地质灾害防治研究的认识论与方法论

【关 键 字】 地质灾害  共性  个性  整体论  分割论
【摘    要】 基于多年的研究与实践,作者从科学哲学角度提出了地质灾害防治研究的认识论与方法论。认识论方面确立地质灾害是可认识的,可防治的。地质灾害发生的根源是地质体重力作用的失衡,其共性和个性反映了地质体边界条件、初始条件和激发条件的组合变化。对于确定的时间阶段、空间区域和作用条件,地质灾害问题简化为线性和确定性问题处理是可以接受的。方法论方面确立地质灾害防治可以采用整体论和分割论相结合的方法求得问题的“有用解”,用以指导防灾减灾管理技术支持系统的研发与应用。整体论方法突出综合集成、归纳类比和逻辑演绎,用于宏观把握和长时程研判,指导工作的顶层设计或概念设计,如区域性风险区划、区域预警和防治规划。分割论方法采取观察、描述、分析、建模、评价、预测和工程控制等,用于具体地域、案例及其暂态阶段的分析,指导地质灾害的信息获取、识别评估、成因研判、预测预警、工程设计和风险评价等。
 
地质灾害防治研究的认识论与方法论 *
刘传正 ①②
(①国土资源部地质灾害应急指导中心 北京 100081)
(②中国地质环境监测院 北京 100081)
摘 要 基于多年的研究与实践,作者从科学哲学角度提出了地质灾害防治研究的认识论与方法论。认识论方面确立地质灾害是可认识的,可防治的。地质灾害发生的根源是地质体重力作用的失衡,其共性和个性反映了地质体边界条件、初始条件和激发条件的组合变化。对于确定的时间阶段、空间区域和作用条件,地质灾害问题简化为线性和确定性问题处理是可以接受的。方法论方面确立地质灾害防治可以采用整体论和分割论相结合的方法求得问题的“有用解”,用以指导防灾减灾管理技术支持系统的研发与应用。整体论方法突出综合集成、归纳类比和逻辑演绎,用于宏观把握和长时程研判,指导工作的顶层设计或概念设计,如区域性风险区划、区域预警和防治规划。分割论方法采取观察、描述、分析、建模、评价、预测和工程控制等,用于具体地域、案例及其暂态阶段的分析,指导地质灾害的信息获取、识别评估、成因研判、预测预警、工程设计和风险评价等。
关键词 地质灾害 共性 个性 整体论 分割论
中图分类号:P694
文献标识码:A
DOI: 10.13544/ j.cnki.jeg.2015.05.001
*收稿日期:2015-01-22;收到修改稿日期:2015-05-13.
基金项目:国家地质灾害应急防治研究事业专项(2012011220125)资助.
作者简介:刘传正(1961-),男,博士,研究员,博士生导师,研究方向为灾害地质、工程地质与环境地质.Email:liucz@mail.cigem.gov.cn
EPISTEMOLOGY AND METHODOLOGY ON GEO-HAZARD RESEARCH
LIU Chuanzheng ①②
(①Consultative Centre for Geo-Hazard Emergency,MLR.,Beijing 100081)
(②China Institute for Geo-Environment Monitoring,Beijing 100081)
Abstract After twenty years of theoretical and practical research,the author proposes epistemology and methodology on prevention of geo-hazards in scientific philosophy.Geo-hazards are recognizable and can be controlled in epistemology.Since geo-hazards resulted from the unbalance of gravitational behaviors in soil or rock body,its commonality and particularity reflect different terms,such as geological body in the boundary,initial and excited conditions.For a specific situation,geo-hazards could be simplified to linear and definite problems which could be done in engineering control.Methodology for mitigation of geo-hazards can be used to obtain useful solution according to holism and reductionism,which promisingly use to develop the technical support system for public management of geological disasters reduction.The methods based on holism include synthesis,sum up,analogy,deduction,et al.Which can be applied to top or concept design of geo-hazards judgment in long time such as regional risk mapping,early warning and prevention plan.The methods based on reductionism include observation,description,analysis,modeling,evaluation,forecast and engineering control.It can be used to study area/ case andits temporal state of slope problems,including geological information acquisition,identification of dangerous area and estimation,analysis of genesis,forecast or early-warning,analog simulation,project argumentation,risk assessment,decision-making support,et al.
Key words Geological hazards,Commonality,Particularity,Holism,Reductionism
0 问题的提出
在国际上,地质灾害防治的技术、立法和社会保险理念研究可能肇始于1976年(Arnould,1976)。在中国,从1989年成立中国地质灾害研究会算起,地质灾害防治研究已取得了突出的进步。地质灾害防治理念不但深入到政府管理、科学研究与工程技术界,也逐渐为公众社会所认可,初步形成了包括地质灾害调查区划、勘查评价、监测预警、搬迁避让、工程治理、应急响应、科学技术支撑、项目监理和公共管理等组成的防灾减灾行业体系。
多年从事地质灾害防治研究的体会是,无论是应急响应,还是一般意义上的防治工程方案论证,现实工作过程中虽然科学理论多多、分析综合技术与日俱新、信息多元化和天空地装备整合协调行动的大数据集成和快速反应能力不断提升,但回应公共管理决策的技术支持常常针对性不强、不准确,甚至对关键问题的提炼与解答不正确,从而成为制约有效服务于公共管理与社会经济发展的突出问题。究其原因,问题的根源主要是地质灾害防治研究还缺乏正确的认识论与方法论指导。需要思考的是如何快速抓住主要问题,把握住整体属性,认识关键环节,选用正确方法,得出总体符合实际的结论,为防灾减灾决策提供有力高效的支撑。
在认识论方面,地质灾害问题可知吗?地质体变化过程是线性渐变的,还是非线性突变的?是确定性的还是随机性的?地质灾害的共性与个性是什么?地质灾害可防可治吗?在方法论方面,地质灾害问题的解决是遵从确定论还是随机论或混沌论?是采用整体论方法还是分割论(还原论)方法?这些一般性问题的解答就涉及到从科学哲学或科学学层面探索地质灾害防治研究的自然观与科学观,具体落实到科学认识深度或成熟度、科学原理与技术方法的选择及其应用成效等。因为,认识过程是通过对“现象界”的描述提炼去实现的,既需要扎实的科学技术知识,也需要丰富的感情投入,还需要深刻的哲学思想基础,才能实现“以情悟道”(丘成桐,2014)。
因此,树立“大问题”意识,提炼地质灾害防治研究的认识论与方法论,是推动地质灾害防治科学更加智慧地前行所需要的。
1 认识论与方法论
1.1 认识论
认识论是研究人类认识的本质及其发展过程的哲学理论,主要研究认识发生、发展的过程及其规律,揭示认识的本质,力求使认识符合客观实际。认识的根本任务是使感性认识上升到理性认识,并能透过现象分析事物的本质和规律(溱剑飘零,2013)。
认识论实质上是自然观的一种表现,要求根据自然科学的新进展不断更新人类关于自然图景和自然界的基本认识,包括物质观、运动观、时空观、信息观、系统观、规律观及其相互联系,使自然观适应自然科学的新发展、新思想。
与认识论相关的哲学概念是本体论(帝者之君,2013)。本体论研究一切客观实在的内在本性,关注本质与现象、共相与殊相、一般与个别等的关系,探讨世界上存在的一切是不是在背后都有一个抽象的、不依赖于现实世界的基础,无论是精神的或是物质的是不是都有自己的抽象的根据,或者说就是探讨形而下的世界的形而上的内在根据的。形而下指的是现实可感的形象世界。形而上指的是可感世界背后的原因,是抽象的,是不可感的,又是作为可感世界的根据存在的。
1.2 方法论
方法论可看作对认识过程的一种图解,正像技术应该是科学的一种贯彻(练文,2012)。科学方法论是基于科学的认识论研究解决问题的方法的理论、结构、发展趋势和方向以及各种方法的相互关系。自然科学方法包括观察法、实验法、数学方法等,哲学方法包括分析与综合、归纳与演绎、思维与实证等,两者在逻辑层次上是互通的,都强调内容与形式、共性与个性、整体与局部、结构与功能、线性与非线性、封闭与开放的统一、互补与和谐。
科学方法论探索观察和实验、事实和解释、归纳和演绎、类推和概括、假说和理论、确定性和不确定性、系统和结构、结构和功能、组合和要素、控制和信息、规律和预测、理论和实践等诸多关系。例如,系统科学是一门横断科学,其方法论不仅涉及到一般与个别、部分与整体、简单与复杂、原因与结果等传统的哲学范畴,还涉及像系统、要素、层次、结构、功能等具有哲学意义的新范畴;在自身的时空参照系以内,物理学研究现象及规律,而哲学研究其存在及实质。
自然观的认识论突出事物的矛盾论,即物质的运动形式所具有的特殊的本质为它自己的特殊的矛盾所规定(毛泽东,1991a)。自然科学观的方法论依赖于实践论,知识获取源于直接经验和间接经验(毛泽东,1991b)。科学哲学或科学学的基本方法论是自然辩证法,可以用之对自然界与自然科学开展辩证法研究(a王正礼a,2014)。科学行为的具体方法论主要是分割论(还原论)与整体论。
2 分割论与整体论
2.1 分割论
分割论或还原论认为,可通过把整体分割成部分的途径了解其本质,是一种把复杂的系统(事物、过程)逐步分解为其组成部分加以认识的过程(六耳银狐,2011)。分割论的方法就是对研究对象不断进行分析,恢复其最原始的状态,化复杂为简单。分割论方法是以“静止的、孤立的”观点考察系统组成诸要素的行为和性质,然后将这些性质“组装”起来形成对整个系统的描述。工作过程是将复杂问题尽量分解为多个简单的问题,一个一个地分开解决,或将小问题从简单到复杂排列,先行解决容易的问题。
分割论主张可以把高级运动形式分解还原为低级运动形式,是基于每一种现象都可看成是更低级、更基本的现象的集合体或组成物,可以用低级运动形式的组合规律代替高级运动形式的规律,即科学规律等同于许多观察结果的组合。分割论的核心理念在于“世界由个体(部分)构成”,认为复杂的现象都是由低层次的“基本构件”组成的,可以从直接观察到的物体来定义或解释。
分割是一种由整体到部分的思维,由连续到离散的操作,这种“分解性”在很大程度上与人类主体思维的割离本性紧密相关。如果不把不间断的东西割断,不使其简单化、离散化或单元化,就不能利用现有理论方法进行想象、表达、测量、描述其静态特征或动态性状。虽然部分之和确实不等于整体,但部分及其相互作用之和必定等于整体。
分割论并不忽视“部分”之间的相互作用,相反,分割再还原的目的正是为了更好地考察部分之间的相互作用,因为长期的过程“切割”为片段、断开其链条才好考察其结构和功能,才能给整体的性质一个微观的解释。
2.2 整体论
整体论认为,将系统分割成部分对正确认识事物的整体属性是受到限制的。复杂系统或事物被分割将会丧失许多信息,事物越复杂因分割而失真的程度就越严重,应该以整体的观点考察事物或系统的整体功能(Netgrant,2011)。理论上,越是复杂的事物,整体论的优势就越明显(金观涛,1987)。实践中,整体论者可以总揽全局,把握事物的整体功能,但不知其是如何实现的。因为无从探知事物或问题的内在,自然对事物外貌或现象的关注停留于表象描述,导致结论止于经验,看似系统的理论往往失之于缺乏实证而难脱“主观臆断”。
老三论(控制论、信息论和系统论)虽然从整体上考虑问题,但对一般问题的解答还是比较确定的(徐一飞等,1991)。新三论(突变理论、耗散结构理论/混沌理论和协同学)考虑了不确定性,尤其是各种序参量相对于平衡态发生的涨落变化,但以混沌理论为代表的整体论思想尚没有一个有效解决问题的方案,尚多局限于概念描述或理论阐释,只能算是提供了一个思想框架,是整体论科学的一种探索(哈肯,1984;尼科里斯等,1986;阿诺尔德,1992;特科特,1993)。
中国古代哲学思维似乎对于追求确定性缺乏热情,比较热衷于强调事物相互关联的整体性,集成性思维很玄妙,分析性科学不发达,“道可道,非常道;名可名,非常名”应该是代表性之说(紫冥真人,2013)。讲究从“常无”中“观其妙”,从“常有”中“观其徼”,追求意会、平衡和“中庸”,缺乏对确定的定量关系研究的根基、动力与渴望,甚至对数据统计、量化解析存在天然的思维冷漠或疏离(韩启德,2012)。
《老子》“有欲观”对事物的认识由“形”(徼)而及于“神”(妙),是从分割入手。“无欲观”则由“神”(妙)而及于“形”(徼),是从整体出发。两欲观法互相配合,由“徼”及“妙”,又由“妙”及“徼”,互为体用、反复验证,直至完美获取宇宙真实的形神全貌,是含有了整体观与分割论相结合的内涵,但没有建立相应的方法论体系,可谓“玄之又玄,众妙之门”。
2.3 整体论与分割论的关系
整体论研究尚是理想状态的思维推演,还没有建立一套实用的方法体系,一旦深入下去就往往不得不走向分割论及其方法。复杂性理论的任务在于充分揭示出“可区分态”的复杂性,而不是接受其混乱性。因此,面对复杂对象,“分割”或“还原”依然是复杂性科学研究中难以回避的科学哲学理念。例如,航天器的飞行与交会对接依赖于精准的计算,其依据就来源于对天体运行规律的确定性的认知,主体思想是分割论(韩启德,2012)。
非线性科学在工程地质和地质灾害防治研究方面的应用还处于探索阶段,似乎概念清晰,原理成立,方法可以套用,但取得实用的成效尚有很长的路要走(秦四清,1993;刘传正,1993;黄润秋等,1997;王来贵等,1998;秦四清等,2008)。正确的选择可能是,只要问题的主体部分是线性的或采用线性科学能够反映研究对象的整体特征或能够满足目标的达成,不影响对问题性质的认定和趋势把握,则即使存在部分非线性性质也是可以适当修正的。
整体与分割是对立的统一。整体可以分割为若干单元,分割解析的单元对更次一级而言又是整体。“可道”,“可名”,“有”似符合“分割论”可说的特点。“非恒道”,“非恒名”,“无”更符合“整体论”的不可说或笼统地说的要求。正确的选择可能是,采用整体论进行概念设计或顶层设计,采用分割论进行细部构造和结构设计。既要避免分割论之“只见树木不见森林”,也要避免整体论之“满眼森林没有树木”,陷入“浓浓绿色近前无”的迷惘,才能实现共性提炼之于整体论(综合论)和个性分析之于分割论(还原论)的相互补充印证。
3 地质灾害研究的认识论
3.1 地质灾害的共性
地质灾害的共性是指地质事件在孕育、发展、运动和产生危害方面所具有的共同属性,包括自然属性、社会属性和资源属性(刘传正,2005)。崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降和地裂缝灾害均体现为岩土体的变形、拉裂和运动过程,多是在重力作用下的宏观变化表象。
地质灾害共性的成因要素包括地质体所在区域气候气象条件、地表水文环境、地形地貌、地层岩性、地质构造及其活动性、地下水活动、地震作用和人类改造等。地质灾害体本身的共性要素包括自身的地形地貌、地质结构、岩土体构成、历史演化、地下水位变化、降雨或地震作用、人类活动、变形破坏模式、运动路径、速度和距离及其危害对象等。
地质灾害共性的内在本质是重力作用失衡,外在表现是地质体从微观损伤到宏观变形破坏乃至失稳运动,中间连结因素是各种内外动力作用,实现条件是渐变或突变因素作用下导致地质块体边界条件或初始条件的超临界变化。
3.2 地质灾害的个性
地质灾害的个性是指地质事件在孕育、发展、运动和产生威胁或危害方面所具有的特殊性。地质灾害的个性反映其自身成分、结构与环境作用的特点,且随着外界因素的随机扰动表现出发展演化的不确定性(刘传正,2009)。个性的本质是在共性基础上迭加或耦合不同外在作用因素而表现的特殊型式或范式。认识个性是为了识别特殊性,建立或修正一般性理论模型,提高防灾减灾对策的针对性。
崩塌具有发生的突然性、运动特征以垂直和翻滚式为主,并可转化为滑坡、碎屑流或成为泥石流物源,变形破坏模式表现为倾倒式、滑移式、座落式抑或是垮塌式等。滑坡以水平运动为主,运动机理上表现为推移式、牵引式、座落式和崩溃式等,常转化为碎屑流或成为泥石流物源。泥石流以流体形式运动和产生危害,因地质环境和引发因素不同表现为沟谷型、坡面型或堵塞溃决型等。地面塌陷表现为岩土体盖层的突然断裂沉陷并产生危害,是一种不连续变形。地面沉降的实质是土体固结压密过程,表现为一个相对长期的连续性变形积累过程。地裂缝是内外动力作用在地表的显现,常与土体差异沉降、地面塌陷、危岩滑坡发生发展相伴,也可以是区域断裂或强烈地震活动在地表的显现。
3.3 地质灾害的确定性与随机性
地质灾害事件在大区域空间、长时间尺度上的研判可以说是个“黑箱”问题,对于小区域、短时间事件的研判则可能是个“灰箱”问题,而对于确定地点和块体单元事件的时空分析预测则可能是个“白箱”问题。因此,地质灾害的确定性与随机性、线性与非线性问题的提法是存在前提条件的。
地质灾害是地球表面作用过程的产物,是区域内动力控制下地表各种自然和人为作用耦合的结果,既可能表现为单一事件在某一时段的随机发生,也可以表现为大区域长历时的必然性。因此,地质块体整体稳定与局部破坏、宏观线性与微观非线性、统计线性与解析非线性和确定性与随机性的研判,主要依赖于所要分析研究问题的时空尺度。
重力作用控制下的地质块体系统的运动不可逆,但一定区域内地质体运动的周期性、阶段性、相对稳定性和宏观规律还是可以把握的,变化的时间暂态是可控的,虽然其过程是动态随机复杂的(刘传正等,1994)。非线性、动态、随机可以作为宏观思考的指导思想,但对某时某地某具体问题可考虑分割为若干个阶段,每个阶段采用静态确定性-静态确定论-静态确定方法,多个阶段联合起来拟合整个的动态过程,可以基本反映实在的规律性。正确的选择是战略上提炼共性,战术上解剖个性,立足于定态去认识不定态问题。
只要清楚地质体的边界条件、初始条件和激发条件,必要时可以采取持续观测的方法弥补对动态过程认识的不足,可以做到比较准确的动态判定,从而避免出现因突然的因素激发而产生悲剧性的结果,尽管这样做会使防灾减灾成本上升,或存在经济社会可接受程度的问题。
黑天鹅事件(black swan event)具有意外性、产生重大影响和事后可解释的特征(丹•加德纳,2009)。地质灾害具有“黑天鹅事件”的某些特征,但不足以作为不可知论的理由或依据。
3.4 地质灾害共性与个性的关系
地质灾害的共性(普遍性)是其个性(特殊性)的最大公约数,所谓共性寓于个性之中,即群体的共同性。共性与个性均起源于对象的内在规定性,但个性更多地反映个体所在环境要素的变化性或特殊性。地质灾害的共性与个性在一定条件下是可以转换的。例如,滑坡作为地质灾害的一种型式,相对于地质灾害整体的共性而言就表现为个性。滑坡分类系统是一个共性体系,其构成又存在着因成分、结构、运动型式和引发因素等的不同分为多种类型,也即呈现不同的个性。
地质灾害的共性是建立一般地质、力学和数学模式的理论基础,是说清楚“是什么、为什么、怎么办”的基本依据(刘传正,2000)。在中国,基于共性与个性研究,初步建立了不同类型地质灾害的调查评价、监测预警、防治工程和应急处置研究体系。地质灾害的“个性”决定了其防治工程的“多样性”,这种“非标准化”也决定了“几乎没有完全相同的工程”。因此,从事地质灾害防治就必须有意识地从地质灾害的“共性”出发,研究地质灾害的“个性”,培育“擅长于建筑地质灾害防治原型工程”的科学与工程素养,而不可以无原则地推崇标准化。
3.5 地质灾害研究的认识论
立足于“形而上学”认识问题,滑坡就是斜坡在重力作用下变化的一个本体论认识结果。概括地列出滑坡的共性与个性是认识论问题,而其背后的重力作用则是本体论问题,即感知现象与思维内在的问题。认识地质灾害或许应坚持实证主义与逻辑思辨相结合的道路,因为各类地质灾害都是“形而下”的具体事物,而各种内外因素引起的重力作用失衡则是其内在的“形而上”的根据。
斜坡变形破坏问题实质上是重力作用失衡与地质块体强度的关系,内在作用与外在表现的关系,长期过程与时间效应的关系。解决问题的途径是正确确定地质体的变形破坏力学机理,建立多因素响应的地质力学模型。例如,降雨引发滑坡泥石流的内在机理是降雨渗流增加岩土体的重量、降低岩土体的强度,地下水位变化形成浮托力和渗透力,局部动水压力增大又降低其有效应力(刘传正,2013a)。基于多样性与复杂性提炼出来的地质模型,可以概化出物理模型乃至数学模型用于寻求问题的“通解”,是从个性研究走向共性认知的过程。
地质灾害是可认识的,地质灾害发生的空间、时间和规模强度的确定性研判又是有条件的。对于有限空间、暂态时段的地质体状态,可以确立地质灾害的属性是以线性为主、非线性为辅,简单性的叠加基本可以描述其成因模式。因此,可以确立地质灾害是可评估、可预警和可防治的。
4 地质灾害防治的方法论
4.1 方法论的选择
地质灾害防治是一个复杂性问题,但并不等于排斥或拒绝简单性和分割论的基本原则。地质灾害防治研究要注意吸收复杂系统之非线性科学思维,更要重视分割论的合理哲学思想内核。解决复杂性问题的整体论需要简单性和分割论的集成,需要原型系统的抽象与概化,才能逐步走向系统仿真,反映地质体的真实特性,反映其变形破坏行为的内在规律。
地质学的基本观察方法是“远观近校”,“远观”就是整体论,“近校”就是分割论。“远观”是在宏观上把握区域地貌后陡前缓的“圈椅状”负地形可能是滑坡遗迹,滑坡创造的平台和土地因易于汇集赋存水分而常常成为植被发育和古老村落选择之地。“近校”就是实地考察滑坡的微地貌,对比研究岩土成分结构、地质时代和地表水文网络等与外围环境的差异,必要时采用技术方法进行精细探测。
地质灾害防治的整体论是战略指导性理念,用以宏观把握地质灾害共性,判断概化全局性的问题,谋划防治对策和优化工程主体布局,指导修正基于分割论得到的结果。分割论是战术指导性理念,用以解剖地质灾害个性,分析成因机理,计算单元体的属性量值,并把结果反馈到整体论层面进行对照检验、评判修正,追求有限时空的确定性,基本达到“逼近实在”(刘传正,2015)。
科学利用地质环境之于被动防治地质灾害是整体论。地质灾害调查区划按行政单元或流域部署是立足于整体论,野外按分图幅开展工作,按地质块体单元描述是立足于分割论。立足于数理统计分析的地质灾害区域预警是整体论,滑坡单体勘查评价与监测预警是分割论。防治工程的概念设计或顶层设计是整体论,地质块体分析、数值计算和工程结构设计是分割论。
因此,正确的选择是宏观把握采用整体论以定性,具体分析采用分割论以定量,两者结合,相互补充,相互校验,共同解决问题。
4.2 基于整体论的方法
地质灾害区域研究或防治工程方案论证偏重于采用整体集成的方法,可基于整体论的思维提炼主要问题,进行概念设计。整体论的基本方法是综合、归纳、类比和演绎。
4.2.1 综合
综合是将研究对象各个部分、方面、因素和层次的认识联结起来,形成对研究对象统一整体的认识。综合是在分析的基础上进行的,综合不是关于对象各个构成要素认识的简单相加,综合后的整体性具有新的关于对象的机理和功能的认识。地质灾害调查区划是一个回答地质灾害现状、内在原因、外在因素和危害性的过程,评价区划采取从高到低的方法就是立足于整体论进行宏观把握,再走向分割论逐级分解的工作方式。从低到高的方法先是立足分割论,采用先分解评价单元(网格、行政区或小流域)的性能,再按一定等级区间把属性数值接近且相邻的图斑单元合并同类项形成区划图,即走向整体论综合集成的工作方式。长江三峡库区巴东新县城因地质灾害问题出现3次选址、两次搬迁的决策失误在于“围绕工程需要搞地质”的错误理念,忽视了从整体性调查区划和综合集成去认识问题(刘传正等,2007a)。
4.2.2 归纳
归纳是指从许多个别的事物中概括出一般性概念、原则,或通过大量案例的分析引出普遍结论的思维方法。完全归纳的前提是包含该类对象的全体,从而对其作出一般性结论。不完全归纳(枚举)是通过观察和研究,发现某类事物中固有的某种属性,并且不断重复而没遇到相反的事例,从而判断出所有该类对象具有相同属性的推理方法。中国崩塌滑坡灾害成因分为10种类型,泥石流灾害成因分为7种类型,就是使用了归纳法(刘传正,2014)。
4.2.3 类比
类比是利用公认的已认识的案例去比对陌生的研究对象,以便快速地做出基本正确的判断。立足于整体论看问题,甘肃舟曲县城快速城市化过程中对地质灾害的风险认知严重不足,不进行类比分析,城区规划建设盲目扩张,以致部分建筑占用了山洪泥石流进入白龙江的通道,增大了人居建筑与山洪泥石流遭遇的可能性和风险性而酿成灾难(刘传正等,2011)。
4.2.4 演绎
演绎是从普遍性的理论知识出发去认识个别的、特殊的现象,从普遍性的前提推出特殊性结论的一种方法。凭借现有的科学概念、理论方法和实战体验进行分析演绎、逻辑推理,可以针对某种现象、事实、说法或观点做出是否正确的基本研判(刘传正,1997)。思维推演实质上是一种基于学术研究积累与实践体验的形而上学方法。
4.3 基于分割论的方法
地质灾害防治研究涉及描述其特征,提出其引发因素,分析其成因机制,建立地质概念/力学模型,评价其稳定性或变化性,判断其发展趋势,预测评估其危害性,提出防治工程对策和设计方案,开展工程效果评价等。基于分割论的方法可概括为观察、描述、分析、建模、评价、预测和工程应用等。
4.3.1 观察
地质观察的任务是利用现有的经验、理论、方法或技术按一定空间精度和要求对研究对象的形貌、地质成分、结构、构造和作用因素进行观察、测量。因观察不到位抑或“视而不见”,南(宁)昆(明)铁路八渡火车站址选在古滑坡上,并在建设施工中引起滑坡复活,造成投资增加、工期延长(刘传正,2007b)。
4.3.2 描述
科学描述依赖于正确的观察及其精细程度,并对关键问题或关键现象进行正确记录。注意到流路上崩塌体的高度及其跌水作用,甘肃舟曲县城山洪泥石流的流速流量计算才是正确的(刘传正等,2011)。描述了危岩体后缘拉断、底部软弱面摩阻力不足和西/北部边界的岩溶裂隙化,才能正确建立重庆武隆鸡尾山滑移式崩塌的破坏模式(刘传正,2010a)。观察记录了松散物质的真实来源,才能正确核算汶川地震区文家沟泥石流冲出的固体堆积物体积(刘传正,2012)。
4.3.3 分析
分析是将研究对象分解为若干部分、单元或层次分别加以考察认识,研判其本质属性和彼此之间关系的方法。定性分析是为了确定事物是否具有某种性质,主要解决“有没有”,“是不是”的问题。定量分析是为了确定事物构成的数量关系,主要解决“有多少”的问题。物理系统的隔离体分析是在某个初始条件下对事物性质的独立考察。地质体变形破坏机理分析是基于地质体的成分结构和外在作用因素对其内在作用过程性状的研究。例如,贵州关岭大寨滑坡的内在原因是其斜坡体裂隙化形成的“砌体结构”孕育的“水楔”作用(刘传正,2010b)。
4.3.4 建模
建模是根据对事物的观察描述、数据记录和机理分析,基于已有的理论方法和应用体验对事物的本质概化出的一种抽象的范式,用以表述既有的因果关系,预测未来的可能变化。由于建立的模型比系统原型简化,实际应用时必须考虑根据模型外推的许可误差。地质灾害研究建模一般包括地质概念模型、物理力学模型和数学模型。在地质模型方面,八渡滑坡上段的复活模式是其前缘切坡形成卸荷牵引式,下段的复活是其后缘堆土形成加载推移式(刘传正,2007)。云南保山瓦马乡河东村滑坡则起因于“之”字形公路的3次切坡,形成多级卸荷牵引式滑动(刘传正,2013a)。在物理力学模型方面,考虑主要作用因素给出受力状态的力学图解。在数学模型方面,主要基于统计分析、刚体极限平衡理论、莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)定律和太沙基(Terzaghi K)原理或连续介质离散化的数值解等(陈祖煜,2003;陈祖煜等,2005;Helmut,2006;刘传正,2009)。
4.3.5 评价
评价是根据模型的计算结果对研究对象的性状进行衡量。在模型确定的前提下,选用合适的计算方法,输入边界条件、初始条件和外界作用因素,得到系列的计算结果,根据设定阈值或界限值,对地质体的状态进行研判,如根据稳定系数划分稳定性,根据地质灾害指数进行危险或风险区划等。地质块体稳定性的极限平衡分析通过二维或三维分割,在不能给出地质结构的应力应变图像的情况下,能对其整体稳定性给出比较准确的结论,体现了分割与整合的统一(刘传正,1996)。数值法如有限元、差分、边界元等通过单元剖分进行结构体的应力/应变分析是分割,把各单元的数值集成整体的应力应变图像以实现宏观的变形与稳定性评价(陈祖煜,2003;陈祖煜等,2005)。这些评价实质上假定了地质体的时间暂态,在时间维度上也是基于分割论。在规模和时间观测尺度上,一般可以把地质体的运动视为是“缓慢的”,是可以离散化为一个暂态点来研究的,除非外界因素剧烈变化或崩塌滑坡已处于剧烈运动阶段(胡广韬,1995)。
4.3.6 预测
地质体动态的预测预报涉及地质体活动的时间、空间、强度(规模、范围、速度)等要素(殷坤龙,2004;刘传正等,2009)。无论是区域还是单体的预测预报,都涉及到根据临界值进行预警预报等级划分。根据实际观测或模拟仿真外界因素变化时地质体的响应,研判地质体状态未来可能发生的变化及其幅度,如滑坡动态参数(位移量、位移速度或加速度)可以作为滑坡失稳预警的指标,而滑动时程则取决于外界激发因素作用的弛豫期(Liu,2008)。基于变形控制的预测预报是一个运动学问题,由于外因的激发过程和弛豫期具有阶段性,预报外推的有效时段也具有阶段性,自然很少可能是终极预报,依据曲线外推预报是自觉或不自觉地假定了滑动与摩阻作用力偶持续不变(许强等,2008;秦四清等,2010)。若考虑基于强度控制进行预报,地质块体的应力应变态势随空间与时间的变化是可以监测感知和分析计算的,但经济技术代价可能高昂到难以接受。
4.3.7 对策
工程对策包括土地利用规划、监测预警、搬迁避让、工程治理和应急处置等,是人为调整地质要素的控制变量,使地质块体向稳定有序方向发展的方法(崔鹏等,2011)。地质灾害防治研究的应用方面是树立正确的工程观,重点是工程方案论证优化要贯彻“科学有据,技术可行,经济合理,安全可靠”的基本要求(刘传正,2009)。工程治理方法包括截排水、削坡压脚、挡土墙、抗滑桩、锚固工程、格构护坡和柔性防护等(王恭先等,2006;刘传正,2006;殷跃平等,2012)。例如,地质灾害“应急准备”强调主动性,立足于避免滑坡事件的发生,通过调查、监测和应急处置等迟滞其动态进程,延长弛豫期,改变地质体的发展趋势;“准备应急”则具有一定的被动应对性质,立足于滑坡事件可能发生,而着重于按照应急预案部署救援工作,尽可能减少损失,尤其是避免人员伤亡。在防灾减灾社会建设方面,要突出提升意识、增长知识、培育文化、强化能力、完善监管体系和推动社会保险等(刘传正等,2010c)。
5 应用研究
5.1 一般问题
在指导思想上,地质灾害防治与地质环境科学利用是一体两面,主要涉及区域、场址和地基3个尺度的地质安全问题,都需要整体论与分割论方法的有机结合。
在区域尺度上,要考虑多个地质环境单元,区域边界是多个局域水系的共同分水岭。围绕“地形、地质、水文”3个基本要素开展工作,分析研究地质灾害的识别、评价和预测,评价区域地质安全性和环境稳定性,提出人类活动或灵生地质作用的方式及限度(刘传正,1995)。研究成果服务于区域地质环境合理开发利用与防灾减灾规划,支撑土地利用、城镇建设和生态环境保护相关的立法、规划和监管,避免过度向山要地,进沟发展,甚至挺进洪泛区,陷入被动抗灾的困境(刘传正等,2012)。
在场址尺度上,一般涉及单个地质环境单元的内外地质灾害风险,考虑问题的范围到该地质单元的局域分水岭(刘传正,2013b)。研究的主要问题包括避免把沟河流路如河床、河漫滩等规划为建设工程区或人类居住区,评价预测远程地质灾害风险,服务于工程场址安全,并作为风险管理或风险调控的依据。
在单个地质块体或地基稳定尺度上,要避免民居建筑物和工程设施规划建设在危险地质体上。工作重点是建筑所在地质块体及其上工程地基的稳定性,确保避开所在区段的崩塌滑坡、山洪泥石流灾害风险。基于变形和强度控制,重点研究地质块体在特定激发因素作用下的变化及其持续期或驰豫期。研究工作要突出“原型观测”、“原型试验”、“原型研究”、“原型设计”和“原型检验”的理念,避免因地质认识深度不足而过度依赖物理模拟或智能模拟(刘传正,2009)。
5.2 研究案例
5.2.1 长江三峡链子崖危岩体防治工程
链子崖危岩体具有南北强拉裂、东西弱拉裂和平面反时针转动的立体变形破坏机制,是通过逐步分割提炼概化出的整体性认识(刘传正等,2006)。地质研究采用了看似简单的确定性解析方法,得到了与煤层采空区的悬板作用相适应的稳定性评价公式和转动作用的视滑力方程及计算结论,作为工程方案论证优化的理论依据。通过建立防治工程的目标函数,求出通解与系列特解用于筛选最可接受的工程方案。工程成功实施证明,采用分割与整合相结合的科学理念,宏观把握地形地质结构,针对破坏机理进行块体分析和建模计算,施工试验检验的技术路线是可行的,单纯依赖看似复杂的数值模拟和物理模拟结果进行防治工程设计是危险的。
5.2.2 汶川地震区文家沟泥石流防治工程
四川汶川地震区文家沟泥石流的防治采用了所谓“水石分治”思想,即在1300m平台以上开凿导流洞引走上游来水,中游采用钢筋石笼加固松散堆积斜坡表面防止坡面侵蚀下切,冲沟出口段设置三道拦挡坝防治冲蚀并停淤,分割论思想贯彻得较好。不足之处是,上游溯源侵蚀导致更高处的松散堆积体滑塌,泥石流活动向上游转移,为保证导流洞入口正常进水而实现引水,每年汛期清淤是个问题;下游导流洞出口集中射流强度大,致使出口沟段冲刷加剧,破坏道路桥梁,是对整体论的理念贯彻不足。至于文家沟2010年“8•13”泥石流固体物冲出体积的合理核算也需要还原论(分割论)与整体论理念的指导,因为关系到应急处置的工程量、工期和投资的可接受性(刘传正,2012)。
5.2.3 甘肃舟曲“8•8”山洪泥石流事件认知
甘肃舟曲县城2010年“8•8”山洪泥石流灾难事件首先是一个地质环境合理利用问题,而不是一般意义上的地质灾害防治问题(刘传正等,2011)。因为,规划建设让开河床、河漫滩,自觉疏浚河道,维护行洪区畅通,才能避开或消除灾害风险。2010年8月8日山洪泥石流流速计算不能囿于一般山洪泥石流的算法,否则无法理解当时的巨大冲击力。因为,1879年7月1日武都M S8级地震引发的大眼峪沟口崩塌体(H 2)的跌水作用为本次山洪泥石流灾害提供了较高的初速度。崩塌体前缘受山洪泥石流冲蚀切割形成高约50m的陡坎跌水,整体坡角45°以上,局部地段65°。崩塌体直接堵塞了出山口,其上游基本淤平,下游左侧东端出现跌水,形成类似于黄河“壶口瀑布”一样的景观。小眼峪出山口也有类似的跌水作用。跌水势能形成大、小眼峪出口洪流加速,高位山洪似瀑布一样倾泻而下,山洪泥石流峰头“幕墙”到达县城仍高达8m。类似地,1963年意大利瓦依昂滑坡冲入水库,导致库水涌浪翻坝,形成高位洪水灾难(刘传正,2013c)。
5.3 应急决策支持系统架构
地质灾害应急响应工作具有分析综合要求高、信息多元化、天空地装备立体作业和决策支持要求快等非常规性的特点。求得问题的“满意解”或“有用解”比之科学意义上的“精确解”或“最优解”更为重要,需要立足于地质灾害的共性认识,快速识别评价地质灾害的个性。采用“复杂问题简单化”与“简单问题复杂化”相结合的工作原则,可以实现地质灾害研究从感性判断走向理性分析,从定性描述走向定量评价的可视化表达,满足应急决策支撑的现实需要。“复杂问题简单化”是采用整体论理念开展概念设计或顶层设计,“简单问题复杂化”是采用分割论理念开展具体问题的分析与结构设计,两者结合可以立足现有的理论体系和技术系统,架构研发重大地质灾害应急技术系统,为应急管理决策提供务实高效的支撑服务。
地质灾害应急技术支撑系统研发要突出理论体系与技术方法的适宜性、可靠性、系统性、概化性、可实现性、分层次性和分阶段性,可以按共性分类建立包括一系列组合插件的技术系统范式,实际应用时再针对个性要求调整相关单元或计算参数,减少大量重复性的基础建模工作,满足管理决策需要。例如,滑坡灾害应急技术支撑系统(平台)研发可考虑地质环境信息获取、成因机理分析研判、地质模型建立、预测预警、模拟仿真、工程方案比选与风险评价等模块组成。工作内容包括地理地质数据库、环境要素库、岩土参数库和一系列描述、分析、建模、计算、评价、预测与应用等方面的工具箱(陈祖煜等,2005;刘传正等,2010)。
6 结 论
(1)科学给人以知识,用以分析说明,指导把事做正确。哲学给人以智慧,提供综合的、多维度的解释,用以指导选择做正确的事。科学思维主要应用分割论,哲学思维更多地体现为整体论,或者说,整体论更多地体现为一种哲学观。
(2)在认识论方面,地质灾害问题是可认识的,可防治的。地质灾害的共性和个性都具有复杂性、非线性性、不确定性或随机性。在认识的宏观尺度上,对于确定的时间阶段、空间区域和作用条件,地质灾害问题简化为线性和确定性问题处理是可以接受的,是可以满足防灾减灾需要的。
(3)在方法论方面,现有的数理科学、基础地学、工程地质和岩土体力学等用于研究防灾减灾是有效的。宏观层面可以立足于非线性、复杂性思考问题,实际工作可以采用线性组合、确定论方法解决问题。分割论可以作为解决问题的主要理论依据,技术实现主要是解析方法。整体论和非线性科学可用于指导概念设计,弥补平衡分割论的不足或偏颇,两者结合求得问题的“满意解”。
(4)在应用范畴,地质灾害防治研究的哲学思考可以指导如何提出问题,选择解决问题的正确方法,制定可行的技术方案,预判结论的合理性以及公共管理、社会与经济成本的可接受性。
作者结合自己多年的学习、研究与实践体会,逐渐深化对哲学思考和人文训练的认识,本着弘扬科学精神,成功不必在我,功力必不唐捐的动机撰写此文,希望得到学界共鸣。
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【作者机构】 国土资源部地质灾害应急指导中心;中国地质环境监测院
【来    源】 《工程地质学报》 2015年第5期P809-820页

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