呂桂菊李怡凡趙炳欣徐國良崔志鵬

(1.山東工藝美術(shù)學(xué)院 建筑景觀學(xué)院，山東 濟(jì)南250000；2.山東綠美生態(tài)環(huán)境工程集團(tuán)有限公司，山東 昌邑261300)

0 引言

過快的城市化進(jìn)程將會(huì)引起災(zāi)難的隨時(shí)發(fā)生，需要提高城市應(yīng)急避險(xiǎn)能力。 城市綠地是應(yīng)急避險(xiǎn)中的重要場(chǎng)所，由于高校是城市中人口高度聚集的區(qū)域，高校綠地和開放空間是否滿足校園中大量人群的避險(xiǎn)需求，且如何快速疏散人群，以及能否提供有效的避險(xiǎn)空間，值得深入研究。 有學(xué)者研究了城市公園綠地的避險(xiǎn)機(jī)能，分析了避險(xiǎn)綠地服務(wù)半徑的合理確定、建設(shè)時(shí)限、容量計(jì)算等問題[1-4]；基于避險(xiǎn)能力系統(tǒng)化研究的公園規(guī)劃設(shè)計(jì)，應(yīng)以平時(shí)和災(zāi)時(shí)結(jié)合為設(shè)計(jì)的主要原則，以實(shí)現(xiàn)公園平時(shí)與災(zāi)時(shí)的功能轉(zhuǎn)換[5-7]；還有學(xué)者分析了城市的應(yīng)急避險(xiǎn)場(chǎng)所空間整體布局，提出運(yùn)用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 分析工具評(píng)價(jià)城市宏觀層次的綠地應(yīng)急避難能力和避難場(chǎng)所空間分布的合理性[8-12]。 基于城市背景下的綠地系統(tǒng)應(yīng)急避險(xiǎn)功能研究較多，而面對(duì)高校的研究較少。 文章運(yùn)用ArcGIS 分析工具，基于城市綠地應(yīng)急避險(xiǎn)的研究基礎(chǔ)，通過梳理校區(qū)的安全綠地空間和有效避險(xiǎn)面積，結(jié)合校園人口分布的特殊性，提出人均有效避險(xiǎn)面積和有效避險(xiǎn)綠地可達(dá)性兩項(xiàng)指標(biāo)，以分析和評(píng)價(jià)大學(xué)校園的綠地應(yīng)急避險(xiǎn)能力。

1 研究區(qū)域概況

1.1 區(qū)位分析

濟(jì)南市位于山東省中西部，南依泰山、北跨黃河、背山面水，地勢(shì)南高北低，處于河北平原和魯北平原地震帶上。 山東工藝美術(shù)學(xué)院長清校區(qū)位于濟(jì)南市長清區(qū)大學(xué)路1255 號(hào)，南與山東師范大學(xué)隔路相望，西接山東女子學(xué)院及其附屬幼兒園。 校區(qū)在校生有6 700 人、教職工為3 082 人，總規(guī)劃面積為180 000 m2，其中，已建成建筑面積為61 174 m2。 校區(qū)依北大山而建，其坐落于校園的北部，是校區(qū)主山體，整體地勢(shì)北高南低，且坡度平緩。

1.2 主要災(zāi)害類型

濟(jì)南轄區(qū)有感地震記載多次，＞5 級(jí)的中強(qiáng)地震發(fā)生過3 次，包括1620 年(明萬歷四十八年)10 月19 日濟(jì)陽的5.0 級(jí)地震，1622 年(明天啟二年)4 月17 日長清的5.5 級(jí)地震，1835 年(清道光十五年)6月6 日平陰的5.0 級(jí)地震[13]。 濟(jì)南地處華北斷塊東部，位于魯西隆起與華北沉陷的轉(zhuǎn)換帶上，東北向斷裂與西北向斷裂交錯(cuò)分布。 山東工藝美術(shù)學(xué)院所在的長清區(qū)屬于濟(jì)南轄區(qū)規(guī)模較大的斷裂之一，在2020 年2 月18 日發(fā)生了4.1 級(jí)地震及多次余震，所以地震是文章研究的主要災(zāi)害類型。

2 研究方法

運(yùn)用ArcGIS 分析工具，分析校區(qū)的安全綠地空間和有效避險(xiǎn)面積，在此基礎(chǔ)上，研究人均有效避險(xiǎn)面積和有效避險(xiǎn)綠地的可達(dá)性。

有效避險(xiǎn)綠地可達(dá)性分析是研究在災(zāi)害發(fā)生后人們?cè)谟邢薜臅r(shí)間里到達(dá)有效避險(xiǎn)綠地的方便程度。 人均有效避險(xiǎn)面積分析是基于避險(xiǎn)綠地與當(dāng)?shù)厝丝诘钠ヅ淝闆r，研究避險(xiǎn)綠地的承載能力。 文章通過對(duì)校區(qū)有效避險(xiǎn)綠地可達(dá)性和人均有效避險(xiǎn)綠地面積的分析，闡明校區(qū)目前的應(yīng)急避險(xiǎn)能力，并提出優(yōu)化建議及建設(shè)指導(dǎo)。

2.1 安全綠地空間分析

安全綠地空間分析即分析建筑倒塌后和地形坡度對(duì)綠地空間的影響，疊加地震時(shí)建筑頂層倒塌的最大拋物距離圍合形成多邊形，除此之外的剩余綠地則是作為安全綠地空間。 一般以建筑地平面為基點(diǎn)，大于建筑高度4/5 的距離即是安全綠地空間；在地形上無明顯坍塌隱患的即為安全綠地空間。 安全綠地空間的分析及其結(jié)論對(duì)于避難場(chǎng)所的選建具有重要指導(dǎo)作用。

2.2 有效避險(xiǎn)面積分析

有效避險(xiǎn)綠地面積分析是指滿足避險(xiǎn)要求的安全綠地，即為高校內(nèi)人群提供的有效避險(xiǎn)面積。 結(jié)合緊急避險(xiǎn)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，有效避險(xiǎn)綠地范圍需要排除:坡度過陡(≥15%)的場(chǎng)地、水域場(chǎng)地、消防道路場(chǎng)地、綠地面積過小(≤1 hm2)的場(chǎng)地和其他不足以用作避險(xiǎn)的場(chǎng)地。 以此判斷校園內(nèi)的有效避險(xiǎn)綠地的面積，并據(jù)此分析校園各功能區(qū)內(nèi)的應(yīng)急避險(xiǎn)能力。

2.3 人均有效避險(xiǎn)面積分析

人均有效避險(xiǎn)面積是場(chǎng)地應(yīng)急避險(xiǎn)能力的具體體現(xiàn)，是指在災(zāi)難發(fā)生時(shí)，平均每人可使用的有效避險(xiǎn)面積。 其計(jì)算公式由式(1)和(2)表示為

2.4 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)是以避險(xiǎn)場(chǎng)所為圓心，以避險(xiǎn)者最短時(shí)間內(nèi)抵達(dá)的最大距離為半徑所覆蓋的區(qū)域[14]?；陂L清校區(qū)現(xiàn)有綠地的緊急避險(xiǎn)場(chǎng)所現(xiàn)狀的調(diào)查分析，結(jié)合關(guān)于緊急避險(xiǎn)的理論研究，假設(shè)人的步行速度為80 m/min，確定時(shí)間節(jié)點(diǎn)為1、2 和3 min 等3 個(gè)等級(jí)，相應(yīng)的服務(wù)半徑分別是80、160 和240 m。不同的總服務(wù)半徑作為緩沖區(qū)，得出各避險(xiǎn)綠地的服務(wù)范圍，確定校內(nèi)避險(xiǎn)綠地的總服務(wù)范圍，從而改善校內(nèi)人口規(guī)劃布局。

2.5 有效避險(xiǎn)綠地可達(dá)性分析

圖1 為研究區(qū)域的成本柵格圖，其中屬性值表示其成本，是指所需的時(shí)間或者耗費(fèi)的程度，因柵格圖的特殊性，各個(gè)非邊緣網(wǎng)格與8 個(gè)其他網(wǎng)格相鄰，以網(wǎng)格中心點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)相鄰的8 個(gè)網(wǎng)格抽象為8 條邊。 網(wǎng)格有兩種相鄰情況，垂直或水平相鄰時(shí)，兩個(gè)網(wǎng)格值相加取平均值為邊長度，中間結(jié)點(diǎn)到其上邊節(jié)點(diǎn)的邊長度為；斜相鄰時(shí)，兩個(gè)網(wǎng)格值的平均值乘表示邊的長度，中間節(jié)點(diǎn)到右下節(jié)點(diǎn)的邊長度為

每個(gè)“源”定為單個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)柵格的成本值定為0，“源”周邊柵格與該“源”形成若干條邊(如圖2所示)。 若通過成本加權(quán)距離計(jì)算可得出右下角網(wǎng)格“源”，以及其他節(jié)點(diǎn)到該“源”的累積總成本值和兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間最短路徑方向[14]。

圖1 成本柵格圖

圖2 成本加權(quán)和最短路徑選擇圖

3 結(jié)果與分析

3.1 安全綠地的空間分布分析

山東工藝美術(shù)學(xué)院長清校區(qū)的綠地可分為建筑基地綠地、景觀綠地、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)及附屬綠地、其他綠地4 大類(如圖3 所示)，共47 塊，占地面積為30.7 hm2。 其中，建筑基地綠地?cái)?shù)量最多，其次為景觀綠地，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)及附屬綠地和其他綠地?cái)?shù)量最少，僅有2 塊；景觀綠地面積最大，其次為建筑基地綠地和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)及其附屬綠地，其他綠地面積最小(見表1)。

將校園綠地?cái)?shù)據(jù)及輪廓線導(dǎo)入ArcGIS10.6 進(jìn)行分析，以地震災(zāi)害作為山東工藝美術(shù)學(xué)院長清校區(qū)緊急避險(xiǎn)能力分析的出發(fā)點(diǎn)，并考慮地形與建筑對(duì)安全綠地的影響與干擾。 按照安全綠地標(biāo)準(zhǔn)篩選了校園綠地，符合要求的面積為24.5 hm2，數(shù)量為12 塊(如圖4 所示)。 依據(jù)有效避險(xiǎn)場(chǎng)所建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，面積＞1 hm2的綠地可做緊急避險(xiǎn)場(chǎng)所，而綠地面積＞10 hm2可做長期避險(xiǎn)場(chǎng)所，所以山東工藝美術(shù)學(xué)院長清校區(qū)僅有其他綠地(含規(guī)劃未建成區(qū)域)可作為長期避險(xiǎn)場(chǎng)地。

圖3 校區(qū)綠地分布圖

表1 各類型綠地分類統(tǒng)計(jì)表

圖4 校區(qū)安全空間綠地分布圖

3.2 有效避險(xiǎn)面積分析

根據(jù)不同的功能區(qū)域及其有效避險(xiǎn)綠地面積，山東工藝美術(shù)學(xué)院長清校區(qū)可劃分為生活區(qū)、教學(xué)區(qū)、運(yùn)動(dòng)區(qū)及其他區(qū)域4 大類(如圖5 所示)。 其中，生活區(qū)、教學(xué)區(qū)、運(yùn)動(dòng)區(qū)、其他區(qū)域(含規(guī)劃未建成)面積分別占總用地面積的19.6%、33.6%、13.7%和33.1%。

每個(gè)功能區(qū)的安全綠地面積和有效避險(xiǎn)面積見表2，其中，其他區(qū)域中有效避險(xiǎn)面積最大的為13.4 hm2；運(yùn)動(dòng)區(qū)和教學(xué)區(qū)分別為3.7 和3.4 hm2；而生活區(qū)有效避險(xiǎn)面積最小為2.5 hm2。

綠地的有效避險(xiǎn)率為有效避險(xiǎn)綠地面積與區(qū)域的綠地面積的比率[15]，由式(3)表示為

式中a為有效避險(xiǎn)率；A為有效避險(xiǎn)綠地面積，hm2；S為城市綠地面積，hm2。

通過計(jì)算綠地的有效避險(xiǎn)率可知，其他區(qū)域的有效避險(xiǎn)率最高為94%，運(yùn)動(dòng)區(qū)、教學(xué)區(qū)和生活區(qū)分別為67%、48%、54%。 將各個(gè)區(qū)域匯總得到校園的有效避險(xiǎn)面積為22.7 hm2，其有效避險(xiǎn)率為73.9%。

因校內(nèi)人口密度不同，校園緊急避險(xiǎn)場(chǎng)所有效避險(xiǎn)面積的建設(shè)和規(guī)劃僅適合宏觀參考，針對(duì)長清校區(qū)的緊急避險(xiǎn)能力的具體研究還應(yīng)結(jié)合人均有效避險(xiǎn)面積進(jìn)行綜合分析。

圖5 校區(qū)功能分布圖

表2 各功能區(qū)綠地統(tǒng)計(jì)表

3.3 人均有效避險(xiǎn)面積

由于分區(qū)功能的不同，各時(shí)段人流分布與密集程度存在一定差異。 校內(nèi)人員流動(dòng)相對(duì)較大(如圖6 所示)，其中教學(xué)區(qū)與生活區(qū)受日常作息影響變化最大，且人流密集。 所以，應(yīng)結(jié)合人口密度與各區(qū)的人流情況來分析有效避險(xiǎn)面積效率，即人均有效避險(xiǎn)面積。 計(jì)算方法是將各區(qū)域有效避險(xiǎn)面積均攤給各區(qū)域的人口數(shù)量，計(jì)算得出各區(qū)域的人均避險(xiǎn)面積；將校園總有效避險(xiǎn)面積均攤給校園各區(qū)域人口數(shù)量之和，計(jì)算得出長清校區(qū)的人均有效避險(xiǎn)面積。人口數(shù)量以觀察統(tǒng)計(jì)的最高容量計(jì)算，結(jié)果表明，在人口密度最大的生活區(qū)，人均有效避險(xiǎn)面積只有0.36 m2/人；即便是相對(duì)空曠的運(yùn)動(dòng)區(qū)，也只有0.82 m2/人的人均有效避險(xiǎn)面積；其面積最大的是其他區(qū)域，而此處卻少有師生活動(dòng)。 由此可判斷長清校區(qū)的有效避險(xiǎn)面積分布極其不均，緊急避險(xiǎn)能力相對(duì)薄弱。 所以，需考慮長清校區(qū)各功能分區(qū)之間緊急避 險(xiǎn)場(chǎng)所的分配合理性與通達(dá)性。

圖6 校內(nèi)各功能區(qū)各時(shí)段人流情況圖

3.4 緩沖區(qū)

將校園4 塊區(qū)域內(nèi)的有效避險(xiǎn)綠地柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS10.6 中，生成有效避險(xiǎn)綠地面矢量數(shù)據(jù)，以矢量面單位導(dǎo)出相關(guān)數(shù)據(jù)，求得區(qū)域內(nèi)有效避險(xiǎn)綠地的緩沖區(qū)，設(shè)置緊急避險(xiǎn)綠地的服務(wù)半徑分別為80、160 和240 m。 采用領(lǐng)域分析Proximity 中的多環(huán)緩沖區(qū)RingBuffer 工具處理有效避險(xiǎn)綠地面積數(shù)據(jù)，從而生成校園內(nèi)不同服務(wù)半徑有效避險(xiǎn)綠地的緩沖區(qū)(如圖7 所示)。

圖7 校區(qū)緩沖區(qū)圖

山東工藝美術(shù)學(xué)院長清校區(qū)有效避險(xiǎn)綠地主要分布在校園北部，而校園師生日常主要活動(dòng)區(qū)域在西南部。 盡管其中有效避險(xiǎn)綠地緩沖區(qū)的校園覆蓋率達(dá)到了100%，但校園內(nèi)的4 塊區(qū)域皆處于有效避險(xiǎn)綠地緩沖區(qū)服務(wù)范圍內(nèi)。 因此，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)，校內(nèi)人員可迅速進(jìn)入緊急避險(xiǎn)區(qū)域，避免受到傷害。

校園避險(xiǎn)綠地緩沖區(qū)是用單一的綠地柵格數(shù)據(jù)求得，實(shí)際生活中的校園有效避險(xiǎn)綠地的功能，體現(xiàn)在對(duì)在校人群的服務(wù)覆蓋情況。 單一的綠地柵格數(shù)據(jù)的服務(wù)范圍分析存在一定的片面性，因此，通過科學(xué)分析服務(wù)范圍來調(diào)控周邊人群的空間分布，是評(píng)價(jià)校園有效避險(xiǎn)綠地服務(wù)功能的重要標(biāo)準(zhǔn)。 通過對(duì)有效避險(xiǎn)綠地緩沖區(qū)的可達(dá)性分析，以成本距離可達(dá)性的難易程度體現(xiàn)有效避險(xiǎn)綠地的輻射范圍，改善校內(nèi)應(yīng)急避險(xiǎn)綠地規(guī)劃。

3.5 有效避險(xiǎn)綠地可達(dá)性分析

有效避險(xiǎn)綠地可達(dá)性分析是指在具體的交通系統(tǒng)下，采用柵格數(shù)據(jù)成本加權(quán)距離的方法，利用到達(dá)避險(xiǎn)綠地的時(shí)間、距離等指標(biāo)分析從給定區(qū)位到達(dá)避險(xiǎn)綠地的難易程度。

研究基于ArcGIS10.6，以篩選出的有效避險(xiǎn)綠地為“源”，在桌面應(yīng)用軟件Arcmap 中對(duì)學(xué)院4 個(gè)研究區(qū)建立5 m×5 m的柵格，統(tǒng)一劃分校內(nèi)有效避險(xiǎn)綠地，初始認(rèn)定每個(gè)柵格空間的基本屬性所屬一致，將篩選出的5 塊有效避險(xiǎn)綠地設(shè)定為成本加權(quán)距離的源數(shù)據(jù)；再使用空間分析工具Spatial Analyst Tools 中的成本距離Cost distance 和成本連通性Cost connectivity 工具，計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)各個(gè)柵格點(diǎn)到達(dá)有效避險(xiǎn)綠地的成本距離與最優(yōu)路徑；采用柵格計(jì)算器Raster Calculator 將成本距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時(shí)間范圍等級(jí)(假設(shè)人的步行速度為80 m/min)。 計(jì)算結(jié)果按時(shí)間成本分為0～1、1 ～2、2 ～3、＞3 min 4個(gè)等級(jí)(如圖8 所示)。

圖8 校區(qū)有效避險(xiǎn)綠地可達(dá)性圖

由圖8 可知，生活區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)到達(dá)區(qū)域內(nèi)有效避險(xiǎn)綠地的時(shí)間分為3 個(gè)等級(jí)，在0 ～1 min 內(nèi)的可達(dá)性區(qū)域面積占整個(gè)生活區(qū)面積的57%；在1 ～2 min內(nèi)的可達(dá)性區(qū)域面積占整個(gè)生活區(qū)面積的84%；在2 ～3 min 內(nèi)可達(dá)性區(qū)域面積占整個(gè)生活區(qū)面積的100%。

運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)在0～1 min 內(nèi)即到達(dá)運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)的所有有效避險(xiǎn)綠地，其面積占整個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)面積的100%。

教學(xué)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)到達(dá)區(qū)域內(nèi)有效避險(xiǎn)綠地分為3 個(gè)時(shí)間等級(jí)，在0 ～1 min 內(nèi)的可達(dá)性區(qū)域面積占整個(gè)生活區(qū)面積的39%；在1 ～2 min 內(nèi)的可達(dá)性區(qū)域面積占整個(gè)生活區(qū)面積的74%；而在2 ～3 min 內(nèi)可達(dá)性區(qū)域面積占整個(gè)生活區(qū)面積的91%。

其他區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)在0～1 min 內(nèi)可到達(dá)運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)的所有有效避險(xiǎn)綠地，在0 ～1 min 內(nèi)的可達(dá)性區(qū)域面積占整個(gè)其他區(qū)面積的100%。

校區(qū)主要道路的可達(dá)性分析如圖9 所示。 校園生活區(qū)與教學(xué)區(qū)、運(yùn)動(dòng)區(qū)3 個(gè)區(qū)交通較為便利，可達(dá)性強(qiáng)；其他區(qū)域?qū)儆趯W(xué)校待開發(fā)區(qū)域，因而缺乏完善的道路系統(tǒng)。 由學(xué)校避險(xiǎn)綠地整體分布的分析可知，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)，教學(xué)區(qū)與生活區(qū)人群可達(dá)性較高；生活區(qū)的人群可沿圖9 中A、C、D 等3 條道路迅速達(dá)到校園西北側(cè)的1 號(hào)有效避險(xiǎn)綠地；教學(xué)區(qū)的人群可沿圖9 中G、I、H 等3 條道路迅速到達(dá)運(yùn)動(dòng)區(qū)及教學(xué)區(qū)2、3、4 號(hào)有效避險(xiǎn)綠地；其他區(qū)域的5 號(hào)避險(xiǎn)綠地面積是整個(gè)校園最大的有效避險(xiǎn)綠地，其成本加權(quán)距離服務(wù)范圍能夠覆蓋到運(yùn)動(dòng)區(qū)以及部分教學(xué)區(qū)，但目前缺乏完善的道路系統(tǒng)，人群避險(xiǎn)可達(dá)性差，為教學(xué)區(qū)、運(yùn)動(dòng)區(qū)的人群提供有效避險(xiǎn)的能力較弱(如圖9 所示)。

圖9 校區(qū)可達(dá)性道路圖

4 結(jié)語

文章基于山東工藝美術(shù)學(xué)院長清校區(qū)的ArcGIS 分析，對(duì)災(zāi)難發(fā)生時(shí)校區(qū)的緊急避險(xiǎn)能力進(jìn)行研究，結(jié)果表明:

(1) 山東工藝美術(shù)學(xué)院長清校區(qū)總綠地面積為30.7 hm2；安全綠地有12 塊，占地24.5 hm2；有效避險(xiǎn)面積共22.7 hm2，其中生活區(qū)有效避險(xiǎn)面積最小。 校園人均有效避險(xiǎn)面積為12.13 m2/人，但生活區(qū)與運(yùn)動(dòng)區(qū)卻不足1 m2/人，其他區(qū)域人均有效避險(xiǎn)面積高達(dá)89.33 m2/人。

(2) 山東工藝美術(shù)學(xué)院長清校區(qū)總體上達(dá)到緊急避險(xiǎn)場(chǎng)所與長期避險(xiǎn)場(chǎng)所的基本要求。 應(yīng)急避險(xiǎn)場(chǎng)所相對(duì)充足，但實(shí)際的應(yīng)急避險(xiǎn)能力較弱。 主要是由于校園內(nèi)有效避險(xiǎn)場(chǎng)所分布不均衡，從而導(dǎo)致有效避險(xiǎn)面積與人口分布的不匹配。 盡管校園被應(yīng)急避險(xiǎn)場(chǎng)服務(wù)范圍全覆蓋，同時(shí)具備了一定的可達(dá)性與良好的緩沖能力，但卻很難滿足實(shí)際應(yīng)急避險(xiǎn)需求。 因此，可以通過在一些可達(dá)性較差的區(qū)域增設(shè)如安全綠地、建設(shè)廣場(chǎng)、綠地等避險(xiǎn)場(chǎng)所的方法，提高校園中心區(qū)域的緊急避險(xiǎn)能力。 同時(shí)，可以在學(xué)校生活區(qū)和教學(xué)區(qū)等人口較為密集且人流量較大的區(qū)域，增設(shè)安全綠地并科學(xué)設(shè)置服務(wù)半徑或修建更高效的道路，從而提高區(qū)域的可達(dá)性。