区域灾害系统动力学分析方法

地质灾害风险评估方法

滑坡泥石流等地质灾害的不确定性决定了其评估方法采用非确定性分析方法。该类方法是基于地质灾害预测理论的广义系统科学原理，在类比法的基础上发展起来的一类研究方法。随着概率论、数理统计及信息理论、模糊数学理论用于地质灾害预测，目前已形成了多种预测模型，其预测成果可相互对比、检验，从而可使预测成果更具合理性、科学性。目前常用的非确定性分析方法主要有以下几种。

一、参数合成法

参数合成法又称专家经验指数综合评判法。它是最为简单的定量评估方法。该类模型主要是建立在专家丰富的经验基础之上的，通过专家打分法等途径获取专家经验知识，专家选择影响地质灾害的因子并编制成图。根据专家的经验，赋予每个因子一个适当的权重，最后进行加权叠加或合成，形成地质灾害危险性分区图。

它的主要优点是：①可以同时考虑大量的参数；②可以应用于任意比例尺的区域和单体斜坡稳定性评估；③大大降低了隐含规则的使用，定量化程度提高；④整个流程可以在GIS的支持下快速完成，使数据管理标准化，时间短，费用少。主要缺点有：①主观性较强，不同的调查者或专家得出的结果无法进行比较。权值的确定仍含有不同程度的主观性；②隐含的评判规则使结果分析和更新困难；③需要详细的野外调查；④应用于大区域评估时，操作复杂，模型难以推广。

二、数理多元统计模型法

该方法是通过对现有地质灾害及其类似不稳定现象与地质环境条件和作用因素之间的统计规律研究，建立相关的预测模型，从而预测区域地质灾害的危险性。该类模型方法很多，如回归分析、判别分析、聚类分析方法等。

统计分析的前提是已知学习区（训练区）的地质灾害分布情况，根据数理统计理论，建立影响参数和地质灾害发生与否的数学统计模型，在测试区得到验证后，将其应用到地质环境相同或相似的地区，预测研究区的灾害危险性分布规律。因此，统计分析方法评估的结果的可靠度直接取决于测试区原始数据的精度，模型也不能在任何地区推广使用。尽管如此，大量的研究表明，统计分析是目前最为适用的区域地质灾害危险度评估区划方法，它有严格的数理统计理论作基础，数学模型简单易懂，而且与GIS技术能够很好地结合，使庞大的数据得到合理的标准化管理、分析与储存。

多元统计分析中的主成分分析和因子分析方法在环境统计方面有不少成功的应用。将这两种方法结合起来的主成分－因子分析法可以应用于多变量的因子赋权研究（吴聿明，1991）。主成分－因子分析法的主要思想是（应农根，刘幼慈，1987）：在所研究的全部原始变量中将有关信息集中起来，通过探讨相关矩阵的内部依赖结构，将多变量综合成少数彼此互不相关的主成分，以再现原始变量之间的关系，并通过因子荷载矩阵的轴正交或斜交旋转，进一步探索产生这些相关联系的内在原因。

此方法适用于区域地质灾害空间预测研究，对一定地区土地利用、国土开发、城市规划具有宏观指导作用。

三、层次分析法

层次分析法是对一个包括多方面因子而又难以准确量化的复杂系统进行分析评估时，根据各因子之间以及它们与评估目标的相关性，理顺组合方式和层次，据此建立系统评估的结构模型和数学模型；对模型中的各种模糊性因子，根据它们的强度以及对影响对象的控制程度，确定标度指标和作用权重；将这些指标作为基本参数，代入评估模型，逐级进行定量分析并最终取得评估目标。根据地质灾害风险系统组成，大致可通过4个层次的统计分析完成评估工作：以各种要素为主体的基础层统计分析；以危险性、易损性、减灾能力为目的的过渡层分析；以期望损失为目标的准则层分析；以风险度或风险等级为最终目标的目标层分析。

四、模糊与灰色聚类方法

模糊聚类判别法模型以模糊数学理论为基础。由于地质灾害系统的复杂性，用绝对的“非此即彼”不能准确地描述地质灾害系统的客观实际，存在着“亦此亦彼”的模糊现象，不能用1或0二值逻辑来刻画，而需用区间[0,1]的多值（或连续值）逻辑来表达。而模糊数学理论正是适用于地质灾害系统的不确定性，用隶属函数来描述那些边界不清的过渡性问题及受多因素影响的复杂系统的非确定性问题。目前常用的方法有模糊综合评判法、模糊可靠度分析方法及其与层次性原理相结合而派生的模糊层次综合评判法。模糊聚类综合评估的基本步骤是：根据地质灾害风险构成，建立因素集、综合评估集和权重集，确定隶属函数，得到综合评估结果，并进行解释分析。

灰色聚类综合评估法以灰色系统理论为基础，常用于研究“小样本、贫信息不确定性”问题。在地质灾害预测中，可利用灰色关联分析，评估斜坡稳定性各影响因素的影响程度，可以克服通常数理统计方法作系统分析所导致的缺憾，对样本量和样本的规律性无特殊要求。同样可通过灰色聚类中的灰类白化权函数聚类，在考虑多种影响因素的基础上对各研究单元的危险性状态进行判定，进而完成空间预测中的危险性分区。灰色系统的以灰色模型（GM）为核心的各种预测模型还为分析地质灾害预测中的各种时序数据提供了有效途径，成为目前地质灾害实时跟踪预报的常用方法之一。灰色聚类综合评估的基本步骤是：确定聚类白化数和白化函数，标定聚类权，求聚类系数，构造类向量，求解聚类灰数。

五、信息模型评估法

该类模型的理论基础是信息论。用地质灾害发生过程中熵的减少来表征地质灾害事件产生的可能性，因素组合对某地质灾害事件的确定所带来的不肯定性程度的平均减少量等于该地质灾害系统熵值的变化。认为地质灾害的产生与预测过程中所获取的信息的数量和质量有关,是用信息量来衡量的,信息量越大，表明产生地质灾害的可能性越大。该类模型预测法同统计预测模型一样，适用于中小比例尺区域预测。

信息科学现已成为广泛使用的一门科学，但它的产生却只有短短的半个世纪历史。1948年Shannon 发表的著名论文《通信的数学理论》标志着信息科学的诞生。Shannon把信息定义为“随机事件不确定性的减少”，并把数学统计方法移植到了通信领域，提出了信息量的概念及信息熵的数学公式。信息科学研究的对象是信息，它的重要任务是研究信息的提取、信息传输、信息处理、信息存储等。由于现代自然科学发展的综合整体化趋势，各学科的相互渗透、相互联系，经过几十年的发展，使信息量和信息熵的概念已远远超出了通信领域。信息科学不仅应用于各种自然科学领域，而且已广泛应用在管理、社会等科学领域。

运用信息论方法进行地质学领域的矿床预测研究是由维索奥斯特罗斯卡娅（1968）及恰金（1969）先后提出。赵鹏大等在《矿床统计预测》一书中研究了信息量方法在区域找矿工作中的应用问题。晏同珍、殷坤龙等自1985年起，先后多次在陕南及长江三峡库区探索了信息量方法在区域性滑坡灾害空间预测分区中的应用，并与其他方法（如聚类分析、回归分析、数量化理论方法等）的研究成果进行了比较性研究。艾南山、苗天德（1987）研究了侵蚀流域地貌系统的信息熵问题，他们在斯揣勒的流域面积——高程曲线的基础上构造了侵蚀流域地貌系统的信息熵表达式，并据此作为流域稳定性的一种判定指标。Read J. 和Harr M.（1988）首次将信息熵的概念与斜坡安全系数计算的条分法结合在一起。由于地质灾害预测内容的多样性，所以决定了预测理论和方法的非单一性。晏同珍等（1989）将其概括为三类模型预测法——确定性模型预测法、统计模型预测法、信息模型预测法；前两种模型又可分别称其为“白箱”和“黑箱”模型，而信息模型则是介于两者之间。

地质灾害现象（Y）受多种因素Xi的影响，各种因素所起作用的大小、性质是不相同的。在各种不同的地质环境中，对于地质灾害而言，总会存在一种“最佳因素组合”。因此，对于区域地质灾害预测要综合研究“最佳因素组合”，而不是停留在单个因素上。信息预测的观点认为，地质灾害产生与否是与预测过程中所获取的信息的数量和质量有关，因此可用信息量来衡量：

地质灾害风险评估理论与实践

根据条件概率运算，上式可进一步写成：

地质灾害风险评估理论与实践

式中：I（y,x₁x₂x_n）为因素组合x₁x₂x_n对地质灾害所提供的信息量（bit）；P（y,x₁x₂x_n）为因素x₁x₂x_n组合条件下地质灾害发生的概率；Ix₁（y,x₂）为因素x₁存在时，因素x₂对地质灾害提供的信息量（bit）；P（y）为地质灾害发生的概率。

式（2）说明，因素组合x₁x₂x_n对地质灾害所提供的信息量等于因素x₁提供的信息量，加上因素x₁确定后因素x₂对地质灾害提供的信息量，直至因素x₁x₂x_n-1确定后，x_n对地质灾害提供的信息量，反映出信息的可加性特征，从而说明区域地质灾害信息预测是充分考虑因素组合的共同影响与作用。

P（y,x₁x₂x_n）和P（y）可用统计概率来表示，各种因素组合对预测地质灾害提供的信息量可正可负，当P（y,x₁x₂x_n）>；P（y）时，I（y,x₁x₂x_n）>；0；反之I（y,x₁x₂x_n）<；0。大于0情况表示因素组合x₁x₂x_n有利于所预测地质灾害的发生，相反情况则表明这些因素组合不利于地质灾害的发生。

区域地质灾害预测是在对研究区域网格单元划分的基础上进行的，根据不同地区具体的地质、地形条件，采用相应的网格形状和网格大小，进一步结合区域地质灾害分布图开展信息统计分析。假定某区域内共划分成N个单元，已经发生地质灾害的单元为N₀个。具相同因素x₁x₂x_n组合的单元共M个，而在这些单元中有地质灾害的单元数为M₀个。按照统计概率代表先验概率的原理，式（1），因素x₁x₂x_n在该地区内对地质灾害提供的信息量为：

地质灾害风险评估理论与实践

如果采用面积比来计算信息量值，则式（3）可表示成：

地质灾害风险评估理论与实践

式中：A为区域内单元总面积；A₀为已经发生地质灾害的单元面积之和；S为具相同因素x₁x₂x_n组合的单元总面积；S₀为具相同因素x₁x₂x_n组合单元中发生地质灾害的单元面积之和。

一般情况下，由于作用于地质灾害的因素很多，相应的因素组合状态也特别多，样本统计数量往往受到限制，故采用简化的单因素信息量模型的分步计算，再综合叠加分析相应的信息量模型改写为：

地质灾害风险评估理论与实践

式中：I为预测区某单元信息量预测值；Sⁱ为因素x_i所占单元总面积；S₀ⁱ为因素x_i单元中发生地质灾害的单元面积之和。

六、实证权重法

实证权重法（Weights of evidence，）是加拿大数学地质学家Agterberg等（1989）提出的一种基于二值（存在或不存在）图像的地学统计方法，是在假设条件独立的前提下，基于贝叶斯定理（Bayesian’rule）的一种定量预测方法。Bonham-Carter等（1990）和Harris等（2001）都先后应用WOE方法来预测矿产的远景分布。通过对已知成矿情况网格单元的预测因子和响应因子之间的统计分析，计算出权重，然后对各待预测网格单元的各预测因子进行加权综合，最后，通过确定每一单元响应因子出现的概率大小便可得到不同级别的成矿远景区。

Van Westen进一步将模型应用到灾害危险性评估领域。数据驱动权重模拟方法的主要原理是利用滑坡历史分布数据，建立滑坡分布与各影响因子之间的统计关系，即根据在各影响因子不同类别中滑坡分布的统计情况来确定各影响因子对滑坡灾害的贡献率（权重）大小。这种采用数据进行权重确定的方法被称为数据驱动模型。与专家知识模型相比，权重的确定更加科学和可靠，避免了专家的主观性所带来的不确定性。最后，利用另一时期的滑坡分布历史数据对评估结果进行检验和成功率预测，调整不合理的边界，使评估结果更加具有可信度。基于统计学的Bayesian方法的数据驱动权重模型所采用的统计方法更加严谨，充分考虑了滑坡影响因素之间的关系，以及各影响因素与滑坡灾害的关系；并进行影响因素的独立性分析，找出最关键的影响因子。在此基础上计算各影响因素的权重。

七、非线性模型预测法

非线性模型预测法又称BP神经网络法，是把一组样本的输入输出问题变为一个非线性优化问题而建立的预测模型。

鉴于地质灾害系统具有复杂性特点，很难用简单的线性方程表达，因此使一批非线性预测模型迅速发展起来。如分形理论就是通过研究地质灾害系统的自相似性来对地质灾害的运动规律进行研究。易顺民应用分形理论研究了区域性滑坡灾害活动的自相似结构特征，发现在地质灾害活动的高潮期到来前有明显的降维。吴中如、黄国明等依据分形理论提出了滑坡变形失稳判据及滑坡蠕滑的相空间模型，是地质灾害时间预报的一种全新思路。自组织理论探索地质灾害复杂系统如何从无序进化到有序的自组织过程；突变理论主要从定量的角度描述非线性系统在临界失稳时的突变行为，为地质灾害时间预报提供了一种新途径；分形理论则从几何的角度探讨系统内各个层次间的自相似性，应用在地质灾害过程描述及过程预报中，化复杂为简单，化定性为定量；混沌动力学探讨非线性地质灾害系统在其演化过程中的不可逆性和演化行为对初值的敏感性。

人工神经网络（Artificial Neural Network，简称ANN）是由大量与自然神经细胞类似的人工神经元广泛互连而成的网络。网络的信息处理由神经元之间的相互作用来实现，知识与信息的存贮表现为网络元件互连间分布式的物理联系，网络的学习和识别决定于各神经元连接权系的动态演化过程。人工神经网络是一个超大规模非线性连续时间自适应信息处理系统。目前人工神经网络的应用已渗透到许多领域，为学习识别和计算提供了新的现代途径。

人工神经网络使用比较方便，它的信息处理过程同人脑一样，是一个黑箱，如图1-6所示。在实际应用中，和人们打交道的只是它表层的输入和输出，而内部信息处理过程是看不到的。对于不懂神经网络内部原理的人，也可将自己的问题交给这种网络进行解决，只要把你的例子让它学习一段时间，它就可以解决与之有关的问题。这正符合地质灾害预测理论的基本原理和思路。

图1-6 神经网络信息处理示意图

根据人工神经网络对生物神经系统的不同组织层次和抽象层次的模拟，人工神经网络可以分为多种类型。目前已有40余种人工神经网络模型。引用于地质灾害预测评估的多层前馈神经网络模型（Back Propagation,简称BP模型）是目前应用最广泛、发展最成熟的一种神经网络模型，如图1-7所示，它是按层次结构构造的，包括一个输入层、一个输出层和一个或多个隐含层。

图1-7 BP网络模型

实际上，BP模型是把一组样本的输入输出问题变为一个非线性优化问题。我们可以把这种模型看成一个从输入到输出的映射，这个映射是高度非线性的。如果输入节点数为n，输出节点数为m，则神经网络表示的是从n维欧氏空间到m维欧氏空间的映射。

在预测识别过程中，标准样本的选择是否得当，是预测是否成功的关键。一般来说，学习样本最好能涵盖预测对象的所有状态，具有广泛的代表性。在确定网络结构时，一般来讲，一个隐层的三层BP模型已可进行任意精度模拟任何连续函数。隐含层结点数目过少，不能有效地映射输入层和输出层之间的关系；过多，收敛速度过慢。因此，中间层结点数目的选取，需经过反复演算训练，才能得出较为理想的节点数。在计算过程中，为了提高效率，可以适当降低输入结点的数目，减少训练样本的维数，以增加网络的稳定性，同时还可以通过增加冲量项法或者自适应调节学习率、共轭梯度法等方法提高迭代收敛速度。

BP模型运用到地质灾害危险性区划中，可以通过样本区的标准样本的学习建立相应预测网络，从而推广到预测区进行预测。网络的输入层的变量对应于影响地质灾害产生的主要影响因素，变量可以是二态变量，也可以是具体的观测数据。当然由于各变量存在单位或数量级的差异，必须把变量数据经过正规化或标准化处理。输出层对应的是地质灾害预测等级（极高、高、中等、低、极低）的划分，或是危险程度的具体数值表达，如稳定性系数、破坏概率等，这就要求样本区的研究精度较高，指标细化程度较高。

八、地质灾害风险分析与GIS技术

地理信息系统（GIS）是集计算机科学、信息科学、现代地理学、遥感测绘学、环境科学、城市科学、空间科学、管理科学和现代通讯技术于一体的一门新兴学科。具体而言，GIS是指对各种地理信息及其载体（文字、数据、图表、专题图等）进行输入、存储、检索、修改、量测、运算、分析、输出等的技术系统。GIS的主要功能有采集、存储、管理、分析、输出各种数据、数据维护和更新、区域空间分析以及多因素综合分析和动态监测等。GIS不仅可以像传统的数据库管理系统（DBMS）那样管理数字和文字（属性）信息，而且还可以管理空间（图形）信息；它可以使用各种空间分析的方法，对多种不同的信息进行综合分析，寻找空间实体间的相互关系，分析和处理一定区域内分布的现象和过程。当代地理信息系统正向能够提供丰富、全面的空间分析功能的智能化GIS的方向发展。智能化的GIS具有强大的空间建模功能，能够构建各种具有专业性、综合性、集成性的地学分析模型来完成具体的实际工作，解决以前只有靠地学专家才能解决的问题。

GIS把各种与空间信息相关的技术与学科有机地融合在一起，并与不同数据源的空间与非空间数据相结合，通过空间操作与模型分析，提供对规划、管理、决策有用的信息产品。GIS为我们提供了一种认识和理解地学信息的新方式，GIS强大的空间分析功能和空间数据库管理能力为我们研究区域地质灾害提供了一个科学、便捷的崭新途径。

作为数字地球的核心技术之一，GIS经过将近40年的发展，已经成为一种日益成熟的空间数据处理技术和方法。它提供了一种认识和理解地学信息的新方式，已广泛应用于国土资源调查、环境质量评估、区域规划设计、公共设施管理等方面。在地质灾害研究领域，GIS技术的应用已从最初的数据管理、多源数据采集数字化输入和绘图输出，到数字高程模型、数字地面模型的使用、GIS 结合灾害评估模型的扩展分析、GIS与决策支持系统的集成、GIS虚拟现实技术的应用等，并逐步发展与深入应用。

各种地质灾害都是在地球表层一定空间范围和一定时间限度内发生的，尽管不同种类的地质灾害之间、同一种类的地质灾害的不同个体之间大都形态各异，形成机理也是千差万别，但它们都是灾害孕育环境与触发因子共同作用的结果，而这些都与空间信息密切相关，利用GIS技术不仅可以对各种地质灾害及其相关信息进行管理，而且可以从不同空间和时间的尺度上分析地质灾害的发生与环境因素之间的统计关系，评估各种地质灾害的发生概率和可能的灾害后果。地质灾害危险性区划图属于一种综合图件，而且具有一定时段内的静态特点，因此需要不断更新；尤其是有新的地质灾害发生的时候，更应及时修订。由于GIS技术的空间分析、制图功能和可视化的特点，所以GIS技术在地质灾害区划研究方面正得到快速发展，以GIS软件为技术平台的地质灾害的危险性、易损性和风险评估的系统研究逐步成为本领域研究的发展方向，并有可能在不远的未来与网络技术相结合。

国外尤其是发达国家，对GIS技术应用于地质灾害领域的研究已做了很多工作。从20世纪80年代至今，GIS技术的应用已从数据管理、多源数据采集、数据化输入和绘图输出，到数字高程模型、数字地面模型的使用、GIS结合灾害评估模型的扩展分析、GIS与决策支持系统（DSS）的集成、GIS虚拟现实技术的使用，都得到不断的发展和广泛的应用。在滑坡灾害研究领域，GIS技术的应用已经比较成熟，主要体现在以下几个方面：

（1）建立基于GIS的滑坡灾害信息管理系统。如Keane James M.（1992）, BaharIrwan（1998）, Bliss Norman B.（1998）等将GIS运用到滑坡灾害历史数据的管理及预测成果成图表征中。

（2）GIS技术与各种评估模型结合运用到滑坡危险性预测中。如Matula（1987），Lekkas E.（1995）, Randall（1998）, Dhakal Amod Sagar（1999）等利用GIS的空间分析功能与预测模型的结合，完成了滑坡预测因素的空间叠加，进行滑坡危险性预测，得出相应的预测分区图和滑坡敏感性图。

（3）进行基于GIS的滑坡灾害风险分析预测与管理。如 Ellene（1994）,Leroi（1996）,Bunza（1996）, Castaneda Oscar E.（1998）, Atkinson（1998）, Michael（2000）, Aleotti（2000）等从影响滑坡灾害风险的因素出发，利用GIS的空间分析功能进行因素叠加，实现风险评估并结合GIS的信息管理功能，对灾害信息进行管理，最终进行管理决策，大到防灾减灾的目的。目前，国外在滑坡灾害预测领域已基本实现了RS与GIS的紧密结合，个别项目已达到了3S技术的结合。

国内基于GIS技术开展地质灾害评估工作起步较晚，目前还没有成熟实用的地质灾害预测评估的GIS系统。姜云、王兰生（1994）在山区城市地面岩体稳定性管理与控制中应用了GIS技术，以重庆市为典型研究对象，对地面岩体变形破坏进行了时空预测预报；同时，通过分析城市地质环境对土地工程利用的制约关系，应用GIS的信息存储、查询、空间叠加运算及DEM模型等功能，做出地力等级划分，并编制了斜坡稳定性综合评估分区图。雷明堂、蒋小珍等（1994）将GIS技术运用在岩溶塌陷评估中，完成了研究区岩溶塌陷危险度评估及分区。成都理工学院（1998）和中国地质环境监测院及国土资源部长江三峡地质灾害防治指挥部合作进行了“地质灾害信息系统及防治决策支持系统”开发试验工作，初步建立了一个全国地质灾害调查与综合评估系统。中国国土资源经济研究院、中国地质大学、中国地质科学院岩溶地质研究所、国土资源部实物地质资料中心（2002）联合开展了“全国地质灾害风险区划”项目攻关，利用国产软件MAPGIS，对全国小比例尺滑坡、泥石流、岩溶塌陷地质灾害进行了基于GIS的风险评估（包括地质灾害危险性评估、易损性评估和风险性区划）。朱良峰等在国产版权的MAPGIS软件平台上，开发了一套地质灾害风险评估系统RISKANLY。这套基于GIS技术的地质灾害风险分析不仅方法上可行，而且技术上先进，代表着地质灾害风险分析的发展方向。当然，无论是地质灾害的危险性分析模型，还是区域社会经济易损性分析模型，都有待于实践中的进一步研究与发展，这显然是应该随着人类对地质灾害本质属性认识的逐渐深化而不断发展的。

随着我国社会经济的迅速发展和城市化进程的加快，崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害破坏的广度与深度也在迅速增大，需要更加关注地质灾害的区域时空预测研究。与地质灾害有关的相关因素很多且成因复杂，都与空间信息密切相关，因此，利用GIS技术不仅可以对地质灾害相关的各种空间信息进行管理，而且可以从不同的空间和时间尺度上分析地质灾害的发生与环境因素之间的统计关系，评估地质灾害的发生风险和可能的灾害范围。因此，基于GIS的地质灾害风险评估与区划将会在未来我国的社会经济发展中起着重要的作用。

九、小结

地质灾害风险评估涉及两个重要的方面：一是地质灾害发生的可能性问题，二是人类自身、社会及环境等对象对地质灾害的抵御能力问题。因此，地质灾害的定义采用国际上的geological hazard一词。本书遵循科学性、通用性的原则，结合国内近年来在地质灾害风险评估领域已初步形成的有代表性的术语表达方式，在联合国教科文组织提出的统一定义的基础上，对地质灾害风险评估所涉及的基本术语定义如下：

（1）危险度H（Hazard）。特定地区范围内某种潜在的地质灾害现象在一定时期内发生的概率。

（2）易损性V（Vulnerability）。某种地质灾害现象以一定的强度发生而对承灾体可能造成的损失程度，易损性可以用0-1来表示，0表示无损失，1表示完全损失。

（3）承灾体E（Element at risk）。特定区域内受地质灾害威胁的各种对象，包括人口、财产、经济活动、公共设施、土地、资源、环境等。

（4）风险度R（Risk）。承灾体可能受到各种地质灾害现象袭击而造成的直接和间接经济损失、人员伤亡、环境破坏等。风险等于危险性、易损性、承灾体价值三者的乘积。

风险度（R）=危险度（H）×易损度（V）×承灾体价值（E）

如何运用系统动力学进行政策分析

系统动力学方法 系统动力学方法是一种以反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为手段，通常用以研究复杂的社会经济系统的定量方法。自50年代中美国麻省理工学院地的福雷斯特教授创立以来，它已成功地尖用于企业、城市、地区、国家甚至世界规模的许多战略与决策等分析中，被誉为"战略与决策实验室"。这种模型从本质上看是带时间滞后的一阶差微分方程，由于建模时借助于"流图"，其中"积累"、"流率"和其它辅助变量都具有明显的物理意义，因此可以说是一种布告同实际的建模方法。它与其它模型方法相比，具有下列特点： （1）适用于处理长期性和周期性的问题。如自然界的生态平衡、人的生命周期和社会问题中的经济危机等都呈现周期性规

　国内外自然灾害灾情评估工作概况

国内外对灾害的研究历史非常久远，但将灾害评估作为灾害研究领域中的一项新内容，仅是近几十年来随着灾害损失的日益严重和相关学科理论与技术的迅速发展而兴起的。目前虽然尚没有形成完整的理论与方法，但对自然灾害灾情评估工作确已取得了重要进展，不但为减灾发挥了重要作用，而且为灾情评估逐步走向成熟奠定了基础。

一、国外灾害评估研究概况

本世纪60年代以前，自然灾害研究主要限于灾害机理及预测研究，重点调查分析灾害形成条件与活动过程。70年代以后，随着自然灾害破坏损失的急剧增加，促使人类把减灾工作提高到前所未有的程度。在一些发达国家，首先拓宽了灾害研究领域，在继续深入研究灾害机理的同时，开始进行灾害评估工作。美国首先对加州的地震、滑坡等10种自然灾害进行了风险评估。该项工作于1969年由土地保护部（Conservation department）提出，由该部的矿山地质处执行；从1970年7月1日至1973年6月30日，分三个阶段完成。研究内容包括：区域内现实和潜在的城市发展与地质环境冲突的识别；政府和私人部门责任的评判；建议优先项目以及立法和组织要求，将最终项目报告作为州和地方政府以及私人部门决策的基础。通过该项研究，得出1970～2000年加州10种自然灾害可能造成的损失为550亿美元；如果采取有效的防治办法，生命伤亡可减少90%，经济损失也可以明显减少。

1970～1976年，美国内务部地调所（USGS）和住房与城市发展部的政策发展与研究办公室，联合支持了旧金山海湾地区环境与资源计划研究。这项研究的目的是推进地球科学信息在区域计划和决策中的应用。在由海湾地区行政管理联合会的R.T.Laird等人完成的《土地潜力数学分析》报告中，初次使用了一种新的方法来评价土地利用方案。这种方法要求估价与地质和水文特征相关的成本。这些成本可能是减灾措施成本，也可能是未来损失概率成本或损失机会成本。由于可用现值表示，所以此成本提供了一个评价和比较不同土地使用和不同灾害制约因素以及资源的共同基础。与此同时，美国的一个多学科专家小组开展了自然灾害风险评价与减灾政策研究。其目的是提高对自然灾害危害水平的认识，探讨各种减灾政策的有效性，分析减灾政策制定体系的各种制约因素，从而为联邦、州和地方政府提出一系列建议或可行的措施。研究小组选择了洪水、地震、台风、风暴潮、海啸、龙卷风、滑坡、强风、膨胀土等九种自然灾害，对美国各县发生的灾害建立起一套预测模型；在此基础上，估算了9种灾害到2000年的期望损失值。

进入80年代，对各种自然灾害的研究得到了更加广泛而又深切的关注。1989年，由美国国家科学院的全国研究理事会（NRC）及联邦所属科学和减灾机构召集，由17位成员组成的国家委员会分工协作，制定了减灾十年计划。该计划把自然灾害评估列为研究的重要内容，提出在以下三个方面深化研究：引起自然灾害的物理过程和生物学过程；社会可以调用的减轻自然灾害物理效应的技术能力；人类相互作用系统的特征及对灾害事件的反应。与此同时，继续开展了单项的或者综合的灾害灾情评估工作，全国研究理事会地震损失评估专家小组在1989年提交了《未来地震的损失评估》报告。日本、英国等一些国家则进行了地震、洪水、海啸、泥石流、滑坡等灾害评估，并且在有关的减灾法规（如日本的《灾害救助法》、《地震保险法》等）中强调灾情调查、统计、评价以及据此确定的减灾责任与救助措施。

为了推进广泛的国际间协调与合作，联合国在1987年通过决议，确定在本世纪最后十年开展“国际减轻自然灾害十年”活动。1991年，联合国国际减灾十年（IDNDR）科技委员会提出了《国际减轻自然灾害十年的灾害预防、减少、减轻和环境保护纲要方案与目标》（PREEMPT），在规划的三项时事中的第一项就是进行灾害评估。提出“各个国家对自然灾害进行评估，即评价危险性和脆弱性。主要包括：①总体上哪些自然灾害具有危害性；②对每一种灾害威胁的地理分布和发生间隔及影响程度进行评价；③估计评价最重要的人口和资源集中点的易灾性。”把自然灾害灾情评估纳入实现减灾目标的重要措施。国际减灾活动得到许多国家的积极响应，使灾害研究空前发展。具体表现在：研究机构和人员不断壮大；灾害学术刊物不断增加；专业会议频频召开；灾害研究领域迅速扩大；人类对灾害的认识不断丰富和深化。美国的《自然灾害观测者》、《科学事件快报》，英国的《灾害管理》、《灾害研究和实践》，日本的《自然灾害科学》，瑞典的《意外事件、自然灾害研究委员会通讯》等刊物相继问世。国际性减灾会议频繁召开：1980年在美国召开了“国际灾害预防会议”；1984年在我国台湾召开了“减轻自然灾害国际讨论会”；1985年在马德拉斯召开了“印度－美国减轻风灾会议”；1988年在美国召开了“地质灾害讨论会”；1991年在中国北京召开了“国际地质灾害研讨会”；1992年在加拿大温哥华召开了“地质技术与自然灾害研讨会”。与此同时，还召开了多次“国际自然和人为灾害会议”：第一届会议于1982年在美国夏威夷召开；第二届会议于1986年在加拿大里木斯基举行；第三届会议于1988年在墨西哥的因森达举行；第四届会议于1991年在意大利的培卢基举行；第五届会议于1993年在中国青岛举行。此外，1994年5月在日本横滨召开了“世界减灾大会”。这些会议的主题内容虽然不同，但灾害评估是会议关注的重要方面；而且随着时间的发展，有关的成果越来越丰富，在世界范围内的重视程度也越来越高。

为了推动国际减灾目标的实现，一些国际组织提出了重大自然灾害评估的国际合作计划。如90年代联合国国际减灾十年科技委员会批准“全球地震危险性评估计划（Global Seismic Hazard Assessment Program）”。该计划将推进全球和区域的广泛协调，争取在本世纪结束前对各国地震危险性予以评估，使世界范围的地震研究达到一个新的水平。

二、国内灾害评估研究概况

我国是世界上记录灾害最悠久、史料最丰富的国家。新中国成立以后，国家特别重视减灾工作，为了有效地防灾、救灾，特别加强灾情调查评估，并取得了显著成绩。但由于历史的局限，早期的灾情研究主要局限于灾害事件现象和破坏损失情况的统计描述。70年代以后，随着灾害对社会经济影响的日益严重和国际灾害研究的迅速发展，我国灾害评估研究开始兴起，并得到蓬勃发展；虽然至今尚没形成独立的学科体系，但许多内容达到国际领先水平，取得的成果不但有力地支持了我国的减灾事业，而且推动了世界灾害研究水平的提高。

我国比较系统深入的灾情评估当属地震灾害。其代表性的工作成果首先是由原国家地震局先后完成的三代《中国地震烈度区划图及使用规定》。该图在对全国区域地震危险性评估基础上，确定了不同地区一般场地条件下在未来一定期限内可能遭遇超越概率为10%的烈度值，即地震基本烈度。与此同时，原国家地震局震害防御司等先后进行了“中国地震灾害损失预测研究”、“未来地震损失评估方法”等研究。通过这些工作，建立了地震灾害评估指标体系，基本完善了评估内容，初步形成了比较系统的灾害评估理论和方法。为了指导全国地震灾害灾情统计和评估工作，原国家地震局制定了《地震灾情上报暂行规定》、《地震重点监视防御区震害预测工作指南（试行稿）》等文件，出版了《地震灾害预测和评估工作手册》，使我国地震灾害灾情统计和评估初步走上科学化、规范化道路。

我国对其它一些灾害也开展了不同程度的灾害评估研究。水利、农林、气象等部门和一些专家分别对一些区域性洪水灾害、森林灾害、台风灾害等进行了风险分析或灾情预测评估，编制了风险图，提出了灾情评估或风险评价的方法和技术。虽然这些工作还比较肤浅、零散，但对指导行业减灾，提高灾害保险管理水平发挥了一定作用。

在地质灾害研究领域，灾情评估也开始兴起。70年代以前，地质灾害研究主要局限于对灾害分布规律、形成机理、趋势预测等方面的分析，基本依附于水文地质、工程地质勘查和研究工作。70年代以后，地质灾害研究开始突破传统的研究模式，研究理论不断提高，研究内容日益丰富，迅速向新的独立学科发展；伴随这种趋势，灾情评估开始起步。

近年来，在国家支持下，有关部门先后进行了100多项崩塌（危岩）、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂缝、海水入侵等重大地质灾害的专门勘查工作，并对危害严重的链子崖危岩、黄腊石滑坡等开始进行防治。在地质灾害勘查、研究项目中，越来越深入地开展了地质灾害灾情评估工作。例如，由原国家计委国土地区司和原地质矿产部地质环境管理司共同组织的全国地质灾害现状调查，对全国地质灾害损失程度和分布情况进行了估算评价；张业成、张梁等在对中国近40年地质灾害灾情分析的基础上，运用AHP法分析评价了中国地质灾害的危害程度，进行了全国范围的危险性区划；刘希林等根据大量调查统计资料，提出了判断泥石流危险程度和评估泥石流泛滥堆积范围的方法；胡瑞林等将计算机技术应用于地质灾害评价，初步提出了地质灾害评价的计算机模型预测系统与应用方法；罗元华、张梁、孟荣等在借鉴国外和国内其它领域研究成果的基础上，根据环境经济理论，对地质灾害评估与经济损失分析的理论基础进行了探讨等。所有这些，不但为地质灾害防治提供了依据，而且从理论上和实践上为地质灾害灾情评估提供了有益的经验。

在进行专业灾害评估研究和实践的同时，不少专家对自然灾害评估理论和方法进行了日益深入的探讨和总结。例如，于光远在1987年全国灾害经济学讨论会上，对自然灾害经济理论进行了阐述，提出了灾害经济学属于守业经济学，减灾的经济效果表现为“负负得正”的经济效益；马宗晋于1988年提出了用“灾度”表示自然灾害破坏损失规模的意见；高庆华于1991年提出了建立自然灾害评估系统的总体构想；张梁等（1994）根据环境经济学理论，初步论证了地质灾害的属性特征和灾情评估的经济分析方法；黄崇福等（1994）提出了自然灾害风险评价的模型体系；李永善、张显东、于庆东、罗云等分别对自然灾害经济损失、防治工程效益等评价方法进行了探讨。

近10年来，国内还召开了多次有关自然灾害评估的学术会议，对灾害评估的理论、方法、实践成果进行了比较频繁的总结交流。如1987年、1990年、1991年先后三次召开了全国灾害经济学学术讨论会；1988年召开了全国森林灾害经济学学术讨论会；1992年召开了全国地质灾害经济学术研讨会；1991年召开了全国水利经济效益研讨会；1991年和1992年两次召开了云南省灾害经济损失评估座谈会；1991年召开了全国灾害经济损失评估学术讨论会等。这些活动促进了部门之间、地区之间，以及不同学科之间的交流，对灾情评估起到了重要的推动作用。

经过近20多年的发展，我国自然灾害灾情评估，在理论和实践方面都取得了丰富成果，同世界同类研究相比，许多内容居国际领先水平。虽然目前尚没有形成系统完善的理论与方法，但已有的工作为今后奠定了重要的基础。所有这些，标志我国自然灾害灾情评估已从萌芽阶段开始进入全面发展时期。

三、国内外自然灾害灾情评估取得的主要进展

综观近几十年来自然灾害灾情评估工作，取得的进展主要表现在以下几个方面：

（一）自然灾害灾情评估得到越来越广泛的重视

在自然灾害灾情评估刚刚萌发的时候，只是个别部门和专家认识到它对减灾的重要意义和光辉的发展前景；随着减灾活动的深入，这些认识逐渐变为多数部门和专家的共识。这种变化的主要表现是：越来越多的灾害管理部门组织项目开始进行专门的灾情评估研究，并越来越强调灾情评估成果的应用；投入这方面研究的专家越来越多，不但有自然科学的专家，而且不少从事社会经济研究、方法研究、新技术研究的专家也投入这一领域，极大地促进了灾害评估的发展；学术活动越来越频繁，研究成果越来越丰富。

（二）研究内容越来越广泛

越来越多的学科融入自然灾害灾情评估，使其研究内容日趋广泛深入。最突出的表现是强化了社会经济研究。纵观几十年来自然灾害灾情评估发展过程，一个显著变化是除了对灾害活动强度（危险性）的分析日益定量化外，对受灾体易损性的分析不断加强。这种分析不仅局限于受灾体个体分析，而且逐渐扩展到评价区域社会经济易损性研究，从而使灾情评估从单纯的自然科学研究，逐渐提高到多学科、多领域研究。

（三）研究的方法手段越来越丰富

随着灾情评估研究的发展，研究方法日益丰富，除了灾害动力学分析方法外，开始融入多种数理统计分析和社会经济评价方法，如概率分析、相关分析、趋势分析、聚类分析、系统分析、层次分析、工程分析、价值分析等。与此同时，计算机技术得到越来越广泛应用。因此，灾情评估不断向模型化、定量化、现代化方面发展。

活动断裂的主要活动方式及其动力学机制分析

活动断裂的活动性及其活动方式研究既是青藏高原隆升机制与动力学过程所需要依据的基础信息，又是进行区域地壳稳定性评价的重要指标。较为详细的野外地质调查成果、GPS位移场观测数据和构造应力场数值模拟结果为系统分析滇藏铁路沿线活动断裂的主要活动规律及其动力学机制奠定了基础。从前文所述可以看出，青藏高原不同地区的变形方式是不一致的，相应地，滇藏铁路沿线的断裂活动规律具有明显的分区性。以下分成藏南区、藏东南区和滇西北区对主要活动断裂的活动规律及其动力学机制加以总结和阐述。

一、藏南区活动断裂的主要活动方式及其动力学机制

晚新生代以来，在印度板块向NE方向的强烈推挤作用下，青藏高原南部形成以逆冲对叠为主的喜马拉雅前陆逆冲楔，塑造了该区基本构造格局。滇藏铁路拉萨-林芝段所在的藏东南区，在晚近时期，一方面随着NE向的推挤，深部物质向东流动，导致地壳表层整体产生向北和向东的位移分量；另一方面，在NE向主压应力产生作用的同时，出现SE-SSE方向的伸展或拉张，形成和加剧了一系列NNE向的裂谷或断陷盆地的形成和发展，控制这些盆地的边界断裂成为第四纪以来特别是晚更新世以来活动性较强的构造部位，它们的活动方式以正断为主，如：亚东-那曲裂谷带、桑日-沃卡裂谷带等，这些部位也是现代地震的频发区。在上述应力作用下，还可以产生NW向的右旋和NE向的左旋共轭走滑断裂，这些走滑断裂也控制了一些沉积盆地的形成，它们主要分布在拉萨以西地区。而相对较早发育的近EW向构造变形带，如雅鲁藏布江变形带、工布江达-墨竹工卡变形带等，随着板块拼贴的完成，其与周边物质主要以整体运动的形式存在，晚更新世以来的活动性明显变弱，只是在林芝以东受到东喜马拉雅构造结的阻挡，产生NE向的弧形偏移。

应当指出，尽管上述近EW向构造变形带在第四纪期间活动性较弱，但它们仍可构成地下水贯通和传导的通道，因此，该段铁路沿线沿EW向构造变形带出现一系列的温泉、沸泉是可以理解的。

二、藏东南区活动断裂的主要活动方式及其动力学机制

藏东南区（三江区）活动断裂的突出特征是表现为一系列醒目的NW向走滑断裂带，如嘉黎断裂带、怒江断裂带、澜沧江断裂带、金沙江断裂带等。前已叙及，印度板块与欧亚板块碰撞过程中，在喜马拉雅山脉的东、西两端形成了东喜马拉雅构造结（阿萨姆）和西喜马拉雅构造结（帕米尔）。印度板块在向北持续的挤压作用和向北推移过程中存在反时针的旋转（图7-14），从而在南迦巴瓦地区形成或加强了东喜马拉雅构造结的楔入（Dewey et al.，1989；刘宇平等，2000），这种楔入作用所产生的地质效应在三江区活动断裂的演化和活动方式方面起到了重要作用，也使得东喜马拉雅构造结成为三江区与藏南区活动构造的分界带或过渡带。

图7-14 印度板块相对欧亚板块向北连续位移图

南迦巴瓦楔入构造由楔入体和走滑断层系组成。楔入体由前寒武纪的喜马拉雅构造单元构成，它是印度板块的基底，呈NE向延伸数百千米、宽约数十千米（图7-15）。通过线理、片麻理及面理褶皱分析，至少可识别出3次构造变形（刘宇平等，2000）：第一次构造变形自北向南逆冲，喜马拉雅构造单元中形成EW走向、北倾并向南逆冲的断层系及相应的EW向褶皱；第二次构造变形以NE向的走滑剪切、向南逆冲和向北的伸展为特征，NE向的走滑主要发生在喜马拉雅构造单元的东西两侧，东侧为旁辛-汗密右旋走滑剪切带，西侧为米林-鲁朗左旋走滑剪切带，喜马拉雅构造单元的内部以向南逆冲为特征；第三次构造变形以抬升和走滑变形为特征，抬升主要发生在构造结的核部，旋转走滑作用产生于构造结的外部，成为三江区走滑活动断裂系形成和发展的主要力源。

图7-15 南迦巴瓦地区地质构造单元示意图

在南迦巴瓦地区，东喜马拉雅构造结的楔入作用导致了大峡谷的形成和发展；在区域上，楔入作用促进了青藏高原东南部物质以东喜马拉雅构造结为核心的顺时针转动。由于旋转的差异性，从旋转的核心向外分别出现右旋走滑、共轭剪切和左旋走滑；靠近核心以右旋走滑为特征，如嘉黎右旋走滑剪切带、怒江右旋走滑断裂带等；外侧以鲜水河-小江左旋走滑剪切带为代表，而在两剪切带之间可左旋与右旋共轭出现。这一构造动力学机制与青藏高原东南部GPS位移场观测结果和现代构造应力场的数值模拟结果是一致的。

滇藏铁路所在的三江区主要靠近东喜马拉雅构造结的核心部位，第四纪以来的构造活动以隆升为主，NW向活动断裂的右旋运动幅度相对较小，如怒江断裂、澜沧江断裂等，而共轭剪切作用产生的部分NE向活动断裂（如巴塘断裂等）及其控制的断陷盆地的活动性相对比较明显，并成为重要的地震构造带。这些NE向活动构造带的存在，一方面说明地壳深部塑性流动的存在，另一方面，不排除在这些地区的地表伴随地震活动出现新生断裂。

三、滇西北区活动断裂的主要活动方式及其动力学机制

滇藏铁路所经过的滇西北区主要位于著名的“川滇菱形块体”。川滇菱形块体由金沙江断裂-红河断裂以及鲜水河断裂-安宁河断裂-小江断裂带所围限。前人研究表明，川滇菱形块体作为一个独立的和统一的新构造单元参与青藏高原构造区的变形调整，以其特有的走滑挤出变形为主。由于不同性质断裂带的活动，川滇菱形块体被分割成几个次级块体参与青藏高原东南边缘地壳的变形调整，地壳块体除了向南和南东的滑移外，还兼有刚性块体转动，其运动图像十分复杂（图7-16）。各次级块体的最新构造变动包括平移、顺时针转动和垂向隆升等，是印度板块-欧亚板块碰撞、印度板块北移引起板块边缘或内部强烈隆起、变形局部化和物质东向逃逸受阻引起的应变响应。

图7-16 川滇地区活动断裂分布与地壳运动状态图

最新构造变动的矢量分析和GPS实测到的现今地壳运动一致地显示，羌塘地块、马尔康块体西北次级块体和滇中次级块体等存在着自西向东连续向南偏转的东向运动，表明红河断裂带以北川滇地区最新构造变动的力源来自于青藏高原物质东向滑移。因此，无论是红河断裂带以西地区块体的顺时针转动，还是川滇菱形块体SE向平移叠加顺时针转动，都是印度板块与欧亚板块碰撞、印度板块北偏东向运移在青藏高原与相对稳定的华南地块之间近SN向右旋剪切变形区的应变响应，但转动模式有明显区别。红河断裂带以西地区是板块边缘近SN向至NW向右旋剪切变形带内部次级NE向断裂左旋走滑引起次级块体的顺时针转动；而川滇菱形块体明显的顺时针转动则主要起因于青藏高原中部羌塘地块东向滑移，并在与华南地块交接部位强烈受阻，造成川滇菱形块体东西两侧边界断裂的滑动速率东大西小，引起川滇菱形块体内部次级块体叠加在SE向平移运动之上的被动式顺时针转动（徐锡伟等，2003）。中更新世中晚期开始至今（约距今0.4 Ma以来），喜马拉雅事件在整个川滇地区几乎同时发生，川滇块体各主要边界构造带再次呈走滑运动，是川滇菱形块体最新一期走滑挤出运动的开始，这种变形与运动格局一直持续至今。