考虑洪涝灾害风险的城市应急避难场所选址研究*

宋英华，高晓茜，霍非舟，陈亚雄，方丹辉

(1.武汉理工大学 中国应急管理研究中心，湖北 武汉 430070;2.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，湖北 武汉 430070)

0 引言

洪涝灾害是我国目前面临的重要且频繁的灾害之一。随着城市化快速发展，洪涝灾害的损失主体已由农村转移至城市，由于城市人口与资源集中，一旦发生灾害，损失惨重[1]。因此，城市防洪应急准备工作需引起重视。

城市应急避难场所是灾民受灾时用于躲避灾害、临时生活的安全庇护所[2]，国内外学者对其进行了诸多研究。Alam等[3]借助多准则评估模型，针对飓风及其导致的洪水灾害，对选出的哈利法克斯半岛灾害潜在避难场所进行评估。Yao等[4]结合多源数据，利用TOPSIS法对加拿大维多利亚开放空间避难场所进行评价分析。Qin等[5]考虑台风路径变化，建立应急避难场所位置分配模型，利用改进粒子群算法进行优化求解。陈国华等[6]结合AHP和熵值法对化工园区应急避难点进行选址评估。陈明利等[7]利用FAHP法对城市体育馆应急避难能力进行评价。陈宣先等[8]运用AHP对山地城市进行风险评估，以东川区进行实例研究。马运佳等[9]面向地震灾害，利用粒子群算法分别讨论了有无容量约束下的选址方案，并进行了实证分析。张宣峰等[10]考虑避难人口需求的平衡匹配关系，运用遗传算法，解决多目标约束下的固定避难场所选址优化问题。

可以发现，针对灾害应急避难场所的选址，目前大部分学者是从发生灾害后的具体情况出发对备选地进行评价和选址优化，评价多采用AHP等具有较强主观性和不确定性的方法，并且面向的灾害主要为地震、台风等灾害。本文从洪涝灾害风险本身入手，构建灾害风险评价指标体系，运用灰色模糊综合评价法进行评价，消除以往评价方法带来的较强主观性。然后，构建引入洪涝灾害综合风险权重的多目标应急避难场所选址优化模型，充分考虑各指标的洪涝灾害风险情况对避难场所选址产生的影响。最后，选取武汉市进行实例分析，并运用遗传算法进行求解，验证模型的科学性和有效性。

1 城市洪涝灾害风险评价

1.1 构建风险评价体系

城市洪涝灾害与城市洪涝灾害致灾因子、孕灾环境、承灾体和防灾抗灾能力紧密相关[11]。洪涝灾害风险指数(FDRI)[12]是1个建立在灾害风险的危险性、敏感性、脆弱性和防灾抗灾能力这4项因子概念之上的综合性指标，用于表征洪涝灾害的风险程度。其计算表达式可以简化为如式(1)所示：

FDRI=EWE+HWH+VWV-RWR

(1)

式中：E，H，V，R分别为敏感性、危险性、脆弱性、防灾抗灾能力；WE，WH，WV，WR分别为各项因子的权重。

城市洪涝灾害的致灾因子主要是由降雨导致的。孕灾环境敏感性主要来源于外部环境，本文主要考虑地形影响、水系以及植被覆盖情况。承灾体的脆弱性指的是承受洪涝灾害的载体在遭遇灾害时的脆弱程度，脆弱性取决于发生地的人口分布、经济情况等等。防灾抗灾能力主要关注区域为应对洪涝灾害的灾害预警准备工作以及遭遇灾害后在一定时期内的恢复能力，与监测预警能力、现有防灾救援能力以及经济相关。综上，从致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体的脆弱性和防灾抗灾能力4个方面出发，细化15个二级指标，构建城市洪涝灾害风险评价指标体系，并且对二级指标的含义进行描述，如表1所示。

表1 评价指标和描述

1.2 评价步骤

1)确定分析序列。设Xk=(Xk(1),Xk(2),…,Xk(l),…,Xk(t))为数据序列，其中k=1,2,…,h;l=1,2,…,t。X0为参考序列。将原始数据无量纲处理，如式(2)所示：

(2)

2)计算灰色关联系数，如式(3)所示：

(3)

式中：ρ为分辨系数，ρ值越小，其分辨力越大。ρ∈(0,1)，通常取ρ=0.5。

3)计算灰色关联度。由灰色关联系数计算指标的灰色关联度，如式(4)所示：

(4)

4)将灰色关联度rk进行一定处理，得到各层指标的权重,如式(5)所示：

(5)

式中：Wbk为b层次下k指标的权重；rbk为b层次下k指标的关联度。

5)将洪涝灾害风险评价指标设定为对象因素集，设定评语集V={低风险，较低风险，中等风险，较高风险，高风险}，将式(5)中所求Wbk作为集合元素组成权向量，对评价因素进行模糊综合评价，得到各区域各项指标评分并代入式(1)计算，得到各区域洪涝灾害风险指数(FDRIi)。

2 模型构建

城市中各区域洪涝灾害发生概率不同，通过城市洪涝灾害风险评价及分析，可以得到城市中各区域的洪涝灾害风险指数值，以此来反映城市各区域洪涝灾害风险程度，将其引入多目标优化模型，在原有数学模型的基础上充分考虑各区域的风险因素，得到的结果能够更加贴近实际、真实可靠。因此，将中值模型与最大覆盖模型相结合，同时考虑将所求洪涝灾害风险指数值(FDRIi)进行归一化处理后作为权重(ωi)引入模型，构建考虑洪涝灾害风险的多目标多约束的应急避难场所选址优化模型。保证在灾害发生时，居民能够在最短时间采用最短路径到达避难场所，同时也能够尽可能多的覆盖风险权重高的需求点，同时考虑经济因素，保证成本最小化。具体模型如下：

目标函数如式(6)～(8)所示：

(6)

(7)

minF3=M

(8)

约束条件如式(9)～(14)所示：

(9)

dijxij-Dj≤0,∀i∈A,j∈B

(10)

(11)

(12)

(13)

xij∈{0,1},yj∈{0,1}

(14)

式中：A为研究区域内需求点的集合，A={1,2,…,i,…,n}；B为应急避难场所的集合，B={1,2,…,j,…,m}；yj为应急避难场所j的0～1决策变量，若应急避难场所j被选中取1，否则取0；xij为需求点i对应应急避难场所j的0～1决策变量，若需求点i被避难场所j覆盖取1，否则取0；ωi为第i个需求点风险权重，ωi∈(0,1)；dij为需求点i和应急避难场所j间的距离，km；pi为第i个需求点的人口数量，×104人；Dj是应急避难场所j的最大服务范围，km；Cj是应急避难场所j的最大容量，×104人；M表示选中的应急避难场所的最少个数。

式(6)表示最小化所有需求点到指定应急避难场所的总疏散距离；式(7)表示最大化覆盖风险权重高的需求点的容量，即需要覆盖尽可能多的人口；式(8)表示选中的应急避难场所数量最小，旨在使建设成本最小化；式(9)表示权重ωi的值为第i个需求点洪涝灾害综合风险指数值(FDRIi)归一化处理后的结果；式(10)表示需求点i和应急避难场所j间的距离不超过应急避难场所j的最大服务范围；式(11)表示分配给应急避难场所的人数不能超过其最大容纳人数；式(12)确定每个需求点都能分配到应急避难场所；式(13)选出的应急避难场所必须为最少数目M；式(14)表示决策变量xij,yj的二进制约束。

3 实例研究

3.1 研究区域概况

选取湖北省武汉市作为实例研究对象。武汉市地处长江中下游地区，地势低平，受气候条件影响，常年雨量丰沛且连续降雨时间长，易发生洪涝灾害。武汉市由于人口密度大且分布集中，河流干流从城区穿过，一旦灾害发生，损失惨重[13]。武汉市下辖13个区，因此将研究区域划分为13个分区。

3.2 洪涝灾害风险评价

通过文献调研、查阅资料等方法，搜集武汉市及每个分区2015—2019年关于各项二级指标数据，其中，极端日降水量、年降雨量、最大连续降雨天数、年降雨天数数据来源于中国气象数据网；地势数据来源于数字高程数据；河网密度、灾害监测预警能力来源于武汉市水务局官网；人均现有防灾空间数据来源于武汉市应急管理局官网；其他数据如人口密度、GDP、建筑密度、医院数目、消防站数目等数据来源于武汉年鉴[14]。将数据进行整合，运用灰色关联分析方法得到各指标灰色关联度，确定各指标的权重，如表2所示。

表2 各指标灰色关联度和权重

结合上述所求权重、13个分区风险评价指标数据和20位专家的打分，运用灰色模糊综合评价法，得到各项一级指标风险数值，将相应风险数据代入式(1)进行计算，可得洪涝灾害综合风险指数，如表3所示。由表3可知，江夏区致灾因子危险性排名最高，蔡甸区孕灾环境敏感性排名最高，承灾体的脆弱性江汉区排名最高，防灾抗灾能力汉南区排名最高，在13个分区中，江汉区洪涝灾害风险最高，汉南区洪涝灾害风险最低。

3.3 应急避难场所选址优化研究

3.3.1 需求点数据

将武汉市13个分区的居住点中心或几何中心作为需求点，并且假设每个行政区的灾民作为1个整体进行避难。相较于地震灾害的突发性强、破坏范围广等特点，城市洪涝灾害与行政区地理位置、气象条件和该区的防洪排水能力关系更加紧密，具有地区差异性和时间差异性。结合武汉市发生的洪涝灾害案例，灾民受灾避难率在20%～40%之间。为体现洪涝灾害避难需求差异性，将13个分区洪涝灾害综合风险指数值间隔1倍标准差从低到高划分为3组，对应区域分别为低风险组、中风险组、高风险组，对应灾民受灾避难率分别为20%，30%，40%。避难需求人口数量按照该行政区总人口数与对应灾民受灾避难率相乘进行计算[9]。将行政区进行编号，将表3中各行政区洪涝灾害风险系数值进行归一化处理得到各区洪涝灾害综合风险权重ωi，避难需求人口数与ωi计算结果如表4所示。

表4 需求点信息

3.3.2 备选点选择

根据武汉应急管理局官网资料显示，武汉市目前已建成并正式投入使用的应急避难场所共5处，分别为武昌区洪山广场、洪山区幸福湾公园、硚口区金三角人防工程、江岸区石桥公园、东西湖区三店学校，仅可满足约15.5万人的避难需求，目前不能很好满足避难需求。

武汉市的大型公园、学校、体育场等众多，依据《城市社区应急避难场所建设标准》(建标180—2017)[15]中平灾结合原则，可对上述用地进行避难场所初选。《防灾避难场所设计规范》(GB 51143—2015)[16]中对应急避难场所进行了中心、固定和紧急3类避难场所的划分。洪涝灾害易导致人员伤亡、房屋坍塌、水源污染和疾病爆发与流行等问题，因此需要专业的救援队伍，充足的应急物资储备和相应规模的避难场所。中心避难场所作为规模较大、功能性强和能够承担避难救援中心作用的固定避难场所，更适合作为洪涝灾害应急避难场所。综合考虑避难场所的可达性、救援均衡性、安全性和吸引力4个因素[2]从140个初选点中筛选出34个可作为中心避难场所的备选点，中心避难场所的服务半径为3～5 km。同时，考虑经济性和现状资源充分利用性，将金三角人防工程和幸福湾公园这2处已建成的且具有完备应急避难功能的避难场所也作为备选点进行分析。综上共选取36个备选点，基本信息如表5所示。

表5 备选点信息

3.3.3 应急避难场所优化求解

考虑到构建的模型具有复杂程度较高，求解规模较大且属于NP问题等特征，遗传算法对于组合优化中的NP问题十分有效[10]，故采用遗传算法对模型进行求解。经过多次实验测试设置最优参数，初始种群规模N=200，交叉概率pc=0.8,变异概率pm=0.01，每个目标函数对应调优系数[10]分别为a=0.45，b=-0.20，c=0.35，最大迭代次数genmax=100。

适应度函数值与迭代次数的关系如图1所示，可以看出，当迭代次数为13次左右时，个体适应度(选址适应度)达到最优，且之后不再改变，函数得到最优解，此时得到应急避难场所选址方案即为最优方案。在36个备选点中选取32个作为应急避难场所，除王家墩公园(B5)、武汉国际博览中心(B9)、武汉科技大学(B17)和幸福湾公园(B18)，其他备选点均被选中。现有应急避难场所幸福湾公园因其地理位置较偏且服务范围较小没有被选中，但是考虑其已具备应急避难场所相应的设施条件，故将其纳入选址方案中并且就近服务于洪山区，作为补充避难场所。综上，共选取33个备选点作为应急避难场所，其中包括5处现有应急避难场所和28处可新增的中心避难场所，总覆盖人口数达269.75×104人，最大化满足了避难需求，同时满足覆盖洪涝灾害风险程度高的区域。将选址方案中需求点与选址点的对应关系进行列举，如表6所示。优化后的应急避难场所空间分布如图2所示，并在图2中以洪涝灾害综合风险指数最高的江汉区为例，展示其选址分配方案和疏散路径。

图1 迭代曲线

表6 选址对应结果

图2 应急避难场所空间分布

4 结论

1)从致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体的脆弱性和防灾抗灾能力4个方面出发，构建城市洪涝灾害风险评价体系，运用灰色模糊综合评价法进行评价，反映当前城市洪涝灾害风险现状，可为城市应急防洪工作提供参考。

2)建立引入洪涝灾害风险权重的多目标应急避难场所选址优化模型，旨在覆盖洪涝灾害风险权重高的需求点。模型采用遗传算法求解，并以武汉市为实例展开研究，验证模型科学性和有效性。

3)居民疏散偏好和行为特征对应急避难场所的选址也存在影响，考虑单一灾种具有一定程度上的局限性，后续研究可以综合考虑居民行为、疏散偏好以及结合其他多灾种进行选址评价优化研究。