城市應(yīng)急救援功能抗震韌性研究

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

城市發(fā)展與抵御各類風(fēng)險(xiǎn)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(cái)產(chǎn)安全最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。中國作為一個(gè)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(gè)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。“韌性”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(jī)并回復(fù)的能力，適應(yīng)新環(huán)境的能力，具有內(nèi)在的堅(jiān)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(kuò)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(gè)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(diǎn)領(lǐng)域。

1 國內(nèi)外研究背景

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(jìn)行城市具體功能韌性的研究，如Michel Bruneau[1]等提出了一個(gè)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(rèn)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(shí)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(jìn)行量化評估，并把這4項(xiàng)指標(biāo)與社區(qū)韌性的四個(gè)維度(技術(shù)，組織，社會和經(jīng)濟(jì))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(dá)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(jì)、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(gè)詳細(xì)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(jìn)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(jìn)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(gè)醫(yī)療功能單元及7個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)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。

2 韌性分析

2.1 韌性曲線

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(shí)間變化的情況，得到的功能時(shí)變曲線稱為韌性曲線。可將傷員救治效率作為應(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(shí)刻為te，由于該文研究災(zāi)害類型為地震，災(zāi)害發(fā)生時(shí)間相對全過程時(shí)間來說比較短，故將災(zāi)害發(fā)生過程視為一個(gè)瞬間；系統(tǒng)受損程度評估與分配修復(fù)資源進(jìn)行恢復(fù)的階段時(shí)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(jìn)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

2.2 多層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/h3>

采用多層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來對城市諸多基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)進(jìn)行建模，將多個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)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(gè)具備真實(shí)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(diǎn)與連接都根據(jù)真實(shí)的地理位置嵌固在這個(gè)地理層上。另外還可將系統(tǒng)中的用戶作為一個(gè)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(gè)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(diǎn)分別用黑色圓和白色圓表示。能夠?yàn)橛脩糁苯犹峁┓?wù)的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)與用戶節(jié)點(diǎn)直接相連，也存在一些間接為用戶提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)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(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)按照真實(shí)地理位置在地理層進(jìn)行投影。該文使用多層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(jìn)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(jìn)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(hù)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)

2.3 地震傷員的應(yīng)急救援流程

在模擬城市各系統(tǒng)遭受的地震災(zāi)損、估計(jì)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(duì)伍、救護(hù)車、醫(yī)院分別進(jìn)行傷員的搜救、運(yùn)輸、治療，其中輕度傷員搜救完成后即可進(jìn)行傷勢的恢復(fù)，而中度傷員、重度傷員必須經(jīng)過救護(hù)車運(yùn)輸后到醫(yī)院進(jìn)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。

3 結(jié)論

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(jìn)行準(zhǔn)確地量化評估。

b.城市在面臨各種危機(jī)的時(shí)候往往會暴露不少平時(shí)掩蓋的問題，應(yīng)對和處理手段也需要不斷改進(jìn)，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(gè)新的概念，會發(fā)揮出越來越重要的作用。