宁夏平罗县地震应急避难场所布局优化探索

任家琪 余思汗 王炳亮 胡子琪 杨刚

引言

我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度洋板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带分布广泛，历史地震灾害频发。截至2019 年，我国的城镇化率首次突破60%大关达到60.6%。如何在城镇范围内规划、科学有效的布局地震应急避难场所，应对地震等突发灾害，是当今我国防震减灾领域的研究热点之一。

宁夏回族自治区位于我国南北地震带的北段，是中国大陆地形高度和地壳厚度变化的梯级带，是青藏块体和华北块体的交汇部位。宁夏地质构造复杂，新构造运动强烈，地震活动频次高、强度大。1739 年银川—平罗8 级地震，是中国大陆第一个省会城市直下型地震；1920 年海原8½级地震，是20 世纪中国大陆最强烈的地震之一。针对破坏性地震灾害，国内外专家学者在地震应急避难场所研究领域提出了多项理论依据，按照平灾结合的原则，采用粒子群优化算法、最佳路径、LA 模型、GIS 等技术手段，对城市群落进行地震应急避难场所的科学化设立，以此来达到灾后紧急避险和安置的目的。

本文结合宁夏平罗县城镇建设布局、人口以及现有公共场所分布特点，针对当前宁夏平罗县地震应急避难场所数量不足、分布不合理等问题，利用GIS 技术和LA 模型、粒子群优化算法等模型，对该县的地震应急避难场所进行空间分析、评价和选址，从而构建宁夏平罗县地震应急避难场所空间、容量和区域位置的优化方案，使当地地震应急避难场所的设置更加科学合理，以满足该地区的防灾减灾需求。

平罗县基本简介

宁夏回族自治区石嘴山市平罗县，地处国家丝绸之路经济带、呼包银能源金三角、宁夏沿黄城市带等经济区前沿地带（图1），距银川河东机场60 千米，距宁夏惠农陆路口岸30 千米。截至2018 年，平罗县常住总人口31.6 万人，下辖13 个乡镇，县域总面积2060 平方千米。多条活动断裂穿过县域，其中平罗东-银川隐伏断裂北起黄渠桥，向南延至银川以南，走向北北东，长约120 千米，为隐伏活动断裂。1739 年1 月3 日北京时间晚8 点左右，当地发生银川—平罗8 级地震，造成了巨大的生命和财产损失。宁夏平罗县也被列为宁夏地震重点监视防御区。

现有地震应急避难场所概述

近年来，在宁夏平罗县的城市规划和建设中，已经有意识地综合考虑了地震应急避难场所的布设，结合广场、学校操场、停车场等空旷区域设立了6 处地震应急避难场所。表1 为现有地震应急避难场所基本信息，其地理分布位置如图2 所示。但是，平罗县现有的地震应急避难场所多设置于拥挤的城区内部，占地面积狭小，周边道路交通不便，城区分布不均，周边的公共配套设施如厕所、医院、消防站等不够完善，从平灾结合、可达性、公平性、容纳性和便利性方面而言，均无法满足当地居民的地震应急避难需求。所以，本文结合宁夏平罗县现状，采用如下模型对当地的地震应急避难场所布局进行优化。

图1 平罗县地理位置及破坏性历史地震震中分布图

表1 平罗县现有地震应急避难场所基本信息统计表

图2 平罗县现有地震应急避难场所分布图

地震应急避难场所配置模型优化构建

（一）配置模型（LA 模型）

本文采用公共设施区位模型（Location AI-location model，简称LA 模型）来进行地震应急避难场所的区位配置。在需求点和设施点分布已知的情况下，LA 模型可以通过AI算法系统自动匹配设施点和需求点，以实现设施选址的最优化。LA 模型包含有4 个区位配置模块:

1.中值问题模块：给定区域范围，假设设施点的数量固定，使需求点到设施点的总移动距离最小化，以此寻求设施点的最优区位。

2.中心问题模块：假设区域范围内候选设施选址数目给定，对需求点与其最近设施的最大距离进行最小化处理，以此寻求设施数目和区位点。

3.集合覆盖问题模块：此模块用于对设施点的数目进行最小化，使其在数目最小化的同时完成所有需求点的覆盖，以此来最小化设施点的建设成本。

4.最大覆盖问题模块：给定区域范围，给定设施的最大服务距离，使其能够最大化地覆盖需求点。

LA 模型的运用，可以统筹兼顾市政建设的高效性和居民生活的便利性，也可以节约社会资源，优化资源配比，使地震应急避难场所资源得到合理利用。

（二）宁夏平罗县地震应急避难场所构建原则

1.平灾结合：充分考虑地震应急避难场所备选点的面积和容积，首选居民点附近的停车场、学校操场、空地、公园等基础公共场所，以达到公共设施资源利用最大化。

2.可达性：地震灾害发生时间短，过程剧烈且破坏性大，所以可达性是地震应急避难场所选取的核心关注点。居民需要在震后快速高效地到达地震应急避难场所，并且备选点要便于相关部门进行震后的紧急救援。

3.公平性：当前宁夏平罗县城市建筑及居民分布不均，居民聚集区域离散分布，所以此次地震应急避难场所布局优化构建的一个要点是公平性。灾难发生时，需要杜绝差异化对待，确保每一个居民都可以获得有效的避难空间。

4.容纳性和便利性：我们所选取的地震应急避难场所需要有足够的容纳性，且相关设施需要配套齐全，方便震后相关部门开展居民集体安置、物资输送和应急救援等工作。

优化构建方案

通过为期两周的实地排查、场地走访测量和目标地区GPS 勘测，综合应用数理统计分析模型、GIS 地理信息处理系统、LA 模型配比等，对平罗县城区的道路建设、公共设施、区域空地、居民人口分布进行了详细且准确的数据统计和分析，建立了地震应急避难场所关键节点数据库。平罗县城市布局以老城区及主干道为核心，成区域块型辐射分布，通过GIS 对其建筑物、道路和人口参数进行分析后表明：老城区内道路间隔小，十字路口多，分布密集且道路路面较窄，多为两车道；老城区西部、东部、南部道路建设较为规整，横平竖直交叉分布呈网格状且道路间隔较大，多为四车道。如图3 所示，图中红线为宁夏平罗县城市道路分布图，绿色标记点为优化构建之后的地震应急避难场所。地震应急避难场所依据城市道路分布而均匀设置，紧急情况下满足道路网络流通能力，震后救援相关部门可以快速到达，以便对受灾居民进行合理安置及紧急救援。

图3 平罗县地震应急避难场所及城市道路分布图

图4 平罗县地震应急避难场所及建筑物分布图

图5 平罗县地震应急避难场所及人口分布图

图6 平罗县地震应急避难场所服务范围分布图

就建筑物分布而言（图4），平罗县老城区建筑物密集，多为高层商业楼和多层居民楼，且紧邻城中道路而建，建筑物围绕县中心呈辐射状发展；西部、东部、南部建筑物相对密集，北部相对比较稀疏且有不少商业性质的厂房；最西部为县城郊区城乡结合区域，多为农房平房等单层建筑，且西部为建筑物分布最稀疏区域。

平罗县人口分布（图5）以县中心为节点呈辐射化分布，与建筑物、城市道路密度分布呈线性正比关系。需要说明的是，西部人口高密度区域为农房民房区域，本文对于乡村人口的统计以片区为单位，对于城市高层建筑，是以每栋建筑为统计单位。根据平灾结合、可达性、公平性、容纳性和便利性这几项基本原则，综合考量地理位置、使用面积、建设标准、容纳能力、配套设施、周边环境，对平罗县地震应急避难场所的布局进行了优化构建，最终选取了表2 中所示地点作为地震应急避难场所。

以避难场所的容纳能力、使用面积、周边居民人口、可达距离、公共设施配置等为基本参数，初步建立辐射圆地震应急避难模型，对此前所挑选的30 余处应急避难场所进行了优化筛检，最终选取了能够满足地震应急避难场所需求的15 个点。如图6所示，蓝色圆圈以避难场所为圆心，半径为辐射范围，圆形面积为应急避难场所的综合避难能力，由图6 可得，其蓝色圆圈多有交错和重叠，这也是出于地震应急避难场所的多样选择性考虑。

通过宁夏平罗县地震应急避难场所布局的优化构建，初步统计，完全可以满足宁夏平罗县91.23%（常住人口）左右的当地居民进行有效的灾后避难，最远避难路径仅2.4 千米，以4.5 千米/小时的步速计算，最远到达时间为32 分钟，平均避难距离为0.61 千米，完全可以达到地震应急避难要求，总计地震应急避难场所使用面积为21.55万平方米，总容纳能力为6.5517 万人，人均地震应急避难面积为3.3 平方米，可达性、容纳性、便利性和公平性符合相关要求。

结论

本文运用GIS 空间分析功能，采用公共设施区位配置模型，结合平灾结合、可达性、公平性、容纳性和便利性这五项基本原则对平罗县进行了地震应急避难场所布局的优化构建。针对平罗县地震应急避难场所数量少、布局不合理、容纳能力差等突出问题，重新对其进行优化。通过优化后，平罗县地震应急避难场所平均避难距离为0.61 千米，总面积21.55 万平方米，总容纳能力6.5517 万人，人均面积3.3 平方米。

设施齐全、布局合理的地震应急避难场所，对区域城镇居民的震后紧急避难起到至关重要的作用。快速有效的震后疏散、合理安全的震后安置，不仅可以保障人民的生命财产安全，也有利于当地政府及相关部门开展震后应急救援工作。避难场所的科学设置，不仅可以提高当地居民的有效避险能力，也可以为抗震减灾和应急救援起到积极示范的作用。作为一种有益的探索，平罗县地震应急避难场所的优化设置，也可以为其他城镇区域公共服务设施的配置提供参考依据。