任家琪 余思汗 王炳亮 胡子琪 楊剛

引言

我國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度洋板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶分布廣泛，歷史地震災(zāi)害頻發(fā)。截至2019 年，我國(guó)的城鎮(zhèn)化率首次突破60%大關(guān)達(dá)到60.6%。如何在城鎮(zhèn)范圍內(nèi)規(guī)劃、科學(xué)有效的布局地震應(yīng)急避難場(chǎng)所，應(yīng)對(duì)地震等突發(fā)災(zāi)害，是當(dāng)今我國(guó)防震減災(zāi)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

寧夏回族自治區(qū)位于我國(guó)南北地震帶的北段，是中國(guó)大陸地形高度和地殼厚度變化的梯級(jí)帶，是青藏塊體和華北塊體的交匯部位。寧夏地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻次高、強(qiáng)度大。1739 年銀川—平羅8 級(jí)地震，是中國(guó)大陸第一個(gè)省會(huì)城市直下型地震；1920 年海原8?級(jí)地震，是20 世紀(jì)中國(guó)大陸最強(qiáng)烈的地震之一。針對(duì)破壞性地震災(zāi)害，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在地震應(yīng)急避難場(chǎng)所研究領(lǐng)域提出了多項(xiàng)理論依據(jù)，按照平災(zāi)結(jié)合的原則，采用粒子群優(yōu)化算法、最佳路徑、LA 模型、GIS 等技術(shù)手段，對(duì)城市群落進(jìn)行地震應(yīng)急避難場(chǎng)所的科學(xué)化設(shè)立，以此來達(dá)到災(zāi)后緊急避險(xiǎn)和安置的目的。

本文結(jié)合寧夏平羅縣城鎮(zhèn)建設(shè)布局、人口以及現(xiàn)有公共場(chǎng)所分布特點(diǎn)，針對(duì)當(dāng)前寧夏平羅縣地震應(yīng)急避難場(chǎng)所數(shù)量不足、分布不合理等問題，利用GIS 技術(shù)和LA 模型、粒子群優(yōu)化算法等模型，對(duì)該縣的地震應(yīng)急避難場(chǎng)所進(jìn)行空間分析、評(píng)價(jià)和選址，從而構(gòu)建寧夏平羅縣地震應(yīng)急避難場(chǎng)所空間、容量和區(qū)域位置的優(yōu)化方案，使當(dāng)?shù)氐卣饝?yīng)急避難場(chǎng)所的設(shè)置更加科學(xué)合理，以滿足該地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)需求。

平羅縣基本簡(jiǎn)介

寧夏回族自治區(qū)石嘴山市平羅縣，地處國(guó)家絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶、呼包銀能源金三角、寧夏沿黃城市帶等經(jīng)濟(jì)區(qū)前沿地帶（圖1），距銀川河?xùn)|機(jī)場(chǎng)60 千米，距寧夏惠農(nóng)陸路口岸30 千米。截至2018 年，平羅縣常住總?cè)丝?1.6 萬人，下轄13 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，縣域總面積2060 平方千米。多條活動(dòng)斷裂穿過縣域，其中平羅東-銀川隱伏斷裂北起黃渠橋，向南延至銀川以南，走向北北東，長(zhǎng)約120 千米，為隱伏活動(dòng)斷裂。1739 年1 月3 日北京時(shí)間晚8 點(diǎn)左右，當(dāng)?shù)匕l(fā)生銀川—平羅8 級(jí)地震，造成了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。寧夏平羅縣也被列為寧夏地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)。

現(xiàn)有地震應(yīng)急避難場(chǎng)所概述

近年來，在寧夏平羅縣的城市規(guī)劃和建設(shè)中，已經(jīng)有意識(shí)地綜合考慮了地震應(yīng)急避難場(chǎng)所的布設(shè)，結(jié)合廣場(chǎng)、學(xué)校操場(chǎng)、停車場(chǎng)等空曠區(qū)域設(shè)立了6 處地震應(yīng)急避難場(chǎng)所。表1 為現(xiàn)有地震應(yīng)急避難場(chǎng)所基本信息，其地理分布位置如圖2 所示。但是，平羅縣現(xiàn)有的地震應(yīng)急避難場(chǎng)所多設(shè)置于擁擠的城區(qū)內(nèi)部，占地面積狹小，周邊道路交通不便，城區(qū)分布不均，周邊的公共配套設(shè)施如廁所、醫(yī)院、消防站等不夠完善，從平災(zāi)結(jié)合、可達(dá)性、公平性、容納性和便利性方面而言，均無法滿足當(dāng)?shù)鼐用竦牡卣饝?yīng)急避難需求。所以，本文結(jié)合寧夏平羅縣現(xiàn)狀，采用如下模型對(duì)當(dāng)?shù)氐牡卣饝?yīng)急避難場(chǎng)所布局進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 平羅縣地理位置及破壞性歷史地震震中分布圖

表1 平羅縣現(xiàn)有地震應(yīng)急避難場(chǎng)所基本信息統(tǒng)計(jì)表

圖2 平羅縣現(xiàn)有地震應(yīng)急避難場(chǎng)所分布圖

地震應(yīng)急避難場(chǎng)所配置模型優(yōu)化構(gòu)建

（一）配置模型（LA 模型）

本文采用公共設(shè)施區(qū)位模型（Location AI-location model，簡(jiǎn)稱LA 模型）來進(jìn)行地震應(yīng)急避難場(chǎng)所的區(qū)位配置。在需求點(diǎn)和設(shè)施點(diǎn)分布已知的情況下，LA 模型可以通過AI算法系統(tǒng)自動(dòng)匹配設(shè)施點(diǎn)和需求點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)施選址的最優(yōu)化。LA 模型包含有4 個(gè)區(qū)位配置模塊:

1.中值問題模塊：給定區(qū)域范圍，假設(shè)設(shè)施點(diǎn)的數(shù)量固定，使需求點(diǎn)到設(shè)施點(diǎn)的總移動(dòng)距離最小化，以此尋求設(shè)施點(diǎn)的最優(yōu)區(qū)位。

2.中心問題模塊：假設(shè)區(qū)域范圍內(nèi)候選設(shè)施選址數(shù)目給定，對(duì)需求點(diǎn)與其最近設(shè)施的最大距離進(jìn)行最小化處理，以此尋求設(shè)施數(shù)目和區(qū)位點(diǎn)。

3.集合覆蓋問題模塊：此模塊用于對(duì)設(shè)施點(diǎn)的數(shù)目進(jìn)行最小化，使其在數(shù)目最小化的同時(shí)完成所有需求點(diǎn)的覆蓋，以此來最小化設(shè)施點(diǎn)的建設(shè)成本。

4.最大覆蓋問題模塊：給定區(qū)域范圍，給定設(shè)施的最大服務(wù)距離，使其能夠最大化地覆蓋需求點(diǎn)。

LA 模型的運(yùn)用，可以統(tǒng)籌兼顧市政建設(shè)的高效性和居民生活的便利性，也可以節(jié)約社會(huì)資源，優(yōu)化資源配比，使地震應(yīng)急避難場(chǎng)所資源得到合理利用。

（二）寧夏平羅縣地震應(yīng)急避難場(chǎng)所構(gòu)建原則

1.平災(zāi)結(jié)合：充分考慮地震應(yīng)急避難場(chǎng)所備選點(diǎn)的面積和容積，首選居民點(diǎn)附近的停車場(chǎng)、學(xué)校操場(chǎng)、空地、公園等基礎(chǔ)公共場(chǎng)所，以達(dá)到公共設(shè)施資源利用最大化。

2.可達(dá)性：地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)間短，過程劇烈且破壞性大，所以可達(dá)性是地震應(yīng)急避難場(chǎng)所選取的核心關(guān)注點(diǎn)。居民需要在震后快速高效地到達(dá)地震應(yīng)急避難場(chǎng)所，并且備選點(diǎn)要便于相關(guān)部門進(jìn)行震后的緊急救援。

3.公平性：當(dāng)前寧夏平羅縣城市建筑及居民分布不均，居民聚集區(qū)域離散分布，所以此次地震應(yīng)急避難場(chǎng)所布局優(yōu)化構(gòu)建的一個(gè)要點(diǎn)是公平性。災(zāi)難發(fā)生時(shí)，需要杜絕差異化對(duì)待，確保每一個(gè)居民都可以獲得有效的避難空間。

4.容納性和便利性：我們所選取的地震應(yīng)急避難場(chǎng)所需要有足夠的容納性，且相關(guān)設(shè)施需要配套齊全，方便震后相關(guān)部門開展居民集體安置、物資輸送和應(yīng)急救援等工作。

優(yōu)化構(gòu)建方案

通過為期兩周的實(shí)地排查、場(chǎng)地走訪測(cè)量和目標(biāo)地區(qū)GPS 勘測(cè)，綜合應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析模型、GIS 地理信息處理系統(tǒng)、LA 模型配比等，對(duì)平羅縣城區(qū)的道路建設(shè)、公共設(shè)施、區(qū)域空地、居民人口分布進(jìn)行了詳細(xì)且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，建立了地震應(yīng)急避難場(chǎng)所關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫。平羅縣城市布局以老城區(qū)及主干道為核心，成區(qū)域塊型輻射分布，通過GIS 對(duì)其建筑物、道路和人口參數(shù)進(jìn)行分析后表明：老城區(qū)內(nèi)道路間隔小，十字路口多，分布密集且道路路面較窄，多為兩車道；老城區(qū)西部、東部、南部道路建設(shè)較為規(guī)整，橫平豎直交叉分布呈網(wǎng)格狀且道路間隔較大，多為四車道。如圖3 所示，圖中紅線為寧夏平羅縣城市道路分布圖，綠色標(biāo)記點(diǎn)為優(yōu)化構(gòu)建之后的地震應(yīng)急避難場(chǎng)所。地震應(yīng)急避難場(chǎng)所依據(jù)城市道路分布而均勻設(shè)置，緊急情況下滿足道路網(wǎng)絡(luò)流通能力，震后救援相關(guān)部門可以快速到達(dá)，以便對(duì)受災(zāi)居民進(jìn)行合理安置及緊急救援。

圖3 平羅縣地震應(yīng)急避難場(chǎng)所及城市道路分布圖

圖4 平羅縣地震應(yīng)急避難場(chǎng)所及建筑物分布圖

圖5 平羅縣地震應(yīng)急避難場(chǎng)所及人口分布圖

圖6 平羅縣地震應(yīng)急避難場(chǎng)所服務(wù)范圍分布圖

就建筑物分布而言（圖4），平羅縣老城區(qū)建筑物密集，多為高層商業(yè)樓和多層居民樓，且緊鄰城中道路而建，建筑物圍繞縣中心呈輻射狀發(fā)展；西部、東部、南部建筑物相對(duì)密集，北部相對(duì)比較稀疏且有不少商業(yè)性質(zhì)的廠房；最西部為縣城郊區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)域，多為農(nóng)房平房等單層建筑，且西部為建筑物分布最稀疏區(qū)域。

平羅縣人口分布（圖5）以縣中心為節(jié)點(diǎn)呈輻射化分布，與建筑物、城市道路密度分布呈線性正比關(guān)系。需要說明的是，西部人口高密度區(qū)域?yàn)檗r(nóng)房民房區(qū)域，本文對(duì)于鄉(xiāng)村人口的統(tǒng)計(jì)以片區(qū)為單位，對(duì)于城市高層建筑，是以每棟建筑為統(tǒng)計(jì)單位。根據(jù)平災(zāi)結(jié)合、可達(dá)性、公平性、容納性和便利性這幾項(xiàng)基本原則，綜合考量地理位置、使用面積、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、容納能力、配套設(shè)施、周邊環(huán)境，對(duì)平羅縣地震應(yīng)急避難場(chǎng)所的布局進(jìn)行了優(yōu)化構(gòu)建，最終選取了表2 中所示地點(diǎn)作為地震應(yīng)急避難場(chǎng)所。

以避難場(chǎng)所的容納能力、使用面積、周邊居民人口、可達(dá)距離、公共設(shè)施配置等為基本參數(shù)，初步建立輻射圓地震應(yīng)急避難模型，對(duì)此前所挑選的30 余處應(yīng)急避難場(chǎng)所進(jìn)行了優(yōu)化篩檢，最終選取了能夠滿足地震應(yīng)急避難場(chǎng)所需求的15 個(gè)點(diǎn)。如圖6所示，藍(lán)色圓圈以避難場(chǎng)所為圓心，半徑為輻射范圍，圓形面積為應(yīng)急避難場(chǎng)所的綜合避難能力，由圖6 可得，其藍(lán)色圓圈多有交錯(cuò)和重疊，這也是出于地震應(yīng)急避難場(chǎng)所的多樣選擇性考慮。

通過寧夏平羅縣地震應(yīng)急避難場(chǎng)所布局的優(yōu)化構(gòu)建，初步統(tǒng)計(jì)，完全可以滿足寧夏平羅縣91.23%（常住人口）左右的當(dāng)?shù)鼐用襁M(jìn)行有效的災(zāi)后避難，最遠(yuǎn)避難路徑僅2.4 千米，以4.5 千米/小時(shí)的步速計(jì)算，最遠(yuǎn)到達(dá)時(shí)間為32 分鐘，平均避難距離為0.61 千米，完全可以達(dá)到地震應(yīng)急避難要求，總計(jì)地震應(yīng)急避難場(chǎng)所使用面積為21.55萬平方米，總?cè)菁{能力為6.5517 萬人，人均地震應(yīng)急避難面積為3.3 平方米，可達(dá)性、容納性、便利性和公平性符合相關(guān)要求。

結(jié)論

本文運(yùn)用GIS 空間分析功能，采用公共設(shè)施區(qū)位配置模型，結(jié)合平災(zāi)結(jié)合、可達(dá)性、公平性、容納性和便利性這五項(xiàng)基本原則對(duì)平羅縣進(jìn)行了地震應(yīng)急避難場(chǎng)所布局的優(yōu)化構(gòu)建。針對(duì)平羅縣地震應(yīng)急避難場(chǎng)所數(shù)量少、布局不合理、容納能力差等突出問題，重新對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。通過優(yōu)化后，平羅縣地震應(yīng)急避難場(chǎng)所平均避難距離為0.61 千米，總面積21.55 萬平方米，總?cè)菁{能力6.5517 萬人，人均面積3.3 平方米。

設(shè)施齊全、布局合理的地震應(yīng)急避難場(chǎng)所，對(duì)區(qū)域城鎮(zhèn)居民的震后緊急避難起到至關(guān)重要的作用?？焖儆行У恼鸷笫枭?、合理安全的震后安置，不僅可以保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，也有利于當(dāng)?shù)卣跋嚓P(guān)部門開展震后應(yīng)急救援工作。避難場(chǎng)所的科學(xué)設(shè)置，不僅可以提高當(dāng)?shù)鼐用竦挠行П茈U(xiǎn)能力，也可以為抗震減災(zāi)和應(yīng)急救援起到積極示范的作用。作為一種有益的探索，平羅縣地震應(yīng)急避難場(chǎng)所的優(yōu)化設(shè)置，也可以為其他城鎮(zhèn)區(qū)域公共服務(wù)設(shè)施的配置提供參考依據(jù)。