城市灾害链动力学演变模型及灾害链风险评估方法的研究

博士生：刘爱华，指导教师：吴超

摘要：城市作为人口、建筑、交通、通讯、政治等要素高度集中的中心，经济社会的易损性和灾害连发性远高于非城市化地区。目前城市化的进程不断加快，以及城市作为完整的人造生态系统对城市生命线系统的依赖性越来越突出，使得城市灾害的链式效应越来越明显，因为灾害链式效应所造成的损失也就越来越巨大。因此以灾害链为核心对城市灾害进行综合风险评估，才能全面、系统地把握城市灾害的隐患程度，为构建区域性综合防灾减灾体系、以及城市灾害风险管理提供可靠的理论依据。本文针对城市灾害链和风险评估中的一些关键问题作了以下几个方面的理论和方法研究。

（1）对城市灾害链的概念进行界定的基础上，从城市灾害各承灾体之间的相互作用关系入手分析了城市灾害链的形成机理，指出在致灾因子作用下各承灾体之间复杂的相互作用关系正是灾害链式效应产生的直接原因。对地震灾害链、洪涝灾害链、台风灾害链、暴雪低温冰冻灾害链等四种典型城市灾害的链式效应进行了分析，指出城市灾害链具有复杂的网络结构特征，从能量的角度分析表明致灾体所释放出的激发能，与各承灾体能量的耦合作用是产生灾害链的根本原因。

（2）分析了城市灾害链的一般规律，灾害链在演变过程中以将会以物质、能量、信息作为载体，存在性态、量级和时空等演化规律，并具备阶段性孕育特征，从时间效应的角度分为持续性影响行为和瞬时性影响两种不同的演化行为，这些规律能为人们认识灾害、控制灾变发育提供突破口。以灾害链的网络结构为载体，根据父子灾害节点的相互作用关系，并考虑灾害演变过程中的时间效应，建立了基于复杂网络的灾害链数学模型，描述了各灾害节点的灾害损失速率和灾害损失度，以此为基础提出了基于网络节点脆弱性和连接边脆弱性的灾害链断链减灾模式。

（3）由于城市灾害系统具有构成反馈性、关系复杂性、交流开放性、结构层次性、以及边界模糊性系统动力学特征，具备运用系统动力学方法进行研究的基本特征，从而阐述了系统动力学的建模流程。在城市灾害系统动力机制描述的基础上，建立了城市灾害链系统动力学模型和城市灾害管理的系统动力学模型。

（4）在城市灾害链系统动力学模型建模过程中，先进行了灾害场景的设定，考虑了时滞性的影响，并根据实际情况，对第二章的数学模型进行了修正，应用所建立的系统动力学模型，利用Vensim仿真分析得到了部分承灾体易损性与灾害损失速率之间的影响关系，并指出提高城市生命线的承灾能力即降低其易损性是降低在城市灾害中人员伤亡率最有效的方法。而城市灾害管理系统动力学模型表明了灾害与经济存在相互影响、相辅相成的关系，可以强调灾害管理系统的溢出效应来提高减灾系统的有效性。

（5）分别建立了人口、建筑物和城市生命线等城市主要承灾体的灾损敏感性评估模型。对于人口，考虑人口年龄结构及文化程度等因素的影响，根据灾害对人口伤亡特征分析，分别用人体的忍耐力和应急自救能力表征渐发性灾害和突发生灾害的灾损敏感性。建筑物的灾损敏感性主要取决于建筑物的结构和使用时间，因此分别用建筑物的结构指数和使用时间指数表征其灾损敏感性指数。

（6）首先从网络节点的结构重要性和功能重要性入手，利用网络的实际均衡熵与系统最大熵的比值表征单功能网络的脆弱性。再从城市生命线相互影响的机理入手，构造不同类型影响方式的布尔型矩阵，得到各生命线子系统脆性关联的强弱。然后综合单功能网络的脆弱性和各子系统的脆性关联两个方面建立了生命线系统整体网络结构的灾损敏感性计算模型。最后分别用生命线系统的质量灾损敏感性和整体网络结构的灾损敏感性表征生命线系统的整体灾损敏感性指数。

（7）从基础应灾能力和专项应灾能力两个方面，建立了多层次的城市应灾能力评价指标体系。着重考虑了在基础应灾能力指标当中的人力指数的衡量，在以往的灾害应急能力评估当中，侧重政府应急能力的评估，而在实际当中，除政府之外，企业、防灾减灾专家、非政府组织、媒体等都起着不容忽视的作用，应此在建立城市应灾能力评估指标体系时，应该考虑不同灾害管理行为主体的作用力。对已建立的指标体系进进行了可量化处理，并采用改进层次分析法，通过构造了最优传递矩阵和拟优一致矩阵，较为简便地确定了各指标的权重系数。采用极差的归一化处理方法，对指标体系的各指标进行了等级划分。考虑到城市应灾能力评价指标的模糊性和层次性，建立了基于模糊模式识别的模糊综合评判模型，把权广义距离之和最小的模糊模式识别模型应用到单因素矩阵的评判当中，构造出各指标的最优隶属度，以便获得最终的城市应灾能力指数值。

（8）在对多灾种风险评估方法和供应链风险评估的方法进行分析的基础上，构建了城市灾害链的风险评估模型。提出了城市灾害链风险的度量模式，首先给出了节点灾害损失等级划分的标准，通过统计得到在父灾害事件作用下各子节点的损失等级的概率分布，运用贝叶斯公式得到多个父节点作用下子节点灾害损失等级的联合概率分布的计算模式。采用父灾害事件作用下子节点的风险损失的期望值表征子节点在父节点作用下的风险值，对其叠加则可得到多个父节点作用模式下子节点的风险值。考虑到技术灾害所引发的灾害链与自然灾害链的差异性，并建立了基于多米诺效应的城市技术灾害链的风险评估模型。然后分别以珠海市的台风灾害链和珠海高栏港经济区由于危化品的存在所引发的技术灾害链为应用实例，进行了风险评估，结果表明所建立的模型与实际情况有较高的吻合性，说明模型的实用性。

图35幅，表42个，参考文献192篇

关键词：城市灾害链；系统动力学；城市生命线；灾损敏感性；应灾能力；风险评估

分类号：X9；X4