于大超，王山東，毛澤紅，徐志遠，征 程

（1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

洪災(zāi)避難中的最佳路徑分析

于大超1，王山東1，毛澤紅1，徐志遠1，征 程1

（1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

從避難轉(zhuǎn)移的角度出發(fā)，分析了洪災(zāi)避難過程中的主要影響因素?；贏rcGIS應(yīng)用軟件通過對路網(wǎng)的分析，運用“點-線-點”的方式進行人員轉(zhuǎn)移，據(jù)此建立了最佳路徑分析模型；并結(jié)合安徽省安慶市某地區(qū)的實例，設(shè)計了避難最佳路徑方案。關(guān)鍵詞：洪水災(zāi)害；避難轉(zhuǎn)移；點-線-點；最佳路徑

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加速，洪水所造成的損失越來越大[1]。從時空范圍、強度以及對人類的生存與發(fā)展的角度看，洪水災(zāi)害也是影響最大的自然災(zāi)害之一[2]。面對洪災(zāi)，如何快速有效地組織居民、財產(chǎn)、物資的轉(zhuǎn)移，盡量減小洪災(zāi)的影響，確保人民的生命財產(chǎn)安全至關(guān)重要[3]。選擇有效的撤離路徑是快速撤離中的關(guān)鍵。本文在空間分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合洪水的淹沒方向、范圍，預計洪水到達時間等條件選定了合適的避難安置點。運用ArcGIS模擬分析并顯示了最佳避難路徑，為決策者提供有效依據(jù)。

1 避難方案分析

1.1 避難路徑分析

在洪水即將來臨或到來初期，要根據(jù)洪水到達的時間以及已經(jīng)被淹沒的情況選擇最佳的避難路徑，將人員轉(zhuǎn)移到安全地點。在這過程中，要考慮人員數(shù)量、路況、安全地點的安全性等；還要分析洪水淹沒的順序，選取最佳的避難方案，避免在轉(zhuǎn)移過程中走錯路，返回時容易造成車輛的碰撞以及擁堵。因此，在撤離過程中道路的等級條件、受災(zāi)人數(shù)、安置點的容納量等都應(yīng)該被考慮在內(nèi)[4]?？偟膩碚f，災(zāi)民的撤離工作具有強烈的時間和空間特性，是個非常復雜的空間分析過程。撤離路徑的選取涉及大量的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)。

1.2 安置點的選擇

洪災(zāi)避難的最終目的是確保受災(zāi)人群的人身財產(chǎn)安全，就是以最快的速度將人員轉(zhuǎn)移到安全地點。洪水來臨時，受災(zāi)人員必須被轉(zhuǎn)移到地勢較高，交通較便利，與外界通信能力良好的地方[3]，這就需要對安置場所進行選擇，選擇過程中應(yīng)綜合考慮人口數(shù)量、分布、地理條件、距離、空間位置和地面高程等要素。

1）就近安置原則。這樣便于人們保護自身的財產(chǎn)安全，同時也為救援和指揮提供了便利。

2）地面高程適宜原則。地勢太低安全得不到保證，地勢太高會增加救援物資運輸和發(fā)放的難度，同時也不利于避難設(shè)施的建設(shè)。

3）安全性原則。在選取和建設(shè)避難場所時，必須考慮自身的安全性問題，避免人員的再次轉(zhuǎn)移。

4）通達性原則。避難場所應(yīng)充分考慮其暢通性，防止避難轉(zhuǎn)移。

2 洪災(zāi)避難最佳路徑選擇

最佳路徑根據(jù)研究區(qū)具體情況的不同而有所變化，可能是最便捷的，是最省油的，是最省時的，或綜合最實際的，計算過程中是以各要素的權(quán)值作為計算依據(jù)的。本文的目的是找到居民點與安置點間的最佳撤離路徑[5]，因此主要討論距離最短與耗時最短兩種情況。距離最短路徑屬于靜態(tài)最佳路徑，只與交通結(jié)構(gòu)相關(guān)，而耗時最短路徑屬于動態(tài)最佳路徑，不僅與交通結(jié)構(gòu)相關(guān)，還與實時交通狀況有關(guān)，需要建立合適的路權(quán)模型[6]。

2.1 靜態(tài)最佳路徑分析

洪災(zāi)避難轉(zhuǎn)移過程中會根據(jù)實際情況設(shè)置若干個轉(zhuǎn)移點和安置點。目前，最短路徑算法中，最常用的是Dijkstra 算法，可根據(jù)此算法計算網(wǎng)絡(luò)中給定的某點到其他所有點的最短路徑。

2.2 動態(tài)最佳路徑分析

在實際洪災(zāi)遷移工程中，交通狀況復雜多變，路權(quán)是通過某條道路所需要的時間，通常采用理論與經(jīng)驗相結(jié)合的路權(quán)計算方法，主要考慮車流量、車速、密度3個重要參數(shù)[6]，以此確定路權(quán)函數(shù)理論模型。路權(quán)的計算公式為：

實際車速計算公式為：

式中，T（i，j）為車輛通過路段（i，j）所需時間；L （i， j）為路段（i，j）的長度；V（i，j）為（i，j）路段的實際平均車速；U0為零交通量時的行車速度；Q（i， j）為實際交通量；Km為道路堵塞密度。當路段不擁擠時，根式前取“+”；當路段擁擠時，根式前取“-”[7]；當路段處于堵塞狀態(tài)時，T（i，j）取一個足夠大的負數(shù)。

零交通量時車速為：

式中，γ 為混合交通狀況影響折減系數(shù)，γ的取值取決于機動車道與非機動車道是否存在隔離帶[6]。根據(jù)經(jīng)驗得出：有隔離帶時，不考慮折減，γ=1；沒有隔離帶時，需要考慮折減，γ=0.8。η為車道寬影響系數(shù)；V0為路段的設(shè)計車速，單位為m/s。

道路設(shè)計車速V0與道路的等級有關(guān)。車道寬對車速也會有很大的影響，根據(jù)《城市道路設(shè)計規(guī)范》，取標準車道寬為3.5 m，大于該值則有利于車輛行駛，車速還能略有提高；小于該值時，車輛行駛速度就會受到影響，車速降低[8]。表1為車道寬度d與車道寬影響系數(shù)η的關(guān)系。

表1 η與d的關(guān)系表

路段堵塞密度Km的計算公式為：

式中，C為交叉影響修正系數(shù)；n為單向機動車車道數(shù)；L為平均車身長度，取L=4.5 m；L0為平均堵塞車間凈距，取L0=0.5 m。其中，交叉影響修正系數(shù)的確定需涉及路段交叉口的有效通行時間比以及交叉口的間距等因素，在實際的洪災(zāi)救助過程中應(yīng)該是人為控制交通規(guī)則，而不是交叉信號燈對車輛行駛的控制。因此，交叉影響修正系數(shù)的確定需要系統(tǒng)長期的監(jiān)測和研究。此處取值C=0.33。

實際交通量Q（i，j）的確定公式為：

式中，Q0為設(shè)計交通量；m為車道數(shù)修正系數(shù)；車道數(shù)修正系數(shù)可根據(jù)表2確定。

表2 車道數(shù)修正系數(shù)

3 實例分析

本文應(yīng)用分析軟件對安徽省安慶市某洪水淹沒范圍區(qū)進行災(zāi)民轉(zhuǎn)移。根據(jù)道路等級的不同，各參數(shù)按要求使用ArcGIS進行空間數(shù)據(jù)輸入。

1）根據(jù)《城市道路交通規(guī)范》《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》以及研究區(qū)實際情況，設(shè)計車速 、設(shè)計交通量都與道路等級有關(guān)，關(guān)系見表3；再根據(jù)已知標準值求出待定的所有未知參數(shù)，見表4。

表3 設(shè)計車速、設(shè)計交通量與道路等級之間的關(guān)系

表4 ArcGIS 空間數(shù)據(jù)屬性表（部分數(shù)據(jù)）

2）建立道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，在空間數(shù)據(jù)模塊中加載網(wǎng)絡(luò)分析模塊并新建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，其中Length的屬性值表示靜態(tài)最佳分析結(jié)果，Time的屬性值表示動態(tài)最佳分析結(jié)果[6]。圖1、2分別為居民點陶寓村到安置點新西社區(qū)的靜態(tài)和動態(tài)的最佳路徑分析圖。

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1672-4623（2016）05-0067-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.021

2015-03-06。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41271538）。