应用GIS对城市地震避难场所合理布局探析

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  摘要:城市地震应急避难场所布局是现代城市规划与城市管理必不可少的内容之一。但长期以来,由于诸多原因,城市地震应急避难场所设置在不少城市显得过于随意,只是选择一些已有的学校操场、绿地、广场等场所随便挂个牌子而已,并未根据城市的功能分区及不同区域的人口密度进行科学的布局和论证,从而给防震减灾埋下了诸多隐患。有鉴于此,本文立足于地理科学及城市规划、功能区布局等基本理论,采用GIS技术和WVD原理,在参考国内现有研究成果的基础上,精选七个因子作为评价指标,以覆盖半径为权重,对临汾市尧都区城区现有应急避难(险)场所进行缓冲区加权分析。对现有城市各地震应急避难场所的空间覆盖范围、各服务区的承载能力、人口分布趋势进行评估。为临汾市相关职能部门制定应急保障方案提供决策支持依据。
  关键词:应急避难场所;GIS空间分析;WVD原理;最短路径;最大覆盖模型
  引言
  我国抗震设防烈度为6度及其以上的区域超过国土面积的2/3,发生强烈地震后,抗震能力差的建筑会遭到破坏,大量的避难人员需要救助[1]。临汾市尧都区位于我国的地震断裂带上,为了避免地震发生时慌乱和无序,及减少地震灾害所带来的损失,需要对临汾市市区地震应急避难场所合理性布局进行分析并对不合理的避难场所进行调整。与过去我国学者采用的服务半径法和千人指标法[2],凭借经验进行布局相比,本文的分析方法力求更合理地布局应急避难场所,并进行科学的评价。本文旨在为临汾市相关职能部门制定应急保障方案提供理论支持,探讨我国的防震减灾及自然灾害防治减灾方面的空间布局方法,为相关决策提供支持依据。目前,在国内这方面研究较少,因此本文的一些相关研究方法及理论不仅对于城市地震避难场所合理性布局方面进行探讨,还可用于我国的自然灾害防治减灾方面的研究。
  一、研究区概况与对象
  1、临汾市尧都区城区概况
  临汾市尧都区城区(后文简称城区)域常驻总人口数为445518人,东起东外环路,西至滨河路,南至南外环路,北达G108国道,东西长12736m,南北宽9080m,总面积 83k㎡(见图1)。区域地理坐标为北纬35°23′~36°57′,东经110°22′~112°34′之间属暖温带半干旱气候,年均温13℃,年均降水量517毫米,地形平坦,海拔在400m——600m范围内。
  2、应急避险场所分布现状
  根据尧都区应急避难场所分布现状图(见图2)可知,现有地震应急避难(险)场地共25处,其中只有古城公园(图2中引图部分)已经达到国家III级地震避难场所指标;现有应急避难(险)场所中学校占有的比重较大,大约为66.7%,其它类的只占33.3%。目前,临汾市市区避难场所现有场所面积77.98万平方米,可以容纳26.3万人口左右。居民区周边的应急避难(险)场所还比较欠缺,所以临汾市的城市避难场所规划建设工作相对紧迫。
  二、研究过程与分析结果
  1、城市交通网络的构建
  运用GIS对尧都区城区建立网络数据集,形成路网网络(见图3)。
  2、人口分布与现有避难场所空间上分布分析
  以平阳广场为作为临汾市区中心,分别以500米——6000米分别做同心圆缓冲区,可知在1000米缓冲区范围内人口最为集中,密度最大,2000米缓冲区范围内人口相对集中,临汾市市区人口主要集中在3000米缓冲区范围内,以6000米为缓冲区基本上可以把整个尧都区在空间上覆盖。城区东西、南北大约为12公里,人口规模分别由平阳广场向四周逐渐减少的趋势,东与西、南与北的人口在空间上表现出相对对称,东边的人口相对比其它三个方向的人口较多,可以看出东边的发展更好一些,发展潜力更大(详见图4)。
  分析可知:
  城区避难场所主要集中在以平阳广场为中心的2000米至3000米范围内,总数可达22个,占整个市区应急避难场所总数的88%。空间上可以看出避难场所主要分布在平阳广场的北边和西南方向,东南和西北方向相对缺乏(见图5)。
  分析得出:
  结合以上图4、图5及表中的数据可得知,临汾市应急避难场所在空间分布上基本与人口密度分布相吻合,分布尚属合理。但是需进一步改善和建设,其中平阳广场的东边人口数量相对较大但是避难场所却相对缺乏,数量不足(见表1)。
  3、应急避难(险)场所综合因子评价及责任区划
  精选出避险场地的7个因子构成固定场所评价体系,每个因子分为极好(5分)、好(4分)、一般(3分)、较差(2分)、极差(1分)5个等级。因子的具体内容和得分见表2[4]。其中q1为地质环境、q2为地形、q3为救灾道路宽度、q4为可利用面积、q5为安全状况、q6为基础设施状况、q7为场所主要类型。
  通过分析其中的地质、道路宽度、可利用面积、安全状况、基础设施和场所主要类型因子,对避难场所根据不同的情况进行不同的评分,又根据各层次分析法[5]引入合理的标度,按照上表中确定各个避难场所影响因子之间的关系,构造判断矩阵,并求解判断矩阵的最大特征值和它所对应的特征向量,为避免和降低主观性。由此归纳得到的最终计算各因子权重见表3[6]:
  应急避难(险)场所综合因子加权重分析后绘制出图6。
  基于WVD(weight Voronoi diagram)方法进一步对固定避难(险)场所责任区划。[7]
  首先对临汾市市区避难人员数量进行估计、了解其分布状况。其次,采用设防烈度地震下(并适当考虑大震影响)的评价结果作为避难疏散场所规划安排的依据,再对可用于避难的场所进行计算,求出其覆盖半径。然后,再对可用于避难的场所进行计算,求出其覆盖半径。(注:综合因子最大值为固定应急避难(险)场所的覆盖半径为500—2000m,最大综合因子乘以4正好为最大距离2000m。)依照覆盖距离(覆盖距离=综合因子*400)给避险场地做覆盖半径;最后采用GIS技术将场所责任区与避难人员分布图的空间进行叠加分析,从而计算出实际覆盖的避难人数,并与所容纳人数进行比较。   固定避险场地责任区划分结果如下:建议建设规划的区域为:规划A、规划B、规划C。
  4、地震受灾人口预测
  发生一次地震造成无家可归人员的多少,显然与建筑物破坏多少有关。
  可按下式[8]估计:
  根据《山西省尧都区房屋抗震性能调查与研究》估测不同震级下的建筑面积受损程度(见图9)。
  数为79673人。
  根据上述震害预测的结果,地震烈度为8度以下时,主要是安置灾民住的问题,地震烈度为9度以上时,既要解决灾民吃的问题,又要解决灾民住的问题。发生一次强的地震时,一般都会伴有余震,震后会使得临汾市区大多数建筑内的人员都变得不安全,为此在强震面前市区几乎所有的人员都可以认为是受灾人口。通过对现有的临汾市区人口空间分布的研究就可以推算出震后短期受灾人口。
  对人口数据进行量化计算确定出临汾市市区人口密集度并通过调查对人口密集度进行修订。修订公式:
  Pi为修订后的人口密度,i为责任区代码: 字母A、B、C……, K为人口空间集聚指数,K越大表示人口空间分布差异越大,是经验值。N为平均人口密度,Mi为区域内居民区与平均值的差值占总面积的百分比。
  根据第六次人口普查数据,城区的人口51.4万人,人口年平均增长率为0.89%,处于稳定增长之中,那么2013年人口约52.31万人。
  5、地震避难(险)场所承载力评估
  根据地震灾害特点,如果地形等条件相差大致相同,从大的空间范围考虑,一般受灾程度差别不大。不考虑建筑质量等其他一些因素,假定城区各个区域受灾程度相同那么可以经过GIS的空间分析计算出临汾市市区在不同震级下的无家可归人数。
  由表11中可以看出,城区现有的地震应急避难(险)场地总的容纳能力在52.6%左右。由于尧都区人口空间分布差异大、地震应急避险场地的建设发展分布不合理,导致一些区域场地容纳能力还有空间,而一些区域严重不足,特别是区域H、 K、待建B的无法安置的受灾人口特别多,承载能力严重不足,难以满足地震应急疏就近原则。
  6、覆盖范围空间分析[9]
  应急避难(险)场所规划前后分析:
  现状:图13以现有25个应急避难(险)场所为中心做以500m为服务半径的同心圆缓冲区,在做基于路网的500m范围内进行网络分析,然后进行叠加。可以通过图7看出其服务范围及其分布合理性,明显看出其在规模和数量上不能覆盖城区的人口,需要改进(见图12)。
  调整后:图14是在建议把平阳广场和尧庙华门广场建成国家III级避难场所,然后以22个应急避险场地做500m同心圆缓冲区及基于路网的缓冲区,而对3个应急避难场所分别做基于路网的2000m、2500m、3000m的缓冲区及同心圆缓冲区进行叠加分析,分析可得到规划之后城区应急避难场所的覆盖情况,进而看出把平阳广场和华门尧庙广场作为国家III级避难场所的必要性和合理性(见图13)。
  现状合理性分析结果图12 调整后分析结果图13
  三、发展及调整建议
  1、分期发展建议
  近期:目前城区中心缺乏避险场地,与此同时城市中心用地紧张,所以可以先选择发展古城公园、华门尧庙广场、尧都区委院。当前规划A区严重缺乏避险场地,但在区域内规划发展面临着用地紧张的难题,所以可以选择发展尧庙华门广场,通过环城南路进行辐射。
  中期:发展待建A区、待建B区、待建C区,使重要的固定地震应急避难(险)场所进一步完善。
  远期:随着城市化的进一步发展,中心区的用地紧张状况得到缓解,重点发展平阳广场,将此建成中远程应急避难场地,这样便可形成一个核心区(平阳广场)、三个中心区(古城公园、尧庙华门广场、尧都区委院)、次级避险场地及紧急避险场地等进一步完善,制订出科学合理的地震应急疏散方案,把灾害降低到最小。
  2、调整建议
  通过应用GIS技术下的城市应急避难场所合理性布局分析得出,从空间上看城区现有的避难场所数量及空间分布基本和市区人口数量的分布趋势相一致,避难场所主要集中在城区人口较密集的以平阳广场为中心的3000米范围内。避难场所基本满足市区人口较多的区域,空间布局也尚属合理。但是,可以看出避难场所主要分布在平阳广场的北边和西南方向,东南和西北方向相对缺乏而东边和西南方向的人口相对较多、较为密集;数量上还需增加9个应急避险场地,分别分布在规划A区、规划B区、和规划C区,才能满足城区应急避难场所的需求。 在规模上要进一步发展成为国家标准的避难场所,才能很好的覆盖市区的各居民点。在此基础上,提出两个势在必行的建议:
  ① 应当把平阳广场和华门尧庙广场建成国家III级避难场所标准;
  ② 应对规划A区、规划B区、和规划C区进行补点规划。
  近几年来,城区经济正处在快速发展阶段,大量的农村人口涌入城市,人口由之前的31万增长到50多万,而城市避难场所的建设却停滞不前,落后于城市化的进程。所以,城区的应急避难场所建设工作迫在眉睫。
  结语:
  目前, 姚清林[10]提出了避难场所选择的原则和方法,给出了场所的遴选流程。杨文斌[11]、苏幼[12]、冯荟[13]等研究了避难场所的建设问题.周天颖[14]等采用最大涵盖模型,根据现有公共设施分布情况,确定避难场所的位置.蔡柏全对避难场所的覆盖范围进行了推算.截止到目前,仍未建立可遵循的城市规划法规。迄今,通过地理信息系统来分析城市应急避难场所优化布局研究在国内外这方面研究相对尚少,所以本文的研究方法比较新颖,当然也就会存在一些问题需要进一步完善。相关研究方法及理论不仅可以应用于城市地震避难场所布局合理性方面的研究,还可以应用于我国的自然灾害防治减灾方面的研究,具有一定的发展前景和实用价值。   参考文献
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  作者简介:
  刘红兵(1967—),男,山西临汾人,山西师范大学城市与环境科学学院,讲师,硕士,主要研究方向为区域地理与GIS。
  张秀鹏(1991—),男,云南大理人,山西师范大学城市与环境科学学院2010级本科生,专业:资源环境与城乡规划管理。
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