灾害避难所选址规划的实证研究——以山东省荣成市为例

马运佳，张恺雯，杨雨蒙*，刘宝印

（1. 曲阜师范大学 地理与旅游学院, 山东 日照 276826；2. 中国科学院科技战略咨询研究院, 北京 100190）

0 引言

近年来，全球城市化水平和经济迅速发展，自然灾害造成的损失逐渐增多。特别是在人口密集、灾害频发的地区，自然灾害不断消耗、破坏人们赖以生存的物质资源，阻碍了人类社会的发展[1]。在减轻风险评估工作中，如果城市规划者能同时考虑环境变化和自然灾害，将更有利于城市安全与可持续发展[2]。基于此，世界范围内陆续开展防灾减灾工作，灾害避难所建设纷纷提上日程。2020年，中国率先启动了第一次全国自然灾害综合风险普查[3]，旨在有效提升抵御自然灾害的综合防范能力。虽然中国灾害避难所建设工作起步较晚，但全面综合灾害风险普查工作却走在了世界前端。尽管如此，国内仍存在避难人群过多、避难所容量与数量上供需不平衡以及空间上布局重复、无序等问题[4]。而灾前避难所规划建设的合理性，将直接影响灾后疏散效率及关系人员伤亡与财产损失。因此，如何在灾前确定布局与规模适宜、能合理安置群众的避难场所，规划最佳疏散路径和服务范围，最大程度上保障人民群众的生命财产安全，显得尤为迫切和重要。此项工作不仅是相关科研与防灾减灾人员所面临的严峻挑战，更是对灾害风险普查缺乏经验的国家一次重大的考验。

目前，上述灾害避难所选址优化研究工作中，针对单灾种或不区分灾种的避难所区位布局研究占主导地位。黄河潮等[5]、周晓猛等[6]不区分灾种将其统称为城市应急避难所，通过构建P-中位模型对避难所的布局优化进行了研究；周亚飞等[7]、刘少丽[8]、范晨璟等[9]、马运佳等[10]，从单灾种（地震）灾害避难所角度，分别以天津市、南京市、常熟市、北京市避难所选址为案例，运用不同模型针对避难所规划开展了实践研究；潘安平[11]、周洪建等[12]，从单灾种（台风）灾害避难所角度，分别以沿海农村和海南省万宁市避难所选址为案例，进行了避难所选址的分析和评价。然而，实际上大部分地区通常会受到多种灾害的影响，仅从单灾种角度对灾害避难所进行分析，可靠性较低[5]，难以满足灾害同时发生时准确的避难需求，且面对实际中复杂的灾害风险，选址优化方案会受到很大影响。一方面体现在避难场所的发挥作用方面，一方面体现在多种构成灾害风险上[13]。随着研究的深入，灾害避难所优化选址逐步从单一灾种到多灾种方向转变。丁琳等[14]以张家港市中心城区为例，探索了地震和洪水两种灾害避难场所的规划思路与技术手段。虽然研究避难所优化选址的成果较多，但目前多灾种灾害避难所实际选址与应用研究极少。

本文以最小化总避难距离为目标，构建适用于地震和台风灾害的避难所P-中位选址优化模型，采用启发式算法进行解算，以山东省荣成市为例开展了实证研究。通过对地震和台风两种灾种提供对应的避难所开启与关闭服务，依次从仅开启地震型避难所、仅开启台风型避难所、同时启用全部避难所3种情景下探究荣成市避难所优化布局情况。此外，对上述3种情景中容纳全部人口和容纳30%人口两种避难需求下的避难所人口配置缺口进行测算。以期为荣成市避难所选址提出具体的改进方案与建议，为政府制定近期与远期避难所建设目标提供科学依据。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

中国东部沿海地区台风活动频繁，又地处环太平洋地震带，使其遭受了巨大的损失[15]。荣成市位于山东半岛最东端，三面环海，海岸线长达500 km，土地总面积1 526 km2。有12个镇、10个街道办事处、826个村民委员会、125个居民委员会。地震和台风是该地区危害最大的灾害类型。自有记录以来，荣成市及其附近海域共发生3.0级以上地震3次。建国以来，登陆荣成市的台风共5次，近年来每年都会遭受台风威胁，如荣成市受2019年先后两次台风“利奇马”和“玲玲”影响，均遭遇大风和强降雨。

1.2 数据

据山东省荣成市民政厅提供的数据，荣成市候选灾害避难所共有215个，其中学校型54个、绿地公园场馆型12个、政府办公楼型74个、医院型19个、社区办公室37个、敬老院4个以及其他15个。将前2个设定为地震型候选避难所，后5个设定为台风型候选避难所，总容量约71.65万人。

荣成市共有自然行政村居民点963个，总人口约72.38万人，将其作为避难疏散的基本单元，即避难需求点。将避难需求人口分别设为总人口和30%的总人口。

荣成市辖有国道1条、省道15条、县乡级道路88条，并有二级街道33条、三级街道37条、四级街道99条，此外还有小路78条。本文将上述实际道路作为应急疏散备选路径（图1）。

图1 荣成市应急疏散道路、灾害避难所空间分布图

2 灾害避难所选址优化模型及解算

在灾害来临之前，人员的快速避难可以有效地减少人员伤亡和经济损失。因此，居民有效快速的避难是避难所选址问题的主要目的。针对灾害避难所选址优化工作不同的实际避难需求，进行地震型或台风型候选避难场所的启用与关闭，以最小化总避难距离为目标，建立针对地震和台风灾害的避难所P-中位选址优化模型。

约束条件：

式中：I是避难场所的集合，I=（1, 2, …i,… N），N是避难所数量；J是行政村居民点的集合，J=（1,2, …j,… M），M是居民点的数量；dji是居民点j到候选避难所i之间的最短距离；Dj是居民点j的最远疏散距离；ET是地震型或台风型候选避难所的集合。目标函数（1）表示最小化居民点到避难所的总距离；约束条件（2）是距离约束，即保证所有分配方案下，居民点到其选择的避难所的距离全部小于Dijkstra算法得到的最短距离矩阵中的最大疏散距离；约束条件（3）确保在开启全部候选避难所或仅开启地震型或台风型候选避难所的情况下，每个居民点有且只能选择一个候选避难所；公式（4）和公式（5）表示决策变量Bji和Yi只能取0和1。

如图2所示，在ArcGIS平台网络分析模块内置工具的基础上使用模型构建器搭建上述P-中位选址优化模型，并采用位置分配求解程序搭载的启发式算法进行解算。该程序内部具体解算流程为：①采用Dijkstra算法求解网络中所有避难所点和居民点之间的最短路径成本的起始—目的地矩阵；②通过称为Hillsman编辑的进程构建已编辑版本的成本矩阵，该编辑进程使相同的启发式算法得以求解各种不同类型的问题；③求解程序生成一组半随机的初步解决方案，采用Teitz-Bart启发式算法优化初步解决方案，得到一组有效的解决方案；④元启发式算法通过合并这组有效的解决方案以创建更好的解决方案，若解决方案不能再被改进，算法将返回找到的最佳解决方案。

图2 基于ArcGIS平台构建的选址模型及位置分配求解流程

3 结果分析

3.1 模型优化结果分析

基于前述数据与建立的灾害避难所P-中位模型，将P值设置为候选避难所的上限值，表示为达到模型最小化总避难距离的目标，并假设避难所建设资金充足。采用上述位置分配求解程序进行解算，3种灾害避难所开启情景下，计算得到荣成市所有避难需求点的分配结果，避难所区位优化解算结果参数如表1所示，空间分配方案如图3所示。此外，以虎山镇为例，展示了其选址分配方案下的具体疏散路径，并突出显示了其中安子山村到其归属的盛泉老年公寓避难场所的具体路径（图4）。

图3 三种开启情景下灾害避难所选址空间分配方案

图4 荣成市虎山镇选址分配方案下的具体疏散路径

表1 三种开启情景下灾害避难所区位布局优化解算结果

从仅启用地震型避难所或台风型避难所到同时启用全部避难所这3种情景下，963个居民点依次被分配到不同避难所中，候选避难所分别为66个、149个、215个，被选中的避难所分别为61个、125个、158个；单个避难所服务的最大居民点个数分别为57个、47个、39个，最小居民点个数均为1个，平均服务个数分别为15.79个、7.70个、6.09个；居民点的最大避难距离分别为11 216.25 m、14 142.37 m、10 219.63 m，最小避难距离分别为8.90 m、0 m、0 m，平均避难距离分别为3 790.24 m、2 905.34 m、2 300.02 m。

从上述研究结果可以看出，从仅启用地震型或台风型到同时启用全部避难所的情景下，被选中的避难所数量依次增多，与候选避难所总数呈正相关关系；单个避难所平均服务居民点数量、以及居民点平均避难距离依次减少，均与被选中的避难所数量呈负相关关系。此外，从图3分配方案的空间分布上可以看出，3种开启情景下，被选中的避难所布局相较于前2种情景更加分散，该结果与单个避难所服务的居民点数量逐渐变小的结果相呼应。

3.2 避难所人口配置缺口分析

假设避难所建设资金充足，按照图3所示的空间分配方案，分析被选择的候选避难所的容纳人口情况及空间布局的合理性。将各避难需求人口情景下的避难所服务的避难需求人口数与其容量求差，得到对应情景的避难所人口配置缺口（表2）。

当设置避难需求为总人口时，总避难需求人口约72.38万人。从仅启用地震型或台风型到同时启用全部避难所的情景下，人口配置总缺口分别为−26.56万人、−52.89万人、−29.11万人（表2）。存在富余容纳量的避难所分别为18个、27个、51个，容量不足的避难所分别为43个、98个、107个。特别地，仅启用地震型避难所时，荣成市实验中学应急避难场所富余量最大，为11.47万人（图5a中部蓝圈），荣成市第十四中学和南车社区幼儿园避难所缺口较大，分别为−5.01和−4.33万人（图5a南部2处红圈）；仅启用台风型避难所时，避难所容量富余均较少，其中万福苑老年公寓避难场所最大，为0.50万人（图5b中部蓝圈），斥山卫生院和蚧口办公大楼避难所缺口较大，分别为−6.25和−5.04万人（图5b南部2处红圈）；同时启用全部避难所时，容量富余较分散，石岛实验中学富余量最大，为1.81万人（图5c东南部蓝圈），斥山卫生院避难所缺口最大，为−4.20万人（图5c南部红圈）。

当设置避难需求为30%的总人口时，总避难需求人口约21.72万人。从仅启用地震型或台风型到同时启用全部避难所的情景下，人口配置总缺口分别为24.11万人、−2.22万人、21.56万人（表2）。存在富余容纳量避难所分别为35个、69个、100个，容量不足的避难所分别为26个、56个、58个。特别地，仅启用地震型避难所时，荣成市实验中学应急避难场富余量最大，为11.56万人（图5d中部蓝圈），荣成市第十四中学和南车社区幼儿园避难所缺口较大，分别为−1.29和−1.10万人（图5d南部2处红圈）；仅启用台风型避难所时，避难所容量富余均较少，其中万福苑老年公寓避难场所最大，为0.71万人（图5e中部蓝圈），斥山卫生院和蚧口办公大楼避难所缺口较大，分别为−1.77和−1.13万人（图5e南部2处红圈）；同时启用全部避难所时，容量富余较分散，石岛实验中学富余量最大，为2.29万人（图5f东南部蓝圈），斥山卫生院避难所缺口最大，为−1.16万人（图5f南部红圈）。

表2 荣成市灾害避避难所人口配置缺口（分乡镇、街道统计）

由表2可知，同时启用所有避难所情景下，王连街道、斥山街道、成山镇在不同避难需求下的人口配置缺口均为最大，且斥山街道仅有斥山卫生院避难所一处，缺口最大处可达−4.20万人，主要是由避难所空间分布极度不均导致。上述乡镇、街道可作为政府未来规划建设避难所的重点关注区。

结合图5可知，两种避难需求下，避难所容量富余和人口配置缺口的极值大致相同，从仅启用地震型、仅启用台风型避难所到同时启用全部避难所情景下，避难所容量富余和人口配置缺口逐步分散，避难所容量不足的区域主要集中在北部和南部地区，可据此确定避难场所调整、新增的最佳位置（如图5中红圈分布的北部和南部地区）。

图5 荣成市灾害避难所人口配置缺口空间分布（负值代表有缺口，正值代表有富余）

4 结论

1）从仅启用地震型避难所或台风型避难所到同时启用全部避难所这3种避难所开启情景下，963个居民点依次被分配到不同避难所中，被选中的避难所分别为61个、125个、158个，呈现出依次增加的趋势；单个避难所平均服务居民点个数分别为15.79个、7.70个、6.09个，居民点的平均避难距离分别为3 790.24 m、2 905.34 m、2 300.02 m，呈现出依次减少的趋势。

2）三种避难所开启情景下，避难需求为总人口时，人口配置总缺口分别为−26.56万人、−52.89万人、−29.11万人，避难需求为30%的总人口时，人口配置缺口总分别为24.11万人、−2.22万人、21.56万人。表现在空间上，避难所人口配置缺口和容量富余逐步分散，容量不足的区域主要集中在北部和南部地区。

未来，政府可将模型优化结果中被选中的灾害避难所作为基础布设区，进而将避难需求为30%总人口时存在较大人口配置缺口的区域作为近期规划建设目标，将避难需求为总人口时存在较大人口配置缺口的区域作为远期规划建设目标。具体来说，可将在斥山街道新增或扩容现有避难所，作为近期规划建设目标；将在王连街道、成山镇附近新增或扩容现有避难所，作为远期规划建设目标。