洪灾避难中的最佳路径分析

于大超，王山东，毛泽红，徐志远，征 程

（1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098）

洪灾避难中的最佳路径分析

于大超1，王山东1，毛泽红1，徐志远1，征 程1

（1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098）

从避难转移的角度出发，分析了洪灾避难过程中的主要影响因素。基于ArcGIS应用软件通过对路网的分析，运用“点-线-点”的方式进行人员转移，据此建立了最佳路径分析模型；并结合安徽省安庆市某地区的实例，设计了避难最佳路径方案。关键词：洪水灾害；避难转移；点-线-点；最佳路径

随着社会经济的发展和城市化进程的加速，洪水所造成的损失越来越大[1]。从时空范围、强度以及对人类的生存与发展的角度看，洪水灾害也是影响最大的自然灾害之一[2]。面对洪灾，如何快速有效地组织居民、财产、物资的转移，尽量减小洪灾的影响，确保人民的生命财产安全至关重要[3]。选择有效的撤离路径是快速撤离中的关键。本文在空间分析的基础上，结合洪水的淹没方向、范围，预计洪水到达时间等条件选定了合适的避难安置点。运用ArcGIS模拟分析并显示了最佳避难路径，为决策者提供有效依据。

1 避难方案分析

1.1 避难路径分析

在洪水即将来临或到来初期，要根据洪水到达的时间以及已经被淹没的情况选择最佳的避难路径，将人员转移到安全地点。在这过程中，要考虑人员数量、路况、安全地点的安全性等；还要分析洪水淹没的顺序，选取最佳的避难方案，避免在转移过程中走错路，返回时容易造成车辆的碰撞以及拥堵。因此，在撤离过程中道路的等级条件、受灾人数、安置点的容纳量等都应该被考虑在内[4]。总的来说，灾民的撤离工作具有强烈的时间和空间特性，是个非常复杂的空间分析过程。撤离路径的选取涉及大量的空间数据和非空间数据。

1.2 安置点的选择

洪灾避难的最终目的是确保受灾人群的人身财产安全，就是以最快的速度将人员转移到安全地点。洪水来临时，受灾人员必须被转移到地势较高，交通较便利，与外界通信能力良好的地方[3]，这就需要对安置场所进行选择，选择过程中应综合考虑人口数量、分布、地理条件、距离、空间位置和地面高程等要素。

1）就近安置原则。这样便于人们保护自身的财产安全，同时也为救援和指挥提供了便利。

2）地面高程适宜原则。地势太低安全得不到保证，地势太高会增加救援物资运输和发放的难度，同时也不利于避难设施的建设。

3）安全性原则。在选取和建设避难场所时，必须考虑自身的安全性问题，避免人员的再次转移。

4）通达性原则。避难场所应充分考虑其畅通性，防止避难转移。

2 洪灾避难最佳路径选择

最佳路径根据研究区具体情况的不同而有所变化，可能是最便捷的，是最省油的，是最省时的，或综合最实际的，计算过程中是以各要素的权值作为计算依据的。本文的目的是找到居民点与安置点间的最佳撤离路径[5]，因此主要讨论距离最短与耗时最短两种情况。距离最短路径属于静态最佳路径，只与交通结构相关，而耗时最短路径属于动态最佳路径，不仅与交通结构相关，还与实时交通状况有关，需要建立合适的路权模型[6]。

2.1 静态最佳路径分析

洪灾避难转移过程中会根据实际情况设置若干个转移点和安置点。目前，最短路径算法中，最常用的是Dijkstra 算法，可根据此算法计算网络中给定的某点到其他所有点的最短路径。

2.2 动态最佳路径分析

在实际洪灾迁移工程中，交通状况复杂多变，路权是通过某条道路所需要的时间，通常采用理论与经验相结合的路权计算方法，主要考虑车流量、车速、密度3个重要参数[6]，以此确定路权函数理论模型。路权的计算公式为：

实际车速计算公式为：

式中，T（i，j）为车辆通过路段（i，j）所需时间；L （i， j）为路段（i，j）的长度；V（i，j）为（i，j）路段的实际平均车速；U0为零交通量时的行车速度；Q（i， j）为实际交通量；Km为道路堵塞密度。当路段不拥挤时，根式前取“+”；当路段拥挤时，根式前取“-”[7]；当路段处于堵塞状态时，T（i，j）取一个足够大的负数。

零交通量时车速为：

式中，γ 为混合交通状况影响折减系数，γ的取值取决于机动车道与非机动车道是否存在隔离带[6]。根据经验得出：有隔离带时，不考虑折减，γ=1；没有隔离带时，需要考虑折减，γ=0.8。η为车道宽影响系数；V0为路段的设计车速，单位为m/s。

道路设计车速V0与道路的等级有关。车道宽对车速也会有很大的影响，根据《城市道路设计规范》，取标准车道宽为3.5 m，大于该值则有利于车辆行驶，车速还能略有提高；小于该值时，车辆行驶速度就会受到影响，车速降低[8]。表1为车道宽度d与车道宽影响系数η的关系。

表1 η与d的关系表

路段堵塞密度Km的计算公式为：

式中，C为交叉影响修正系数；n为单向机动车车道数；L为平均车身长度，取L=4.5 m；L0为平均堵塞车间净距，取L0=0.5 m。其中，交叉影响修正系数的确定需涉及路段交叉口的有效通行时间比以及交叉口的间距等因素，在实际的洪灾救助过程中应该是人为控制交通规则，而不是交叉信号灯对车辆行驶的控制。因此，交叉影响修正系数的确定需要系统长期的监测和研究。此处取值C=0.33。

实际交通量Q（i，j）的确定公式为：

式中，Q0为设计交通量；m为车道数修正系数；车道数修正系数可根据表2确定。

表2 车道数修正系数

3 实例分析

本文应用分析软件对安徽省安庆市某洪水淹没范围区进行灾民转移。根据道路等级的不同，各参数按要求使用ArcGIS进行空间数据输入。

1）根据《城市道路交通规范》《城市道路交通规划设计规范》以及研究区实际情况，设计车速 、设计交通量都与道路等级有关，关系见表3；再根据已知标准值求出待定的所有未知参数，见表4。

表3 设计车速、设计交通量与道路等级之间的关系

表4 ArcGIS 空间数据属性表（部分数据）

2）建立道路网络数据集，在空间数据模块中加载网络分析模块并新建网络数据集，其中Length的属性值表示静态最佳分析结果，Time的属性值表示动态最佳分析结果[6]。图1、2分别为居民点陶寓村到安置点新西社区的静态和动态的最佳路径分析图。

P208

B

1672-4623（2016）05-0067-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.021

2015-03-06。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41271538）。