基于知识图谱的城市洪涝灾害链推演及时空特性解析
2024-05-13王浩杜伟刘家宏王佳梅超
王浩 杜伟 刘家宏 王佳 梅超
摘要：城市洪涝灾害具有链式传播特性，解析城市洪涝灾害链的传递规律和时空演变特征对于阻断灾害链具有重要意义。本研究以郑州“7·20”特大暴雨洪涝灾害中地铁5号线被淹和京广快速路隧道被淹2个事件为案例，构建知识图谱揭示灾害链传递规律。通过复盘灾害链的演变过程，从中识别灾害链中的诱发点、引爆点、扩散点以及放大点，并着重分析致灾机理以及灾害链的时空特性，以灾害曲线形式直观展示不同灾害链的影响程度。郑州“7·20”洪涝灾害典型案例解析表明，两事件存在多个灾害链阻断时机，在救灾过程中应综合考虑灾前、灾中因素的影响，果断采取断链措施，并且要充分发挥应急措施的时效性，及时阻断引爆点和扩散点，降低洪涝灾害损失。该方法能够应用于链式灾害的复盘，指导分析具体事件的致灾机理和救灾切入点。
关键词：城市洪涝;灾害链;知识图谱;灾害链传递;灾害链推演;时空特性
中图分类号：TV122
文献标志码：A
文章编号：1001-6791（2024）02-0185-12
收稿日期：2023-09-15;网络出版日期：2024-02-05
网络出版地址：https：//link.cnki.net/urlid/32.1309.P.20240203.1910.002
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2022YFC3090600）;国家自然科学基金资助项目（52192671）
作者简介：王浩（1953—），男，北京人，中国工程院院士，从事水文水资源方面研究。E-mail：wanghao@iwhr.com
通信作者：刘家宏，E-mail：liujh@iwhr.com
城市洪涝灾害是当代全球广泛关注的重大挑战之一［1］。城市化进程加快、气候变化以及基础设施老化等问题的逐渐加剧，使得城市洪涝发生的频率和严重程度不断上升［2-4］。城市洪澇灾害以及引起的一系列次生灾害构成城市洪涝灾害链，其威胁程度远高于单一灾害［5-7］。城市洪涝不仅对经济和社会造成巨大损失，也严重威胁着人民的生命安全［8-9］。例如，2023年7月29日20时至8月2日7时，北京市遭遇历史罕见特大暴雨，近129万人受灾，因灾死亡33人，失踪18人［10-11］;2021年7月河南省洪灾造成省内1 478.6万人受灾，死亡、失踪398人，直接经济损失高达1 200.6亿元，其中郑州市死亡、失踪380人，占全省95.5%，直接经济损失409亿元，占全省34.1%［12］。郑州市地铁5号线被淹事件和京广快速路隧道被淹事件受灾严重且具有典型的链式传播特性。郑州市地铁5号线全线被水淹没，造成14人死亡，5人受伤［13］;京广快速路隧道内及其附近被淹车辆共247辆，6人遇难。城市洪涝频率与强度的不断增加，导致城市洪涝链生灾害风险加剧［14］。城市防汛部门需采取更有效的措施降低灾害链带来的损失［15-16］。
明晰灾害链的时空特性能够有效提高洪涝预警和响应的有效性，降低洪涝灾害发展过程的不确定性［17］，为断链措施提供有效的切入点，指导灾中应急措施。Chen等［18］基于分层建模理论，提出了一种自上向下的复杂灾害链演化过程建模方法，实现了复杂灾害链的语义描述;Wang等［19］将暴雨强度、环境因素和次生地质灾害形成过程作为输入变量，逐步计算了次生地质灾害的灾害值，发现次生地质灾害的特征可以反映灾害链放大破坏的特点;张社荣等［20］提出基于统一场景的重力坝极端动力灾害链传递混合模拟方法，根据包括洪水灾害在内的灾害链传递连续性模拟，能够获取洪水流量、流速等灾害损失评估参数及洪灾仿真预演视景。总体来看，目前针对灾害链的研究偏重于解析灾害链的因果关系和逻辑结构，缺乏对整个灾害链时空特性的分析，预警的时效性和精准性不足，在指导公众有效避险时效率不高［16-20］。城市洪涝灾害链推演涉及复杂的事件传递关系，知识图谱是一种反应实体关系的语义网络，因此，可通过知识图谱以多个三元组的形式来描述灾害链各事件的属性关系［21］，直观展示灾害链中各环节的致灾方式，推演链式传递过程。
本文首先梳理典型城市洪涝链生灾害事件，分析城市洪涝灾害链传递规律。在此基础上，基于知识图谱分析郑州“7·20”特大暴雨洪涝灾害中地铁5号线被淹和京广快速路隧道被淹2个主要事件的因果关系以及时空特性，剖析灾害链阻断措施面临的主要瓶颈，提出灾害链断链总体思路，为提高城市洪涝预警及时性和响应有效性提供基础支撑。
1 典型城市洪涝事件灾害链特性分析
灾害链由致灾因子、孕灾环境和承灾体等构成［22］。其中，承灾体的灾害损失具有多种表现形式，包括可预见、不可预见、有形、无形、经济损失、非经济损失等［23-24］。分别从公众生命安全和经济财产安全2个角度来分析国内外典型洪涝事件的灾害链特性，如表1所示。
灾害链特性主要表现为交通环境脆弱性、居住环境易涝性以及经济活动受阻等方面，在城市区域主要的损失类型包括经济损失和人员损失。经济财产安全方面，极端降雨导致交通设施破坏、交通中断、生命线设施中断等，产生直接经济损失，而交通的中断不可避免地会影响当地经济活动，产生间接经济损失［25］。交通环境、居住环境、公共场所环境等都构成经济财产安全的孕灾环境。人员损失方面，交通系统中的道路、桥涵、隧道以及生命线设施被淹可能威胁公众生命安全，例如，郑州“7·20”期间京广快速路隧道受淹曾导致6人溺亡的不幸事件;生命线设施方面的供水、供电中断等也会对居民的生命健康造成影响。此外，房屋坍塌/被淹、地下室/地铁等易涝设施被淹，也是造成人员损失的重要原因［26-27］。基于以上分析，城市洪涝威胁公众生命安全的主要孕灾环境是交通环境和居住环境。在交通系统中，人群作为承灾体通过地铁、驾车等方式出行，与致灾因子相遇引发洪涝灾害损失;在居住场所中，致灾因子将受灾人群居住的各种场所转变为孕灾环境，威胁公众生命安全。
2 城市洪涝灾害链知识图谱构建
Neo4j作为一种知识图谱的图数据库，提供优化的关系遍历执行算法，具有多种驱动语言支持，并且用户界面友好、数据语义描述丰富，已被使用在构建灾害链网络、分析致灾机理等相关研究中［28-30］。通过Neo4j的Match语句可实现灾害链知识图谱的绘制。知识图谱所需数据来自国务院灾害调查组的《河南郑州“7·20”特大暴雨灾害调查报告》［12］。
2.1 郑州地铁5号线被淹灾害链
将灾害链中模式层构建分为灾害属性、灾害链中事件、灾害链外事件、断链措施以及事件属性5类，构建了灾害链知识图谱。灾害的属性主要考虑灾害构成属性，即致灾因子、承灾体、孕灾环境等;灾害链中事件是灾害链的传播节点，比如配电设施被淹、列车迫停等经济损失以及由此链式引发的人员伤亡;灾害链外事件是加剧灾害损失的关键因素，例如违规设计或停运指令延迟发布，这些链外事件影响着灾害链能否传递以及灾害损失的大小;断链措施是阻断灾害链传播的方式，例如采取应急方案、及时救援;事件属性描述事件的属性值，主要涉及灾害链中事件、灾害链外事件以及断链措施的发生时间。其中灾害链外事件与断链措施都可分为灾前、灾中两部分分析。由图1可知，洪灾发生后，灾前因素会影响灾前、灾中断链措施的有效性，导致应急响应迟缓，难以发挥原有的减灾效果；而灾中因素会降低防汛部门救援效率而加剧灾情。此事件灾害链链式影响复杂，涉及因素多，断链难度大，而灾前的预防措施覆盖面广，能够有效降低潜在风险，是限制灾损的有效防汛方式。
2.2 京广快速路隧道被淹灾害链
由图2可知，郑州京广快速路隧道淹没事件中，极端降雨作为致灾因子使隧道淹没而产生孕灾环境，人和车辆作为主要承灾体由于车辆拥堵难以转移，最终产生灾害损失。因此，灾害损失加剧的原因是灾中断链措施未采取或采取不及时，具体表现为车辆拥堵在隧道中难以疏导。京广快速路隧道区域附近被淹车辆共247辆，其中隧道周边道路142辆，这表明隧道内外都存在擁堵情况且拥堵时间长，在灾害链传播过程中交通疏导难度愈发增加。
3 城市洪涝灾害链推演及时空特性解析
时空特性分析能够还原灾害链中各事件的“时间先后顺序”和“相对位置关系”，实现灾害演变过程复盘，从而提供采取有效断链措施的时间区间和空间位置，指导应急响应措施。
3.1 城市洪涝灾害链推演
从知识图谱中抽离出与灾害链链式传递相关的核心节点开展灾害链推演。根据各事件对后续的具体影响，可分为诱发点、引爆点、扩散点以及放大点。诱发点为诱发一系列洪涝灾害的根本原因，多为城市洪涝原生灾害的起始端;引爆点为引发城市洪涝风险并极大增加灾害损失的单元，即将原本有风险但无灾损的承灾体转化为有灾损的承灾体，引爆潜在风险的单元;扩散点为引发已形成洪涝灾害一系列次生灾害的单元;放大点为扩大城市洪涝灾害链已有损失的单元。
郑州地铁5号线被淹事件灾害链推演如图3所示。暴雨产生的洪水是灾害链的诱发点。随着诱发点产生的洪涝灾害风险的不断提高，郑州市气象局截至16：01已发布了5次预警信息，此时若能采取相应措施，可避免引爆点的产生，但因未按照预案及时响应错过了预警时效性最有效的阶段。灾害链被引爆后，产生“多米诺效应”，灾害损失爆发式增长，出现扩散点和放大点，在事件中表现为“应急方案未启动”以及“停运指令发布不及时”导致地铁放行，从而加剧灾害损失。在灾害演变的13个事件节点中，灾害链中扩散点和放大点数量都为6个，占比最高。其中，扩散点多向传播，引发次生灾害，增加承灾体种类与数量;而放大点进一步加剧灾害损失。并且扩散点和放大点表现出“叠加”的特性。比如道路被淹、地铁被淹事件，既是扩散点，又是放大点，既增加灾害链的复杂性，又加剧灾害损失程度。
郑州京广快速路隧道被淹事件灾害链推演如图4所示。暴雨产生的洪水是灾害链的诱发点，随着致灾因子强度提高，道路与隧道形成积水，车辆难以通行。因此，疏导交通不及时是此次事件的引爆点。车辆拥堵无法快速缓解，隧道内车辆无法驶出，隧道被淹时受灾车辆难以及时驶离。“车辆拥堵、交警无法到达、交通疏导不及时”3部分之间存在“循环放大效应”，在采取措施阻断灾害链前，随着隧道内淹没水深的不断上升，交通疏导的有效性愈发降低，车辆拥堵情况将更加严重，交警也更难以到达现场疏导交通。在“循环放大效应”中放大点不断加剧引爆点严重程度，使得救灾工作难以开展，救灾难度显著提高。
综合分析，两事件诱发点都是暴雨引发的洪水，导致道路和隧道积水、交通受阻，成为潜在的灾害源，并且未及时采取相应的措施成为引爆点。两事件的扩散点和放大点存在表现差异：地铁事件中，承灾体种类更多，灾害链主要通过传播扩散增加灾害损失；而在隧道被淹事件中，车辆拥堵、交警无法到达、交通疏导不及时形成“循环放大效应”，灾害链主要通过放大灾害链某一节点增加损失。
3.2 灾害链时空特性解析
图5展示了郑州地铁5号线事件灾害链的时空特性。从时间特性分析，15：09五龙口停车场大门挡水板被冲毁，雨洪水灌入停车场;16：00—17：00郑州市中心城区1 h降水量达到201.9 mm［31］，雨洪水冲毁停车场围墙，灌入地铁隧道，使得17：47地铁失电停运、列车被淹且位置难以救援;18：04地铁公司发布停运指令，避免灾害损失加剧;18：40乘客打开车门自发逃离，因水流太大太急一度退回车内。当地消防部门和医务人员在接到救援消息后，立即展开救援行动。直至21：00左右，成功救出500多人，尽管救援及时，但仍有14人死亡，5人受伤［32］。从空间特性分析，中心城区洪涝灾害易损性较强［33］，洪水灌入地铁隧道后，沙口站和海滩寺之间开始积水;当列车离开站台，进入两站台间积水地段后，退行约30 m时列车失电迫停，但位置标高相较于原位置却低了75 cm，进一步提高灾害风险。结合2个特性分析，17：00前地铁事件存在潜在风险，17：00后的极端降雨作为致灾因子极大提高了灾害扩大化的概率。地铁被淹后，人作为主要承灾体，被迫置于难以救援的孕灾环境，使得潜在风险转化为实际损失。断链措施最有效的切入点位于15：09停车场大门挡水板被冲毁前后。停车场挡水板冲毁前，可根据预警信息实施预案，开展检查巡视;停车场挡水板冲毁后，立刻开展有效的应急处置，包括排查风险、列车停运、乘客疏散等措施。
图6展示了郑州京广快速路隧道事件灾害链的时空特性。从时间特性分析，3条隧道进水时间并不集中，北隧道15：14首先进水，16：00左右中隧道、南隧道进水;16：20中隧道匝道大面积进水，并向南北两侧漫延;这导致3条隧道被淹的时间点集中在17：30左右;而车辆拥堵于15：38左右开始，此时车辆已经受到隧道内积水影响，到中隧道匝道大面积进水期间42 min，理论上存在阻断灾害链的可能性。但此次洪灾涉及区域广，多个区域均需要交警疏导受淹路段交通，防汛部门或交通部门难以及时响应。从空间特性分析，整个隧道北低南高，积水首先在北隧道开始，且北隧道的淹没水深大于其他2條隧道;此后的大面积进水发生在中隧道北部，进一步提高了北隧道的风险。因此，尽管3条隧道最终都被洪水淹没，但只有北隧道发生了亡人事件。结合2个特性分析，地势低的北隧道首先进水被淹，随后在北隧道发生车辆拥堵，且未能及时疏散人群［34］，导致人与车辆等承灾体停留时间过长，16：20大量洪水从中隧道进入北隧道，并且降雨强度大，此时人和车辆的总体风险程度急剧上升，产生一系列灾害损失［35］。断链措施执行最有效的切入点位于15：38车辆拥堵发生后，应尽快于北隧道疏导交通，及时关闭隧道，必要时积极引导人群舍弃车辆等财产，向高地势的安全地区撤离。
综合分析，两事件共性在于时间特性上都存在一定的预警响应时机，但未能及时响应预警导致引爆点产生而扩大灾害损失；不同在于，地铁5号线事件的救灾强调灾前采取预案和应急处置的时机，京广快速路隧道事件则强调灾中车辆拥堵发生后的疏导交通、关闭隧道、尽快引导人群撤离等措施。
4 城市洪涝灾害链断链总体思路
基于上述断链切入点位置和灾害链推演结果，开展多情景灾害链推演假设，分析救灾措施执行时间对灾害链损失的影响，以灾害链链式传播长、承灾体种类复杂的地铁5号线被淹事件为例，如图7所示。
图7中，包含4种情景下的灾害链传播，其中灾害链C是郑州地铁5号线淹没事件实际发生的灾害链，灾害链A、B、D为模拟推演假设。按照巡视预案响应、按照应急方案响应、及时救援是区分4条灾害链的3个关键事件，分别涉及引爆点、扩散点、放大点。当断链措施未采取或采取不及时，不能有效切断灾害链时，灾害链将持续链式传播至灾害结束，此时洪涝灾害损失将向最大化方向发展。而应急响应措施及时阻断灾害链，则能有效控制灾害损失扩大。灾害损失能够直观反映不同灾害链的损失程度，从而更好地评估灾害的影响，具体可参考S型曲线［36］，多情景灾害链模拟综合损失曲线如图8所示。
图8中，当控制引爆点后，根据《国家城市轨道交通运营突发事件应急预案》，将采取现场疏散、乘客转运等多种应急响应措施，之后扩散点和放大点无法损害已经脱离孕灾环境的承灾体，可有效控制灾害损失发展。随着断链措施不断滞后，洪涝灾害在链式传播中不断叠加放大，扩散点会产生新的扩散点或放大点，灾害损失持续加剧。
在灾害链演变过程中，要发挥应急管理制度在洪涝灾害中的指导作用，在有效的预警和响应范围内采取断链措施，优先按照预案响应等措施避免灾害链引爆点的产生。随着采取断链措施时间的滞后，扩散点和放大点涉及的承灾体数量和种类增多，开展全面救灾工作的难度愈发增加，此时应以生命安全为优先项，阻断相关的扩散点，采取应急措施避免人员伤亡。
5 结语
本文首先通过梳理典型城市洪涝灾害链事件，识别了交通道路、交通系统、生命线设施等主要承灾体及其灾害链传递和损失特性。其次，以郑州“7·20”特大暴雨洪涝灾害中地铁5号线被淹事件、京广快速路隧道被淹事件为案例，提出了诱发点、引爆点、扩散点以及放大点等灾害链关键节点，基于知识图谱分析了灾害链的因果关系和逻辑结构，结果表明在救灾过程中应综合考虑灾前、灾中因素的影响，避免应急响应措施迟缓，防控引爆点和扩散点，从而降低洪涝灾害损失;在此基础上，解析了2个案例的灾害链时空演变特性，识别了阻断灾害链的有效切入点。最后，以郑州地铁5号线被淹事件为例，推演了4种可能的灾害链发展场景，提出了不同应急响应时间和灾害链阻断措施影响下的综合损失参考曲线，为城市洪涝灾害链阻断提供科技支撑。下一步，在本研究基础上加强灾害链损失的量化分析，为城市洪涝灾害链的动态评估和阻断提供更多的数据基础。
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Derivation and transmission analysis of urban flood disaster chain
based on knowledge graph
The study is financially supported by the National Key R&D Program of China （No.2022YFC3090600） and the National Natural Science Foundation of China （No.52192671）.
WANG Hao1，2，DU Wei3，LIU Jiahong1，2，WANG Jia1，2，MEI Chao1，2
（1. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and
Hydropower Research，Beijing 100038，China;
2. Key Laboratory of River Basin Digital Twinning of Ministry of Water
Resources（Preparation），Beijing 100038，China;
3. Faculty of Architecture，Civil and Transportation Engineering，
Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）
Abstract：Urban flood disasters exhibit chain-like propagation characteristics，and analyzing the transmission laws and spatiotemporal evolution features of urban flood disaster chains is of significant importance for disrupting the disaster chain.This study aims to use two events from the “7·20” unprecedented heavy rain and flood disaster in Zhengzhou—the flooding of metro line 5 and the flooding of the Beijing-Guangzhou expressway tunnel—as case studies.A knowledge graph was constructed to reveal the transmission laws of the disaster chain.By reviewing the evolution process of the disaster chain，triggering points，detonation points，diffusion points，and amplification points within the disaster chain were identified.The study focused on analyzing the disaster-causing mechanisms and spatiotemporal characteristics of the disaster chain，presenting the impact levels of different disaster chains in the form of disaster curves.Analysis of typical cases of the “7·20” flood disaster in Zhengzhou indicates that there were several chances to break the disaster chains in both events.In the disaster relief process，the influence of pre-disaster and in-disaster factors should be comprehensively considered，and decisive measures should be taken to break the chain.It is crucial to fully leverage the timeliness of emergency measures，promptly block detonation and diffusion points，and reduce losses from flood disasters.This method can be applied to the retrospective analysis of chain-like disasters，guiding the analysis of the disaster-causing mechanisms and entry points for disaster relief in specific events.
Key words：urban flooding;disaster chain;knowledge graph;disaster chain propagation;disaster chain deduction;spatiotemporal characteristics
