征 程,王山東,毛澤紅,于大超,徐志遠(yuǎn)
(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)
洪災(zāi)避險(xiǎn)安置區(qū)與轉(zhuǎn)移單元匹配
征 程1,王山東1,毛澤紅1,于大超1,徐志遠(yuǎn)1
(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)
利用ArcGIS在洪災(zāi)避險(xiǎn)決策方面的優(yōu)勢,通過對洪水風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算得到的淹沒信息、安置區(qū)規(guī)劃和道路通行時(shí)間的分析,結(jié)合轉(zhuǎn)移單元人口、安置區(qū)容量和安全系數(shù)等影響因素,研究了避險(xiǎn)安置區(qū)與轉(zhuǎn)移單元匹配的問題,最終得到最佳安置區(qū)。
影響因素;匹配;安置區(qū);轉(zhuǎn)移單元
近些年對洪災(zāi)防御和洪災(zāi)避險(xiǎn)的研究取得了重要的成果,已逐漸形成了一套研究體系和理論方法,但在防洪決策的過程中仍然存在一些問題[1]。本文利用層次分析法、線性規(guī)劃決策和雙向匹配方法,結(jié)合ArcGIS的空間分析功能,根據(jù)轉(zhuǎn)移單元的分布、人口數(shù)量,兼顧行政隸屬關(guān)系,按照就近原則和最優(yōu)匹配原則,完成了洪災(zāi)避險(xiǎn)安置區(qū)與轉(zhuǎn)移單元的匹配。
在洪災(zāi)避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移過程中,首先要確定轉(zhuǎn)移單元和轉(zhuǎn)移單元人口數(shù)量。利用ArcGIS的空間分析能力,確定需要轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移單元和轉(zhuǎn)移人口數(shù)量。
設(shè)研究區(qū)域的平面空間為Ω1,根據(jù)計(jì)算得到的可能的洪水淹沒范圍的平面空間為Ω2,通過ArcGIS的圖層空間疊置分析,可以得到研究區(qū)域內(nèi)需要進(jìn)行避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移單元集合X=(x1,x2,…,xm),m為需要轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移單元數(shù)量,每個(gè)轉(zhuǎn)移單元中包含該轉(zhuǎn)移單元的人口數(shù)量。
洪水到達(dá)前,受災(zāi)群眾在進(jìn)行避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的過程中,應(yīng)當(dāng)爭取在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)避險(xiǎn)安置區(qū)。每個(gè)轉(zhuǎn)移單元的避險(xiǎn)安置區(qū)都有多種方案可供選擇,為了能夠短時(shí)間內(nèi)安全到達(dá),必須對決策方案進(jìn)行初步篩選[2]。確定合理的安置區(qū)需要考慮轉(zhuǎn)移時(shí)間、轉(zhuǎn)移距離、安置區(qū)的人口容量和安全系數(shù)等影響因素。
Y=(y1,y2,…,yn)為避險(xiǎn)安置區(qū)的集合,n為避險(xiǎn)安置區(qū)的數(shù)量,則安置區(qū)方案選擇的約束條件為:①轉(zhuǎn)移距離約束,d為距離閾值,則約束條件為:di≤d;②轉(zhuǎn)移時(shí)間約束,t為時(shí)間閾值,則約束條件為:Ti≤t;③安置區(qū)安全系數(shù)約束,s為最低安全系數(shù),則約束條件為:Si≥s;④安置區(qū)人口容量約束,c為安置區(qū)的最大人口容量,則約束條件為:Ci≥c。
根據(jù)上述的約束條件,利用ArcGIS進(jìn)行疊加分析,可初步篩選得到滿足條件的安置區(qū)集合[3]。
層次分析法,是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)的、層次化的多目標(biāo)決策分析的方法[4]。首先按照被評(píng)價(jià)對象內(nèi)在的相互關(guān)系,確定評(píng)價(jià)指標(biāo)并劃分層次,然后根據(jù)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造判斷矩陣再通過計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax和相應(yīng)的特征向量,將特征向量進(jìn)行歸一化處理,得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量V;最后對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[5]。
以上符合約束條件的安置區(qū),每個(gè)轉(zhuǎn)移單元都可進(jìn)行多種選擇,但在實(shí)際轉(zhuǎn)移過程中,需要確定一個(gè)最佳的安置區(qū)。而這個(gè)選擇過程中,其實(shí)是安置區(qū)和轉(zhuǎn)移單元的雙向選擇。
3.1 轉(zhuǎn)移單元選擇安置區(qū)
3.1.1 安置區(qū)選擇的權(quán)重確定
本研究選取轉(zhuǎn)移時(shí)間、轉(zhuǎn)移距離、安置區(qū)人口容量和安全系數(shù)4個(gè)影響因素參與最終的決策評(píng)價(jià)。
表1 判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)
3.1.2 線性規(guī)劃決策方法
線性規(guī)劃是一種重要的系統(tǒng)優(yōu)化方法,首先確定變量,然后確定目標(biāo)函數(shù)和約束條件,最后計(jì)算得到符合目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。
實(shí)際選擇過程中應(yīng)是轉(zhuǎn)移時(shí)間和距離越小,安置區(qū)安全系數(shù)和人口容量越大,越適合作安置區(qū),因此,采用越小越優(yōu)的模型,模型函數(shù)如下:
計(jì)算得到的wij最小值,則為該轉(zhuǎn)移單元的最佳安置區(qū)。
3.2 安置區(qū)選擇轉(zhuǎn)移單元
通過安置區(qū)選擇轉(zhuǎn)移單元,同樣需要考慮轉(zhuǎn)移時(shí)間和距離,還要考慮轉(zhuǎn)移單元的人口數(shù)量。以上3個(gè)影響因素的權(quán)重分配同樣可通過層次分析法得到,模型函數(shù)為:
轉(zhuǎn)移單元的匹配程度也可通過線性規(guī)劃決策方法得到。
3.3 雙向選擇中的最優(yōu)匹配
雙向選擇問題,就是對于兩個(gè)集合X=(x1,x2,…,xn)和Y=(y1,y2,…,ym),X中的xi計(jì)劃在Y中擇優(yōu)選取yj作為自己的合作對象,如果xi對于選取的yj的滿意程度不低于其他任意合作的對象,則yj為xi的最優(yōu)分配;對于Y集合亦然。
用pij和qij分別表示xi選擇yj的意愿程度和yj選擇xi的意愿程度,這樣可以得到兩個(gè)矩陣:
二者的匹配意愿數(shù)字之和矩陣與數(shù)字之差絕對值矩陣分別為C= (cij)、 D=(dij),其中cij=pij+qij,在 cij越小的情況下,若dij越小,則越匹配,最終可確定最優(yōu)匹配[7]。
以研究區(qū)內(nèi)太慈鎮(zhèn)為例,太慈鎮(zhèn)轄15個(gè)行政村,根據(jù)計(jì)算得到的待轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移單元有8處,附近安置區(qū)為7個(gè),見表2、3。
4.1 轉(zhuǎn)移單元選擇安置區(qū)
1)以白蓮洲村為示例,設(shè)定約束條件:
通過疊加分析,得到滿足條件的安置區(qū)(A、B、C)。
2)權(quán)值計(jì)算。根據(jù)分析得到判斷矩陣:
表2 待轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移單元及人數(shù)
表3 各安置區(qū)指標(biāo)
歸一化處理,得到 V=(0.214,0.644,0.071,0.071),λmax=4.001;再進(jìn)行一致性檢驗(yàn):CR=0.000 4<0.1,滿足一致性檢驗(yàn);得到各影響因素的權(quán)重: V=(0.214,0.644,0.071,0.071)。
3)最佳安置區(qū)的確定。根據(jù)表4,利用模型函數(shù)計(jì)算可得wij=(633.97,982.28,647.83),因此合適白蓮洲村的安置區(qū)優(yōu)先順序?yàn)锳、C、B。
表4 安置區(qū)影響因素
4.2 安置區(qū)選擇轉(zhuǎn)移單元
1)以A安置區(qū)為例,設(shè)定約束條件:
di≤d=10 000,Ti≤t=30,Ci≥c=4 000
通過疊加分析,得到滿足條件的轉(zhuǎn)移單元(白蓮洲村、沈沖村、馬山村和桃?guī)X村)。
2)通過計(jì)算得到轉(zhuǎn)移距離、轉(zhuǎn)移時(shí)間和轉(zhuǎn)移人口數(shù)量等影響因素的權(quán)重值為:V=(0.231,0.692,0.077)。
3)轉(zhuǎn)移單元影響因素見表5。通過模型函數(shù)計(jì)算可 得wij=(601.03,1 988.62,1 676.77,750.49),可跟安置區(qū)A匹配的順序?yàn)榘咨徶薮?、桃?guī)X村、馬山村和沈沖村。
表5 轉(zhuǎn)移單元影響因素
4.3 雙向匹配
根據(jù)雙向匹配,安置區(qū)A和白蓮洲村都作為各自的首選,滿意程度pij和qij均為1,cij=2,dij=0,即安置區(qū)A為白蓮洲村的最佳安置區(qū)。計(jì)算得到表6,可知安置區(qū)C為馬山村的最佳安置區(qū)。
但桃?guī)X村對于安置區(qū)A和B的pij和qij均相等。通過對各影響因素值和加權(quán)值的比較得出:桃?guī)X村到安置區(qū)A的距離更近,時(shí)間更短,且wij更小,在安置區(qū)A仍有足夠容量的前提下,安置區(qū)A比B更適合成為桃?guī)X村的最佳安置區(qū)。本區(qū)域內(nèi)的最終匹配情況見表7。
P208
B
1672-4623(2016)07-0045-02
10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.013
2015-03-06。
項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271538)。