城市避難場所防震減災韌性評價體系研究
--以上海市區為例

李曉萍, 陸佳鋆, 胡青蜜

(江蘇科技大學 經濟管理學院, 江蘇 鎮江 212003)

0 引言

改革開放的偉大抉擇開啟了我國社會經濟發展的歷史新時期,大量人口涌入城市,資源和財富快速集中,城市內新老建筑并存,大型基礎設施日益增加,生態空間遭到擠壓,整體呈現密集、復雜的發展趨勢。因此,地震作為一種破壞性大、不可預測的突發性災害,將使得城市的災害演化和社會影響變得更加復雜。而且,我國城市抵御災害的能力還遠遠跟不上經濟發展的速度,大城市一旦遭到重大災害侵襲,極易喪失城市功能,造成重大的損失。2008年汶川地震波及成都市,導致中心城區廣場、綠地人滿為患以及街道交通癱瘓,由此可見當時成都市區應急避難場所資源供需不平衡的問題。當城市面臨的不確定性因素日益增加,學者們開始探索如何在災害中減少損失,城市韌性研究逐漸成為新的研究熱點。

韌性理論最早于1973年被生態學家霍林應用于系統生態學。如今,韌性概念以其所具有的動態性、共同進化以及“彈向更好的狀態”等特征,被廣泛應用于生態、社會、經濟、應急管理和可持續發展等不同領域的研究中。Godschalk[1]最先深入研究韌性概念,揭示韌性的關鍵原則并將其應用于城市的規劃管理,來制定城市減災的最佳實踐;Bruneau等[2]首次提出一個概念框架來定義社區的抗震韌性及其定量測量;彭翀等[3]梳理了社區韌性概念,闡述了社區韌性評估體系,對國外社區韌性的理論與實踐進行了述評;魯鈺雯等[4]結合荷蘭空間規劃實踐,提出在空間規劃中引入“韌性理念”,為協調城市發展目標和城市安全底線提供了新視角;葛雪等[5]構建一套物流供應鏈韌性評價指標體系并采用Fuzzy-TOPSIS方法,從供應鏈的角度對韌性增強策略進行優先排序。然而,上述研究多集中于城市韌性、社區韌性和供應鏈韌性等方面,未涉及應急避難場所韌性的探討。

應急避難場所是在遇到突發災害事件時作為災后應急避難的具有救援、安置和醫療保障等功能的安全場所,是有效保障災民生命安全,提高城市綜合防災能力、減輕災害影響的重要公共服務設施[6]。關于應急避難場所的研究主要是評價和優化兩類,其中評價研究又包含了評價指標體系和評價方法。2005年,馬亞杰等[7]首次闡述了避難場所安全評價的必要性,并提出安全評價的主要內容。同年,吳宗之等[8]最早采用層次分析法,并基于模糊集值統計理論,從規劃設計、硬件設施和軟件環境三方面來評價城市避難場所應急適應能力。該方法非常適合指標體系中有定性指標且模糊性較強的管理和資源規劃的綜合評價。隨著研究發展,學者們逐漸豐富了評價內涵,考慮從安全性、有效性、可達性等層面構建評價體系,并運用層次分析法、熵權法、灰色關聯分析法和地理信息系統(GIS)技術等方法對城市避難場所的適宜性評價做了很多實例研究[9-11]。蘇建鋒等[12]用熵值權重和灰色關聯分析相結合的評價模型,以及GIS空間分析對避難場所適宜性進行評估。周愛華等[13]應用2SFCA計算北京應急避難場所的可達性和擁擠度,并結合相關指標評價了避難場所的布局合理性。此外,也有少部分學者應用數據包絡分析法[14]和投影尋蹤法[15]對避難場所進行評價。雖然以上關于避難場所評價的研究已經較為豐富,但如今的防震減災理念正在由單一的抗震安全向地震功能損失和功能恢復的抗震韌性思想轉變。由于大型城市內新老建筑參差錯落、公共設施落后以及人員結構復雜,在面對不確定性災害時容易產生“漣漪效應”,因此更加需要考慮避難場所系統的韌性設計。

參考學者們使用過的評價方法,并考慮到避難場所防震減災韌性評價指標有一定的模糊性和隨機性,所以準確地定量描述一些指標比較困難,而模糊層次分析法(FAHP)考慮到人的判斷模糊性,使評價描述更加符合實際。因此,本文應用模糊層次分析法確定指標權重,再通過正態云模型計算得到避難場所的韌性等級。

韌性理論的發展為應急避難場所建設管理提供了新的視角。為了定義應急避難場所韌性,本文參考了其他領域關于韌性的研究。滕五曉等[16]總結主流視野下的韌性城市是指“在外界干擾下能夠采取靈活的應對措施,保存自己,保持發展的活力,吸引資源集聚,通過社會系統的自組織學習,避免潛在損失,應對挑戰和變化”。Ostadtaghizadeh等[17]將社區抗災韌性定義為“一個社區通過綜合、全面、參與式的、積極的方式與共存、應對和管理災害的能力”。此外,從可行性角度出發,將社區抗災韌性延伸為“社區在沒有損害的情況下吸收危險的水平,社區中仍然活躍的主要行動水平,以及社區需要恢復正常狀況的時間”。Kamalahmadi等[18]定義供應鏈韌性為“供應鏈用來降低面臨突然干擾的適應能力,通過保持對結構和功能的控制來抵抗干擾的擴散,并通過立即有效的反應計劃進行恢復和響應,從而超越干擾并使供應鏈恢復到穩健的運行狀態”。在設計人道主義供應鏈中,Noham等[19]提出韌性被認為是克服意外事件并在中斷后成功恢復,而不是在事件實際發生前緩解的能力。

綜上,本文從韌性視角出發,歸納了城市應急避難場所的韌性內涵,并篩選適用于避難場所的韌性特征,將綜合應用FAHP、正態云模型和GIS技術,從避難場所防震減災韌性的三個能力出發,選取24個指標構建評價體系,并以上海市區為例,對該區域的31個避難場所進行韌性評估,為實現城市避難場所的韌性建設提供科學依據。

1 避難場所防震減災韌性內涵及其框架

避難場所的防震減災韌性是一個綜合性的概念,包括物質環境的組成部分(如建筑、道路、設施等人工因素和地質條件等自然因素)、應急服務功能(如應急指揮系統和醫療救護系統的建設)和災難管理部分(如計劃和程序、反應和調度)。高韌性的避難場所需要具備內在力量(抵御和應對外部沖擊的能力)以及快速適應和恢復的能力。

地震工程綜合研究中心(MCEER)將韌性定義為“系統在地震發生時減少震動的可能并吸收震動、地震發生后及時恢復的能力”[20]。MCEER的框架包括了韌性的四個標準,即穩健性、冗余性、智慧性和迅速性[21]。邱桐等[22]結合“存量”“增量”及“變量”理念提出了城市地下空間綜合韌性防災抗疫建設框架,其中以魯棒性代表存量效應,冗余性、多樣性和恢復性代表增量效應,適應性和可持續性代表變量效應,最后依據協同性和自組織進行統一調度,確保該空間日常服務于城市運營而應急狀態可實現功能轉換,以輸出“增量”與“變量”進行韌性補強和升級。雖然不同領域的韌性定義存在差異,但是學者們將其理解為系統面對干擾、壓力或逆境時成功適應的相關能力已經成為共識,其中“吸收”“適應”和“恢復”是韌性的重要能力。因此本文將避難場所的韌性定義為“在面對不確定性的突發事件時,避難場所可以抵御并吸收災害的沖擊,通過自身防災韌性,使其本身能保留最基本的功能,且具有較高的反應協調能力,能在合理的時間和成本內恢復到其最初始的狀態或新的適應狀態”。簡單來說,避難場所的韌性水平就是避難場所在災害發生前、發生時和發生后,可以通過合理調配內外部資源,快速從災害中恢復到平穩健康狀態的動態適應能力。本文所構建的韌性評價體系是在災害未發生前,基于所有韌性相關因素對避難場所的抵御與恢復能力的評估。

避難場所的韌性評估包括定性評估和定量評估,定性評估即采取文獻分析、問卷調查和訪談等方式來探索構成避難場所韌性的要素;定量評估則需要對韌性產生影響的因子進行量化統計,選擇測度不同的對象并以其具體數值來描述韌性。目前,學者們大多評價避難場所的適宜性,而韌性將包含更多特征,如魯棒性、冗余性、恢復性、適應性、智慧性及可持續性等,適宜性評估缺乏從動態視角考慮避難場所的恢復能力,因此,“恢復性”是使韌性有別于其他概念的重要特征。本文將韌性看作避難場所的一種狀態,從多個維度體現其所含有的抗擾、恢復和適應能力,并構建各層次的評價指標因子,對避難場所的防震減災韌性進行綜合評估。針對避難場所應具備的主要功能,結合相關韌性特征,本文將圖1所示的概念框架整合到體現避難場所防震減災韌性的三種能力中。

圖1 避難場所防震減災韌性概念框架

吸收能力意味著災難發生時,避難場所能夠做好各種應急準備,具有足夠抵抗和應對外部沖擊的能力。危機事件發生時,不論遭受多么嚴重的破壞,甚至導致部分功能喪失時,仍能保障避難場所結構穩定和人們生存生活需要。魯棒性強調了避難場所的穩健可靠,確保避難場所具有安全穩定、容量大、功能豐富的特性。冗余性則是指在系統中特意創建的備用容量,以便能夠適應中斷、極端壓力或需求激增。它包括多樣性,即實現特定需求或履行特定功能的多種方式的存在[23]。當原有功能發生中斷,或者退化甚至喪失時,備用設施、備用系統以及備用空間的存在能夠使避難場所滿足其功能需求。當避難場所足夠強健且冗余能夠緩沖或吸收壓力源的直接影響,而不會發生功能障礙時,就產生了韌性的狀態。

恢復能力是指避難場所能夠在可接受時間范圍內從遭受沖擊產生功能障礙的狀態轉化為災前穩定的功能水平,及時消除災害對災民和避難場所帶來的不利影響(如建筑物廢墟、污水、醫療垃圾和傳播性疾病等),重新恢復避難場所健康運轉的能力?；謴偷绞录肮δ艿乃俣仍娇?韌性就越強大。而在短時間內使避難場所擁有強大恢復力的支撐就是人力、物力與財力,這些資源越豐富,避難場所恢復得就越快。

適應能力代表著避難場所應對災害的自我調節能力,包括個人、家庭、社會各層次和避難場所本身所展開的適應調整措施,如逃生演練水準、居民教育水平代表著受災人群的快速響應能力。技術創新和智慧化建設代表著災害預判與應對能力,政府決策能力更是發揮避難場所功能的重要支撐。前瞻性的預防措施和未來外部不確定因素干擾下可重現、可更新和可拓展的能力,可以有效確保避難場所在災前、災時和災后的穩定。

2 避難場所防震減災韌性評價指標體系構建

基于避難場所韌性的內涵,根據國家相關文件與國內外文獻現有研究來構建應急避難場所防震減災韌性評價指標體系,并利用模糊層次分析法進行指標權重的確定,引入正態云模型理論構建避難場所防震減災韌性評估模型。

2.1 評價指標選取

在國家標準中,按避難場所的規模主要分為中心避難場所、固定避難場所和緊急避難場所三種類型。由于中心避難場所適用性最廣,具備的功能最豐富,本文主要以中心避難場所為研究對象,其他類型的避難場所需要考慮的指標可在此基礎上根據所需評價的避難場所的實際情況進行刪減。

避難場所防震減災韌性的影響因素是多方面的,科學合理地構建避難場所防震減災韌性評價指標體系,是正確評估避難場所韌性等級的基礎。本文綜合《防災避難場所設計規范(GB 51143-2015)》和《地震應急避難場所、場址及配套設施(GB 21734-2008)》等相關文件要求,在考慮體現避難場所韌性的吸收能力、恢復能力和適應能力的基礎上,深度分析國內外相關文獻,歸納出避難場所防震減災韌性評估指標體系(表1)。

表1 避難場所防震減災韌性評價指標體系

2.2 指標權重確定

本文利用模糊層次分析法進行指標權重的確定,這是一種將模糊有序加權平均(FOWA)算子與AHP相結合進行定性與定量分析的方法,彌補了傳統層次分析法不考慮決策,具有不確定性和模糊性的缺點[24]。

基于FOWA算子確定三角模糊互補判斷矩陣中因素權重的具體步驟:

步驟2:確定加權向量ω=(ω1,ω2,…,ωn)T。

(1)

式中:Q為模糊語義量化算子,按式(2)給出:

(2)

式中:r,a,b∈[0,1]。相應的模糊語義量化準則給出:“大多數”“至少半數”和“盡可能多”的算子Q中參數為(a,b)=(0.3,0.8)或(a,b)=(0,0.5)或(a,b)=(0.5,1)。

(3)

本文根據權威專家對相關因素的重要性評價,構建一級指標層的三角模糊數互補判斷矩陣,如表2所列。同理可以構造出其他所有判斷矩陣。模糊語義量化準選擇“大多數”,得到加權向量;決策態度為風險中立,按文中方法求得矩陣中元素期望值,并按期望值大小對矩陣中各數據按行進行重排序;將FOWA算子計算方案與其他方案的優先程度相比,計算得到優先程度期望值,對優先程度期望值歸一化得到排序向量,此時得到的排序向量即為各因素相對目標所占權重,如表3所列。

表2 一級指標層三角模糊數互補判斷矩陣

表3 一級指標層權重

按上述步驟,最終可以計算出二級指標權重,具體結果如下:

W={0.02,0.016 5,0.016 5,0.029 2,0.035 9,0.098 2,0.035 1,0.043 1,0.027 7,0.030 9,0.039 5,0.036,0.039 9,0.054 5,0.050 7,0.035 1,0.026 3,0.043 1,0.043 1,0.068 9,0.056 1,0.061 8,0.043 3,0.048 3}

2.3 評估模型構建

由于避難場所在其使用過程中會不斷產生變化和更新,本文通過云模型正向發生器計算評價指標對應的評估等級隸屬度,結合FAHP法確定的指標權重計算綜合隸屬度來評估避難場所的韌性等級,提高評估的科學性。具體步驟如下:

步驟1:根據表1中的二級指標建立避難場所防震減災韌性評估對象的因素集U={u1,u2,…,un}和韌性評估等級V={v1,v2,…,vm}。

步驟2:根據模糊層次分析法理論,確定韌性評估指標權重向量W。

步驟3:確定云模型參數?？梢陨蓌屬于概念A確定度分布的云發生器,稱為正向云發生器,它可以根據正態云的數字特征(Ex,En,He)產生云滴,Ex、En、He分別代表期望、熵和超熵。其計算如下式:

(4)

式中:Amin和Amax分別是評價指標在區間的下限和上限,超熵He可通過經驗取值,本文統一取0.01。

由避難場所防震減災韌性評估的各個指標的指標值運行正向云發生器,計算所有指標在每個評估等級中的正態云模型隸屬度向量矩陣Z=(zij)n×m。其中,zij表示評估指標ui在對應評估等級vj下的隸屬度。

由于正態云模型給出的隸屬度矩陣具有隨機性。我們采用重復計算N次的加權平均的方法,得到最終平均隸屬度為:

(5)

步驟4:求出隸屬度矩陣Z=(zij)n×m后,再由步驟2中求得的權重矩陣W可計算出評估集V上的模糊子集C:

C=WZ

(6)

由最大隸屬度原則可知,本文評估結果應選擇隸屬度最大的評估等級。

3 實證分析

3.1 研究對象

上海地處長江三角洲沖擊平原,屬亞熱帶季風性氣候,雨水充沛,沿海地區易受臺風侵襲,造成黃浦江水位上升,引發潮水浸淹災害。除了臺風,暴雨內澇、赤潮、雷擊、地震和地面沉降也是易對上海造成影響的災害。

本文以上海市中心7個區(黃浦、徐匯、長寧、靜安、普陀、楊浦和虹口)為研究對象,依據國家統計局和相關網站的公開數據,通過ArcGIS 10.8軟件進行數據處理,繪制研究區的人口分布圖(圖2)和避難場所及相關設施的分布圖(圖3)。圖2、圖3來源:國家基礎地理信息中心1∶100萬公眾版基礎地理信息數據(審圖號:H51)。

圖3 上海市區設施分布

(1) 人口數據。全國第七次人口普查結果顯示,按常住人口統計,上海市常住人口約2 487.09萬人。本文研究區域約668.37萬人,占全市人口數的27%。

(2) 應急避難場所數據。本文研究上海市主城區的避難場所,選取2處Ⅰ類避難場所和29處Ⅱ類避難場所,相關信息來源于上海市民防辦公室。

(3) 多源POI數據。POI數據包括醫院、消防站、公安機關、加油站和危險品儲存點等多種數據,來源于百度地圖采集,并經過坐標轉換系統轉為WGS84坐標。避難場所周邊的醫院、消防站、公安機關等設施可以幫助震后恢復。加油站和危險品儲存點是爆炸危險源,與避難場所啟用時的安全性相關,《應急避難場所設計規范(DB31MF/Z 003-2021)》規定避難場所距離爆炸危險源的距離不應小于1 000 m。

3.2 研究區避難場所韌性評估結果

根據上海市政府發布的《上海市應急避難場所設計規范(DG/TJ 08-2188-2015 J13268-2015)》等相關文件與實地考察結果,將避難場所防震減災韌性分為低度韌性(Ⅰ級)、較低韌性(Ⅱ級)、中度韌性(Ⅲ級)、較高韌性(Ⅳ級)和高度韌性(Ⅴ級)5個評估等級并確定避難場所防震減災韌性等級評估標準區間(表4)。指標體系的評估等級閾值的確定有多種方式,如文獻參考、固定間距法和專家經驗等。目前避難場所防震減災韌性等級劃分的參考文獻很少,本文依據專家經驗和固定間距法來確定,最后結合市區避難場所的各項指標實測值,得到各指標的隸屬度。

表4 避難場所防震減災韌性等級評估標準區間

以 Ⅰ 類避難場所大連路公共綠地服務區的人口密度(2.11萬人/km2)為例,此指標為負向指標,根據式(4)計算出評估指標各等級的正態云特征值(Ex,En,He),通過正向云發生器可得到大連路公共綠地人口密度的各等級隸屬度值(表5),因此大連路公共綠地服務區人口密度指標處于較低韌性水平。

表5 大連路公共綠地服務區人口密度隸屬度值

最后,將避難場所所有韌性指標的隸屬度矩陣Z結合指標權重W,根據式(6)進行韌性等級評估,得出大連路公共綠地的韌性水平為中韌性(Ⅲ級)。本文研究的31個避難場所各指標的隸屬度計算此處不再贅述,所有指標韌性等級頻數統計如圖4所示。表6為31個避難場所的最終韌性評估等級。

表6 上海市區避難場所防震減災韌性評估結果

圖4 避難場所韌性指標評估情況

3.3 結果分析與討論

由表3可知,上海市區的2個 Ⅰ 類避難場所:大連路公共綠地和中山公園分別為中韌性水平和高韌性水平;Ⅱ 類避難場所大多處于中等水平,其中4個避難場所被評估為較高韌性水平,分別是格致中學、風華高級中學、閘北公園和市曹楊二中;2個避難場所被評估為較低韌性水平,分別是控江初級中學和少云中學。

以評價結果為高韌性水平的中山公園為例,中山公園有南門大廣場、中山紀念堂門前廣場及周邊草地和江津湖疏林草地等3處應急避難區域,場地內部有微型消防站、應急用水用電設施和物資倉庫等,同時設置38個監控探頭和20套標識牌,還常備帳篷、棉被、食品等應急物資。此外,中山公園位于中心城區,經濟發達且周邊交通便利、設施豐富,公園內部供水供電區、應急物資供應區、應急醫療救護區、應急垃圾存放區和棚宿區等功能區的布置井然有序。2015年啟用演練時,工作人員與社區居民配合默契,檢驗了中山公園避難場所人員安置、通信、醫療、物資供應等各種保障措施和區域救災資源整合的效果,體現了較高的協同作戰能力。因此,在評價過程中,中山公園與吸收能力相關的指標如爆炸危險源數、抗震等級、人均有效避難面積、應急設施齊備度、備用空間存量和供電供水設施種類數量都是高等級評價,體現了中山公園內外部環境的安全與穩定,其避難功能有較大的發揮空間;與恢復能力相關的指標如垃圾無害化處理率和污水處理能力也是高等級評價,可以保障災后恢復過程中避難人員的健康;與適應能力相關的指標都是較高及以上等級評價,高信息化建設以及居民與政府對宣傳演練的重視,保障了避難場所在運行時能對災害快速響應,能不斷優化應急功能,提升避難水平。由此可知,中山公園的韌性評價結果與實際情況相符。

根據指標韌性等級頻數統計(圖4),可知上海市區避難場所的高韌性水平指標主要包含與吸收能力相關的指標(A2爆炸危險源數、A3周邊高層建筑物數量和A6防震等級)、與恢復能力相關的指標(B5所屬區GDP總額和B8污水處理能力),以及與適應能力相關的指標(C2人口教育水平、C3研究開發費用占 GDP 比重和C5居民對政府決策能力的滿意度);低韌性水平指標主要包含與吸收能力相關的指標(A1地質災害易發性等級、A4服務區人口密度和A5服務區人均道路面積)以及與恢復能力相關的指標(B2周邊公安機關數量、B3周邊醫院數量和B4周邊消防站數量)。由此可見,上海市區受災壓力較大,由于人口密集,災害產生的影響也大,但是城市經濟水平、教育水平和科技能力水平較高,人民對政府決策能力認可度高,避難場所可以有效發揮避難作用。部分地區避難場所周邊設施配置不夠豐富,在一定程度上制約了避難場所的恢復能力。因此,上海市區避難場所可以在災民疏散和設施配置方面進行改善,如統籌規劃建設公共消防設施,加密市區消防救援站點等;推進城市多通道、多方式交通建設,提升避難場所附近的交通網絡系統韌性;可在 Ⅰ 類避難場所規定設置停機坪,并完善航空跨區域救援協調機制,提升航空應急救援人才專業素質,城市內部可以展開跨區救援,建立健全的資源共享機制。

4 結論

上海市作為我國的經濟中心,其避難場所的韌性規劃對其他城市有良好的借鑒作用。通過避難場所防震減災韌性評價指標體系對上海市區31個避難場所進行韌性評估,結果顯示該評價體系有一定的適用性。

首先,該體系包括3個一級指標和24個二級指標,均能有效反映地震災害對避難場所韌性的影響,選取的指標易于測量,而且運用模糊層次分析法和云模型相結合的方法進行韌性評估,可以提高評估結果的準確性。

其次,在對避難場所進行評價的過程中,不僅要考慮避難場所建設的適宜性,還從動態視角考慮避難場所的吸收能力、恢復能力和適應能力,可以更全面地發現避難場所應對地震災害的薄弱之處,從而采取針對性的措施來提升抗災韌性水平。

在新的形勢與挑戰下,將韌性納入城市避難場所規劃,可以促進區域防災減災的高質量發展。本研究仔細梳理了韌性理念和特征,并強調了避難場所規劃過程中需要關注的韌性重點,可以補充完善現有城市避難場所適宜性評價體系,提高避難場所應急能力,保證各避難場所在面對突發災害時能發揮重要作用。此外,該評價體系的研究也可以為避難場所布局優化提供借鑒。