暴雨灾害下城市基础设施的事故演化风险分析*

陈长坤，孙凤琳，赵冬月

(中南大学 防灾科学与安全技术研究所, 湖南 长沙 410075 )

全球变暖导致极端降雨情况增多，此外城市热岛效应加剧，进一步增大了城市暴雨的强度和降雨量极值。暴雨往往具有突发性和连续性，而近年来城市区域极端降水事件频发，暴雨演化诱发后续的一系列事故对城市基建设施的维护和应急管理提出了新的挑战。城市传统基建覆盖范围广，普及程度大，但是缺乏先进的技术手段对灾害事故进行预防和应急；新基建依托于新兴的互联网技术，对于事故的安全管理具有技术优势，但还处在发展阶段。为有针对性地开展城市基建设施风险管控，需要分析城市暴雨灾害演化过程中的关键风险因素和发展规律，厘清城市基础设施在暴雨灾害中的薄弱环节，并提出相应整改措施。

城市基础设施事故的研究对城市安全意义重大。田玉敏[1]提出了针对城市基础设施事故的防控技术；黄樟兴[2]讨论了在数字城市管理的基础上城市基建的运营管理；周俊[3]从公共安全管理的角度分析了城市基础设施的公共安全问题。暴雨作为城市常见灾害对基础设施破坏影响大，而灾害演化网络是研究事故风险的重要方法。刘云海等[4]运用灾害链和复杂网络耦合分析了燃气管破裂造成的灾害事件；罗军华等[5]提出了针对暴雨-农业灾害链进行了静态风险分析；赵冬月等[6]从灾害演化的时序性考虑，建立了风险评估模型；HOSSEINNEZHAD等[7]提出了在缺乏信息透明度情况下的灾害链信息融合模型；陈长坤等[8]通过灾害演化网络和风险矩阵的有机结合，得到了更精确的风险评估结果。

灾害复杂网络的研究多与自然灾害演化过程相结合[9-10]，其作为系统学的研究范畴[11]，也广泛应用于如电力网络[12]、交通网络[13]等城市基础设施的相关研究中。目前对城市基础设施风险分析和安全管理的研究还有待进一步深入，基于此，本文将针对城市基建设施建立暴雨演化拓扑网络，并结合复杂网络特征参数分析城市新老设施中的风险因素，同时采用节点重要度和演化边脆弱性两者结合的灾害演化链风险评估方法，以期识别暴雨灾害下城市新老基建中的关键风险因素和环节。

1 暴雨下城市基建设施事故灾害演化

1.1 暴雨灾害下城市基础设施承灾特点分析

城市的扩张和发展离不开基础设施的建设，但近年城市极端降雨频率增大，加剧了城市基础设施事故的风险。我国经历了快速城镇化的发展时期，大部分地区传统基建设施完善，但也普遍临近或超过其使用寿命，在面对暴雨等城市灾害时极易引发严重的事故，例如暴雨造成的城市内涝、道路桥梁等交通网络的瘫痪、城市老旧管网的破裂等。老基建设施的安全管理措施大都成熟完备，但是大部分老基建在抵御风险隐患时更多还是依靠人工的隐患排查和风险监管，存在效率低下的问题。故在城市灾害风险分析时需要重点关注城市老基建的事故风险因素及其风险管理。现阶段更多的基建设施的建设方向转向高质量、更精细化建设，大数据平台下城市的通信、智慧交通、智慧电网等都成为未来城市级基建设施的趋势。在应对城市暴雨等灾害事故时，新基建可以更好的通过网络互连和大数据采集对风险信息进行采集判断和应急管控。但目前新基建远小于老基建的体量，且新基建存在网络安全、数据安全等新的安全问题，对应的安全管理方法发展相对滞后。通过分析完善城市基础设施在灾害演化中的脆弱环节，在此基础上运用新基建的技术对高风险的老基建进行智能化改造及管理，实现新老基建的融合[14]，是当下城市基础设施安全管理和风险控制的关键(图1)。

1.2 暴雨灾害下城市基础设施事故演化网络

在城市发展过程中，植被覆盖的区域会不可避免地被房屋及不透水的路面等基建设施取代，这会导致暴雨成流后在路面迅速行洪并于低地势的洼地处聚集，如果城市设施防洪标准不达标，排水系统排水能力不足就会导致城市内涝，从而破坏城市交通网络、城市排水系统、地下空间、建筑房屋等基建设施。基于此，参考暴雨对城市基础设施造成的主要和常见破坏，确定了33个城市暴雨灾害网络节点(表1)，同时结合城市暴雨对基建设施影响以及事故演化机理[15]，进一步得到了城市暴雨演化拓扑网络，该网络由33个节点，59条边组成(表2)，具体如图2所示。

图1 城市基础设施承灾特点分析

表1 暴雨灾害下城市基础设施事故演化网络节点

表2 暴雨灾害下城市基础设施事故演化网络连接边

图2 暴雨下城市基础设施事故演化网络

2 城市基建设施事故演化网络分析

2.1 节点结构重要度

郭程远等[16]对演化网络中的各节点参数给出定义和计算方法(表3)如下。

度中心性DCi表示为该节点的实际关联数和可能最大关联数之比，可以直观量化各城市基础设施事故在网络中重要性和影响力的。DCi越大，该城市基础设施事故在网络中重要性和影响力越大。

节点介数中心性BCi指经过点vi的最短路径数目在所有最短路径数目的占比，反映了各城市基础设施事故作为中间连接点的影响大小。BCi越大，各城市基础设施事故对网络中其他事故节点的控制能力越大。

聚类系数Ci是指节点vi与相邻节点的实际关联数和它们之间最大可能关联数之比，表示网络中节点之间连接紧密程度，聚类系数越大表示各城市基础设施事故之间的联系越紧密。

紧密中心性CCi是对节点vi到达网络中其他节点难易程度的度量。节点的紧密中心性越大代表某城市基础设施事故更接近网络中的其他各城市基础设施事故节点，对其余的节点依赖程度越小，该城市基础设施事故的发生越不受网络中其他事故节点控制。

2.2 连接边脆弱性

牟能冶等[17]对演化网络中连接边脆弱性给出定义和计算方法(表4)如下。

网络平均路径长度L反映了网络中灾害的演化速度情况。通过对比移除部分网络中的边后，L的变化情况来分析不同连接边在灾害演化传播中的影响。如若移除某条连接边后，L越大，证明该连接边的存在造成的城市基础设施事故的危害性越大。

网络连接边r的边介数是指通过该连接边的最短路径的数目，可以反映网络中连接边的影响范围。

表3 暴雨灾害下城市基础设施事故节点重要度计算

表4 暴雨灾害下城市基础设施事故演化连接边脆弱性参数计算

表5 暴雨灾害下城市基础设施事故节点重要度

网络的连通度H是指网络中某节点能联通的节点数在网络所有节点的占比，反映了网络的稳定程度，H越大，说明该网络更难被破坏。若移除某条连接边后，H越小，证明该连接边的存在造成的城市基础设施事故在演化过程中危害性越大。

连接边的脆弱性可以反映其对于网络的影响和重要程度。选取网络平均路径长度、边介数和连通度三个指标来评价网络中边的脆弱性，其中平均路径长度和边介数与边的脆弱性正相关，连通度与边的脆弱性为负相关，由此得到以下连接边r的脆弱性Vr表征。

3 暴雨灾害下城市基建设施风险分析

3.1 城市基建设施事故灾害演化节点分析

这里选取节点度中心性、点介数中心性、节点聚类系数以及节点紧密中心性四个特征参数作为网络中节点重要度衡量指标(图3)。通过灰色关联度分析法得到最终各节点重要度如表5所示。

城市内涝、交通瘫痪、人员伤亡和经济损失四个节点的节点度中心性最大，为0.187 5，说明此四个节点在网络中自身连接性强。其中城市内涝的入度为2，出度为4；交通瘫痪的入度为4，出度为2；人员伤亡和经济损失的入度为6，出度为0。城市内涝的出度最大，人员伤亡和经济损失作为网络的末端节点入度最大。在城市暴雨灾害演化中，城市内涝作为度中心性最大的中间节点，其入度相对出度小，更适合从预防角度进行风险控制。

交通瘫痪节点的点介数中心性最大(0.458 330)，说明该节点作为中介对其他节点的控制强。有效预防交通瘫痪的发生，可以很大程度上切断灾害链的演化破坏范围，减少灾害损失。在城市暴雨灾害中，交通中断可能是直接由于极端天气导致，也可能是由暴雨对交通基建设施的破坏间接导致。

城市内涝和工厂停工两个节点的紧密中心性最大(0.438 356)，说明两个节点到达其余节点最短距离都较小，处于几何意义上的中心位置，越不依赖其他点进行传播扩散。工厂停工又是作为城市内涝的下游相邻节点，因此，城市内涝节点作为演化的中心，是防灾减灾的关键。

淹没桥梁、淹没道路、交通事故、水利设施损坏、农田受灾和囤货抢购节点的聚类系数最大(0.166 667)，说明这六个节点的相邻节点之间的连接程度较大，更容易互相影响演化。但整体上网络的聚类系数较小，证明网络中节点的集团化程度低，灾害演化各节点之间的关系较为简单，有效控制关键节点和连接边就可以避免或减少后续灾害和损失的发生。

将各节点4项参数指标进行灰色关联度分析后，得到节点的重要度。结果表明，城市内涝节点(0.807 385)的节点重要度最大，紧接着是交通瘫痪节点(0.801 227)。因此城市内涝和交通瘫痪作为演化网络关键节点，是城市暴雨灾害风险防控的重要节点。

图3 城市基建设施事故演化网络节点和连接边各参数

表6 暴雨灾害下城市基础设施事故演化连接边脆弱性

城市内涝涉及到城市基础建设中排水系统的风险，对于老旧的排水管网，极端降雨加大了管网的工作负荷，容易出现破裂、泄漏甚至是爆炸等事故，因此在城市暴雨风险中需要中重点关注。为避免暴雨导致的路面破坏，桥梁坍塌等基建设施事故，对城市路网的风险监管和智慧物联是关键。

3.2 城市基建设施事故灾害演化连接边分析

各边脆弱性计算见图3。对59条边的脆弱性进行归一化得到以下各边脆弱性取值(表6)。

从表6中可以看出，连接边r30(交通瘫痪→救援困难)的脆弱性最大，连接边r12(滑坡→道路工程破坏)、r13(泥石流→道路工程破坏)、r22(城市内涝→工厂停工)和r27(交通事故→交通瘫痪)的脆弱性也较高。其中连接边r12、r13、r27和r30又可以组成一个集中演化的小型灾害链(图4)，因此这个小的灾害链就是城市基建设施事故演化网络中的脆弱环节。

图4 城市基建设施事故灾害演化脆弱环节

针对传统的道路网设施，为阻止泥石流和滑坡对其破坏，可以在高风险路段设置护坡围栏等稳住滑坡和泥石流产生的滑塌物体，并在滑坡泥石流发生的中游及上游设施阻挡坝拦截。为防止道路工程破坏和交通事故造成的交通瘫痪，在流通路段采用合格合理的排渠槽道，保证道路上的流体及时排走以免造成堵塞。基于新基建中的信息互联，可以及时采集事故路段的信息，便于应急抢修，且及时向出行人员和群众通知事故路段的消息，及时避免其他车辆再次进入该路段，同时对需要通过破坏路段的车辆进行疏导。

4 结论

本文对城市暴雨灾害中基建设施事故演化网络展开风险评估，通过分析暴雨情境下城市基建设施事故的主要风险节点和环节，辨识出了暴雨中城市新老设施存在的风险隐患，主要得出如下结论。

(1)在城市基建设施灾害风险管理中，应当充分考虑新老基建的融合发展，融合互联网技术实现风险识别和管理，利用新基建的技术对老基建进行技术升级和智能化改造，降低暴雨灾害对基建设施的危害。

(2)构建了包含33个节点和59条连接边的暴雨灾害下城市基建设施事故演化网络，并从重要度和连接边脆弱性两个角度对网络节点进行风险分析。通过节点度中心性、介数中心性、紧密中心性和聚类系数表征节点重要度，通过平均路径，边介数和连通度表征连接边的脆弱性。

(3)“城市内涝”为暴雨灾害下城市基建设施事故演化网络的关键节点，连接边“交通瘫痪→救援困难”的脆弱性最大。应当将老旧管网的风险监控和改造作为老基建管理的重点；同时，城市交通路网的信息采集和交通智能化对于预防和避免城市暴雨造成的事故和损失起到关键作用。