城市地震避難場所空間選址適宜性評價方法研究
——以臺中市西屯區(qū)為例

郭興利，郭雪琦，卓海涵

(福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建福州 350007)

0 引言

地震是一種比較常見的自然災(zāi)害，城市地震避難場所的規(guī)劃建設(shè)為減少地震災(zāi)害帶來的損失和開展災(zāi)后救援、重建做出了巨大貢獻(xiàn)，其空間選址的適宜程度決定了能減少損失多少、救援效率高低以及重建過程的順利與否。目前國內(nèi)大陸地區(qū)對地震避難場所空間選址適宜性評價的研究中［1］，研究區(qū)域的范圍更精確具體［2－5］，但多建立在避難場所內(nèi)的硬件指標(biāo)，缺少對外部自然環(huán)境的評估;臺灣地區(qū)對城市地震避難場所的研究中，張文侯以臺北市為研究區(qū)域，利用區(qū)位分析模式、層次分析法對臺北市避難場所的區(qū)位作了分析和評估，但缺少對災(zāi)害潛在影響的考慮［6］。包昇平等以嘉義市為例對城市避難點(diǎn)的適應(yīng)性作了評估，對城市避難點(diǎn)的后期規(guī)劃有一定的借鑒意義［7－8］。由于臺灣處于地震災(zāi)害高發(fā)地帶，本文將研究區(qū)域縮小至市轄區(qū)，以臺中市西屯區(qū)為例，更多地考量外部地理環(huán)境對避災(zāi)點(diǎn)的影響，選擇可以作為避難場所的公園和學(xué)校作為避災(zāi)點(diǎn)的研究對象，主客觀相結(jié)合地對城市地震避災(zāi)點(diǎn)空間選址的適宜性進(jìn)行評估，以期為規(guī)劃者提供更好的決策參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

臺灣省位于我國大陸東南沿海的大陸架上、亞歐大陸板塊與菲律賓板塊的擠壓帶上，受板塊運(yùn)動的影響導(dǎo)致地震災(zāi)害頻繁發(fā)生，是我國的五大震區(qū)之一。臺灣人口密度高，9．21集集大地震對臺灣中部地區(qū)(南投縣、臺中市)造成了極大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。臺中市位于臺灣省的中部，地處世界級地震斷層——車籠埔斷層，貫穿于其太平、大坑、譚子、豐原四區(qū)。東臨中央山脈，西接臺灣海峽，其特殊的地理位置造就了獨(dú)特的自然環(huán)境;臺中市西屯區(qū)作為臺灣中部的核心經(jīng)濟(jì)區(qū)，是一個高人口密度的區(qū)域，其2．215km2的土地上生活著約22．6萬人。據(jù)此因地制宜地選取研究區(qū)地震避難場所的評估因子。

收集臺中市西屯區(qū)2015年人口數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)和DEM(數(shù)字高程模型)、地震斷層屬性資料，及避災(zāi)點(diǎn)、醫(yī)療點(diǎn)和消防設(shè)施點(diǎn)分布的空間屬性數(shù)據(jù)等資料，然后確立適宜性評價的準(zhǔn)則層與指標(biāo)因子。再根據(jù)空間屬性資料，結(jié)合評估因子，做出防災(zāi)潛勢地圖。以上分析均在臺灣本地坐標(biāo)系TMD97下完成并制成專題結(jié)果圖。

2 適宜性評價指標(biāo)體系

將影響因子準(zhǔn)則層分為安全性、有效性、接近性三大類。其中，在安全性指標(biāo)中，以研究區(qū)地震斷層分布和西屯區(qū)DEM資料為主，計(jì)算避災(zāi)點(diǎn)與地震斷層的距離和淹沒值;在有效性指標(biāo)中，根據(jù)官方提供的人口數(shù)據(jù)和避災(zāi)點(diǎn)開放的空間面積，計(jì)算避災(zāi)點(diǎn)可容納避難人口的數(shù)量以及可服務(wù)人口的數(shù)量;在接近性指標(biāo)中，運(yùn)用最短路徑分析法，計(jì)算避災(zāi)點(diǎn)與醫(yī)療點(diǎn)、消防點(diǎn)的最近距離。

2.1 安全性

(1)地震災(zāi)害潛勢

臺灣中部地震斷層較多，分布于其轄內(nèi)的斷層有三義斷層、大甲斷層、鐵砧山斷層、屯子腳斷層、彰化斷層、車籠埔斷層和大茅埔－雙冬斷層等。由于臺中屬于臺灣中部地震區(qū)域，發(fā)生大地震的頻率較低，而臺中市東區(qū)防救災(zāi)中提到地震錯動引發(fā)的危害遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)處地震傳遞至此處帶來的危害。車籠埔斷層作為逆斷層，曾因斷層錯動而引發(fā)重大地震災(zāi)害，且大甲斷層也是距研究區(qū)較近的逆斷層，故選定車籠埔斷層與大甲斷層作為主要的斷層評估因子。地震災(zāi)害潛勢分析在ArcGIS 10．4中使用近鄰分析工具，計(jì)算避災(zāi)點(diǎn)與車籠埔斷層及大甲斷層的直線距離，采用幾何間隔分類法把與斷層的直線距離分為3類，結(jié)果如圖1所示。

圖1 臺中市西屯區(qū)避災(zāi)點(diǎn)與地震斷層最短距離專題圖Fig．1 Thematic map of shortest distance between disaster shelters and earthquake faults in Xitun District，Taichung City

(2)淹水潛勢

淹水潛勢分析是模擬在一定的降雨強(qiáng)度下，主要根據(jù)研究區(qū)DEM來監(jiān)測哪些避災(zāi)點(diǎn)容易被水淹。研究假定臺中市西屯區(qū)發(fā)生百年一遇洪水，設(shè)置洪水水位為100m，分析判斷那些可能淹水區(qū)域的淹沒深度。進(jìn)行淹水模擬分析時，雖然沒有考慮到水動力學(xué)而使分析結(jié)果有所偏差，但這種設(shè)定水位近似“水平面”的方法能夠更高效、快速地得到淹沒值分布的核心數(shù)據(jù)，即低于給定水位的避災(zāi)點(diǎn)都視為洪水淹沒區(qū)域［9］。研究以DEM獲取避災(zāi)點(diǎn)的高程，當(dāng)洪水水位為100m時，將其淹沒值用自然間隔分類法分為5類，結(jié)果如圖2所示。

2.2 有效性

(1)避災(zāi)點(diǎn)可容納人口

當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時，避災(zāi)點(diǎn)需要提供盡可能大的開放空間用于足夠多的民眾來躲避災(zāi)害，這就需要將避災(zāi)點(diǎn)的供給與需求作為一個重要的考量因子。參考我國應(yīng)急避難場所建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)外救災(zāi)帳篷面積數(shù)據(jù)，以每人最小需求為5m2進(jìn)行避災(zāi)點(diǎn)可容納人口數(shù)的估算。同樣采用自然間隔分類法，將所得避災(zāi)點(diǎn)可容納人口數(shù)量分為5類，結(jié)果如圖3所示。

圖2 臺中市西屯區(qū)避災(zāi)點(diǎn)水淹沒深度專題圖Fig．2 Thematic map of disaster shelters＇flooded depth in Xitun District，Taichung City

(2)可服務(wù)人口數(shù)

避災(zāi)點(diǎn)在空間分布上，應(yīng)當(dāng)考慮其可服務(wù)的人口數(shù)量，即研究范圍內(nèi)對避災(zāi)點(diǎn)的需求數(shù)量。根據(jù)當(dāng)?shù)厝丝诿芏龋瑏砼袆e避災(zāi)點(diǎn)的有效性。此次研究在ArcGIS的空間分析模塊中對主要防災(zāi)避災(zāi)點(diǎn)作500m為半徑的緩沖區(qū)分析［8］，計(jì)算緩沖區(qū)內(nèi)的避災(zāi)點(diǎn)所服務(wù)范圍的可容納人口，將避災(zāi)點(diǎn)可服務(wù)人數(shù)用自然間隔法分為5類，結(jié)果如圖4所示。

2.3 接近性

(1)與醫(yī)療設(shè)施最近距離

醫(yī)療設(shè)施在城市防災(zāi)救災(zāi)體系中是一項(xiàng)不可缺少的服務(wù)設(shè)施，所以將避災(zāi)點(diǎn)與醫(yī)療設(shè)施點(diǎn)的最近距離列為接近性的重要指標(biāo)之一。主要以大型醫(yī)院為評判準(zhǔn)則，考量已有的醫(yī)院是否位于臨近避災(zāi)點(diǎn)的主要道路上，以12m以上道路為基準(zhǔn)［7］，計(jì)算避災(zāi)點(diǎn)與臨近醫(yī)療設(shè)施點(diǎn)的最短路徑距離，采用自然間隔法將路徑長度分為3類，結(jié)果如圖5所示。

圖4 臺中市西屯區(qū)避災(zāi)點(diǎn)可服務(wù)人口數(shù)專題圖Fig．4 Thematic map of disaster shelters＇serviceable population in Xitun District，Taichung City

圖5 臺中市西屯區(qū)避災(zāi)點(diǎn)與醫(yī)療點(diǎn)最短距離專題圖Fig．5 Thematic map of shortest distance between disaster shelters and medical places in Xitun District，Taichung City

(2)與消防設(shè)施最近距離

在避災(zāi)點(diǎn)的規(guī)劃上，還應(yīng)當(dāng)著重考量是否滿足防災(zāi)、救災(zāi)的需求。若災(zāi)害發(fā)生時，避災(zāi)點(diǎn)位于消防主要道路上，則便于消防人員進(jìn)行救災(zāi)。避災(zāi)點(diǎn)與消防設(shè)施的距離越近，受災(zāi)人員及時獲得救援的可能性就越大。研究主要考察距離避災(zāi)點(diǎn)主要道路上是否存在消防單位，以寬度為12m以上道路為基準(zhǔn)，計(jì)算避災(zāi)點(diǎn)與臨近消防單位的最短路徑距離。采用自然間隔法將路徑長度分為3類，結(jié)果如圖6所示。

圖6 臺中市西屯區(qū)避災(zāi)點(diǎn)與消防點(diǎn)最短距離專題圖Fig．6 Thematic map of shortest distance between disaster shelters and fire fighting places in Xitun District，Taichung City

3 灰色關(guān)聯(lián)分析方法及其應(yīng)用

灰色關(guān)聯(lián)分析法是我國著名控制論專家鄧聚龍教授創(chuàng)立的灰色系統(tǒng)理論中的一種重要方法，主要通過灰色關(guān)聯(lián)度來分析給定體系內(nèi)各個因子之間對這個體系的貢獻(xiàn)度，依據(jù)序列幾何形狀判別其關(guān)聯(lián)程度是否緊密。在城市地震避災(zāi)點(diǎn)的空間選址適宜性評價中，運(yùn)用該方法可分析準(zhǔn)則層各指標(biāo)與影響因子層各因子之間的聯(lián)系及其關(guān)聯(lián)程度。

表1 避災(zāi)點(diǎn)指標(biāo)適宜性說明Tab．1 Illustration of indicator suitability of disaster shelters

首先運(yùn)用夏郭賢(1998)提出改善后的灰色關(guān)聯(lián)生成作為本研究的重要灰色生成方法，根據(jù)所選6個因子的特性及模型方法，確定其目標(biāo)結(jié)果的期望大小，見表1;然后由鄧聚龍教授提出的灰色系統(tǒng)理論［10］，計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，其值應(yīng)在［0，1］內(nèi);再按照傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)分析法的步驟，在求得灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)后，取灰色關(guān)聯(lián)的平均值作為灰色關(guān)聯(lián)度。運(yùn)用傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)分析法求灰色關(guān)。但在實(shí)際應(yīng)用上，各個因子的重要程度不完全相同，參考溫坤禮(2003)等的“灰色關(guān)聯(lián)模型方法與應(yīng)用”［11］，引申計(jì)算模型，加入因子常態(tài) 化 權(quán) 重。 引 申 后 公 式 為: γ(xi，xj) =，其中 βk表示因子常態(tài)化權(quán)重，由使用者決定，但必須滿足由于在灰色關(guān)聯(lián)理論中，灰色關(guān)聯(lián)度是表示兩個序列的關(guān)聯(lián)程度，而且是定性的分析，所以最為重要的是各個關(guān)聯(lián)度的大小排序。根據(jù)臺灣地區(qū)相關(guān)學(xué)者對地震避災(zāi)點(diǎn)的研究和專家決策，采用權(quán)威專家問卷(AHP)法獲得臺中市西屯區(qū)地震避災(zāi)點(diǎn)適宜性評估因子權(quán)重，見表2。因?yàn)榛疑P(guān)聯(lián)分析需要進(jìn)行矩陣的計(jì)算，因此本文采用具有強(qiáng)大矩陣分析功能的mat－lab2016b進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析的計(jì)算。

表2 避災(zāi)點(diǎn)適宜性評估因子說明Tab．2 Illustration of suitability assessment factor of disaster shelters

4 適宜性評價結(jié)果分析

由于避災(zāi)點(diǎn)空間屬性數(shù)據(jù)無可比性，故需借助灰色關(guān)聯(lián)分析達(dá)到具有可比性的目的，這種方法叫做灰色生成。研究采用改善后的灰色生成法，通過不同計(jì)算模型評價指標(biāo)期望值越大越好或越小越好時使用，然后在mat－lab中進(jìn)行灰色生成，其結(jié)果見表3。

表3 避災(zāi)點(diǎn)適宜性灰色生成結(jié)果表Tab．3 Grey generation result of suitability of disaster shelters

續(xù)表3

利用灰色生成結(jié)果，計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。求得灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)后，運(yùn)用引申的灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算模型結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重求得各避災(zāi)點(diǎn)的灰色關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表4所示。

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的結(jié)果，將灰色關(guān)聯(lián)度為0．5300以下的學(xué)?；蚬珗@評價為較不適宜的地震避災(zāi)點(diǎn);將灰色關(guān)聯(lián)度在 0．5301－0．5999之間的學(xué)?；蚬珗@評價為較為適宜的地震避災(zāi)點(diǎn);將灰色關(guān)聯(lián)度在0．6000以上的學(xué)?；蚬珗@評價為適宜的地震避災(zāi)點(diǎn)。其最終結(jié)果如圖7所示。

圖7 避災(zāi)點(diǎn)適宜性評估結(jié)果圖Fig．7 The result map of the suitability assessment of the disaster shelters

表4 避災(zāi)點(diǎn)灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果Tab．4 Grey correlation analysis result of disaster shelters

5 結(jié)論與討論

在臺中市西屯區(qū)選取的45個研究對象中，從安全性、有效性和接近性三個方面進(jìn)行地震避災(zāi)點(diǎn)的空間選址適宜性評價，由灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果可知:總體上，大部分的學(xué)?；蚬珗@適宜或較為適宜作為城市的地震避災(zāi)點(diǎn)。其中有16處公園或?qū)W校不宜作為地震避災(zāi)點(diǎn)，約占總研究對象的36%。在適宜性較差的學(xué)校或公園中，對比適宜性較好的地震避災(zāi)點(diǎn)，其在地震潛勢、淹水潛勢，與消防點(diǎn)、醫(yī)療點(diǎn)的最近距離及可容納人口和可服務(wù)人口方面存在不同程度的不合理性。

在研究對象和評價因子的選取上，僅選取公園和學(xué)校進(jìn)行避災(zāi)點(diǎn)的分析缺乏全面性。鑒于資料數(shù)據(jù)的可得性、評價因子的權(quán)重誤差和城市的更新建設(shè)，可考慮基礎(chǔ)設(shè)施的完善度、與公安系統(tǒng)的最近距離等因素來完善地震避災(zāi)點(diǎn)空間選址適宜性評價體系，進(jìn)而形成一套較為完備的適用于臺灣地區(qū)的地震避災(zāi)點(diǎn)空間選址適宜性評估體系。加強(qiáng)臺灣與大陸的交流合作，為國內(nèi)其他地區(qū)的政府及相關(guān)部門規(guī)劃應(yīng)急避難場所提供參考意見，從而更好地發(fā)揮地震避難場所的功能而服務(wù)于民，降低當(dāng)?shù)鼐用竦臐撛谑転?zāi)風(fēng)險(xiǎn)、減少受災(zāi)損失，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展。

［1］ 戴晴，高振記，楊鵲平．城市應(yīng)急避難場所研究方法綜述［J］．科技資訊，2010(6):250－251．

［2］ 史曉瑞，商彥蕊，胡佳，等．石家莊市應(yīng)急避難場所適宜性評價［J］．震災(zāi)防御技術(shù)，2016，11(3):656－666．

［3］ 葉明武，王軍，陳振樓，等．基于3S的城市綠地公園防震避難適宜性評價［J］．自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2010，19(5):156－163．

［4］ 劉少麗，陸玉麒，顧小平，等．城市應(yīng)急避難場所空間布局合理性研究［J］．城市發(fā)展研究，2012，19(3):113－117+120．

［5］ 楊文斌，韓世文，張敬軍，等．地震應(yīng)急避難場所的規(guī)劃建設(shè)與城市防災(zāi)［J］．自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2004(1):126－131．

［6］ 張文侯．臺北市防災(zāi)避難場所之區(qū)位決策分析［D］．臺灣:臺灣大學(xué)，1997．

［7］ 杜建宏，張益三，包昇平．都市公共設(shè)施規(guī)劃為避難據(jù)點(diǎn)之適宜性評估——以嘉義市為例［J］．臺灣土地研究，1996．

［8］ 蕭江碧，張益三．都市計(jì)劃防災(zāi)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)及管理體系之構(gòu)建——“以嘉義市為例”［R］．2000，臺灣:“內(nèi)政部”建筑研究所．

［9］ 馮恒凍，鮮富剛．基于DEM的洪水淹沒分析研究［J］．黑龍江:黑龍江科技信息，2012．

［10］ Deng J L．Control Problems of Grey Systems［J］．System and Control Letters，1989，1(1):288－294．

［11］ 溫坤禮，黃宜豐，張偉哲，等．灰關(guān)聯(lián)模型方法與應(yīng)用［M］．臺北:高立圖書有限公司，2003．