考慮洪澇災(zāi)害風(fēng)險的城市應(yīng)急避難場所選址研究*

宋英華，高曉茜，霍非舟，陳亞雄，方丹輝

(1.武漢理工大學(xué) 中國應(yīng)急管理研究中心，湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

洪澇災(zāi)害是我國目前面臨的重要且頻繁的災(zāi)害之一。隨著城市化快速發(fā)展，洪澇災(zāi)害的損失主體已由農(nóng)村轉(zhuǎn)移至城市，由于城市人口與資源集中，一旦發(fā)生災(zāi)害，損失慘重[1]。因此，城市防洪應(yīng)急準(zhǔn)備工作需引起重視。

城市應(yīng)急避難場所是災(zāi)民受災(zāi)時用于躲避災(zāi)害、臨時生活的安全庇護(hù)所[2]，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了諸多研究。Alam等[3]借助多準(zhǔn)則評估模型，針對颶風(fēng)及其導(dǎo)致的洪水災(zāi)害，對選出的哈利法克斯半島災(zāi)害潛在避難場所進(jìn)行評估。Yao等[4]結(jié)合多源數(shù)據(jù)，利用TOPSIS法對加拿大維多利亞開放空間避難場所進(jìn)行評價分析。Qin等[5]考慮臺風(fēng)路徑變化，建立應(yīng)急避難場所位置分配模型，利用改進(jìn)粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化求解。陳國華等[6]結(jié)合AHP和熵值法對化工園區(qū)應(yīng)急避難點(diǎn)進(jìn)行選址評估。陳明利等[7]利用FAHP法對城市體育館應(yīng)急避難能力進(jìn)行評價。陳宣先等[8]運(yùn)用AHP對山地城市進(jìn)行風(fēng)險評估，以東川區(qū)進(jìn)行實(shí)例研究。馬運(yùn)佳等[9]面向地震災(zāi)害，利用粒子群算法分別討論了有無容量約束下的選址方案，并進(jìn)行了實(shí)證分析。張宣峰等[10]考慮避難人口需求的平衡匹配關(guān)系，運(yùn)用遺傳算法，解決多目標(biāo)約束下的固定避難場所選址優(yōu)化問題。

可以發(fā)現(xiàn)，針對災(zāi)害應(yīng)急避難場所的選址，目前大部分學(xué)者是從發(fā)生災(zāi)害后的具體情況出發(fā)對備選地進(jìn)行評價和選址優(yōu)化，評價多采用AHP等具有較強(qiáng)主觀性和不確定性的方法，并且面向的災(zāi)害主要為地震、臺風(fēng)等災(zāi)害。本文從洪澇災(zāi)害風(fēng)險本身入手，構(gòu)建災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)體系，運(yùn)用灰色模糊綜合評價法進(jìn)行評價，消除以往評價方法帶來的較強(qiáng)主觀性。然后，構(gòu)建引入洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險權(quán)重的多目標(biāo)應(yīng)急避難場所選址優(yōu)化模型，充分考慮各指標(biāo)的洪澇災(zāi)害風(fēng)險情況對避難場所選址產(chǎn)生的影響。最后，選取武漢市進(jìn)行實(shí)例分析，并運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行求解，驗(yàn)證模型的科學(xué)性和有效性。

1 城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險評價

1.1 構(gòu)建風(fēng)險評價體系

城市洪澇災(zāi)害與城市洪澇災(zāi)害致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和防災(zāi)抗災(zāi)能力緊密相關(guān)[11]。洪澇災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)(FDRI)[12]是1個建立在災(zāi)害風(fēng)險的危險性、敏感性、脆弱性和防災(zāi)抗災(zāi)能力這4項(xiàng)因子概念之上的綜合性指標(biāo)，用于表征洪澇災(zāi)害的風(fēng)險程度。其計算表達(dá)式可以簡化為如式(1)所示：

FDRI=EWE+HWH+VWV-RWR

(1)

式中：E，H，V，R分別為敏感性、危險性、脆弱性、防災(zāi)抗災(zāi)能力；WE，WH，WV，WR分別為各項(xiàng)因子的權(quán)重。

城市洪澇災(zāi)害的致災(zāi)因子主要是由降雨導(dǎo)致的。孕災(zāi)環(huán)境敏感性主要來源于外部環(huán)境，本文主要考慮地形影響、水系以及植被覆蓋情況。承災(zāi)體的脆弱性指的是承受洪澇災(zāi)害的載體在遭遇災(zāi)害時的脆弱程度，脆弱性取決于發(fā)生地的人口分布、經(jīng)濟(jì)情況等等。防災(zāi)抗災(zāi)能力主要關(guān)注區(qū)域?yàn)閼?yīng)對洪澇災(zāi)害的災(zāi)害預(yù)警準(zhǔn)備工作以及遭遇災(zāi)害后在一定時期內(nèi)的恢復(fù)能力，與監(jiān)測預(yù)警能力、現(xiàn)有防災(zāi)救援能力以及經(jīng)濟(jì)相關(guān)。綜上，從致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體的脆弱性和防災(zāi)抗災(zāi)能力4個方面出發(fā)，細(xì)化15個二級指標(biāo)，構(gòu)建城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并且對二級指標(biāo)的含義進(jìn)行描述，如表1所示。

表1 評價指標(biāo)和描述

1.2 評價步驟

1)確定分析序列。設(shè)Xk=(Xk(1),Xk(2),…,Xk(l),…,Xk(t))為數(shù)據(jù)序列，其中k=1,2,…,h;l=1,2,…,t。X0為參考序列。將原始數(shù)據(jù)無量綱處理，如式(2)所示：

(2)

2)計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，如式(3)所示：

(3)

式中：ρ為分辨系數(shù)，ρ值越小，其分辨力越大。ρ∈(0,1)，通常取ρ=0.5。

3)計算灰色關(guān)聯(lián)度。由灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計算指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度，如式(4)所示：

(4)

4)將灰色關(guān)聯(lián)度rk進(jìn)行一定處理，得到各層指標(biāo)的權(quán)重,如式(5)所示：

(5)

式中：Wbk為b層次下k指標(biāo)的權(quán)重；rbk為b層次下k指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。

5)將洪澇災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)設(shè)定為對象因素集，設(shè)定評語集V={低風(fēng)險，較低風(fēng)險，中等風(fēng)險，較高風(fēng)險，高風(fēng)險}，將式(5)中所求Wbk作為集合元素組成權(quán)向量，對評價因素進(jìn)行模糊綜合評價，得到各區(qū)域各項(xiàng)指標(biāo)評分并代入式(1)計算，得到各區(qū)域洪澇災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)(FDRIi)。

2 模型構(gòu)建

城市中各區(qū)域洪澇災(zāi)害發(fā)生概率不同，通過城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險評價及分析，可以得到城市中各區(qū)域的洪澇災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)值，以此來反映城市各區(qū)域洪澇災(zāi)害風(fēng)險程度，將其引入多目標(biāo)優(yōu)化模型，在原有數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上充分考慮各區(qū)域的風(fēng)險因素，得到的結(jié)果能夠更加貼近實(shí)際、真實(shí)可靠。因此，將中值模型與最大覆蓋模型相結(jié)合，同時考慮將所求洪澇災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)值(FDRIi)進(jìn)行歸一化處理后作為權(quán)重(ωi)引入模型，構(gòu)建考慮洪澇災(zāi)害風(fēng)險的多目標(biāo)多約束的應(yīng)急避難場所選址優(yōu)化模型。保證在災(zāi)害發(fā)生時，居民能夠在最短時間采用最短路徑到達(dá)避難場所，同時也能夠盡可能多的覆蓋風(fēng)險權(quán)重高的需求點(diǎn)，同時考慮經(jīng)濟(jì)因素，保證成本最小化。具體模型如下：

目標(biāo)函數(shù)如式(6)～(8)所示：

(6)

(7)

minF3=M

(8)

約束條件如式(9)～(14)所示：

(9)

dijxij-Dj≤0,?i∈A,j∈B

(10)

(11)

(12)

(13)

xij∈{0,1},yj∈{0,1}

(14)

式中：A為研究區(qū)域內(nèi)需求點(diǎn)的集合，A={1,2,…,i,…,n}；B為應(yīng)急避難場所的集合，B={1,2,…,j,…,m}；yj為應(yīng)急避難場所j的0～1決策變量，若應(yīng)急避難場所j被選中取1，否則取0；xij為需求點(diǎn)i對應(yīng)應(yīng)急避難場所j的0～1決策變量，若需求點(diǎn)i被避難場所j覆蓋取1，否則取0；ωi為第i個需求點(diǎn)風(fēng)險權(quán)重，ωi∈(0,1)；dij為需求點(diǎn)i和應(yīng)急避難場所j間的距離，km；pi為第i個需求點(diǎn)的人口數(shù)量，×104人；Dj是應(yīng)急避難場所j的最大服務(wù)范圍，km；Cj是應(yīng)急避難場所j的最大容量，×104人；M表示選中的應(yīng)急避難場所的最少個數(shù)。

式(6)表示最小化所有需求點(diǎn)到指定應(yīng)急避難場所的總疏散距離；式(7)表示最大化覆蓋風(fēng)險權(quán)重高的需求點(diǎn)的容量，即需要覆蓋盡可能多的人口；式(8)表示選中的應(yīng)急避難場所數(shù)量最小，旨在使建設(shè)成本最小化；式(9)表示權(quán)重ωi的值為第i個需求點(diǎn)洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險指數(shù)值(FDRIi)歸一化處理后的結(jié)果；式(10)表示需求點(diǎn)i和應(yīng)急避難場所j間的距離不超過應(yīng)急避難場所j的最大服務(wù)范圍；式(11)表示分配給應(yīng)急避難場所的人數(shù)不能超過其最大容納人數(shù)；式(12)確定每個需求點(diǎn)都能分配到應(yīng)急避難場所；式(13)選出的應(yīng)急避難場所必須為最少數(shù)目M；式(14)表示決策變量xij,yj的二進(jìn)制約束。

3 實(shí)例研究

3.1 研究區(qū)域概況

選取湖北省武漢市作為實(shí)例研究對象。武漢市地處長江中下游地區(qū)，地勢低平，受氣候條件影響，常年雨量豐沛且連續(xù)降雨時間長，易發(fā)生洪澇災(zāi)害。武漢市由于人口密度大且分布集中，河流干流從城區(qū)穿過，一旦災(zāi)害發(fā)生，損失慘重[13]。武漢市下轄13個區(qū)，因此將研究區(qū)域劃分為13個分區(qū)。

3.2 洪澇災(zāi)害風(fēng)險評價

通過文獻(xiàn)調(diào)研、查閱資料等方法，搜集武漢市及每個分區(qū)2015—2019年關(guān)于各項(xiàng)二級指標(biāo)數(shù)據(jù)，其中，極端日降水量、年降雨量、最大連續(xù)降雨天數(shù)、年降雨天數(shù)數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；地勢數(shù)據(jù)來源于數(shù)字高程數(shù)據(jù)；河網(wǎng)密度、災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力來源于武漢市水務(wù)局官網(wǎng)；人均現(xiàn)有防災(zāi)空間數(shù)據(jù)來源于武漢市應(yīng)急管理局官網(wǎng)；其他數(shù)據(jù)如人口密度、GDP、建筑密度、醫(yī)院數(shù)目、消防站數(shù)目等數(shù)據(jù)來源于武漢年鑒[14]。將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法得到各指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度，確定各指標(biāo)的權(quán)重，如表2所示。

表2 各指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度和權(quán)重

結(jié)合上述所求權(quán)重、13個分區(qū)風(fēng)險評價指標(biāo)數(shù)據(jù)和20位專家的打分，運(yùn)用灰色模糊綜合評價法，得到各項(xiàng)一級指標(biāo)風(fēng)險數(shù)值，將相應(yīng)風(fēng)險數(shù)據(jù)代入式(1)進(jìn)行計算，可得洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險指數(shù)，如表3所示。由表3可知，江夏區(qū)致災(zāi)因子危險性排名最高，蔡甸區(qū)孕災(zāi)環(huán)境敏感性排名最高，承災(zāi)體的脆弱性江漢區(qū)排名最高，防災(zāi)抗災(zāi)能力漢南區(qū)排名最高，在13個分區(qū)中，江漢區(qū)洪澇災(zāi)害風(fēng)險最高，漢南區(qū)洪澇災(zāi)害風(fēng)險最低。

3.3 應(yīng)急避難場所選址優(yōu)化研究

3.3.1 需求點(diǎn)數(shù)據(jù)

將武漢市13個分區(qū)的居住點(diǎn)中心或幾何中心作為需求點(diǎn)，并且假設(shè)每個行政區(qū)的災(zāi)民作為1個整體進(jìn)行避難。相較于地震災(zāi)害的突發(fā)性強(qiáng)、破壞范圍廣等特點(diǎn)，城市洪澇災(zāi)害與行政區(qū)地理位置、氣象條件和該區(qū)的防洪排水能力關(guān)系更加緊密，具有地區(qū)差異性和時間差異性。結(jié)合武漢市發(fā)生的洪澇災(zāi)害案例，災(zāi)民受災(zāi)避難率在20%～40%之間。為體現(xiàn)洪澇災(zāi)害避難需求差異性，將13個分區(qū)洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險指數(shù)值間隔1倍標(biāo)準(zhǔn)差從低到高劃分為3組，對應(yīng)區(qū)域分別為低風(fēng)險組、中風(fēng)險組、高風(fēng)險組，對應(yīng)災(zāi)民受災(zāi)避難率分別為20%，30%，40%。避難需求人口數(shù)量按照該行政區(qū)總?cè)丝跀?shù)與對應(yīng)災(zāi)民受災(zāi)避難率相乘進(jìn)行計算[9]。將行政區(qū)進(jìn)行編號，將表3中各行政區(qū)洪澇災(zāi)害風(fēng)險系數(shù)值進(jìn)行歸一化處理得到各區(qū)洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險權(quán)重ωi，避難需求人口數(shù)與ωi計算結(jié)果如表4所示。

表4 需求點(diǎn)信息

3.3.2 備選點(diǎn)選擇

根據(jù)武漢應(yīng)急管理局官網(wǎng)資料顯示，武漢市目前已建成并正式投入使用的應(yīng)急避難場所共5處，分別為武昌區(qū)洪山廣場、洪山區(qū)幸福灣公園、硚口區(qū)金三角人防工程、江岸區(qū)石橋公園、東西湖區(qū)三店學(xué)校，僅可滿足約15.5萬人的避難需求，目前不能很好滿足避難需求。

武漢市的大型公園、學(xué)校、體育場等眾多，依據(jù)《城市社區(qū)應(yīng)急避難場所建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(建標(biāo)180—2017)[15]中平災(zāi)結(jié)合原則，可對上述用地進(jìn)行避難場所初選?！斗罏?zāi)避難場所設(shè)計規(guī)范》(GB 51143—2015)[16]中對應(yīng)急避難場所進(jìn)行了中心、固定和緊急3類避難場所的劃分。洪澇災(zāi)害易導(dǎo)致人員傷亡、房屋坍塌、水源污染和疾病爆發(fā)與流行等問題，因此需要專業(yè)的救援隊(duì)伍，充足的應(yīng)急物資儲備和相應(yīng)規(guī)模的避難場所。中心避難場所作為規(guī)模較大、功能性強(qiáng)和能夠承擔(dān)避難救援中心作用的固定避難場所，更適合作為洪澇災(zāi)害應(yīng)急避難場所。綜合考慮避難場所的可達(dá)性、救援均衡性、安全性和吸引力4個因素[2]從140個初選點(diǎn)中篩選出34個可作為中心避難場所的備選點(diǎn)，中心避難場所的服務(wù)半徑為3～5 km。同時，考慮經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)狀資源充分利用性，將金三角人防工程和幸福灣公園這2處已建成的且具有完備應(yīng)急避難功能的避難場所也作為備選點(diǎn)進(jìn)行分析。綜上共選取36個備選點(diǎn)，基本信息如表5所示。

表5 備選點(diǎn)信息

3.3.3 應(yīng)急避難場所優(yōu)化求解

考慮到構(gòu)建的模型具有復(fù)雜程度較高，求解規(guī)模較大且屬于NP問題等特征，遺傳算法對于組合優(yōu)化中的NP問題十分有效[10]，故采用遺傳算法對模型進(jìn)行求解。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測試設(shè)置最優(yōu)參數(shù)，初始種群規(guī)模N=200，交叉概率pc=0.8,變異概率pm=0.01，每個目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)調(diào)優(yōu)系數(shù)[10]分別為a=0.45，b=-0.20，c=0.35，最大迭代次數(shù)genmax=100。

適應(yīng)度函數(shù)值與迭代次數(shù)的關(guān)系如圖1所示，可以看出，當(dāng)?shù)螖?shù)為13次左右時，個體適應(yīng)度(選址適應(yīng)度)達(dá)到最優(yōu)，且之后不再改變，函數(shù)得到最優(yōu)解，此時得到應(yīng)急避難場所選址方案即為最優(yōu)方案。在36個備選點(diǎn)中選取32個作為應(yīng)急避難場所，除王家墩公園(B5)、武漢國際博覽中心(B9)、武漢科技大學(xué)(B17)和幸福灣公園(B18)，其他備選點(diǎn)均被選中?，F(xiàn)有應(yīng)急避難場所幸福灣公園因其地理位置較偏且服務(wù)范圍較小沒有被選中，但是考慮其已具備應(yīng)急避難場所相應(yīng)的設(shè)施條件，故將其納入選址方案中并且就近服務(wù)于洪山區(qū)，作為補(bǔ)充避難場所。綜上，共選取33個備選點(diǎn)作為應(yīng)急避難場所，其中包括5處現(xiàn)有應(yīng)急避難場所和28處可新增的中心避難場所，總覆蓋人口數(shù)達(dá)269.75×104人，最大化滿足了避難需求，同時滿足覆蓋洪澇災(zāi)害風(fēng)險程度高的區(qū)域。將選址方案中需求點(diǎn)與選址點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行列舉，如表6所示。優(yōu)化后的應(yīng)急避難場所空間分布如圖2所示，并在圖2中以洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險指數(shù)最高的江漢區(qū)為例，展示其選址分配方案和疏散路徑。

圖1 迭代曲線

表6 選址對應(yīng)結(jié)果

圖2 應(yīng)急避難場所空間分布

4 結(jié)論

1)從致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體的脆弱性和防災(zāi)抗災(zāi)能力4個方面出發(fā)，構(gòu)建城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險評價體系，運(yùn)用灰色模糊綜合評價法進(jìn)行評價，反映當(dāng)前城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險現(xiàn)狀，可為城市應(yīng)急防洪工作提供參考。

2)建立引入洪澇災(zāi)害風(fēng)險權(quán)重的多目標(biāo)應(yīng)急避難場所選址優(yōu)化模型，旨在覆蓋洪澇災(zāi)害風(fēng)險權(quán)重高的需求點(diǎn)。模型采用遺傳算法求解，并以武漢市為實(shí)例展開研究，驗(yàn)證模型科學(xué)性和有效性。

3)居民疏散偏好和行為特征對應(yīng)急避難場所的選址也存在影響，考慮單一災(zāi)種具有一定程度上的局限性，后續(xù)研究可以綜合考慮居民行為、疏散偏好以及結(jié)合其他多災(zāi)種進(jìn)行選址評價優(yōu)化研究。