任家琪 余思汗 王炳亮 胡子琪 楊剛

引言

我國地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度洋板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶分布廣泛，歷史地震災(zāi)害頻發(fā)。截至2019 年，我國的城鎮(zhèn)化率首次突破60%大關(guān)達到60.6%。如何在城鎮(zhèn)范圍內(nèi)規(guī)劃、科學(xué)有效的布局地震應(yīng)急避難場所，應(yīng)對地震等突發(fā)災(zāi)害，是當今我國防震減災(zāi)領(lǐng)域的研究熱點之一。

寧夏回族自治區(qū)位于我國南北地震帶的北段，是中國大陸地形高度和地殼厚度變化的梯級帶，是青藏塊體和華北塊體的交匯部位。寧夏地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運動強烈，地震活動頻次高、強度大。1739 年銀川—平羅8 級地震，是中國大陸第一個省會城市直下型地震；1920 年海原8?級地震，是20 世紀中國大陸最強烈的地震之一。針對破壞性地震災(zāi)害，國內(nèi)外專家學(xué)者在地震應(yīng)急避難場所研究領(lǐng)域提出了多項理論依據(jù)，按照平災(zāi)結(jié)合的原則，采用粒子群優(yōu)化算法、最佳路徑、LA 模型、GIS 等技術(shù)手段，對城市群落進行地震應(yīng)急避難場所的科學(xué)化設(shè)立，以此來達到災(zāi)后緊急避險和安置的目的。

本文結(jié)合寧夏平羅縣城鎮(zhèn)建設(shè)布局、人口以及現(xiàn)有公共場所分布特點，針對當前寧夏平羅縣地震應(yīng)急避難場所數(shù)量不足、分布不合理等問題，利用GIS 技術(shù)和LA 模型、粒子群優(yōu)化算法等模型，對該縣的地震應(yīng)急避難場所進行空間分析、評價和選址，從而構(gòu)建寧夏平羅縣地震應(yīng)急避難場所空間、容量和區(qū)域位置的優(yōu)化方案，使當?shù)氐卣饝?yīng)急避難場所的設(shè)置更加科學(xué)合理，以滿足該地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)需求。

平羅縣基本簡介

寧夏回族自治區(qū)石嘴山市平羅縣，地處國家絲綢之路經(jīng)濟帶、呼包銀能源金三角、寧夏沿黃城市帶等經(jīng)濟區(qū)前沿地帶（圖1），距銀川河?xùn)|機場60 千米，距寧夏惠農(nóng)陸路口岸30 千米。截至2018 年，平羅縣常住總?cè)丝?1.6 萬人，下轄13 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，縣域總面積2060 平方千米。多條活動斷裂穿過縣域，其中平羅東-銀川隱伏斷裂北起黃渠橋，向南延至銀川以南，走向北北東，長約120 千米，為隱伏活動斷裂。1739 年1 月3 日北京時間晚8 點左右，當?shù)匕l(fā)生銀川—平羅8 級地震，造成了巨大的生命和財產(chǎn)損失。寧夏平羅縣也被列為寧夏地震重點監(jiān)視防御區(qū)。

現(xiàn)有地震應(yīng)急避難場所概述

近年來，在寧夏平羅縣的城市規(guī)劃和建設(shè)中，已經(jīng)有意識地綜合考慮了地震應(yīng)急避難場所的布設(shè)，結(jié)合廣場、學(xué)校操場、停車場等空曠區(qū)域設(shè)立了6 處地震應(yīng)急避難場所。表1 為現(xiàn)有地震應(yīng)急避難場所基本信息，其地理分布位置如圖2 所示。但是，平羅縣現(xiàn)有的地震應(yīng)急避難場所多設(shè)置于擁擠的城區(qū)內(nèi)部，占地面積狹小，周邊道路交通不便，城區(qū)分布不均，周邊的公共配套設(shè)施如廁所、醫(yī)院、消防站等不夠完善，從平災(zāi)結(jié)合、可達性、公平性、容納性和便利性方面而言，均無法滿足當?shù)鼐用竦牡卣饝?yīng)急避難需求。所以，本文結(jié)合寧夏平羅縣現(xiàn)狀，采用如下模型對當?shù)氐牡卣饝?yīng)急避難場所布局進行優(yōu)化。

圖1 平羅縣地理位置及破壞性歷史地震震中分布圖

表1 平羅縣現(xiàn)有地震應(yīng)急避難場所基本信息統(tǒng)計表

圖2 平羅縣現(xiàn)有地震應(yīng)急避難場所分布圖

地震應(yīng)急避難場所配置模型優(yōu)化構(gòu)建

（一）配置模型（LA 模型）

本文采用公共設(shè)施區(qū)位模型（Location AI-location model，簡稱LA 模型）來進行地震應(yīng)急避難場所的區(qū)位配置。在需求點和設(shè)施點分布已知的情況下，LA 模型可以通過AI算法系統(tǒng)自動匹配設(shè)施點和需求點，以實現(xiàn)設(shè)施選址的最優(yōu)化。LA 模型包含有4 個區(qū)位配置模塊:

1.中值問題模塊：給定區(qū)域范圍，假設(shè)設(shè)施點的數(shù)量固定，使需求點到設(shè)施點的總移動距離最小化，以此尋求設(shè)施點的最優(yōu)區(qū)位。

2.中心問題模塊：假設(shè)區(qū)域范圍內(nèi)候選設(shè)施選址數(shù)目給定，對需求點與其最近設(shè)施的最大距離進行最小化處理，以此尋求設(shè)施數(shù)目和區(qū)位點。

3.集合覆蓋問題模塊：此模塊用于對設(shè)施點的數(shù)目進行最小化，使其在數(shù)目最小化的同時完成所有需求點的覆蓋，以此來最小化設(shè)施點的建設(shè)成本。

4.最大覆蓋問題模塊：給定區(qū)域范圍，給定設(shè)施的最大服務(wù)距離，使其能夠最大化地覆蓋需求點。

LA 模型的運用，可以統(tǒng)籌兼顧市政建設(shè)的高效性和居民生活的便利性，也可以節(jié)約社會資源，優(yōu)化資源配比，使地震應(yīng)急避難場所資源得到合理利用。

（二）寧夏平羅縣地震應(yīng)急避難場所構(gòu)建原則

1.平災(zāi)結(jié)合：充分考慮地震應(yīng)急避難場所備選點的面積和容積，首選居民點附近的停車場、學(xué)校操場、空地、公園等基礎(chǔ)公共場所，以達到公共設(shè)施資源利用最大化。

2.可達性：地震災(zāi)害發(fā)生時間短，過程劇烈且破壞性大，所以可達性是地震應(yīng)急避難場所選取的核心關(guān)注點。居民需要在震后快速高效地到達地震應(yīng)急避難場所，并且備選點要便于相關(guān)部門進行震后的緊急救援。

3.公平性：當前寧夏平羅縣城市建筑及居民分布不均，居民聚集區(qū)域離散分布，所以此次地震應(yīng)急避難場所布局優(yōu)化構(gòu)建的一個要點是公平性。災(zāi)難發(fā)生時，需要杜絕差異化對待，確保每一個居民都可以獲得有效的避難空間。

4.容納性和便利性：我們所選取的地震應(yīng)急避難場所需要有足夠的容納性，且相關(guān)設(shè)施需要配套齊全，方便震后相關(guān)部門開展居民集體安置、物資輸送和應(yīng)急救援等工作。

優(yōu)化構(gòu)建方案

通過為期兩周的實地排查、場地走訪測量和目標地區(qū)GPS 勘測，綜合應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計分析模型、GIS 地理信息處理系統(tǒng)、LA 模型配比等，對平羅縣城區(qū)的道路建設(shè)、公共設(shè)施、區(qū)域空地、居民人口分布進行了詳細且準確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，建立了地震應(yīng)急避難場所關(guān)鍵節(jié)點數(shù)據(jù)庫。平羅縣城市布局以老城區(qū)及主干道為核心，成區(qū)域塊型輻射分布，通過GIS 對其建筑物、道路和人口參數(shù)進行分析后表明：老城區(qū)內(nèi)道路間隔小，十字路口多，分布密集且道路路面較窄，多為兩車道；老城區(qū)西部、東部、南部道路建設(shè)較為規(guī)整，橫平豎直交叉分布呈網(wǎng)格狀且道路間隔較大，多為四車道。如圖3 所示，圖中紅線為寧夏平羅縣城市道路分布圖，綠色標記點為優(yōu)化構(gòu)建之后的地震應(yīng)急避難場所。地震應(yīng)急避難場所依據(jù)城市道路分布而均勻設(shè)置，緊急情況下滿足道路網(wǎng)絡(luò)流通能力，震后救援相關(guān)部門可以快速到達，以便對受災(zāi)居民進行合理安置及緊急救援。

圖3 平羅縣地震應(yīng)急避難場所及城市道路分布圖

圖4 平羅縣地震應(yīng)急避難場所及建筑物分布圖

圖5 平羅縣地震應(yīng)急避難場所及人口分布圖

圖6 平羅縣地震應(yīng)急避難場所服務(wù)范圍分布圖

就建筑物分布而言（圖4），平羅縣老城區(qū)建筑物密集，多為高層商業(yè)樓和多層居民樓，且緊鄰城中道路而建，建筑物圍繞縣中心呈輻射狀發(fā)展；西部、東部、南部建筑物相對密集，北部相對比較稀疏且有不少商業(yè)性質(zhì)的廠房；最西部為縣城郊區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)域，多為農(nóng)房平房等單層建筑，且西部為建筑物分布最稀疏區(qū)域。

平羅縣人口分布（圖5）以縣中心為節(jié)點呈輻射化分布，與建筑物、城市道路密度分布呈線性正比關(guān)系。需要說明的是，西部人口高密度區(qū)域為農(nóng)房民房區(qū)域，本文對于鄉(xiāng)村人口的統(tǒng)計以片區(qū)為單位，對于城市高層建筑，是以每棟建筑為統(tǒng)計單位。根據(jù)平災(zāi)結(jié)合、可達性、公平性、容納性和便利性這幾項基本原則，綜合考量地理位置、使用面積、建設(shè)標準、容納能力、配套設(shè)施、周邊環(huán)境，對平羅縣地震應(yīng)急避難場所的布局進行了優(yōu)化構(gòu)建，最終選取了表2 中所示地點作為地震應(yīng)急避難場所。

以避難場所的容納能力、使用面積、周邊居民人口、可達距離、公共設(shè)施配置等為基本參數(shù)，初步建立輻射圓地震應(yīng)急避難模型，對此前所挑選的30 余處應(yīng)急避難場所進行了優(yōu)化篩檢，最終選取了能夠滿足地震應(yīng)急避難場所需求的15 個點。如圖6所示，藍色圓圈以避難場所為圓心，半徑為輻射范圍，圓形面積為應(yīng)急避難場所的綜合避難能力，由圖6 可得，其藍色圓圈多有交錯和重疊，這也是出于地震應(yīng)急避難場所的多樣選擇性考慮。

通過寧夏平羅縣地震應(yīng)急避難場所布局的優(yōu)化構(gòu)建，初步統(tǒng)計，完全可以滿足寧夏平羅縣91.23%（常住人口）左右的當?shù)鼐用襁M行有效的災(zāi)后避難，最遠避難路徑僅2.4 千米，以4.5 千米/小時的步速計算，最遠到達時間為32 分鐘，平均避難距離為0.61 千米，完全可以達到地震應(yīng)急避難要求，總計地震應(yīng)急避難場所使用面積為21.55萬平方米，總?cè)菁{能力為6.5517 萬人，人均地震應(yīng)急避難面積為3.3 平方米，可達性、容納性、便利性和公平性符合相關(guān)要求。

結(jié)論

本文運用GIS 空間分析功能，采用公共設(shè)施區(qū)位配置模型，結(jié)合平災(zāi)結(jié)合、可達性、公平性、容納性和便利性這五項基本原則對平羅縣進行了地震應(yīng)急避難場所布局的優(yōu)化構(gòu)建。針對平羅縣地震應(yīng)急避難場所數(shù)量少、布局不合理、容納能力差等突出問題，重新對其進行優(yōu)化。通過優(yōu)化后，平羅縣地震應(yīng)急避難場所平均避難距離為0.61 千米，總面積21.55 萬平方米，總?cè)菁{能力6.5517 萬人，人均面積3.3 平方米。

設(shè)施齊全、布局合理的地震應(yīng)急避難場所，對區(qū)域城鎮(zhèn)居民的震后緊急避難起到至關(guān)重要的作用。快速有效的震后疏散、合理安全的震后安置，不僅可以保障人民的生命財產(chǎn)安全，也有利于當?shù)卣跋嚓P(guān)部門開展震后應(yīng)急救援工作。避難場所的科學(xué)設(shè)置，不僅可以提高當?shù)鼐用竦挠行П茈U能力，也可以為抗震減災(zāi)和應(yīng)急救援起到積極示范的作用。作為一種有益的探索，平羅縣地震應(yīng)急避難場所的優(yōu)化設(shè)置，也可以為其他城鎮(zhèn)區(qū)域公共服務(wù)設(shè)施的配置提供參考依據(jù)。