地震易发区高校避震疏散空间需求与路径优化

2022-03-10张佳瑜赵小勇白林波

吉林大学学报（地球科学版） 2022年1期

张佳瑜，赵小勇，白林波，王勇，郑芳

宁夏大学地理科学与规划学院，银川 750021

0 引言

地震突发性强、防御难度大，破坏性地震极易引发火灾、水灾、毒气泄漏、瘟疫和拥堵踩踏等次生灾害，而紧急疏散可以让人们远离危险区域，减少二次伤害，是有效的防震减灾手段[1-3]。2017年，《城市社区应急避难场所建设标准》[4]、《中小学校地震避险指南》[5]的发布，从制度层面和规划规则上重视地震应急避难场所(以下称避震场所)。

作为人才储备，年轻人聚集的主要区域，校园安全日益受到重视，校园防灾已成为一项重要研究课题[6]。目前校园避震的研究较少，主要是讨论将中小学校园纳入城市应急避震体系的社会防灾功能相关问题和建议[7]。大学校园的规模普遍远大于中小学，是相对独立的生活区域，集教学、科研与生活为一体，其疏散过程更加复杂：一方面大学校园局部空间人口和建筑密集，道路纵横交错；另一方面因运动与教学需求，有不少开敞空间。目前很多避震演练着重于建筑楼内，重视避震物品的准备和遇灾后的心理指导，而忽略离开建筑后聚集的人群有可能发生拥堵甚至踩踏的疏散过程[8-9]。1963年，Cooper[10]构建了区位配置(location allocation，LA)模型，可用于多设施位置求解，得到了广泛的研究和推广。2011年，黄静等[11]建立了基于夜间情景的城市社区防震应急疏散模型，初步从微观角度应用GIS研究避震疏散。2019年，张佳瑜等[12]应用LA模型理论和GIS空间分析方法，构建社区地震应急避难场所配置模型，并以一个社区为研究对象进行了实证研究。高分辨率影像纹理清晰、可解译程度高，已广泛应用于包括安全生产、生活的诸多领域，是获取数据的有效方法[13]。

宁夏是我国地震易发区，科学优化该地区大学校园避震疏散，可减少师生因恐慌产生的拥挤甚至踩踏，提高逃生能力。本文以宁夏大学文萃校区、怀远校区为研究区，通过实地调查数据和高分辨率影像数据统计，获取研究区人群时空分布特征信息，综合考虑目前的避震疏散研究状况，应用GIS研究大学校园的避震疏散空间需求，构建疏散路径，对高校或社区防灾减灾规划应急疏散具重要意义。

1 研究区概况

宁夏地处我国南北断裂带的北段、银川—河套地震带的西部，是鄂尔多斯、阿拉善和青藏三大块体的结合部位，构造活动十分强烈，发生过银川8.0级(1739年)及海原8.5级(1920年)两次大地震。新中国成立以来，宁夏境内共发生了12次5级以上地震，平均约6年发生1次，人员伤亡519人[14]。银川市是宁夏回族自治区首府，高校众多。2018年，宁夏大学在校师生总计25 368 人，占银川市高校师生人数18.4%，共有贺兰山校区、怀远校区、文萃校区、金凤校区、中卫校区、葡萄酒学院以及新华学院7个校区。文萃校区是一个相对独立的教学及生活区域，东临文萃北街、西接同心东巷、南依贺兰山西路、北靠学院西路，居住学生集中，校区学生为12 836 人，西距贺兰山16 km，以东27 km处有断裂(图1a、b)。

文萃校区总面积为516 552.4 m2，共有宿舍楼16 栋，教学楼11 栋。运动场所和空地主要位于校区东北部，学生宿舍楼主要位于西北部，教学楼和行政办公楼位于东南部，食堂位于中间。该校区外西南部是住宅小区，与校园有铁栅栏或矮墙隔离，通达性差，不作为研究区域(图1b、c)。

图1 研究区位置(a)、影像(b)及矢量信息提取(c)

2 数据处理与研究方法

2.1 数据处理

通过实地调查及资料统计获取研究区人口分布数据，运用Google Earth获取2018年高分辨率影像进行判读，采用ArcGIS 10.2提取道路、建筑物、可避震空间等基本数据。其中：建筑物以底部为边界，道路以道路中心线为准进行提取；以各建筑楼出口为避震需求点，即避震疏散的起点；备选避震场所选取面积不小于500 m2的开敞空间，由运动场和空地构成。

2.2 研究方法

避震疏散是在较短暂的时间内从安全隐患空间转移到相对安全空间的过程，遵循安全性、可达性、公平性的原则。对避震疏散进行避震疏散需求分析、可达性分析、避震归属研究。

2.2.1 避震疏散需求分析

地震灾难的发生情景具有时空的不确定性，确定某一时空下疏散人群的空间分布是分析避震疏散需求的前提[12]。大学校园空间可按功能来划分主要活动区域：教学行政区、运动区和住宿区[6]。根据高校人群日常活动规律，可分为3 种人群聚集时空情景：白天(上课)、夜间(休息睡觉)和就餐时，白天学生和老师主要集中在教学区和行政区，夜间主要集中在宿舍楼，就餐时集中于食堂。因夜间可见度低，人们往往处于休息状态，疏散情况比较复杂、困难，而从过往震灾事件统计得出，地震发生在夜间时，因负面因素如恐慌、无序等造成的人员伤亡更为严重。故本文以夜间情景为例进行研究，提出以下假设：

1)只考虑校内人员集中分布于各宿舍楼，考虑破坏性地震尚未产生大破坏作用前的较短时间内或是震级较小的地震发生时人员的疏散情况。

2)为了疏散简单有序，同一宿舍楼内人口应被分配给同一个避震场所，因此以各宿舍楼为最小疏散单元，各楼的出口处即是疏散起点。

3)校园道路网密集、避震场所有多个出入口。

4)采用步行的方式避震，指定疏散路径和避震场所，疏散路径可以汇合、分流，但不能有方向上的冲突；不考虑道路宽度，不考虑震灾造成的道路拥塞和交通流对人群疏散速度的影响。

5)避震人口不能超过避震场所容量。

2.2.2 避震可达性分析

空间可达性研究最早起源于古典区位论，是指从地理空间上一点到另一点的难易程度，常用消耗的费用、距离或时间等指标来表达。为对不同类别对象进行可达性评价，目前有比例法、缓冲区法、费用加权法、最小距离法、引力模型法、核密度分析法、两步移动搜寻法和网络分析法等常用研究方法[15]。其中：比例法、缓冲区法和核密度分析法不考虑实际的空间阻隔因素；费用加权法、最小距离法没有考虑设施点的容量；引力模型法主要用于非紧急设施；两步移动搜寻法难于确定临界点；而网络分析法基于真实道路网，可以通过建立道路网络、确定路径和服务域分析进行，在微观角度获得定量数据。本文采用网络分析法。

1)避震数据网络构建

一个基本的网络主要由点和线组成。基于校园建筑楼(疏散起点)、道路网络、避震场所出入口(疏散终点)的矢量数据集，构建疏散网络及道路几何网络数据集。

2)最短路径

通常使用平面两点间的坐标来获取欧氏距离作为避震距离[16]，这与微观角度如在校园道路网中的实际避震距离并不能很好拟合。网络路径长度能反映实际路网对空间可达性的影响，可以更精确地表示出避震服务范围。本文采用真实道路网中的路径长度作为避震距离度量。迪杰斯特拉(Dijkstra)算法是网络中求最短路径问题的经典算法，在网络(带权图)中，从一点出发，按长度递增的次序求取到达目标点的方法：

dij=min∑(liu,luj)。

(1)

式中：dij为网络中i、j两点间的最短路径长度；liu为需求点i与网络节点u的路段长度；luj为网络节点u到避震场所j的路段长度。在这个算法的计算中，不能有负方向，即路径长度不能取负值。

2.2.3 避震归属研究

在进行避震归属研究时，应先确定归属地即避震场所的空间位置。参考已有研究成果和先进经验[17-18]，本研究选择校园的运动场、空地等作为备选避震场所，以接收避震人员。人群疏散过程[19-20]中最佳路径的选择是避震归属研究的重要内容，根据就近避震原则，基于空间可达性[21-22]，运用区位配置模型进行避震归属处理，将避震需求点的人员分配到各避震场所。

1)避震归属与归属优化

LA模型主要用于优化某种设施在空间上的配置，为设施布局提供解决方案，已在医疗、应急避难、消防和城市公园等公共设施选址及布局中得到了应用[12]。根据2.2.1节的假设条件，在避震空间可达分析基础上，以避震空间容量和避震归属唯一作为约束条件，以避难人数最大为目标建立疏散区划方程[12, 16]。算法基于式(1)求得的最短路径，以距离短优先原则求出最优解, 确定每个疏散单元的避难归属：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Z为避震场所最大容纳人数；n为需求点数量；m为避震场所数量；eij表示i是否到j避震，值取0为非、取1为是；Pi为需求点i的人口数量；Cj为避震场所j的人口容量；J为避震场所集合；I为需求点集合。式(2)是避震疏散的约束条件，即避震疏散人口总量不能超过校园所有避震场所的总人口容量，校园要求全员避震覆盖，故Z应该等于研究区内避震总人数，即在校人员均分配到避震场所后才停止求解；式(3)用于确定需求点与避震场所的归属关系；式(4)表示分配到避震场所的人数不大于它的容量；式(5)对归属关系eij的总和进行限定，保证归属唯一。

2)避震路径

LA模型能确定需求点与避震场所的归属关系，但是两者间的路径并不可见。为了更好地指导疏散过程，在构成的校园数据网络中，以每个需求点为起点，其归属的避震场所为终点，进行最短路径分析；如果疏散路径存在方向上的冲突，则调整优化，得到最佳避震路径。建立每个需求点进行避震的路径，则可形成避震疏散路径图。

2.2.4 模型求解

运用ArcGIS 10.2进行数据处理、分析和可视化表达，具体步骤如下：

1)根据现有校园道路构造网络，确保在交叉点处、疏散起点处及疏散终点处的道路被打断，构造拓扑关系支持可达性分析。

2)通过网络分析中的区位配置功能，以疏散距离为阻抗，进行避震归属求解和优化。在优化时，可能会改变需求点和避难点的数量进行多次求解。

3)在微观角度的网络中可能存在多个需求点共用一个避震场所的情形，对这些需求点进行统计，判定避震归属关系。

4)通过路径功能求解最短疏散路径及判读疏散方向的一致性，避免人员疏散时相向而行。

3 结果与分析

3.1 避震疏散需求分析

理想情况下，休息时间人群聚集在宿舍楼内，此场景下宿舍楼人数值最大(图2)。宿舍楼集中在研究区的西北角、密度较高，人群高度集中。人群密集最危险的一种形式是由于恐慌引起的人群惊跑，个体之间碰撞和踩踏经常会引起重大伤亡[23]。13#、14#、15#和16#的宿舍楼位置较偏且楼层较高，人数都超过1 000 人，最多的超过了1 300 人，避震安全隐患较大，人群自行疏散易引起交通拥堵、整体疏散速度缓慢，严重时甚至会发生踩踏事故导致二次伤害。为了安全有序地疏散，应根据避震场所的空间位置、校园道路的人流通行能力以及人群的空间分布状况制订疏散路线和疏散方案。

图2 文萃校区休息时间人口分布

3.2 避震可达性分析

研究区内有8个备选避震场所，以避震场所入口为出发点、避震路径长度为R、校园道路网为疏散通道，应用网络分析模块的服务区分析工具进行服务域分析。R不宜超过500 m[24]，当R取值500 m时，其服务域可覆盖研究区(图3)，即dij均小于R，可保证每个避震需求点到最近的避震场所的距离不会超过500 m，满足避震可达性。

图3 避震场所服务域分析

3.3 避震疏散归属分析

避震场所平时用于运动、休闲，因场地障碍物很少，有效避震面积可等同于场地面积。研究区避震场所总面积为35 033.4 m2，按照应急避震平面上1.5 m2/人的要求，可以容纳23 355 人，空间上完全满足校园避震的需求。

3.3.1 基于LA模型就近避震归属分析

直接采用LA模型分配时，人群会疏散分配到5个避震场所(图4、表1)，避震场所B7、B8接纳了周围大部分的避震人群。避震场所B7可容纳880 人，分配了3 992 人，避震场所B8 可容纳573人，分配了4 524 人，分配人数远超避震场所的容量，此状况下避震场所B7的人均面积0.33 m2，而避震场所B8更是仅有0.19 m2，远低于标准；避震场B4、B5、B6没有接纳到避震人员，处于闲置；仅避震场所B1、B2和B3的分配人数没有超过容量。这种分配对避震空间的利用不合理，应该优化。

图4 LA模型避震归属分配

表1 LA模型地震应急避震分配

3.3.2 容量约束下LA模型优化避震归属分析

在避震场所的容量约束下，根据2.2.3节中构建的避震归属算法进行优化，除避震场所B5、B6两地离宿舍楼太远，夜间避震疏散时并没有起到作用外，其他避震场所都接收到了避震人群，所有需求点都有归属(图5)。因校园空间布局的影响，疏散时人群整体上由西向东移动，然而宿舍楼11#的人群是自东向西疏散到避震场所B8，和其他需求点出发的人群疏散方向相逆，这必然会导致混乱，影响疏散，应优化。避震场所B8容量为573人，由西向东疏散能到达该场所的宿舍楼有13#、15#和16#，但人口都超过了1 000，也不适合分配到B8。

图5 容量约束下LA模型优化避震归属

为使得整体疏散有序，减少引起混乱的因素，应去除避震场所B8的避震作用，对剩下的备选避震场所重新对各需求点进行配置归属并优化，结果显示，避震归属能满足所有需求点的疏散需求并避免场所内拥挤(表2、图6)。避震场所B5、B6由于位置原因，在夜间无人避震，避震场所B2接收了接近一半的避震人口。

表2 基于优化配置模型的归属

图6 考虑疏散方向的避震归属与疏散路径

在配置归属时发现，在研究区布局现状下，用容量限制进行优化避震配置，当R=500 m时，有3个需求点(分别来自宿舍楼14#、15#、16#)无法分配到避震场所；为完成所有需求点的配置，应扩大最大疏散距离，发现16#至B2的疏散路径最长，为614 m，即为R取值。这主要是宿舍楼附近的开敞空间(如林地)不适合进行避震，或开敞空间(如B8)的面积太小。

在目前校园的空间布局中，在需求点位置不变更的情况下，应在其附近新增避震场所解决疏散距离过长(大于500 m)问题。可选择将14#、15#、16# 附近最合适的一块林地改造为草地(或是林草混合地)，改善避震疏散效率。

3.4 疏散路径

将配置结果中的需求点设为起点、对应的避震场所入口为终点、现有道路网为依托，利用网络分析模块中的路径分析工具，可求出相应需求点的最短路径，将这些最短路径进行合并，可组成校园夜间避震疏散路径(图6)。路径两旁15 m范围内无高层建筑、远离危险源，可以安全通行，疏散路径分为5 个独立部分，通过这些路径，各需求点可以有序地到达避震场所。因避震需求点和避震场所空间上的不一致性，有两条疏散路径较长，汇入的需求点较多，疏散时还应提供应急照明，在各节点疏导指引，维持秩序，减少混乱。

4 怀远校区避震疏散佐证

因围墙和铁栅栏的隔离，怀远校区内的附属中学和家属院不作为研究区。其东面为休闲区域，两个湖面积较大，湖边林草混合；西面可分成三部分，北部为图书馆和体育场，中间是教学区，南面为住宿区和运动场。有10栋宿舍楼，校区学生5 520人。东南面两栋高层公寓楼下有足够的空间，从楼门口到避难场的紧急疏散要求不高，研究中不予考虑。

怀远校区开敞空间多，用容量约束下LA模型分析发现，夜间避震疏散时，宿舍区西侧的篮球场1和排球/网球场两个场所即可提供足够的避震空间(图7)，疏散压力较小。由于各运动场所用铁丝网彼此分隔，各运动场的入口均仅一个且较狭小，应重视维持进入疏散场所的秩序。

图7 怀远校区夜间避震疏散图

5 讨论

大学校园避震疏散可能会因开敞空间较多被忽视，认为离开建筑即安全，事实上在地震发生时学校有可能会成为重灾区[25]，加强校园的避震疏散能力是关系校园安全的重要主题。校园不少开敞空间(如林地)不适合避震，应加强应急标识物的建设，提高疏散通道的可识别性，实现有效避震；校园很多运动场被铁丝网围起来，仅设置小门供通行，会影响疏散进程，这些场所的管理应充分考虑其避震作用；研究中存在疏散距离过长(超过500 m)的情形，在相关研究中，也出现了疏散距离过长的结果[6, 11-12]，超过了社区级(临时)应急避震的疏散标准，会导致疏散时间过长，给人们的生命安全带来负面影响。建议校园建设规划时，避震需求点(特别是高层宿舍楼)附近的开敞空间应以草地和广场为主，发挥景观作用的同时便于灾时就近避难。大学校园一般距离居民区较远，居民10 min内难于步行抵达校园的安全区域，并不适合周边居民进行紧急避震，可考虑升级校园避震基础设施，设置成中长期的避震场所。

研究基于校园的空间布局和人员聚集状况探讨了避难人员疏散方法，其方法可应用于一般大学校园避震疏散，并发现校园布局中存在的一些影响避震疏散的问题。因研究区地处平原区域，只考虑一般情况，在涉及地处山地、丘陵等特殊区域时，还应考虑影响疏散的更多因素，修正方法。疏散方法考虑的是静态过程，动态疏散模拟有待展开。