基于AHP和GIS的城市应急避难场所承载力评价——以南京市为例

张海波，衷 菲，石 媛

(南京工业大学建筑学院，江苏 南京 211800)

0 引言

应急避难场所是受灾害影响保护需要进行疏散避难居民的救援和生活场所，主要包括公园、绿地、广场、学校和其他文体设施空间，而不断发生的各种灾害凸显出避难场所的重要性，例如汶川地震、印尼巽他海峡海啸以及台湾花莲地震等，都给城市带来了巨大的经济损失。不同规模、不同种类灾害和受灾城市人口密度等因素会导致城市受灾人口在数量和空间分布存在差异，这就对城市应急避难场所的承载能力提出要求，正确评估避难场所的承载能力，是提高城市避难场所救援能力的关键。地震灾害对于城市的影响程度取决于地震烈度较低的地震居民可以在周边绿化空地等开敞空间紧急避难，而烈度较高的地震则需要专门场地进行避难，故本文以固定和中心避难场所为研究对象，研究南京市应急避难场所中长期承载能力。承载能力概念来源于生态学，是指一定时期内所拥有的各种生产、生活、生态资源禀赋所能承担的人类社会活动运转的能力[1]，而对于避难场所来说，应急避难场所承载能力是指在灾害发生居民需要进行疏散避难背景下，在避难场所服务区覆盖范围内，以避难场所现有条件能够为居民提供进行避难、疏散和救援的能力，是应急避难场所的服务能力的反应。通过对应急避难场所承载能力的研究，在提升应急避难场所服务能力、推进应急避难场所建设方面具有现实意义。

目前，学者对应急避难场所的研究主要有以下几个方面：一是对避难场所的空间布局优化的研究，周兆军、李攀通过区位理论和最短避难出行距离，结合城市应急避难场所现状布局，构建了安全性、可达性和有用性3个关键指标，对备选的城市应急避难场所运用GIS空间分析评价其合理性[2]；二是将周围居民到附近避难场所的可达性作为研究，吴超等将“可达性”作为避难场所选址的首要因素，构建“最短路径模型”和“最大覆盖范围模型”，定量分析应急避难场所的可达性，以此来优化避难场所的布局[3]；三是场所的内部避难疏散能力研究，王江波等运用了建筑倒塌模拟的方法，从用地规模、平面布局、周边环境方面对幼儿园空间格局的疏散能力进行定量和图形研究[4]；四是对于应急避难场所的规划设计研究，吉慧等以平灾结合的视角探讨了避难场所的设计策略和方法，以此对体育公园进行改造满足灾时应急避难需要[5]。以上研究主要使用P-中值模型、最大覆盖模型、两步移动搜寻法等方法，主要集中在对避难场所空间布局进行优化满足最大覆盖率和最短路径的要求，还有对避难场所的内部疏散能力和满足避难需求的场所改造研究。以上研究对避难场所周围环境、周边设施以及避难场所自身关系缺少考虑，因此本文将避难场所内部、外部和周边容纳入研究范围，以求对避难场所更综合的研究。

通过上述研究，拓展了对应急避难场所场地安全、周边设施和交通可达性的研究，特别是对于避难场所承载能力评价指标选取提供了借鉴。因此本文以公共服务设施公平性价值导向出发，根据南京避难场所建设现状以及《南京市应急避难场所建设指导规划(2016—2020)》规划场所，利用AHP层次分析模型构建应急避难场所承载能力评价模型，运用GIS分析方法研究发现南京市应急避难场所承载能力以及建设中可优化之处，为以后应急避难场所建设提供一定的参考。

1 研究范围现状与数据来源

1.1 研究范围现状

南京市为江苏省省会，是全国重要的科研教育基地和综合交通枢纽城市，连接江苏、安徽、上海、浙江之间枢纽，为东部地区重要的中心城市，是长三角和华东地区唯一的特大级城市。南京总面积为6587km2，下辖11个区，到2017年为止常住人口约为833.5万人，到2020年估计人口约为1060万人。截至2018年，南京共建设固定级应急避难场所27处，中心级应急避难场所9个，总建设面积为434.84ha，有效避难面积达166.2万平方米，总计可容纳中长期避难人数约为42.5万人。对于中长期避难人口的预测是根据南京市各地块控制性详细规划中的指标数据，运用陈志芬等基于震害经验的避难人口模型(“经验模型”)演变而来的预测地震避难人口的“比例模型”[6]进行预测，南京地区设防烈度为7级[7]，居住建筑受损性分为A、B、C、D四类，结合各类建筑的震害矩阵进行避难人口预测[8],南京市避难场所现状如表1所示。

表1 南京市各区固定避难场所现状统计表

数据来源：《南京市统计年鉴2018》[9]和 南京市相关政府网站

1.2 数据来源

本文数据主要来源于控详提取、相关规划和规范查询。医疗设施、消防设施和管理设施等数据通过对南京市整体控详拼合中提取城市用地分类属性得到；规划数据查询包括《南京市应急避难场所建设指导规划(2016—2020)》、南京市控制性详细规划现状、《防灾避难场所设计规》(GB51143—2015)[10]和《城市应急避难场所建设技术标准》(DGJ32/J122—2011)[11]等。

2 研究方法

2.1 指标体系建立原则

根据现有对于承载能力的研究，结合应急避难场所的规划设计实践和南京市相关的避难设施建设要求规范，以设施为民服务、公平性和均等化要求，构建代表性、系统性、可操作性和定性定量的原则。

(1)代表性：保证指标在评价体系中能够客观反应出其特征，具备典型性和普遍性，指标之间不相互影响，使评价模型能够得出正确评价，保证体系的有效。

(2)系统性：在指标选取时候需要系统的考虑影响承载能力指标，除了场所周边条件、内部条件、有效避难条件和可达性条件，还要考虑到这些指标之间的内在关联，使之能够相互协调。

(3)可操作性：在指标选取时一方面要考虑到部分数据难以获取，指标要易于收集和量化，便于模型计算，另一方面指标需要有相互独立性，防止指标选取有相互叠合，使准确性受到影响。

2.2 多层次模型的构建

根据现行的各级避难场所建设规范标准以及避难场所现有的研究，本文总结出全面性、可达性、有效性和安全性四个方面，从这四个方面出发构建避难场所承载能力层次结构模型。全面性指标是避难场所周围可以有效利用设施是否全面，表现为医疗设施、消防设施和管理设施与避难场所之间的距离；可达性为避难场所内部与外界的联系状况，包括出入口数量、疏散道路宽度、责任区范围内道路面积与责任区面积之比；有效性为灾害发生后应急避难场所的避难效率，包括避难场所等级、避难场所有效避难面积、实际可容纳人数和实际避难人数和规划人口的配置缺口；安全性是避难场所场地自身安全，包括周边是否有高层建筑以及与地震断裂带的直线距离。基于AHP模型构建原则，该模型包括三个层次：目标层、准则层和方案层，选取与应急避难场所承载能力密切相关的影响要素作为影响因子。根据模型选取应急避难场所承载能力作为目标层，避难场所的全面性、可达性、有效性和安全性作为模型的准则层，选取影响准则层4个要素的12个因子为模型的方案层，建立起避难场所承载能力评价指标模型如图1所示。

图1 应急避难场所承载能力评价指标模型图Fig.1 Evaluation index model diagram of the carrying capacity of the emergency shelter

2.3 构建判断矩阵

对承载能力影响因素进行排序，在排序中采用调研数据和专家打分作为标度，形成判断矩阵。判断矩阵上准则层Bi相对目标层元素Ai的影响性进行比较，为一个n维矩阵，其可表示为表2，Bij表示i元素与j元素相对重要性的对比，一般采用1～9标度法将两个因素定性的重要性转化为定量的比较如表3。

表2 判断矩阵的一般形式

表3 判断矩阵1～9标度法

通过判断矩阵得出Z的最大特征根λmax以及相对应的特征向量W=(ω1，ω2，…，ωn),ωn为各因素的相对权重。

单层次判断矩阵一致性检验的公式为：

(1)

(2)

式中，CR为判断矩阵的随机一致性指标；CI为一致性指标；RI为平均随机一致性指标；n为判断矩阵的阶数。当CR< 0.1时可认为结果满足一致性，否则就要对判断矩阵进行合理性的调整，重新检验一致性。

2.4 基于AHP模型的指标权重计算

本次单层次判断矩阵采用专家问卷打分确定其有效标度，专家为南京工业大学建筑学院教师、南京市规划设计院规划师和其他相关专家共16人，共有效份数为14份，采用问卷结果平均值作为标度，通过平均标度得出准则层对于目标层的判断矩阵。

准则层Bn对目标层A的判断矩阵，如下:

通过用MATLAB矩阵编程运算求解出A的λmax=4.2347,权重向量的ω1=(0.1101，0.2950，0.5393，0.0556)T，CI和RI为0.07823和0.89，根据公式层级矩阵一致性检验CR=0.0879<0.1，该矩阵结果满足一致性，当CR>0.1时，需要对矩阵重新调整进行一致性检验。

方案层Cm对于准则层Bn的判断矩阵，如下

以上B1、B2、B3、B4矩阵通过用MATLAB矩阵编程运算求解其二级指标的权重、最大特征值和一致性检验结果如表4所示。

表4 最大特征向量及一致性检验计算结果

根据表5，CR均<0.1，表示上述矩阵满足一致性要求。

由此可得出准则层B对于方案层C的相对权重为以下：

ω2=(0.2605，0.1062，0.6333)T

ω3=(0.1062，0.2605，0.6333)T

ω4=(0.5579，0.1219，0.2633，0.0569)T

ω5=(0.8000，0.2000)T

2.5 评价分值确定

本文以应急避难场所的服务范围和责任区作为单位，并结合 《城市抗震防灾规划标准》[12]和《南京市应急避难场所建设指导规划(2016—2020)》确定服务半径与服务范围，细化评估指标体系中的方案层。通过对于准则层和方案层的评价以及指标权重的求解和指标体系的构建，得出中长期应急避难场所承载能力评估指标体系，将评价量化细则划分为1～4等级，结合GIS进行处理分析，其权重、评价细则和评分值如表5所示。

表5 城市应急避难场所承载能力评估指标体系权重表

3 实证评价

在ARCGIS软件中用分析工具将南京市作为处理范围并分为若干个网格，将避难场所承载能力影响因素的点、线和面数据的信息栅格化赋值到网格中，由此可以得出各影响因素的多源数据，经过数据可视化处理，便可得出带有各种评级信息的数据图。

3.1 数据处理

利用GIS对南京市市域控制性详细规划进行统计数据提取和分类，利用GIS中邻近分析工具对避难场所责任区范围内的医疗设施、消防设施和管理设施进行距离评价分析。医疗、消防和管理设施与避难场所的距离是公共服务设施对于责任区范围内避难场所服务能力支持的体现。将避难场所点数据作为输入要素，邻近要素为各设施点，以避难场所责任区为单位，利用近邻分析计算设施点到避难场所之间的距离，通过距离进行分级赋值。将所得的数据经过栅格化处理，同时将南京市行政范围作为处理范围，输出像元单位为1000m×1000m，得出计算结果如图2所示。从图2可以看出，与医疗、消防和管理单位距离比较近的避难场所主要集中在主城区以及各个区的中心部分，在城市外围的避难场所与这些设施相距较远，整体呈现圈状向外围扩散。这些要素的布局与人口和经济条件有关，中心区域人口集中且经济较发达，因此会集中较多的医疗、消防和管理安全设施，而外围区域则反之，在后期的建设过程中这一规律虽难以违背且容易造成资源不经济性，应通过交通等方面加强联系以弥补。

图2 医疗、消防和管理设施距离评价Fig.2 Distance evaluation for medical, fire and management facility

避难场所的出入口、道路等级、责任区内道路密度、高层建筑与地震断裂带距离处理结果如图3所示。由图3可见，出入口和道路宽度评价等级高的地区主要分布在老城外新发展地区，如建邺、浦口江北新区以及江宁等地区，老城区域与新发展起来地区相比，城市道路宽度、道路快速通行等没有新发展地区好，交通服务特点出有所不同。责任区和道路面积的比重可以表达出责任区范围内到达避难场所的便捷度，根据评价结果城区范围较高，城市边缘地区比较低，在建邺区范围内密度最高，其次的主城区和江宁区，而其他区的评价等级则是由内向外逐渐递减，与城市经济发展格局较为相同。地块的出入口设置可能会受周边地块开发强度、建筑密度和交通等条件制约，以至于出入口的开设会受收到种种限制，进而影响避难场所的出入。避难场所周边高层建筑也是在新开发地区较多，避难场所的周边以居住区较多，新开发地区考虑经济利益会设置较高的地块开发强度，随之带来的是较高的高层建筑，同时建筑也会有着较高的抗震等级，在地震发生时比抗震等级低的建筑受影响小。地震断裂带上避难场所的距离主要是沿着江宁向栖霞方向断层和浦口向句容方向断层，全市范围内断层沿线需要严格建筑的抗震设防等级，以防在地震时发生应急避难场所失效情况。

有效避难面积高的部分则为主城区和各区中心部分，由于主城内有较多人口集中，因此有着较大的应急避难场所需求量，在外围的责任区的有效避难面积则较少，主要是外围地区人口密度较低，整体上来看大致与经济水平空间发展相一致。从避难场所配置缺口评价来看，在浦口与六合相交和江宁与雨花台相交的地区避难配置缺口较大，在其他区如溧水和江宁的南部也存在较大配置缺口，空间上看为“两线多点”的布局，这些部分在后续的避难场所建设中应增加避难场所数量以满足居民的避难需求。

图3 出入口与疏散道路宽度、责任区道路密度与周边建筑与地震断裂带距离评价Fig.3 Evaluation between entrance and exit and width of evacuated road, the proportion of responsibility area and road area, distance between the surrounding buildings and earthquake fault zone

图4 责任区与道路面积比、有效避难面积和人口配置缺口评价Fig.4 Evaluation for the proportion of responsibility area and road area, effective evacuation area and population allocation gap

图5 应急避难场所承载能力综合评价Fig.5 Comprehensive evaluation of carrying capacity of emergency shelters

3.2 避难场所承载能力综合评价

在评价指标基础上利用GIS对将12个影响因素按照AHP模型分配的权重进行叠加评价，其计算公式如下：

(3)

式中：A为避难场所的承载能力评价值；Ni为承载能力因素的评价等级分数；ωi为承载能力影响因素的权重。

经过综合评价得出的南京市应急避难场所承载能力图，如图5所示，依据各个影响因素综合得分将承载能力划分为5个等级，在主城区范围内建邺区、雨花台区的北部下关区的南部处避难场所的承载能力较高；在主城区外围的各区的中心部分，避难场所的承载能力较高，这也表明这些地区的避难场所在灾时服务避难居民的条件较好，而在浦口的北部与六合相连地区、溧水和高淳外围地区，避难场所承载能力较低。从整体水平来看，建邺区、雨花台和六合区的承载能力水平较高，六合、溧水和高淳的承载能力水平较低，在以后的避难场所建设中需要加强。

4 结论

通过AHP层次模型和GIS分析工具对南京市各避难场所的数量、位置、容纳人口、估算人口缺额、配套设施和影响条件等定性和定量的分析，不仅基于避难场所的实际情况，同时还将现状的避难需求考虑进来，避免主观性对于评价模型的影响。利用判断矩阵得出各个因子的权重推导得出承载能力评价模型，模型结合赋值等级来评价应急避难场所承载能力，经GIS分析和可视化处理得出评价结果表明，本文应急避难场所承载能力评价模型以及处理方法具有可行性，可以为提高城市应急避难承载能力和避难场所建设水平提供意见和参考。

本文也存在不足之处，在指标选取时未能考虑到避难场所的内部设施及建设情况，如应急厕所、应急供水、应急淋浴以及应急告示牌等设施。另外对于避难场所周边道路交通、人口分布密度、人口结构和设施到避难场所实际空间距离考虑不全面，后续研究将继续完善评价模型，提高数据的全面性和代表性，进而提升评价模型的准确性。