暴雨災(zāi)害下城市道路交通韌性評價方法研究

摘" 要：為定量評估城市道路的交通韌性，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP），建立城市道路適災(zāi)彈性評價指標(biāo)體系，包含自然、經(jīng)濟(jì)、社會3個維度。基于韌性三角形理論，提出包含車輛系統(tǒng)和路網(wǎng)系統(tǒng)的韌性評估模型，以設(shè)計(jì)速度恢復(fù)率R和路網(wǎng)連通度指數(shù)C進(jìn)行表征，權(quán)重系數(shù)分別為0.6、0.4。以蘇州某條城市道路為例進(jìn)行計(jì)算評估，結(jié)果表明，暴雨災(zāi)害下該城市道路處于高韌性水平，具有較強(qiáng)的恢復(fù)力和適應(yīng)力。韌性評估方法適用于多種災(zāi)害場景，可為同類型城市道路的交通韌性建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：城市道路;交通韌性;暴雨災(zāi)害;評價方法;適災(zāi)彈性

中圖分類號：[TU997]" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）26-0156-04

Abstract： In order to quantitatively evaluate the traffic resilience of urban roads， the Analytic Network Process （ANP） was applied to establish an evaluation index system for the resilience of urban roads to disasters， which includes three dimensions： natural， economic， and social. Based on the theory of resilience triangles， a resilience evaluation model including vehicle systems and road network systems is proposed， characterized by the design speed recovery rate R and road network connectivity index C， with weight coefficients of 0.6 and 0.4， respectively. Taking an urban road in Suzhou as an example， the calculation and evaluation results show that the urban road is at a high toughness level under the rainstorm disaster， with strong resilience and adaptability. The resilience assessment method is applicable to various disaster scenarios and can provide reference for the construction of traffic resilience on urban roads of the same type.

Keywords： urban road; traffic resilience; rainstorm disaster; evaluation method; disaster resilience

城市道路是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，可靠的交通基礎(chǔ)設(shè)施是城市發(fā)展的重要支撐[1]。近年來，隨著全球氣候變化，地震、臺風(fēng)和暴雨等極端災(zāi)害頻發(fā)，給道路交通的正常運(yùn)行造成較大沖擊。2021年7月，鄭州發(fā)生“7·20”特大暴雨災(zāi)害，呈現(xiàn)“暴雨過程長范圍廣總量大，短歷時降雨極強(qiáng)”的特點(diǎn)，因?yàn)?zāi)死亡失蹤398人，直接經(jīng)濟(jì)損失1 200.6億元。頻發(fā)的災(zāi)害使人們逐漸意識到擾動事件不可避免，城市道路可靠性與脆弱性指標(biāo)均存在一定缺陷。2019年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)實(shí)施《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，要求完善基礎(chǔ)設(shè)施布局、增強(qiáng)系統(tǒng)彈性。在此背景下，韌性（resilience）作為一個新興的研究范疇，被越來越多地應(yīng)用于城市交通評價研究中[2]。

綜觀國內(nèi)外已有研究成果，交通韌性研究尚處于起步階段，已有研究對交通系統(tǒng)韌性評價不全面，特別針對城市道路交通韌性缺乏系統(tǒng)科學(xué)的評估。因此，本文對城市道路交通韌性評價方法進(jìn)行研究，并以暴雨災(zāi)害下蘇州某條城市道路為例進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，以期為城市道路交通韌性建設(shè)提供參考。

1" 交通韌性概述

1.1" 交通韌性概念及發(fā)展演變

韌性的概念起源于拉丁語“resillo”，詞根為“resilire”，寓意“彈回”或“反彈”。建設(shè)交通韌性是打造韌性城市的重要支撐。自從韌性概念被引入交通系統(tǒng)以來，國內(nèi)外學(xué)者對包括道路運(yùn)輸系統(tǒng)、鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)等多個細(xì)分交通系統(tǒng)的韌性概念進(jìn)行解讀[3]，見表1。

目前各個領(lǐng)域?qū)煌g性界定尚未統(tǒng)一，但基于已有研究成果，對于交通韌性概念的闡述有3個共識[4]：①交通韌性是“社會-生態(tài)韌性”，而非“工程韌性”;②交通韌性更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)面對災(zāi)害時的適應(yīng)性而非穩(wěn)定性;③強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)學(xué)習(xí)能力，使系統(tǒng)具有更高能力應(yīng)對災(zāi)害的侵襲。

國內(nèi)外對于交通韌性研究始于2012年，并在2016年后進(jìn)入快速發(fā)展階段。交通韌性研究先后經(jīng)歷了概念探索、定量評估和優(yōu)化提升3個階段。

1.2" 交通韌性定量評估指標(biāo)方法

近年來，隨著研究探索的深入，研究者持續(xù)改善交通韌性定量評估的基本模型與方法。目前，交通韌性定量評估指標(biāo)方法分為3種：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲笜?biāo)評估、韌性特征指標(biāo)評估以及韌性性能指標(biāo)評估[5]。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲笜?biāo)評估為靜態(tài)交通網(wǎng)絡(luò)評估，無法真實(shí)反映交通系統(tǒng)受到極端事件干擾后系統(tǒng)自身如何通過功能恢復(fù)到原始狀態(tài)或者平衡狀態(tài)。韌性特征指標(biāo)評估給出交通韌性強(qiáng)弱的一些特性，如冗余度、適應(yīng)性、魯棒性等，但這些特性由哪些具體的指標(biāo)來表示仍不明確，無法精準(zhǔn)反映其交通系統(tǒng)強(qiáng)度。韌性性能指標(biāo)評估（如韌性三角形）能很好地反映交通網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對干擾事件后系統(tǒng)動態(tài)變化的能力，因此被廣泛應(yīng)用于交通韌性定量評估中。

2" 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1" 評價指標(biāo)選擇

評價指標(biāo)的選擇是城市道路交通適災(zāi)彈性研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文借鑒韌性社區(qū)的研究理論成果，確定3個維度、共15個評價指標(biāo)，最大程度反映城市道路交通適災(zāi)彈性的特點(diǎn)。

2.2" 評價指標(biāo)賦權(quán)

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP），進(jìn)行城市道路交通適災(zāi)彈性評價指標(biāo)的賦權(quán)。構(gòu)建ANP網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示?？刂茖幽繕?biāo)為城市道路交通適災(zāi)彈性評價指標(biāo)，包含自然彈性、經(jīng)濟(jì)彈性、社會彈性3個判定準(zhǔn)則。

通過向?qū)＜液途用翊戆l(fā)放調(diào)查問卷，對15個評價指標(biāo)的相互影響關(guān)系和影響程度進(jìn)行評判，得到城市道路交通適災(zāi)彈性評價指標(biāo)及權(quán)重，見表2。

分析表2可以看出，城市道路交通適災(zāi)彈性中社會維度所占權(quán)重最大;自然維度中“停水停電恢復(fù)時間”綜合排序第一，表征城市道路交通系統(tǒng)受供水、供電影響顯著，災(zāi)害初期應(yīng)采取有效措施，保證能源供應(yīng)快速恢復(fù)至正常水平;“路網(wǎng)連通度指數(shù)”“行車速度”指標(biāo)直接關(guān)乎城市道路交通運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)特別予以關(guān)注和評估。

3" 交通韌性度量評估

3.1" 評估模型

參考基礎(chǔ)設(shè)施“韌性三角形”[6]及相關(guān)研究成果，本文構(gòu)建城市道路交通韌性曲線，對城市道路交通韌性進(jìn)行定量評估，如圖2所示。

交通系統(tǒng)在面對災(zāi)害時經(jīng)歷抵抗-恢復(fù)-適應(yīng)3個階段，不同階段城市道路交通系統(tǒng)的韌性值，見式（1）—（4）。

式中：rk表示城市道路交通韌性值;ra、rb、rc分別表示系統(tǒng)抵抗力水平、恢復(fù)力水平、適應(yīng)力水平;Qs（t）表示面對災(zāi)害時的韌性;Qp（t）表示正常運(yùn)行時的韌性。

考慮城市道路交通組成復(fù)雜，一般由多個子系統(tǒng)韌性值rk加權(quán)求和后計(jì)算，見式（5）。

r=rk×ωk，" " " " nbsp; （5）

式中：ωk為各子系統(tǒng)權(quán)重系數(shù)。韌性值計(jì)算結(jié)果取值范圍為[0，1]，依據(jù)計(jì)算結(jié)果將城市道路交通韌性分為低、中、高3個評價水平，見表3。

3.2" 參數(shù)及權(quán)重確定

本文選擇車輛系統(tǒng)和路網(wǎng)系統(tǒng)作為城市道路交通韌性評估模型的子系統(tǒng)。

對于車輛系統(tǒng)而言，車輛的行駛速度可以反映城市道路的服務(wù)水平和通行能力，本文采用設(shè)計(jì)速度恢復(fù)率R來表征車輛系統(tǒng)的韌性，見式（6）。

R=×100%，" " （6）

式中：R為設(shè)計(jì)速度恢復(fù)率;vc為實(shí)際行車速度;vd為設(shè)計(jì)速度。

路網(wǎng)連通度指數(shù)可以反映城市道路交通網(wǎng)絡(luò)在面對災(zāi)害時的承擔(dān)能力。本文選擇路網(wǎng)連通度指數(shù)C來表征路網(wǎng)系統(tǒng)的韌性，見式（7）。

，" （7）

式中：C為路網(wǎng)連通度指數(shù);di為節(jié)點(diǎn)i直接相連的路段數(shù);N為節(jié)點(diǎn)數(shù)。一般認(rèn)為連通度指數(shù)越高，成網(wǎng)率越高，路網(wǎng)韌性越高。

結(jié)合表2計(jì)算成果，確定車輛系統(tǒng)和路網(wǎng)系統(tǒng)的權(quán)重ω1、ω2分別為0.6、0.4。

4" 工程實(shí)例

4.1" 工程概況

東南大道東延工程按城市主干路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度60 km/h，雙向6車道，是常熟高新區(qū)與其他組團(tuán)溝通的快速聯(lián)系通道。該項(xiàng)目研究始于2013年，2018年開工，2021年交工驗(yàn)收，2023年竣工驗(yàn)收，建成后整體社會效益良好。

4.2" 韌性評估

對東南大道東延及所在古里鎮(zhèn)區(qū)域進(jìn)行道路淹沒模擬分析，設(shè)定暴雨災(zāi)害工況，開始時間為0 h，暴雨強(qiáng)度在2 h達(dá)到峰值，隨后逐漸減弱，分析結(jié)束時間為24 h。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到暴雨災(zāi)害下東南大道東延車輛系統(tǒng)韌性曲線及路網(wǎng)系統(tǒng)韌性曲線，進(jìn)一步整理得到東南大道東延道路交通韌性曲線，如圖3所示。

計(jì)算東南大道東延道路交通各子系統(tǒng)不同階段的韌性值，見表4。

分析以上數(shù)據(jù)可知，東南大道東延系統(tǒng)整體交通韌性值為0.743，整體韌性水平為“高”。抵抗階段，道路交通系統(tǒng)韌性迅速衰減，暴雨災(zāi)害影響0～2 h系統(tǒng)韌性由88%減少至6%，韌性水平降至系統(tǒng)極限?；謴?fù)階段，道路交通系統(tǒng)恢復(fù)力較高，特別是車輛系統(tǒng)，設(shè)計(jì)速度恢復(fù)率在暴雨災(zāi)害影響4～8 h恢復(fù)至70%;路網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)力偏弱，表明內(nèi)澇消散時期，救援抗災(zāi)仍在繼續(xù)，城市路網(wǎng)系統(tǒng)無法自發(fā)恢復(fù)至較高水平。適應(yīng)階段，車輛系統(tǒng)和路網(wǎng)系統(tǒng)均恢復(fù)如初，滿足正常運(yùn)營要求。

4.3" 韌性提升策略

1）科學(xué)選址選線，提升道路適災(zāi)彈性。前期研究比選9種線位方案，綜合考慮工程地質(zhì)、水文條件、生態(tài)環(huán)境、征地拆遷和高速銜接等因素，合理研究選定推薦線位。

2）以景觀整合方式，建設(shè)生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施。項(xiàng)目位于常熟市古里鎮(zhèn)圩區(qū)，白茆塘和七鲇線航道水系環(huán)繞，生態(tài)肌理良好，設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)海綿設(shè)計(jì)和彈性水岸設(shè)計(jì)，以景觀整合方式，構(gòu)建城市防洪系統(tǒng)的“緩沖區(qū)”。

3）推廣預(yù)制裝配工藝，做好精細(xì)化設(shè)計(jì)。項(xiàng)目采用預(yù)制吊裝鋼箱梁跨越204國道節(jié)點(diǎn)，保證施工期間國道不斷交通;同時，項(xiàng)目做好精細(xì)化設(shè)計(jì)和施工，保證系統(tǒng)在面對災(zāi)害時能正常運(yùn)行。

5" 結(jié)束語

本文建立了城市道路交通適災(zāi)彈性評價指標(biāo)體系，基于韌性三角形理論提出了一種城市道路交通韌性度量方法，并以暴雨災(zāi)害下蘇州某條城市道路為例進(jìn)行了韌性評估，得出的主要結(jié)論如下。

1）建立的評價指標(biāo)體系能夠適用于多種災(zāi)害場景，包含自然、經(jīng)濟(jì)、社會3個維度，其中社會維度所占權(quán)重最大，自然維度中“停水停電恢復(fù)時間”綜合排序第一。

2）采用車輛系統(tǒng)和路網(wǎng)系統(tǒng)來構(gòu)建評估模型，并以設(shè)計(jì)速度恢復(fù)率R和路網(wǎng)連通度指數(shù)C來表征子系統(tǒng)韌性，計(jì)算表明東南大道東延系統(tǒng)整體交通韌性值為0.743，整體韌性水平為“高”。

3）工程勘察設(shè)計(jì)實(shí)施階段，采用多種有效措施，可有效增強(qiáng)該城市道路交通系統(tǒng)防災(zāi)能力和系統(tǒng)韌性。

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第一作者簡介：王玉玲（1990-），女，碩士，工程師。研究方向?yàn)榻煌ㄒ?guī)劃。