(jù)支撐下宏觀可視化某城市多災種關(guān)系體系和鏈式觸發(fā)現(xiàn)象。研究結(jié)果可為災害情景模擬等綜合風險評估方法研究提供一定參考。

1 概念辨析

1.1 多災種風險與相互作用

由于認知角度的多元性以及對相互作用理解方面觀察角度的不同,目前多災種的概念術(shù)語系統(tǒng)變得更為模糊[5],相對單災種概念,多災種是指多種致災因子在特定時段特定地點并存、并發(fā)的情況,或者理解為多種形式災害的疊加,一般表現(xiàn)為多種致災因子在時空條件一致情況下的綜合風險[6],致災因子復雜的危險性是影響多種災害風險水平的主要因素之一。

災害之間的時空關(guān)系、相互作用機制和觸發(fā)環(huán)境等較為多變,汪嘉俊等[7]將多災種情形劃分為災害事故相互增強、災害事故互斥削弱、災害事故互不影響3類,建立包含自然災害以及事故災難的覆蓋面較廣的多災種概念框架;明曉東等[8]從相互作用、發(fā)生時間、影響范圍和致災效果4個角度呈現(xiàn)多災種概念,認為不同致災因子之間存在相互獨立、相關(guān)關(guān)系、因果觸發(fā)3種關(guān)系。Melanie等[9]提出多災種相互作用的3種類型:1種災害可能通過級聯(lián)效應導致另1種災害,2個或2個以上的危險可能同時影響同1個地區(qū),以及其危害可能依次影響同1個主體或物體進而導致累積效應;李宏男等[10]對結(jié)構(gòu)可能遭受的多災種進行抗災設(shè)計,將其可分為連續(xù)型災害、獨立型災害和并列型災害;Tilloy等[11]將災害相互關(guān)系劃分為觸發(fā)、改變條件、復合、獨立和互斥5類,并總結(jié)出隨機模型、經(jīng)驗模型和機理模型3種作用關(guān)系的量化方法。綜上所述,由于認知角度的多元性,現(xiàn)有研究中災害相互關(guān)系術(shù)語存在內(nèi)涵上的重合和不一致,缺乏普適性的術(shù)語框架對災害間的關(guān)系進行全方位概括。

1.2 多災種關(guān)聯(lián)框架

多種災害的作用關(guān)系對于多災種風險評估和綜合防災減災領(lǐng)域的研究較為重要,對于城市多災種相互作用的研究,目前仍缺乏系統(tǒng)化、普適化的可視化表達方式。蓋程程等[12]在危險源耦合評估過程中考慮了災害之間的相互作用,通過數(shù)字大小表示多災聯(lián)大小,但在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)還尚未出現(xiàn)解釋性的關(guān)聯(lián)量化方法。本文通過文獻調(diào)研和內(nèi)容篩選,將城市潛在的自然災害相互作用進行矩陣形式的可視化數(shù)據(jù)庫整理,形成“城市多災種關(guān)聯(lián)框架”,結(jié)合來自自然科學和社會科學領(lǐng)域的多源數(shù)據(jù)總結(jié)多災種的相互作用[13],展示出相對全面、系統(tǒng)、有充足參考說明的多災關(guān)系,進而通過已有數(shù)據(jù)進行災害鏈的案例研究,識別多災種之間的觸發(fā)潛力,可以在給定首發(fā)災害的前提下,圖形化展示多災種相互作用鏈式情景。

2 多災種相互作用關(guān)系與量化方法

通過對災害間關(guān)聯(lián)大小的分析衍生相互作用,總結(jié)出災害之間存在3種關(guān)聯(lián)程度,分別是以前后因果為基準的強關(guān)聯(lián)、以致災因子關(guān)聯(lián)為主的弱關(guān)聯(lián)以及毫無關(guān)聯(lián)。通過廣泛地閱讀文獻、提取概念、分析案例,總結(jié)出4種作用關(guān)系:級聯(lián)災害、并發(fā)性災害、存在潛在影響和獨立性災害,并結(jié)合災害時間上的演化細分成4種過程性相互作用關(guān)系。

2.1 級聯(lián)觸發(fā)

災害之間強關(guān)聯(lián)關(guān)系以因果關(guān)系為基礎(chǔ),可以概括為級聯(lián)觸發(fā),又稱“災害鏈”或“鏈發(fā)關(guān)系”。例如,山區(qū)強降雨誘發(fā)滑坡災害,即首發(fā)災害的發(fā)生引發(fā)了其他次生災害的現(xiàn)象,是1種典型的復合災害,觸發(fā)的可能性與孕災環(huán)境的變化規(guī)律密切相關(guān)。從次生災害類型上看,同種類型不同強度的災害之間會相互觸發(fā),例如主震與余震的關(guān)系,同類型的觸發(fā)施以承災體第2次更嚴重的創(chuàng)傷,災情產(chǎn)生累加效應。另外,較為嚴重的首發(fā)災害在改變了次生災害的孕災環(huán)境后,結(jié)合承災體的脆弱性,便能級聯(lián)觸發(fā)其他類型的單種或多種災害,形成鏈發(fā)效應,多類災害極易擴大災情的空間范圍。例如,“暴雨-滑坡-泥石流-堰塞湖-洪澇”災害鏈,受災范圍從山體逐漸轉(zhuǎn)移到河流和城市。地震通過對地面的強烈震動誘發(fā)不穩(wěn)定的山體出現(xiàn)崩塌、滑坡等災害,承災范圍由地震源轉(zhuǎn)移到山體再轉(zhuǎn)移到人口聚集地。該類災害關(guān)系影響較大,蘊含著復雜的災變機理,呈現(xiàn)出災害系統(tǒng)的復雜性,是當前災害領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題。

2.2 并發(fā)性災害

并發(fā)性災害又稱群發(fā)性災害,因果關(guān)系在2種災害本身之間無明顯體現(xiàn),但由于地質(zhì)環(huán)境和承災體等時空關(guān)聯(lián)特征,由于致災因子顯著的相關(guān)性或因果關(guān)系,從而經(jīng)常出現(xiàn)“崩塌-滑坡”“臺風-暴雨”等2種或多種災害在同1個地點同時或前后爆發(fā)。在特定的孕災環(huán)境下,結(jié)合承災體脆弱性與暴露性,并發(fā)性災害產(chǎn)生的災情影響是復合性的,無法進行單種災害影響的疊加,該類復合的相互作用會通過強度的增加造成對承災體更大強度的影響,另外由于承災體的脆弱性與其狀態(tài)的復雜演化可能會導致更為嚴重的后果[14]。

2.3 存在潛在影響

在更多情況下,1種災害風險會通過對環(huán)境條件的影響,提高第2種風險的發(fā)生概率,該種關(guān)系存在的因素是時間尺度,較大的災害對孕災環(huán)境的影響是增加次生災害發(fā)生的可能性,即2種災害存在弱相關(guān)的潛在關(guān)系。例如,森林火災可能會剝?nèi)ツ车刂脖徊⑹雇寥烙操|(zhì)化,通過增加液體流速從而增大洪水的發(fā)生的概率和強度,并結(jié)合夏季暴雨容易導致泥石流。例如,2022年4月在新墨西哥州旗桿市1場野火燒毀大面積森林和土地,之后當?shù)赜殖霈F(xiàn)強降雨天氣,在沒有植被蓄水防洪的情況下,導致旗桿市發(fā)生多輪山洪暴發(fā)[15]。可見,森林火災通過改變孕災環(huán)境增加次生災害發(fā)生的可能性。另外,地面沉降也會增加洪水的發(fā)生概率。

2.4 獨立性災害

由于孕災環(huán)境的差異性,不同災害之間的關(guān)系較為微弱,如若在時空一致的條件下同時發(fā)生,可歸結(jié)為人為原因或偶然,擁有該類關(guān)系的災害為獨立性災害。2種災害本身(致災因子)之間沒有任何依賴關(guān)系,只是出于巧合偶然發(fā)生于相近的空間和時間。例如,2010年,帕卡亞火山暴發(fā)和熱帶風暴阿加莎幾乎同時襲擊了危地馬拉的太平洋海岸線,導致由于火山灰堵塞排水系統(tǒng),引發(fā)火山泥流,加劇了損害[16]。在該類別中,仍然包括2種災害在不同時間影響同1個地區(qū)的情況,例如,地震后幾周內(nèi)發(fā)生的氣旋災害,火山噴發(fā)后發(fā)生強降雨等現(xiàn)象。

2.5 過程性多災種相互作用

自然災害系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的恒定是災害行為與環(huán)境一致的充分條件,災害的演化變異過程也反映出環(huán)境作用和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的綜合性結(jié)果[17]。自然災害呈現(xiàn)的復雜性很大程度上來源于時間過程下的空間耦合機制,上述災害類型中復合型的災害關(guān)系涉及過程性的復雜情景,結(jié)合次生災害觸發(fā)效果,級聯(lián)觸發(fā)類型的災害關(guān)系可以分為引發(fā)單種單次災害和引發(fā)多次災害2種類型。最終得到過程性多災種的4種相互作用關(guān)系,分別為:首次災害級聯(lián)觸發(fā)1次次生災害、首次災害易級聯(lián)觸發(fā)多次次生災害、災害之間相關(guān)或存在影響、災害之間相互獨立。多災種相互作用關(guān)系類型如圖1所示。

圖1 多災種相互作用關(guān)系類型Fig.1 Types of multi-disaster interaction relationship

2.6 多災種作用關(guān)系的探索方法

在信息技術(shù)不斷發(fā)展的背景下,文本挖掘是提取有效信息主要方法之一。多災種之間的關(guān)系呈現(xiàn)出復雜、模糊和不確定等特征,進行識別與統(tǒng)計需要從現(xiàn)有的大規(guī)模文本信息中加以搜集和篩選。本文通過災害的共詞網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計來表征兩者的關(guān)聯(lián)程度,從而實現(xiàn)關(guān)系的量化與進一步可視化。具體是以檢索為手段,評估給定詞語對所屬語料庫中文件集的重復程度,認為重復度更高的2類或多類災害具有更強的關(guān)聯(lián)性,也更加接近真實的災種關(guān)系。

3 多災種關(guān)聯(lián)框架與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

3.1 構(gòu)建自然災害分類矩陣

以我國國內(nèi)現(xiàn)行標準《自然災害分類與代碼》[18],并作合理調(diào)整后確定出5大類33小類的災種體系,作為本文研究中樣本災種的識別依據(jù),按順序排列形成方形矩陣,方便后續(xù)進一步關(guān)系頻次的填充。

3.2 數(shù)據(jù)收集、處理與集成

1)數(shù)據(jù)來源。制定某城市全面且有實證依據(jù)的多災種關(guān)聯(lián)框架需要大量文本數(shù)據(jù)支撐,以支持災害之間作用的系統(tǒng)識別,數(shù)據(jù)內(nèi)容以城市歷史上的多種災害的發(fā)生情況為主,同時包容相似孕災環(huán)境下的其他災種聯(lián)合情景。表1所示為不同數(shù)據(jù)來源與示例,樣本主要來源于4個部分,分別是科研成果與公開報告(A)、媒體(B)、利益相關(guān)者(C)和其他(D)。其中,科研成果和公開報告相對更權(quán)威和準確,包括期刊文獻、碩博士論文、教科書、技術(shù)報告、數(shù)據(jù)庫以及相關(guān)政府官網(wǎng)災害新聞報告等,上述數(shù)據(jù)能夠更直觀地索引到災害之間的作用關(guān)系以及內(nèi)在機理;媒體來源數(shù)據(jù)可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)、報紙、推文等多元信息,進行文章或新聞標題、內(nèi)容中出現(xiàn)多種災害的檢索,并與科研報告的數(shù)據(jù)進行進一步比對和篩查;利益相關(guān)者是與當?shù)卣?、相關(guān)部門以及關(guān)聯(lián)居民進行直面或間接的訪談,研究人員需要根據(jù)經(jīng)驗和與研究問題的相關(guān)性來選擇參與者,以保證數(shù)據(jù)的有效性;其他數(shù)據(jù)來源主要為地圖集和一些遙感圖集等,也需要謹慎選擇。

表1 數(shù)據(jù)來源與示例Table 1 Data sources and examples

2)文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。各類來源和形式的數(shù)據(jù)需要進行歸一化的文本轉(zhuǎn)換工作,從而有條件實現(xiàn)全數(shù)據(jù)源的文本索引,本文數(shù)據(jù)來源A與B的數(shù)據(jù)形式可以直接進行檢索使用,數(shù)據(jù)來源C與D需要人工手動進行文本的撰寫與輸入,最終形成文本集形式的多災關(guān)系樣本。

3.3 詞頻與共現(xiàn)關(guān)系統(tǒng)計

本文使用微詞云分詞工具,從前文所形成的文本集中統(tǒng)計災害之間的共現(xiàn)率,將篩選詞典定義為33種自然災害,即可導出災害共詞矩陣,用于人為識別災害之間的作用關(guān)系,其次進行2種以上災害的共現(xiàn)情況的識別,探索災害鏈形式的多災網(wǎng)絡(luò)。共詞網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果可體現(xiàn)詞匯的共現(xiàn)情況,也可以更全面地分析關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)和相關(guān)性,上述步驟中尤其注意對無效信息的剔除,多種災害共現(xiàn)并不一定說明兩者必定存在關(guān)聯(lián)。

3.4 多災種相互作用關(guān)系的對應矩陣填充

軟件生成的共現(xiàn)詞矩陣無法直接使用,需要進一步篩選,并進行可視化轉(zhuǎn)換,將共現(xiàn)頻次填充入共詞矩陣中。本文根據(jù)A和B為信息源導出有效的我國多災種共現(xiàn)情況,頻次結(jié)果呈現(xiàn)出以“左上-右下”對角線為對稱軸的對稱圖形,合并同類災種關(guān)聯(lián)組合,共獲得299條信息樣本,呈現(xiàn)出45種多災關(guān)聯(lián)組合,如圖2所示。

圖2 多災關(guān)系頻次在分類矩陣中的填充示例Fig.2 Filling case of multi-disaster relationship frequency in classification matrix

3.5 總結(jié)歸納關(guān)系框架與網(wǎng)格

不同城市有明顯的差異性,通過對上文得到的多組作用關(guān)系樣本進行梳理和關(guān)鍵詞識別,識別文本中“觸發(fā)” “引發(fā)” “導致” “誘發(fā)” “觸及” “引誘”等為級聯(lián)觸發(fā)的關(guān)鍵詞,災害共現(xiàn)以“并發(fā)” “伴隨”等為并發(fā)性災害關(guān)系,得到每組災害的具體關(guān)系類型,根據(jù)次生災害發(fā)生次數(shù)的判斷進而進行矩陣的關(guān)系類型填充。然后將共現(xiàn)詞超過2類的災害組別進行鏈式網(wǎng)絡(luò)的可視化梳理,構(gòu)建靜態(tài)關(guān)系框架基礎(chǔ)上的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

4 應用實例

4.1 研究區(qū)概況與災種分類

石家莊市域跨太行山地和華北平原2大地貌單元,地勢東低西高差距大,地貌復雜;西部太行山地,海拔在1 000 m左右,山巒重疊,地勢較高;地質(zhì)環(huán)境特征復雜,潛在分布著影響范圍廣泛且突發(fā)性強的自然災害和大量不確定風險,是開展多災種研究的有效選擇。本文通過對石家莊市域范圍內(nèi)可能發(fā)生的自然災害進行整體梳理與分類,最終得到4個災害分組,分別為:地質(zhì)地震災害、水文災害、氣象災害、生物化學災害。在歷史數(shù)據(jù)擴展分類的情況下細分選定的災害,總結(jié)出石家莊市域可能性相對較大的災害類型共有19種。

4.2 石家莊市域多災種19×19關(guān)聯(lián)框架建立

獲得有效的多災關(guān)系樣本102條,構(gòu)成多災組合46對。結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、氣候條件、植被與水文等自然要素的綜合作用,繼而通過關(guān)鍵詞識別和人工信息核對,填充具體的觸發(fā)等級和關(guān)聯(lián)等級,確定19×19多災種關(guān)聯(lián)框架如圖3所示,圖3中的縱軸與橫軸分別表示首發(fā)災害與次生災害類型。由圖3可知,屬于“首次災害易級聯(lián)觸發(fā)多次次生災害”關(guān)系有6個,屬于“首次災害級聯(lián)觸發(fā)1次次生災害”關(guān)系有22個,上述類關(guān)系多來源于河北省邢臺地震、2016年特大暴雨等石家莊市大型災害的總結(jié)研究報告和新聞報道中[19-21],68%條樣本與之相關(guān),21%樣本證明石家莊市“暴雨-內(nèi)澇”復合災害頻發(fā),說明巨災的鏈發(fā)潛能大且更容易關(guān)聯(lián)各類災害,是多災研究的重中之重;屬于“2類災害之間可能并發(fā)或存在潛在影響”關(guān)系的有15個(災害間無先后順序,為表達一致,圖3中僅表示單向關(guān)系),該類災害關(guān)系數(shù)據(jù)主要來源于石家莊市山區(qū)地質(zhì)災害、洪水和臺風等衍生災情,該組信息呈現(xiàn)出災害作用關(guān)系的模糊性,關(guān)聯(lián)較小但不能忽視。例如滑坡與崩塌2種災害,容易在極端天氣下同時襲擊某地,二者的并發(fā)會造成比單災種更嚴重的人力、財力損失,也會加大救援和疏散難度。

圖3 石家莊市多災種關(guān)聯(lián)框架Fig.3 Multi-disaster association framework in Shijiazhuang

4.3 多災種鏈式關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

篩選出包含2類以上災害的樣本信息相對較少,選擇更具權(quán)威的數(shù)據(jù)源A得到的樣本可以總結(jié)石家莊市域范圍內(nèi)發(fā)生過的災害鏈有2類,分別是“暴雨-泥石流滑坡-堰塞湖現(xiàn)象”災害鏈、“地震-崩塌-森林火災”災害鏈。具體的文本描述和作用關(guān)系的可視化如表2所示。使用點、線狀標識將鏈發(fā)過程表現(xiàn)在關(guān)聯(lián)框架中,呈現(xiàn)為石家莊市多災種的鏈式關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò),如圖4所示。由于樣本數(shù)據(jù)的局限性,石家莊市2類以上災害鏈包含并不局限于上述2種,圖3所示框架內(nèi)的2類災害關(guān)系組合均有可能以更長的鏈式反應發(fā)生于市域范圍內(nèi)。

表2 石家莊市多災種鏈式關(guān)聯(lián)類型與可視化Table 2 Multi-disaster chain association types and visualization in Shijiazhuang

5 多災種關(guān)聯(lián)框架的應用拓展研究

對多種災害相互作用的評析和實證審查是理解多種災害情景的復雜性,進而理解風險的首要步驟,以實證為基礎(chǔ)的多災種關(guān)聯(lián)框架的構(gòu)建方法能夠在不同的環(huán)境中復制和擴展,可以有效提高對復雜多災種環(huán)境的認識和對潛在鏈式災害的識別,從而為給定地區(qū)的風險降低和應對策略提供指導性信息。然而任何方法都有其適用范圍和限制條件,如表3所示為多災種關(guān)聯(lián)框架應用主題,體現(xiàn)出在研究層面本文框架的應用內(nèi)容與局限性。

表3 多災種關(guān)聯(lián)框架應用主題Table 3 Application topics of multi-disaster association framework

6 結(jié)論

1)多災種的4種相互作用關(guān)系分別為:首次災害級聯(lián)觸發(fā)1次次生災害、首次災害易級聯(lián)觸發(fā)多次次生災害、災害之間相關(guān)或存在影響、災害之間相互獨立。

2)提出城市多災種關(guān)聯(lián)框架構(gòu)建路徑,其可視化方式能夠快速識別災害之間的作用關(guān)系,進而提高對特定地區(qū)復雜的多重災害環(huán)境的認識,可為多災種風險應對和降低提供策略上的信息基礎(chǔ)。

3)多災種之間相互關(guān)系的可視化可應用于不同的地理環(huán)境,以生成對潛在危險相互作用的全面、系統(tǒng)、有證據(jù)地審查和整理,這種多災相互作用的可視化可作為城市綜合風險評估的基礎(chǔ)工作,但未來仍需要繼續(xù)探索表現(xiàn)和量化多災種關(guān)系的方法途徑,以全面、系統(tǒng)并以科學實證為研究開展原則,探討系統(tǒng)性的多災演化機制,進而有效地指導城市綜合風險評估以及防范策略。