银川市西夏区地震应急避难场所优化布局研究

杜亚男，杨文伟，王炳亮

(宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021)

地震应急避难场所是为应对地震等突发事件，经规划和建设，具有应急避难生活服务设施、可供居民紧急疏散或临时生活的安全场所[1]。如何科学地规划和布局并维护好地震应急避难场所，使其在地震灾害发生后，最大限度地发挥避难与救灾功能，仍是我国防灾减灾领域急需研究的关键问题之一。越来越多的国内外相关领域的专家学者已认识到，合理地规划和建设地震应急避难场所对于城市的安全及其可持续发展具有重大的意义[2]。因此，地震应急避难场所规划建设的相关理论及其实践研究工作均得到快速推进。如Landry等[3]通过对海地地震的思考，提出灾难发生后人道主义援助的重要性；Ripley[4]提出利用学校作为应急避难场所，依托平灾结合理念，对室内场所的功能分区布置进行了优化研究，得到了许多有益的结论；Toyoda等[5]以“社区作为第一反应者”，提出了居民自行建立社区疏散系统的方法，居民根据当地的具体情况，能够避难逃生;Hu等[6]提出了利用粒子群优化算法处理地震应急避难的分配问题，此算法在应急避难场所分配上可以识别其位置和数量，可以更好地解决应急避难场所的配置问题；Xu等[7]和Zhao等[8]结合数学模型提出了粒子群优化算法，并以北京市朝阳区为例，拟定了地震应急避难场所的位置和疏散人员的分配问题；Sajad等[9]基于德黑兰的地理位置、建筑、城市周围断层和历史破坏性研究，根据层次分析法，确定和评价了地震后紧急疏散最佳路径选择的有效安全参数；Arnaout[10]提出蚁群优化算法，解决了应急避难场所数目不明情况下的分配问题，最大限度地降低了地震后紧急疏散的固定成本和运输成本；王女英等[11]依托高分辨率遥感影像识别，提出了使用加权Voronoi图方法，来测算应急避难场所空间可达性并划分其服务区范围，取得了较好的效果；苏幼坡等[12]应用数理统计分析模型，基于GIS技术，以MapInfo为平台，创建了唐山市生态规划信息管理和综合防灾系统；Kilci等[13]以土耳其伊斯坦布尔城市为例，应用混合整数线性规划公式合理制定了临时避难场所的位置；牛强等[14]利用LA模型，依托GIS网络分析功能，对消防站布局进行了优化；Brotcorne等[15]探讨了救护车选址和搬迁模式的演变，并利用LA模型对救护车进行选址，开发了一天中反复移动救护车的模型。

综上研究可见，大多数对地震应急避难场所的研究侧重于设置标准及实施建议等定性研究，缺乏关于应急避难场所布局的定量分析和案例实证，且以小区域、涵盖范围小为特点,不具备推广性和普适性。鉴于此，本文以银川市西夏区为例，基于GIS空间分析功能和公共设施区位配置模型(LA-模型)对银川市西夏区地震应急避难场所空间布局进行了优化研究，建立了集数学模型和可视化模型为一体的城市地震应急避难场所优化布局方案，提出了“应急避难场所+X”(X表示公园绿地、广场、学校操场、公共用地等)的应急避难场所空间布局优化模式，得出地震应急避难场所优化布局和最优路径。该研究结论可为地震应急避难场所的选址规划提供一定的参考。

1 银川市西夏区地震应急避难场所现状

1.1 西夏区基本概况

银川市位于宁夏回族自治区北部，是宁夏回族自治区的首府，自西向东由西夏区、金凤区和兴庆区组成，见图1。

图1 银川市“三区”分布图Fig.1 Distribution of “three districts” in Yinchuan City

由于银川市西夏区主要分布有大学城及大型企业，居住人员较密集，因此本文选择西夏区进行地震应急避难场所的规划布局优化分析。历史上宁夏曾发生过多次破坏性地震，其中破坏性较大的有1739年银川-平罗8级大震，首府银川损失严重，造成5万多人死亡；1920年海原8.5级大震，更是造成24.3万人死亡，其灾害震惊世界，称为“环球大震”[16]。新中国成立以来，宁夏境内共发生了12次5级以上地震，平均约5年就发生一次地震。严峻的地震形势，使人民群众的生命及财产安全和经济社会的可持续发展都面临着严重的潜在震灾威胁。开展宁夏银川地区地震应急避难场所的选址及规划布局研究是当务之急。随着城镇化步伐的加快，近几年银川西夏区城市人口密度显著提高。截止到2016年，银川市西夏区人口约35.60万人，其中城镇人口约32.07万人[17]。目前，西夏区规划了三处固定应急避难场所，分别为解放公园、西夏公园和八一体育公园，均以公园为依托，主观性强且没有进行科学布局规划，远不能满足应急避难的需求，为城市安全埋下了安全隐患。

1.2 地震应急避难场所的设置原则

地震应急避难场所规划需要满足平灾结合、就近性[18]、可达性和容纳性原则，并结合地域特点，使得地震应急避难场所满足设施数量足、服务范围广、服务人口多、需求点远离危险场所设施点等要求。本文强调以“应急避难场所+X”(X表示公园绿地、广场、学校操扬、公共用地等)模式构建区位配置模型，同时结合西夏区学校及大型企业集中的特点，提出以下地震应急避难场所的设置原则：

(1) 平灾结合：采用“应急避难场所+X”模式，选取“X”作为设施点。

(2) 就近原则：保证居民都可在5～10 min内到达应急避难场所[19]。

(3) 可达性：居民点到达应急避难场所的距离总和最小，以实现路径最优化。

(4) 容纳性：应急避难场所具有容纳一定数量的人口进行应急避难的能力,使居民在灾难发生时有可供避难的空间，有地可依。

1.3 西夏区现有的地震应急避难场所存在的主要问题

结合以上地震应急避难场所的设置原则，目前西夏区现有的地震应急避难场所主要存在以下问题：

(1) 地震应急避难场所分布不均，无法满足就近性和可达性原则。图2为西夏区网络数据集。由图2可以看出,西夏区共有3处地震应急避难场所，整体偏于北侧且相对分散,缺少中心避难场所和紧急避难场所，若地震发生后，避难场所容易出现避难空间拥挤、逃生流线模糊、短时间无法到达避难场所等问题。基于ArcGIS 10.2网络分析模块，以避难场所中心作为出发点、R为避难路径，对西夏区现有地震应急避难场所的服务范围进行分析，见图3。由图3可见，西夏区现有地震应急避难场所的服务半径为2 000 m，覆盖面积较大，但仍有部分场所不能满足服务区域内人员疏散的要求，违背了避难场所规划的可达性[20]和容纳性原则。表1为地震应急避难场所分类及各项指标[21]。

图2 西夏区网络数据集Fig.2 Xixia District network data set

图3 西夏区现有的地震应急避难场所的服务范围Fig.3 Service scope of existing earthquake emergency shelters in Xixia District

表1 地震应急避难场所分类及各项指标

(2) 地震应急避难场所容纳空间不足，无法满足容纳性原则。政府确定的西夏区地震应急避难场所共3处，可容纳约87万余人。表2为西夏区地震应急避难场所基本信息表。由表2可知，西夏区地震应急避难场所皆为公园用地的固定避难场所，3处固定避难场所的总面积为332 000 m2，可容纳人数为35.60万人。此外，在计算公园绿地可利用面积时，需要去除水域等娱乐设施用地等，一般按照60%左右计算有效避难面积[22]，故现有地震应急避难场所的有效避难面积约为199 200 m2，实际可容纳避难人数仅为5.48万人，占总人数的15.39%。由此可见，西夏区现有地震应急避难场所较少，且形式单一、可利用空间较小，同时应急避难地空间被商业用地所占用。图4为西夏区现有地震应急避难场所现状图。由图4可见，原规划的地震应急避难场所的总面积为332 000 m2，但避难场所部分空间被商业建筑占用，现经GIS统计仅有约218 000 m2的面积为可用于避难。以西夏公园为例，西夏公园东临同心北街，南接北京西路，西临文昌北街，北接怀远西路，占地面积约93 000 m2，其中水面、绿地和广场占地面积为55 800 m2，西夏公园避难场所的有效面积仅为37 200 m2，实际可容纳避难人数为12 364人。但从最新遥感影像上可知，西夏公园固定避难场所无人管理，西侧已被大面积商品房占用，水体面积也有一定的增大，从而减少了避难场所的有效面积，降低了该避难场所可容纳灾民的人口数量。

表2 西夏区地震应急避难场所基本信息表

(3) 地震应急避难场所设施不完善，无法满足平灾结合原则。固定避难场所一般为公园、广场、体育场、绿地以及具备避难功能的开放场所，灾害发生后可为灾民提供救援、安置以及集中生活的场所。固定避难场所应从通讯设施、供电设施、供水设施、消防设施、医疗设施、供应设施6个方面进行规划[23]。由图4可见，西夏区现有的3处固定避难场所中，八一体育公园无公共卫生间，解放公园仅有1处公共卫生间，西夏公园仅有2处公共卫生间。根据马亚杰等关于城市防灾公园安全评价的主要内容[24]判断，西夏区地震应急避难场所的条件远不能满足地震应急避难场所的需求。图5为西夏区危险场所缓冲区分析。由图5可见，八一体育公园西北角有1处加油站，属于危险场所，会影响地震应急避难场所的正常使用。

图4 西夏区现有的地震应急避难场所现状图Fig.4 Current status of existing earthquake emergency shelters in Xixia District

图5 西夏区危险场所缓冲区分析Fig.5 Buffer zone analysis of dangerous places in Xixia District

经上所述，西夏区现有的地震应急避难场所空间规划主要存在的不足为：①地震应急避难场所的确定不够客观，没有进行科学规划，与就近性和可达性原则相违背，3处固定避难场所较为靠近且重合面积较多，致使在避难中心的居民有多重避难选择，地震发生时易出现混乱，而避难中心以外的受灾人员则无法有效避难；②地震应急避难场所容纳能力不足，与容纳性原则相违背，在避难时至少有80%居民无法避难，而且管理不足导致原有避难面积减少； ③地震应急避难场所皆为室外公园，内部无通讯、供电、供水、消防、医疗、供应等应急避难场所必要的设施，与平灾结合原则相违背，无法满足社会资源的共享和节省。

2 地震应急避难场所区位配置模型的构建

2.1 公共设施区位理论

本文采用公共设施区位配置模型(Location Allocation model，简称LA模型)建立地震应急避难场所区位配置模型。其基本原理为假设需求点和设施点分布已知，依据设定的公共设施区位配置模型，系统自动匹配设施点与需求点[25]，以实现设施选址的最优化。国内外学者对公共设施的区位配置问题进行了研究，将LA模型分为四类[26]：中值问题、中心问题、集合覆盖问题和最大覆盖问题，见表3。

表3 LA模型的分类

2.2 地震应急避难场所区位配置模型的构建

根据地震应急避难场所区位配置模型构建的目标、原则和银川市西夏区人群的空间分布特征，进行了如下假设：

(1) 以每个小区的中心点为应急避难场所需求点，地震发生时居民都位于住宅楼；

(2) 已知候选避难场所设施点和应急避难场所需求点的位置分布；

(3) 已知候选避难场所设施点到应急避难场所需求点的距离，设施点与需求点之间的距离是以实际道路的路径距离为准，避难时以步行进行避难，不考虑震灾造成的道路阻塞和人流量等对人群疏散的影响；

(4) 应急避难场所的需求点不能被两个及以上避难场所设施点覆盖，在覆盖范围内的需求点只有一个设施点服务；

(5) 应急避难场所存在多个入口，各入口与道路连接,每个应急避难场所的实际避难人数应不大于理论可避难人数；

(6) 应急避难场所进行避难时平均每人使用面积为3 m2；

(7) 在整个应急避难过程中，居民避难距离之和最小。

根据以上假设，构建的银川市西夏区地震应急避难场所区位配置模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

0

(5)

(6)

式中:J表示地震应急避难场所的集合；I表示避难需求点的集合；m为备选地震应急避难场所的数量(个)；n为地震避难需求点的数量(个)；Pi为应急避难需求点i的人口数量(人)；Cj为应急避难场所j的人口容量(人)；aij表示避难需求点i与应急避难场所j的关系，aij=0表示非归属关系，aij=1表示归属关系；R为避难路径长度(m)，城镇要求100%避难覆盖。

因此，公式(1)的值应为应急避难场所总人数的最大值，公式(2)表示分配到某应急避难场所的总人数应小于或等于它的人口容量，公式(3)用于确定归属关系，公式(4)表示aij的总数不能超过备选地震避难场所的数量，公式(5)表示避难需求点到应急避难场所之间的距离应该不大于R，公式(6)表示保证居民避难总体移动距离最小。

3 银川市西夏区地震应急避难场所空间布局的优化

3.1 地震应急避难可达性和就近性原则的优化

图6为研究区居住人口数量分布。西夏区共有居民35.60万人，居民区总面积为71.40万m2，居民区人居占地面积为22.12万m2，通过GIS对西夏区人口的空间分布和人口密度进行分析，结果表明：居住建筑分布较为集中于研究区北边，密度较高，东北角高层住宅楼较多，紧急时刻的人群自行疏散易引起交通拥挤，整体疏散进度缓慢，安全隐患较大。

图6 研究区居住人口数量分布Fig.6 Distribution of resident population in the study area

图7为西夏区地震应急避难场所备选点，可以看出西夏区地震应急避难场所的备选点数量较多，应用GIS空间分析功能并根据绿地公园等开敞场所的空间布局、道路网络流通能力以及人群的空间分布筛选应急避难场所，可筛选出满足疏散距离和居民避难总体移动距离较小的地震应急避难场所。

图7 西夏区地震应急避难场所备选点Fig.7 Alternative points for earthquake emergency shelters in Xixia District

3.2 地震应急避难容纳性原则的优化

研究区地震应急避难场所的数量较少，且超出其容量人数较多，导致具备避难功能的空间有限，不能满足西夏区居民避难的需求。以最短疏散路径为约束条件且不考虑人口容量限制，在GIS的Network Analyst扩展模块中对西夏区原有的地震应急避难场所与居民区之间的初始路径进行空间配置，得到研究区原有的地震应急避难场所空间布置及路线图，见图8。

图8 西夏区原有的地震应急避难场所空间布置及 路线图Fig.8 Layout and route map of the original emergency shelters in Xixia District

由图8可见，从居民区到各个地震应急避难场所的路程相对较长，最远路程超过5 km，平均距离为1.81 km，表明已有的地震应急避难场所不能满足避难人群疏散的要求。因此，应结合银川市西夏区的实际情况，根据备选地震应急避难场所的数量、占地面积、辐射半径、避难人口容纳量以及地震备选应急避难场所设置点的道路交通情况，借助LA模型的约束条件,利用GIS软件中的Network Analyst扩展模块对研究区地震应急避难场所的空间分布及责任区范围进行分配。

在GIS软件中构建所需的道路网、应急避难场所设施点和避难场所需求点，运用LA模型中Network Analyst模块设置其分配属性，并进行布点优化，采用提出的区位配置优化方案后，得到西夏区地震应急避难场所空间布置及路线图，见图9。

图9 基于区位配置模型优化后的西夏区地震应急避难 场所空间布置及路线图Fig.9 Optimized layout and route map of the original emergency shelters in Xixia District

由图9可见，经区位配置模型优化后西夏区地震应急避难场所能满足89.95%居民避难归属并避免场所内拥挤，在现有的规划条件下，若能据此指导居民进行有效疏散，能获得较好的疏散效果。

表4为西夏区地震应急避难场所备选表。

由表4可知，依据场所位置、有效避难面积等条件划分中心避难场所和紧急避难场所，在西夏区原有的3处固定避难场所基础上，增设2处公园绿地、17处学校操场、1处体育用地、2处公共建筑和1处办公用地。经过区位配置模型优化后，居民区到地震应急避难场所的平均距离仅为582 m，最长路程为2.2 km，大部分路程不超过1 km，大大缓解了居民到地震应急避难场所的路程压力，基本满足应急避难的需求。但要注意的是，因客观上避难空间的缺失和避难场所布局的失衡，在区位配置模型优化后西夏区仍有9个地震应急避难场所需求点的居民(位于荣世星座和景翠花园)无法进行有效避难，需进一步解决，应扩大现有应急避难场所的容纳空间或是在无归属的应急避难场所需求点附近建立新的地震应急避难场所。

3.3 地震应急避难平灾结合原则的优化

通过遥感数据分析，从影像地图中找出较为合适的地震应急避难场所。表5为西夏区现有的与备选的地震应急避难场所数目的对比。

由表5可知，西夏区共有学校场地46处，以宁夏大学操场为例，宁夏大学文萃校区地震应急避难场所的空间布局见图10。

表4 西夏区地震应急避难场所备选表

表5 西夏区现有的与备选的地震应急避难场所数目对比

图10 宁夏大学文萃校区地震应急避难场所的空间布局Fig.10 Layout of earthquake emergency shelters in Wencui campus of Ningxia University

由图10可见,其东侧为体育馆，并且场地的南、北、东三个方向出入口与城市主干道相接，主干道宽度为35 m，保证了灾时的救援通道；校园内部的通讯广播设施、室外操场和室内体育馆等设施满足通讯、供电、供水、消防、医疗、供应的要求，也可节约政府对避难场所建设的成本，保证了避难场所的平灾结合。

基于以上优化，银川市西夏区地震应急避难场所的空间布局无论从就近性、容纳性和可达性上都基本能满足应急避难的需求，并且符合避难场所的硬件要求，充分体现了平灾结合理念，使地震应急避难场所发挥了最大的效能。

4 结 论

基于就近性、可达性、容纳性和平灾结合的原则，采用“应急避难场所+X”(X为公园绿地、广场、学校操场、公共用地等)的空间布局应急避难优化模式，分析了西夏区地震应急避难场所的空间分布、避难设施和人口容纳量，使得地震应急避难场所具有临时栖身、防灾疏散、救灾设施以及紧急救护场所等功能，并得出主要结论如下：

(1) 应用GIS空间分析功能和公共设施区位配置模型，分析了西夏区现有的地震应急避难场所的不足及存在的问题，经区位配置模型优化后的地震应急避难场所可满足89.95%以上的居民进行有效避难，相比现有的避难场所，可使避难最远路径从5 km缩短到2.2 km，避难平均距离从1.81 km降低到0.58 km，并将原有可避难人口5.48万人增加到可避难人口32.02万人，从而使地震应急避难场所满足就近性、可达性和容纳性原则的要求。

(2) 将公共设施区位理论的数字化建模和GIS空间分析的可视化表达相结合，科学地优化了地震应急避难场所的空间布局，对城市应急避难场所进行了城市人口密度与避难场所建设宏观控制。以银川市西夏区地震应急避难场所的空间布局优化为例，使模型具有普适性和推广性。

(3) 银川市西夏区有着大学城特殊的城市功能区划，依据避难场所的设施配置要求，制定平灾结合、设施齐全的避难场所，不仅能满足居民的日常使用，并且具有灾后避难的功能。本文将学校校园特别是操场作为避难场所的方案，不仅可以增加避难的空间容量，缩短避难逃生疏散的距离，还可以有效节省政府建设避难场所的资金，提高应急预案的经济性。