基于两步移动搜寻法和OD矩阵的城市社区应急避难场所可达性研究——以广州市荔湾区为例

唐 波，关文川，王丹妮，闫永涛

(1.中山大学新华学院 资源与城乡规划系, 广东 广州 510520；2.广州市城市规划勘测设计研究院, 广东 广州 510060)

0 引言

城市化的进程不断地加快，导致城市中心区域的人口和建筑高度聚集。同时各类自然灾害和人为灾害发生频率不断增加，如何保障人们在灾难(事故)面前的安全和提高城市的韧性是一个重要的课题。城市应急避难场所是民众在发生灾难或者事故时的安全避难场所，是人们在危难之时的安全港[1]。应急避难场所的空间布局与优化是近几年灾害学和地理学研究的重点[2]，国内外学者从不同视角和方法进行评价，力求在对应急避难场所布局研究中寻找适宜点。Fitzgerald等[3]提出了满足美国石油学会制定的紧急避难所要求的最佳实践方法，并为许多与应急避难场所有关的行业提供了有用的信息。Hossain等[4]选择了达卡北城公司39区作为研究区域，通过地图和数据收集，确定了区域内潜在的应急避难场所的数量以及这些应急避难场所的可达性。武文杰等[5]以北京市中心城区为研究区域，运用Voronoi多边形算法对其应急避难场所空间分布问题以及优化进行了探讨。刘少丽等[6]基于GIS的网络分析法构建了五个指标，用以分析徐州市应急避难场所空间布局的合理性。叶明武等[7]以上海中心城区公园作为研究区域，以可达性理论和避难防灾规范作为研究基础，运用ArcGIS技术和数学模型，对研究区域内应急避难场所与居民之间的关系进行分析。魏东等[8]构建了多样化的评价指标，并结合ArcGIS网络分析方法对西安市应急避难场所进行分析和评价。戴慎志等[9]分析出上海市的主要灾种和应急避难场所的类型，明确了应急避难场所规划建设的指标和应急避难资源的供需关系。施益军等[10]选取剑川县为研究区域，运用ArcGIS技术和数学模型对应急避难场所的服务范围进行分类，并且对避难场所的空间分布进行修整。陈志芬等[11]运用了DEA模型，设置了多项指标，力求对应急避难场所进行多方面评价。综上所述，国内外学者在应急避难场所的空间布局和可达性研究方法众多，两步移动搜寻法的使用频率最高，并且国外学者通过医疗卫生设施[12-14]、教育设施[15]、旅游景点[16]、就业空间[17]、公园绿地[18-19]等多案例的进行了验证，从而体现了两步移动搜寻法在应急避难场所可达性研究中有着重要的作用[20-22]。但目前大多数研究的对象为省域和市域等宏观尺度的大型应急避难场所，对社区和街道等微观尺度的研究相对较少，在两步移动搜寻法优化和其他方法的有机结合方面探讨还有不足。

荔湾区位于广州市西部，是广州的老三区之一，面积达62.4 km2，户籍人口70.48万人，是广州市各区人口密度较高的区域，且区内建筑多为老建筑，建筑质量参差不齐。目前区内有多处应急避难场所，但由于分散程度高，在突发灾难时难以满足区内人口的有效需求。因此，本文以荔湾区为例，结合两步移动搜寻法和OD(Origin-Destination)矩阵对区内应急避难场所的可达性进行研究，优化老城区应急避难场所规划和设计，以期为对人口密集及老城区如何减少人们在面对突发灾难时的损失有重大意义。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 两步移动搜寻法

两步移动搜寻法首先设定一个阈值，以供给地和需求地为基础，分别搜寻2次。对临界值内居民可以接近的资源或设施数量进行比较, 数值越高, 可达性越好。在使用过程中一般采用微观尺度如街道人口，可以较好的反映区域人口空间分布；同时将应急避难场所分布的数量、容量等情况纳入评价过程, 所以能较为合理地考虑居民与应急避难场所的相互关系。具体操作步骤为：

第一步，计算每个避难场所入口的供需比，对每个应急避难场所s的入口e搜索阈值范围do内所有的街道质心z，从而可计算供需比为:

(1)

式中Pk是搜索阈值内街道k人口数，Sj是j点的总供给，dkj为位置k和j的距离。

第二步，计算各个街道的可达性水平，查找能为该街道提供应急避难场所的所有入口，将查找到的结果与第一次搜索的结果进行叠加，即可得到街道z的可达性，具体公式为:

Ai=Σe∈{die≤d0}Re

(2)

式中Ai是街道i对避难场所的可达性水平，其数值越大表明其可达性水平越高；Re为街道e在搜索阈值范围内所有避难场所入口e的供需比；die是i与e之间的距离。

1.1.2 OD矩阵

构建GIS道路网络模型，运用网络分析以已选的应急避难场所作为终点，以人口质心为起始点，进行OD成本距离分析并加入时间权重(考虑人流疏散时间在10 min内)选出最短路径[23]。首先建立道路网络，设有a个出发点，b个到达点，列出矩阵中每个元素为各条路径的交通成本(时间、路程)。

(3)

设G是交通成本权值图，W(a,b)为G每条边的权值，P是G中的一条道路，P所有道路的权值为：

(4)

最短路程所带的权值记为d(a,b)，P⊆B(G)，a0∈P，P=B(G)-P′，定义a0到P′的距离为

(5)

(1)令P={a0}，P′=B(G)-P，对P′中每一点b，令l(b)=w(a0,b)。

利用ArcGIS中的渔网工具建立500m*500m的规则格网单元提取人口质心，将落在道路、水体和避难场所点上的需求点进行移动，最后得到249个人口需求点。避难场所点包含公园、学校、体育馆和广场，其中学校与体育馆是点状数据，公园和广场为面状数据，提取其质心点作为该避难场所的供给点，最终得到40个供给点。根据广州市地震应急避难场所分类标准，社区级的紧急避难场所和区级的固定避难场所的服务半径为500～3000m，而荔湾区内多为社区级和区级避难场所，因此把搜索阈值do确定为500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m[23-24]。

1.2 数据来源

已建成应急避难场所数据来源于相关网站数据及地图影像，各避难场所可容纳人数数量来源于广州市地震应急避难场所分类标准，荔湾区各街道人口数来源于广州市第六次人口普查及2016年年鉴资料。

2 结果分析

2.1 整体分布特点

根据在ArcGIS中建立的数据库，得到荔湾区应急避难场所的分布图(图1)。由图1可知，应急避难场所在荔湾区的分布较为集中并呈带状分布，主要分布在北部和南部，其中花地街道和沙面街道的应急避难场所分布最为密集，而站前街道、金花街道、逢源街道、龙津街道、华林街道、多宝街道、石围塘街道和东沙街道缺乏应急避难场所的设计，总体上应急避难场所还是围绕区内道路分布。对应急避难场所面积数据进行分析统计，得到荔湾区各应急避难场所面积比例图(图2)。从图2中可知荔湾区应急避难场所主要以公园广场为主，其有效面积占总有效面积的55%，而绿地的有效避难面积占32%，体育馆和学校分别占5%和8%。

图1 荔湾区应急避难场所分布图Fig.1 Distribution of emergency shelters in Liwan District

图2 荔湾区各应急避难场所面积比例图Fig.2 Proportion of occupied area of emergency shelters in Liwan District

2.2 荔湾区人口和应急避难场所资源的相关性分析

从图3中可得，荔湾区人口分布较为集中，主要集中于中部和北部，其中南源街道人口是荔湾区各街道之首，西村街道、彩虹街道、金花街道、逢源街道、龙津街道、华林街道、石围塘街道、茶窖街道、冲口街道和白鹤洞街道人口达40 000人以上，站前街道、桥中街道、昌华街道、多宝街道、岭南街道、花地街道、海龙街道、中南街道、东漖街道和东沙街道人口达20 000人以上，沙面街道人口低于10 000。从图4可得，荔湾区人口密度最高的街道是彩虹街道、金花街道、逢源街道、龙津街道和华林街道，而站前街道、南源街道和岭南街道人口密度较高，其余街道人口密度较低。

利用ArcGIS对荔湾区各街道应急避难场所资源进行统计，提取有效应急避难场所面积。荔湾区总应急避难场所有效面积达1 450 810m2，占行政面积的47.48%，人均有效避难面积达2.4m2，可见荔湾区应急避难场所面积和人均有效避难面积都较高，但各个街道的人均有效应急避难场所面积存在较大差异(见图4)，从图4中得到西南部的茶窖街道、东漖街道和海龙街道的人均有效避难面积较高，而人口密集的东北部地区人均应急避难场所较低。所以荔湾区人均应急避难场所和人口密度匹配度不够，空间分布公平性较差，体现了荔湾区应急避难场所的设计存在不合理性的空间布局，这一定程度上影响了应急避难场所的空间可达性和疏散路径的优化。

图4 荔湾区街道人均应急避难场所面积分布图Fig.4 Area distribution of per capita emergency shelters of each street in the Liwan District

2.3 可达性分析

在ArcGIS中建立OD成本矩阵分析，以249个街道质心点作为需求点，40个应急避难场所作为供应点，对不同的搜索阈值进行求解，将求解得到的路线表格进行连接和计算，最终得到不同阈值下荔湾区各应急避难场所可达性分布图(图5)，荔湾区各街道可达性结果表(表1)和荔湾区整体的可达性统计表(表2)。结果分析可知：

(1)在图5中，随着do从500m向1 500m增大时，荔湾区北部和东南部可达性水平在不断降低，高可达性水平的服务面积在不断缩小。当do达到2 000m并向着3 000m增大时，东南部如海龙街道可达性水平不断降低，当do=3 000m时全区可达性水平基本处于0到3之间，而中部地区的茶窖街道可达性水平有所上升，总的来看，当搜索阈值范围do=500m时东南部街道可达性水平达到最高。

(2)对表1进行纵向和横向比较发现，荔湾区各街道的应急避难场所可达性差异性较大。海龙街道的应急避难场所可达性水平最高，在do=500m到do=3000m的搜索阈值范围内其可达性数值都比其他街道高；站前街道的可达性水平最低，其可达性数值在搜索阈值不断增大下依旧最低。当搜索阈值不断增大时，冲口街道、龙津街道、东沙街道和石围塘街道的可达性水平数值不断增大，白鹤洞街道、昌华街道、东漖街道、海龙街道、桥中街道和沙面街道的可达性水平数值不断减小，彩虹街道、茶窖街道、多宝街道、逢源街道、华林街道、岭南街道、南源街道可达性水平数值先升后降，而花地街道、金花街道、龙津街道、西村街道、站前街道和中南街道的可达性水平数值出现波动。

(3)在表2中，随着搜索阈值的增大，可达性3≥Ai≥0的服务面积不断增大，在do=3000m时达到最大；可达性6≥Ai≥3的服务面积减小后增大再迅速减少，在do=2500m时达到最大；可达性9≥Ai≥6的服务面积在do=1500m时最大,当do为2500m并不断增大时，其服务面积保持为0；可达性12≥Ai≥9的服务面积在do=1000m时最大，而在搜索阈值达到2000m以上后其服务面积一直为0。从500m到3000m的搜索阈值的变换过程中，服务面积的可达性多集中在3≥Ai≥0范围，Ai≥12的服务面积都很低，反映了荔湾区应急避难场所可达性水平仍较低，当阈值do=500m时Ai≥12的面积比例达到最大，表明了荔湾区应急避难场所的服务半径为500m时可达性水平最好。

图5 不同阈值下荔湾区各街道应急避难场所可达性分布图Fig.5 Accessibility distribution of emergency shelters in each street of Liwan District under different thresholds

街道do=500mdo=1000mdo=1500mdo=2000mdo=2500mdo=3000m白鹤洞街道0.87995020.88260940.77373930.67796290.631420.529063彩虹街道0.28890670.14246970.37942530.3239310.370260.354643茶窖街道1.73886981.74550051.77437341.81410911.933851.714463昌华街道1.67395131.5376840.73341220.57552320.509110.448535冲口街道0.06768670.61819720.75222581.46120981.4024891.57839东漖街道2.50843572.31283732.47667531.78263561.3724361.229402

续表1

街道do=500mdo=1000mdo=1500mdo=2000mdo=2500mdo=3000m东沙街道0.00718970.00381480.03318420.05953110.127560.159042多宝街道0.31560480.2707260.6440380.68296880.5991690.447394逢源街道00.01663030.41968330.35771970.3439970.346278海龙街道2.87129322.76020542.52022082.24133422.2366372.027102花地街道0.64824820.68269530.414090.29922380.5580370.88338华林街道0.14371480.21978840.34868280.25034320.2504860.261197金花街道0.03504850.01247250.0987880.33169750.3222020.419156岭南街道01.005010.7522340.5806710.4728320.398773龙津街道00.00623630.01019450.21270980.4277070.591138南源街道0.14952570.82768520.56787080.47997080.436830.369237桥中街道0.98926260.70992620.49120360.43344670.368420.371558沙面街道2.1322940.5494710.25303350.210760.3395980.376588石围塘街道0.03476010.08747810.24542940.33708390.3754250.410936西村街道0.91289770.56130690.5395460.50282270.4907910.517329站前街道00.20123150.11947850.2532530.1993770.246754中南街道1.22926380.60104340.70591390.91215551.0307041.162902

表2 荔湾区应急避难场所可达性统计表

3 结论与讨论

本文基于两步移动搜寻法和OD矩阵对广州市荔湾区应急避难场所进行空间可达性分析。得到以下结论：

(1)荔湾区应急避难场所主要呈带状分布，集中分布于荔湾区的北部和南部，总体上围绕道路分布，应急避难场所以公园和广场为主，占总有效避难面积的55%。

(2)荔湾区的人均应急避难场所和人口密度匹配度不够，空间分布公平性较差，体现了荔湾区应急避难场所的设计存在不合理性的空间布局，这一定程度上影响了应急避难场所的空间可达性和疏散路径的优化。

(3)荔湾区应急避难场所可达性水平较低，其中海龙街道的应急避难场所可达性水平最高，站前街道的应急避难场所可达性水平最低，南部街道比北部街道可达性水平要高，当搜索阈值do=500m的服务半径下可达性Ai≥12的服务面积达到最大。

本文所采用的两步移动搜寻法主要考虑了街道尺度人口和应急避难场所之间的供需因素，而且不受行政边界的影响和容易可视化，为人口密集地区的城市应急风险管理提供了前期的理论基础和数据支撑。但是本文在人口质心提取中采用的是500m×500m的规则格网单元，同时在阈值确定方面是否能完全符合广州荔湾区的实际，这些在今后的研究中可以进一步验证与完善。