銀川市西夏區地震應急避難場所優化布局研究

杜亞男，楊文偉，王炳亮

(寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021)

地震應急避難場所是為應對地震等突發事件，經規劃和建設，具有應急避難生活服務設施、可供居民緊急疏散或臨時生活的安全場所[1]。如何科學地規劃和布局并維護好地震應急避難場所，使其在地震災害發生后，最大限度地發揮避難與救災功能，仍是我國防災減災領域急需研究的關鍵問題之一。越來越多的國內外相關領域的專家學者已認識到，合理地規劃和建設地震應急避難場所對于城市的安全及其可持續發展具有重大的意義[2]。因此，地震應急避難場所規劃建設的相關理論及其實踐研究工作均得到快速推進。如Landry等[3]通過對海地地震的思考，提出災難發生后人道主義援助的重要性；Ripley[4]提出利用學校作為應急避難場所，依托平災結合理念，對室內場所的功能分區布置進行了優化研究，得到了許多有益的結論；Toyoda等[5]以“社區作為第一反應者”，提出了居民自行建立社區疏散系統的方法，居民根據當地的具體情況，能夠避難逃生;Hu等[6]提出了利用粒子群優化算法處理地震應急避難的分配問題，此算法在應急避難場所分配上可以識別其位置和數量，可以更好地解決應急避難場所的配置問題；Xu等[7]和Zhao等[8]結合數學模型提出了粒子群優化算法，并以北京市朝陽區為例，擬定了地震應急避難場所的位置和疏散人員的分配問題；Sajad等[9]基于德黑蘭的地理位置、建筑、城市周圍斷層和歷史破壞性研究，根據層次分析法，確定和評價了地震后緊急疏散最佳路徑選擇的有效安全參數；Arnaout[10]提出蟻群優化算法，解決了應急避難場所數目不明情況下的分配問題，最大限度地降低了地震后緊急疏散的固定成本和運輸成本；王女英等[11]依托高分辨率遙感影像識別，提出了使用加權Voronoi圖方法，來測算應急避難場所空間可達性并劃分其服務區范圍，取得了較好的效果；蘇幼坡等[12]應用數理統計分析模型，基于GIS技術，以MapInfo為平臺，創建了唐山市生態規劃信息管理和綜合防災系統；Kilci等[13]以土耳其伊斯坦布爾城市為例，應用混合整數線性規劃公式合理制定了臨時避難場所的位置；牛強等[14]利用LA模型，依托GIS網絡分析功能，對消防站布局進行了優化；Brotcorne等[15]探討了救護車選址和搬遷模式的演變，并利用LA模型對救護車進行選址，開發了一天中反復移動救護車的模型。

綜上研究可見，大多數對地震應急避難場所的研究側重于設置標準及實施建議等定性研究，缺乏關于應急避難場所布局的定量分析和案例實證，且以小區域、涵蓋范圍小為特點,不具備推廣性和普適性。鑒于此，本文以銀川市西夏區為例，基于GIS空間分析功能和公共設施區位配置模型(LA-模型)對銀川市西夏區地震應急避難場所空間布局進行了優化研究，建立了集數學模型和可視化模型為一體的城市地震應急避難場所優化布局方案，提出了“應急避難場所+X”(X表示公園綠地、廣場、學校操場、公共用地等)的應急避難場所空間布局優化模式，得出地震應急避難場所優化布局和最優路徑。該研究結論可為地震應急避難場所的選址規劃提供一定的參考。

1 銀川市西夏區地震應急避難場所現狀

1.1 西夏區基本概況

銀川市位于寧夏回族自治區北部，是寧夏回族自治區的首府，自西向東由西夏區、金鳳區和興慶區組成，見圖1。

圖1 銀川市“三區”分布圖Fig.1 Distribution of “three districts” in Yinchuan City

由于銀川市西夏區主要分布有大學城及大型企業，居住人員較密集，因此本文選擇西夏區進行地震應急避難場所的規劃布局優化分析。歷史上寧夏曾發生過多次破壞性地震，其中破壞性較大的有1739年銀川-平羅8級大震，首府銀川損失嚴重，造成5萬多人死亡；1920年海原8.5級大震，更是造成24.3萬人死亡，其災害震驚世界，稱為“環球大震”[16]。新中國成立以來，寧夏境內共發生了12次5級以上地震，平均約5年就發生一次地震。嚴峻的地震形勢，使人民群眾的生命及財產安全和經濟社會的可持續發展都面臨著嚴重的潛在震災威脅。開展寧夏銀川地區地震應急避難場所的選址及規劃布局研究是當務之急。隨著城鎮化步伐的加快，近幾年銀川西夏區城市人口密度顯著提高。截止到2016年，銀川市西夏區人口約35.60萬人，其中城鎮人口約32.07萬人[17]。目前，西夏區規劃了三處固定應急避難場所，分別為解放公園、西夏公園和八一體育公園，均以公園為依托，主觀性強且沒有進行科學布局規劃，遠不能滿足應急避難的需求，為城市安全埋下了安全隱患。

1.2 地震應急避難場所的設置原則

地震應急避難場所規劃需要滿足平災結合、就近性[18]、可達性和容納性原則，并結合地域特點，使得地震應急避難場所滿足設施數量足、服務范圍廣、服務人口多、需求點遠離危險場所設施點等要求。本文強調以“應急避難場所+X”(X表示公園綠地、廣場、學校操揚、公共用地等)模式構建區位配置模型，同時結合西夏區學校及大型企業集中的特點，提出以下地震應急避難場所的設置原則：

(1) 平災結合：采用“應急避難場所+X”模式，選取“X”作為設施點。

(2) 就近原則：保證居民都可在5～10 min內到達應急避難場所[19]。

(3) 可達性：居民點到達應急避難場所的距離總和最小，以實現路徑最優化。

(4) 容納性：應急避難場所具有容納一定數量的人口進行應急避難的能力,使居民在災難發生時有可供避難的空間，有地可依。

1.3 西夏區現有的地震應急避難場所存在的主要問題

結合以上地震應急避難場所的設置原則，目前西夏區現有的地震應急避難場所主要存在以下問題：

(1) 地震應急避難場所分布不均，無法滿足就近性和可達性原則。圖2為西夏區網絡數據集。由圖2可以看出,西夏區共有3處地震應急避難場所，整體偏于北側且相對分散,缺少中心避難場所和緊急避難場所，若地震發生后，避難場所容易出現避難空間擁擠、逃生流線模糊、短時間無法到達避難場所等問題?；贏rcGIS 10.2網絡分析模塊，以避難場所中心作為出發點、R為避難路徑，對西夏區現有地震應急避難場所的服務范圍進行分析，見圖3。由圖3可見，西夏區現有地震應急避難場所的服務半徑為2 000 m，覆蓋面積較大，但仍有部分場所不能滿足服務區域內人員疏散的要求，違背了避難場所規劃的可達性[20]和容納性原則。表1為地震應急避難場所分類及各項指標[21]。

圖2 西夏區網絡數據集Fig.2 Xixia District network data set

圖3 西夏區現有的地震應急避難場所的服務范圍Fig.3 Service scope of existing earthquake emergency shelters in Xixia District

表1 地震應急避難場所分類及各項指標

(2) 地震應急避難場所容納空間不足，無法滿足容納性原則。政府確定的西夏區地震應急避難場所共3處，可容納約87萬余人。表2為西夏區地震應急避難場所基本信息表。由表2可知，西夏區地震應急避難場所皆為公園用地的固定避難場所，3處固定避難場所的總面積為332 000 m2，可容納人數為35.60萬人。此外，在計算公園綠地可利用面積時，需要去除水域等娛樂設施用地等，一般按照60%左右計算有效避難面積[22]，故現有地震應急避難場所的有效避難面積約為199 200 m2，實際可容納避難人數僅為5.48萬人，占總人數的15.39%。由此可見，西夏區現有地震應急避難場所較少，且形式單一、可利用空間較小，同時應急避難地空間被商業用地所占用。圖4為西夏區現有地震應急避難場所現狀圖。由圖4可見，原規劃的地震應急避難場所的總面積為332 000 m2，但避難場所部分空間被商業建筑占用，現經GIS統計僅有約218 000 m2的面積為可用于避難。以西夏公園為例，西夏公園東臨同心北街，南接北京西路，西臨文昌北街，北接懷遠西路，占地面積約93 000 m2，其中水面、綠地和廣場占地面積為55 800 m2，西夏公園避難場所的有效面積僅為37 200 m2，實際可容納避難人數為12 364人。但從最新遙感影像上可知，西夏公園固定避難場所無人管理，西側已被大面積商品房占用，水體面積也有一定的增大，從而減少了避難場所的有效面積，降低了該避難場所可容納災民的人口數量。

表2 西夏區地震應急避難場所基本信息表

(3) 地震應急避難場所設施不完善，無法滿足平災結合原則。固定避難場所一般為公園、廣場、體育場、綠地以及具備避難功能的開放場所，災害發生后可為災民提供救援、安置以及集中生活的場所。固定避難場所應從通訊設施、供電設施、供水設施、消防設施、醫療設施、供應設施6個方面進行規劃[23]。由圖4可見，西夏區現有的3處固定避難場所中，八一體育公園無公共衛生間，解放公園僅有1處公共衛生間，西夏公園僅有2處公共衛生間。根據馬亞杰等關于城市防災公園安全評價的主要內容[24]判斷，西夏區地震應急避難場所的條件遠不能滿足地震應急避難場所的需求。圖5為西夏區危險場所緩沖區分析。由圖5可見，八一體育公園西北角有1處加油站，屬于危險場所，會影響地震應急避難場所的正常使用。

圖4 西夏區現有的地震應急避難場所現狀圖Fig.4 Current status of existing earthquake emergency shelters in Xixia District

圖5 西夏區危險場所緩沖區分析Fig.5 Buffer zone analysis of dangerous places in Xixia District

經上所述，西夏區現有的地震應急避難場所空間規劃主要存在的不足為：①地震應急避難場所的確定不夠客觀，沒有進行科學規劃，與就近性和可達性原則相違背，3處固定避難場所較為靠近且重合面積較多，致使在避難中心的居民有多重避難選擇，地震發生時易出現混亂，而避難中心以外的受災人員則無法有效避難；②地震應急避難場所容納能力不足，與容納性原則相違背，在避難時至少有80%居民無法避難，而且管理不足導致原有避難面積減少； ③地震應急避難場所皆為室外公園，內部無通訊、供電、供水、消防、醫療、供應等應急避難場所必要的設施，與平災結合原則相違背，無法滿足社會資源的共享和節省。

2 地震應急避難場所區位配置模型的構建

2.1 公共設施區位理論

本文采用公共設施區位配置模型(Location Allocation model，簡稱LA模型)建立地震應急避難場所區位配置模型。其基本原理為假設需求點和設施點分布已知，依據設定的公共設施區位配置模型，系統自動匹配設施點與需求點[25]，以實現設施選址的最優化。國內外學者對公共設施的區位配置問題進行了研究，將LA模型分為四類[26]：中值問題、中心問題、集合覆蓋問題和最大覆蓋問題，見表3。

表3 LA模型的分類

2.2 地震應急避難場所區位配置模型的構建

根據地震應急避難場所區位配置模型構建的目標、原則和銀川市西夏區人群的空間分布特征，進行了如下假設：

(1) 以每個小區的中心點為應急避難場所需求點，地震發生時居民都位于住宅樓；

(2) 已知候選避難場所設施點和應急避難場所需求點的位置分布；

(3) 已知候選避難場所設施點到應急避難場所需求點的距離，設施點與需求點之間的距離是以實際道路的路徑距離為準，避難時以步行進行避難，不考慮震災造成的道路阻塞和人流量等對人群疏散的影響；

(4) 應急避難場所的需求點不能被兩個及以上避難場所設施點覆蓋，在覆蓋范圍內的需求點只有一個設施點服務；

(5) 應急避難場所存在多個入口，各入口與道路連接,每個應急避難場所的實際避難人數應不大于理論可避難人數；

(6) 應急避難場所進行避難時平均每人使用面積為3 m2；

(7) 在整個應急避難過程中，居民避難距離之和最小。

根據以上假設，構建的銀川市西夏區地震應急避難場所區位配置模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

0

(5)

(6)

式中:J表示地震應急避難場所的集合；I表示避難需求點的集合；m為備選地震應急避難場所的數量(個)；n為地震避難需求點的數量(個)；Pi為應急避難需求點i的人口數量(人)；Cj為應急避難場所j的人口容量(人)；aij表示避難需求點i與應急避難場所j的關系，aij=0表示非歸屬關系，aij=1表示歸屬關系；R為避難路徑長度(m)，城鎮要求100%避難覆蓋。

因此，公式(1)的值應為應急避難場所總人數的最大值，公式(2)表示分配到某應急避難場所的總人數應小于或等于它的人口容量，公式(3)用于確定歸屬關系，公式(4)表示aij的總數不能超過備選地震避難場所的數量，公式(5)表示避難需求點到應急避難場所之間的距離應該不大于R，公式(6)表示保證居民避難總體移動距離最小。

3 銀川市西夏區地震應急避難場所空間布局的優化

3.1 地震應急避難可達性和就近性原則的優化

圖6為研究區居住人口數量分布。西夏區共有居民35.60萬人，居民區總面積為71.40萬m2，居民區人居占地面積為22.12萬m2，通過GIS對西夏區人口的空間分布和人口密度進行分析，結果表明：居住建筑分布較為集中于研究區北邊，密度較高，東北角高層住宅樓較多，緊急時刻的人群自行疏散易引起交通擁擠，整體疏散進度緩慢，安全隱患較大。

圖6 研究區居住人口數量分布Fig.6 Distribution of resident population in the study area

圖7為西夏區地震應急避難場所備選點，可以看出西夏區地震應急避難場所的備選點數量較多，應用GIS空間分析功能并根據綠地公園等開敞場所的空間布局、道路網絡流通能力以及人群的空間分布篩選應急避難場所，可篩選出滿足疏散距離和居民避難總體移動距離較小的地震應急避難場所。

圖7 西夏區地震應急避難場所備選點Fig.7 Alternative points for earthquake emergency shelters in Xixia District

3.2 地震應急避難容納性原則的優化

研究區地震應急避難場所的數量較少，且超出其容量人數較多，導致具備避難功能的空間有限，不能滿足西夏區居民避難的需求。以最短疏散路徑為約束條件且不考慮人口容量限制，在GIS的Network Analyst擴展模塊中對西夏區原有的地震應急避難場所與居民區之間的初始路徑進行空間配置，得到研究區原有的地震應急避難場所空間布置及路線圖，見圖8。

圖8 西夏區原有的地震應急避難場所空間布置及 路線圖Fig.8 Layout and route map of the original emergency shelters in Xixia District

由圖8可見，從居民區到各個地震應急避難場所的路程相對較長，最遠路程超過5 km，平均距離為1.81 km，表明已有的地震應急避難場所不能滿足避難人群疏散的要求。因此，應結合銀川市西夏區的實際情況，根據備選地震應急避難場所的數量、占地面積、輻射半徑、避難人口容納量以及地震備選應急避難場所設置點的道路交通情況，借助LA模型的約束條件,利用GIS軟件中的Network Analyst擴展模塊對研究區地震應急避難場所的空間分布及責任區范圍進行分配。

在GIS軟件中構建所需的道路網、應急避難場所設施點和避難場所需求點，運用LA模型中Network Analyst模塊設置其分配屬性，并進行布點優化，采用提出的區位配置優化方案后，得到西夏區地震應急避難場所空間布置及路線圖，見圖9。

圖9 基于區位配置模型優化后的西夏區地震應急避難 場所空間布置及路線圖Fig.9 Optimized layout and route map of the original emergency shelters in Xixia District

由圖9可見，經區位配置模型優化后西夏區地震應急避難場所能滿足89.95%居民避難歸屬并避免場所內擁擠，在現有的規劃條件下，若能據此指導居民進行有效疏散，能獲得較好的疏散效果。

表4為西夏區地震應急避難場所備選表。

由表4可知，依據場所位置、有效避難面積等條件劃分中心避難場所和緊急避難場所，在西夏區原有的3處固定避難場所基礎上，增設2處公園綠地、17處學校操場、1處體育用地、2處公共建筑和1處辦公用地。經過區位配置模型優化后，居民區到地震應急避難場所的平均距離僅為582 m，最長路程為2.2 km，大部分路程不超過1 km，大大緩解了居民到地震應急避難場所的路程壓力，基本滿足應急避難的需求。但要注意的是，因客觀上避難空間的缺失和避難場所布局的失衡，在區位配置模型優化后西夏區仍有9個地震應急避難場所需求點的居民(位于榮世星座和景翠花園)無法進行有效避難，需進一步解決，應擴大現有應急避難場所的容納空間或是在無歸屬的應急避難場所需求點附近建立新的地震應急避難場所。

3.3 地震應急避難平災結合原則的優化

通過遙感數據分析，從影像地圖中找出較為合適的地震應急避難場所。表5為西夏區現有的與備選的地震應急避難場所數目的對比。

由表5可知，西夏區共有學校場地46處，以寧夏大學操場為例，寧夏大學文萃校區地震應急避難場所的空間布局見圖10。

表4 西夏區地震應急避難場所備選表

表5 西夏區現有的與備選的地震應急避難場所數目對比

圖10 寧夏大學文萃校區地震應急避難場所的空間布局Fig.10 Layout of earthquake emergency shelters in Wencui campus of Ningxia University

由圖10可見,其東側為體育館，并且場地的南、北、東三個方向出入口與城市主干道相接，主干道寬度為35 m，保證了災時的救援通道；校園內部的通訊廣播設施、室外操場和室內體育館等設施滿足通訊、供電、供水、消防、醫療、供應的要求，也可節約政府對避難場所建設的成本，保證了避難場所的平災結合。

基于以上優化，銀川市西夏區地震應急避難場所的空間布局無論從就近性、容納性和可達性上都基本能滿足應急避難的需求，并且符合避難場所的硬件要求，充分體現了平災結合理念，使地震應急避難場所發揮了最大的效能。

4 結 論

基于就近性、可達性、容納性和平災結合的原則，采用“應急避難場所+X”(X為公園綠地、廣場、學校操場、公共用地等)的空間布局應急避難優化模式，分析了西夏區地震應急避難場所的空間分布、避難設施和人口容納量，使得地震應急避難場所具有臨時棲身、防災疏散、救災設施以及緊急救護場所等功能，并得出主要結論如下：

(1) 應用GIS空間分析功能和公共設施區位配置模型，分析了西夏區現有的地震應急避難場所的不足及存在的問題，經區位配置模型優化后的地震應急避難場所可滿足89.95%以上的居民進行有效避難，相比現有的避難場所，可使避難最遠路徑從5 km縮短到2.2 km，避難平均距離從1.81 km降低到0.58 km，并將原有可避難人口5.48萬人增加到可避難人口32.02萬人，從而使地震應急避難場所滿足就近性、可達性和容納性原則的要求。

(2) 將公共設施區位理論的數字化建模和GIS空間分析的可視化表達相結合，科學地優化了地震應急避難場所的空間布局，對城市應急避難場所進行了城市人口密度與避難場所建設宏觀控制。以銀川市西夏區地震應急避難場所的空間布局優化為例，使模型具有普適性和推廣性。

(3) 銀川市西夏區有著大學城特殊的城市功能區劃，依據避難場所的設施配置要求，制定平災結合、設施齊全的避難場所，不僅能滿足居民的日常使用，并且具有災后避難的功能。本文將學校校園特別是操場作為避難場所的方案，不僅可以增加避難的空間容量，縮短避難逃生疏散的距離，還可以有效節省政府建設避難場所的資金，提高應急預案的經濟性。