基于綜合災害風險的應急避難服務供需評估與規劃干預*
——以天津市為例

艾合麥提·那麥提，曾 堅，蔣飛陽

(天津大學 建筑學院，天津300072)

關于應急避難場所的研究可以概括為應急避難場所的規劃運營[1]、選址適宜性評價[2-4]、位置優化[5-7]、服務范圍劃定[8]和應急物資分配[9]等方面。災害風險程度在城市空間分布上的差異性[10-11]導致對應急避難場所的需求存在空間異質性，這種災害風險與應急避難能力的匹配問題也是城市綜合防災工作的關鍵之一[12]。利用應急避難能力和災害風險的供需空間匹配[13]研究方法能夠通過供需方的空間關系評估城市現狀應急避難供需匹配程度，對應急避難場所布局優化具有重要意義。

以往應急避難場所供需關系研究視角主要為面積供需的服務區劃分[8]、人口供需的可達性[14]、應急能力(或安全性、適宜性等)供需的選址[15]以及單一災害風險供需的布局適宜性[16]等，但多災種耦合風險與應急避難場所服務能力視角下的供需關系研究較少，而且針對不同災害的應急避難場所建設需求各有不同，需要重視應急避難能力與多災種風險的供需匹配問題?？茖W客觀地評估災害綜合風險一直是應急避難場所供需分析研究的重點和難點，其能夠較為系統的反映應急避難場所需求位的空間差異性。早期的災害風險評估研究框架多基于致災因子的危險性、承災因子的脆弱性以及城市的綜合防災減災能力進行評估[17]。也有研究依據災害危險性、暴露性和易損性框架對災害進行風險評估[18]。災害危險性特征和脆弱性特征分類研究框架[19]則能夠較為完整的從自然產生和人為主導角度評估災害風險。災害綜合風險評估方法也呈現多元化，多以定性與定量相結合分析為主，包括綜合災害多準則評價[18]、綜合災害仿真模型模擬[20-21]、綜合災害數理統計分析[22-23]等。其中，多準則評價是在城市安全風險評估中應用最為廣泛的一種分析方法[24]。關于多災種之間相互關系的研究可概括為多災種疊加法和多災種耦合法兩大類。多災種疊加法通常是以單災種風險權重疊加得出綜合值[18,25]，忽視了災種之間可能存在的因果關系。多災種耦合法包括風險矩陣耦合[26]、災害觸發關系耦合[27]，灰色理論系數耦合[28]等，能夠注重各災種之間的關聯性，涉及到各災種在空間范圍內是否存在耦合的問題，但選擇的耦合觸發規則存在綜合集成能力不高、主觀局限性太強和無法客觀反映風險等問題。而基于耦合激勵機制[29-30]的多災種耦合方法能夠客觀考慮多災種之間的模糊關聯，是一種較為合適的多災種綜合風險評估方法。另外，應急避場所的研究區域多為高密度中心城區[4,31-32]、核心區[33]、較發達市轄區[34-36]、微觀的城市社區尺度[37-38]或者邊緣村鎮地區[39]，同時考慮鄉村和城鎮區域的研究較少。鄉村防災減災意識和規劃比較薄弱，忽略鄉村應急避難需求將加劇城鄉韌性發展建設的二元差距，應當從市域角度統籌研究城鎮和鄉村避難場所的整體布局。

基于此，本文選取自然災害種類較多、影響較為嚴重的天津市[4,33,40]為研究區，考慮城市災害發生的內在機制，從災害危險性和脆弱性兩個角度出發，根據區域特征合理選取評價指標，利用AHP-熵權組合法計算各指標權重，構建“地震地質-洪澇”多災害綜合風險評估體系，運用耦合激勵模型測度分析研究區域的多災害耦合危險性，與承災體脆弱性結果疊加得到“地震地質-洪澇”多災害綜合風險評價結果，以反映應急避難服務需求水平。然后，以應急避難場所容量密度表征應急避難服務供給能力。最后，從供需空間匹配的角度利用優先級指數進行供需程度評估與規劃干預優先級劃分。以期為開展針對性的城市應急避難場所布局提供新的科學依據，同時給天津市在應對多災害風險的韌性能力提升、城市的災害管理和防災減災戰略制定等方面提供參考。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區域

天津市地處華北地震帶和高烈度區，轄區活斷層分布復雜，地震地質災害威脅較為嚴重[40]，同時天津市地處華北平原溫帶季風氣候區，夏季受東南季風暖濕氣流和西風帶系統影響，常常出現暴雨天氣，易引發洪澇[41]。天津市作為首都圈地震重點監視防御區[40]，非常重視防災基礎設施的建設。依據天津市應急管理局提供的相關數據顯示，2021年8月前天津市全域已建成配套設施并投入使用的應急避難場所共2 613處，總占地面積約6 359.8萬m2，總有效避難面積約2 196.3萬m2，可容納避難人口約1 690.7萬人。天津市“七普”人口數據顯示天津市總人口為1 386.6萬人，應急避難人口總量已經達到需求，但是從分區的角度來看，南開區、河東區、紅橋區、津南區、武清區和薊州區仍處于應急避難能力不足狀態(圖1)。因此，需要從更精細尺度單元分析應急避難供需空間不匹配問題，探索如何進行區域協調適應的應急避難場所規劃干預。

1.2 數據來源

天津市水系和道路矢量數據來自1∶25萬全國基礎地理數據庫2019公眾版[42]；天津市地震地質災害點、活動斷裂分布、地面沉降數據來自中國地質調查局地質云平臺(http://geocloud.cgs.gov.cn/#/portal/home)；天津市土壤數據來自國家冰川凍土沙漠科學數據中心的基于世界土壤數據庫(HWSD) 的中國土壤數據集(v1.1)[43]；天津市2009—2017年1 km分辨率逐月降水量數據來自國家青藏高原科學數據中心[44]；2018年130 m分辨率的夜間燈光數據獲取于珞珈一號數據(http://59.175.109.173:8888/app/login.html)；天津市30 m精度的DEM數據和2018年Landsat 8遙感影像數據來自地理空間數據云(https://www.gscloud.cn/)；2020年100 m精度的人口密度數據來自worldpop[45]；2019年10 m精度的全球居民足跡數據來自World Settlement Footprint[46]；2020年30 m精度的土地利用數據來自GlobeLand30[47]；應急避難場所的基本信息數據來自于天津市應急管理局(http://yjgl.tj.gov.cn/)，數據包括經緯度坐標、面積、有效避難面積和有效避難人數等信息。

2 研究方法

2.1 基于綜合災害風險的應急避難服務供需研究框架

地震地質災害和洪澇災害危害城市人口安全及社會經濟穩定，應急避難場所可以提高城市預防和抵御此類災害的能力。因此，本研究將天津應急避難服務供給能力和“地震地質-洪澇”多災害綜合風險下應急避難服務需求水平統籌到一個研究框架內，構建了供需研究框架(圖 2)。

研究框架主要包括3個步驟：①構建“地震地質-洪澇”多災害綜合風險評價體系，利用多災害耦合激勵機制方法評估“地震地質-洪澇”多災種耦合危險性，疊加承災脆弱性得到多災種綜合風險，以反映應急避難服務需求水平；②利用核密度分析方法評估應急避難場所服務供給能力；③引入優先級指數Priority Index(PRI)對研究區域進行應急避難服務供需程度評估及規劃干預優先級劃分。

圖1 研究區概況(該圖基于中國標準地圖(GS(2019)1697號)和天津市標準地圖(津S(2017)007號)繪制，底圖無修改，下同；天津市應急避難場所基本情況圖基于天津市應急管理局提供的2021年應急避難場所數據繪制)

圖2 研究框架

2.2 “地震地質-洪澇”災害綜合風險應急避難服務需求水平測度

(1)綜合災害風險評價體系構建。結合天津市現狀特征，并參考已有研究評價體系[15,18-19,24,26,48]，構建“地震地質-洪澇”災害綜合風險“3種災害系統要素-2類特征-22項指標”的評價體系(表1)。三種災害系統要素是指致災因子、孕災環境和承災體，兩種特征分別是自然因素主導的危險性特征和人為因素主導的脆弱性特征。其中危險性特征指標包括地震地質和洪澇兩類災害的17項指標；脆弱性特征指標包含與經濟、人口、環境密切聯系的5項指標。

表1 “地震地質-洪澇”災害綜合風險評價指標體系

表2 “地震地質-洪澇”災害綜合風險組合權重指數

由于數據的分辨率各有不同，因此研究采用規則的正方網格覆蓋研究范圍，將數據統一計算分析[19]，網格邊長為1 000 m，研究范圍共計網格單元11 235個。相關數據的預處理：借助ArcGIS10.5中的表面分析工具處理天津高程數據，獲取天津坡度、表面曲率數據；借助ArcGIS10.5的歐氏距離分析工具處理道路、水系、災害點、活動斷層數據得到對應的距離數據；在ENVI 5.3平臺中對遙感數據進行大氣校正和輻射定標[49]，并進行拼合處理，然后利用公式計算出歸一化植被指數[50]；利用飽和導水率經驗公式[51]計算出天津土壤下滲率；徑流系數由土地利用類型確定[48]；借助ArcGIS10.5線密度分析工具處理水系和道路數據得到天津市河網密度和路網密度；夜間燈光數據和城市社會經濟發展具有空間上的一致性[52]，因此將天津市的夜間燈光數據代指各地區的經濟發展水平；從天津市土地利用數據中提取出建設用地數據，利用ArcGIS10.5中的以表格顯示分區統計工具計算出每個網格單元的建設用地占比。最后將所有數據連接到格網數據中構建“地震地質-洪澇”災害綜合風險評價數據集。

對指標預處理后，采用AHP-熵權組合法[18]計算各單災種風險指數(表2)，主要步驟：①為了除去指標量綱的影響，對正、負向指標進行極差標準化處理[52]。②將客觀和主觀賦權相結合，利用AHP方法得出主觀權重，熵權法得出客觀權重，然后引入距離函數[53]的概念，采用線性組合法[18]得出“地震地質-洪澇”多災害綜合風險評價中的組合權重。確定組合權重的表達式：

(1)

(2)

α與β的差值D是分配系數間的差異為：

D=|α-β|。

(3)

依據上文構造方程組如下：

(4)

③在通過遙感和GIS 的方法對各指標進行預處理后，按照確定的指標權重值計算地震地質和洪澇災害風險指數。

(2)“地震地質-洪澇”多災種危險性耦合激勵機制的綜合風險評估。各單災種由于發生時間、相互作用以及級聯效應等耦合關系，存在復雜的內在作用機制差異。以往的簡單指標權重疊加難以判斷災害風險應對優先級，在綜合風險評估過程中表現出顯著的不確定性。本文引入多災種耦合激勵模型[29-30]，通過確定各災種的空間耦合激勵關系，評估分析研究區內“地震地質-洪澇”多災種危險性。主要步驟如下。

①區分不同風險等級間的耦合激勵系數：利用自然斷點法將標準化后的各單災種風險分成五級，采用冪函數求解風險等級區間的激勵程度，確定不同風險等級的激勵分位權重系數。公式[30]如下：

(5)

式中：Iij為第i(i=1,2,…m)類災害的j級風險所對應激勵分布權重系數；k為劃分風險等級數；εj為第j個分位點值，其中ε0=0、εk=1;α為調整參數。當α>0時，災種間為正激勵關系，Iij>Iij-1，表示風險等級值越大，其激勵程度越大；當α=0時，無激勵關系，Iij=Iij-1；當α<0時，為負激勵關系，Iij

②復合形成多災種風險：設各災種的綜合風險取值集為f(A1,A2,…,Am)，則各網格單元內的綜合風險值與分布權重系數的公式[30]如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

③“地震地質-洪澇”害綜合風險評估：根據災害系統理論，危險性特征反映了災害發生的原始風險，多源于自然環境因素；脆弱性特征由承災體組成，包括經濟社會因素，多體現人為因素及災損效應。兩項特征共同決定了災害風險，即反映了研究區域“地震地質-洪澇”多災害綜合風險應急避難需求。計算公式[54-55]如下：

R=H×V。

(10)

式中：R為綜合災害風險應急避難需求；H為多災害耦合危險性；V為脆弱性。

2.3 應急避難場所供給服務能力評估

應急避難場所是城市應急防災的保障設施，在地震地質或洪澇災害發生時能夠給城市居民提供避難場所和有效的救護條件。本文采用ArcGIS10.5核密度分析方法，選擇可容納人口作為核密度分析的Population 字段計算供給核密度，以表征應急避難場所服務供給能力。

2.4 應急避難服務供需測度與規劃干預優先級劃分

為了指導城市應急避難場所布局優化，引入優先級指數Priority Index(PRI)[55-56]，對需要進行干預的關鍵區域進行優先級排序。計算公式如下：

(11)

式中：R為綜合災害風險應急避難需求；C為應急避難服務供給能力。當綜合災害風險避難需求大，應急避難場所供給能力越小時PRI越大,該地區越需要優先干預。

3 結果與分析

3.1 綜合風險避難需求水平及空間特征

(1)單災種危險性空間分布特征。地震地質災害：按照自然斷點法對評價結果進行重分類，將災害危險性等級劃分為極高危險區(0.62～1.00)、高危險區(0.50～0.61)、中危險區(0.41～0.49)、低危險區(0.30～0.40)和極低危險區(0.00～0.29)等5個區。如圖3所示，整體上風險分布比較集中，極高風險區主要集中在薊州區、東部寧河區和濱海新區的交界處以及中心城區向東延伸的橢型范圍內。

洪澇災害：按照同上的分類方法對評價結果進行重分類，將災害危險性重分類為極高危險區(0.59～1.00)、高危險區(0.47～0.58)、中危險區(0.37～0.46)、低危險區(0.26～0.36)、極低危險區(0.00～0.25)等5個區。結果顯示(圖4)，洪澇災害危險性具有東南高西北低的空間分布特征，可以看到極高、高危險區大部分集中在濱海新區，在濱海新區北部付莊村和中部中央大道形成兩個高值聚集區；中心城區雖然面積較小，但是也基本覆蓋在極高和高危險區內。

(2)“地震地質-洪澇”災害耦合危險性特征。按照自然斷點法將耦合激勵后的結果評價結果進行重分類，分為極高危險區(0.69～1.00)、高危險區(0.29～0.68)、中危險區(0.12～0.28)、低危險區(0.05～0.11)和極低危險區(0.00～0.04)等5個區。結果顯示(圖5)，整體上分布規律與地震地質災害類似，但是耦合后的濱海新區南部區域危險性有所提高。極高、高風險區集中在天津市中部偏東南區域，包括天津市中心城區和濱海新區中部，是天津市主要的建設用地聚集區，人類工程活動密集，地表改造程度高。

圖3 地震地質災害危險性圖4 洪澇災害危險性

(3)承災體脆弱性特征。結合人口、經濟、建筑密度和道路密度等要素，根據權重疊加得到承災體脆弱性結果，并將其按照自然斷點法對結果進行重分類，分為極高脆弱區(0.52～1.00)、高脆弱區(0.35～0.51)、中脆弱區(0.20～0.34)、低脆弱區(0.10～0.19)、極低脆弱區(0.00～0.09)等5個區。結果顯示(圖6)，承災體極高和高脆弱性區域整體上分布比較集中，大部分分布在中心城區、濱海新區以及其它區中心區等人類活動密集區。

(4)“地震地質-洪澇”多災害綜合風險的應急避難服務需求。將耦合危險性和脆弱性評估結果疊加得出“地震地質-洪澇”多災害綜合風險結果，同樣用自然斷點法分成極高風險區(0.58～1.00)、高風險區(0.37～0.57)、中風險區(0.20～0.36)、低風險區(0.07～0.19)、極低風險區(0.00～0.06)。結果可以看出(圖7)，極高、高風險區分布在天津居民聚集區，主要集中在中心城區，其次是濱海新區泰達大街周圍，同時在兩者的連線也有零星分布。此外，其他高風險區出現在薊州區中醫醫院、寶坻區寶平街道、武清區人民醫院和靜海區靜海站等片區。

3.2 應急避難場所供給能力及空間特征

將應急避難場所核密度計算結果用自然斷點法分成極高供給水平區(0.45～0.98)、高供給水平區(0.22～0.44)、中供給水平區(0.09～0.21)、低供給水平區(0.02～0.08)、極低供給水平區(0.00～0.01)。結果顯示(圖8)，整體上與居民點的分布現狀吻合。其中，高供給水平區主要集中在中心城區和濱海新區的泰豐公園片區；中供給水平主要分布在各區縣居民點聚集的區域，水平比較均勻。另外，由于西青郊野公園等應急避難場所具有較高的容納人口數量，在局部地區出現幾處極高的供給水平現象。

圖5 “地震地質-洪澇”災害危險性圖6 承災體脆弱性圖7 應急避難服務需求圖8 應急避難服務供給

3.3 應急避難服務供需空間匹配及規劃干預優先級劃分

利用應急避難服務需求和供給能力數值，采用優先級指數(PRI)公式計算可得 “地震地質-洪澇”多災害綜合風險下的應急避難服務空間供需匹配程度，從而準確劃分優先干預次序。利用自然斷點法將優先干預區劃分成5個等級，級別越高，越需要優先干預。結果顯示(圖 9)，整體上Ⅴ級規劃干預呈現聚集分布特征，主要集中在天津市中部區域。從各區分布情況來看，中心城區仍是優先級較高的區域，多為Ⅴ級；濱海新區優先級較高的區域相對分散，分布在新北街道、塞上街道和大港街道三大片區；東麗區的高優先級區分布在新麗街道和無暇街道片區；津南區高優先級區分布在咸水沽鎮片區；西青區的高優先級區分布在華莊子村、王蘭莊村、大寺鎮片區；靜海區的高優先級區位于靜海站區域；北辰區的高優先級區分布在南部靠近中心城區的區域；武清區的高優先級區分布在楊村街道片區；寶坻區的高優先級區分布在寶平街道片區；寧河區高優先級區分布在南崔莊村；薊州區高優先級區分布在薊州區中醫醫院片區。

圖9 應急避難服的規劃干預優先級劃分

4 結論與討論

4.1 結論

在城市安全韌性發展時代背景下，本文從綜合災害風險的應急避難服務供需關系的視角出發，選取超大城市天津為案例區域，基于城市災害系統內在機制和城市自然社會經濟本底要素，通過災害危險性特征和脆弱性特征理論框架構建城市單災害評價指標體系，引入耦合激勵模型復合出天津“地震地質-洪澇”災害綜合風險下應急避難服務需求水平，定量評估天津市的應急避難服務供給能力，并運用優先級指數方法評估天津市應急避難服務供需空間匹配程度，并將研究區劃分為5個規劃干預優先級，明確了應急避難規劃建設優先次序。主要結論如下：

(1)“地震地質-洪澇”災害極高危險區在整體上出現集中分布特征，主要集中在中心城區向東延伸的較大區域、薊州區以及東部寧河區與濱海新區的交界處等區域。

(2)綜合考慮承災體脆弱性的“地震地質-洪澇”災害綜合風險的極高、高風險主要聚集在中心城區，其次是濱海新區泰達大街片區，同時在兩者的連線周圍也有零星分布。此外，其他高風險區出現在薊州區中醫醫院、寶坻區寶平街道、武清區人民醫院和靜海區靜海站等片區，這些區域防災減災等級較低，住民防災意識較弱，需要引起重視。

(3)針對應急避難場所規劃布局的高等級優先干預區主要聚焦在中心城區和濱海新區。其中，中心城區整體優先干預等級顯著偏高，濱海新區的高等級優先干預區分布相對分散。另外，東麗區、津南區、北辰區和西青區優先干預Ⅳ、Ⅴ等級占比較高，其余區僅有少面積高等級優先干預區出現。

4.2 討論

本文在總結相關文獻的基礎上，探索了城市應急避難服務空間供需匹配關系。首先提出了基于綜合災害風險的應急避難服務供需研究視角。由于不同災害下的應急避難場所的建設要求存在差異性，客觀評價應急避難能力與多災種風險的供需匹配程度識別應急避難服務薄弱區域。同時，從市域角度統籌研究城鎮和鄉村的避難場所，能夠避免相關研究中忽視防災減災意識和規劃比較薄弱的村鎮地區問題[39]。其次，利用耦合激勵模型量化多災種之間的模糊關系，該方法能夠客觀分析多災害下的耦合危險性，有效削弱了相關研究[25-27]中多災害耦合方法綜合集成能力不高、主觀局限性太強、不能反映風險真實情況等問題。最后利用優先級指數對供需匹配結果進行5級劃分，能夠在應急避難場所規劃實施中的優化重點、建設時序以及資金投入等方面提供精準的建設指導，尤為是土地資源非常短缺、人口密度高的超大型城市。提高應急避難服務能力，發揮規劃的前瞻性，能夠極大的降低多災害下城市受災損害程度。精細化的安全韌性提升路徑和管理政策，是順應新時代下城市安全發展理念的重要舉措。

供需匹配結果表明，雖然中心城區的應急避難設施多于其他區，但從供需匹配的角度看，仍是未來應急避難場所能力提升的重點區域；濱海新區南北向條形的區域形狀以及經濟發展的時序性決定了應急避難設施的分散性，高等級優先干預區需要在經濟社會發展的同時引起政府的重視。根據本文結果，應急避難場所建設建設建議包括：①優先考慮高優先級區域的建設需求，目前城區內的應急避難場所以公園綠地、廣場、學校操場等為主，建議合理利用地面停車場或其他未納入考慮的開敞空間或適當改擴建已有的避難場所，提高有效應急避難面積，以達到應急避難的總量要求。②對于優先級相對較低的區域，可以通過優化區域防災減災空間結構、進一步構建三級避難場所體系、打造應急避難救援體系等方面來強化災害安全韌性空間保障體系。③對于人口密度較高，土地資源緊缺的中心區域適當進行人口疏解或遷移，減少區域人口，從而緩解應急避難壓力。

本文雖已盡可能全面地選取評價指標，但由于數據不可獲取或難以量化等限制，導致現有評價指標體系仍未能全方位的表征城市災害風險狀況，在未來的研究中需要再豐富和充實。耦合激勵模型雖然考慮災種間的相互觸發關系，但仍難以反映災害間復雜聯系，未來可以更精確設置模型各單災種的觸發效應規則、不同風險等級間的耦合激勵系數，以得到更客觀的多災種耦合激勵關系。另外，應急避難服務能力評估僅考慮應急避難場所的人口容量密度，然而急避難服務能力也涉及到應急避難配套設施、場所可達性、管理能力等多方面，在后續的研究中加以考慮。