宁夏大武口区地震应急避难场所空间布局优化研究

任家琪，李 伟，王剑磊，崔和安，单帅帅

（1.宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001；2.宁夏土木工程防震减灾工程技术研究中心，宁夏 银川 750021；3.宁夏回族自治区政务服务中心，宁夏 银川 750001；4.宁夏回族自治区自然资源勘测调查院，宁夏 银川 750001；5.宁夏回族自治区自然资源信息中心，宁夏 银川 750001；6.北方信息控制研究院集团有限公司，江苏 南京 211153）

0 引言

国家“十四五”规划积极推进城镇化和新农村建设，在这种大背景下，我国城市集群规模以指数形式激增，与之伴随的是城市人口的聚集和城市建筑群落的耸立。我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受全球板块运动

及特殊地质条件影响，我国地震灾害频发，所以，城市居民的地震应急避难显得尤为重要，城市防灾也将成为城市规划建设中的一个重要环节。现阶段全球对于城市地震应急避难的成熟做法就是设立合理且有效的地震应急避难场所，地震应急避难场所用于震后当地居民的紧急疏散、安置以及后续救援等相关工作，所以合理有效的地震应急避难场所设置，对震后的一系列地震灾后应急工作都会起到决定性作用。城市的发展持续时间长、随机变动性大、布局分布不均、道路参差错落、人口分布零散、建筑物千差万别，这些参考因素都会决定地震应急避难场所的设置是否合理[1]。本文就宁夏大武口区的地震应急避难场所的设置，预先进行了城市调研，排查当地人口分布、建筑分布、公共设施分布、道路分布等情况，结合当地城市整体规划布局，基于社区区位理论、数据建模、ARCGIS空间关联分析、社区配置模型等方法，对宁夏大武口区的地震应急避难场所服务能力进行挖掘，重点结合当地实际情况，从居民实际震后应急避难需求出发，且严格遵循可达性、就近性、平灾结合等原则，对宁夏大武口区提出了一个合理高效且行之有效的地震应急避难场所优化布局，以供当地相关部门参考。

1 研究区域简介及历史地震概述

大武口区，隶属于宁夏回族自治区石嘴山市，东经106°05′~106°30′，北纬38°17′~38°51′之间，位于宁夏回族自治区银北地区，是石嘴山市的政治、经济、文化、商贸和信息中心，西、北与内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善左旗接壤、东与惠农区接壤、南与平罗县接壤，区域面积1008平方公里，其中城市建成区面积80平方公里。截至2020年8月，下辖2个经济开发区，10个街道，12个行政村，常驻人口30.36万人。

宁夏大武口区地理位置如图1所示，该区域地质灾害频发，且当地地质结构复杂，其地理位置在鄂尔多斯断块体的西北角与贺兰山断隆区交汇部位，地质构造复杂，主要以东西向和南北向的构造为主体，展布范围宽，规模大。该区域亦受南北向构造控制。南北断裂活动以红果子沟洪积扇上长城断层为代表，明长城被垂直错断1.56m，水平错断0.8m，洪积扇陡坎探槽证实是断层活动的结果。宁夏大武口距离

图1 宁夏回族自治区石嘴山市大武口区地理位置分布图Fig.1 Geographical distribution map of Dawukou District，Shizuishan City，Ningxia Hui Autonomous Region

内蒙古自治区左旗较近，其两地周边煤矿生产单位密布，导致了两地爆破类非天然地震时有发生，非天然地震极有可能引起其他地震类次生灾害如:山体滑坡、水库破裂、山体塌陷等，此类次生灾害一定程度上会危及到当地居民的生活生产。主要包含了宁夏及邻区中强以上地震及其余震活动，也有部分中等震群事件、影响较大的爆破事件等。

2 宁夏回族自治区大武口区现有地震应急避难场所概述

2.1 大武口区城市地震应急避难场所人口容纳能力现状

经过实地走访调查确定，大武口区地震应急固定避难场所共2处。表1为大武口区现有地震应急避难场所基本信息表。由表1可知，大武口区地震应急避难场所为公园用地和体育用地构成的固定避难场所，2处固定避难场所的总面积为12.91万m2，最多可容纳人数为6.5万人。与此同时，在利用公园绿地作为固定避难场所时，需要剔除水体、绿地、道路、建筑、

表1 宁夏大武口区现有地震应急避难场所基本信息表

假山等景观设施，体育用地需要剔除娱乐设施、道路等用地，故现有地震应急避难场所的有效避难面积约为58070m2，实际可容纳避难人数为1.16万人，仅占总人数的9.58%。所以，大武口区现有固定地震应急避难场所较少，可利用空间较小，人口容纳能力不足，同时部分地震应急避难场所用地被商业用地侵占。以青山公园为例，青山公园东接建设西街，西临游艺西街，北临青山北路，南临贺兰山北路，占地面积约69964m2，其中水域、绿地、建筑和道路占地面积为60173m2，青山公园地震应急避难的有效面积仅为9791m2，实际避难可容纳量为1958人。由此可知，青山公园固定避难地震应急避难场所容纳空间不足，无法满足应急避难的需求[2]。

2.2 城市地震应急避难场所需具备的条件

地震应急避难场所的建设需要足够的人口容纳量、良好的人员可达性、就近性、最好具备平灾结合性，结合当地自有条件，使地震应急避难场所在时间和空间上均满足应急需求，例如避难场所的数量和面积一定要能够容纳服务区内的人口需求，周边没有重大危险源，可以解决避难人员最基本的生存问题等。本文就以上需求提出固定地震应急避难场所和公共用地（公共用地包括绿地公园、广场、学校操扬等）相结合的方式，共同组成地震应急避难模式，由此构建区位配置模型，同时结合大武口区绿地和学校分布的特点，在满足表2要求的同时，提出以下地震应急避难场所所需条件。

表2 地震应急避难场所分类及各项指标

2.2.1 平灾结合

利用居民地就近的公共用地，例如公园绿地、学校操场、停车场等基础公共设施场所作为临时避难场所的备选，不但可以实现公共资源利用最大化，还可以有效解决避难场所容纳能力不足的问题，需要注意的是，在选择临时避难场所时需要考虑备选地的有效使用面积和其他情况。

2.2.2 可达性

宁夏大武口区人口空间分布密度呈现非均匀化、居民聚集区域散布化，构建临时性地震应急避难场所的可达性十分重要，居民能否在震后顺利到达地震应急避难场所，是对避难场所的基本要求。

2.2.3 就近性

地震灾害具有不确定性，发生过程非常突然且剧烈，事后破坏程度大，所以地震应急避难场所灾难发生时，需要确保居民都可以快速到达避难地点，且要尽量避免差异过大。

2.2.4 容纳性

地震应急避难场所服务能力要具有一定的容纳量，能够满足人员对避难空间的需求，且避难场所要有一定的便利性，在震后政府相关部门可以对避难居民地安置、物资供应和救援等工作顺利开展[3]。

3 宁夏回族自治区大武口区地震应急避难场所区位配置模型构建

3.1 配置模型

本文采用LA模型（Location AI-location model，公共设施区位配置模型）来构建地震应急避难场所区位配置模型，此模型运用中值问题、中心问题、集合覆盖问题及最大覆盖问题作为模型参数，紧密结合特定区域的实际设置情况，通过优化建模和参数调整的方法，来与特定区域相适应，从而构建符合特定区域的设施区位模型。此模型中，中值问题模型用来在一定区域范围内为固定数量的设施点寻求最优区位，使需求点到设施点的总移动距离最小化，类似于数学概念中的两点之间距离最小[4]。中心问题模型指在所有设定预设选址中给定数目的前提下，最小化所有需求点与其最近设施点之间的最大距离，以活动预设设施数目及所在位置，最终求得最优解。集合覆盖问题模型指该问题模型是选取最少的设施点来完成所需求点的覆盖，目的是使建设设施点的成本达到最小，此模型也是为了统筹考虑市政建设的高效化及居民日常生活便利化，一定程度上也是为了节约社会资源，优化资源配比。最大覆盖模型指在一定地域范围内对设施布局，使设施在最大服务距离内尽可能多的覆盖绝大多数需求点，依然是资源合理利用最大化的问题导向。本文重点关注是在宁夏大武口区为固定数量的地震应急避难设施点寻求最优区位，配比最小总移动距离，且在寻求最小化需求点与地震应急避难设施点之间的最大距离的同时，合理分布设施点，从而达到以最少的设施点对宁夏大武口区进行最完整的覆盖，节约公共建设成本。

3.2 地震应急避难场所区位配置模型的构建

此次对于宁夏回族自治区大武口区地震应急避难场所布局的优化构建中，通过LA模型进行建模的初期阶段，本文做了如下假设条件:

（1）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，并且点与点之间都有一定的距离。

（2）已知候选避难场所设施到应急避难场所需求点的距离，设施点和需求点之间的距离是以实际道路的路径距离。

（3）应急避难场所的需求点不能被两个及以上应急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]。

根据以上假设数学模型表示为:

i为第i个需求点；

j为第j个设施点；

r为规定的设施点与需求点之间的最大范围的实际距离，固定应急避难场所最大服务范围为3000m；

Dij为从需求点Di到候选避难场所设施点Fj的实际距离（道路通行距离）；

Vi=｛j|Dij< ｝

r为需求点i的候选服务设施集。

如果候选服务设施Fj被确定为服务设施，则xj=1；否则xj=0。

宁夏大武口区初期的城市规划建设相对拥挤和小型化，后期新区的城市规划建设相对趋于合理，老城区居民点相对密集，建筑物零散分布且公共设施配套一般，虽然医院、消防站、城市公园、学校、空旷场地错落分布，但是与

LA模型的需求相差略大，故而此次宁夏大武口区的地震应急避难场所的优化以及新建选址问题，是我们亟需解决的一个问题，通过参考其他省市地区的合理地震应急避难场所优化布局，本文采用GIS对宁夏大武口区的社区地震应急避难场所进行模型构建和计算优化，为宁夏大武口区提供最优结果办法，以供今后地震应急避难场所建设所参考[6]。

4 宁夏大武口区优化构建方案

通过为期一月的实地勘察、现场测量与科学评估，结合宁夏大武口区当地人口、建筑物分布选取了如下地震应急避难场所，如表3所示，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。在大武口区原有的2处固定避难场所基础上，增设了多处地震应急避难场所，其类型包含有公共公园用地、学校操场用地等。依据宁夏大武口区城市分布特性，其选用的地震应急避难场所都呈合理的线性分布，基本可以满足周边居民地震后的紧急应急避难，且选取的此类地震应急避难场所周边交通便利，公共设施完善，利于地震后的进一步救援安置。经过区位配置模型优化后，相较于之前，弥补了客观上避难空间的缺失和避难场所布局的失衡[7]。图2中相应绿色点位为优化构建后的地震应急避难场所，由图2可知，其地震应急避难场所已经良好的覆盖了宁夏大武口区主要居民聚集区域。且由图3可知，居民区到地震应急避难场所的平均距离仅为500m，最长路程为2.0km，大部分路程不超过1km，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。

图2 宁夏大武口区通过优化构建之后的地震应急避难场所分布图Fig.2 Distribution of earthquake emergency shelters after optimized construction in Dawukou District，Ningxia

图3 宁夏大武口区避难场所服务范围分布图Fig.3 Distribution of shelter service scope in Dawukou District，Ningxia

表3 宁夏大武口区地震应急避难场所信息统计表

5 结论

本文对宁夏回族自治区石嘴山市大武口区进行实地勘测，收集地震应急避难场所相关数据，以ARCGIS为数据分析工具，结合LA理论模型及GIS空间分析理论，对宁夏大武口区的地震应急避难场所进行布局优化，经过优化，宁夏大武口区当地的地震应急避难场所布局满足就近性、可达性、容纳性和平灾结合等基本原则，也满足震后宁夏当地居民的紧急避难需求。

对宁夏大武口区进行地震应急避难场所进行布局优化后，当地地震应急避难场所数量从此前仅有的2个扩展为21个，且依照当地城市建设走向和居民分布特点，优化后的地震应急避难场所均匀分布于宁夏大武口区。区位配置模型优化后的地震应急避难场所可满足89%以上的当地居民进行有效避难。经过数据比对分析，相较于之前，宁夏大武口区避难最远路径从5km缩短至2km，避难平均距离从之前的2km缩短至0.58km。就避难人口而言，此前宁夏大武口区的地震应急避难场所仅够1.16万当地居民使用，经过优化后，其地震应急避难场所可以容纳12万人，且优化后的地震应急避难场所布局合理，周边公共设施如:医院、公共厕所、道路、生存应急物资等都相对充裕，既可以满足避难居民的短暂安置，也可以满足震后相关部门的紧急救援，完全满足就近性、可达性和容纳性原则的要求[8]。

宁夏大武口区当地的城市规划布局及居民分布在宁夏当地具有很强的代表性，此次对于宁夏大武口区进行地震应急避难场所布局的优化，不仅可以为宁夏大武口区当地的地震防震减灾工作提供震后紧急避难帮助，也可以对宁夏其他城镇的地震应急避难场所设立工作提供一定的理论依据和参考价值。