考慮洪澇災害風險的城市應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 中國應急管理研究中心，湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學 安全科學與應急管理學院，湖北 武漢 430070)

0 引言

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

城市應急避難場所是災民受災時用于躲避災害、臨時生活的安全庇護所[2]，國內外學者對其進行了諸多研究。Alam等[3]借助多準則評估模型，針對颶風及其導致的洪水災害，對選出的哈利法克斯半島災害潛在避難場所進行評估。Yao等[4]結合多源數據，利用TOPSIS法對加拿大維多利亞開放空間避難場所進行評價分析。Qin等[5]考慮臺風路徑變化，建立應急避難場所位置分配模型，利用改進粒子群算法進行優化求解。陳國華等[6]結合AHP和熵值法對化工園區應急避難點進行選址評估。陳明利等[7]利用FAHP法對城市體育館應急避難能力進行評價。陳宣先等[8]運用AHP對山地城市進行風險評估，以東川區進行實例研究。馬運佳等[9]面向地震災害，利用粒子群算法分別討論了有無容量約束下的選址方案，并進行了實證分析。張宣峰等[10]考慮避難人口需求的平衡匹配關系，運用遺傳算法，解決多目標約束下的固定避難場所選址優化問題。

可以發現，針對災害應急避難場所的選址，目前大部分學者是從發生災害后的具體情況出發對備選地進行評價和選址優化，評價多采用AHP等具有較強主觀性和不確定性的方法，并且面向的災害主要為地震、臺風等災害。本文從洪澇災害風險本身入手，構建災害風險評價指標體系，運用灰色模糊綜合評價法進行評價，消除以往評價方法帶來的較強主觀性。然后，構建引入洪澇災害綜合風險權重的多目標應急避難場所選址優化模型，充分考慮各指標的洪澇災害風險情況對避難場所選址產生的影響。最后，選取武漢市進行實例分析，并運用遺傳算法進行求解，驗證模型的科學性和有效性。

1 城市洪澇災害風險評價

1.1 構建風險評價體系

城市洪澇災害與城市洪澇災害致災因子、孕災環境、承災體和防災抗災能力緊密相關[11]。洪澇災害風險指數(FDRI)[12]是1個建立在災害風險的危險性、敏感性、脆弱性和防災抗災能力這4項因子概念之上的綜合性指標，用于表征洪澇災害的風險程度。其計算表達式可以簡化為如式(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、防災抗災能力；WE，WH，WV，WR分別為各項因子的權重。

城市洪澇災害的致災因子主要是由降雨導致的。孕災環境敏感性主要來源于外部環境，本文主要考慮地形影響、水系以及植被覆蓋情況。承災體的脆弱性指的是承受洪澇災害的載體在遭遇災害時的脆弱程度，脆弱性取決于發生地的人口分布、經濟情況等等。防災抗災能力主要關注區域為應對洪澇災害的災害預警準備工作以及遭遇災害后在一定時期內的恢復能力，與監測預警能力、現有防災救援能力以及經濟相關。綜上，從致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體的脆弱性和防災抗災能力4個方面出發，細化15個二級指標，構建城市洪澇災害風險評價指標體系，并且對二級指標的含義進行描述，如表1所示。

表1 評價指標和描述

1.2 評價步驟

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

(2)

2)計算灰色關聯系數，如式(3)所示：

(3)

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

3)計算灰色關聯度。由灰色關聯系數計算指標的灰色關聯度，如式(4)所示：

(4)

4)將灰色關聯度rk進行一定處理，得到各層指標的權重,如式(5)所示：

(5)

式中：Wbk為b層次下k指標的權重；rbk為b層次下k指標的關聯度。

5)將洪澇災害風險評價指標設定為對象因素集，設定評語集V={低風險，較低風險，中等風險，較高風險，高風險}，將式(5)中所求Wbk作為集合元素組成權向量，對評價因素進行模糊綜合評價，得到各區域各項指標評分并代入式(1)計算，得到各區域洪澇災害風險指數(FDRIi)。

2 模型構建

城市中各區域洪澇災害發生概率不同，通過城市洪澇災害風險評價及分析，可以得到城市中各區域的洪澇災害風險指數值，以此來反映城市各區域洪澇災害風險程度，將其引入多目標優化模型，在原有數學模型的基礎上充分考慮各區域的風險因素，得到的結果能夠更加貼近實際、真實可靠。因此，將中值模型與最大覆蓋模型相結合，同時考慮將所求洪澇災害風險指數值(FDRIi)進行歸一化處理后作為權重(ωi)引入模型，構建考慮洪澇災害風險的多目標多約束的應急避難場所選址優化模型。保證在災害發生時，居民能夠在最短時間采用最短路徑到達避難場所，同時也能夠盡可能多的覆蓋風險權重高的需求點，同時考慮經濟因素，保證成本最小化。具體模型如下：

目標函數如式(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為研究區域內需求點的集合，A={1,2,…,i,…,n}；B為應急避難場所的集合，B={1,2,…,j,…,m}；yj為應急避難場所j的0～1決策變量，若應急避難場所j被選中取1，否則取0；xij為需求點i對應應急避難場所j的0～1決策變量，若需求點i被避難場所j覆蓋取1，否則取0；ωi為第i個需求點風險權重，ωi∈(0,1)；dij為需求點i和應急避難場所j間的距離，km；pi為第i個需求點的人口數量，×104人；Dj是應急避難場所j的最大服務范圍，km；Cj是應急避難場所j的最大容量，×104人；M表示選中的應急避難場所的最少個數。

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

3 實例研究

3.1 研究區域概況

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

3.2 洪澇災害風險評價

通過文獻調研、查閱資料等方法，搜集武漢市及每個分區2015—2019年關于各項二級指標數據，其中，極端日降水量、年降雨量、最大連續降雨天數、年降雨天數數據來源于中國氣象數據網；地勢數據來源于數字高程數據；河網密度、災害監測預警能力來源于武漢市水務局官網；人均現有防災空間數據來源于武漢市應急管理局官網；其他數據如人口密度、GDP、建筑密度、醫院數目、消防站數目等數據來源于武漢年鑒[14]。將數據進行整合，運用灰色關聯分析方法得到各指標灰色關聯度，確定各指標的權重，如表2所示。

表2 各指標灰色關聯度和權重

結合上述所求權重、13個分區風險評價指標數據和20位專家的打分，運用灰色模糊綜合評價法，得到各項一級指標風險數值，將相應風險數據代入式(1)進行計算，可得洪澇災害綜合風險指數，如表3所示。由表3可知，江夏區致災因子危險性排名最高，蔡甸區孕災環境敏感性排名最高，承災體的脆弱性江漢區排名最高，防災抗災能力漢南區排名最高，在13個分區中，江漢區洪澇災害風險最高，漢南區洪澇災害風險最低。

3.3 應急避難場所選址優化研究

3.3.1 需求點數據

將武漢市13個分區的居住點中心或幾何中心作為需求點，并且假設每個行政區的災民作為1個整體進行避難。相較于地震災害的突發性強、破壞范圍廣等特點，城市洪澇災害與行政區地理位置、氣象條件和該區的防洪排水能力關系更加緊密，具有地區差異性和時間差異性。結合武漢市發生的洪澇災害案例，災民受災避難率在20%～40%之間。為體現洪澇災害避難需求差異性，將13個分區洪澇災害綜合風險指數值間隔1倍標準差從低到高劃分為3組，對應區域分別為低風險組、中風險組、高風險組，對應災民受災避難率分別為20%，30%，40%。避難需求人口數量按照該行政區總人口數與對應災民受災避難率相乘進行計算[9]。將行政區進行編號，將表3中各行政區洪澇災害風險系數值進行歸一化處理得到各區洪澇災害綜合風險權重ωi，避難需求人口數與ωi計算結果如表4所示。

表4 需求點信息

3.3.2 備選點選擇

根據武漢應急管理局官網資料顯示，武漢市目前已建成并正式投入使用的應急避難場所共5處，分別為武昌區洪山廣場、洪山區幸福灣公園、硚口區金三角人防工程、江岸區石橋公園、東西湖區三店學校，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、學校、體育場等眾多，依據《城市社區應急避難場所建設標準》(建標180—2017)[15]中平災結合原則，可對上述用地進行避難場所初選?！斗罏谋茈y場所設計規范》(GB 51143—2015)[16]中對應急避難場所進行了中心、固定和緊急3類避難場所的劃分。洪澇災害易導致人員傷亡、房屋坍塌、水源污染和疾病爆發與流行等問題，因此需要專業的救援隊伍，充足的應急物資儲備和相應規模的避難場所。中心避難場所作為規模較大、功能性強和能夠承擔避難救援中心作用的固定避難場所，更適合作為洪澇災害應急避難場所。綜合考慮避難場所的可達性、救援均衡性、安全性和吸引力4個因素[2]從140個初選點中篩選出34個可作為中心避難場所的備選點，中心避難場所的服務半徑為3～5 km。同時，考慮經濟性和現狀資源充分利用性，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急避難功能的避難場所也作為備選點進行分析。綜上共選取36個備選點，基本信息如表5所示。

表5 備選點信息

3.3.3 應急避難場所優化求解

考慮到構建的模型具有復雜程度較高，求解規模較大且屬于NP問題等特征，遺傳算法對于組合優化中的NP問題十分有效[10]，故采用遺傳算法對模型進行求解。經過多次實驗測試設置最優參數，初始種群規模N=200，交叉概率pc=0.8,變異概率pm=0.01，每個目標函數對應調優系數[10]分別為a=0.45，b=-0.20，c=0.35，最大迭代次數genmax=100。

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

圖1 迭代曲線

表6 選址對應結果

圖2 應急避難場所空間分布

4 結論

1)從致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體的脆弱性和防災抗災能力4個方面出發，構建城市洪澇災害風險評價體系，運用灰色模糊綜合評價法進行評價，反映當前城市洪澇災害風險現狀，可為城市應急防洪工作提供參考。

2)建立引入洪澇災害風險權重的多目標應急避難場所選址優化模型，旨在覆蓋洪澇災害風險權重高的需求點。模型采用遺傳算法求解，并以武漢市為實例展開研究，驗證模型科學性和有效性。

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