黃 勇，魏 猛，萬(wàn) 丹，蔡浩田

（1.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400030；2.重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030）

中國(guó)山地區(qū)域面積遼闊，約占陸地總面積的69%［1］，約有16%的人口分布在西南山地區(qū)域。一般而言，山地區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，建設(shè)用地局促，道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平相對(duì)較低，路網(wǎng)脆弱性高［2］；同時(shí)，受特殊地形、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)，造成山地區(qū)域道路系統(tǒng)部分路段功能失效，對(duì)路網(wǎng)可靠性造成重大影響。2008年5月12日，汶川地區(qū)8.0級(jí)地震，區(qū)域路網(wǎng)系統(tǒng)遭受嚴(yán)重?fù)p毀，嚴(yán)重阻礙了抗震救災(zāi)與災(zāi)后重建工作［3］。針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)開展可靠性研究，總結(jié)提煉多災(zāi)情景下路網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，對(duì)于開展交通運(yùn)營(yíng)管理和抗災(zāi)規(guī)劃等各項(xiàng)工作，具有重要意義。

道路系統(tǒng)可靠性研究可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面，靜態(tài)可靠性主要關(guān)注路網(wǎng)系統(tǒng)在不受干擾情況下的運(yùn)行表現(xiàn)，動(dòng)態(tài)可靠性主要研究路網(wǎng)系統(tǒng)面對(duì)各種干擾時(shí)的響應(yīng)規(guī)律。國(guó)內(nèi)外道路系統(tǒng)靜態(tài)可靠性研究主要集中在4個(gè)方面：連通可靠性、行程時(shí)間可靠性、容量可靠性和出行行為可靠性［4-6］。連通可靠性是指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)保持連通的概率，主要研究方法是圖論、布爾代數(shù)或整數(shù)規(guī)劃［7］，目前已擴(kuò)展到交通系統(tǒng)因?yàn)?zāi)受損對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響等方面［8-9］。行程時(shí)間可靠性是指出行者能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)順利完成一個(gè)起訖點(diǎn)OD對(duì)出行的概率［10］，目前已形成較為成熟的 TTR（travel-time reliability）模型［11-13］，并逐漸擴(kuò)展到公共交通與交通數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控等研究領(lǐng)域［14-17］。容量可靠性指道路交通網(wǎng)絡(luò)在指定服務(wù)水平下能夠容納一定交通量的概率，有學(xué)者根據(jù)不同外部條件的變化來(lái)分析路網(wǎng)容量可靠性，也有學(xué)者將TTR和容量可靠性整合來(lái)評(píng)價(jià)路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。出行行為可靠性最早針對(duì)交通系統(tǒng)的隨機(jī)波動(dòng)導(dǎo)致出行者出行行為的不穩(wěn)定性問題而提出［18-19］，根據(jù)出行者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的不同偏好，建立多類型風(fēng)險(xiǎn)偏好出行時(shí)間和路徑選擇模型［20］。近年來(lái)，各種原因?qū)е碌穆肪W(wǎng)功能損毀事件頻發(fā)［21-22］，使得對(duì)不同時(shí)刻調(diào)整路段通行能力的路網(wǎng)動(dòng)態(tài)可靠性研究日漸受到重視［23］，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究還不夠成熟。

國(guó)外的研究主要在以下兩個(gè)方面展開：

（1）路網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性遭受攻擊后復(fù)原力研究，如提出一種分配模型模擬進(jìn)化網(wǎng)絡(luò)性能，在給定擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，從擾動(dòng)開始到整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)的交通網(wǎng)絡(luò)彈性評(píng)估方法［24］；

（2）最優(yōu)路徑選擇問題的研究，如路網(wǎng)容量不確定性條件下最優(yōu)疏散路線的分析［25］。

國(guó)內(nèi)的研究主要在以下4個(gè)方面展開：

（1）時(shí)變或日變網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)可靠性研究，如構(gòu)建動(dòng)態(tài)路網(wǎng)系統(tǒng)行程時(shí)間可靠度估計(jì)的框架模型，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)可靠度的實(shí)時(shí)估計(jì)［26］；

（2）路網(wǎng)關(guān)鍵路段的可靠性識(shí)別研究，如識(shí)別道路網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以保證突發(fā)事件發(fā)生時(shí)整個(gè)道路網(wǎng)絡(luò)的暢通有序運(yùn)行［27］；

（3）突發(fā)事件下的路網(wǎng)可靠性變化規(guī)律和潛在的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，如構(gòu)建突發(fā)災(zāi)害下路網(wǎng)可靠性知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)，對(duì)路網(wǎng)可靠性運(yùn)行態(tài)勢(shì)的邏輯推理［28］；

（4）最優(yōu)路徑選擇問題的研究，如提高出行者的路徑選擇效率，從微觀層面對(duì)隨機(jī)動(dòng)態(tài)路網(wǎng)條件下的單車輛路徑選擇問題進(jìn)行深入研究［29］。

總體來(lái)看，當(dāng)前對(duì)于道路交通網(wǎng)絡(luò)可靠性研究對(duì)象方面，仍主要集中在城市領(lǐng)域，較少涉及到鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域；研究?jī)?nèi)容方面，較多集中于對(duì)道路交通網(wǎng)絡(luò)總體特征及靜態(tài)可靠性結(jié)構(gòu)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，或者是對(duì)隨機(jī)或組合干擾模式下網(wǎng)絡(luò)的脆弱性表現(xiàn)作一般性歸納，而較少研究道路網(wǎng)絡(luò)可靠性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律。本文所研究的角度為城鄉(xiāng)建設(shè)防災(zāi)，所研究的動(dòng)態(tài)可靠性僅指道路物理網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)可靠性。因此，以現(xiàn)實(shí)災(zāi)害情景為研究背景，模擬現(xiàn)實(shí)地質(zhì)災(zāi)害影響機(jī)制，對(duì)道路系統(tǒng)響應(yīng)現(xiàn)實(shí)災(zāi)害的機(jī)制規(guī)律進(jìn)行挖掘，增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)局部功能失效可能造成影響的后果預(yù)判能力，為西南山地多災(zāi)區(qū)域交通系統(tǒng)可靠性提升的規(guī)劃策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究靶區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

中國(guó)西南山地區(qū)域是我國(guó)主要的地質(zhì)災(zāi)害分布區(qū)，為了更好地探討多災(zāi)情景下西南山地道路網(wǎng)絡(luò)的規(guī)律性特征，應(yīng)當(dāng)選取具有西南山地道路、自然與經(jīng)濟(jì)條件特征的區(qū)域進(jìn)行研究，大渡河康定段區(qū)域（見圖1）處于災(zāi)害多發(fā)區(qū)且生態(tài)環(huán)境較為脆弱，道路建設(shè)多年來(lái)飽受泥石流、崩塌等自然災(zāi)害的侵害，如何減少突發(fā)災(zāi)害對(duì)路網(wǎng)可靠性服務(wù)能力的影響，成為該區(qū)域迫切需要解決的現(xiàn)實(shí)問題，因此該區(qū)域特征在西南山地多災(zāi)區(qū)域具有很強(qiáng)的代表性。文中主要研究數(shù)據(jù)來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研考察，據(jù)此構(gòu)建區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)。

圖1 大渡河流域康定段路網(wǎng)圖Fig.1Road network map of Kangding section of Dadu River Basin

1.2 研究框架

整體研究框架如圖2所示，將道路網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)模型，建立典型道路系統(tǒng)多災(zāi)干擾模擬機(jī)制及指標(biāo)體系，在不同災(zāi)害干擾情景下，總結(jié)道路網(wǎng)絡(luò)的可靠性規(guī)律特征，提出相應(yīng)規(guī)劃應(yīng)對(duì)策略。

圖2 整體研究框架Fig.2 Overall research framework

整體研究流程分為4個(gè)步驟（見圖3）：

步驟1 通過對(duì)研究靶區(qū)的調(diào)研分析，確定道路路段的地理空間位置及相關(guān)數(shù)據(jù)，在pajek網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上進(jìn)行道路系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建；

步驟2 通過計(jì)算機(jī)仿真模擬構(gòu)建多災(zāi)情景干擾模式；

步驟3 從網(wǎng)絡(luò)整體連通性和網(wǎng)絡(luò)高效連通性兩個(gè)指標(biāo)分析道路網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)可靠性；

步驟4 通過數(shù)理分析發(fā)現(xiàn)可靠性規(guī)律特征，提出應(yīng)對(duì)策略。

圖3 研究流程Fig.3 Flowchart of Research

2 路網(wǎng)模型、指標(biāo)與情景構(gòu)建

2.1 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

對(duì)道路現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行路網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建，將相鄰交叉口或鎮(zhèn)村點(diǎn)之間的道路進(jìn)行編號(hào)（以道路的邊為編號(hào)，在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中道路的邊便為其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)），道路段之間的交點(diǎn)為線，如圖4所示。

圖4 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建示意圖Fig.4 Construction of road network structure model

圖4中，左側(cè)編號(hào)［1］為道路段，編號(hào)［1］的道路段與編號(hào)［2］和編號(hào)［5］的道路段相連，在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建道路段即為點(diǎn)，編號(hào)［1］的路段即為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)5相連。

現(xiàn)實(shí)情景中，當(dāng)?shù)缆吩庥龈蓴_功能失效時(shí)，可能造成網(wǎng)絡(luò)局部脫離主體結(jié)構(gòu)形成多個(gè)獨(dú)立子圖（見圖5），同時(shí)道路網(wǎng)絡(luò)的連通效率也會(huì)降低（見圖6）。因此，需要從動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析層面，建立道路網(wǎng)絡(luò)可靠性分析測(cè)度指標(biāo)體系?？疾煺w連通性和高效連通性，對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)分別為最大連通子圖規(guī)模和全網(wǎng)連通效率。最大連通子圖的相對(duì)大小S是指最大連通子圖中的節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)數(shù)目的比值。最大連通子圖用來(lái)分析節(jié)點(diǎn)影響網(wǎng)絡(luò)整體連通性的能力。

最大連通子圖S計(jì)算公式為

圖5 整體連通性含義示意圖Fig.5 Meaning of overall connectivity

式中：N'表示網(wǎng)絡(luò)遭到攻擊后的最大連通子圖的節(jié)點(diǎn)數(shù)；N表示未遭攻擊時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)整體連通性是指網(wǎng)絡(luò)處于干擾受損狀態(tài)下，剩余結(jié)構(gòu)仍然能夠保持為一個(gè)連通整體的能力，最大連通子圖規(guī)模越大，表明網(wǎng)絡(luò)的整體連通性越好。

在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中，網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點(diǎn)vi和vj之間的效率即它們之間距離dij的倒數(shù)，可用εij表示為

全網(wǎng)效率是網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)之間效率的平均值，全網(wǎng)效率越高，表明高效連通性越強(qiáng)，用E表示全網(wǎng)效率

圖6 高效連通性含義示意圖Fig.6 Meaning of efficient connectivity

式中：n為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型及多災(zāi)情景干擾策略構(gòu)建

在Pajek軟件平臺(tái)上（版本：2.05）構(gòu)建現(xiàn)狀路網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，該區(qū)域現(xiàn)實(shí)道路網(wǎng)絡(luò)模型共有251個(gè)節(jié)點(diǎn)，360個(gè)邊（見圖7）。網(wǎng)絡(luò)初始最大連通子圖規(guī)模為251，網(wǎng)絡(luò)初始效率為0.099 25。

圖7 西南災(zāi)害多發(fā)區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建Fig.7 Construction of road network model in disaster-prone areas in southwest China

多災(zāi)情景是指該區(qū)域的災(zāi)害多發(fā)，同時(shí)災(zāi)害會(huì)對(duì)路網(wǎng)產(chǎn)生不同類型的破壞方式。故本文在國(guó)內(nèi)外已有研究的基礎(chǔ)上［30］，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)歷史資料及相關(guān)文獻(xiàn)，獲得地質(zhì)災(zāi)害分布及影響范圍、發(fā)生時(shí)間等數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)位于山地地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)等特征并綜合考慮研究區(qū)資源環(huán)境條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)因素，將研究區(qū)災(zāi)害情景設(shè)置為3種情景（見圖8），其中情景2和情景3數(shù)據(jù)來(lái)源于《甘孜州康定市2017年地質(zhì)災(zāi)害隱患排查工作成果報(bào)告》。

情景1：偶發(fā)地質(zhì)災(zāi)害情景。其特征是影響范圍較小，帶有較強(qiáng)的隨機(jī)性，具有普適性。在路網(wǎng)模型中表現(xiàn)為單點(diǎn)單路段破壞，即某一個(gè)路段遭到破壞。

情景2：小范圍地質(zhì)災(zāi)害情景。其特征是影響范圍較大，帶有特定區(qū)域的高發(fā)性，數(shù)據(jù)來(lái)源于當(dāng)?shù)刈钚碌刭|(zhì)災(zāi)害普查報(bào)告，能夠代表該區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害情景，具有研究?jī)r(jià)值。在路網(wǎng)模型中表現(xiàn)為單點(diǎn)多路段破壞，即同一個(gè)區(qū)域多個(gè)路段同時(shí)遭到破壞。

圖8 多災(zāi)情景干擾機(jī)制構(gòu)建示意圖Fig.8 Construction of multi-disaster scenario interference mechanism

圖9 偶發(fā)地質(zhì)災(zāi)害情景下網(wǎng)絡(luò)整體連通性變化示意圖Fig.9 Change of overall connectivity of network in the case of occasional geological disasters

圖10 偶發(fā)地質(zhì)災(zāi)害情景下網(wǎng)絡(luò)高效連通性變化示意圖Fig.10 Change of efficient connectivity of network in the case of occasional geological disasters

情景3：大范圍地質(zhì)災(zāi)害情景。其特征是影響范圍極大，帶有隨機(jī)性，仿真模擬現(xiàn)實(shí)地震情景，具有代表性。在路網(wǎng)模型中表現(xiàn)為多點(diǎn)多路段破壞，即多個(gè)區(qū)域多個(gè)路段同時(shí)遭到破壞。

運(yùn)用隨機(jī)失效算法，模擬偶發(fā)地質(zhì)災(zāi)害情景，失效節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同道路節(jié)點(diǎn)，采用隨機(jī)算法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真干擾；運(yùn)用選擇失效算法，模擬小范圍和大范圍地質(zhì)災(zāi)害情境，失效節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)災(zāi)害影響區(qū)域所對(duì)應(yīng)的道路節(jié)點(diǎn)。兩種算法均是從初始模型中刪除失效節(jié)點(diǎn)后恢復(fù)，再進(jìn)行下一次干擾，通過可靠性指標(biāo)的前后變化對(duì)比，提煉路網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性響應(yīng)規(guī)律。

3 計(jì)算分析與結(jié)果

3.1 偶發(fā)地質(zhì)災(zāi)害情景下影響效應(yīng)分析

偶發(fā)地質(zhì)災(zāi)害情景下，道路系統(tǒng)整體連通性響應(yīng)規(guī)律如圖9所示，特征值變化情況如表1所示；高效連通性響應(yīng)規(guī)律如圖10所示，特征值變化情況如表2所示。

采用隨機(jī)算法對(duì)偶發(fā)災(zāi)害進(jìn)行模擬，設(shè)定單個(gè)節(jié)點(diǎn)分別遭遇地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生功能失效。由計(jì)算可知，對(duì)于西南地區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)而言，不同路段發(fā)生功能失效，對(duì)整體路網(wǎng)可靠性的影響差異較大。整體連通性、高效連通性災(zāi)后下降率大于10%的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分別占總數(shù)的9.96%、10.76%，大于20%的分別占5.97%、5.98%。如編號(hào)［31］的路段（S211至大火地村金桐公路段）受災(zāi)損毀后，道路網(wǎng)絡(luò)的整體連通性下降率達(dá)到39.04%，高效連通性下降率達(dá)到28.57%，即該路段發(fā)生功能失效后，會(huì)導(dǎo)致保持連通狀態(tài)的路段數(shù)量?jī)H占原有比例的60%左右，路網(wǎng)系統(tǒng)顯著分裂為兩個(gè)獨(dú)立組團(tuán)，同時(shí)，眾多道路節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生聯(lián)系需要經(jīng)歷的路徑變長(zhǎng)。與之對(duì)比，編號(hào)［46］（兩河口村至小金縣金桐公路段）道路受災(zāi)損毀后，道路網(wǎng)絡(luò)整體連通性、高效連通性下降均小于1%，幾乎無(wú)變化。當(dāng)編號(hào)［32］（金桐公路大火地村段）受災(zāi)損毀后，道路網(wǎng)絡(luò)的整體連通性下降率為37.45%，高效連通性下降率達(dá)到29.61%，對(duì)比編號(hào)［31］和［32］的路段可知，若想要保證路網(wǎng)的整體連通性，即路網(wǎng)遭受干擾后，剩余結(jié)構(gòu)仍然能夠保持為一個(gè)連通整體的能力，從而不至于形成很多個(gè)小型的交通孤島，則需要重點(diǎn)保護(hù)編號(hào)［31］的路段；若想要保證路網(wǎng)的高效連通性，即路網(wǎng)遭受干擾后，仍然能夠保持較高的全網(wǎng)連通效率，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)點(diǎn)到另外一個(gè)點(diǎn)的平均路徑較短，則需要對(duì)編號(hào)［32］的路段做較多的加強(qiáng)措施。

表1 偶發(fā)地質(zhì)災(zāi)害情景下節(jié)點(diǎn)失效網(wǎng)絡(luò)整體連通性特征值變化情況（部分）Tab.1 Numerical changes of overall connectivity of network in the case of occasional geological disasters

表2 偶發(fā)災(zāi)害情景下節(jié)點(diǎn)失效網(wǎng)絡(luò)高效連通性特征值變化情況（部分）Tab.2 Numerical changes of efficient connectivity of network in the case of occasional geological disasters

3.2 小范圍地質(zhì)災(zāi)害情景下影響效應(yīng)分析

小范圍地質(zhì)災(zāi)害情景下，道路系統(tǒng)整體連通性響應(yīng)規(guī)律如圖11所示，特征值變化如表3所示。

圖11 小范圍地質(zhì)災(zāi)害情景下網(wǎng)絡(luò)整體連通性變化示意圖Fig.11 Change of overall connectivity of network in a small scale geological hazard scenario

表3 小范圍地質(zhì)災(zāi)害情景下節(jié)點(diǎn)失效網(wǎng)絡(luò)整體連通性特征值變化情況（部分）Tab.3 Numerical changes of overall connectivity of network in a small scale geological hazard scenario

高效連通性響應(yīng)規(guī)律如圖12所示，特征值變化如表4所示。

圖12 小范圍地質(zhì)災(zāi)害情景下網(wǎng)絡(luò)高效連通性變化示意圖Fig.12 Change of efficient connectivity of network in a small scale geological hazard scenario

依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害測(cè)評(píng)報(bào)告數(shù)據(jù)，劃定63個(gè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域，模擬考察1個(gè)區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害后，多個(gè)道路節(jié)點(diǎn)受損的情況。通過小范圍計(jì)算可知，整體連通性、高效連通性下降率大于10%的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分別占總數(shù)的23.81%、25.40%，大于20%的分別占7.94%、7.94%，與偶發(fā)災(zāi)害干擾情境下的影響相類似，不同區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致多個(gè)路段發(fā)生功能失效，對(duì)整體路網(wǎng)可靠性的影響差異較大。如，三合鄉(xiāng)莊房溝村后山危巖所影響的大火地村鄉(xiāng)村道路段及所處金桐公路段，即道路路段編號(hào)為［125、124、32］同時(shí)受到干擾后，最大連通子圖規(guī)模下降率為37.45%，全網(wǎng)連通效率下降率為29.82%；三合鄉(xiāng)赤絨村滑坡地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域，即道路路段編號(hào)［248］受到干擾后，路網(wǎng)系統(tǒng)整體連通性下降0.40%，連通性下降0.66%，幾乎無(wú)變化。

表4 小范圍地質(zhì)災(zāi)害情景下節(jié)點(diǎn)失效網(wǎng)絡(luò)高效連通性特征值變化情況（部分）Tab.4 Numerical changes of efficient connectivity of network in a small scale geological hazard scenario

3.3 大范圍地質(zhì)災(zāi)害情景下影響效應(yīng)分析

選取研究靶區(qū)歷史上曾經(jīng)發(fā)生的具有代表型的大范圍災(zāi)害情景進(jìn)行仿真模擬，選取具有不同屬性的案例為2008年5月12日汶川大地震、2013年4月20日蘆山7.0級(jí)地震、2014年11月22日康定塔公鄉(xiāng)6.3級(jí)地震。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表5，測(cè)算出災(zāi)變前后全網(wǎng)連通效率和最大連通子圖。

表5 大范圍地質(zhì)災(zāi)害情景下節(jié)點(diǎn)失效網(wǎng)絡(luò)整體連通性、高效連通性特征值變化情況Tab.5 Numerical changes of overall connectivity and efficient connectivity of network in a wide range of geological hazard scenario

3種現(xiàn)實(shí)地震情景下都對(duì)道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大范圍的干擾，整體連通性和高效連通性均有不同程度的下降，由此可見，因?yàn)榈匦?、河流等的自然條件的影響，西南山地多災(zāi)區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)為帶狀樹枝型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)集中性較差，與城鎮(zhèn)核心整體聯(lián)系緊密度和完備度較低，不同位置的多個(gè)路段失效更易導(dǎo)致全網(wǎng)癱瘓。道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極為不穩(wěn)定，在不同屬性的大范圍災(zāi)害干擾情景下均會(huì)形成不同規(guī)模的交通孤島，網(wǎng)絡(luò)最大連通子圖規(guī)模最低下降為101，下降率為59.76%，全網(wǎng)效率最低下降為0.041 2，下降率為58.44%，遠(yuǎn)高于偶發(fā)、小范圍災(zāi)害干擾情景的影響程度。

4 討論

4.1 多災(zāi)區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)可靠性規(guī)律特征

4.1.1 受關(guān)鍵路段及地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)地理位置的影響根據(jù)偶發(fā)、小范圍地質(zhì)災(zāi)害干擾情景下出現(xiàn)可靠性變化大和幾乎無(wú)變化的兩種情況的研究可以發(fā)現(xiàn)，西南山地地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)存在較多的關(guān)鍵路段，單點(diǎn)失效即造成網(wǎng)絡(luò)分裂成兩大連通子圖，多點(diǎn)同時(shí)失效則會(huì)分裂為多個(gè)互不聯(lián)系的連通子圖（見圖13）。

圖13 干擾前后道路交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Road traffic network before and after interference

西南山地城鄉(xiāng)道路網(wǎng)呈現(xiàn)出了典型的核心-邊緣及等級(jí)圈層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中具有絕對(duì)控制意義的交通軸線數(shù)量相對(duì)較少，城鄉(xiāng)道路網(wǎng)的等級(jí)體系不夠完善，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)脆弱，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)伺服效率和應(yīng)對(duì)突發(fā)事件能力不強(qiáng)。

4.1.2 不同等級(jí)關(guān)鍵路段呈現(xiàn)聚類分布

根據(jù)大范圍地質(zhì)災(zāi)害干擾情景研究，道路網(wǎng)絡(luò)受到大范圍災(zāi)害干擾后形成的交通孤島形態(tài)較為相似，均會(huì)形成團(tuán)、塊、點(diǎn)狀的類型。為探尋背后機(jī)理，將上述研究結(jié)論中道路系統(tǒng)分為關(guān)鍵路段（損毀后全網(wǎng)整體連通性、高效連通性下降率超過20%）和較為關(guān)鍵路段（損毀后全網(wǎng)整體連通性、高效連通性下降率在5%～20%）進(jìn)行可視化分析，發(fā)現(xiàn)不同等級(jí)關(guān)鍵路段呈現(xiàn)聚類分布（見圖14），若這些區(qū)域的道路段受到損毀后，即會(huì)對(duì)路網(wǎng)可靠性服務(wù)能力造成較大影響，并分裂成不同規(guī)模的交通孤島。

4.2 基于可靠性規(guī)律的規(guī)劃應(yīng)對(duì)策略

4.2.1 構(gòu)建道路網(wǎng)絡(luò)分級(jí)識(shí)別規(guī)劃體系

當(dāng)前應(yīng)對(duì)路網(wǎng)可靠性提升策略主要為整體路網(wǎng)的連通度提升或是對(duì)關(guān)鍵路段的等級(jí)提升［31］，沒有考慮到關(guān)鍵道路層級(jí)性與現(xiàn)實(shí)災(zāi)害情景的結(jié)合，實(shí)際指導(dǎo)效果較差。因此，依據(jù)道路網(wǎng)絡(luò)災(zāi)害動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估預(yù)測(cè)報(bào)告，建立西南山地多災(zāi)區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)分級(jí)規(guī)劃體系，可對(duì)關(guān)鍵路段、關(guān)鍵災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行工程治理，增強(qiáng)道路網(wǎng)絡(luò)的可靠性，同時(shí)可根據(jù)災(zāi)害干擾情景模擬后的分級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)確定重點(diǎn)防治區(qū)和一般防治區(qū)，進(jìn)而指導(dǎo)區(qū)域道路工程的規(guī)劃。具體來(lái)說(shuō)，在以上的災(zāi)害干擾情景分析中，將道路路段根據(jù)重要性分為高危、中危和低危3個(gè)等級(jí)。評(píng)價(jià)原則為：該路段或該地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)影響范圍內(nèi)的路段遭受干擾后，全網(wǎng)高效連通性或整體連通性下降率≥20%，則該路段及地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)影響范圍內(nèi)的路段評(píng)價(jià)為高危險(xiǎn)路段；若遭受干擾后全網(wǎng)高效連通性或整體連通性下降率在5%～20%，則該路段及地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)影響范圍內(nèi)的路段評(píng)價(jià)為中危險(xiǎn)路段；其余則評(píng)價(jià)為低危險(xiǎn)路段。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害資料，將地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分為高易發(fā)、中易發(fā)和低易發(fā)3個(gè)等級(jí)。將兩者疊加后得出基于易發(fā)性、危險(xiǎn)性分級(jí)的道路分級(jí)規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖14 路段聚類分布圖Fig.14 Section cluster distribution map

4.2.2 根據(jù)聚類特征構(gòu)建救災(zāi)避難體系

當(dāng)前避難場(chǎng)所設(shè)置研究主要為依靠設(shè)施區(qū)位來(lái)進(jìn)行避難所的選址［32］，較少依據(jù)災(zāi)區(qū)道路系統(tǒng)的可靠性規(guī)律特征來(lái)設(shè)置避難場(chǎng)所。

因此，根據(jù)前文分析，西南地區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)遭受具有不同屬性的災(zāi)害干擾后形成的交通孤島形態(tài)類型較為相似，孤島內(nèi)部無(wú)法和外部產(chǎn)生聯(lián)系。由此可見，可模擬不同屬性的災(zāi)害情景，測(cè)算出山地道路網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵路段聚類特征，從而在不同聚類區(qū)域增設(shè)不同等級(jí)的防災(zāi)避難設(shè)施等，以達(dá)到對(duì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)的防治與災(zāi)后救援減少人員傷亡與物資損失的目的。具體可根據(jù)以下原則設(shè)置一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)避難場(chǎng)所：①每一個(gè)關(guān)鍵路段聚類到一級(jí)避難場(chǎng)所的平均時(shí)間（距離）應(yīng)當(dāng)在一定限制之內(nèi)；②所有的居民點(diǎn)都需要被至少一個(gè)避難場(chǎng)所覆蓋；③避難場(chǎng)所覆蓋的人口數(shù)不超過其容量限制。一級(jí)避難場(chǎng)所為中心控制級(jí)，二級(jí)為確定協(xié)調(diào)控制級(jí)（多個(gè)區(qū)域），三級(jí)為路段控制級(jí)。不同等級(jí)相互協(xié)調(diào)，互相適應(yīng)。不同控制級(jí)避難場(chǎng)所示意圖如圖15所示。

圖15 不同控制級(jí)避難場(chǎng)所示意圖Fig.15 Shelters of different control levels

5 結(jié)論

本文選取了典型的西南災(zāi)害多發(fā)區(qū)大渡河流域康定段作為研究區(qū)域。通過采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)以及計(jì)算機(jī)仿真分析方法，在真實(shí)場(chǎng)景及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)模型以及多災(zāi)干擾模擬機(jī)制，選取整體連通性和高效連通性為指標(biāo)體系來(lái)探索道路網(wǎng)絡(luò)可靠性規(guī)律。通過分析結(jié)果得到，西南山地多災(zāi)區(qū)域城鄉(xiāng)道路網(wǎng)絡(luò)的可靠性受關(guān)鍵路段及地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)地理位置的影響，不同等級(jí)的關(guān)鍵路段呈現(xiàn)聚類分布的結(jié)論。據(jù)此提出基于可靠性規(guī)律來(lái)構(gòu)建道路網(wǎng)絡(luò)分級(jí)識(shí)別規(guī)劃體系，以及根據(jù)聚類特征來(lái)構(gòu)建救災(zāi)避難體系，從而提升多災(zāi)地區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)的可靠性服務(wù)能力。