基于兩步移動搜尋法和OD矩陣的城市社區應急避難場所可達性研究
——以廣州市荔灣區為例

唐 波，關文川，王丹妮，閆永濤

(1.中山大學新華學院 資源與城鄉規劃系, 廣東 廣州 510520；2.廣州市城市規劃勘測設計研究院, 廣東 廣州 510060)

0 引言

城市化的進程不斷地加快，導致城市中心區域的人口和建筑高度聚集。同時各類自然災害和人為災害發生頻率不斷增加，如何保障人們在災難(事故)面前的安全和提高城市的韌性是一個重要的課題。城市應急避難場所是民眾在發生災難或者事故時的安全避難場所，是人們在危難之時的安全港[1]。應急避難場所的空間布局與優化是近幾年災害學和地理學研究的重點[2]，國內外學者從不同視角和方法進行評價，力求在對應急避難場所布局研究中尋找適宜點。Fitzgerald等[3]提出了滿足美國石油學會制定的緊急避難所要求的最佳實踐方法，并為許多與應急避難場所有關的行業提供了有用的信息。Hossain等[4]選擇了達卡北城公司39區作為研究區域，通過地圖和數據收集，確定了區域內潛在的應急避難場所的數量以及這些應急避難場所的可達性。武文杰等[5]以北京市中心城區為研究區域，運用Voronoi多邊形算法對其應急避難場所空間分布問題以及優化進行了探討。劉少麗等[6]基于GIS的網絡分析法構建了五個指標，用以分析徐州市應急避難場所空間布局的合理性。葉明武等[7]以上海中心城區公園作為研究區域，以可達性理論和避難防災規范作為研究基礎，運用ArcGIS技術和數學模型，對研究區域內應急避難場所與居民之間的關系進行分析。魏東等[8]構建了多樣化的評價指標，并結合ArcGIS網絡分析方法對西安市應急避難場所進行分析和評價。戴慎志等[9]分析出上海市的主要災種和應急避難場所的類型，明確了應急避難場所規劃建設的指標和應急避難資源的供需關系。施益軍等[10]選取劍川縣為研究區域，運用ArcGIS技術和數學模型對應急避難場所的服務范圍進行分類，并且對避難場所的空間分布進行修整。陳志芬等[11]運用了DEA模型，設置了多項指標，力求對應急避難場所進行多方面評價。綜上所述，國內外學者在應急避難場所的空間布局和可達性研究方法眾多，兩步移動搜尋法的使用頻率最高，并且國外學者通過醫療衛生設施[12-14]、教育設施[15]、旅游景點[16]、就業空間[17]、公園綠地[18-19]等多案例的進行了驗證，從而體現了兩步移動搜尋法在應急避難場所可達性研究中有著重要的作用[20-22]。但目前大多數研究的對象為省域和市域等宏觀尺度的大型應急避難場所，對社區和街道等微觀尺度的研究相對較少，在兩步移動搜尋法優化和其他方法的有機結合方面探討還有不足。

荔灣區位于廣州市西部，是廣州的老三區之一，面積達62.4 km2，戶籍人口70.48萬人，是廣州市各區人口密度較高的區域，且區內建筑多為老建筑，建筑質量參差不齊。目前區內有多處應急避難場所，但由于分散程度高，在突發災難時難以滿足區內人口的有效需求。因此，本文以荔灣區為例，結合兩步移動搜尋法和OD(Origin-Destination)矩陣對區內應急避難場所的可達性進行研究，優化老城區應急避難場所規劃和設計，以期為對人口密集及老城區如何減少人們在面對突發災難時的損失有重大意義。

1 研究方法和數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 兩步移動搜尋法

兩步移動搜尋法首先設定一個閾值，以供給地和需求地為基礎，分別搜尋2次。對臨界值內居民可以接近的資源或設施數量進行比較, 數值越高, 可達性越好。在使用過程中一般采用微觀尺度如街道人口，可以較好的反映區域人口空間分布；同時將應急避難場所分布的數量、容量等情況納入評價過程, 所以能較為合理地考慮居民與應急避難場所的相互關系。具體操作步驟為：

第一步，計算每個避難場所入口的供需比，對每個應急避難場所s的入口e搜索閾值范圍do內所有的街道質心z，從而可計算供需比為:

(1)

式中Pk是搜索閾值內街道k人口數，Sj是j點的總供給，dkj為位置k和j的距離。

第二步，計算各個街道的可達性水平，查找能為該街道提供應急避難場所的所有入口，將查找到的結果與第一次搜索的結果進行疊加，即可得到街道z的可達性，具體公式為:

Ai=Σe∈{die≤d0}Re

(2)

式中Ai是街道i對避難場所的可達性水平，其數值越大表明其可達性水平越高；Re為街道e在搜索閾值范圍內所有避難場所入口e的供需比；die是i與e之間的距離。

1.1.2 OD矩陣

構建GIS道路網絡模型，運用網絡分析以已選的應急避難場所作為終點，以人口質心為起始點，進行OD成本距離分析并加入時間權重(考慮人流疏散時間在10 min內)選出最短路徑[23]。首先建立道路網絡，設有a個出發點，b個到達點，列出矩陣中每個元素為各條路徑的交通成本(時間、路程)。

(3)

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

(4)

最短路程所帶的權值記為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P′中每一點b，令l(b)=w(a0,b)。

利用ArcGIS中的漁網工具建立500m*500m的規則格網單元提取人口質心，將落在道路、水體和避難場所點上的需求點進行移動，最后得到249個人口需求點。避難場所點包含公園、學校、體育館和廣場，其中學校與體育館是點狀數據，公園和廣場為面狀數據，提取其質心點作為該避難場所的供給點，最終得到40個供給點。根據廣州市地震應急避難場所分類標準，社區級的緊急避難場所和區級的固定避難場所的服務半徑為500～3000m，而荔灣區內多為社區級和區級避難場所，因此把搜索閾值do確定為500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m[23-24]。

1.2 數據來源

已建成應急避難場所數據來源于相關網站數據及地圖影像，各避難場所可容納人數數量來源于廣州市地震應急避難場所分類標準，荔灣區各街道人口數來源于廣州市第六次人口普查及2016年年鑒資料。

2 結果分析

2.1 整體分布特點

根據在ArcGIS中建立的數據庫，得到荔灣區應急避難場所的分布圖(圖1)。由圖1可知，應急避難場所在荔灣區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急避難場所分布最為密集，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急避難場所的設計，總體上應急避難場所還是圍繞區內道路分布。對應急避難場所面積數據進行分析統計，得到荔灣區各應急避難場所面積比例圖(圖2)。從圖2中可知荔灣區應急避難場所主要以公園廣場為主，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%，體育館和學校分別占5%和8%。

圖1 荔灣區應急避難場所分布圖Fig.1 Distribution of emergency shelters in Liwan District

圖2 荔灣區各應急避難場所面積比例圖Fig.2 Proportion of occupied area of emergency shelters in Liwan District

2.2 荔灣區人口和應急避難場所資源的相關性分析

從圖3中可得，荔灣區人口分布較為集中，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20 000人以上，沙面街道人口低于10 000。從圖4可得，荔灣區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對荔灣區各街道應急避難場所資源進行統計，提取有效應急避難場所面積。荔灣區總應急避難場所有效面積達1 450 810m2，占行政面積的47.48%，人均有效避難面積達2.4m2，可見荔灣區應急避難場所面積和人均有效避難面積都較高，但各個街道的人均有效應急避難場所面積存在較大差異(見圖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人均應急避難場所較低。所以荔灣區人均應急避難場所和人口密度匹配度不夠，空間分布公平性較差，體現了荔灣區應急避難場所的設計存在不合理性的空間布局，這一定程度上影響了應急避難場所的空間可達性和疏散路徑的優化。

圖4 荔灣區街道人均應急避難場所面積分布圖Fig.4 Area distribution of per capita emergency shelters of each street in the Liwan District

2.3 可達性分析

在ArcGIS中建立OD成本矩陣分析，以249個街道質心點作為需求點，40個應急避難場所作為供應點，對不同的搜索閾值進行求解，將求解得到的路線表格進行連接和計算，最終得到不同閾值下荔灣區各應急避難場所可達性分布圖(圖5)，荔灣區各街道可達性結果表(表1)和荔灣區整體的可達性統計表(表2)。結果分析可知：

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

(2)對表1進行縱向和橫向比較發現，荔灣區各街道的應急避難場所可達性差異性較大。海龍街道的應急避難場所可達性水平最高，在do=500m到do=3000m的搜索閾值范圍內其可達性數值都比其他街道高；站前街道的可達性水平最低，其可達性數值在搜索閾值不斷增大下依舊最低。當搜索閾值不斷增大時，沖口街道、龍津街道、東沙街道和石圍塘街道的可達性水平數值不斷增大，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性水平數值不斷減小，彩虹街道、茶窖街道、多寶街道、逢源街道、華林街道、嶺南街道、南源街道可達性水平數值先升后降，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性水平數值出現波動。

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

圖5 不同閾值下荔灣區各街道應急避難場所可達性分布圖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 荔灣區應急避難場所可達性統計表

3 結論與討論

本文基于兩步移動搜尋法和OD矩陣對廣州市荔灣區應急避難場所進行空間可達性分析。得到以下結論：

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

(2)荔灣區的人均應急避難場所和人口密度匹配度不夠，空間分布公平性較差，體現了荔灣區應急避難場所的設計存在不合理性的空間布局，這一定程度上影響了應急避難場所的空間可達性和疏散路徑的優化。

(3)荔灣區應急避難場所可達性水平較低，其中海龍街道的應急避難場所可達性水平最高，站前街道的應急避難場所可達性水平最低，南部街道比北部街道可達性水平要高，當搜索閾值do=500m的服務半徑下可達性Ai≥12的服務面積達到最大。

本文所采用的兩步移動搜尋法主要考慮了街道尺度人口和應急避難場所之間的供需因素，而且不受行政邊界的影響和容易可視化，為人口密集地區的城市應急風險管理提供了前期的理論基礎和數據支撐。但是本文在人口質心提取中采用的是500m×500m的規則格網單元，同時在閾值確定方面是否能完全符合廣州荔灣區的實際，這些在今后的研究中可以進一步驗證與完善。