寧夏大武口區(qū)地震應(yīng)急避難場所空間布局優(yōu)化研究

任家琪，李 偉，王劍磊，崔和安，單帥帥

（1.寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001；2.寧夏土木工程防震減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021；3.寧夏回族自治區(qū)政務(wù)服務(wù)中心，寧夏 銀川 750001；4.寧夏回族自治區(qū)自然資源勘測調(diào)查院，寧夏 銀川 750001；5.寧夏回族自治區(qū)自然資源信息中心，寧夏 銀川 750001；6.北方信息控制研究院集團有限公司，江蘇 南京 211153）

0 引言

國家“十四五”規(guī)劃積極推進(jìn)城鎮(zhèn)化和新農(nóng)村建設(shè)，在這種大背景下，我國城市集群規(guī)模以指數(shù)形式激增，與之伴隨的是城市人口的聚集和城市建筑群落的聳立。我國地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受全球板塊運動

及特殊地質(zhì)條件影響，我國地震災(zāi)害頻發(fā)，所以，城市居民的地震應(yīng)急避難顯得尤為重要，城市防災(zāi)也將成為城市規(guī)劃建設(shè)中的一個重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)階段全球?qū)τ诔鞘械卣饝?yīng)急避難的成熟做法就是設(shè)立合理且有效的地震應(yīng)急避難場所，地震應(yīng)急避難場所用于震后當(dāng)?shù)鼐用竦木o急疏散、安置以及后續(xù)救援等相關(guān)工作，所以合理有效的地震應(yīng)急避難場所設(shè)置，對震后的一系列地震災(zāi)后應(yīng)急工作都會起到?jīng)Q定性作用。城市的發(fā)展持續(xù)時間長、隨機變動性大、布局分布不均、道路參差錯落、人口分布零散、建筑物千差萬別，這些參考因素都會決定地震應(yīng)急避難場所的設(shè)置是否合理[1]。本文就寧夏大武口區(qū)的地震應(yīng)急避難場所的設(shè)置，預(yù)先進(jìn)行了城市調(diào)研，排查當(dāng)?shù)厝丝诜植?、建筑分布、公共設(shè)施分布、道路分布等情況，結(jié)合當(dāng)?shù)爻鞘姓w規(guī)劃布局，基于社區(qū)區(qū)位理論、數(shù)據(jù)建模、ARCGIS空間關(guān)聯(lián)分析、社區(qū)配置模型等方法，對寧夏大武口區(qū)的地震應(yīng)急避難場所服務(wù)能力進(jìn)行挖掘，重點結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，從居民實際震后應(yīng)急避難需求出發(fā)，且嚴(yán)格遵循可達(dá)性、就近性、平災(zāi)結(jié)合等原則，對寧夏大武口區(qū)提出了一個合理高效且行之有效的地震應(yīng)急避難場所優(yōu)化布局，以供當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門參考。

1 研究區(qū)域簡介及歷史地震概述

大武口區(qū)，隸屬于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市，東經(jīng)106°05′~106°30′，北緯38°17′~38°51′之間，位于寧夏回族自治區(qū)銀北地區(qū)，是石嘴山市的政治、經(jīng)濟、文化、商貿(mào)和信息中心，西、北與內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟阿拉善左旗接壤、東與惠農(nóng)區(qū)接壤、南與平羅縣接壤，區(qū)域面積1008平方公里，其中城市建成區(qū)面積80平方公里。截至2020年8月，下轄2個經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，10個街道，12個行政村，常駐人口30.36萬人。

寧夏大武口區(qū)地理位置如圖1所示，該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，且當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其地理位置在鄂爾多斯斷塊體的西北角與賀蘭山斷隆區(qū)交匯部位，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主要以東西向和南北向的構(gòu)造為主體，展布范圍寬，規(guī)模大。該區(qū)域亦受南北向構(gòu)造控制。南北斷裂活動以紅果子溝洪積扇上長城斷層為代表，明長城被垂直錯斷1.56m，水平錯斷0.8m，洪積扇陡坎探槽證實是斷層活動的結(jié)果。寧夏大武口距離

圖1 寧夏回族自治區(qū)石嘴山市大武口區(qū)地理位置分布圖Fig.1 Geographical distribution map of Dawukou District，Shizuishan City，Ningxia Hui Autonomous Region

內(nèi)蒙古自治區(qū)左旗較近，其兩地周邊煤礦生產(chǎn)單位密布，導(dǎo)致了兩地爆破類非天然地震時有發(fā)生，非天然地震極有可能引起其他地震類次生災(zāi)害如:山體滑坡、水庫破裂、山體塌陷等，此類次生災(zāi)害一定程度上會危及到當(dāng)?shù)鼐用竦纳钌a(chǎn)。主要包含了寧夏及鄰區(qū)中強以上地震及其余震活動，也有部分中等震群事件、影響較大的爆破事件等。

2 寧夏回族自治區(qū)大武口區(qū)現(xiàn)有地震應(yīng)急避難場所概述

2.1 大武口區(qū)城市地震應(yīng)急避難場所人口容納能力現(xiàn)狀

經(jīng)過實地走訪調(diào)查確定，大武口區(qū)地震應(yīng)急固定避難場所共2處。表1為大武口區(qū)現(xiàn)有地震應(yīng)急避難場所基本信息表。由表1可知，大武口區(qū)地震應(yīng)急避難場所為公園用地和體育用地構(gòu)成的固定避難場所，2處固定避難場所的總面積為12.91萬m2，最多可容納人數(shù)為6.5萬人。與此同時，在利用公園綠地作為固定避難場所時，需要剔除水體、綠地、道路、建筑、

表1 寧夏大武口區(qū)現(xiàn)有地震應(yīng)急避難場所基本信息表

假山等景觀設(shè)施，體育用地需要剔除娛樂設(shè)施、道路等用地，故現(xiàn)有地震應(yīng)急避難場所的有效避難面積約為58070m2，實際可容納避難人數(shù)為1.16萬人，僅占總?cè)藬?shù)的9.58%。所以，大武口區(qū)現(xiàn)有固定地震應(yīng)急避難場所較少，可利用空間較小，人口容納能力不足，同時部分地震應(yīng)急避難場所用地被商業(yè)用地侵占。以青山公園為例，青山公園東接建設(shè)西街，西臨游藝西街，北臨青山北路，南臨賀蘭山北路，占地面積約69964m2，其中水域、綠地、建筑和道路占地面積為60173m2，青山公園地震應(yīng)急避難的有效面積僅為9791m2，實際避難可容納量為1958人。由此可知，青山公園固定避難地震應(yīng)急避難場所容納空間不足，無法滿足應(yīng)急避難的需求[2]。

2.2 城市地震應(yīng)急避難場所需具備的條件

地震應(yīng)急避難場所的建設(shè)需要足夠的人口容納量、良好的人員可達(dá)性、就近性、最好具備平災(zāi)結(jié)合性，結(jié)合當(dāng)?shù)刈杂袟l件，使地震應(yīng)急避難場所在時間和空間上均滿足應(yīng)急需求，例如避難場所的數(shù)量和面積一定要能夠容納服務(wù)區(qū)內(nèi)的人口需求，周邊沒有重大危險源，可以解決避難人員最基本的生存問題等。本文就以上需求提出固定地震應(yīng)急避難場所和公共用地（公共用地包括綠地公園、廣場、學(xué)校操揚等）相結(jié)合的方式，共同組成地震應(yīng)急避難模式，由此構(gòu)建區(qū)位配置模型，同時結(jié)合大武口區(qū)綠地和學(xué)校分布的特點，在滿足表2要求的同時，提出以下地震應(yīng)急避難場所所需條件。

表2 地震應(yīng)急避難場所分類及各項指標(biāo)

2.2.1 平災(zāi)結(jié)合

利用居民地就近的公共用地，例如公園綠地、學(xué)校操場、停車場等基礎(chǔ)公共設(shè)施場所作為臨時避難場所的備選，不但可以實現(xiàn)公共資源利用最大化，還可以有效解決避難場所容納能力不足的問題，需要注意的是，在選擇臨時避難場所時需要考慮備選地的有效使用面積和其他情況。

2.2.2 可達(dá)性

寧夏大武口區(qū)人口空間分布密度呈現(xiàn)非均勻化、居民聚集區(qū)域散布化，構(gòu)建臨時性地震應(yīng)急避難場所的可達(dá)性十分重要，居民能否在震后順利到達(dá)地震應(yīng)急避難場所，是對避難場所的基本要求。

2.2.3 就近性

地震災(zāi)害具有不確定性，發(fā)生過程非常突然且劇烈，事后破壞程度大，所以地震應(yīng)急避難場所災(zāi)難發(fā)生時，需要確保居民都可以快速到達(dá)避難地點，且要盡量避免差異過大。

2.2.4 容納性

地震應(yīng)急避難場所服務(wù)能力要具有一定的容納量，能夠滿足人員對避難空間的需求，且避難場所要有一定的便利性，在震后政府相關(guān)部門可以對避難居民地安置、物資供應(yīng)和救援等工作順利開展[3]。

3 寧夏回族自治區(qū)大武口區(qū)地震應(yīng)急避難場所區(qū)位配置模型構(gòu)建

3.1 配置模型

本文采用LA模型（Location AI-location model，公共設(shè)施區(qū)位配置模型）來構(gòu)建地震應(yīng)急避難場所區(qū)位配置模型，此模型運用中值問題、中心問題、集合覆蓋問題及最大覆蓋問題作為模型參數(shù)，緊密結(jié)合特定區(qū)域的實際設(shè)置情況，通過優(yōu)化建模和參數(shù)調(diào)整的方法，來與特定區(qū)域相適應(yīng)，從而構(gòu)建符合特定區(qū)域的設(shè)施區(qū)位模型。此模型中，中值問題模型用來在一定區(qū)域范圍內(nèi)為固定數(shù)量的設(shè)施點尋求最優(yōu)區(qū)位，使需求點到設(shè)施點的總移動距離最小化，類似于數(shù)學(xué)概念中的兩點之間距離最小[4]。中心問題模型指在所有設(shè)定預(yù)設(shè)選址中給定數(shù)目的前提下，最小化所有需求點與其最近設(shè)施點之間的最大距離，以活動預(yù)設(shè)設(shè)施數(shù)目及所在位置，最終求得最優(yōu)解。集合覆蓋問題模型指該問題模型是選取最少的設(shè)施點來完成所需求點的覆蓋，目的是使建設(shè)設(shè)施點的成本達(dá)到最小，此模型也是為了統(tǒng)籌考慮市政建設(shè)的高效化及居民日常生活便利化，一定程度上也是為了節(jié)約社會資源，優(yōu)化資源配比。最大覆蓋模型指在一定地域范圍內(nèi)對設(shè)施布局，使設(shè)施在最大服務(wù)距離內(nèi)盡可能多的覆蓋絕大多數(shù)需求點，依然是資源合理利用最大化的問題導(dǎo)向。本文重點關(guān)注是在寧夏大武口區(qū)為固定數(shù)量的地震應(yīng)急避難設(shè)施點尋求最優(yōu)區(qū)位，配比最小總移動距離，且在尋求最小化需求點與地震應(yīng)急避難設(shè)施點之間的最大距離的同時，合理分布設(shè)施點，從而達(dá)到以最少的設(shè)施點對寧夏大武口區(qū)進(jìn)行最完整的覆蓋，節(jié)約公共建設(shè)成本。

3.2 地震應(yīng)急避難場所區(qū)位配置模型的構(gòu)建

此次對于寧夏回族自治區(qū)大武口區(qū)地震應(yīng)急避難場所布局的優(yōu)化構(gòu)建中，通過LA模型進(jìn)行建模的初期階段，本文做了如下假設(shè)條件:

（1）已知候選避難場所設(shè)施點和應(yīng)急避難場所需求點的位置分布，并且點與點之間都有一定的距離。

（2）已知候選避難場所設(shè)施到應(yīng)急避難場所需求點的距離，設(shè)施點和需求點之間的距離是以實際道路的路徑距離。

（3）應(yīng)急避難場所的需求點不能被兩個及以上應(yīng)急避難場所設(shè)施點覆蓋，在覆蓋范圍內(nèi)的需求點只有一個設(shè)施點服務(wù)[5]。

根據(jù)以上假設(shè)數(shù)學(xué)模型表示為:

i為第i個需求點；

j為第j個設(shè)施點；

r為規(guī)定的設(shè)施點與需求點之間的最大范圍的實際距離，固定應(yīng)急避難場所最大服務(wù)范圍為3000m；

Dij為從需求點Di到候選避難場所設(shè)施點Fj的實際距離（道路通行距離）；

Vi=｛j|Dij< ｝

r為需求點i的候選服務(wù)設(shè)施集。

如果候選服務(wù)設(shè)施Fj被確定為服務(wù)設(shè)施，則xj=1；否則xj=0。

寧夏大武口區(qū)初期的城市規(guī)劃建設(shè)相對擁擠和小型化，后期新區(qū)的城市規(guī)劃建設(shè)相對趨于合理，老城區(qū)居民點相對密集，建筑物零散分布且公共設(shè)施配套一般，雖然醫(yī)院、消防站、城市公園、學(xué)校、空曠場地錯落分布，但是與

LA模型的需求相差略大，故而此次寧夏大武口區(qū)的地震應(yīng)急避難場所的優(yōu)化以及新建選址問題，是我們亟需解決的一個問題，通過參考其他省市地區(qū)的合理地震應(yīng)急避難場所優(yōu)化布局，本文采用GIS對寧夏大武口區(qū)的社區(qū)地震應(yīng)急避難場所進(jìn)行模型構(gòu)建和計算優(yōu)化，為寧夏大武口區(qū)提供最優(yōu)結(jié)果辦法，以供今后地震應(yīng)急避難場所建設(shè)所參考[6]。

4 寧夏大武口區(qū)優(yōu)化構(gòu)建方案

通過為期一月的實地勘察、現(xiàn)場測量與科學(xué)評估，結(jié)合寧夏大武口區(qū)當(dāng)?shù)厝丝?、建筑物分布選取了如下地震應(yīng)急避難場所，如表3所示，依據(jù)場所位置、有效避難面積等條件劃分中心避難場所和緊急避難場所。在大武口區(qū)原有的2處固定避難場所基礎(chǔ)上，增設(shè)了多處地震應(yīng)急避難場所，其類型包含有公共公園用地、學(xué)校操場用地等。依據(jù)寧夏大武口區(qū)城市分布特性，其選用的地震應(yīng)急避難場所都呈合理的線性分布，基本可以滿足周邊居民地震后的緊急應(yīng)急避難，且選取的此類地震應(yīng)急避難場所周邊交通便利，公共設(shè)施完善，利于地震后的進(jìn)一步救援安置。經(jīng)過區(qū)位配置模型優(yōu)化后，相較于之前，彌補了客觀上避難空間的缺失和避難場所布局的失衡[7]。圖2中相應(yīng)綠色點位為優(yōu)化構(gòu)建后的地震應(yīng)急避難場所，由圖2可知，其地震應(yīng)急避難場所已經(jīng)良好的覆蓋了寧夏大武口區(qū)主要居民聚集區(qū)域。且由圖3可知，居民區(qū)到地震應(yīng)急避難場所的平均距離僅為500m，最長路程為2.0km，大部分路程不超過1km，大大緩解了居民到地震應(yīng)急避難場所的路程壓力，基本滿足應(yīng)急避難的需求。

圖2 寧夏大武口區(qū)通過優(yōu)化構(gòu)建之后的地震應(yīng)急避難場所分布圖Fig.2 Distribution of earthquake emergency shelters after optimized construction in Dawukou District，Ningxia

圖3 寧夏大武口區(qū)避難場所服務(wù)范圍分布圖Fig.3 Distribution of shelter service scope in Dawukou District，Ningxia

表3 寧夏大武口區(qū)地震應(yīng)急避難場所信息統(tǒng)計表

5 結(jié)論

本文對寧夏回族自治區(qū)石嘴山市大武口區(qū)進(jìn)行實地勘測，收集地震應(yīng)急避難場所相關(guān)數(shù)據(jù)，以ARCGIS為數(shù)據(jù)分析工具，結(jié)合LA理論模型及GIS空間分析理論，對寧夏大武口區(qū)的地震應(yīng)急避難場所進(jìn)行布局優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化，寧夏大武口區(qū)當(dāng)?shù)氐牡卣饝?yīng)急避難場所布局滿足就近性、可達(dá)性、容納性和平災(zāi)結(jié)合等基本原則，也滿足震后寧夏當(dāng)?shù)鼐用竦木o急避難需求。

對寧夏大武口區(qū)進(jìn)行地震應(yīng)急避難場所進(jìn)行布局優(yōu)化后，當(dāng)?shù)氐卣饝?yīng)急避難場所數(shù)量從此前僅有的2個擴展為21個，且依照當(dāng)?shù)爻鞘薪ㄔO(shè)走向和居民分布特點，優(yōu)化后的地震應(yīng)急避難場所均勻分布于寧夏大武口區(qū)。區(qū)位配置模型優(yōu)化后的地震應(yīng)急避難場所可滿足89%以上的當(dāng)?shù)鼐用襁M(jìn)行有效避難。經(jīng)過數(shù)據(jù)比對分析，相較于之前，寧夏大武口區(qū)避難最遠(yuǎn)路徑從5km縮短至2km，避難平均距離從之前的2km縮短至0.58km。就避難人口而言，此前寧夏大武口區(qū)的地震應(yīng)急避難場所僅夠1.16萬當(dāng)?shù)鼐用袷褂?，?jīng)過優(yōu)化后，其地震應(yīng)急避難場所可以容納12萬人，且優(yōu)化后的地震應(yīng)急避難場所布局合理，周邊公共設(shè)施如:醫(yī)院、公共廁所、道路、生存應(yīng)急物資等都相對充裕，既可以滿足避難居民的短暫安置，也可以滿足震后相關(guān)部門的緊急救援，完全滿足就近性、可達(dá)性和容納性原則的要求[8]。

寧夏大武口區(qū)當(dāng)?shù)氐某鞘幸?guī)劃布局及居民分布在寧夏當(dāng)?shù)鼐哂泻軓姷拇硇?，此次對于寧夏大武口區(qū)進(jìn)行地震應(yīng)急避難場所布局的優(yōu)化，不僅可以為寧夏大武口區(qū)當(dāng)?shù)氐牡卣鸱勒饻p災(zāi)工作提供震后緊急避難幫助，也可以對寧夏其他城鎮(zhèn)的地震應(yīng)急避難場所設(shè)立工作提供一定的理論依據(jù)和參考價值。