一种城市地震应急疏散场地选址方法

摘要

本发明公开了一种城市地震应急疏散场地选址方法，确定地震应急疏散场地选址备选点；计算道路通行长度，并以规划路网为对象构建面向疏散分析的路网模型；人口数据的空间栅格离散化；单个地震应急疏散场地选址备选点服务范围分析；规划区域地震应急疏散场地确定与布局优化。综合考虑应备选点的空间分布、急避难场所人口容量限制、实际路网设定、实际居民人口密度分布、覆盖范围最大化等因素，增强地震应急疏散场所选址方法的科学性，及其在实际生活及城市规划建设中的实用性。

说明书

技术领域

本发明属于震后减灾技术领域，涉及一种城市地震应急疏散场地选址方法。

背景技术

近几年，国家重大灾害频频发生，给我国部分城市造成了重大人员伤亡和财产损失，使得公共安全日愈成为城市发展过程中亟需解决的突出问题。避难疏散是城市灾害发生时最主要的应急活动，而应急疏散场所则是灾后城市救灾和民众生活的重要依托。由于应急疏散场地的规划受诸多因素的限制，目前，全国仅有少数几个大城市建有少量应急疏散场所。

按疏散功能可将地震应急疏散场所分为三级，即中心地震应急疏散场所、固定地震应急疏散场所和紧急应急疏散场所。据我们所知，现有的应急疏散场所选址方法，几乎没有一种是在全面考虑了实际约束条件及目标的情况下建设应急疏散场所。有些方法假设设施的容量无限大，而且居民被分配到最近的设施，但是，如果这些设施没有优化选址，则很可能导致应急疏散场所过于拥挤。另外一些方法假设需求点在空间上均匀分布，而且服务点容量越大，其服务范围越大，但这种假设是不合理的，因为居民通常呈不均匀的空间分布。还有一些方法把总旅行成本最小化作为主要制约因素，而服务范围的空间连续性则退居其次，不考虑实际路网距离等制约因素，只考虑空间的欧几里得距离。这些因素使得地震应急疏散场所选址问题在实际应用中很受局限，不能很好地应用于城市规划。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市地震应急疏散场地选址方法，综合考虑应急疏散场所人口容量限制、实际路网设定、实际居民人口密度分布、应急疏散场所空间连续性以及覆盖范围最大化等因素，增强应急疏散场所选址方法的科学性，及其在实际生活及城市规划建设中的实用性。

本发明所采用的技术方案是，一种城市地震应急疏散场地选址方法，具体按照以下步骤进行:

步骤1，确定地震应急疏散场地选址备选点，包括确定备选点总数、空间分布及每个备选点容量；

步骤2，计算道路通行长度，并以规划路网为对象构建面向疏散分析的路网模型；

步骤3，人口数据的空间栅格离散化；

步骤4，单个地震应急疏散场地选址备选点服务范围分析；

步骤5，规划区域地震应急疏散场地确定与布局优化。

本发明的有益效果是，具有以下优点，

1.本发明针对地震应急疏散场所进行设计，实用性强。实现了已有城市设施和备建应急疏散场所选址的完美结合，打破以往在实际城市规划应急疏散场所选址中只依靠人为主观臆断在地图上选定的弊端，充分考量了备选点的空间分布等特性。结合地理信息系统(以ArcGIS软件为例)的空间分析功能，实现了应急疏散场所选址的可视化和科学优化。在城市规划建设中具有很强的指导和实践意义。

2.本发明在地震应急疏散场所的选址规划中以实际路网为研究对象，摒弃了以往研究中以空间几何中欧几里得距离为研究对象的弊端，综合考虑道路交通阻塞率等各种因素，构建路网模型，具有更强的现实意义。

3.本发明在对地震应急疏散场所覆盖范围的确定中，综合考虑了地震应急疏散场所的容量限制问题，避免现在大量研究中以容量无限制为假设的不科学模型，保证每个应急疏散场所在其覆盖范围内都能做到容量不超限，满足每个灾民的需求。

附图说明

图1是本发明方法的整体流程图。

图2是本发明中道路网模型构建流程图。

图3是道路网构建结果示例图。

图4是基于行政区划的人口分布图(人口数据离散化处理前)。

图5是基于空间栅格离散化后的人口分布图(人口数据离散化处理后)。

图6是人口数据的空间栅格离散化技术流程图。

图7是备选点O的服务范围示意图。

图8是备选点服务范围中人口离散分布图。

图9是备选点1,25,27,28各自单点服务范围图。

图10是备选点1,25,27,28单点服务范围合并后的整体服务范围图。

具体实施方式

一种城市地震应急疏散场地选址方法，流程图如图1所示，具体按照以下步骤进行：

步骤1：确定地震应急疏散场地选址备选点；

此步骤的目的在于确定可用于地震应急疏散场地选址的候选点，包括备选点数目和其空间分布。

1).备选点的总数按式(1)计算；

N＝A_R/2πr_c(1)

其中：N为预计备选点的总数；A_R为整个选址规划区域的面积；r_c为单个备选点预期最大服务半径，默认为2km，可根据专家意见调整。

2).备选点的空间分布：选择整个规划选址区域中的开敞空间作为备选点，并对选中的备选点，采用式(2)计算评分标准，按照得分从高到低进行优先性排序，得分越高优先度越高，确定每个备选点的优先度。

$>Q={\Sigma }_{i=1}^7\alpha ·f_i---\left(2\right)$>

其中：Q表示每个备选点的综合得分，α为权重，f_i为每个备选点的单项得分。

f_i(i＝1,2…,7)具体指每个备选点的如下特征：空间分布、种类、用途、易改造性、可利用面积、建筑物质量、可开发性等。其评价标准如下：

空间分布：

确定地震应急疏散场所备选点的空间分布需要满足以下4个条件：

1.备选点应尽量靠近居民区及其周围，使居民在发生地震时能够迅速到达避难场所，减少到达时间；

2.备选点的分布应远离高大、密集建筑物、各种含有易燃易爆化学物品的化学厂仓库等、含有核放射物的核电厂、重要市政设施，如天然气储气站、电站、油库、加油站以及其他高危场地；

3.避让各种大型市政管道，如高压输电线路、输水管、原水管、污水总管、高压天然气管以及各种其他管线；

4.远离地下断层以及易发生洪水和塌方的地方；

具体评分指标：(危险源包括：高大、密集建筑物；各种含有易燃易爆化学物品的化学厂仓库；含有核放射物的核电厂；天然气储气站；电站；油库；加油站；高压输电线路；输水管；原水管；污水总管；高压天然气管；地下断层以及易发生洪水和塌方的地方)。

种类：

1.直接满足平灾结合的已经建设好的应急避难场所，如常见的减灾公园绿地等；

2.其它经改造或重建而可形成应急避难场所的备选点；

评分指标：

是否满足平灾结合条件得分是5否1

用途：

按照可选场地的用途，可以将可选场地分为以下几种：

1.用于日常休闲娱乐的开敞的绿地，公园；

2.广场、体育馆、体育场、影剧院高尔夫球场等其它开敞的娱乐场所；

3.质量较好的厂房、仓库等；

4.用于临时紧急救援及安置受灾人员的医院、救助站、度假村等；

评分标准：

平时用途得分用于日常休闲娱乐的开敞的绿地，公园5广场、体育场等其它开敞的娱乐场所4开敞的度假村、旅游胜地等3质量较好的厂房、仓库等2其它1

易改造性：

按照下面几个原则确定可选场地易改造性的难易程度：

1.是否具有或者容易获得饮用水源、食品、药品等满足受灾人员生存的基本生活保障；

2.是否具有或者容易获得帐篷、消防、工具、器材物资库等其他备用的紧急救援设备或者通信设施；

3.在灾难发生后周围交通是否通畅，保证救援人员、救援设备顺利抵达或者保证灾民能够及时转移；

评分标准：

可利用面积：

可选场地的有效面积为S，宽度为H，则应满足：

S>2000m²

H>20m

有效面积指避难场所的占地总面积扣除不适合避难的地域所占的面积，应扣除的地域包括：水面、陡峭山体、植被密度较高的绿化区、文物古迹保护区、危险建(构)筑及其倒塌后影响区等。

评分标准：

可利用有效面积S(单位：m²)得分2000<S≤400014000<S≤600026000<S≤800038000<S≤10000410000<S5

建筑物质量：

从建筑结构分析，按照以下标准进行划分评定：

1.钢结构的建筑物抗震性能最好；

2.钢筋混凝土即框剪、框架结构的建筑物由于其截面大，抵抗力大，所以可以作为备选场地第二选择；

3.轻型塑料简易棚等等其他轻型材料住宅因其使用材料轻便，地震时即使坍塌对人员伤害较小，可作为备选场地之选；

4.砖混结构的建筑物抗震性能最差。

评分标准：

建筑物材料得分钢结构5钢筋混凝土的框剪、框架结构4轻型材料3砖混结构2其它1

可开发性：

评定标准为：

1.是否能通过经过政府的可开发批准；

2.是否影响城市正常建设的进程和经济发展；

3.是否会对居民的正常生活带来影响；

4.是否会造成资源的浪费。

评分标准：

3).根据式(3)计算每个备选点容量

C＝A_s/A_p(3)

其中：C表示单个备选点容量，即所能安置的最大人口数；A_s表示单个备选点的面积；A_p表示单个人口所需的安置面积，默认为2平方米/人。

步骤2，计算道路通行长度，并以规划路网为对象构建面向疏散分析的路网模型；

本文中每个疏散备选点的服务半径，取决于与其连通的道路路径长度和其覆盖区域中人口总数(即服务的人口数量)，此步骤计算道路通行长度，并构建面向疏散服务范围分析的道路网模型。

1)道路路网模型应考虑道路两侧建筑物倒塌后，对道路通行能力的影响，以道路有效通行率β表示。对应不同的道路有效通行率，路径分析时使用不同的道路通行长度表示，这是因为道路两侧建筑物倒塌后，道路通行时间增加，相当于道路通行长度增长。道路通行长度不同于道路几何长度，是指道路受两侧建筑物分布等因素影响后的等效长度，具体计算公式见式(4)。

W＝H₁×Co₁+H₂×Co₂-(D₁+D₂)+E

E＝W-H₁×Co₁-H₂×Co₂+(D₁+D₂)

β＝E/W(4)

$>F=\left(\begin{array}{cc}E,& 0.8<\beta \le 1\\ 1.2E,& 0.6<\beta \le 0.8\\ 1.5E,& 0.4<\beta \le 0.6\\ 2E,& 0<\beta \le 0.4\end{array}\right)$>

W为道路红线宽度；H₁、H₂为两侧建筑高度；D₁、D₂为两侧建筑退红线距离；E为疏散道路的抗震有效宽度；Co₁、Co₂为两侧建筑物可能倒塌的瓦砾影响宽度系数；β为道路通行有效率；F是用于路网分析的道路通行长度。

2)道路网模型的构建。以ArcGIS软件的Network模型为基础，通过对规划中常用的AutoCAD数据格式进行转换、整理、加工，实现道路点、线之间的构网，具体实现技术流程见图2所示，道路网构建结果示例，如图3所示。

3)基于此道路网模型，对备选点中道路条件提出如下要求：应急避难疏散场所的外周，设置与城市相应的应急疏散通道或其他形式的避难空间连通的交通道；应急避难疏散场所的内部，将疏散道路划分成三个疏散等级通道，即一级通道，二级通道和三级通道；用于大型车辆运送物资或消防车辆进行救灾活动的一级通道宽度为6～8m；用于避震减灾时内部输送救援物资、开展救援工作的二级通道，选择宽度在3m以上道路改造得到；用于在避难疏散场所内部以及与相邻空间之间转移的三级通道，可选择3m以下的支路、游步道改造得到。

步骤3，人口数据的空间栅格离散化；

每个备选点的服务范围也受制于其服务人口容量限制。人口数据通常以行政区为统计单位，为便于计算每个备选点的服务人口总数，本步骤将其进行栅格离散化，即将行政区中的总人口平均离散到每个栅格点上，如图4、图5所示。具体计算公式见式(5)所示。

$>{\mathrm{Pop}}_d=\left(\frac{{\mathrm{Pop}}_R}{A_R}\right)A_d---\left(5\right)$>

其中：Pop_d为每个离散后栅格点的人口数，Pop_R为行政区中总人口数，A_R为行政区的总面积，A_d为栅格单元面积。

人口数据的空间栅格离散化实现的技术流程(工艺)为：

1).获取人口数据分析初始数据，导入并在ArcGIS中添加用地、分区、道路、每个地块人口总数等图层字段，建立每个图层相应的属性表；

2).添加属性字段对分区数据进行编号，并在ArcGIS中显示。按要求在分区统计表中添加人口字段，标识每个分区内的总人口数n_i(i代表分区数)；

3).用ArcGIS软件中SelectFeatures工具对于每个分区内的所有地块进行分区统计，使其与相应的分区编号对应；重复步骤3)，直到完成所有地块的分区；

4).先对用地数据进行栅格化处理(FeaturetoRaster)，再以3米栅格大小进行栅格转点操作(RastertoPoint)，得到用地点数据；

5).对人口密度点进行分区，用Identify工具将用地点分类图层上的属性信息投射到分区目标图层上，把分区图层属性表所有的字段和数据添加到用地点分类的属性表中，得到用地点分类图层数据；

6).由步骤2)添加的每个分区的人口数n_i(i代表分区数)，通过属性选择在用地点分类属性表中选择出相应分区的人口密度点总数m，则每个点代表的人口数为n_i/m；重复步骤6)，直到统计完所有分区，即得到研究区的人口密度。

具体操作步骤的流程图如图6。

步骤4，单个地震应急疏散场地选址备选点服务范围分析

根据单个备选点周围的道路情况与其容量，分析其服务范围，具体分析公式见式(6)与式(7)。

$>L_{sum}={\Sigma }_{i=1}^n{L}_{oi};L_{sum}\le L_{max\_length}---\left(6\right)$>

$>{\mathrm{Pop}}_{sum}={\Sigma }_{i=1}^n{\mathrm{Pop}}_i;{\mathrm{Pop}}_{sum}\le {\mathrm{Pop}}_{capacity}---\left(7\right)$>

式(6)表示单个备选点的最大服务路径长度应小于最大长度，默认为2km。其中L_sum表示服务区中路网点离开备选点的累积道路通行长度(非几何长度)；O表示备选点，i表示备选点服务区中的路径点，以见图7为例，在路径OE-EF-FG上i分别表示E、F、G。L_{max_length}表示备选点的最大服务通行长度，默认为2km。以图7为例OE-EF-FG和OA-AB-BC-CD的累积服务通行长度均不能大于2km。

式(7)表示单个备选点的服务人口数应小于其人口容量。其中Pop_sum表示服务区中的包含的离散人口点对应人口数之和；Pop_i为备选点服务范围中的离散人口点对应的人口数，如图8所示。Pop_capacity为备选点的人口容量。

图8备选点服务范围中人口离散分布图，图中：大圆点表示备选点，区域表示备选点的服务范围，灰色小点表示人口的离散分布，线表示路网。

服务范围分析的具体实现技术方法如下：

1).在道路网数据模型的支持下，利用ArcGIS软件提供的服务范围分析功能，以备选点为中心，以L_{max_length}(默认为2km)为长度进行服务范围分析(使用道路通行长度，而非几何长度)，得到其对应的服务范围，图7所示为O备选点的2km服务范围；

2).对服务范围中的离散人口点进行空间统计，即统计空间上包含于服务范围中的人口点，并计算对应的人口总数Pop_sum。

3).判断Pop_sum与备选点的人口容量Pop_capacity关系，如果Pop_sum＞Pop_capacity备选点人口容量，则将备选点服务长度缩小20米，重复以上步骤并迭代，直到Pop_sum≤Pop_capacity，即备选点服务范围中包括的总人口小于等于备选点的人口容量。

步骤5，规划区域地震应急疏散场地确定与布局优化；

1)根据每个备选点的排序，对前i个(i起始值为1)备选点分别应用步骤4的方法分析其服务范围，将其服务范围多边形记为P_i；

2)将前i个服务范围多边形合并，得到前i个备选点服务范围的整体多边形可应用ArcGIS的合并(Merge)功能实现此操作。例如图9和图10分别展示了1，25，27和28号备选点服务范围多边形合并前后。

3)计算P_1-i对应的面积A_1-i；

4)计算前i个备选点的服务范围覆盖率：C_ratio＝A_1-i/A_region，其中A_region表示整个规划区域的面积；

5)如果C_ratio≥C_restrict(其中C_restrict为覆盖率控制值，默认为0.8)，分析计算停止，表示选址成功，将前i个备选点，转为正式地震应急疏散场地选址点并输出。否则让i＝i+1，重复以上(1)-(5)。