灾害及灾害链式理论

1、第二章 灾害链式理论2.1自然灾害链式的理论体系灾害链的定义与内涵 (A)灾害链的定义 当今，发生在全球的生态环境灾害有暴雨和山洪导致的滑坡、泥石流、岩崩等地质灾害，高寒地区形成的雪崩、冻融灾害，干早地区产生的沙漠化、沙尘暴灾害以及地壳剧烈变迁诱发的地震、火山、海啸等灾害.这些发生在陆地或海洋圈层的物理、化学、生物、人文等灾害过程的物质和能量相互作用，来势汹涌，构成了巨大的破坏力，给生态环境酿成恶劣的生存空间，对人类构成了巨大的威胁，甚至夺去人的生命。由灾害环境导致的严重灾难，给人类以严峻的挑战。面对重重灾难的历史悲剧，进一步认识灾害、揭示灾害形成的规律、更有效地遏制灾害发生或使一类灾害从全球

2、消逝，是当前或今后一个相当长的时期内人类所面临的极为重要的战略性任务和迫切使命。 灾害的形成、发生具有链式规律，肖盛燮针对灾害的链式规律，提出了灾害链的概念。灾害链是将宇宙间自然或人为等因素导致的各类灾害，抽象为具有载体共性反映特征，以描绘单一或多灾种的形成、渗透、干涉、转化、分解、合成、祸合等相关的物化流信息过程，直至灾害发生给人类社会造成损失和破坏等各种链锁关系的总称。 (B)灾害链研究的内涵 根据灾害链的定义，可将其内涵分解如下: (1)灾害链是将各种灾害抽象为物质、能t及信息流的载体反映; (2)灾害链可反映单一或多灾种的形成过程及其渗透、转化、分解、合成、辐合等物化关系; (3)通过

3、对灾害链形成的机理分析、理论模型构建以及参数的定性、定盆描述，可得到对灾害破坏性能的度里: (4)灾害链可反映各种灾害对人类社会造成的破坏关系和破坏作用; (5)通过对灾害链式关系的规律剖析，为断链减灾提供了灾害链式规律的描述灾害链式规律的描述 (A)灾害链式反映的载体 灾害的形成具有链式规律性，构成各类灾害的因素不管怎样复杂，不同的灾害受到不同地域、环境、气候的变迁而呈现千差万别的格局和千变万化的态势，但灾害的形成总有一个逐渐演化的过程，其演化过程暴露了自然环境状态朝着不利于人类社会的偏移方向演绎，这个过程的机制表明了灾害形成必有延续性，其延续性的演化过程总是以一定的物质、能量等信息形式予以

4、表征，这就是灾害链的载体反映，这种载体反映体现了由量变到质变的内涵和外延关系的演化。 灾害链式关系的载体反映，是对灾害链式规律的客观认识，这种认识有两个层面。以物质作为灾害链的载体，物质的主要表现形式有固态、液态与气态等不同体态之分，相应灾害链式形成过程也同样具有不同物质体态的单体演绎或多体态聚集、祸合与叠加的特征，见图6.1。载体反映的另一伴生特征是能量的聚集、传输与转换关系.能量转换对灾害破坏力构成了藕合与嵌套关系，在灾害形成过程中，表现出的不同程度灾害破坏作用的力度大小，又为破坏力的度量提供了基础条件。 以物质作为灾害链的载体，物质反映的主要表现形式有固态、液态与气态等不同体态之分，相应

5、灾害链式形成过程也同样具有不同物质体态的单体演绎或多体态聚集、祸合与迭加的特征。体态的演化导致了灾害链式关系演绎的多样性与复杂性。载体反映的另一伴生特征是能量的聚集、传输与转换关系，能量转换对灾害破坏力构成了祸合与嵌套关系，在灾害形成过程中，表现出的不同程度灾害破坏作用的力度大小，又为破坏力的度量提供了基础条件。 以物质为基础的信息反映也是灾害链常见的载体反映，它们通过信息物质的基本形式光、电、声、磁、波伴随着链式载体起辐射、传播、转化、吸斥与干涉作用，通过这些作用媒介使灾害的破坏作用更加严峻，灾害表现形态更加惊险。如地震灾害伴生着声与波的同时作用，雷雨伴随着声、光与电的作用，电、磁场链式反映

6、也对灾害起重要的伴生作用等等。灾害链式载体反映规律能量反映能量聚集能量耦合能量转换物质反映固态液态气态演绎聚集耦合信息反映声磁波电光传播吸斥干涉转化辐射 B)灾害链载体的演化 灾害链式载体除了以物质、能量、信息方面作为基础条件外，在灾害链的演化过程中还存在性态、量级和时空等演化规律，如图2-2所示。灾害链式载体演化规律扩增性转化性传递性离散性量级演化聚集性叠加性祸合性放射性潜在性间断性性态演化周期性延续性阶段性6 支干流域示意图图2-2 灾害链式载体演化规律框图 (1) 性态演化:性态演化反映了灾害链式载体的性质和状态演化规律，主要包括灾害链式阶段性、延续性、周期性、间断性、潜存性和放射性等。

7、阶段性反映了灾害链发育不同阶段的特征，不同链式阶段构成的灾害破坏作用将产生量级性的差异。抓住这个特性，对根治灾害具有特别重大的意义:延续性是链式关系的主要规律，体现了链式关系的客观存在性，也反映了链的本性;链的关系中也存在周期性、间断性等反映特征。这种周期性、间断性取决于客观因素具有明暗起伏的特征或具有潜存性规律，将灾害表现形式隐蔽或潜存起来，使之不易显露出来，但这种隐蔽或潜存关系是暂时的，一旦环境条件改变必将显露出来，这些规律性反映与灾害链的物质存在性反映并不冲突，只是随主客体条件不同而表现形态各异罢了;此外，放射性也是灾害链式载体性态演化之一，它们以放射性元素进行链的载体传播，是具有强烈杀

8、伤作用的灾害类型。 (2)量级演化:量级演化反映了灾害链式载体的数量变化特征.主要包括祸合性、叠加性、聚集性、离散性、传递性、转化性与扩增性等。祸合性反映了多种灾害之间的祸合作用形成的量化关系，这种祸合作用显示了灾种之间相互作用演绎的复杂性，它们不但会加剧灾害的变化，而且由祸合作用将引起灾害性能的变化;叠加性是在线性关系或相同性状下数量的盛加，其反映较为单一;聚集性是灾害载体一物质、能量、信息等同一类性质数量的逐渐增加和积累，具有演绎过程数量储备等隐蔽特性:离散性反映了灾害的分离状态或不连续性，在一定程度上具有分支和扩散作用;传递性、转化性具有相近似的传递和转化作用，由一种链式关系传递或转化为

9、另一种链式关系，转化性还将涉及链式性态的改变和灾害作用的变化;扩增性反映了灾害作用性态的扩大和量级的急剧增加，将显示其更大范围和更强力度的破坏性。 3.时空演化:时空演化反映了灾害变化的显著差异性，不同的时空状态其灾害形足型特征和表现形态千差万别。就地域性而言，随着地域分布和地理环境条件的变迁，其灾种将发生很大差异。例如，高山、平原、丘陵区地质地貌不同，灾害分布也不相同;流变性是流体状态位置的改变，性态演绎变化均将改变灾害链式性态，或产生巨大的灾害作用;传播性、艾延性均有时空变化特征和时间成动态函数关系，它们具有强烈的扩散、蔓延作用;季节性更是灾害链式关系随季布变迁的反映特性，如台风、咫风、沙

10、尘暴、暴雨、冰川等灾害均具有季节特性。C)灾害链的类型特征 灾害链式类型特征可形象地描绘灾害链的形成机制、性态演变规律、灾害破坏形式和表现力度以及各类灾种之间的本质区别，是研究灾害链的核心理论。 按链的载体反映不同性状的链式类型特征，可将其归纳为8种形态，如图2- 3所示:(1)崩裂滑移链;(2)周期循环链;(3)支干流域链;(4)树枝叶脉链;(5)艾延侵蚀链;(6)冲淤沉积链;(7)波动袭击链;(8)放射杀伤链.链式类型特征崩裂滑移链周期循环链支干流域链树枝叶脉链蔓延侵蚀链冲淤沉淀链波动冲袭链放射余伤链崩滑体山洪爆发洪水淹没繁殖扩散火灾腐蚀碳化风化冲刷淤积沉陷地震风震海啸波击病毒放射元素放射

11、对应的灾害关系图2-3 链式灾害类型特征框图 (1)灾害链式效应特征参数:各种灾害链式效应的发生、发展过程都具有不同的特征行为，体现在外部环境作用影响、灾害客观存在形态以及在外部环境作用影响下灾害链式响应行为等三方面的不同变化过程。相应的可以用一些特征参数来表示灾害的孕育、发展、演变、爆发过程和外部环境的作用影响关系，实现对灾害链式效应的定量描述。通过分析这些特征参数之间的关系就能够认识灾害演化的规律，为防灾减灾提供理论依据。 灾害链式效应是以外部环境作用为影响源头，而导致灾害内部发生和对外活动的一系列链发式的复杂响应行为过程，表现出其存在意义上和演化意义上的复杂现象。由灾害的双重属性可知，灾

12、害是一种自然生态经济现象，灾害链式效应的外部作用影响环境一般包括自然生态环境、社会经济环境和地球运动环境，各种环境的存在性和变化性可以采用有限参量来近似描述，以实现灾害环境的定量化。 灾害的客观存在形态特征可以视为灾害初始状态和演化状态。当外部环境作用影响之后，这些存在状态将发生改变，即灾害的响应；灾害的响应必然会对其周边环境发生作用关系，形成破坏，即灾害的对外行为;灾害演化灾变过程中表现出的各种响应行为就构成了灾害的自然属性和社会属性。因此，灾害链式响应行为特征可概括为:灾害在外部环境作用影响下灾害自身内部发生的链式响应过程和灾害对周围环境的反作用行为过程，体现了灾害的演化和破坏效应。因而，

13、灾害的链式响应行为可以采用相关的参数来描述其客观演化运动过程。灾害的链式响应行为参数一般具有以下特征：(1)不完备性特征：特征参数只能描述局部或部分的灾害链式响应行为，无法准确表示灾害链式响应行为全过程；(2)未知性特征:特征参数是未知参数，是动态的变化参量；(3)可知性特征：特征参数可以通过计算、演绎或测量实现定量化。 (2害链的主要类型特征: (1)崩裂滑移链:所谓“崩裂滑移”，是指客观环境构成了崩裂滑移的条件、地形地貌处于高山深谷或丘陵地区、岩石土体自身达到一定破裂状态或随重力作用具备了下滑的条件，加之环境水、温、气的影响从而形成了崩滑体，其链式类型对应于一类山地滑坡、泥石流与岩崩等地质

14、灾害，如图2- 4所示。它们均从链源开始，在各自的内因和外因影响下，形成了单一或串联的崩塌、滑坡、泥石流等链式关系，当产生破坏形态和破坏作用后，随能量消失而暂处相对稳定状态。B1崩溃C1岩石裸露节理裂缝D1渗水振动能量冲击E能量破坏C1岩土松散坡面滑移D1渗水扰动能量转换B1滑坡A1链源C1高切深沟冲刷岩土D1高切深沟冲刷岩土B1泥石流图2-4 周期循环链示意图 (2)周期循环链:周期循环链则主要表现在链的周期性反映，这种周期性不是链的断续性，而是链式载体呈现的峰谷态势，高峰期是链式反应强烈时期，低谷状态则是链呈现潜存状态，这种周期性反映主要取决于客观环境因素的周期性，如洪水频率具有定期一遇的

15、周期性，山洪暴发随雨季到来而降临，干早、季风、冻融等等，其链式反映都具有鲜明的季节性和区域性，图2-5所示。始发期低谷期平稳期成现期成现期 物 流 聚 集 物 流 耗 散 物 流 诱 发 物 流 耗 散过渡期灾变过程积蓄期过渡期灾变过程活跃期过渡期灾变过程平静期潜存期过渡期灾变过程重发期潜存期图2-5 周期循环链示意图(3)支干流域链:支干流域链是由若干个分支系统聚集成次一级干流，再由次级干流聚集成主干流，其链的量级态势是逐级增大的，有着由小到大、由弱到强的发育趋势，其链的数量则随着分支的聚集而逐级减少，但其破坏能量将随链的聚集而急剧增加，图2- 6给出了支干流域链示意图。与支干流域链相应的灾

16、害是洪水淹没，上游支干水位提高，流速流t增加，将对中下游造成淹没和威胁。此外，凡具有支干流域链式发育规律者，均属于此链式范畴。 (4)树枝叶脉链:树枝叶脉链与支干流域链恰好相反，是由一个主干向若干分枝扩展，再由分支向叶脉状逐级细分，一般在形式上具有由强到弱、由大到小逐渐向叶脉尖端扩展的趋势，这种分支信息的交替与传递不一定意味事态的弱化，但它可遵循事物进化的规律。具有繁殖性生态发育和扩散性链式反映的均具有树枝叶脉链式发育关系，凡能分级分层的分支系统，均属于这类链式体系，图2- 7给出了树枝叶脉链示意图。A1A2A3A1AnB1BiBnCD输 出汇合过程2汇合过程1灾变过程灾变迸发分支链源合成区段

17、1合成区段2汇合区段相对平稳物质能量信息流演绎过程破坏作用聚集与发生过程图2-6 支干流域链示意图主干 A 链源BC1C2C3D1D1Di一层分支二层分支输出 图2-7 树枝叶脉链示意图 (5)蔓延侵蚀链:艾延侵蚀链是从一点或一个层面出发向周围或深部逐渐延伸的链式关系，这种关系需具备如下条件:具有艾延的时空点或层面，具备扩展艾延的启动条件;具有性态相同或相近且逐渐同化的连续蔓延载体扩展条件。图6. 8给出了蔓延侵蚀链示意图.(6)冲淤沉积链:冲淤沉积链具有非独立的致灾因子，是其他灾害链式反映的延续作用，如山洪暴发、洪水冲刷淹没等继续延移所形成的结果，最为典型的是水土流失、泥沙冲刷淤积.其链式过

18、程需具备两个条件:一是具有冲刷的延续启动条件，二是具有淤积消能的沉积条件.此外，近似冲刷淤积反映的地面沉陷，由于岩土基础遭受水的侵蚀，或搬迁掏蚀，减小了对地面或构筑物的承载作用而产生灾害性的沉陷，可归结为冲淤沉积链式类型。图6. 9给出了冲淤沉积链示意图。致灾启动输入a链源冲刷媒介流态载体b粒质搬运信息交换消能减速c搬运受阻d重力沉积图2-9 冲淤沉积链示意图a链源bbbbbbbbcccccccc图2-8 蔓延侵蚀链示意图 (7)波动袭击链:波动袭击链是强烈振源产生的动力作用，经过物质媒介将动力波迅猛地在介质中传播而形成的巨大破坏力。这种波动作用有地壳运动产生的地震波激荡、风波袭击、海啸的强烈

19、波击等，这些都是典型波动袭击链的反映。图6-10给出了波动袭击链示意图。图2-11 放射杀伤链示意图振动波源放射扩散载体反映放射扩散载体反映空间圈层杀伤层杀伤层振动波源波动图层媒质传播破坏作用媒质传播破坏作用图2-10 波动袭击链示意图 (C)放射杀伤链:放射杀伤链是指具有放射性的元素，通过扩散产生巨大杀伤作用，这种链常通过放射性元素的扩散或病毒的荃延与扩展产生杀伤性，其杀伤作用异常迅猛。图6-11给出了放射杀伤链示意图。 (D)灾害链式理论的框架 灾害链式类型特征具有直观、形象特征鲜明的特点，而且与灾害容易形成直接对应关系，研究灾害链式规律，从链式类型入手不失为理想的突破口.从链式类型特征入

20、手，构建链式类型理论模型反映灾变的链式关系及其规律性是构成链式理论的核心，也是把握链式演变规律的关键，为此提出构建链式式理论框架的要点如下: 1)构建链式类型理论模型 理论模型是反映链式客观本质、演化规律、链式类型特征的重要标志，其模型可分为:能量转化模型、物理力学模型、数学本构模型、化学反应模型、链式性态模型等. 2)确定链式模型参数 (1)模型参数的确定原则必须充分反映各类灾害的客观本质; (2)模型参数与灾变机理必须形成密切对应的内涵关系: (3)描绘灾变机理的各指标参数必须能反映灾害本性和不同灾变状化指标值; (4)不同链式发育期应有对应小同约量化指标参数取值范围。 根据灾变机理的分折

21、和指标层次段落的划分又可引申出灾害链式的阶段性。灾害链式阶段的划分链式阶段性是灾害发育过程的重要反映，是灾害形成破坏力对人类构成威胁的程度表现，是物质和能量信息聚集与转化状态的标志，是人们认识灾害、控制灾变发育的突破口。因此，对灾害链进行科学的阶段划分是十分必要的。拟将灾变早、中、晚期的时间间隔，阶段的发育特性，构成破坏力的程度等作为划分阶段的重要依据，链式阶段划分如表s. i所示。表6.1 链式阶段划分阶段划分阶段特征破坏程度载体信息时间比率应对措施早期孕育阶段破坏力尚未形成物质与势能聚集较长，70%以上断链中期潜存阶段形成潜在破坏力物质与势能储存25%左右防御晚期诱发阶段破坏力强力爆发物质

22、扩散动能迸发5%以下治理早期处于灾害的孕育阶段，灾害破坏强度微弱或尚未形成破坏力，载体破坏能量处于聚集与祸合阶段，本阶段历时较长，时间比率约占整个灾害链形成时间的o%以上;中期处于灾害的潜存阶段，破坏力己经形成，载体以势能方式储备或聚集了强大能量信息，此阶段为时较短，一旦诱发条件具备，灾害立即发生，此阶段历时为整个灾害链形成时间的25%左右;晚期为灾害的诱发阶段，潜存的破坏力迅猛暴发，其载体的破坏能t由势能迅速转变为动能而进发，灾害的破坏作用过程短暂且来势汹涌，其暴发时间仅占灾害链形成时间的5%以下.针对链式阶段特性，提出早期“断链”、中期“防御”和晚期“治理”的技术举措。通过对灾害链式阶段的

23、划分，不仅为认识灾变规律提供了可循的依据，而且也为分阶段进一步量化灾害、控制灾害发育提供了可遵循的途径。对处于中、晚期的灾变过程，可通过演绎进行破坏力度和行为的量化;对早期孕育阶段，可利用未构成灾害破坏力的漫长过程，为实施孕源断链减灾提供机遇和条件。孕源断链的减灾观念 所谓“孕源断链”就是在灾害链的形成初期，对于孕育阶段，破坏作用力度极微弱或尚未形成破坏力，能t等信息也处于初始聚集或藕合阶段，对于这种漫长的灾变过程，进行断链减灾最为有效，不需要很大的投入，就可收到显著的效果.要实施孕源断链减灾机制，首先，必须认识灾害链在形成初期的表现形态，弄清不同类型灾害所具备的主观内因、客观影响因素以及灾容

24、的孕育过程演变形态的表现特征:然后，在认识这些规律的荃础上，建立孕源断链减灾模式，确立断链方式和途径，采取有效的对策和可行的减灾机制。不同的灾害类型，其灾害的表现形式和影响因素不尽相同，因此要采取不同的断链模式。相反，对于具有共同特性或相互有关联的灾害链可建立区域性协同一体的综合防灾体系，达到同时断链减灾的目的.灾前预替是一种减少灾害损失的科学而有效的举措，但总的说来，一般预带总是将着眼点放在灾害已经形成并处于即将暴发的紧迫时刻。对于破坏作用大、来势汹涌的灾害，给予回避和搬迁的时间太短，所以其重大灾害损失是难以避免的。为将损失减至最小，建议将灾害预替功能向灾变孕育阶段追踪延伸，监测灾害形成初期

25、的灾变特征和表现形态，从而起到从源头上减灾“尖头兵”作用，立足于孕源断链最为有效。应当指出的是: (1)链式规律具有普适性，但对灾害的控制有难易之分，较容易控制的灾害，实施断链较为容易，也将会取得显著效果;而对难以控制的灾难，如地展、大气灾害和海啸等，必须加强预替预报，尽可能采取有效的回避措施或加强工程防护。“难”与“易”是相对的，主要取决于对灾害链的认识程度和科技发展水平，随着人类科学技术水平的日益提高，难控灾害终究会被人们所征服。 (2)所谓“断链”，就是实现人与自然的和谐，因势利导减轻灾害恶性循环，绝非是不平衡矛盾转移的顾此失彼做法，不能在此时此地实施了断链减灾，而又将灾害的损失转移或加

26、倍在彼时彼地发生。例如，建造防护林带是防御沙漠化的断链途径，退耕还林是减少水土流失的宏观断链举措，构建海岸屏障是阻止风暴袭击的断链策略。6.2灾害链式结构的数学关系与模型分析 自然灾害所表现出的不均匀性、多样性、差异性、随机性、突发性、迟缓性、重现性以及无序性等复杂性特点，使得“简单”的理论和手段己不适宜于伴随着人类活动的开展而日趋复杂化的自然灾害的研究。6. 2. 1灾害的链式关系的结构 各种自然灾害系统的演化变异表现出不同的过程规律，但在其结构变化特征上却体现了一致性。自然灾害系统的演化变异过程均表征为灾害系统在外部环境作用影响下其内部结构关系变化、内部状态响应和灾害系统对外作用(或对外破

27、坏作用)过程等三方面复杂运动规律。自然灾害系统链式关系结构包括自然灾害外部环境和自然灾害系加(n)本身，分析研究时可分为自然灾害系统的环境E(S(t)、存在(响应)状态Sin或SZ (t)、内部结构关系RZ (t)和对外行为(或破坏作用)HZ(t)，图6. 12给出了自然灾害结构特征示意图。环境、状态、内部结构关系和对外行为构成自然灾害系统的基本概念结构，是建立自然灾害系统结构关系概念的基础.R(t) Sin Rz(t)Sz(t)E(S)Hz(t)环境（受灾体）图6-12 自然灾害结构特征示意图自然灾害系统，都是由若干相互关联的子部分组成的具有某种特有属性的一个整体(集合)，且该整体(集合)不

28、断与外部环境进行着物质、能量和信息的交换.例如，边坡系统可视为由弹性区域和非弹性区域组成，泥石流系统可视为由固体颗粒和液体水组成等等。任意自然灾害系统可表示为由n个相互关联的子部分e(1)，e(i)， e(n)构成的整体，记z(n)= e(i)i=1,2,n;n2 。显然，自然灾害系统都是以某种状态形式而客观存在的，而这些存在状态可以用子部分的状态参量表示，令灾害系统各子部分状态参量的集合(或总和)为灾害系统的存在状态Sin，即 t时刻自然灾害系统在外部环境作用下存在状态参量将发生变化，这部分发生变化的状态参量集合即为状态变量Sz(t)，或者称为系统的响应状态，Sz(t)是环境和系统存在状态S

29、in的函数，即式(6-la), (6-lb)中si，Ai次分别为任一子部分e(i)z(n)的状态参量集合和状态参量空间；S为自然灾害系统减z(n)所处环境的状态；R(t)为环境与自然灾害系统的作用关系，也称为环境输入关系。同时，自然灾害系统与其周边环境也产生作用关系Hz。例如，滑坡阻断交通，即滑坡对周边环境发生作用关系等，则Hz是系统的存在状态Sin和环境与自然灾害的作用关系R(t)的函数(图6.12)，即这种作用行为是对灾害在外部环境了作用下发生响应之后反作用于外部环境的描述，体现了自然灾害的双重属性，即破坏效应。自然灾害系统不仅体现在与环境整体上的响应行为关系，而且灾害系统内部各子部分响应

30、状态也存在不同的作用关系。自然灾害系统的环境E(S(t)作用下，设t时刻其内部任一子部分e(i)通过作用因子Ri,j(t)对e(j)产生作用，令Ri,j(t)是e(i)与e(j)间的直线关联关系(见图6. 13)，系统内任意2个子部分e(i)和e(j)之间必存在关系式中：si(t)，sj (t)分别为在t时刻部分e(i)和e(j)的状态量集合。Si(t)Sj(t)e(i)e(j)Ri,j(t)图2-13 2个自然灾害部分结构关系示意图对于某一具体的自然灾害系统z(n)，关系式f (si(t),Ri,j(t),sj (t) = 0，是由子部分e(i)和e(j)作用的客观规律决定的，反映了不同子部

31、分存在状态和响应状态的相关性，可能是物理力学规律方程，也可能是化学反应规律方程等。令t时刻自然灾害系统内各子部分之间所有直线关系Ri,j(t)(i1,jn,n2)的集合为RZ (t) ,称为自然灾害系统内部结构关系，即与式(6-3)同理，由系统理论可知，必存在一个包含自然灾害系统和灾害环境系统的更大系统，则恒有如下关系： 子部分之间直线关系的多种不同形式组成就构成了多种作用关系的辐合。推而广之，环境的多种状态因素同时与灾害系统内某一子部分发生直线作用关系时就是变成了多种因素辐合作用问题了。自然灾害系统内各子部分不仅存在两者之间的直线关联关系，而且还可能存在多个直线关联关系组合而成的链式关系环Y

32、(k)（见图6. 3）。链式关系环的组成部分可能都是灾害系统内的子部分（见图6. 14(a)），也可能存在环境参与了环状作用关系（见图6. 14 (b)）。定义如下：在自然灾害系统的环境E(S)中，自然灾害系统z(n)在t时刻各组成部分可能具有k个如图6. 14所示的链式关系。（a）链式关系内环（b）链式关系外环图2-14 链式关系环Y(k)示意图关系Ri-1,i(t)或Rp+i-1,p+i(t)的集合称为链式关系环，记为Y(k)，并将前者称为链式关系内环，后者称为链式关系外环，即 （6-6）若t时刻有个不同的链式关系环则自然灾害系统z(n)内就存在个链式关系环数。链式关系外环是灾害系统与外部

33、环境相互作用产生的关系结构，这种关系结构在化学反映过程中普遍存在，而在物理力学过程中也存在，例如结构的几何非线性等。灾害系统链式关系环的存在意味着灾害系统内部链式作用关系可以无限的发展演化下去，产生复杂的动态现象。自然灾害系统中各子部分的作用关系都是通过一定路径建立的，形成一种直接和间接关联关系。令自然灾害系统z(n)中的任意两个子部分e(i)和e(j)间的作用距离(路径)为L(i,j)，则自然灾害系统的作用直径为 自然灾害系统的作用直径反映了灾害系统的整体结构范围，也说明要使整个灾害系统产生响应行为需要一段时间才能完成。设Ri,j(t)在子部分e(i)和e(j)间传递(作用)的速度为vij

34、(t)经过时间t后，灾害系统达到整体响应状态，则时间t满足方程例如，洪水灾害的洪峰以及台风灾害的台风移动速度等。推而广之，若环境与灾害系统作用过程也存在关系传递速度vEz (t)和作用路径L(E,z)，那么环境的变化致使灾害产生响应的行为一定满足方程： 的滞后作用时间t'。至此就完成了运用系统观点对自然灾害系统链式结构关系的分析，建立了基本的结构概念。基于以上的基本系统概念，可以推出自然灾害系统的响应行为关系式。显然，推而广之，运用以上的方法、原理可以研究灾害链的结构关系，从而建立类似结构理论的数学关系模型。6. 2. 2灾害链式效应结构的数学模型在自然灾害系统的环境E(S)中，设自然

35、灾害系统z(n)在t时刻有k子部分e(pi)(i=1, 2,，k)，并且至少存在一个子部分e(j)z(n)(jpi)，使得e(pi)与e(j)仍间必然存在如图6.15所示链式关系，否则e(pi)z(n)。对n个子部分e(i) (i =1, 2,，n)重新编号，令e(pi)=e(i)，则自然灾害系统任一子部分e(j) (jk)必由与自然灾害环境存在的关系(见图6.16)和与内部其他部分存在的关系(见图6.17)组成。图6.15 子部分间的关系示意图图6.16 自然灾害系统的环境与子部分间的链式关系示意图图6.17 子部分间的链式关系示意图（1） 对于每一子部分e(j)，环境E(S)与e(j)间存

36、在如图6.16所示链式关系。由式(6-3)有：从式(6-7)可得： (6-7)（2）对于每一子部分e(i)存在一个子部分e(j)与e(i)间存在链式关系，如图6.17所示。由式(6-3)有： （6-8） （6-9）则从式(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，从而可得到如下固有方程组：或 式(6-

37、14) (6-15)即为自然灾害系统结构的数学关系模型，反映了系统在外部环境作用影响下的响应行为关系。在自然灾害系统的环境E(S)作用影响下t时刻某些自然灾害系统z(n)的响应状态Sz(t)和系统对外行为Hz(t)都仅仅是自然灾害系统的环境E(S)和内部结构关系Rz(t)的函数。例如洪水灾害，河流流域基本不变(即环境输入关系不变)，那么发生洪水只与环境降雨和河道结构有关；而一些灾害系统的响应行为是环境与自然灾害的作用关系R(t)和内部结构关系Rz(t)的函数。例如，结构的隔震减震措施、边坡治理中的防止降雨渗透处理以及金属结构防腐处理等都是改变环境对结构的输入关系以达到防灾减灾的目的。由系统理论

38、可知，自然灾害系统z(n)一般具有层次结构，因此，R(t)，Rz(t)和Hz(t)一定是自然灾害系统的环境E(S)和某一个支配层次Hd上的系统结构Rzd(t)的函数，即:或：在t时刻，若d，则可以证明对于任意子部分e(i)和e(j)间的关系恒有：或至此，基于系统理论，从数学上建立了自然灾害系统结构的数学关系模型。这些理论模型是一种面向问题、采用数学表达的自然灾害系统结构关系理论，是自然灾害系统演化过程共性的数学抽象，也即从数学层面上证明了所有自然灾害系统演化过程存在以上关系。通过对以上关系模型的数学分析研究，可以获得自然灾害复杂演化过程定性的共同规律。6. 2. 3自然灾害链式效应复杂性规律及

39、其本质自然灾害系统响应行为不仅与作用环境有关，而且灾害系统内部结构关系也是一个重要的方面，体现了灾害演化的多样性和复杂性。下面通过对以上结构模型的数学分析，从数学上揭示自然灾害链式效应复杂性规律及其本质。（A）环境作用影响基本规律式(6-16)，(6-17)表明，当系统结构Rz(t)恒定，即d Rz(t)/ dt =0时，灾害系统的响应状态Sz(t)和对外行为Hz(t)仅是受自然灾害系统的环境E(s) 或环境与自然灾害的作用关系R(t)的支配。灾害的演化变异规律与环境状态和环境作用影响关系存在一一对应的关系，即灾害复杂响应行为是由环境状态复杂变化或环境复杂输入关系引起的。各种灾害系统在受复杂外

40、部环境作用的影响下表现出随机性、(准)周期性、区域性、季节性以及突发性等动态演化特性，并且当外部环境作用的影响消失时，相应的响应行为也将随之消失。例如山洪暴发、洪水灾害等，其响应行为往往表现出与作用环境的一致关系，具有季节性、周期性、区域性和突发性等特征。因此，对这类灾容的研究可以忽略灾害系统内部结构的影响，只需准确描述作用环境的变化规律就可以得到灾害的演化变异过程，并且可以运用环境作用与灾害系统的响应行为存在的滞后性实现灾前预警。由式(6-18)，(6-19)可知，当d=0，t时刻灾容系统的响应行为只受外部环境的状态或环境输入关系支配，即灾害系统内部链式关系环存在是灾害系统只受灾害环境作用影

41、响支配的必要条件。（B）结构演化基本规律在实际灾害研究中发现，灾害系统的演化变异过程并不是与作用环境存在绝对的一致性，其响应行为表现出自组织、突变、混沌以及非线性等复杂动态过程，而产生这些复杂现象的原因则是灾害环境作用和内部结构关系发生变化的共同结果。当dS(t) l/dt 0或dR(t) /dt0时，则d Rz(t)/ dt 0，由式(6-16)，(6-17)，自然灾害系统的响应状态Sz (t)和对外行为Hz(t)将发生变化，系统发生演化运动，但也存在d Sz(t)/ dt0和dHz (t) /dt0的解，即灾害系统z(n)能够在一定程度上调节支配层Hd上的结构Rz(t)以阻止自然灾害系统的

42、环境E(S(t)或环境输入关系R(t)的变化对系统响应状态和系统对外行为的影响，体现了自然灾害系统对于某些涨落具有自适应能力。例如，当灾害系统是耗散系统时，系统的稳定状态不会因微涨落而变化。对于任一给定的自然灾害系统z(n)，如果支配层次Hd上至少具有一个链式关系环，即d1，那么其响应将具有如下演化意义上的复杂性：（1）系统在t时刻具有与初始系统结构Rzd(t0)，初始响应状态Sz(t0)或初始对外行为Hz (t0)不同的系统结构Rzd(t)、响应状态Sz(t)或对外行为Hz (t)，并且，当自然灾害系统的环境E(s(t)在t时刻消失后，Rzd (t) ，Sz (t)或Hz (t)不能返回初始

43、态或保持不变，则自然灾害系统z(n)具有记忆性。（2）自然灾害系统z(n)在t时刻具有的系统结构Rzd (t)，响应状态Sz (t)或对外行为Hz (t)与其过去的系统结构关系Rzd (t')、响应状态Sz (t')或对外行为Hz (t')(t' t0, t)有关，特别是与其初始状态有关，则自然灾害系统z(n)的响应行为具有不可逆性。（3）在恒定的自然灾害系统的环境E(S)（d Sz(t)/ dt0）或恒定的环境与自然灾害的作用关系R(t)（d R/ dt0）中，系统结构Rzd (t)、响应状态又Sz (t)或对外行为Hz (t)具有动态过程：d Hz (t)/

44、dt 0或dRzd /dt0，则自然灾害系统z(n)具有自组织性。根据系统演化的趋极性原理，灾害系统的自组织结果是使系统达到一个相对稳定的状态。（4）若在不同自然灾害系统的环境E (S1(t)和E (S2(t)中，自然灾害系统z(n)在t时刻分别具有系统结构Rzd1 (t)，Rzd2 (t)，响应状态Sz1(t)，Sz2(t)和对外行为Hz1 (t)，Hz2 (t)，并且对于S1(t')=S2(t')时，存在关系Rzd1 (t')Rzd2 (t)，Sz1 (t')Sz2 (t)或Hz1 (t')Hz2 (t)，则自然灾害系统z(n)的响应行为具有环境路径

45、敏感性。同理，自然灾害系统z(n)的响应行为也具有环境作用关系路径敏感性。 （5）在自然灾害系统的环境E(S)，SB，自然灾害系统z(n)在t时刻具有系统结构、响应状态或对外行为，并且至少存在一个SB，使得Rzd (t) ，Sz (t)或Hz (t)在S=S'上不连续，则自然灾害系统z(n)的响应行为具有不连续性(间断性或突变性)。（C）自然灾害链式效应复杂性本质可见，自然灾害系统内部结构恒定是灾害响应行为与作用环境一致的充要条件，相应地，也只有当灾害系统内部结构在环境作用影响过程中基本保持不变时，才能将灾害系统的响应行为视为作用环境的一一对应结果，即可以用环境作用影响规律预测灾害的演

46、化变异过程。而灾害系统内部结构关系往往是伴随着外部环境作用影响同时变化的，即灾害的演化变异过程反映了环境作用和内部结构变化的综合结果。因此，当灾害系统动态演化过程表现出一些复杂的现象时，不仅要考虑环境作用的规律性，而且还应该从内部结构关系的变化出发来研究灾害的演化过程。自然灾害链式效应复杂性不仅是外部环境复杂性所致，更主要是自然灾害系统支配层次上的链式关系环引起的，即自然灾害系统支配层次上的链式关系环是自然灾害复杂性的主要根源。正是由于自然灾害系统链式关系环的存在使得自然灾害系统z(n)能够支配其系统结构Rzd (t)的变化以致响应状态Sz (t)和对外行为Hz (t)的改变，从而灾害系统具有

47、记忆性、不可逆性、自组织性、路径敏感性和不连续性，以及与此相关的一切复杂自然灾害系统现象，如非线性、突变以及混沌等现象。在研究具体自然灾害系统时，正确标识自然灾害系统支配层次Hd上的链式关系环，并研究该链式关系环的变化规律，则可以正确理解和控制自然灾害表现出的复杂现象。6.3自然灾害链断链减灾模式分析无论何种类型的灾害链S(n)，所包含的灾害以及变量往往是很多的。灾害链表现出来的宏观层次上的性质并不能完全从灾害灾变的微观性质上得到，因为微观层次过渡到宏观层次时，灾害链会出现新的特征，比如整体表现行为(危害性)大于链中所包含的所有灾害表现行为(危害性)之和等。灾害链往往加剧灾害本身的致灾作用并易

48、于引发新的灾害，通过链式反应，链首灾害的加剧必然导致链节点灾害加剧。所以在灾害的防治中，应该从灾害链这个大局来考虑：1）在灾害防御中，根据灾害链式规律，充分考虑灾害的各种链发可能性，预测其时、空、强范围，制定全面防灾规划，避免只从一事、一时、一地的看问题。2）在灾害治理中，也要运用灾害链式规律，在治理直接灾害目标的同时，必须充分考虑伴生和派生的其他灾害，特别是由派生的母源灾害治理，对于直接灾害目标的防治，具有治本的意义。3）在一切工程开发活动中，要根据灾害的链式规律，从系统工程观点出发，搞好灾害环境的损益论证。所以，灾害的防御与治理工作都应该以链的规律为依据，力争从灾害源头或者链首灾害加以控制

49、，会收到事半功倍的效果。源头断链减灾模式与机制的形成灾害链是一个自然的、客观实际存在综合体系，各灾害之间相互渗透、作用、影响，相互之间以及环境进行着物质、能量和信息交换，形成相互联系、相互制约的复杂的反馈系统。在灾害链S(n)=(G,R,E)的断链减灾过程中，需要从灾害链的灾害要素集合SG(n)、灾害之间的关联关系R和灾害链所处的环境E这三个环节着手，对这些环节分别实测预警、综合治理、切断等措施，从而阻止灾害要素的传递路径。由6. 3小节对灾害链结构的建立的数学模型可知，研究灾害链系统的过程中可把所涉及的变量分为输入变量、状态变量和输出变量。输入变量是研究灾害链之外的环境(也可称为某个系统)所

50、给出的，是环境对灾害链所施加的影响，是R的量值表述；状态变量是表示灾害链内部状态的量，也就是Sin所表示的量。在对灾害的实际分析中，选择状态变量的方法不是唯一的，根据研究问题的不同可以有多种选择方法；输出变量表示灾害链某种外部活动或表现引起的某种变化的量或定义为人为控制灾害有关的量，是Hz所导致的量值。输入变量输出变量状态变量图6.18 灾害链S(n)模式图E图6.19 灾害链S(n)链发行为示意图采用上面的3种变量可以把灾害链表示成如图6. 18所示模式图中输入端(左端)表示输入变量的集合状态变盆的集合包含在灾害链系统内部一般不直接出现在灾害链系统的外部输出端(右端)表示输出变量的集合。在t时刻环境对灾害链的输R(t)导致灾害链内要素SGi(n)，状态Si(t)改变，而作为SGj(n)外部环境的SGi(n)通过两者的相互关联Ri,j(t)又使气(n)的S (t)状态发生改变，依次往下延续最终灾害链会有一个外部破坏表现行为Hz(t)(见图6. 19)。在环境E中灾害链S(n)在t时刻具有系统结构Rz(t)和灾害链的外部破坏表现行为Hz(t)(见图6. 20)，恒有如下关系：式中