自然灾害系统及形成机制

第二章 自然灾害系统及形成机制2.1自然灾害系统2.1.1 灾害系统的概念灾害系统是复杂的地球表层之异变系统 地球表层一般定义为组成地球系统的岩石圈、水圈、大气圈、生物圈与人类文化（技术）圈的交界面。即上至对流层顶部，下至岩石圈底部。灾害系统包含三层含义：第一：灾害系统是由天、地、人这三个子系统中各种灾害现象和成灾过程共同组成的有机整体。第二：组成灾害系统的天、地、人三个子系统之间的各种灾害现象不是彼此孤立、互不关联的，而是具有不可分割的相互联系、相互作用的内在关系。第三：灾害系统作为一个整体，与天、地、人三个子系统中的灾害现象有着本质的区别。2.1.2 灾害系统的组成要素灾害系统的组成要素，不同的学者观点不同，多数人认为应该包括以下四个要素。孕灾环境定义：包括孕育产生灾害的自然环境和人文环境。孕灾环境是由大气圈、岩石圈、水圈、物质文化（人类技术）圈所组成的综合地球表层环境。持孕灾环境占优势的学者认为：近年来灾害发生频率、损失与年剧增的原因与区域及全球环境变化有密切关系，其中最突出的是气候与地表覆盖的变化，以及物质文化环境的变化。孕灾环境（观点）的主要内容A：区域环境演变时空分异规律（气候变化、地貌变化以及土地覆盖变化过程）的重建；B：编制不同空间尺度的自然环境动态图件；C：建立环境变化与各种致灾因子时空分异规律的关系（即建立渐变过程与突变过程的相互联系）（如大气圈异常与风涝灾害的关系，海温变化与洪涝灾害的关系等）D：寻找在不同环境演变特征时期的区域自然灾害空间分布规律；（如森林砍伐何等程度才引起水土流失，多大降水引起洪涝等）E：结合区域承灾体的变化，对未来灾情进行评估 孕灾环境论的主要结论主要理论：区域环境稳定性与自然灾害的时空分布规律；环境演变引起自然灾害的临界值域评定；特征时段（冷期与暖期、干期与湿期）自然灾害分布模式相似型重建。实践的目的：为区域制定减灾规划提供依据。致灾因子定义：指可能造成财产损失、人员伤亡、资源与环境破坏、社会系统混乱等孕灾环境中的异变因子。持致灾因子论的学者认为：灾害的形成是致灾因子对承灾体作用的结果，没有致灾因子就没有灾害。致灾因子（观点）的主要内容A：致灾因子的分类一般分为自然致灾因子和人为致灾因子B：研究致灾因子产生的机制及其风险评估持致灾因子论的主要结论主要理论： 致灾因子分类； 致灾因子形成机制和致灾因子的风险评价。实践的目的：提高致灾因子的预报准确率，为工程建设提供技术参数承灾体定义：指各种致灾因子作用的对象，是人类及其活动所在的社会与各种资源的集合。人既是承灾体，又是致灾因子。持承灾体论的学者认为：没有承灾体就没有灾害承灾体（观点）的主要内容A：承灾体的划分一般分为人类、财产与自然资源两类。 B：承灾体的脆弱性（易损性）评价C：承灾体的动态变化监测持承灾体论的主要结论主要理论承灾体分类承灾体的脆弱性承灾体的动态变化监测实践的目的：为区域制定资源开发与减灾规划，防灾抗灾工程建设提供科学依据。灾情灾情指在一定的孕灾环境和承灾体条件下，因灾导致某个区域内，在一定时期的生命和财产损失的情况。灾情是孕灾环境、承灾体、致灾因子综合作用的产物，研究区域灾情是地理科学研究灾害系统的重要内容。2.1.3 灾害系统的主要特征 （1）高维特性（2）相互关联性特征（3）不确定性和不确知性特征 （4）开放性特征（5）动态性特征（6）生态经济性和社会性特征 2.2自然灾害系统的形成2.2.1区域灾害系统论科学家在研究大量区域灾害案例的基础上系统地进行理论总结，相继出版了两本影响广泛的专著，一本是由Burton、Kates、White三人合著的作为灾害之源的环境，1978年首次发行，1994年进行了修改，即第二版。这是以美国著名地理学家Gibert White在1945年发表的“人类对洪水的适应”一文为开端，从人类行为的角度系统地分析资源开发与自然灾害的关系，进而对世界各地的灾害案例进行了分析写成的。另一本是1994年由Blaikie、Cannon、Davis和Wisner四人合著的风险：自然致灾因子、人类的脆弱性和灾害，他们从致灾因子、孕灾环境、承灾体的综合作用的角度，系统地总结了区域资源开发与自然灾害的关系。这两本书基本上阐述了当前国际上区域灾害系统研究理论的核心。巴顿凯特怀特的区域灾害论作为灾害之源的环境一书共有9章，其中关于区域灾害的理论阐述主要集中在“致灾因子、反应和选择”这一章。他们用以下两个模型表述了作为人地系统相互作用过程产物灾害形成过程的概念模型。 自然事件系统资源 灾害 响应 人类利用系统图：来自于自然与人类的资源与灾害 （Burton） 位置 位置变化 选择/变化 使用 使用变化 有目的调整 减少损失 预防效应 改变事件 接受损失 分担损失 调整 承受损失 折扣损失 偶尔调整 减少损失 选择使用/位置灾害事件前后时间 以 前 警戒 灾害期 之 后 年数 100 10 1 0.1 事件 +0.1 +1 +10 +100图为：灾害过程中人类三种调整的选择 （Burton）图1表明：由于自然与人类相互作用，形成资源和对人类危害的致灾因子，对这些致灾因子的反应，社会必须寻找缓和自然事件系统的途径，以及调查人类利用系统的位置和社会组织。图2揭示了人类行为在减灾中的重要作用表现，即面对自然致灾因子，人类应调整自己的选择，以减轻灾害的影响。布莱凯坎农戴维斯威斯纳的区域灾害论风险：自然致灾因子、人类的脆弱性和灾害一书的核心包括两个模型。（1） 第一个模型是“压力与释放”图3表明：灾害是两种相对应力的交汇，即灾害是由脆弱性承灾体与致灾因子相互综合作用的结果。由于改变致灾因子是困难的，所以减灾的关键是降低承灾体的脆弱性，增加承灾体的抗灾能力。为此，必须发展经济，增加减灾资源。（2） 第二个模型：“途径模型”增加减灾资源图4表述的是增加减灾资源、对付灾害的概念化模型的实质，即对人类脆弱性产生的根源进行分析，表明增加承灾体的抗灾能力，以减轻脆弱性，改进防灾与恢复的能力。从以上两个模型比较可知：第二个模型是第一个模型中主要因素的深入分析，即对人类脆弱性根源与致灾因子相互作用的分析，也就是对于经济和政治过程是如何产生脆弱性的理解。它表明：要降低脆弱性，就必须改进防灾与恢复的能力。后一模型也是对前一简单化模型的深化。脆弱性累进1 / 2 3 根本原因 动态压力 不安全条件 灾害 致灾因子对权力：动力结构资源增加限制意识形态政治系统经济系统缺乏：*地方学校*培训*适当的技巧*地方投资*地方市场*征募自由*公共生活中的道德标准宏观力量：*迅速的人口增长*迅速的城市化*武器使用*债务支付安排*森林退化*土壤生产力下降脆弱的自然环境危险的位置没有防护的建筑和基础设施脆弱的地方经济处在风险中的生活低收入水平脆弱的社会处在风险中的特别群体冒险状况地方机构缺乏公共行动*缺乏备灾*流行病盛行风险（R）=致灾因子（H）+脆弱性（V）（R=H+V）地震强风（气旋/飓风/台风）洪水火山爆发滑坡干旱病毒和虫害图为 图3导致灾害的“压力”：脆弱性的累进（引自Blaikeie，1994）（3）灾害形成的基本过程是致灾因子与承灾体相互作用的过程即经济与社会的不发达是导致脆弱性的根源，而脆弱性的发展与致灾因子共同作用，必然导致灾害，形成如图（脆弱性的累进）的灾害发展过程。在这一理论体系中，特别注重引起承灾体脆弱性累进发展的根源、动态压力、不安全条件的动态变化，并指出：目前对脆弱性形成机制的理解还不深入，即对有些影响脆弱性变化的因子理解不够。根据这一理论，增强抵抗自然灾害的能力，即降低承灾体的脆弱性是区域减灾的关键。两个理论的区别（优缺点）前一理论体系对孕灾环境的理解较全面，对承灾体在灾害形成中的正、反两个方面的论证比较全面。后一理论体系则强调全球变化的因素，特别是人口增长、迅速的城市化、全球经济压力、土地退化和环境破坏、全球环境变化、战争等在灾害增加中的作用。1、社会关系及盈余、流通2A、家庭生产单元一内的个人生产单元二内的个人生产单元三内的个人生产单元n内的个人2B他们的资源及财产地、劳力、资金、获取资源的期望从其它方面家庭总体对上述资源及财产支配权及个人支配权4、主次结构3A、收入3B、支配能力每个人或家庭有不同的支配能力5、家庭的选择一种或多种收入机会（一年内可有多次）反馈9、决策结果以后支配权的改变8、决策7、家庭收入生活水准对家庭收入有贡献6、生活水准家庭共同的收入机会决定着一种生活水准 在特定时间内的生死及人口改变 图4为：增加减灾资源、对付灾害的概念化模型（引自Blaikie等，1994）2.2.2、区域灾害的形成过程1）区域灾害系统的基本理论下图：从横向看，它揭示区域致灾、孕灾环境与承灾体的关系及其相互作用的动力学过程；从纵向看，则在对区域灾害测量的基础上，对区域灾害规律的分析，并进一步揭示其形成机制，进而为区域减灾对策的制定提供科学依据。区域灾害测量区域灾害分析区域灾害形成过程重建区域减灾对策制定致灾因子孕灾环境强度、频率持续时间区域范围起始速度空间扩散重现期分类致灾因子区域组合致灾因子群聚性致灾因子群发性致灾因子灾害链突发性与渐发性集中性与分散性风险评价 完备样本模型 不完备样本模型风险制图等值线图等级图预测（空间、时间、强度空间分布动态变化地带性非地带性波动性趋向性稳定性评价与制图 地貌坡度 降水变率 温度变率 水文变率承灾体人口数量经济收入不动产与动产自然资源受灾人口成灾人口直接损失间接损失资源破坏脆弱性评价与制图 人类的脆弱性 财产的脆弱性 资源的易损性灾害区划减灾规划灾害预警、 系统建设灾害宣传灾害教育环境保护资源合理开发减灾工程建设防灾抗灾技术高风险区管理 图为：区域灾害系统论的基本理论框架2）区域灾害系统的基本模型 孕灾环境（E） 致灾因子（H） 承灾体 （HR） 灾情（D） D=EHHR 图为： 区域灾害系统组成结构（史培军，1991）3）区域灾害系统的形成过程A. 突发性过程（灾害动力过程）B.渐发性过程（灾害生态过程)C.“小灾大害”与“安全岛和多灾岛”小灾大害安全岛多灾 岛孕灾环境变化承灾体变化不稳定性加剧脆弱性加大灾情加 重承灾体变化孕灾环境变化致灾因子变化脆弱性变化稳定性变化风险水平变化灾情超 轻灾情超 重D.灾害分散与转移4）区域灾害系统动力学模型分析方法A. 灾害系统的驱动力分析（稳定性、风险性、 脆弱性中的主要因素分析）B. 灾害系统的数值模拟（仿真模拟、系统动力学模拟）C. 案例数据库的建立（统计数据库案例数据库）D. GIS技术的广泛应用5）区域灾害系统动力学模型概念模型A初始条件D解释解数值解概念模型B灾害系统动力学=灾害形成“机理”与灾害形成“过程”的耦合机理：定量表达灾害形成过程中各要素之间的相互作用关系过程：定量展示灾情在时间或空间的状态（水平）6）突发性灾害动力学模型建立的几个关键问题对能量扩散的估计对能量衰减的估计对结构分布格局的表达能量结构响应曲线的建立对灾害链的充分考虑7）渐发性灾害动力学模型建立的几个关键问题对“临界值域”的确定对“累计效应”的充分认识对“机理”复杂性的充分理解对环境场空间边界的确定及其演化过程的重建（时空分辨率）对“反馈机制”的认识8)区域灾害系统动力学模型的构建致灾因子的危险性 从区域灾害的形成过程看：无论是突发性的致灾因子（如地震、台风等），还是渐发性的致灾因子（如土壤侵蚀、环境污染等），在灾情形成中都有累积性效应，即通过灾害链相对放大了某一致灾事件的灾情程度（如前述的加权机制 1+12）；无论是自然致灾因子，还是人为致灾因子，对承灾体来说都有一个致灾的临界值域（如地震大于某个震级、暴雨大于某个量级等），且此临界值因承灾体稳定程度而异。因此，在区域灾情形成中，任何一种致灾因子都必须从其影响的孕灾环境和承灾体角度考虑，进而进行分类，就可以满足区域灾害系统论所强调的综合分析。 致灾因子子系统1、 分类；自然：地球物理和生物环境（自然人文）：环境污染 土地退化 森林枯竭 生物多样性减少人文：技术事故、管理失误、战争、动乱/冲突2、 特征：强度 频度 持续时间 区域范围 起始速度 空间扩散（群聚） 重现期（群发）A：形成致灾因子孕灾环境子系统 1、分类：地球物理 生物 人文2、特征：空间分布：地带性 非地带性动态变化：波动 渐变 突变 趋向 幅度影响机制：诱发 导致 加速 延缓 B：改变环境时空特征 灾情（灾害）子系统1、 分类：人员伤亡 财产损失 资源毁坏2、 特征：绝对灾情 相对灾情 空间分布 动态变化 恢复与重建时期 A：稳定性 B：风险性 开发生产环境后果 不我待 B：脆弱性A：超越临界值 承灾体子系统1、 分类：人类 财产 资源2、 特征：分布 数量/质量 价值 生产线/生命线运行 备灾/救灾能力C：影响分布与生产过程A：资源开发产生环境后果C：诱发、加强/减弱致灾强度A：相互作用/临界值域/致灾体系 备注：A：灾情（灾害）形成过程 B：灾情程度的决定因素 图为：区域灾害（情）形成过程 C：反馈过程孕灾环境的稳定性孕灾环境一般可以分为自然环境和人为环境两大类。自然环境又可分为流体与固体自然环境和生物环境两类。人为环境又可以根据语言、民族、种族、经济及政治制度进行划分。不同文化环境区域，对自然灾害的反应能力不同，而且滋生人为灾害的类型与强度也不同，这就是孕灾环境的稳定性。这方面的研究，我国所做的工作较少。对孕灾环境稳定度或敏感度评价，即刻划环境的动态变化程度，可以利用熵分析的方法。经研究发现：地球中纬度孕灾与负熵产生有关参考史培军的农业灾害学。承灾体的脆弱性 承灾体的划分一般先分为人类和财产与资源两大类。进一步的划分就有不同的观点，这取决于不同国家的经济、政治与文化程度。从区域灾害系统的角度看，针对不同居民对不同致灾因子的反映及应灾的能力，按居民性别、年龄、人均收入、居住条件、医疗条件、健康状况等标准划分是较合理的。对财产与资源的划分，首先分为两个亚类，即财产和资源进一步的划分随不同的地区有很大差异。总之，收入不同的人类抵御自然灾害的能力不同，且呈正相关关系；身体状况不同，对灾害的应急反映的能力也不同；不同建筑结构，对灾害的抵抗能力不同9）区域灾害的形成机制见上图对于区域灾害形成过程来说，可以从不同的角度分析组成区域灾害系统各个因子在灾情形成中的作用，进而以系统的观点解释区域灾害的形成机制区域灾情动力学机制（上图）读上图，如致灾因子中：A：强度指致灾因子本身的强度。B：频率指区域单位时间内发生的次数，其数据来源有点状和面状。C：持续时间指一个灾害过程的时间，包括次生灾害发生的时间。D：区域范围取决于致灾因子的性质。如点状 线状 面状 范围（难度）渐大E：起始速度指能量在单位时间内的释放量。F：空间扩散取决于有没有次生灾害发生和所处的环境。G：重现期取决于灾害现象。从上图可看出：形成区域灾害的各个因素之间都是以反馈作用的机制在灾情形成中起作用。因此，以任何一种因素解释灾情形成都是不完善的，甚至会作出错误的判断。区域灾害的形成是地球表层演化过程的一种反映，它具有明显的时空分异，还具有不同的表现形式，只有在不同的时空尺度下，并从大量区域灾害案例中总结其一般的规律；同时，要把区域灾害形成过程与全球变化的研究联系起来，这是建立深入理解区域灾害形成机制的一个新起点。