城市暴雨內(nèi)澇災害應急救援研究

黃茹月 陳鵬

摘要 城市內(nèi)澇災害頻發(fā)，已給城市居民生命、財產(chǎn)及基礎設施造成巨大損失。為了減少城市內(nèi)澇災害造成的損失及其提高應急能力，亟需對其進行應急救援調(diào)度研究，以達到防災減災的目的。在長春市南關(guān)區(qū)研究區(qū)，以城市內(nèi)澇災害應急調(diào)度為研究對象，以道路、應急救援物資等數(shù)據(jù)為基礎，采用非線性整數(shù)規(guī)劃方法綜合構(gòu)建城市內(nèi)澇災害應急調(diào)度模型，實現(xiàn)城市內(nèi)澇災害應急調(diào)度最優(yōu)化。研究結(jié)論：在考慮了潛在初始受災點的影響時，同一內(nèi)澇點可能不是只由到它時間最短的一個物資點為其提供服務，且受調(diào)運效率參數(shù)的影響，原最短路徑不一定是最佳的選擇，這是突發(fā)事件應急管理資源調(diào)度的一個關(guān)鍵特點研究結(jié)果可為城市內(nèi)澇災害減少損失及應急管理提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞 內(nèi)澇災害;應急救援;應急調(diào)度

中圖分類號：P426.616

文獻標識碼：A

文章編號：2095-3305（2021）02-097-03

隨著城市化進程與全球氣候變暖日益加劇，導致城市暴雨內(nèi)澇災害頻發(fā)，已經(jīng)嚴重阻礙了我國城市可持續(xù)發(fā)展。因此，進行城市暴雨內(nèi)澇災害應急研究對城市可持續(xù)發(fā)展及保障城市居民生命、財產(chǎn)安全具有重大戰(zhàn)略意義。從系統(tǒng)控制理論的角度分析城市內(nèi)澇災害救援與調(diào)度指揮過程，關(guān)鍵在于救援力量的實時調(diào)度與決策控制模型，而建模與控制的側(cè)重點是解決系統(tǒng)的數(shù)量決策問題。

由于內(nèi)澇災害是隨機事件，因而救援對策是受內(nèi)澇災害發(fā)生的時間、地點、氣象等多個因素所制約。根據(jù)對城市內(nèi)澇災害的統(tǒng)計和分析，發(fā)現(xiàn)只要及時地實施救援就可以避免更大的損失。但是在實際當中往往由于救援資源調(diào)度不當?shù)雀鞣N遲滯因素而不能盡早趕到，進而喪失了對災害救援的良好時機。因此，城市內(nèi)澇災害救援調(diào)度中優(yōu)化調(diào)度的問題成為當務之急。城市內(nèi)澇災害救援調(diào)度，就是依據(jù)城市內(nèi)淓災害的特點和現(xiàn)有資源情況，最合理地調(diào)配各類資源，使救援活動的實現(xiàn)既符合資源的約東條件，又能使相應的系統(tǒng)性能指標以及對內(nèi)澇災害的控制效果達到最優(yōu)。

為了達到上述目的，采用非線性整數(shù)規(guī)劃模型進行應急救援調(diào)度研究，利用該模型進行調(diào)度不僅考慮調(diào)運時間最小，同時考慮調(diào)運效率參數(shù)。研究結(jié)果不僅可以提高城市內(nèi)澇災害應急救援效率，亦可為城市內(nèi)澇災害應急管理提供決策依據(jù)。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

南關(guān)區(qū)位于吉林省長春市的中南部，西南部與長春高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)毗領，東南部與長春經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和長春凈月潭旅游經(jīng)濟開發(fā)區(qū)相連，總面積497km2。南關(guān)區(qū)氣候介于東部山地濕潤與西部平原半干早區(qū)之間的過渡帶，屬溫帶大陸性半濕潤季風氣候類型。東部和南部雖距海洋不遠，但由于長白山地的阻擋，削弱了夏季風的作用;西部和北部為地勢平坦的松遼平原，西伯利亞極地大陸氣團暢通無阻，故氣候總的特點是冬季嚴寒漫長，春季干旱多風，夏季溫暖短促，秋季晴朗溫差大。冬季，盛行偏西風，氣候寒冷、干燥，最大風速可達30m/s。夏季，東南風盛行。年均溫4.9℃。年均降水量593.8mm。近些年，長春市頻發(fā)內(nèi)澇災害，如2019年8月18日，研究區(qū)發(fā)生嚴重內(nèi)澇災害，最深積水超1.5m，造成車、人員被困，生命受到威脅。

2城市暴雨內(nèi)淓災害應急救援模型構(gòu)建

2.1約束條件設定

城市暴雨內(nèi)澇災害應急救援是在物資服務中心原有應急救援人員以及應急救援物資基礎上進行的應急調(diào)度。對需求點進行救援物資以及救援人員調(diào)度時，每個物資服務庫并不可以將其所有的救援人員調(diào)運到救援現(xiàn)場不僅有可能在此物資庫服務中心轄區(qū)內(nèi)發(fā)生其他內(nèi)澇災害，而且物資庫一旦發(fā)生威脅，會對其他受災點的救援工作產(chǎn)生影響，因此，通常規(guī)定應急救援人員調(diào)運的數(shù)量原則上不能超過該物資服務中心總量的80%，應急救援物資的數(shù)量根據(jù)應急救援人員的數(shù)量而定。此外，參與應急救援的人數(shù)并非越多越好，人數(shù)過多不僅容易造成救援現(xiàn)場的混亂，而且會造成救援效率下降，同時會造成更多的損失。當然，應急救援人員的數(shù)量也不能少于需求點的救援要求，否則就會因應急救援人員和應急救援物資的不足而造成更大的損失。

2.2救援調(diào)度模型構(gòu)建

整數(shù)規(guī)劃問題是運等學中一門重要內(nèi)容，其廣泛應用于許多工程領域，如資源管理、調(diào)度、可靠性優(yōu)化等。作線性整數(shù)規(guī)劃問題是當今最優(yōu)化問題研究的難點和重點。整數(shù)規(guī)劃問題是在一些等式約束、不等式約束和整數(shù)變量的限制下，最小化或最大化一個目標函數(shù)的優(yōu)化問題。如果問題中所有函數(shù)都是線性的，那就是線性整數(shù)規(guī)劃問題，否則就是非線性整數(shù)規(guī)劃問題。研究整數(shù)規(guī)劃的主要任務就是設計一些有效算法來解決各種涉及整數(shù)變量的實際問題。本研究采用非線性整數(shù)規(guī)劃模型進行應急調(diào)度研究，利用該模型進行調(diào)度不僅考慮調(diào)運時間最小，同時考慮調(diào)運效率參數(shù)。

目標函數(shù)為：

約束條件為：

式中：為城市暴雨內(nèi)澇災害救援物資庫集，i∈1;F為受災點集，j∈FK為城市暴雨內(nèi)澇災害救援物物資庫到積澇點j的路徑標號集;H為救援物資庫到受災點j的路徑長度集，h∈H;K為城市暴雨內(nèi)澇災害救援物資庫到受災點j的采用第k條路徑調(diào)運的物資量;Y為0-1變量，表示若物資庫對受災j采用第k條路徑調(diào)運物資，則取1，否則為0;R，為受災點所需要的救援物資量;41為物資庫的資源擁有量;FBwD，物資庫i到受災點j以第k條路徑調(diào)運物資的調(diào)運困難度;B物資庫到受災點j第k條路徑調(diào)上的限流容量;ハ物資庫到受災點j以第k條路徑調(diào)運物資所需要的時間。

道路容量反映了道路對交通需求的處理能力，是道路在規(guī)模和布局上能否滿足交通需求的極限狀態(tài)。交通網(wǎng)絡是一個復雜的、隨機開放的系統(tǒng)，影響因素眾多。但是通常如表1對道路交通容量進行計算，其中不同等級的公路其路徑容量不同。

3實證研究

以長春市南關(guān)區(qū)2019年8月18日暴雨為例，進行實證研究。研究區(qū)從17日到18日開始普降暴雨，其中局部雨量超過100mm，造成市區(qū)多條路段嚴重積水，形成內(nèi)澇災害。將城市暴雨內(nèi)澇災害應急救援物資庫作為服務點，即已知應急救援物資庫服務點集{1，2，3，45，6，7?，根據(jù)應急物資庫救授原則，假定服務點供應受災點救援設備，同時還供應應急救援人員。受災點集合為-{1，2，3，4，5}。通過對受災點做緩沖分析找到各自對應的服務點。假設各應急救援物資點配備救援人員分別為A={260};受災點根據(jù)實際分別需要救援人數(shù)為R-（120.22，100，80.160};所要經(jīng)過的車速度為40kmh，即K1-K2=K3=10kmvh;排水設備每個受災點分別為6臺、8臺、5臺、4臺、5臺。利用公式計算所調(diào)運應急救援人員和物資的路徑容量。

Bn-40x4×0.85×0.65-88輛h（8）

Bn2=Bi13=Bn-88輛/h

結(jié)合實際分析，如果讓7個應急物資點救援人員全部參與救援，則救援人員較多，容易造成救援現(xiàn)場混亂。所以，只需找到最近對應的救援物資點進行救援即可。如果兩個應急救援點都參與救援且供應救援物資，則5個物資點提供的應急救援人員1300人。因此，根據(jù)實際救援需要，應急人員調(diào)運就近原則，從物資庫，從1號物資點調(diào)運160名應急救援人員，則在3號物資點只需調(diào)運60名應急救援人員。因此，從1、3號物資點需要調(diào)運的排水設施臺數(shù)分別為6、5臺。

選取南關(guān)區(qū)一個受災點為例，從應急救援物資點進行應急人員及排水設備調(diào)運時，如選擇1號路徑調(diào)度時f（x）=806.25;選擇2號路徑進行調(diào)度時：f（x）=799.10;選取3號路徑進行調(diào)度時：f（x）-689.35?？梢?，選取3號路徑進行調(diào)度時f（x）值最小，所以路徑最優(yōu)（圖1）。

依據(jù)上述最優(yōu)路徑及調(diào)運參數(shù)分析，分別從不同應急救援物資點調(diào)運應急救援人員與排水設備時，依據(jù)從近至遠的原則依次調(diào)度（表2、表3）。

由此可知，在城市暴雨內(nèi)澇災害應急救援時，不能僅依據(jù)正常運輸時間的長短來確定調(diào)度要行走的路徑。同時，考慮了潛在初始點的影響，同一內(nèi)澇點可能不是只由到它時間最短的一個物資點為它提供服務;而且，由于調(diào)運效率參數(shù)的影響，本來是最短路徑的道路不一定是最佳的選擇，這是突發(fā)事件應急管理資源調(diào)度的一個關(guān)鍵特點。

4結(jié)論

近些年，城市暴雨內(nèi)澇災害頻發(fā)給居民生命財產(chǎn)及基礎設施造成巨大損失，準確掌握城市內(nèi)澇災害應急救援調(diào)度方式、方法，可最大程度地減少內(nèi)澇災害造成的損失，為城市防災減災提供決策依據(jù)。以長春市南關(guān)區(qū)為例，利用運籌學理論中的非線性規(guī)劃方法，結(jié)合GIS技術(shù)中的空間分析技術(shù)，構(gòu)建暴雨內(nèi)澇災害應急救援調(diào)度模型。模型中考慮了應急救援過程影響救援最優(yōu)路徑的道路通行困難度及在實際調(diào)運過程中調(diào)運效率問題，針對不同服務區(qū)服務能力以及路徑容量限制等約束條件下討論該問題，實現(xiàn)物資服務中心應急物資調(diào)度的最優(yōu)、時間最小化。文中雖構(gòu)建了城市內(nèi)澇災害應急救援調(diào)度最優(yōu)化模型，但在模型構(gòu)建過程中未考慮道路的通行能力及高峰流量的等問題。因此，在未來研究中將進一步采集相關(guān)道路通行數(shù)據(jù)，以提高模型結(jié)果精度，更好地為城市內(nèi)澇災害防災減災提供服務

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責任編輯：黃艷飛