寧夏平羅縣地震應急避難場所布局優(yōu)化探索

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，歷史地震災害頻發(fā)。截至2019 年，我國的城鎮(zhèn)化率首次突破60%大關達到60.6%。如何在城鎮(zhèn)范圍內(nèi)規(guī)劃、科學有效的布局地震應急避難場所，應對地震等突發(fā)災害，是當今我國防震減災領域的研究熱點之一。

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。針對破壞性地震災害，國內(nèi)外專家學者在地震應急避難場所研究領域提出了多項理論依據(jù)，按照平災結(jié)合的原則，采用粒子群優(yōu)化算法、最佳路徑、LA 模型、GIS 等技術手段，對城市群落進行地震應急避難場所的科學化設立，以此來達到災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急避難場所數(shù)量不足、分布不合理等問題，利用GIS 技術和LA 模型、粒子群優(yōu)化算法等模型，對該縣的地震應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北茈y場所的設置更加科學合理，以滿足該地區(qū)的防災減災需求。

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），距銀川河東機場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)劃和建設中，已經(jīng)有意識地綜合考慮了地震應急避難場所的布設，結(jié)合廣場、學校操場、停車場等空曠區(qū)域設立了6 處地震應急避難場所。表1 為現(xiàn)有地震應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)有的地震應急避難場所多設置于擁擠的城區(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，周邊的公共配套設施如廁所、醫(yī)院、消防站等不夠完善，從平災結(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北茈y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北茈y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)有地震應急避難場所基本信息統(tǒng)計表

圖2 平羅縣現(xiàn)有地震應急避難場所分布圖

地震應急避難場所配置模型優(yōu)化構(gòu)建

（一）配置模型（LA 模型）

本文采用公共設施區(qū)位模型（Location AI-location model，簡稱LA 模型）來進行地震應急避難場所的區(qū)位配置。在需求點和設施點分布已知的情況下，LA 模型可以通過AI算法系統(tǒng)自動匹配設施點和需求點，以實現(xiàn)設施選址的最優(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，假設設施點的數(shù)量固定，使需求點到設施點的總移動距離最小化，以此尋求設施點的最優(yōu)區(qū)位。

2.中心問題模塊：假設區(qū)域范圍內(nèi)候選設施選址數(shù)目給定，對需求點與其最近設施的最大距離進行最小化處理，以此尋求設施數(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，以此來最小化設施點的建設成本。

4.最大覆蓋問題模塊：給定區(qū)域范圍，給定設施的最大服務距離，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，使地震應急避難場所資源得到合理利用。

（二）寧夏平羅縣地震應急避難場所構(gòu)建原則

1.平災結(jié)合：充分考慮地震應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、學校操場、空地、公園等基礎公共場所，以達到公共設施資源利用最大化。

2.可達性：地震災害發(fā)生時間短，過程劇烈且破壞性大，所以可達性是地震應急避難場所選取的核心關注點。居民需要在震后快速高效地到達地震應急避難場所，并且備選點要便于相關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，所以此次地震應急避難場所布局優(yōu)化構(gòu)建的一個要點是公平性。災難發(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急避難場所需要有足夠的容納性，且相關設施需要配套齊全，方便震后相關部門開展居民集體安置、物資輸送和應急救援等工作。

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、公共設施、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，建立了地震應急避難場所關鍵節(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)建之后的地震應急避難場所。地震應急避難場所依據(jù)城市道路分布而均勻設置，緊急情況下滿足道路網(wǎng)絡流通能力，震后救援相關部門可以快速到達，以便對受災居民進行合理安置及緊急救援。

圖3 平羅縣地震應急避難場所及城市道路分布圖

圖4 平羅縣地震應急避難場所及建筑物分布圖

圖5 平羅縣地震應急避難場所及人口分布圖

圖6 平羅縣地震應急避難場所服務范圍分布圖

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、建設標準、容納能力、配套設施、周邊環(huán)境，對平羅縣地震應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、公共設施配置等為基本參數(shù)，初步建立輻射圓地震應急避難模型，對此前所挑選的30 余處應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，這也是出于地震應急避難場所的多樣選擇性考慮。

通過寧夏平羅縣地震應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急避難要求，總計地震應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要求。

結(jié)論

本文運用GIS 空間分析功能，采用公共設施區(qū)位配置模型，結(jié)合平災結(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急避難場所布局的優(yōu)化構(gòu)建。針對平羅縣地震應急避難場所數(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。

設施齊全、布局合理的地震應急避難場所，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部門開展震后應急救援工作。避難場所的科學設置，不僅可以提高當?shù)鼐用竦挠行П茈U能力，也可以為抗震減災和應急救援起到積極示范的作用。作為一種有益的探索，平羅縣地震應急避難場所的優(yōu)化設置，也可以為其他城鎮(zhèn)區(qū)域公共服務設施的配置提供參考依據(jù)。