馬運(yùn)佳，張愷雯，楊雨蒙*，劉寶印

（1. 曲阜師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 山東 日照 276826；2. 中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院, 北京 100190）

0 引言

近年來，全球城市化水平和經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，自然災(zāi)害造成的損失逐漸增多。特別是在人口密集、災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，自然災(zāi)害不斷消耗、破壞人們賴以生存的物質(zhì)資源，阻礙了人類社會(huì)的發(fā)展[1]。在減輕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作中，如果城市規(guī)劃者能同時(shí)考慮環(huán)境變化和自然災(zāi)害，將更有利于城市安全與可持續(xù)發(fā)展[2]。基于此，世界范圍內(nèi)陸續(xù)開展防災(zāi)減災(zāi)工作，災(zāi)害避難所建設(shè)紛紛提上日程。2020年，中國(guó)率先啟動(dòng)了第一次全國(guó)自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查[3]，旨在有效提升抵御自然災(zāi)害的綜合防范能力。雖然中國(guó)災(zāi)害避難所建設(shè)工作起步較晚，但全面綜合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查工作卻走在了世界前端。盡管如此，國(guó)內(nèi)仍存在避難人群過多、避難所容量與數(shù)量上供需不平衡以及空間上布局重復(fù)、無序等問題[4]。而災(zāi)前避難所規(guī)劃建設(shè)的合理性，將直接影響災(zāi)后疏散效率及關(guān)系人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。因此，如何在災(zāi)前確定布局與規(guī)模適宜、能合理安置群眾的避難場(chǎng)所，規(guī)劃最佳疏散路徑和服務(wù)范圍，最大程度上保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，顯得尤為迫切和重要。此項(xiàng)工作不僅是相關(guān)科研與防災(zāi)減災(zāi)人員所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，更是對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查缺乏經(jīng)驗(yàn)的國(guó)家一次重大的考驗(yàn)。

目前，上述災(zāi)害避難所選址優(yōu)化研究工作中，針對(duì)單災(zāi)種或不區(qū)分災(zāi)種的避難所區(qū)位布局研究占主導(dǎo)地位。黃河潮等[5]、周曉猛等[6]不區(qū)分災(zāi)種將其統(tǒng)稱為城市應(yīng)急避難所，通過構(gòu)建P-中位模型對(duì)避難所的布局優(yōu)化進(jìn)行了研究；周亞飛等[7]、劉少麗[8]、范晨璟等[9]、馬運(yùn)佳等[10]，從單災(zāi)種（地震）災(zāi)害避難所角度，分別以天津市、南京市、常熟市、北京市避難所選址為案例，運(yùn)用不同模型針對(duì)避難所規(guī)劃開展了實(shí)踐研究；潘安平[11]、周洪建等[12]，從單災(zāi)種（臺(tái)風(fēng)）災(zāi)害避難所角度，分別以沿海農(nóng)村和海南省萬寧市避難所選址為案例，進(jìn)行了避難所選址的分析和評(píng)價(jià)。然而，實(shí)際上大部分地區(qū)通常會(huì)受到多種災(zāi)害的影響，僅從單災(zāi)種角度對(duì)災(zāi)害避難所進(jìn)行分析，可靠性較低[5]，難以滿足災(zāi)害同時(shí)發(fā)生時(shí)準(zhǔn)確的避難需求，且面對(duì)實(shí)際中復(fù)雜的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，選址優(yōu)化方案會(huì)受到很大影響。一方面體現(xiàn)在避難場(chǎng)所的發(fā)揮作用方面，一方面體現(xiàn)在多種構(gòu)成災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)上[13]。隨著研究的深入，災(zāi)害避難所優(yōu)化選址逐步從單一災(zāi)種到多災(zāi)種方向轉(zhuǎn)變。丁琳等[14]以張家港市中心城區(qū)為例，探索了地震和洪水兩種災(zāi)害避難場(chǎng)所的規(guī)劃思路與技術(shù)手段。雖然研究避難所優(yōu)化選址的成果較多，但目前多災(zāi)種災(zāi)害避難所實(shí)際選址與應(yīng)用研究極少。

本文以最小化總避難距離為目標(biāo)，構(gòu)建適用于地震和臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的避難所P-中位選址優(yōu)化模型，采用啟發(fā)式算法進(jìn)行解算，以山東省榮成市為例開展了實(shí)證研究。通過對(duì)地震和臺(tái)風(fēng)兩種災(zāi)種提供對(duì)應(yīng)的避難所開啟與關(guān)閉服務(wù)，依次從僅開啟地震型避難所、僅開啟臺(tái)風(fēng)型避難所、同時(shí)啟用全部避難所3種情景下探究榮成市避難所優(yōu)化布局情況。此外，對(duì)上述3種情景中容納全部人口和容納30%人口兩種避難需求下的避難所人口配置缺口進(jìn)行測(cè)算。以期為榮成市避難所選址提出具體的改進(jìn)方案與建議，為政府制定近期與遠(yuǎn)期避難所建設(shè)目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)東部沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁，又地處環(huán)太平洋地震帶，使其遭受了巨大的損失[15]。榮成市位于山東半島最東端，三面環(huán)海，海岸線長(zhǎng)達(dá)500 km，土地總面積1 526 km2。有12個(gè)鎮(zhèn)、10個(gè)街道辦事處、826個(gè)村民委員會(huì)、125個(gè)居民委員會(huì)。地震和臺(tái)風(fēng)是該地區(qū)危害最大的災(zāi)害類型。自有記錄以來，榮成市及其附近海域共發(fā)生3.0級(jí)以上地震3次。建國(guó)以來，登陸榮成市的臺(tái)風(fēng)共5次，近年來每年都會(huì)遭受臺(tái)風(fēng)威脅，如榮成市受2019年先后兩次臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和“玲玲”影響，均遭遇大風(fēng)和強(qiáng)降雨。

1.2 數(shù)據(jù)

據(jù)山東省榮成市民政廳提供的數(shù)據(jù)，榮成市候選災(zāi)害避難所共有215個(gè)，其中學(xué)校型54個(gè)、綠地公園場(chǎng)館型12個(gè)、政府辦公樓型74個(gè)、醫(yī)院型19個(gè)、社區(qū)辦公室37個(gè)、敬老院4個(gè)以及其他15個(gè)。將前2個(gè)設(shè)定為地震型候選避難所，后5個(gè)設(shè)定為臺(tái)風(fēng)型候選避難所，總?cè)萘考s71.65萬人。

榮成市共有自然行政村居民點(diǎn)963個(gè)，總?cè)丝诩s72.38萬人，將其作為避難疏散的基本單元，即避難需求點(diǎn)。將避難需求人口分別設(shè)為總?cè)丝诤?0%的總?cè)丝凇?/p>

榮成市轄有國(guó)道1條、省道15條、縣鄉(xiāng)級(jí)道路88條，并有二級(jí)街道33條、三級(jí)街道37條、四級(jí)街道99條，此外還有小路78條。本文將上述實(shí)際道路作為應(yīng)急疏散備選路徑（圖1）。

圖1 榮成市應(yīng)急疏散道路、災(zāi)害避難所空間分布圖

2 災(zāi)害避難所選址優(yōu)化模型及解算

在災(zāi)害來臨之前，人員的快速避難可以有效地減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，居民有效快速的避難是避難所選址問題的主要目的。針對(duì)災(zāi)害避難所選址優(yōu)化工作不同的實(shí)際避難需求，進(jìn)行地震型或臺(tái)風(fēng)型候選避難場(chǎng)所的啟用與關(guān)閉，以最小化總避難距離為目標(biāo)，建立針對(duì)地震和臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的避難所P-中位選址優(yōu)化模型。

約束條件：

式中：I是避難場(chǎng)所的集合，I=（1, 2, …i,… N），N是避難所數(shù)量；J是行政村居民點(diǎn)的集合，J=（1,2, …j,… M），M是居民點(diǎn)的數(shù)量；dji是居民點(diǎn)j到候選避難所i之間的最短距離；Dj是居民點(diǎn)j的最遠(yuǎn)疏散距離；ET是地震型或臺(tái)風(fēng)型候選避難所的集合。目標(biāo)函數(shù)（1）表示最小化居民點(diǎn)到避難所的總距離；約束條件（2）是距離約束，即保證所有分配方案下，居民點(diǎn)到其選擇的避難所的距離全部小于Dijkstra算法得到的最短距離矩陣中的最大疏散距離；約束條件（3）確保在開啟全部候選避難所或僅開啟地震型或臺(tái)風(fēng)型候選避難所的情況下，每個(gè)居民點(diǎn)有且只能選擇一個(gè)候選避難所；公式（4）和公式（5）表示決策變量Bji和Yi只能取0和1。

如圖2所示，在ArcGIS平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析模塊內(nèi)置工具的基礎(chǔ)上使用模型構(gòu)建器搭建上述P-中位選址優(yōu)化模型，并采用位置分配求解程序搭載的啟發(fā)式算法進(jìn)行解算。該程序內(nèi)部具體解算流程為：①采用Dijkstra算法求解網(wǎng)絡(luò)中所有避難所點(diǎn)和居民點(diǎn)之間的最短路徑成本的起始—目的地矩陣；②通過稱為Hillsman編輯的進(jìn)程構(gòu)建已編輯版本的成本矩陣，該編輯進(jìn)程使相同的啟發(fā)式算法得以求解各種不同類型的問題；③求解程序生成一組半隨機(jī)的初步解決方案，采用Teitz-Bart啟發(fā)式算法優(yōu)化初步解決方案，得到一組有效的解決方案；④元啟發(fā)式算法通過合并這組有效的解決方案以創(chuàng)建更好的解決方案，若解決方案不能再被改進(jìn)，算法將返回找到的最佳解決方案。

圖2 基于ArcGIS平臺(tái)構(gòu)建的選址模型及位置分配求解流程

3 結(jié)果分析

3.1 模型優(yōu)化結(jié)果分析

基于前述數(shù)據(jù)與建立的災(zāi)害避難所P-中位模型，將P值設(shè)置為候選避難所的上限值，表示為達(dá)到模型最小化總避難距離的目標(biāo)，并假設(shè)避難所建設(shè)資金充足。采用上述位置分配求解程序進(jìn)行解算，3種災(zāi)害避難所開啟情景下，計(jì)算得到榮成市所有避難需求點(diǎn)的分配結(jié)果，避難所區(qū)位優(yōu)化解算結(jié)果參數(shù)如表1所示，空間分配方案如圖3所示。此外，以虎山鎮(zhèn)為例，展示了其選址分配方案下的具體疏散路徑，并突出顯示了其中安子山村到其歸屬的盛泉老年公寓避難場(chǎng)所的具體路徑（圖4）。

圖3 三種開啟情景下災(zāi)害避難所選址空間分配方案

圖4 榮成市虎山鎮(zhèn)選址分配方案下的具體疏散路徑

表1 三種開啟情景下災(zāi)害避難所區(qū)位布局優(yōu)化解算結(jié)果

從僅啟用地震型避難所或臺(tái)風(fēng)型避難所到同時(shí)啟用全部避難所這3種情景下，963個(gè)居民點(diǎn)依次被分配到不同避難所中，候選避難所分別為66個(gè)、149個(gè)、215個(gè)，被選中的避難所分別為61個(gè)、125個(gè)、158個(gè)；單個(gè)避難所服務(wù)的最大居民點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為57個(gè)、47個(gè)、39個(gè)，最小居民點(diǎn)個(gè)數(shù)均為1個(gè)，平均服務(wù)個(gè)數(shù)分別為15.79個(gè)、7.70個(gè)、6.09個(gè)；居民點(diǎn)的最大避難距離分別為11 216.25 m、14 142.37 m、10 219.63 m，最小避難距離分別為8.90 m、0 m、0 m，平均避難距離分別為3 790.24 m、2 905.34 m、2 300.02 m。

從上述研究結(jié)果可以看出，從僅啟用地震型或臺(tái)風(fēng)型到同時(shí)啟用全部避難所的情景下，被選中的避難所數(shù)量依次增多，與候選避難所總數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系；單個(gè)避難所平均服務(wù)居民點(diǎn)數(shù)量、以及居民點(diǎn)平均避難距離依次減少，均與被選中的避難所數(shù)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，從圖3分配方案的空間分布上可以看出，3種開啟情景下，被選中的避難所布局相較于前2種情景更加分散，該結(jié)果與單個(gè)避難所服務(wù)的居民點(diǎn)數(shù)量逐漸變小的結(jié)果相呼應(yīng)。

3.2 避難所人口配置缺口分析

假設(shè)避難所建設(shè)資金充足，按照?qǐng)D3所示的空間分配方案，分析被選擇的候選避難所的容納人口情況及空間布局的合理性。將各避難需求人口情景下的避難所服務(wù)的避難需求人口數(shù)與其容量求差，得到對(duì)應(yīng)情景的避難所人口配置缺口（表2）。

當(dāng)設(shè)置避難需求為總?cè)丝跁r(shí)，總避難需求人口約72.38萬人。從僅啟用地震型或臺(tái)風(fēng)型到同時(shí)啟用全部避難所的情景下，人口配置總?cè)笨诜謩e為?26.56萬人、?52.89萬人、?29.11萬人（表2）。存在富余容納量的避難所分別為18個(gè)、27個(gè)、51個(gè)，容量不足的避難所分別為43個(gè)、98個(gè)、107個(gè)。特別地，僅啟用地震型避難所時(shí)，榮成市實(shí)驗(yàn)中學(xué)應(yīng)急避難場(chǎng)所富余量最大，為11.47萬人（圖5a中部藍(lán)圈），榮成市第十四中學(xué)和南車社區(qū)幼兒園避難所缺口較大，分別為?5.01和?4.33萬人（圖5a南部2處紅圈）；僅啟用臺(tái)風(fēng)型避難所時(shí)，避難所容量富余均較少，其中萬福苑老年公寓避難場(chǎng)所最大，為0.50萬人（圖5b中部藍(lán)圈），斥山衛(wèi)生院和蚧口辦公大樓避難所缺口較大，分別為?6.25和?5.04萬人（圖5b南部2處紅圈）；同時(shí)啟用全部避難所時(shí)，容量富余較分散，石島實(shí)驗(yàn)中學(xué)富余量最大，為1.81萬人（圖5c東南部藍(lán)圈），斥山衛(wèi)生院避難所缺口最大，為?4.20萬人（圖5c南部紅圈）。

當(dāng)設(shè)置避難需求為30%的總?cè)丝跁r(shí)，總避難需求人口約21.72萬人。從僅啟用地震型或臺(tái)風(fēng)型到同時(shí)啟用全部避難所的情景下，人口配置總?cè)笨诜謩e為24.11萬人、?2.22萬人、21.56萬人（表2）。存在富余容納量避難所分別為35個(gè)、69個(gè)、100個(gè)，容量不足的避難所分別為26個(gè)、56個(gè)、58個(gè)。特別地，僅啟用地震型避難所時(shí)，榮成市實(shí)驗(yàn)中學(xué)應(yīng)急避難場(chǎng)富余量最大，為11.56萬人（圖5d中部藍(lán)圈），榮成市第十四中學(xué)和南車社區(qū)幼兒園避難所缺口較大，分別為?1.29和?1.10萬人（圖5d南部2處紅圈）；僅啟用臺(tái)風(fēng)型避難所時(shí)，避難所容量富余均較少，其中萬福苑老年公寓避難場(chǎng)所最大，為0.71萬人（圖5e中部藍(lán)圈），斥山衛(wèi)生院和蚧口辦公大樓避難所缺口較大，分別為?1.77和?1.13萬人（圖5e南部2處紅圈）；同時(shí)啟用全部避難所時(shí)，容量富余較分散，石島實(shí)驗(yàn)中學(xué)富余量最大，為2.29萬人（圖5f東南部藍(lán)圈），斥山衛(wèi)生院避難所缺口最大，為?1.16萬人（圖5f南部紅圈）。

表2 榮成市災(zāi)害避避難所人口配置缺口（分鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道統(tǒng)計(jì)）

由表2可知，同時(shí)啟用所有避難所情景下，王連街道、斥山街道、成山鎮(zhèn)在不同避難需求下的人口配置缺口均為最大，且斥山街道僅有斥山衛(wèi)生院避難所一處，缺口最大處可達(dá)?4.20萬人，主要是由避難所空間分布極度不均導(dǎo)致。上述鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道可作為政府未來規(guī)劃建設(shè)避難所的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)。

結(jié)合圖5可知，兩種避難需求下，避難所容量富余和人口配置缺口的極值大致相同，從僅啟用地震型、僅啟用臺(tái)風(fēng)型避難所到同時(shí)啟用全部避難所情景下，避難所容量富余和人口配置缺口逐步分散，避難所容量不足的區(qū)域主要集中在北部和南部地區(qū)，可據(jù)此確定避難場(chǎng)所調(diào)整、新增的最佳位置（如圖5中紅圈分布的北部和南部地區(qū)）。

圖5 榮成市災(zāi)害避難所人口配置缺口空間分布（負(fù)值代表有缺口，正值代表有富余）

4 結(jié)論

1）從僅啟用地震型避難所或臺(tái)風(fēng)型避難所到同時(shí)啟用全部避難所這3種避難所開啟情景下，963個(gè)居民點(diǎn)依次被分配到不同避難所中，被選中的避難所分別為61個(gè)、125個(gè)、158個(gè)，呈現(xiàn)出依次增加的趨勢(shì)；單個(gè)避難所平均服務(wù)居民點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為15.79個(gè)、7.70個(gè)、6.09個(gè)，居民點(diǎn)的平均避難距離分別為3 790.24 m、2 905.34 m、2 300.02 m，呈現(xiàn)出依次減少的趨勢(shì)。

2）三種避難所開啟情景下，避難需求為總?cè)丝跁r(shí)，人口配置總?cè)笨诜謩e為?26.56萬人、?52.89萬人、?29.11萬人，避難需求為30%的總?cè)丝跁r(shí)，人口配置缺口總分別為24.11萬人、?2.22萬人、21.56萬人。表現(xiàn)在空間上，避難所人口配置缺口和容量富余逐步分散，容量不足的區(qū)域主要集中在北部和南部地區(qū)。

未來，政府可將模型優(yōu)化結(jié)果中被選中的災(zāi)害避難所作為基礎(chǔ)布設(shè)區(qū)，進(jìn)而將避難需求為30%總?cè)丝跁r(shí)存在較大人口配置缺口的區(qū)域作為近期規(guī)劃建設(shè)目標(biāo)，將避難需求為總?cè)丝跁r(shí)存在較大人口配置缺口的區(qū)域作為遠(yuǎn)期規(guī)劃建設(shè)目標(biāo)。具體來說，可將在斥山街道新增或擴(kuò)容現(xiàn)有避難所，作為近期規(guī)劃建設(shè)目標(biāo)；將在王連街道、成山鎮(zhèn)附近新增或擴(kuò)容現(xiàn)有避難所，作為遠(yuǎn)期規(guī)劃建設(shè)目標(biāo)。