基于兩步移動(dòng)搜尋法和OD矩陣的城市社區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所可達(dá)性研究
——以廣州市荔灣區(qū)為例

唐 波，關(guān)文川，王丹妮，閆永濤

(1.中山大學(xué)新華學(xué)院 資源與城鄉(xiāng)規(guī)劃系, 廣東 廣州 510520；2.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 廣東 廣州 510060)

0 引言

城市化的進(jìn)程不斷地加快，導(dǎo)致城市中心區(qū)域的人口和建筑高度聚集。同時(shí)各類自然災(zāi)害和人為災(zāi)害發(fā)生頻率不斷增加，如何保障人們?cè)跒?zāi)難(事故)面前的安全和提高城市的韌性是一個(gè)重要的課題。城市應(yīng)急避難場(chǎng)所是民眾在發(fā)生災(zāi)難或者事故時(shí)的安全避難場(chǎng)所，是人們?cè)谖ｋy之時(shí)的安全港[1]。應(yīng)急避難場(chǎng)所的空間布局與優(yōu)化是近幾年災(zāi)害學(xué)和地理學(xué)研究的重點(diǎn)[2]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同視角和方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，力求在對(duì)應(yīng)急避難場(chǎng)所布局研究中尋找適宜點(diǎn)。Fitzgerald等[3]提出了滿足美國(guó)石油學(xué)會(huì)制定的緊急避難所要求的最佳實(shí)踐方法，并為許多與應(yīng)急避難場(chǎng)所有關(guān)的行業(yè)提供了有用的信息。Hossain等[4]選擇了達(dá)卡北城公司39區(qū)作為研究區(qū)域，通過(guò)地圖和數(shù)據(jù)收集，確定了區(qū)域內(nèi)潛在的應(yīng)急避難場(chǎng)所的數(shù)量以及這些應(yīng)急避難場(chǎng)所的可達(dá)性。武文杰等[5]以北京市中心城區(qū)為研究區(qū)域，運(yùn)用Voronoi多邊形算法對(duì)其應(yīng)急避難場(chǎng)所空間分布問(wèn)題以及優(yōu)化進(jìn)行了探討。劉少麗等[6]基于GIS的網(wǎng)絡(luò)分析法構(gòu)建了五個(gè)指標(biāo)，用以分析徐州市應(yīng)急避難場(chǎng)所空間布局的合理性。葉明武等[7]以上海中心城區(qū)公園作為研究區(qū)域，以可達(dá)性理論和避難防災(zāi)規(guī)范作為研究基礎(chǔ)，運(yùn)用ArcGIS技術(shù)和數(shù)學(xué)模型，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)應(yīng)急避難場(chǎng)所與居民之間的關(guān)系進(jìn)行分析。魏東等[8]構(gòu)建了多樣化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合ArcGIS網(wǎng)絡(luò)分析方法對(duì)西安市應(yīng)急避難場(chǎng)所進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。戴慎志等[9]分析出上海市的主要災(zāi)種和應(yīng)急避難場(chǎng)所的類型，明確了應(yīng)急避難場(chǎng)所規(guī)劃建設(shè)的指標(biāo)和應(yīng)急避難資源的供需關(guān)系。施益軍等[10]選取劍川縣為研究區(qū)域，運(yùn)用ArcGIS技術(shù)和數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)急避難場(chǎng)所的服務(wù)范圍進(jìn)行分類，并且對(duì)避難場(chǎng)所的空間分布進(jìn)行修整。陳志芬等[11]運(yùn)用了DEA模型，設(shè)置了多項(xiàng)指標(biāo)，力求對(duì)應(yīng)急避難場(chǎng)所進(jìn)行多方面評(píng)價(jià)。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在應(yīng)急避難場(chǎng)所的空間布局和可達(dá)性研究方法眾多，兩步移動(dòng)搜尋法的使用頻率最高，并且國(guó)外學(xué)者通過(guò)醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)施[12-14]、教育設(shè)施[15]、旅游景點(diǎn)[16]、就業(yè)空間[17]、公園綠地[18-19]等多案例的進(jìn)行了驗(yàn)證，從而體現(xiàn)了兩步移動(dòng)搜尋法在應(yīng)急避難場(chǎng)所可達(dá)性研究中有著重要的作用[20-22]。但目前大多數(shù)研究的對(duì)象為省域和市域等宏觀尺度的大型應(yīng)急避難場(chǎng)所，對(duì)社區(qū)和街道等微觀尺度的研究相對(duì)較少，在兩步移動(dòng)搜尋法優(yōu)化和其他方法的有機(jī)結(jié)合方面探討還有不足。

荔灣區(qū)位于廣州市西部，是廣州的老三區(qū)之一，面積達(dá)62.4 km2，戶籍人口70.48萬(wàn)人，是廣州市各區(qū)人口密度較高的區(qū)域，且區(qū)內(nèi)建筑多為老建筑，建筑質(zhì)量參差不齊。目前區(qū)內(nèi)有多處應(yīng)急避難場(chǎng)所，但由于分散程度高，在突發(fā)災(zāi)難時(shí)難以滿足區(qū)內(nèi)人口的有效需求。因此，本文以荔灣區(qū)為例，結(jié)合兩步移動(dòng)搜尋法和OD(Origin-Destination)矩陣對(duì)區(qū)內(nèi)應(yīng)急避難場(chǎng)所的可達(dá)性進(jìn)行研究，優(yōu)化老城區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以期為對(duì)人口密集及老城區(qū)如何減少人們?cè)诿鎸?duì)突發(fā)災(zāi)難時(shí)的損失有重大意義。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究方法

1.1.1 兩步移動(dòng)搜尋法

兩步移動(dòng)搜尋法首先設(shè)定一個(gè)閾值，以供給地和需求地為基礎(chǔ)，分別搜尋2次。對(duì)臨界值內(nèi)居民可以接近的資源或設(shè)施數(shù)量進(jìn)行比較, 數(shù)值越高, 可達(dá)性越好。在使用過(guò)程中一般采用微觀尺度如街道人口，可以較好的反映區(qū)域人口空間分布；同時(shí)將應(yīng)急避難場(chǎng)所分布的數(shù)量、容量等情況納入評(píng)價(jià)過(guò)程, 所以能較為合理地考慮居民與應(yīng)急避難場(chǎng)所的相互關(guān)系。具體操作步驟為：

第一步，計(jì)算每個(gè)避難場(chǎng)所入口的供需比，對(duì)每個(gè)應(yīng)急避難場(chǎng)所s的入口e搜索閾值范圍do內(nèi)所有的街道質(zhì)心z，從而可計(jì)算供需比為:

(1)

式中Pk是搜索閾值內(nèi)街道k人口數(shù)，Sj是j點(diǎn)的總供給，dkj為位置k和j的距離。

第二步，計(jì)算各個(gè)街道的可達(dá)性水平，查找能為該街道提供應(yīng)急避難場(chǎng)所的所有入口，將查找到的結(jié)果與第一次搜索的結(jié)果進(jìn)行疊加，即可得到街道z的可達(dá)性，具體公式為:

Ai=Σe∈{die≤d0}Re

(2)

式中Ai是街道i對(duì)避難場(chǎng)所的可達(dá)性水平，其數(shù)值越大表明其可達(dá)性水平越高；Re為街道e在搜索閾值范圍內(nèi)所有避難場(chǎng)所入口e的供需比；die是i與e之間的距離。

1.1.2 OD矩陣

構(gòu)建GIS道路網(wǎng)絡(luò)模型，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析以已選的應(yīng)急避難場(chǎng)所作為終點(diǎn)，以人口質(zhì)心為起始點(diǎn)，進(jìn)行OD成本距離分析并加入時(shí)間權(quán)重(考慮人流疏散時(shí)間在10 min內(nèi))選出最短路徑[23]。首先建立道路網(wǎng)絡(luò)，設(shè)有a個(gè)出發(fā)點(diǎn)，b個(gè)到達(dá)點(diǎn)，列出矩陣中每個(gè)元素為各條路徑的交通成本(時(shí)間、路程)。

(3)

設(shè)G是交通成本權(quán)值圖，W(a,b)為G每條邊的權(quán)值，P是G中的一條道路，P所有道路的權(quán)值為：

(4)

最短路程所帶的權(quán)值記為d(a,b)，P?B(G)，a0∈P，P=B(G)-P′，定義a0到P′的距離為

(5)

(1)令P={a0}，P′=B(G)-P，對(duì)P′中每一點(diǎn)b，令l(b)=w(a0,b)。

利用ArcGIS中的漁網(wǎng)工具建立500m*500m的規(guī)則格網(wǎng)單元提取人口質(zhì)心，將落在道路、水體和避難場(chǎng)所點(diǎn)上的需求點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)，最后得到249個(gè)人口需求點(diǎn)。避難場(chǎng)所點(diǎn)包含公園、學(xué)校、體育館和廣場(chǎng)，其中學(xué)校與體育館是點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，公園和廣場(chǎng)為面狀數(shù)據(jù)，提取其質(zhì)心點(diǎn)作為該避難場(chǎng)所的供給點(diǎn)，最終得到40個(gè)供給點(diǎn)。根據(jù)廣州市地震應(yīng)急避難場(chǎng)所分類標(biāo)準(zhǔn)，社區(qū)級(jí)的緊急避難場(chǎng)所和區(qū)級(jí)的固定避難場(chǎng)所的服務(wù)半徑為500～3000m，而荔灣區(qū)內(nèi)多為社區(qū)級(jí)和區(qū)級(jí)避難場(chǎng)所，因此把搜索閾值do確定為500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m[23-24]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

已建成應(yīng)急避難場(chǎng)所數(shù)據(jù)來(lái)源于相關(guān)網(wǎng)站數(shù)據(jù)及地圖影像，各避難場(chǎng)所可容納人數(shù)數(shù)量來(lái)源于廣州市地震應(yīng)急避難場(chǎng)所分類標(biāo)準(zhǔn)，荔灣區(qū)各街道人口數(shù)來(lái)源于廣州市第六次人口普查及2016年年鑒資料。

2 結(jié)果分析

2.1 整體分布特點(diǎn)

根據(jù)在ArcGIS中建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，得到荔灣區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所的分布圖(圖1)。由圖1可知，應(yīng)急避難場(chǎng)所在荔灣區(qū)的分布較為集中并呈帶狀分布，主要分布在北部和南部，其中花地街道和沙面街道的應(yīng)急避難場(chǎng)所分布最為密集，而站前街道、金花街道、逢源街道、龍津街道、華林街道、多寶街道、石圍塘街道和東沙街道缺乏應(yīng)急避難場(chǎng)所的設(shè)計(jì)，總體上應(yīng)急避難場(chǎng)所還是圍繞區(qū)內(nèi)道路分布。對(duì)應(yīng)急避難場(chǎng)所面積數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，得到荔灣區(qū)各應(yīng)急避難場(chǎng)所面積比例圖(圖2)。從圖2中可知荔灣區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所主要以公園廣場(chǎng)為主，其有效面積占總有效面積的55%，而綠地的有效避難面積占32%，體育館和學(xué)校分別占5%和8%。

圖1 荔灣區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所分布圖Fig.1 Distribution of emergency shelters in Liwan District

圖2 荔灣區(qū)各應(yīng)急避難場(chǎng)所面積比例圖Fig.2 Proportion of occupied area of emergency shelters in Liwan District

2.2 荔灣區(qū)人口和應(yīng)急避難場(chǎng)所資源的相關(guān)性分析

從圖3中可得，荔灣區(qū)人口分布較為集中，主要集中于中部和北部，其中南源街道人口是荔灣區(qū)各街道之首，西村街道、彩虹街道、金花街道、逢源街道、龍津街道、華林街道、石圍塘街道、茶窖街道、沖口街道和白鶴洞街道人口達(dá)40 000人以上，站前街道、橋中街道、昌華街道、多寶街道、嶺南街道、花地街道、海龍街道、中南街道、東漖街道和東沙街道人口達(dá)20 000人以上，沙面街道人口低于10 000。從圖4可得，荔灣區(qū)人口密度最高的街道是彩虹街道、金花街道、逢源街道、龍津街道和華林街道，而站前街道、南源街道和嶺南街道人口密度較高，其余街道人口密度較低。

利用ArcGIS對(duì)荔灣區(qū)各街道應(yīng)急避難場(chǎng)所資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提取有效應(yīng)急避難場(chǎng)所面積。荔灣區(qū)總應(yīng)急避難場(chǎng)所有效面積達(dá)1 450 810m2，占行政面積的47.48%，人均有效避難面積達(dá)2.4m2，可見(jiàn)荔灣區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所面積和人均有效避難面積都較高，但各個(gè)街道的人均有效應(yīng)急避難場(chǎng)所面積存在較大差異(見(jiàn)圖4)，從圖4中得到西南部的茶窖街道、東漖街道和海龍街道的人均有效避難面積較高，而人口密集的東北部地區(qū)人均應(yīng)急避難場(chǎng)所較低。所以荔灣區(qū)人均應(yīng)急避難場(chǎng)所和人口密度匹配度不夠，空間分布公平性較差，體現(xiàn)了荔灣區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所的設(shè)計(jì)存在不合理性的空間布局，這一定程度上影響了應(yīng)急避難場(chǎng)所的空間可達(dá)性和疏散路徑的優(yōu)化。

圖4 荔灣區(qū)街道人均應(yīng)急避難場(chǎng)所面積分布圖Fig.4 Area distribution of per capita emergency shelters of each street in the Liwan District

2.3 可達(dá)性分析

在ArcGIS中建立OD成本矩陣分析，以249個(gè)街道質(zhì)心點(diǎn)作為需求點(diǎn)，40個(gè)應(yīng)急避難場(chǎng)所作為供應(yīng)點(diǎn)，對(duì)不同的搜索閾值進(jìn)行求解，將求解得到的路線表格進(jìn)行連接和計(jì)算，最終得到不同閾值下荔灣區(qū)各應(yīng)急避難場(chǎng)所可達(dá)性分布圖(圖5)，荔灣區(qū)各街道可達(dá)性結(jié)果表(表1)和荔灣區(qū)整體的可達(dá)性統(tǒng)計(jì)表(表2)。結(jié)果分析可知：

(1)在圖5中，隨著do從500m向1 500m增大時(shí)，荔灣區(qū)北部和東南部可達(dá)性水平在不斷降低，高可達(dá)性水平的服務(wù)面積在不斷縮小。當(dāng)do達(dá)到2 000m并向著3 000m增大時(shí)，東南部如海龍街道可達(dá)性水平不斷降低，當(dāng)do=3 000m時(shí)全區(qū)可達(dá)性水平基本處于0到3之間，而中部地區(qū)的茶窖街道可達(dá)性水平有所上升，總的來(lái)看，當(dāng)搜索閾值范圍do=500m時(shí)東南部街道可達(dá)性水平達(dá)到最高。

(2)對(duì)表1進(jìn)行縱向和橫向比較發(fā)現(xiàn)，荔灣區(qū)各街道的應(yīng)急避難場(chǎng)所可達(dá)性差異性較大。海龍街道的應(yīng)急避難場(chǎng)所可達(dá)性水平最高，在do=500m到do=3000m的搜索閾值范圍內(nèi)其可達(dá)性數(shù)值都比其他街道高；站前街道的可達(dá)性水平最低，其可達(dá)性數(shù)值在搜索閾值不斷增大下依舊最低。當(dāng)搜索閾值不斷增大時(shí)，沖口街道、龍津街道、東沙街道和石圍塘街道的可達(dá)性水平數(shù)值不斷增大，白鶴洞街道、昌華街道、東漖街道、海龍街道、橋中街道和沙面街道的可達(dá)性水平數(shù)值不斷減小，彩虹街道、茶窖街道、多寶街道、逢源街道、華林街道、嶺南街道、南源街道可達(dá)性水平數(shù)值先升后降，而花地街道、金花街道、龍津街道、西村街道、站前街道和中南街道的可達(dá)性水平數(shù)值出現(xiàn)波動(dòng)。

(3)在表2中，隨著搜索閾值的增大，可達(dá)性3≥Ai≥0的服務(wù)面積不斷增大，在do=3000m時(shí)達(dá)到最大；可達(dá)性6≥Ai≥3的服務(wù)面積減小后增大再迅速減少，在do=2500m時(shí)達(dá)到最大；可達(dá)性9≥Ai≥6的服務(wù)面積在do=1500m時(shí)最大,當(dāng)do為2500m并不斷增大時(shí)，其服務(wù)面積保持為0；可達(dá)性12≥Ai≥9的服務(wù)面積在do=1000m時(shí)最大，而在搜索閾值達(dá)到2000m以上后其服務(wù)面積一直為0。從500m到3000m的搜索閾值的變換過(guò)程中，服務(wù)面積的可達(dá)性多集中在3≥Ai≥0范圍，Ai≥12的服務(wù)面積都很低，反映了荔灣區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所可達(dá)性水平仍較低，當(dāng)閾值do=500m時(shí)Ai≥12的面積比例達(dá)到最大，表明了荔灣區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所的服務(wù)半徑為500m時(shí)可達(dá)性水平最好。

圖5 不同閾值下荔灣區(qū)各街道應(yīng)急避難場(chǎng)所可達(dá)性分布圖Fig.5 Accessibility distribution of emergency shelters in each street of Liwan District under different thresholds

街道do=500mdo=1000mdo=1500mdo=2000mdo=2500mdo=3000m白鶴洞街道0.87995020.88260940.77373930.67796290.631420.529063彩虹街道0.28890670.14246970.37942530.3239310.370260.354643茶窖街道1.73886981.74550051.77437341.81410911.933851.714463昌華街道1.67395131.5376840.73341220.57552320.509110.448535沖口街道0.06768670.61819720.75222581.46120981.4024891.57839東漖街道2.50843572.31283732.47667531.78263561.3724361.229402

續(xù)表1

街道do=500mdo=1000mdo=1500mdo=2000mdo=2500mdo=3000m東沙街道0.00718970.00381480.03318420.05953110.127560.159042多寶街道0.31560480.2707260.6440380.68296880.5991690.447394逢源街道00.01663030.41968330.35771970.3439970.346278海龍街道2.87129322.76020542.52022082.24133422.2366372.027102花地街道0.64824820.68269530.414090.29922380.5580370.88338華林街道0.14371480.21978840.34868280.25034320.2504860.261197金花街道0.03504850.01247250.0987880.33169750.3222020.419156嶺南街道01.005010.7522340.5806710.4728320.398773龍津街道00.00623630.01019450.21270980.4277070.591138南源街道0.14952570.82768520.56787080.47997080.436830.369237橋中街道0.98926260.70992620.49120360.43344670.368420.371558沙面街道2.1322940.5494710.25303350.210760.3395980.376588石圍塘街道0.03476010.08747810.24542940.33708390.3754250.410936西村街道0.91289770.56130690.5395460.50282270.4907910.517329站前街道00.20123150.11947850.2532530.1993770.246754中南街道1.22926380.60104340.70591390.91215551.0307041.162902

表2 荔灣區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所可達(dá)性統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論與討論

本文基于兩步移動(dòng)搜尋法和OD矩陣對(duì)廣州市荔灣區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所進(jìn)行空間可達(dá)性分析。得到以下結(jié)論：

(1)荔灣區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所主要呈帶狀分布，集中分布于荔灣區(qū)的北部和南部，總體上圍繞道路分布，應(yīng)急避難場(chǎng)所以公園和廣場(chǎng)為主，占總有效避難面積的55%。

(2)荔灣區(qū)的人均應(yīng)急避難場(chǎng)所和人口密度匹配度不夠，空間分布公平性較差，體現(xiàn)了荔灣區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所的設(shè)計(jì)存在不合理性的空間布局，這一定程度上影響了應(yīng)急避難場(chǎng)所的空間可達(dá)性和疏散路徑的優(yōu)化。

(3)荔灣區(qū)應(yīng)急避難場(chǎng)所可達(dá)性水平較低，其中海龍街道的應(yīng)急避難場(chǎng)所可達(dá)性水平最高，站前街道的應(yīng)急避難場(chǎng)所可達(dá)性水平最低，南部街道比北部街道可達(dá)性水平要高，當(dāng)搜索閾值do=500m的服務(wù)半徑下可達(dá)性Ai≥12的服務(wù)面積達(dá)到最大。

本文所采用的兩步移動(dòng)搜尋法主要考慮了街道尺度人口和應(yīng)急避難場(chǎng)所之間的供需因素，而且不受行政邊界的影響和容易可視化，為人口密集地區(qū)的城市應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)管理提供了前期的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。但是本文在人口質(zhì)心提取中采用的是500m×500m的規(guī)則格網(wǎng)單元，同時(shí)在閾值確定方面是否能完全符合廣州荔灣區(qū)的實(shí)際，這些在今后的研究中可以進(jìn)一步驗(yàn)證與完善。