洪水灾害突变理论研究进展与评述

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1、洪水灾害突变理论研究进展与评述减灾中心黄金池，李晋辉1概述洪水灾害的发生与演化具有典型的系统特征，该系统是受多因素影响的一个极其复杂的巨系统，它的许多特性如有序化、突跳性、不可逆性、长期不可预测性以及模糊性、灰色特性等都是传统的牛顿力学所不能描述的。然而，耗散结构、协同、突变论、混沌理论等非线性理论和复杂性科学的出现，使得从总体上研究洪水灾害系统灾变的非线性动力学发生、演化过程及控制因素成为可能。以耗散结构、协同、突变论、混沌理论为基础的非线性理论强调了系统发生、演化的方向，非常恰当地拟合了洪水灾害系统演变过程的不可逆性。突变理论是一

2、项成熟且发展完善的奇点理论，是研究系统的状态随外界控制参数连续改变而发生不连续变化的数学理论，因此成为研究灾变系统突跳特性的重要工具。在自然灾害风险管理的研究中，人们认识到了突变理论的重要意义，在一些灾种的系统研究中得到广泛应用。然而，在洪水风险管理相关研究领域，该理论的应用成果则相对较少，本报告通过深入文献检索与广泛的资料收集整理，并通过专家咨询，探讨突变理论与洪水灾害的突变特性具有的重要的契合点，梳理现阶段自然灾害研究中突变理论应用成果的主要特点，归纳凝练突变理论应用于洪水灾害风险评估和洪水灾害预警预报等方面的基本思路,为我国在洪

3、水灾害风险管理研究方面开拓新的研究方向,探讨突变理论在洪水灾害管理中应用的主要方向和可能的发展趋势，特别是突变理论在洪水灾害及相关研究领域已经取得的主要进展，探讨利用突变理论的基本思想建立洪水灾害预警预报模型和风险评价模型，并分析凝练突变理论在洪水灾害风险评价等方面的应用价值和基本方向，增强我国洪水灾害预警预报能力和提高洪水风险评价技术水平的新途径，为丰富洪水灾害管理理论增加新的线索。显然，对于提高洪水风险管理的理论水平，增强洪水风险管理能力具有重要理论价值和生产实用价值。1.1洪水灾害系统的复杂性人们根据现代灾害事件所表现出来的特征

4、将灾害定义为：由于自然变异、人为因素或自然变异与人为因素相结合的原因所引发的对人类生命、财产和人类生存发展环境造成破坏损失的现象或过程。以洪水灾害为例，人类所面临的洪水灾害各种各样，其成灾因子各有不同，既有自然因素，也有人为因素及社会经济的影响，其过程十分复杂，是典型的复杂系统。洪灾不仅存在着多因子、多系统错综复杂的相互作用，而且具有一些复杂且共同的基本特性：本质上的开放性和相对封闭性共存；稳定与不稳定、平衡与不平衡、连续与不连续、线性与非线性、渐变与突变（灾变）交替发生。洪水灾害系统具有多种时空尺度系统嵌套式的层次性；内因和外因的交

5、互、耦合作用以及共振作用等。灾害系统科学面对这种如此庞杂、多态、多变的复杂巨系统必然带来研究问题的极端复杂性：一是涉及到众多学科的大交叉，如何从中找出客观存在的关键性基本规律就相当困难。既需要发展一系列的新兴交叉学科，更迫切需要首先从方法论上寻求出路，以免陷于“瞎子摸象”和滑入不确定性甚至不可知论的泥潭。二是过去由简单系统得到的一些定律、规则和方程，在解决此类复杂系统问题时已面临很大困难，甚至显得无能为力。迄今仍然作为许多学科基础理论体系的牛顿质点动力学在解决洪水风险管理这类问题时存在着两个根本性弱点：（1）不能描述不连续现象。洪水灾

6、害的发生与演变过程存在着大量的不连续，并且这种不连续往往是洪水灾害事件本身所具有的固有特征。（2）牛顿质点力学基本方程中考虑的是力的作用，没有深入描述系统内部各个不同因子的相互关系。因此，对于作为复杂巨系统的洪水灾害系统来说，仅仅依靠建立在牛顿质点动力学基础上的理论体系，难以全面、客观、准确地进行描写，需要在牛顿质点动力学的基础上，发展一种能够真实描写复杂系统尤其是其非线性突变过程的新型理论体系。1.2洪水灾害系统的突变特性洪水灾害系统是由孕灾环境、承灾体、致灾因子共同组成具有复杂特性的地球表层变异系统，灾情则是这个变异系统的直接表现

7、形式，是孕灾环境、致灾因子、承灾体相互作用并发生突变的结果。（1）孕灾环境：是由大气圈、岩石圈、水圈、物质文化圈所组成的综合地球表层环境，但不是这些要素的简单叠加，而体现在地球表层过程中一系列具有耗散特性的物质循环和能量流动以及信息与价值流动的过程——响应关系。从广义角度看，孕灾环境的稳定程度是标定区域孕灾环境的定量指标，这就是为什么要以全球变化、区域环境演变的研究才能够深入揭示灾害系统动态以及动力机制的根本原理。地球表层之孕灾环境对灾害系统的复杂程度、强度、灾情程度以及灾害系统的群聚与群发特征起着决定性的作用。（2）致灾因子：是指可

8、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交因子。根据目前的认识，史培军曾提出了致灾因子的自组织体系把致灾因子系统划分为致灾因子亚系统、致灾因子类与灾种三级。（3）承灾体：是指包括人类本身在内