城市应急救援功能抗震韧性研究

魏文晖，方育铭，胡 郢

(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉 430070)

城市发展与抵御各类风险灾害相伴相随，其中地震灾害是灾害之首，是世界上威胁人类生命财产安全最严重的自然灾害之一。中国作为一个地震活动频繁的国家，城市抗震防灾是重中之重，但是城市的抗震防灾涉及多个方面，单凭对于建筑单体的抗震设防措施无法形成完整的城市抗震性能，必须着眼于城市整体功能的抗震，也就是城市抗震韧性。“韧性”这一概念源于生态学研究，最初韧性被定义为系统恢复平衡的速度，应对危机并回复的能力，适应新环境的能力，具有内在的坚固性、弹性与适应性，当“韧性”被应用于抗震防灾领域，抗震韧性被定义为遭受地震灾害的主体吸收地震破坏并迅速恢复的能力。随着相关研究的深入，其内涵扩展至社会-生态系统的研究中，逐渐成为较为系统的理论体系。一座韧性城市是一个由物质系统和人类社区组成的可持续网络，物质系统是城市中的自然和人造环境要素，人类社区是城市的社会和制度构成元素。经过发展，城市韧性已经成为城市安全研究的热点领域。

1 国内外研究背景

城市韧性作为研究城市整体功能的工具，已经成为热门的研究领域，国内外有诸多学者进行城市具体功能韧性的研究，如Michel Bruneau[1]等提出了一个概念框架来定义社区的地震恢复力及其量化方法，他认为系统功能恢复力作用是：降低功能受损概率、降低功能受损后果和缩短恢复时间，该框架还可以对系统终端的稳定性和敏捷性、系统平均资源富余度和冗余度进行量化评估，并把这4项指标与社区韧性的四个维度(技术，组织，社会和经济)整合，以上措施都可以用于量化评估各类物质和组织系统的恢复力，并用框图确定达到这些目标所需的措施；Abdullah Shafieezadeh[2]提出基于情境的基础设施系统韧性评估概率框架，考虑了地震烈度测量相关性、结构构件易损性评估、设备修复要求的估计、修复过程以及服务需求等过程中的不确定性，提出了考虑地震烈度、震中距和服务需求度的概率密度的韧性函数，建立了一个详细的海港模型，使用海港工作历史建立服务需求模型，并对其进行抗震韧性分析；李瑞奇[3]等基于韧性曲线的概念，从城市结构、城市安全韧性、突发事件、城市功能恢复等方面出发，构建了城市系统功能系数、城市子系统功能函数、安全韧性函数、破坏性函数、恢复函数，定义了城市安全韧性水平，提出包含城市结构模型、城市安全韧性模型、突发事件模型、城市功能恢复模型的城市安全韧性定量分析框架；以地震灾害为例，建立包含建筑、交通、能源、通讯、供水等子系统的虚拟城市模型，通过蒙特卡洛法对城市遭受地震灾害的韧性进行模拟仿真；尚庆学[4]提出一种量化医疗系统抗震韧性的评估框架，通过定义医疗系统功能、确定关键基础设施及支撑医疗系统功能的关键构件建立医疗系统模型，将医疗系统划分为5个医疗功能单元及7个子系统，每个子系统由不同的构件组成，由此建立医疗系统抗震韧性评估指标体系，并通过层次分析法确定指标体系各组成部分的权重系数，用于后续的韧性评估。

2 韧性分析

2.1 韧性曲线

目前来说，国内外对于灾害韧性的研究基本以韧性曲线分析为主[5]。对于城市灾害应急救援，通过模拟城市应急救援系统的功能水平在灾害发生情况下随时间变化的情况，得到的功能时变曲线称为韧性曲线。可将伤员救治效率作为应急救援系统的功能水平函数。韧性曲线如图1所示，灾害发生时刻为te，由于该文研究灾害类型为地震，灾害发生时间相对全过程时间来说比较短，故将灾害发生过程视为一个瞬间；系统受损程度评估与分配修复资源进行恢复的阶段时长为Tc。

将灾害韧性曲线的积分与理想韧性曲线的积分的比值作为功能韧性的值，韧性R表示如式(1)所示

(1)

对于韧性的研究除韧性曲线外，还可使用4R灾害韧性特征进行评判[1]，它们分别为：鲁棒性(Robustness)、冗余性(Redundancy)、敏捷性(Rapidity)、适应性(Resourcefulness)。具体描述如表1所示。

表1 4R灾害韧性特征及描述

2.2 多层网络拓扑模型

采用多层网络拓扑结构来对城市诸多基础设施系统进行建模，将多个基础设施系统的网络拓扑模型进行叠加来体现系统之间的关联，仅仅这样还不能够很好地表示地理关系，还需要另外叠加一个具备真实地理坐标的地理层，使其他所有基础设施系统的节点与连接都根据真实的地理位置嵌固在这个地理层上。另外还可将系统中的用户作为一个用户集合，表示所有用户以地理位置为根据的集合。

以图2一个简单的虚拟城市为例，其中有两类基础设施系统，节点分别用黑色圆和白色圆表示。能够为用户直接提供服务的基础设施系统节点与用户节点直接相连，也存在一些间接为用户提供服务的节点例如水厂、发电站等，黑色基础设施系统与白色基础设施系统互相存在连接，这种连接通过层间连接模拟。此外，两个基础设施系统的节点按照真实地理位置在地理层进行投影。该文使用多层网络拓扑结构对城市交通系统、供电系统、供水系统间的关联进行建模，并根据系统的具体形式选用无向赋权网络或者有向赋权网络进行基础设施系统的建模。

城市应急救援系统，包含消防系统、救护车系统、医疗系统、居住系统/灾民疏散安置系统、交通系统、供水系统、供电系统，对于这些系统的功能水平评判指标如表2所示。

根据此表2中的指标可评判地震下的各系统功能变化情况，并据2.3节综合得到伤员救治效率。

表2 应急救援基础设施系统的功能水平指标

2.3 地震伤员的应急救援流程

在模拟城市各系统遭受的地震灾损、估计城市居民的伤亡情况后，需要模拟应急救援系统在灾损情况下对地震产生伤员的救援过程。根据资料[6]，具体流程如图3所示。

在地震发生后，破坏程度较重的建筑中将产生各种受伤程度的伤员，由消防队伍、救护车、医院分别进行伤员的搜救、运输、治疗，其中轻度伤员搜救完成后即可进行伤势的恢复，而中度伤员、重度伤员必须经过救护车运输后到医院进行治疗，考虑此过程中死亡的伤员，最终可得到伤员的救治效率。

3 结论

a.该文提出的城市应急救援系统抗震韧性分析框架可对城市应急救援系统受到地震损害后的韧性进行准确地量化评估。

b.城市在面临各种危机的时候往往会暴露不少平时掩盖的问题，应对和处理手段也需要不断改进，城市从量的堆积转向质的转变的过程中，城市韧性作为一个新的概念，会发挥出越来越重要的作用。