基于ArcGIS的多準則地震應急避難所選址規劃研究

張亞楠　高惠瑛

基于ArcGIS的多準則地震應急避難所選址規劃研究

張亞楠高惠瑛

（中國海洋大學，工程學院土木工程系，山東青島 266100）

地震是極其嚴重的自然災害，有可能造成重大傷亡和經濟損失。由于城市中人口高度聚集，地震發生時，需將受災居民快速疏散至應急避難所，因此，應急避難所選址的合理性至關重要。本文提出1種可用于解決選址問題的多準則選址模型，并提出了求解模型的方法。該方法分為3個步驟，首先選擇候選應急避難所，其次分析候選避難所的服務范圍，最后確定應急避難所的位置。通過案例研究，論證了多準則選址模型在地震應急避難所規劃中的有效性。

多準則選址地震應急避難所地理信息系統（GIS）

引言

目前，世界上大多數人口生活在城市地區，隨著全球經濟的快速發展，城市越來越容易受到自然災害的影響。地震有可能對城市造成嚴重的破壞，如2008年的汶川地震造成796.7萬間房屋倒塌，2454.3萬間房屋損壞，汶川映秀被夷為平地，截至2008年9月18日地震共造成69226人死亡，17923人失蹤，是中國繼唐山地震后的又1次大規模破壞性地震（謝禮立等，2016）；此外，2011年日本東北部地震除了使大批建筑物遭到破壞，還造成18926人死亡（郭燕等，2013）。為了減輕地震對生命財產造成的損害，許多城市修建了應急避難所。自1956年以來，日本政府實施了專門的法律和標準，指導包括城市公園法、防災規劃和各種設計指南在內的應急避難所的建設（錢洪偉，2017）。1995年阪神大地震發生后，神戶市1250多處公園再次在救災方面顯示了巨大作用（魏博等，2010）。自此，日本更加注重防災公園的建設，將建設城市公園綠地體系作為抗震減災規劃的重中之重（吳健生等，2015），為其它國家與地區建設應急避難所提供了有益的啟示和成熟的經驗。

隨著中國城市化進程的加快，城市人口急劇增加，生產與生活高度集中，地震災害對城市安全構成了多方面威脅（賴俊彥等，2015）。2008年汶川8.0級大地震、2010年玉樹7.1級地震、2013年廬山7.0級地震、2014年魯甸6.5級地震和2017年九寨溝縣7.0級地震均給當地居民造成了重大的生命財產損失，但與此同時也迅速地促進了地震避難所的規劃進程（馮蔚等，2016）。合理規劃地震應急避難所不僅是震害防御準備中不可或缺的措施之一，更是災后能夠及時開展應急救援的必要條件（高偉等，2018）。

地震避難所是震后提供疏散保護和基本生活保障服務的安全場所。根據GB 50413—2007《城市抗震防災規劃標準》（中華人民共和國建設部，2007），將地震避難所分為應急避難所、固定避難所和中心避難所3大類。本文的研究對象是應急避難所，主要是指遠離危險源與高層建筑且配備疏散道路與水、電設施的公園綠地、活動廣場、學校等開敞空間。

1　 設施選址方法與應用現狀

1.1　設施選址方法

地震避難所選址模型的本質是設施選址問題，設施選址中經典的選址模型有-中值模型（-median problem）、-中心模型（-center problem）、集合覆蓋模型（location set covering problem）和最大覆蓋模型（maximal covering location problem）。

-中值模型由Hakimi在1964年提出，假定設施數量是確定的，則其決策目標是找到這些設施的位置，使需求點的總服務距離或者平均距離最小化（陳志芬等，2018）。

-中心模型與-中值模型相似，同樣假設有固定數量的設施，并從規劃布局公平性角度確定設施位置，盡量減少從設施點到需求點的最大服務距離。

集合覆蓋模型是1種強制性的覆蓋模型，最早由Toregas和Revelle提出，其決策目標是在遵循最大服務距離原則和限定需求點全被覆蓋的條件下，尋找最少的設施數量及其位置（陳志芬等，2018）。

最大覆蓋模型最早由Church和ReVelle提出，其決策目標是在限定設施數量和到需求點距離的條件下，確定最優的設施位置分布，并盡可能多地覆蓋需求點（陳志芬等，2018）。

1.2　設施選址應用現狀

經典選址模型是解決設施選址問題的基礎方法。許多研究和應用直接由經典模型擴展而來，如Rahmaniani等（2013）考慮不確定性，擴展了最大覆蓋選址模型，并提出了2階段的隨機優化定位方法。

另外，有研究通過建立1個多準則或者多目標的選址模型來滿足更為復雜的應用需求。Liu等（2011）以2008年5月12日汶川大地震為背景，從定性角度分析和應用了災難性山區地震應急避難所的選址準則，并為將來定量分析以及政府災后重建決策提供依據。Nappi等（2015）從定性和定量的角度給出了臨時避難所選址的10個標準，該標準為多個應用領域建立多準則選址模型提供了參考。Zhao等（2017）以北京市朝陽區金戰鎮為例，對疏散人口規模、疏散時間和總避難所面積之間的關系進行了研究，提出了最小化總加權疏散時間（TWET）與總疏散面積（TSA）的雙目標數學模型。上述模型包含多種多樣的標準，但從城市規劃的角度看，只有少數幾個適用于地震應急避難所的選址。一些對地震避難所的規劃起到重要作用的標準，諸如人口容量與避難所服務區域（空間覆蓋）之間的關系和候選避難所的選擇等，在目前的研究中很少被同時考慮。

近年來，地理信息系統（GIS）已被用于解決選址的問題。GIS在處理廣泛的空間數據分析問題上具有獨特的優勢，決策者可以選擇最適合的數據建模和分析方法來解決各種問題。本文在前人工作的基礎上，提出適用于地震避難所選址模型的多目標規劃原則，利用GIS的空間分析功能，提出設施選址相應的解決方法，并利用實例驗證其可行性。

2　模型建立

2.1　多目標規劃原則

（1）安全原則。安全原則是避難所選址的最基本原則，也是最重要的原則。為確保避難所本身與周邊環境安全以及居民避災時受到的次生災害影響最小，場所必須具有較低的危險性（史曉瑞等，2016）。其功能是提供保護，如場所本身具有較大的安全隱患，則失去了它的效用。

（2）平災結合原則。應急避難所主要是利用學校、綠地、公園、廣場等平時發揮教育、休閑等功能的開敞空間，在地震發生時能夠及時、有效地轉換功能，保障人民生活需求和生命安全。

（3）均衡分布原則。為了使人們在發生災難時能夠迅速到達地震應急避難所，避難所應較均勻地分布。換言之，應急避難所的空間分布應與人口密度相匹配。

（4）可達性原則?？蛇_性原則反映應急避難所與外界聯絡的效率。城市疏散道路是災時連接應急避難所與事發地、居民點和各服務設施之間的重要通道，道路通達性直接影響災后救援指揮的效率。地震災害發生后，人們在緊急逃生時一般以步行方式就近選擇避難所，因此避難所應在步行5分鐘內可達，故其服務半徑宜為500m（中華人民共和國建設部，2007）。

（5）服務容量有限原則。每個應急避難所的有效避難面積（即服務容量）是一定的，因此可容納的人數有限。合理的服務容量保證了避難者在發生次生災害時可以安全有效的疏散。

2.2　 多目標選址模型的建立

在經典選址模型的基礎上進行改進，設計最大覆蓋模型與-中值模型相結合的多準則選址模型，用來滿足上述原則。

3　基于GIS的多準則模型解決方案

3.1 　方案概述

本文提出的解決方案是1個迭代過程，如圖1所示。首先，根據多目標規劃原則，選擇應急避難所的候選地點。避難所空間分布的優化是設施選址的1個重要目標，由于規劃人員可靈活選址，該目標在城市規劃中容易實現，但需要注意的是避難所的位置受到安全原則的限制。建立公式（式（5）、式（6））對候選避難所進行估計，以衡量避難所地點的優先級。其次，根據實際的道路網絡構建交通網絡模型，通過GIS空間分析功能，對每個候選避難所的服務范圍進行逐一分析。最后，根據規劃區域和空間分布的總空間覆蓋率，選擇最終的避難所。

圖1 　地震避難所的選址迭代過程

3.2　候選避難所數目的確定

與擁有較完備生活設施的避難所不同，地震應急避難所只需要為人們提供開放的安全空地，地震過后人們返回解除危險的房屋或轉移集合到可以提供生活設施的避難所。參考《城市抗震防災規劃標準》（中華人民共和國建設部，2007）中疏散人口估算方法，緊急避難人數按照受災區內人口的80%計算，同時緊急避難場地不宜小于0.001km2。由于候選場所的服務區域可能會重疊，可用系數對候選避難所的數量進行調節，以估計正確的候選避難所數量。依據經驗，的范圍設置為1.5—3.5。

人們在應急避難所停留的時間一般只有幾小時到1天，基本的活動主要有站立和蹲坐（張燦強等，2012），并且需要一定的身體舒展活動空間，同時考慮此階段可能存在緊急救助傷員的空間需求，故人均有效應急避難面積應不少于1.5m2。根據公式（5）得到候選避難所的數目：

3.3　候選避難所優先級的確定

地震應急避險場所作為人們在地震發生時的臨時緊急躲避危險的空間，不同于相對穩定的應急避難所需要綜合兼顧資源保障、社會控制等因素（熊焰等，2014），故選取6個評價指標（表1），并根據公式（6）評價某一地點的適宜性，得分最高的點則有可能被選為正式的避難所。

其中，是每個候選點的得分，是每個評價指標的權重，f是候選點某單一評價指標的得分情況。

表1 　評價指標及評價權重

3.4　候選避難所服務范圍分析

理想的地震避難所服務范圍是圓形的，但在現實中較難實現。不同避難所的服務范圍受到人口容量和服務半徑2個因素的影響。

此外，從需求點到候選避難所的距離必須是道路的實際距離，而不是直線距離。避難所的服務人數應不超過避難所的人口容量，故避難所服務區域的大小也與規劃區域內的人口分布有關。

最終選址的避難所其服務區會存在不必要的重疊，導致重復計算人口需求。為消除重復計算，將重疊區域分別只劃歸到最近的地震應急避難所，此時得到的互不重疊的服務區劃分結果稱為地震應急避險場所的“最鄰近區”（高偉等，2018）。

3.5　避難所選址

每個候選避難所的服務區域可按優先級依次進行分析。當生成2個以上的服務區域時，需確保兩者的結合和優化，這一過程使用GIS空間操作符：聯合。

覆蓋率為候選避難所服務區域的聯合與規劃區域的面積之比，ratio是由城市總體規劃決定的覆蓋率的最小閾值，當＜ratio時，將對1個新的候選避難所（+1）進行選址分析，直到滿足閾值條件，完成選址分析。完整的分析過程如圖1所示。

4　案例研究

4.1 　案例背景

青島市作為中國經濟發展沿海城市，人口高度密集，經濟總量巨大，潛在地震風險高，次生災害因素多，防震減災形勢嚴峻、任務繁重。因此，將上述多目標選址模型應用到青島市黃島區（青島西海岸新區，本文統稱黃島區）的地震避難所選址中。

黃島區地處山東半島西南隅，膠州灣畔（潘強等，2018）。其地質構造復雜，處于北東向郯廬強震帶、北西向燕山-渤海強震帶和北東向南黃海強震帶的環繞之中，歷史上曾發生過中強以上地震，均造成了嚴重的破壞和影響。

黃島區需加強和完善應急避難所建設，充分利用學校操場、體育場館、廣場、公園、綠地等場所設置地震應急避難所，規劃應急疏散通道，配置避難救生設施，進一步完善其功能，提高地震應急避難所規范化水平（青島市地震局，2015）。

4.2　避難所現狀

目前，黃島區設有2個規模較大的應急避難所（表2），其中市民文體廣場避難所的人均避難面積為1.4m2，雙珠公園避難所的人均避難面積為2.4m2。然而，市民文體廣場的服務容量已飽和，違背了服務容量有限原則，且黃島區的應急避難所數量少，不符合均衡分布原則與可達性原則。

表2 　黃島區現有避難所詳細信息

黃島區常住人口為153.92萬（青島市統計局等，2018），根據以往的經驗設置調整系數為1.85，根據本文提出的模型與方法，得出候選避難所的數量為85個。對每個候選避難所進行實地調研，并利用綜合評價法對其優先級進行評定。

4.3　道路網絡數據集的建立

ArcGIS的網絡分析工具分為傳輸網絡分析和效用網絡分析，分別對應網絡數據集（netw ork dataset）和幾何網絡（geometric network）（湯國安等，2012）。其中，傳輸網絡分析常用于道路、地鐵等交通網絡進行路徑、服務范圍與資源分配等分析。通過建立網絡數據集，地理信息系統可實現每個設施點的服務區域功能分析。

通過“公開地圖”（open street map，OSM）和“天地圖”等在線地圖，將黃島區的路網數據格式轉換后導入ArcGIS地理數據庫要素集中，進行拓撲檢查后，建立網絡數據集。將道路長度（road length）設置為數據集的限制屬性“成本”，可將道路長度轉換為疏散人群的旅行距離。黃島區的道路網絡數據集如圖2所示。

圖2 　ArcGIS道路網絡數據集

4.4　候選避難所服務區域分析

候選避難所的服務范圍取決于人口容量、道路距離和人口分布。在決定候選避難所時考慮人口密度等因素，選擇人口密度較大的鄉鎮、街道等的活動廣場和社區內的綠地、公園以及周邊的學校等開闊空曠的場地。對于人口容量，若無法得到單個候選避難所服務區域內的準確人口，則可利用黃島區人口普查數據對服務區域面積進行比較，得到服務區域內的人口。

利用ArcEngine程序實現迭代計算，確定了75個地震避難所的位置，其空間分布以及服務區域如圖3所示。其中，大部分避難所為學校的操場、街道社區的文化廣場以及公園綠地等，所有避難所的聯合服務區域為462km2，覆蓋率為77%，滿足防災減災規劃要求。避難所的詳細信息見表3。

表3 　應急避難所信息

續表

圖3 　黃島區應急避難所分布

5　結論

地震避難所規劃是防災減災的重要舉措。本文提出了基于地理信息系統的多目標選址模型，有效地解決了城市避難所的選址問題。將此模型應用到黃島區，驗證了模型的可行性與有效性，并完善和豐富了黃島區的避難所規劃。

多準則選址模型可以作為當地政府實施防災規劃的決策工具，還可通過GIS數據庫搭建防災信息平臺，加快應急避難所的規劃進程。但是，本文構建的決策模型還存在一定的不足，如通過服務區域得到的人口數量為近似值等，今后仍需進一步完善。

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Planning Multi-criteria Seismic Emergency Shelter Site Based on ArcGIS

Zhang Yanan and Gao Huiying

(Department of Civil Engineering, School of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong, China)

Earthquakes are extremely serious natural disasters, causing heavy casualties and economic losses. As the population in the city is highly concentrated, it is necessary to evacuate the disaster-affected residents to the emergency shelter once a disaster occurs. Therefore, the rationality of emergency shelter location becomes the focus of research. In this study, a multi-criterion constrained siting model is proposed to solve the siting problem. Then, an iterative method is proposed to solve the model. With the support of Geographical Information System (GIS), this method we developed consists of three steps: selecting candidate shelters, analyzing the space coverage of candidate shelters, and determining the location of the shelters. Finally, through case study, the application of the multi-criterion model and the effectiveness of the corresponding solutions in the planning of urban earthquake shelters are demonstrated.

Multi-criteria; Location; Seismic Emergency Shelter; Geographic information system (GIS)

10.11899/zzfy20190211

2018-07-09

張亞楠，女，生于1994年。碩士研究生。研究方向：管理科學與工程。E-mail：ouc_erica1318@163.com

張亞楠，高惠瑛，2019．基于ArcGIS的多準則地震應急避難所選址規劃研究．震災防御技術，14（2）：376—386．