魏文暉,方育銘,胡 郢
(武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點實驗室,武漢 430070)
城市發(fā)展與抵御各類風(fēng)險災(zāi)害相伴相隨,其中地震災(zāi)害是災(zāi)害之首,是世界上威脅人類生命財產(chǎn)安全最嚴重的自然災(zāi)害之一。中國作為一個地震活動頻繁的國家,城市抗震防災(zāi)是重中之重,但是城市的抗震防災(zāi)涉及多個方面,單憑對于建筑單體的抗震設(shè)防措施無法形成完整的城市抗震性能,必須著眼于城市整體功能的抗震,也就是城市抗震韌性?!绊g性”這一概念源于生態(tài)學(xué)研究,最初韌性被定義為系統(tǒng)恢復(fù)平衡的速度,應(yīng)對危機并回復(fù)的能力,適應(yīng)新環(huán)境的能力,具有內(nèi)在的堅固性、彈性與適應(yīng)性,當(dāng)“韌性”被應(yīng)用于抗震防災(zāi)領(lǐng)域,抗震韌性被定義為遭受地震災(zāi)害的主體吸收地震破壞并迅速恢復(fù)的能力。隨著相關(guān)研究的深入,其內(nèi)涵擴展至社會-生態(tài)系統(tǒng)的研究中,逐漸成為較為系統(tǒng)的理論體系。一座韌性城市是一個由物質(zhì)系統(tǒng)和人類社區(qū)組成的可持續(xù)網(wǎng)絡(luò),物質(zhì)系統(tǒng)是城市中的自然和人造環(huán)境要素,人類社區(qū)是城市的社會和制度構(gòu)成元素。經(jīng)過發(fā)展,城市韌性已經(jīng)成為城市安全研究的熱點領(lǐng)域。
城市韌性作為研究城市整體功能的工具,已經(jīng)成為熱門的研究領(lǐng)域,國內(nèi)外有諸多學(xué)者進行城市具體功能韌性的研究,如Michel Bruneau[1]等提出了一個概念框架來定義社區(qū)的地震恢復(fù)力及其量化方法,他認為系統(tǒng)功能恢復(fù)力作用是:降低功能受損概率、降低功能受損后果和縮短恢復(fù)時間,該框架還可以對系統(tǒng)終端的穩(wěn)定性和敏捷性、系統(tǒng)平均資源富余度和冗余度進行量化評估,并把這4項指標(biāo)與社區(qū)韌性的四個維度(技術(shù),組織,社會和經(jīng)濟)整合,以上措施都可以用于量化評估各類物質(zhì)和組織系統(tǒng)的恢復(fù)力,并用框圖確定達到這些目標(biāo)所需的措施;Abdullah Shafieezadeh[2]提出基于情境的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)韌性評估概率框架,考慮了地震烈度測量相關(guān)性、結(jié)構(gòu)構(gòu)件易損性評估、設(shè)備修復(fù)要求的估計、修復(fù)過程以及服務(wù)需求等過程中的不確定性,提出了考慮地震烈度、震中距和服務(wù)需求度的概率密度的韌性函數(shù),建立了一個詳細的海港模型,使用海港工作歷史建立服務(wù)需求模型,并對其進行抗震韌性分析;李瑞奇[3]等基于韌性曲線的概念,從城市結(jié)構(gòu)、城市安全韌性、突發(fā)事件、城市功能恢復(fù)等方面出發(fā),構(gòu)建了城市系統(tǒng)功能系數(shù)、城市子系統(tǒng)功能函數(shù)、安全韌性函數(shù)、破壞性函數(shù)、恢復(fù)函數(shù),定義了城市安全韌性水平,提出包含城市結(jié)構(gòu)模型、城市安全韌性模型、突發(fā)事件模型、城市功能恢復(fù)模型的城市安全韌性定量分析框架;以地震災(zāi)害為例,建立包含建筑、交通、能源、通訊、供水等子系統(tǒng)的虛擬城市模型,通過蒙特卡洛法對城市遭受地震災(zāi)害的韌性進行模擬仿真;尚慶學(xué)[4]提出一種量化醫(yī)療系統(tǒng)抗震韌性的評估框架,通過定義醫(yī)療系統(tǒng)功能、確定關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施及支撐醫(yī)療系統(tǒng)功能的關(guān)鍵構(gòu)件建立醫(yī)療系統(tǒng)模型,將醫(yī)療系統(tǒng)劃分為5個醫(yī)療功能單元及7個子系統(tǒng),每個子系統(tǒng)由不同的構(gòu)件組成,由此建立醫(yī)療系統(tǒng)抗震韌性評估指標(biāo)體系,并通過層次分析法確定指標(biāo)體系各組成部分的權(quán)重系數(shù),用于后續(xù)的韌性評估。
目前來說,國內(nèi)外對于災(zāi)害韌性的研究基本以韌性曲線分析為主[5]。對于城市災(zāi)害應(yīng)急救援,通過模擬城市應(yīng)急救援系統(tǒng)的功能水平在災(zāi)害發(fā)生情況下隨時間變化的情況,得到的功能時變曲線稱為韌性曲線??蓪麊T救治效率作為應(yīng)急救援系統(tǒng)的功能水平函數(shù)。韌性曲線如圖1所示,災(zāi)害發(fā)生時刻為te,由于該文研究災(zāi)害類型為地震,災(zāi)害發(fā)生時間相對全過程時間來說比較短,故將災(zāi)害發(fā)生過程視為一個瞬間;系統(tǒng)受損程度評估與分配修復(fù)資源進行恢復(fù)的階段時長為Tc。
將災(zāi)害韌性曲線的積分與理想韌性曲線的積分的比值作為功能韌性的值,韌性R表示如式(1)所示
(1)
對于韌性的研究除韌性曲線外,還可使用4R災(zāi)害韌性特征進行評判[1],它們分別為:魯棒性(Robustness)、冗余性(Redundancy)、敏捷性(Rapidity)、適應(yīng)性(Resourcefulness)。具體描述如表1所示。
表1 4R災(zāi)害韌性特征及描述
采用多層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)來對城市諸多基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)進行建模,將多個基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲模型進行疊加來體現(xiàn)系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián),僅僅這樣還不能夠很好地表示地理關(guān)系,還需要另外疊加一個具備真實地理坐標(biāo)的地理層,使其他所有基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的節(jié)點與連接都根據(jù)真實的地理位置嵌固在這個地理層上。另外還可將系統(tǒng)中的用戶作為一個用戶集合,表示所有用戶以地理位置為根據(jù)的集合。
以圖2一個簡單的虛擬城市為例,其中有兩類基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng),節(jié)點分別用黑色圓和白色圓表示。能夠為用戶直接提供服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)節(jié)點與用戶節(jié)點直接相連,也存在一些間接為用戶提供服務(wù)的節(jié)點例如水廠、發(fā)電站等,黑色基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)與白色基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)互相存在連接,這種連接通過層間連接模擬。此外,兩個基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的節(jié)點按照真實地理位置在地理層進行投影。該文使用多層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對城市交通系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)進行建模,并根據(jù)系統(tǒng)的具體形式選用無向賦權(quán)網(wǎng)絡(luò)或者有向賦權(quán)網(wǎng)絡(luò)進行基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的建模。
城市應(yīng)急救援系統(tǒng),包含消防系統(tǒng)、救護車系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、居住系統(tǒng)/災(zāi)民疏散安置系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、供電系統(tǒng),對于這些系統(tǒng)的功能水平評判指標(biāo)如表2所示。
根據(jù)此表2中的指標(biāo)可評判地震下的各系統(tǒng)功能變化情況,并據(jù)2.3節(jié)綜合得到傷員救治效率。
表2 應(yīng)急救援基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的功能水平指標(biāo)
在模擬城市各系統(tǒng)遭受的地震災(zāi)損、估計城市居民的傷亡情況后,需要模擬應(yīng)急救援系統(tǒng)在災(zāi)損情況下對地震產(chǎn)生傷員的救援過程。根據(jù)資料[6],具體流程如圖3所示。
在地震發(fā)生后,破壞程度較重的建筑中將產(chǎn)生各種受傷程度的傷員,由消防隊伍、救護車、醫(yī)院分別進行傷員的搜救、運輸、治療,其中輕度傷員搜救完成后即可進行傷勢的恢復(fù),而中度傷員、重度傷員必須經(jīng)過救護車運輸后到醫(yī)院進行治療,考慮此過程中死亡的傷員,最終可得到傷員的救治效率。
a.該文提出的城市應(yīng)急救援系統(tǒng)抗震韌性分析框架可對城市應(yīng)急救援系統(tǒng)受到地震損害后的韌性進行準(zhǔn)確地量化評估。
b.城市在面臨各種危機的時候往往會暴露不少平時掩蓋的問題,應(yīng)對和處理手段也需要不斷改進,城市從量的堆積轉(zhuǎn)向質(zhì)的轉(zhuǎn)變的過程中,城市韌性作為一個新的概念,會發(fā)揮出越來越重要的作用。