城市避难场所防震减灾韧性评价体系研究--以上海市区为例

李晓萍, 陆佳鋆, 胡青蜜

(江苏科技大学 经济管理学院, 江苏 镇江 212003)

0 引言

改革开放的伟大抉择开启了我国社会经济发展的历史新时期,大量人口涌入城市,资源和财富快速集中,城市内新老建筑并存,大型基础设施日益增加,生态空间遭到挤压,整体呈现密集、复杂的发展趋势。因此,地震作为一种破坏性大、不可预测的突发性灾害,将使得城市的灾害演化和社会影响变得更加复杂。而且,我国城市抵御灾害的能力还远远跟不上经济发展的速度,大城市一旦遭到重大灾害侵袭,极易丧失城市功能,造成重大的损失。2008年汶川地震波及成都市,导致中心城区广场、绿地人满为患以及街道交通瘫痪,由此可见当时成都市区应急避难场所资源供需不平衡的问题。当城市面临的不确定性因素日益增加,学者们开始探索如何在灾害中减少损失,城市韧性研究逐渐成为新的研究热点。

韧性理论最早于1973年被生态学家霍林应用于系统生态学。如今,韧性概念以其所具有的动态性、共同进化以及“弹向更好的状态”等特征,被广泛应用于生态、社会、经济、应急管理和可持续发展等不同领域的研究中。Godschalk[1]最先深入研究韧性概念,揭示韧性的关键原则并将其应用于城市的规划管理,来制定城市减灾的最佳实践;Bruneau等[2]首次提出一个概念框架来定义社区的抗震韧性及其定量测量;彭翀等[3]梳理了社区韧性概念,阐述了社区韧性评估体系,对国外社区韧性的理论与实践进行了述评;鲁钰雯等[4]结合荷兰空间规划实践,提出在空间规划中引入“韧性理念”,为协调城市发展目标和城市安全底线提供了新视角;葛雪等[5]构建一套物流供应链韧性评价指标体系并采用Fuzzy-TOPSIS方法,从供应链的角度对韧性增强策略进行优先排序。然而,上述研究多集中于城市韧性、社区韧性和供应链韧性等方面,未涉及应急避难场所韧性的探讨。

应急避难场所是在遇到突发灾害事件时作为灾后应急避难的具有救援、安置和医疗保障等功能的安全场所,是有效保障灾民生命安全,提高城市综合防灾能力、减轻灾害影响的重要公共服务设施[6]。关于应急避难场所的研究主要是评价和优化两类,其中评价研究又包含了评价指标体系和评价方法。2005年,马亚杰等[7]首次阐述了避难场所安全评价的必要性,并提出安全评价的主要内容。同年,吴宗之等[8]最早采用层次分析法,并基于模糊集值统计理论,从规划设计、硬件设施和软件环境三方面来评价城市避难场所应急适应能力。该方法非常适合指标体系中有定性指标且模糊性较强的管理和资源规划的综合评价。随着研究发展,学者们逐渐丰富了评价内涵,考虑从安全性、有效性、可达性等层面构建评价体系,并运用层次分析法、熵权法、灰色关联分析法和地理信息系统(GIS)技术等方法对城市避难场所的适宜性评价做了很多实例研究[9-11]。苏建锋等[12]用熵值权重和灰色关联分析相结合的评价模型,以及GIS空间分析对避难场所适宜性进行评估。周爱华等[13]应用2SFCA计算北京应急避难场所的可达性和拥挤度,并结合相关指标评价了避难场所的布局合理性。此外,也有少部分学者应用数据包络分析法[14]和投影寻踪法[15]对避难场所进行评价。虽然以上关于避难场所评价的研究已经较为丰富,但如今的防震减灾理念正在由单一的抗震安全向地震功能损失和功能恢复的抗震韧性思想转变。由于大型城市内新老建筑参差错落、公共设施落后以及人员结构复杂,在面对不确定性灾害时容易产生“涟漪效应”,因此更加需要考虑避难场所系统的韧性设计。

参考学者们使用过的评价方法,并考虑到避难场所防震减灾韧性评价指标有一定的模糊性和随机性,所以准确地定量描述一些指标比较困难,而模糊层次分析法(FAHP)考虑到人的判断模糊性,使评价描述更加符合实际。因此,本文应用模糊层次分析法确定指标权重,再通过正态云模型计算得到避难场所的韧性等级。

韧性理论的发展为应急避难场所建设管理提供了新的视角。为了定义应急避难场所韧性,本文参考了其他领域关于韧性的研究。滕五晓等[16]总结主流视野下的韧性城市是指“在外界干扰下能够采取灵活的应对措施,保存自己,保持发展的活力,吸引资源集聚,通过社会系统的自组织学习,避免潜在损失,应对挑战和变化”。Ostadtaghizadeh等[17]将社区抗灾韧性定义为“一个社区通过综合、全面、参与式的、积极的方式与共存、应对和管理灾害的能力”。此外,从可行性角度出发,将社区抗灾韧性延伸为“社区在没有损害的情况下吸收危险的水平,社区中仍然活跃的主要行动水平,以及社区需要恢复正常状况的时间”。Kamalahmadi等[18]定义供应链韧性为“供应链用来降低面临突然干扰的适应能力,通过保持对结构和功能的控制来抵抗干扰的扩散,并通过立即有效的反应计划进行恢复和响应,从而超越干扰并使供应链恢复到稳健的运行状态”。在设计人道主义供应链中,Noham等[19]提出韧性被认为是克服意外事件并在中断后成功恢复,而不是在事件实际发生前缓解的能力。

综上,本文从韧性视角出发,归纳了城市应急避难场所的韧性内涵,并筛选适用于避难场所的韧性特征,将综合应用FAHP、正态云模型和GIS技术,从避难场所防震减灾韧性的三个能力出发,选取24个指标构建评价体系,并以上海市区为例,对该区域的31个避难场所进行韧性评估,为实现城市避难场所的韧性建设提供科学依据。

1 避难场所防震减灾韧性内涵及其框架

避难场所的防震减灾韧性是一个综合性的概念,包括物质环境的组成部分(如建筑、道路、设施等人工因素和地质条件等自然因素)、应急服务功能(如应急指挥系统和医疗救护系统的建设)和灾难管理部分(如计划和程序、反应和调度)。高韧性的避难场所需要具备内在力量(抵御和应对外部冲击的能力)以及快速适应和恢复的能力。

地震工程综合研究中心(MCEER)将韧性定义为“系统在地震发生时减少震动的可能并吸收震动、地震发生后及时恢复的能力”[20]。MCEER的框架包括了韧性的四个标准,即稳健性、冗余性、智慧性和迅速性[21]。邱桐等[22]结合“存量”“增量”及“变量”理念提出了城市地下空间综合韧性防灾抗疫建设框架,其中以鲁棒性代表存量效应,冗余性、多样性和恢复性代表增量效应,适应性和可持续性代表变量效应,最后依据协同性和自组织进行统一调度,确保该空间日常服务于城市运营而应急状态可实现功能转换,以输出“增量”与“变量”进行韧性补强和升级。虽然不同领域的韧性定义存在差异,但是学者们将其理解为系统面对干扰、压力或逆境时成功适应的相关能力已经成为共识,其中“吸收”“适应”和“恢复”是韧性的重要能力。因此本文将避难场所的韧性定义为“在面对不确定性的突发事件时,避难场所可以抵御并吸收灾害的冲击,通过自身防灾韧性,使其本身能保留最基本的功能,且具有较高的反应协调能力,能在合理的时间和成本内恢复到其最初始的状态或新的适应状态”。简单来说,避难场所的韧性水平就是避难场所在灾害发生前、发生时和发生后,可以通过合理调配内外部资源,快速从灾害中恢复到平稳健康状态的动态适应能力。本文所构建的韧性评价体系是在灾害未发生前,基于所有韧性相关因素对避难场所的抵御与恢复能力的评估。

避难场所的韧性评估包括定性评估和定量评估,定性评估即采取文献分析、问卷调查和访谈等方式来探索构成避难场所韧性的要素;定量评估则需要对韧性产生影响的因子进行量化统计,选择测度不同的对象并以其具体数值来描述韧性。目前,学者们大多评价避难场所的适宜性,而韧性将包含更多特征,如鲁棒性、冗余性、恢复性、适应性、智慧性及可持续性等,适宜性评估缺乏从动态视角考虑避难场所的恢复能力,因此,“恢复性”是使韧性有别于其他概念的重要特征。本文将韧性看作避难场所的一种状态,从多个维度体现其所含有的抗扰、恢复和适应能力,并构建各层次的评价指标因子,对避难场所的防震减灾韧性进行综合评估。针对避难场所应具备的主要功能,结合相关韧性特征,本文将图1所示的概念框架整合到体现避难场所防震减灾韧性的三种能力中。

图1 避难场所防震减灾韧性概念框架

吸收能力意味着灾难发生时,避难场所能够做好各种应急准备,具有足够抵抗和应对外部冲击的能力。危机事件发生时,不论遭受多么严重的破坏,甚至导致部分功能丧失时,仍能保障避难场所结构稳定和人们生存生活需要。鲁棒性强调了避难场所的稳健可靠,确保避难场所具有安全稳定、容量大、功能丰富的特性。冗余性则是指在系统中特意创建的备用容量,以便能够适应中断、极端压力或需求激增。它包括多样性,即实现特定需求或履行特定功能的多种方式的存在[23]。当原有功能发生中断,或者退化甚至丧失时,备用设施、备用系统以及备用空间的存在能够使避难场所满足其功能需求。当避难场所足够强健且冗余能够缓冲或吸收压力源的直接影响,而不会发生功能障碍时,就产生了韧性的状态。

恢复能力是指避难场所能够在可接受时间范围内从遭受冲击产生功能障碍的状态转化为灾前稳定的功能水平,及时消除灾害对灾民和避难场所带来的不利影响(如建筑物废墟、污水、医疗垃圾和传播性疾病等),重新恢复避难场所健康运转的能力。恢复到事件前功能的速度越快,韧性就越强大。而在短时间内使避难场所拥有强大恢复力的支撑就是人力、物力与财力,这些资源越丰富,避难场所恢复得就越快。

适应能力代表着避难场所应对灾害的自我调节能力,包括个人、家庭、社会各层次和避难场所本身所展开的适应调整措施,如逃生演练水准、居民教育水平代表着受灾人群的快速响应能力。技术创新和智慧化建设代表着灾害预判与应对能力,政府决策能力更是发挥避难场所功能的重要支撑。前瞻性的预防措施和未来外部不确定因素干扰下可重现、可更新和可拓展的能力,可以有效确保避难场所在灾前、灾时和灾后的稳定。

2 避难场所防震减灾韧性评价指标体系构建

基于避难场所韧性的内涵,根据国家相关文件与国内外文献现有研究来构建应急避难场所防震减灾韧性评价指标体系,并利用模糊层次分析法进行指标权重的确定,引入正态云模型理论构建避难场所防震减灾韧性评估模型。

2.1 评价指标选取

在国家标准中,按避难场所的规模主要分为中心避难场所、固定避难场所和紧急避难场所三种类型。由于中心避难场所适用性最广,具备的功能最丰富,本文主要以中心避难场所为研究对象,其他类型的避难场所需要考虑的指标可在此基础上根据所需评价的避难场所的实际情况进行删减。

避难场所防震减灾韧性的影响因素是多方面的,科学合理地构建避难场所防震减灾韧性评价指标体系,是正确评估避难场所韧性等级的基础。本文综合《防灾避难场所设计规范(GB 51143-2015)》和《地震应急避难场所、场址及配套设施(GB 21734-2008)》等相关文件要求,在考虑体现避难场所韧性的吸收能力、恢复能力和适应能力的基础上,深度分析国内外相关文献,归纳出避难场所防震减灾韧性评估指标体系(表1)。

表1 避难场所防震减灾韧性评价指标体系

2.2 指标权重确定

本文利用模糊层次分析法进行指标权重的确定,这是一种将模糊有序加权平均(FOWA)算子与AHP相结合进行定性与定量分析的方法,弥补了传统层次分析法不考虑决策,具有不确定性和模糊性的缺点[24]。

基于FOWA算子确定三角模糊互补判断矩阵中因素权重的具体步骤:

步骤2:确定加权向量ω=(ω1,ω2,…,ωn)T。

(1)

式中:Q为模糊语义量化算子,按式(2)给出:

(2)

式中:r,a,b∈[0,1]。相应的模糊语义量化准则给出:“大多数”“至少半数”和“尽可能多”的算子Q中参数为(a,b)=(0.3,0.8)或(a,b)=(0,0.5)或(a,b)=(0.5,1)。

(3)

本文根据权威专家对相关因素的重要性评价,构建一级指标层的三角模糊数互补判断矩阵,如表2所列。同理可以构造出其他所有判断矩阵。模糊语义量化准选择“大多数”,得到加权向量;决策态度为风险中立,按文中方法求得矩阵中元素期望值,并按期望值大小对矩阵中各数据按行进行重排序;将FOWA算子计算方案与其他方案的优先程度相比,计算得到优先程度期望值,对优先程度期望值归一化得到排序向量,此时得到的排序向量即为各因素相对目标所占权重,如表3所列。

表2 一级指标层三角模糊数互补判断矩阵

表3 一级指标层权重

按上述步骤,最终可以计算出二级指标权重,具体结果如下:

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 评估模型构建

由于避难场所在其使用过程中会不断产生变化和更新,本文通过云模型正向发生器计算评价指标对应的评估等级隶属度,结合FAHP法确定的指标权重计算综合隶属度来评估避难场所的韧性等级,提高评估的科学性。具体步骤如下:

步骤1:根据表1中的二级指标建立避难场所防震减灾韧性评估对象的因素集U={u1,u2,…,un}和韧性评估等级V={v1,v2,…,vm}。

步骤2:根据模糊层次分析法理论,确定韧性评估指标权重向量W。

步骤3:确定云模型参数。可以生成x属于概念A确定度分布的云发生器,称为正向云发生器,它可以根据正态云的数字特征(Ex,En,He)产生云滴,Ex、En、He分别代表期望、熵和超熵。其计算如下式:

(4)

式中:Amin和Amax分别是评价指标在区间的下限和上限,超熵He可通过经验取值,本文统一取0.01。

由避难场所防震减灾韧性评估的各个指标的指标值运行正向云发生器,计算所有指标在每个评估等级中的正态云模型隶属度向量矩阵Z=(zij)n×m。其中,zij表示评估指标ui在对应评估等级vj下的隶属度。

由于正态云模型给出的隶属度矩阵具有随机性。我们采用重复计算N次的加权平均的方法,得到最终平均隶属度为:

(5)

步骤4:求出隶属度矩阵Z=(zij)n×m后,再由步骤2中求得的权重矩阵W可计算出评估集V上的模糊子集C:

C=WZ

(6)

由最大隶属度原则可知,本文评估结果应选择隶属度最大的评估等级。

3 实证分析

3.1 研究对象

上海地处长江三角洲冲击平原,属亚热带季风性气候,雨水充沛,沿海地区易受台风侵袭,造成黄浦江水位上升,引发潮水浸淹灾害。除了台风,暴雨内涝、赤潮、雷击、地震和地面沉降也是易对上海造成影响的灾害。

本文以上海市中心7个区(黄浦、徐汇、长宁、静安、普陀、杨浦和虹口)为研究对象,依据国家统计局和相关网站的公开数据,通过ArcGIS 10.8软件进行数据处理,绘制研究区的人口分布图(图2)和避难场所及相关设施的分布图(图3)。图2、图3来源:国家基础地理信息中心1∶100万公众版基础地理信息数据(审图号:H51)。

图3 上海市区设施分布

(1) 人口数据。全国第七次人口普查结果显示,按常住人口统计,上海市常住人口约2 487.09万人。本文研究区域约668.37万人,占全市人口数的27%。

(2) 应急避难场所数据。本文研究上海市主城区的避难场所,选取2处Ⅰ类避难场所和29处Ⅱ类避难场所,相关信息来源于上海市民防办公室。

(3) 多源POI数据。POI数据包括医院、消防站、公安机关、加油站和危险品储存点等多种数据,来源于百度地图采集,并经过坐标转换系统转为WGS84坐标。避难场所周边的医院、消防站、公安机关等设施可以帮助震后恢复。加油站和危险品储存点是爆炸危险源,与避难场所启用时的安全性相关,《应急避难场所设计规范(DB31MF/Z 003-2021)》规定避难场所距离爆炸危险源的距离不应小于1 000 m。

3.2 研究区避难场所韧性评估结果

根据上海市政府发布的《上海市应急避难场所设计规范(DG/TJ 08-2188-2015 J13268-2015)》等相关文件与实地考察结果,将避难场所防震减灾韧性分为低度韧性(Ⅰ级)、较低韧性(Ⅱ级)、中度韧性(Ⅲ级)、较高韧性(Ⅳ级)和高度韧性(Ⅴ级)5个评估等级并确定避难场所防震减灾韧性等级评估标准区间(表4)。指标体系的评估等级阈值的确定有多种方式,如文献参考、固定间距法和专家经验等。目前避难场所防震减灾韧性等级划分的参考文献很少,本文依据专家经验和固定间距法来确定,最后结合市区避难场所的各项指标实测值,得到各指标的隶属度。

表4 避难场所防震减灾韧性等级评估标准区间

以 Ⅰ 类避难场所大连路公共绿地服务区的人口密度(2.11万人/km2)为例,此指标为负向指标,根据式(4)计算出评估指标各等级的正态云特征值(Ex,En,He),通过正向云发生器可得到大连路公共绿地人口密度的各等级隶属度值(表5),因此大连路公共绿地服务区人口密度指标处于较低韧性水平。

表5 大连路公共绿地服务区人口密度隶属度值

最后,将避难场所所有韧性指标的隶属度矩阵Z结合指标权重W,根据式(6)进行韧性等级评估,得出大连路公共绿地的韧性水平为中韧性(Ⅲ级)。本文研究的31个避难场所各指标的隶属度计算此处不再赘述,所有指标韧性等级频数统计如图4所示。表6为31个避难场所的最终韧性评估等级。

表6 上海市区避难场所防震减灾韧性评估结果

图4 避难场所韧性指标评估情况

3.3 结果分析与讨论

由表3可知,上海市区的2个 Ⅰ 类避难场所:大连路公共绿地和中山公园分别为中韧性水平和高韧性水平;Ⅱ 类避难场所大多处于中等水平,其中4个避难场所被评估为较高韧性水平,分别是格致中学、风华高级中学、闸北公园和市曹杨二中;2个避难场所被评估为较低韧性水平,分别是控江初级中学和少云中学。

以评价结果为高韧性水平的中山公园为例,中山公园有南门大广场、中山纪念堂门前广场及周边草地和江津湖疏林草地等3处应急避难区域,场地内部有微型消防站、应急用水用电设施和物资仓库等,同时设置38个监控探头和20套标识牌,还常备帐篷、棉被、食品等应急物资。此外,中山公园位于中心城区,经济发达且周边交通便利、设施丰富,公园内部供水供电区、应急物资供应区、应急医疗救护区、应急垃圾存放区和棚宿区等功能区的布置井然有序。2015年启用演练时,工作人员与社区居民配合默契,检验了中山公园避难场所人员安置、通信、医疗、物资供应等各种保障措施和区域救灾资源整合的效果,体现了较高的协同作战能力。因此,在评价过程中,中山公园与吸收能力相关的指标如爆炸危险源数、抗震等级、人均有效避难面积、应急设施齐备度、备用空间存量和供电供水设施种类数量都是高等级评价,体现了中山公园内外部环境的安全与稳定,其避难功能有较大的发挥空间;与恢复能力相关的指标如垃圾无害化处理率和污水处理能力也是高等级评价,可以保障灾后恢复过程中避难人员的健康;与适应能力相关的指标都是较高及以上等级评价,高信息化建设以及居民与政府对宣传演练的重视,保障了避难场所在运行时能对灾害快速响应,能不断优化应急功能,提升避难水平。由此可知,中山公园的韧性评价结果与实际情况相符。

根据指标韧性等级频数统计(图4),可知上海市区避难场所的高韧性水平指标主要包含与吸收能力相关的指标(A2爆炸危险源数、A3周边高层建筑物数量和A6防震等级)、与恢复能力相关的指标(B5所属区GDP总额和B8污水处理能力),以及与适应能力相关的指标(C2人口教育水平、C3研究开发费用占 GDP 比重和C5居民对政府决策能力的满意度);低韧性水平指标主要包含与吸收能力相关的指标(A1地质灾害易发性等级、A4服务区人口密度和A5服务区人均道路面积)以及与恢复能力相关的指标(B2周边公安机关数量、B3周边医院数量和B4周边消防站数量)。由此可见,上海市区受灾压力较大,由于人口密集,灾害产生的影响也大,但是城市经济水平、教育水平和科技能力水平较高,人民对政府决策能力认可度高,避难场所可以有效发挥避难作用。部分地区避难场所周边设施配置不够丰富,在一定程度上制约了避难场所的恢复能力。因此,上海市区避难场所可以在灾民疏散和设施配置方面进行改善,如统筹规划建设公共消防设施,加密市区消防救援站点等;推进城市多通道、多方式交通建设,提升避难场所附近的交通网络系统韧性;可在 Ⅰ 类避难场所规定设置停机坪,并完善航空跨区域救援协调机制,提升航空应急救援人才专业素质,城市内部可以展开跨区救援,建立健全的资源共享机制。

4 结论

上海市作为我国的经济中心,其避难场所的韧性规划对其他城市有良好的借鉴作用。通过避难场所防震减灾韧性评价指标体系对上海市区31个避难场所进行韧性评估,结果显示该评价体系有一定的适用性。

首先,该体系包括3个一级指标和24个二级指标,均能有效反映地震灾害对避难场所韧性的影响,选取的指标易于测量,而且运用模糊层次分析法和云模型相结合的方法进行韧性评估,可以提高评估结果的准确性。

其次,在对避难场所进行评价的过程中,不仅要考虑避难场所建设的适宜性,还从动态视角考虑避难场所的吸收能力、恢复能力和适应能力,可以更全面地发现避难场所应对地震灾害的薄弱之处,从而采取针对性的措施来提升抗灾韧性水平。

在新的形势与挑战下,将韧性纳入城市避难场所规划,可以促进区域防灾减灾的高质量发展。本研究仔细梳理了韧性理念和特征,并强调了避难场所规划过程中需要关注的韧性重点,可以补充完善现有城市避难场所适宜性评价体系,提高避难场所应急能力,保证各避难场所在面对突发灾害时能发挥重要作用。此外,该评价体系的研究也可以为避难场所布局优化提供借鉴。