基于综合灾害风险的应急避难服务供需评估与规划干预*——以天津市为例

艾合麦提·那麦提，曾 坚，蒋飞阳

(天津大学 建筑学院，天津300072)

关于应急避难场所的研究可以概括为应急避难场所的规划运营[1]、选址适宜性评价[2-4]、位置优化[5-7]、服务范围划定[8]和应急物资分配[9]等方面。灾害风险程度在城市空间分布上的差异性[10-11]导致对应急避难场所的需求存在空间异质性，这种灾害风险与应急避难能力的匹配问题也是城市综合防灾工作的关键之一[12]。利用应急避难能力和灾害风险的供需空间匹配[13]研究方法能够通过供需方的空间关系评估城市现状应急避难供需匹配程度，对应急避难场所布局优化具有重要意义。

以往应急避难场所供需关系研究视角主要为面积供需的服务区划分[8]、人口供需的可达性[14]、应急能力(或安全性、适宜性等)供需的选址[15]以及单一灾害风险供需的布局适宜性[16]等，但多灾种耦合风险与应急避难场所服务能力视角下的供需关系研究较少，而且针对不同灾害的应急避难场所建设需求各有不同，需要重视应急避难能力与多灾种风险的供需匹配问题。科学客观地评估灾害综合风险一直是应急避难场所供需分析研究的重点和难点，其能够较为系统的反映应急避难场所需求位的空间差异性。早期的灾害风险评估研究框架多基于致灾因子的危险性、承灾因子的脆弱性以及城市的综合防灾减灾能力进行评估[17]。也有研究依据灾害危险性、暴露性和易损性框架对灾害进行风险评估[18]。灾害危险性特征和脆弱性特征分类研究框架[19]则能够较为完整的从自然产生和人为主导角度评估灾害风险。灾害综合风险评估方法也呈现多元化，多以定性与定量相结合分析为主，包括综合灾害多准则评价[18]、综合灾害仿真模型模拟[20-21]、综合灾害数理统计分析[22-23]等。其中，多准则评价是在城市安全风险评估中应用最为广泛的一种分析方法[24]。关于多灾种之间相互关系的研究可概括为多灾种叠加法和多灾种耦合法两大类。多灾种叠加法通常是以单灾种风险权重叠加得出综合值[18,25]，忽视了灾种之间可能存在的因果关系。多灾种耦合法包括风险矩阵耦合[26]、灾害触发关系耦合[27]，灰色理论系数耦合[28]等，能够注重各灾种之间的关联性，涉及到各灾种在空间范围内是否存在耦合的问题，但选择的耦合触发规则存在综合集成能力不高、主观局限性太强和无法客观反映风险等问题。而基于耦合激励机制[29-30]的多灾种耦合方法能够客观考虑多灾种之间的模糊关联，是一种较为合适的多灾种综合风险评估方法。另外，应急避场所的研究区域多为高密度中心城区[4,31-32]、核心区[33]、较发达市辖区[34-36]、微观的城市社区尺度[37-38]或者边缘村镇地区[39]，同时考虑乡村和城镇区域的研究较少。乡村防灾减灾意识和规划比较薄弱，忽略乡村应急避难需求将加剧城乡韧性发展建设的二元差距，应当从市域角度统筹研究城镇和乡村避难场所的整体布局。

基于此，本文选取自然灾害种类较多、影响较为严重的天津市[4,33,40]为研究区，考虑城市灾害发生的内在机制，从灾害危险性和脆弱性两个角度出发，根据区域特征合理选取评价指标，利用AHP-熵权组合法计算各指标权重，构建“地震地质-洪涝”多灾害综合风险评估体系，运用耦合激励模型测度分析研究区域的多灾害耦合危险性，与承灾体脆弱性结果叠加得到“地震地质-洪涝”多灾害综合风险评价结果，以反映应急避难服务需求水平。然后，以应急避难场所容量密度表征应急避难服务供给能力。最后，从供需空间匹配的角度利用优先级指数进行供需程度评估与规划干预优先级划分。以期为开展针对性的城市应急避难场所布局提供新的科学依据，同时给天津市在应对多灾害风险的韧性能力提升、城市的灾害管理和防灾减灾战略制定等方面提供参考。

1.1 研究区域

天津市地处华北地震带和高烈度区，辖区活断层分布复杂，地震地质灾害威胁较为严重[40]，同时天津市地处华北平原温带季风气候区，夏季受东南季风暖湿气流和西风带系统影响，常常出现暴雨天气，易引发洪涝[41]。天津市作为首都圈地震重点监视防御区[40]，非常重视防灾基础设施的建设。依据天津市应急管理局提供的相关数据显示，2021年8月前天津市全域已建成配套设施并投入使用的应急避难场所共2 613处，总占地面积约6 359.8万m2，总有效避难面积约2 196.3万m2，可容纳避难人口约1 690.7万人。天津市“七普”人口数据显示天津市总人口为1 386.6万人，应急避难人口总量已经达到需求，但是从分区的角度来看，南开区、河东区、红桥区、津南区、武清区和蓟州区仍处于应急避难能力不足状态(图1)。因此，需要从更精细尺度单元分析应急避难供需空间不匹配问题，探索如何进行区域协调适应的应急避难场所规划干预。

1.2 数据来源

天津市水系和道路矢量数据来自1∶25万全国基础地理数据库2019公众版[42]；
天津市地震地质灾害点、活动断裂分布、地面沉降数据来自中国地质调查局地质云平台(http://geocloud.cgs.gov.cn/#/portal/home)；
天津市土壤数据来自国家冰川冻土沙漠科学数据中心的基于世界土壤数据库(HWSD) 的中国土壤数据集(v1.1)[43]；
天津市2009—2017年1 km分辨率逐月降水量数据来自国家青藏高原科学数据中心[44]；
2018年130 m分辨率的夜间灯光数据获取于珞珈一号数据(http://59.175.109.173:8888/app/login.html)；
天津市30 m精度的DEM数据和2018年Landsat 8遥感影像数据来自地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/)；
2020年100 m精度的人口密度数据来自worldpop[45]；
2019年10 m精度的全球居民足迹数据来自World Settlement Footprint[46]；
2020年30 m精度的土地利用数据来自GlobeLand30[47]；
应急避难场所的基本信息数据来自于天津市应急管理局(http://yjgl.tj.gov.cn/)，数据包括经纬度坐标、面积、有效避难面积和有效避难人数等信息。

2.1 基于综合灾害风险的应急避难服务供需研究框架

地震地质灾害和洪涝灾害危害城市人口安全及社会经济稳定，应急避难场所可以提高城市预防和抵御此类灾害的能力。因此，本研究将天津应急避难服务供给能力和“地震地质-洪涝”多灾害综合风险下应急避难服务需求水平统筹到一个研究框架内，构建了供需研究框架(图 2)。

研究框架主要包括3个步骤：①构建“地震地质-洪涝”多灾害综合风险评价体系，利用多灾害耦合激励机制方法评估“地震地质-洪涝”多灾种耦合危险性，叠加承灾脆弱性得到多灾种综合风险，以反映应急避难服务需求水平；
②利用核密度分析方法评估应急避难场所服务供给能力；
③引入优先级指数Priority Index(PRI)对研究区域进行应急避难服务供需程度评估及规划干预优先级划分。

图1 研究区概况(该图基于中国标准地图(GS(2019)1697号)和天津市标准地图(津S(2017)007号)绘制，底图无修改，下同；
天津市应急避难场所基本情况图基于天津市应急管理局提供的2021年应急避难场所数据绘制)

图2 研究框架

2.2 “地震地质-洪涝”灾害综合风险应急避难服务需求水平测度

(1)综合灾害风险评价体系构建。结合天津市现状特征，并参考已有研究评价体系[15,18-19,24,26,48]，构建“地震地质-洪涝”灾害综合风险“3种灾害系统要素-2类特征-22项指标”的评价体系(表1)。三种灾害系统要素是指致灾因子、孕灾环境和承灾体，两种特征分别是自然因素主导的危险性特征和人为因素主导的脆弱性特征。其中危险性特征指标包括地震地质和洪涝两类灾害的17项指标；
脆弱性特征指标包含与经济、人口、环境密切联系的5项指标。

表1 “地震地质-洪涝”灾害综合风险评价指标体系

表2 “地震地质-洪涝”灾害综合风险组合权重指数

由于数据的分辨率各有不同，因此研究采用规则的正方网格覆盖研究范围，将数据统一计算分析[19]，网格边长为1 000 m，研究范围共计网格单元11 235个。相关数据的预处理：借助ArcGIS10.5中的表面分析工具处理天津高程数据，获取天津坡度、表面曲率数据；
借助ArcGIS10.5的欧氏距离分析工具处理道路、水系、灾害点、活动断层数据得到对应的距离数据；
在ENVI 5.3平台中对遥感数据进行大气校正和辐射定标[49]，并进行拼合处理，然后利用公式计算出归一化植被指数[50]；
利用饱和导水率经验公式[51]计算出天津土壤下渗率；
径流系数由土地利用类型确定[48]；
借助ArcGIS10.5线密度分析工具处理水系和道路数据得到天津市河网密度和路网密度；
夜间灯光数据和城市社会经济发展具有空间上的一致性[52]，因此将天津市的夜间灯光数据代指各地区的经济发展水平；
从天津市土地利用数据中提取出建设用地数据，利用ArcGIS10.5中的以表格显示分区统计工具计算出每个网格单元的建设用地占比。最后将所有数据连接到格网数据中构建“地震地质-洪涝”灾害综合风险评价数据集。

对指标预处理后，采用AHP-熵权组合法[18]计算各单灾种风险指数(表2)，主要步骤：①为了除去指标量纲的影响，对正、负向指标进行极差标准化处理[52]。②将客观和主观赋权相结合，利用AHP方法得出主观权重，熵权法得出客观权重，然后引入距离函数[53]的概念，采用线性组合法[18]得出“地震地质-洪涝”多灾害综合风险评价中的组合权重。确定组合权重的表达式：

(1)

(2)

α与β的差值D是分配系数间的差异为：

D=|α-β|。

(3)

依据上文构造方程组如下：

(4)

③在通过遥感和GIS 的方法对各指标进行预处理后，按照确定的指标权重值计算地震地质和洪涝灾害风险指数。

(2)“地震地质-洪涝”多灾种危险性耦合激励机制的综合风险评估。各单灾种由于发生时间、相互作用以及级联效应等耦合关系，存在复杂的内在作用机制差异。以往的简单指标权重叠加难以判断灾害风险应对优先级，在综合风险评估过程中表现出显著的不确定性。本文引入多灾种耦合激励模型[29-30]，通过确定各灾种的空间耦合激励关系，评估分析研究区内“地震地质-洪涝”多灾种危险性。主要步骤如下。

①区分不同风险等级间的耦合激励系数：利用自然断点法将标准化后的各单灾种风险分成五级，采用幂函数求解风险等级区间的激励程度，确定不同风险等级的激励分位权重系数。公式[30]如下：

(5)

式中：Iij为第i(i=1,2,…m)类灾害的j级风险所对应激励分布权重系数；
k为划分风险等级数；
εj为第j个分位点值，其中ε0=0、εk=1;α为调整参数。当α>0时，灾种间为正激励关系，Iij>Iij-1，表示风险等级值越大，其激励程度越大；
当α=0时，无激励关系，Iij=Iij-1；
当α<0时，为负激励关系，Iij

②复合形成多灾种风险：设各灾种的综合风险取值集为f(A1,A2,…,Am)，则各网格单元内的综合风险值与分布权重系数的公式[30]如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

③“地震地质-洪涝”害综合风险评估：根据灾害系统理论，危险性特征反映了灾害发生的原始风险，多源于自然环境因素；
脆弱性特征由承灾体组成，包括经济社会因素，多体现人为因素及灾损效应。两项特征共同决定了灾害风险，即反映了研究区域“地震地质-洪涝”多灾害综合风险应急避难需求。计算公式[54-55]如下：

R=H×V。

(10)

式中：R为综合灾害风险应急避难需求；
H为多灾害耦合危险性；
V为脆弱性。

2.3 应急避难场所供给服务能力评估

应急避难场所是城市应急防灾的保障设施，在地震地质或洪涝灾害发生时能够给城市居民提供避难场所和有效的救护条件。本文采用ArcGIS10.5核密度分析方法，选择可容纳人口作为核密度分析的Population 字段计算供给核密度，以表征应急避难场所服务供给能力。

2.4 应急避难服务供需测度与规划干预优先级划分

为了指导城市应急避难场所布局优化，引入优先级指数Priority Index(PRI)[55-56]，对需要进行干预的关键区域进行优先级排序。计算公式如下：

(11)

式中：R为综合灾害风险应急避难需求；
C为应急避难服务供给能力。当综合灾害风险避难需求大，应急避难场所供给能力越小时PRI越大,该地区越需要优先干预。

3.1 综合风险避难需求水平及空间特征

(1)单灾种危险性空间分布特征。地震地质灾害：按照自然断点法对评价结果进行重分类，将灾害危险性等级划分为极高危险区(0.62～1.00)、高危险区(0.50～0.61)、中危险区(0.41～0.49)、低危险区(0.30～0.40)和极低危险区(0.00～0.29)等5个区。如图3所示，整体上风险分布比较集中，极高风险区主要集中在蓟州区、东部宁河区和滨海新区的交界处以及中心城区向东延伸的椭型范围内。

洪涝灾害：按照同上的分类方法对评价结果进行重分类，将灾害危险性重分类为极高危险区(0.59～1.00)、高危险区(0.47～0.58)、中危险区(0.37～0.46)、低危险区(0.26～0.36)、极低危险区(0.00～0.25)等5个区。结果显示(图4)，洪涝灾害危险性具有东南高西北低的空间分布特征，可以看到极高、高危险区大部分集中在滨海新区，在滨海新区北部付庄村和中部中央大道形成两个高值聚集区；
中心城区虽然面积较小，但是也基本覆盖在极高和高危险区内。

(2)“地震地质-洪涝”灾害耦合危险性特征。按照自然断点法将耦合激励后的结果评价结果进行重分类，分为极高危险区(0.69～1.00)、高危险区(0.29～0.68)、中危险区(0.12～0.28)、低危险区(0.05～0.11)和极低危险区(0.00～0.04)等5个区。结果显示(图5)，整体上分布规律与地震地质灾害类似，但是耦合后的滨海新区南部区域危险性有所提高。极高、高风险区集中在天津市中部偏东南区域，包括天津市中心城区和滨海新区中部，是天津市主要的建设用地聚集区，人类工程活动密集，地表改造程度高。

图3 地震地质灾害危险性图4 洪涝灾害危险性

(3)承灾体脆弱性特征。结合人口、经济、建筑密度和道路密度等要素，根据权重叠加得到承灾体脆弱性结果，并将其按照自然断点法对结果进行重分类，分为极高脆弱区(0.52～1.00)、高脆弱区(0.35～0.51)、中脆弱区(0.20～0.34)、低脆弱区(0.10～0.19)、极低脆弱区(0.00～0.09)等5个区。结果显示(图6)，承灾体极高和高脆弱性区域整体上分布比较集中，大部分分布在中心城区、滨海新区以及其它区中心区等人类活动密集区。

(4)“地震地质-洪涝”多灾害综合风险的应急避难服务需求。将耦合危险性和脆弱性评估结果叠加得出“地震地质-洪涝”多灾害综合风险结果，同样用自然断点法分成极高风险区(0.58～1.00)、高风险区(0.37～0.57)、中风险区(0.20～0.36)、低风险区(0.07～0.19)、极低风险区(0.00～0.06)。结果可以看出(图7)，极高、高风险区分布在天津居民聚集区，主要集中在中心城区，其次是滨海新区泰达大街周围，同时在两者的连线也有零星分布。此外，其他高风险区出现在蓟州区中医医院、宝坻区宝平街道、武清区人民医院和静海区静海站等片区。

3.2 应急避难场所供给能力及空间特征

将应急避难场所核密度计算结果用自然断点法分成极高供给水平区(0.45～0.98)、高供给水平区(0.22～0.44)、中供给水平区(0.09～0.21)、低供给水平区(0.02～0.08)、极低供给水平区(0.00～0.01)。结果显示(图8)，整体上与居民点的分布现状吻合。其中，高供给水平区主要集中在中心城区和滨海新区的泰丰公园片区；
中供给水平主要分布在各区县居民点聚集的区域，水平比较均匀。另外，由于西青郊野公园等应急避难场所具有较高的容纳人口数量，在局部地区出现几处极高的供给水平现象。

图5 “地震地质-洪涝”灾害危险性图6 承灾体脆弱性图7 应急避难服务需求图8 应急避难服务供给

3.3 应急避难服务供需空间匹配及规划干预优先级划分

利用应急避难服务需求和供给能力数值，采用优先级指数(PRI)公式计算可得 “地震地质-洪涝”多灾害综合风险下的应急避难服务空间供需匹配程度，从而准确划分优先干预次序。利用自然断点法将优先干预区划分成5个等级，级别越高，越需要优先干预。结果显示(图 9)，整体上Ⅴ级规划干预呈现聚集分布特征，主要集中在天津市中部区域。从各区分布情况来看，中心城区仍是优先级较高的区域，多为Ⅴ级；
滨海新区优先级较高的区域相对分散，分布在新北街道、塞上街道和大港街道三大片区；
东丽区的高优先级区分布在新丽街道和无暇街道片区；
津南区高优先级区分布在咸水沽镇片区；
西青区的高优先级区分布在华庄子村、王兰庄村、大寺镇片区；
静海区的高优先级区位于静海站区域；
北辰区的高优先级区分布在南部靠近中心城区的区域；
武清区的高优先级区分布在杨村街道片区；
宝坻区的高优先级区分布在宝平街道片区；
宁河区高优先级区分布在南崔庄村；
蓟州区高优先级区分布在蓟州区中医医院片区。

图9 应急避难服的规划干预优先级划分

4.1 结论

在城市安全韧性发展时代背景下，本文从综合灾害风险的应急避难服务供需关系的视角出发，选取超大城市天津为案例区域，基于城市灾害系统内在机制和城市自然社会经济本底要素，通过灾害危险性特征和脆弱性特征理论框架构建城市单灾害评价指标体系，引入耦合激励模型复合出天津“地震地质-洪涝”灾害综合风险下应急避难服务需求水平，定量评估天津市的应急避难服务供给能力，并运用优先级指数方法评估天津市应急避难服务供需空间匹配程度，并将研究区划分为5个规划干预优先级，明确了应急避难规划建设优先次序。主要结论如下：

(1)“地震地质-洪涝”灾害极高危险区在整体上出现集中分布特征，主要集中在中心城区向东延伸的较大区域、蓟州区以及东部宁河区与滨海新区的交界处等区域。

(2)综合考虑承灾体脆弱性的“地震地质-洪涝”灾害综合风险的极高、高风险主要聚集在中心城区，其次是滨海新区泰达大街片区，同时在两者的连线周围也有零星分布。此外，其他高风险区出现在蓟州区中医医院、宝坻区宝平街道、武清区人民医院和静海区静海站等片区，这些区域防灾减灾等级较低，住民防灾意识较弱，需要引起重视。

(3)针对应急避难场所规划布局的高等级优先干预区主要聚焦在中心城区和滨海新区。其中，中心城区整体优先干预等级显著偏高，滨海新区的高等级优先干预区分布相对分散。另外，东丽区、津南区、北辰区和西青区优先干预Ⅳ、Ⅴ等级占比较高，其余区仅有少面积高等级优先干预区出现。

4.2 讨论

本文在总结相关文献的基础上，探索了城市应急避难服务空间供需匹配关系。首先提出了基于综合灾害风险的应急避难服务供需研究视角。由于不同灾害下的应急避难场所的建设要求存在差异性，客观评价应急避难能力与多灾种风险的供需匹配程度识别应急避难服务薄弱区域。同时，从市域角度统筹研究城镇和乡村的避难场所，能够避免相关研究中忽视防灾减灾意识和规划比较薄弱的村镇地区问题[39]。其次，利用耦合激励模型量化多灾种之间的模糊关系，该方法能够客观分析多灾害下的耦合危险性，有效削弱了相关研究[25-27]中多灾害耦合方法综合集成能力不高、主观局限性太强、不能反映风险真实情况等问题。最后利用优先级指数对供需匹配结果进行5级划分，能够在应急避难场所规划实施中的优化重点、建设时序以及资金投入等方面提供精准的建设指导，尤为是土地资源非常短缺、人口密度高的超大型城市。提高应急避难服务能力，发挥规划的前瞻性，能够极大的降低多灾害下城市受灾损害程度。精细化的安全韧性提升路径和管理政策，是顺应新时代下城市安全发展理念的重要举措。

供需匹配结果表明，虽然中心城区的应急避难设施多于其他区，但从供需匹配的角度看，仍是未来应急避难场所能力提升的重点区域；
滨海新区南北向条形的区域形状以及经济发展的时序性决定了应急避难设施的分散性，高等级优先干预区需要在经济社会发展的同时引起政府的重视。根据本文结果，应急避难场所建设建设建议包括：①优先考虑高优先级区域的建设需求，目前城区内的应急避难场所以公园绿地、广场、学校操场等为主，建议合理利用地面停车场或其他未纳入考虑的开敞空间或适当改扩建已有的避难场所，提高有效应急避难面积，以达到应急避难的总量要求。②对于优先级相对较低的区域，可以通过优化区域防灾减灾空间结构、进一步构建三级避难场所体系、打造应急避难救援体系等方面来强化灾害安全韧性空间保障体系。③对于人口密度较高，土地资源紧缺的中心区域适当进行人口疏解或迁移，减少区域人口，从而缓解应急避难压力。

本文虽已尽可能全面地选取评价指标，但由于数据不可获取或难以量化等限制，导致现有评价指标体系仍未能全方位的表征城市灾害风险状况，在未来的研究中需要再丰富和充实。耦合激励模型虽然考虑灾种间的相互触发关系，但仍难以反映灾害间复杂联系，未来可以更精确设置模型各单灾种的触发效应规则、不同风险等级间的耦合激励系数，以得到更客观的多灾种耦合激励关系。另外，应急避难服务能力评估仅考虑应急避难场所的人口容量密度，然而急避难服务能力也涉及到应急避难配套设施、场所可达性、管理能力等多方面，在后续的研究中加以考虑。

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