基于GIS的历史文化街区避难空间适灾规划研究——以天津市历史文化街区为例

耿雅洁,林 耕,王 滢

(天津城建大学 建筑学院,天津 300384)

0 引言

城市安全建设是我国建设的重中之重,“十三五”规划纲要及《全国城市市政基础设施建设 “十三五” 规划》均对城市安全建设提出了明确具体的要求。城市化进程的不断加快暴露出越来越多的城市安全问题,城市环境要素类不断增加,城区快速蔓延,人口聚居点呈现出数量多,密度大的特点,城市脆弱性显著增强,伴随着一系列的自然灾害、人为灾害以及各种公共安全事件,直接威胁人类的生命及财产安全,而地震作为最具威胁性的灾害之一,严重影响人的日常生活及社会秩序,为城市安全带来严峻的挑战。2008年5月12日,四川汶川发生8.0级地震,死亡69 225人,失踪17 923人,受伤374 640人,受灾4 624万人[1],给中国人民带来巨大的灾难与损失。事实证明我国地震灾害综合风险管理水平较低,尤其在应急避难与管理方面存在较大弊端。

我国历史悠久,历史文化街区分布广泛,其具有建筑密度大,建筑年限长,街巷尺度狭小,基础设施落后等众多特点,因此具有较高的抗风险脆弱性与风险的不可预测性。避难空间作为城市防灾空间的重要组成部分,对于灾民灾时逃生、避难、灾后提供住所、医疗及各种应急物资提供等发挥重要作用,而避难空间的规划布局与应急服务效能对灾民的生命及财产安全起决定作用,在城市综合防灾规划中居于的核心地位。

当前对城市避难空间的研究主要集中在指标体系建立及空间规划布局两个方面[2]。Harris[3]基于城市规划基础理论,提出与地理信息系统相结合的规划决策支持系统;李玟纹、王媛等[4]通过建立地理数据库从宏观上分析了中国应急避难空间的现状,并运用回归分析方法提出现状问题及其影响因素,进而为响应总体国家安全观背景下的城市综合防灾规划提供理论支持;季钰、聂丽等[5]提出城市防灾避险公园服务效率的量化评价方法并对其进行实证研究,为规划决策与资源配置提供了量化依据;李文静、翟国芳[6]总结日本福祉避难所建设的经验,从避难需求、建设标准、配套设施及日常维护等方面为我国避难空间规划建设提供启示;张佳瑜、白林波等[7]基于LA模型理论与GIS空间分析方法构建地震应急避难场所配置模型;Manuela、Vanessa 等[8]提出灾害管理中临时避难场所选择与选址的多准则决策模型;Füsun、Sema等[9]提出基于软计算方法设计能够响应不同住户类型和灾难场景的避难空间,创造更具社区感的邻里模式;Sabouhi、Tavakoli等[10]提出基于概率规划的多目标选址模型,为灾害救援站和避难场所定位提供技术支持。综上,国内外对避难空间的研究重点集中于绿地,对城市中能够为灾民提供避难功能的其他开敞空间及建筑型避难场所关注较少,缺少城市空间内部疏散网络,研究区域主要集中在中心城区、老旧社区及高密度中心商务区等几个方面,较少涉及历史文化街区。因此,以地震避难需求为出发点,基于安全性、可达性、时效性及应急功能性等原则,深入街区内部空间进行土地适宜性评价,为使有限的避难空间能够服务更多位于其最大服务半径之内的设施需求点,运用集合覆盖模型、最大化覆盖范围模型和最小化设施点数模型,在设施数量和最大覆盖范围中计算平衡点,对避难空间进行优化布局,并以天津市14个历史文化街区为例,证实了该方法的科学性与实用性。

1 历史文化街区避难空间选址方法

历史文化街区通常房屋建筑密度大,内部空间狭小,道路组织结构混乱,有限的疏散通道不能满足充分的地震避难需求;且建筑年代久远,房屋建筑质量较低下,人口密度高,日常管理与维护措施不到位,因此,其避难空间规划原则与方法均应适应现状需求,以解决日益激化的供需双向矛盾。

1.1 历史文化街区公共服务设施布局优化模型

当前对公共服务设施布局优化的模型主要包括设施分配经典模型、最佳公平优化模型、多目标布局模型、动态和随机区位模型以及分级规划模型等多种类型[11]。OWEN[12]等总结了P-中位模型(P-Median Problem),位置集合覆盖模型(Location Set Covering Problem),最大覆盖模型(Maximum Covering Location Problem)等模型以寻求效率与覆盖范围之间的平衡点;WANG等[13]提出在衡量无障碍程度的基础上布局公共服务设施以达到距离成本最小化、设施数量最小化以及服务无盖最大化的目标;田玲玲等[14]于2019年提出建立在公平与效率双目标下的二次优化布局模型,该模型是在保证供求之间的公平与效率最大化的基础上对设施进行二次布局的混合优化模型。综合历史文化街区现状特点以及各种设施区位模型的适宜性,选取集合覆盖模型、最大化覆盖范围模型和最小化设施点数模型,在满足研究区最大覆盖范围的基础上对设施点数量进行适当的限制,在设施数量和最大覆盖范围之间寻求平衡关系,对避难空间进行优化布局。

1.2 历史文化街区避难空间类型

根据避难空间的规模,主要包括大型避难空间、中型避难空间及小型避难空间三种类型[15]。街区范围的避难空间通常包括固定避难空间和紧急避难空间两类,通常以乡政府机构、广场,有一定规模的公园绿地及学校操场作为固定避难空间,可达距离为步行1 h的范围;紧急避难空间一般为街头开敞空间、小型公园、停车场以及小学操场等,步行15 min可以到达。以《防灾避难空间设计规范》[16]为参考标准,结合历史文化街区特点,在规划避难空间时遵循如下标准(表1)。

表1 历史文化街区避难空间标准Table 1 The standard for emergency shelters

1.3 历史文化街区避难空间评价指标

季钰,高晓路等[17]建立多主体模型,基于避难者的疏散行为对避难空间的服务效率提出量化标准。综合考虑各指标的优缺点,选取避难空间有效面积、总服务人口、服务人口占比及服务人口缺口等四个指标对天津市14个历史文化街区现状避难空间进行评价,评价指标如表2所列。

表2 避难空间评价指标Table 2 The evaluation indicators of emergency shelters

2 历史文化街区避难空间规划方法

首先,通过评价道路易损性[18]、灾害易发性等指标保证疏散通道的安全性及便捷性;其次,运用土地适宜性评价方法评估现状避难空间的安全性、可达性、时效性及应急功能性(图1);最后,针对现状未规划或需新增避难空间的范围,综合考虑避难需求,对历史文化街区避难空间进行优化布局(图2)。

图1 用地适宜性评价方法Fig.1 Land suitability evaluation method

图2 避难空间规划技术路线Fig.2 Technical route for shelter space planning

2.1 历史文化街区疏散通道评价方法

疏散通道评价是现有通道的易损性及灾害易发性叠加分析的结果。通道安全性是在确定防灾因子的基础上,对现状疏散通道逐一进行评价,运用AHP层次分析法确定各类因子的权重,将各类单因子评价加权叠加得出通道的安全性评价结果;基于研究区域灾害易发性数据评价其危险性,并将评价结果叠加到通道安全性评价结果中,得到疏散通道评价结果[19]。

2.2 历史文化街区避难空间评价方法

以疏散通道规划网络为支持,综合研究区域用地适宜性评价结果,运用最大化覆盖范围模型对现状避难空间进行评价。通过避难空间有效面积、总避难人口、总服务人口、服务人口占比及人口服务缺口等指标阐释避难供需关系,根据评价结果对未覆盖区域进行新增避难空间规划。

2.3 历史文化街区用地适宜性评价方法

避难空间规划应考虑安全性、可达性、时效性及应急功能性及众多因素,将单因子评价结果进行标准化处理,并赋予各单因子权重得出规划区域的用地适宜性评价。

2.4 历史文化街区避难空间优化布局方法

基于现状避难空间评价结果,针对现状缺乏或未实现全覆盖的范围进行避难空间优化布局。首先基于人口数据划分防灾基本单元,得出规划区域的避难需求点;基于道路网络数据集,将避难需求点规定时间内步行可达的范围与安全有效的避难空间服务范围进行叠加,运用最大覆盖范围模型得到可实现全覆盖的避难空间备选点;运用最小化设施点数模型在所有备选点中挑选出数目尽量少的设施,在满足研究区所需的最大覆盖范围的基础上对设施点数量进行适当的限制,在设施数量和最大覆盖范围之间寻求平衡关系,对避难空间进行优化布局。

(1) 历史文化街区规划避难空间位置分配方法

根据现状避难空间设置情况,其位置分配方法主要有两种:

①现状已设置避难空间时,将已有避难空间保留,并将其设置为避难空间规划的必选项,仅考虑现状避难空间未覆盖的区域;

②现状未设置避难空间时,需考虑两种情况:若新增数量确定时,则考虑避难空间面积是否确定,面积确定则需用集合覆盖模型计算设施点数量;面积不确定时,运用最大化覆盖范围模型确定设施点数量,再根据覆盖情况调整设施点数量;若新增避难空间数量不确定,则运用最小化设施点数模型在请求点实现全覆盖的基础上选择尽可能少的设施点数。

(2) 最大化覆盖范围模型

最大化覆盖范围模型是在所有候选的设施选址中挑选出给定数目的设施的空间位置,使得位于设施最大服务半径之内的设施需求点最多,并增加了一个限制条件:对于位于最大覆盖范围之外的需求点,它到与之最近的设施之间的距离也不得超过某一更大的范围。具体计算公式[20]如下:

(1)

式中:N表示n个需求点的集合;di表示第i个需求点的需求数量;Cj表示设施点j的容量;A(j)表示设施点j所覆盖的需求点集合;B(i)表示可以覆盖需求点i的设施集合;P表示允许建立的设施点数;yij表示需求点i被分配给设施节点j服务的部分,yij≤1;xj表示节点J是否被选中成为设施点,选中则赋值为1,否则为0。

(3)最小化设施点数模型

最小化设施点数模型是在最大化覆盖范围模型的基础上,在所有备选的设施选址中挑选出数目尽量少的设施,使得位于设施最大服务半径之内的设施需求点最多,具体计算公式[21]如下:

目标函数:

min(p),S(j)={i,t(i,j)≤t0,tij=min}

约束条件:

(2)

式中:tij为供应点j至需求点i的最短到达时间;djk为供应点至约束点的距离;fij为供应点对需求点提供服务的系数,如果需求点i在供应点j的服务范围内,则fij的值为1,否则fij的值为0。

3 案例研究

3.1 研究区概况

天津市有“九河下稍”之称,位于华北盘地断裂的东北部,地震灾害频发。1976年的唐山大地震使距唐山仅108 km的天津损失惨重,64%的房屋被破坏,14%的房屋被完全震毁,30%以上的公共设施在地震中倒塌或严重损坏,全市共伤亡达11万余人,直接和间接经济损失近75亿元[21]。地震造成的人员伤亡与经济损失仍在持续增加,因此必须将防灾减灾工作提升到前所未有的高度。本文选取一宫花园、鞍山道、承德道、赤峰道、海河、解放北路、劝业场、泰安道、五大道、中心花园、解放南路、估衣街、古文化街和老城厢等14个历史文化街区,由于其地理位置集中,人口密度大,历史文化街区震灾呈现出隐蔽性强、突发性明显及破坏性大等特点,给城市带来严重的伤亡事故及重大经济损失。

3.2 天津市历史文化街区现状疏散通道评价

现状疏散通道评价是现状通道的易损性及灾害易发性综合评价的的结果。首先,基于天津市道路数据,对不同宽度的道路进行打分:>8 m的为3分、4～7 m的为5分、≤3 m为10分,得到疏散通道安全性评价;其次,根据灾害易发性数据,将各灾害易发性级别分为一般易发性、较高易发性和极高易发性三级,由低到高不同级别分别为3分、5分、10分,得到灾害易发性评价;将通道安全性评价与灾害易发性评价以0.4和0.6的权重进行加权叠加,最终得出现状疏散通道评价(图3)。

图3 天津市历史文化街区疏散通道评价Fig.3 Evaluation of evacuation channels in historical and cultural districts of Tianjin

3.3 天津市历史文化街区避难空间评价

根据天津市人口数据与土地利用数据,通过避难空间有效面积、总避难人口、总服务人口、服务人口占比及人口服务缺口等指标对天津市历史文化街区现有避难空间进行评价,评价结果如表3所列。

表3 现状避难空间评价Table 3 Evaluation of existing shelters

由表可得,天津市14个历史文化街区现状避难空间均存在缺口,其中估衣街历史文化街区与解放北路历史文化街区缺口最大,分别达到96.35%和81.53%。因此,14个历史文化街区均需新增避难空间。

3.4 天津市历史文化街区避难空间用地适宜性评价

避难空间用地适宜性评价是基于安全性、可达性、时效性及应急功能性的原则,综合考虑灾害潜质、工程地质条件、危险源、人工建成环境、交通便捷性与连接性、以及应急保障和基础设施的完善程度等,运用AHP层次分析法确定各评价因子的权重(表4)。加权叠加得出14个历史文化街区的用地适宜性评价图(图4)。基于栅格计算功能,将适宜性等级分为不适宜建设区、有条件建设区、比较适宜建设区、适宜建设区与最适宜建设区等五类,得出各类用地面积(表5)及占比(表6)。将比较适宜建设区、适宜建设区和最适宜建设区作为避难空间的适宜候选用地。

表4 用地适宜性评价指标Table 4 The evaluation indexes of land suitability

表5 各类适宜性用地面积统计Table 5 Area statistics of various suitable land

表6 各类适宜性用地面积占比Table 6 Area ratio of various suitable land

图4 天津市历史文化街区用地适宜性评价Fig.4 Evaluation of land suitability of historical and cultural district in Tianjin

3.5 天津市历史文化街区避难空间规划

基于天津市历史文化街区选址适宜性评价结果,排除有条件建设区域与不适宜建设区域,每个历史文化街区均筛选出符合条件的候选设施点。由于历史街区位于天津市中心城区,建筑密度大,防灾用地相对紧张,因此选择了指标的下限,即紧急避难空间的安全有效面积不低于0.2 hm2,固定避难场所的安全有效面积不低于1 hm2。

对避难空间进行位置分配时,先利用集合覆盖模型得出固定避难空间的数量,再通过最小化设施点数模型,将上一步确定的固定避难空间作为设施点选取的必选项,再将满足条件的避难空间作为候选项,进而确定紧急避难空间的数量及位置分配,位置分配如图5。

图5 天津市历史文化街区避难空间位置分配图Fig.5 Distribution map of refuge space in historical and cultural districts in Tianjin

3.6 天津市历史文化街区新增避难空间评价

根据位置分配结果,确定各个历史文化街区固定避难空间与紧急避难空间的数量及位置布局,通过上述评价指标对新增避难空间进行评价,评价结果如表7所示。其中,服务人口占比最大的为中心花园和古文化街区,最小的为海河历史文化街区与解放北路历史文化街区,其服务人口占比达到95.88%和96.73%,基本可以实现避难人口的全覆盖,满足避难空间规划布局的基本要求。

表7 新增避难空间评价Table 7 The evaluation of added shelter space

4 讨论

当前对城市避难空间的研究主要集中在指标体系建立及空间规划布局两个方面,研究成果比较丰富,但尚不全面,仍存在不足之处。①研究对象集中于广场、学校、防灾公园等,对乡政府机构、停车场、街头开敞空间及建筑型避难空间的研究较少;②缺少以心理学和行为学为理论指导的研究,较少关注对老弱病残等特殊人群的关怀,忽视了不同人群的避难行为特征;③应对灾种单一化,较少涉及面向各种灾害的多灾种应对模式,规划方法尚未根据应对灾种的差异性将避难空间进行分类[22];④研究内容仍停留在满足灾民的基本生活需求上,忽略了避难空间使用品质的提升。因此,今后应从避难空间规划与设计的全面化、人性化、多样化与品质化等方面加以深入研究。

5 结论

避难空间规划是城市安全建设的重中之重,对于防灾减灾工作安全有效地开展具有至关重要的作用。本文面向历史文化街区,基于ArcGIS10.2,运用集合覆盖模型、最大化覆盖范围模型及最小化设施点数模型等定量分析方法,探讨历史文化街区避难空间规划方法、用地适宜性评价方法、避难空间评价指标以及场所分配方法。以天津市14个历史文化街区为例,在评估研究区域道路易损性的基础上,选择易损性较低的道路作为疏散通道;在对现有避难空间的评价基础上对历史街区用地进行适宜性评价,选择适宜性较高的用地作为新增避难场所的候选范围;运用公共服务设施布局优化模型确定各个历史文化街区避难空间的位置及数量,并运用相关指标对新增避难空间进行安全性、时效性、便捷性及应急功能性的评估,证实了该方法的科学性与实用性,为历史文化街区避难空间的规划与建设提供参考依据。