震后城市應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)韌性能力評估方法★

孫 妍，費(fèi)智濤，郭小東

(北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124)

0 引言

地震是給人類社會造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失最大的自然災(zāi)害之一。應(yīng)急物資供應(yīng)作為地震災(zāi)害應(yīng)急管理的基礎(chǔ)保障和重要內(nèi)容，其具備的防災(zāi)韌性直接關(guān)系到震后應(yīng)急救援工作的效率和質(zhì)量。美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局(FEMA)在《2018—2022戰(zhàn)略規(guī)劃》指出，向受災(zāi)地區(qū)提供所需物資的最有效方式是重建災(zāi)前供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，在供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)建立韌性并提供快速恢復(fù)是應(yīng)對任何災(zāi)難性事件的關(guān)鍵[1]。應(yīng)急物資供應(yīng)實質(zhì)上是一個物資供給的過程，主要包括需求供給分析、籌措、儲備、運(yùn)送幾個部分[2]。國內(nèi)外眾多學(xué)者對應(yīng)急物資供應(yīng)的各個環(huán)節(jié)及其能力評估等方面開展了相關(guān)研究，集中在應(yīng)急設(shè)施的選址與配置、運(yùn)輸路徑優(yōu)化、供需關(guān)系和整體評價等方面。這些研究體現(xiàn)了防災(zāi)韌性的相關(guān)理念，但研究尺度多基于物資系統(tǒng)本體，缺少城市尺度下應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)的整體性防災(zāi)韌性評估。同時，因地震的不確定性導(dǎo)致的震后道路通行能力下降等原因，使得災(zāi)后應(yīng)急物資供應(yīng)場景和恢復(fù)活動難以預(yù)測。為解決上述問題，本文提出一種融合應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、空間和功能滿足的防災(zāi)韌性評估方法，反向約束規(guī)劃策略的生成以應(yīng)對不確定性，為震后應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)的規(guī)劃、決策提供支撐。

1 評估框架

1.1 應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)韌性

供應(yīng)系統(tǒng)韌性一般被簡化為一種網(wǎng)絡(luò)模型，被認(rèn)為是供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)為意外事件所做的準(zhǔn)備和對網(wǎng)絡(luò)中斷作出的反應(yīng)，并通過對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能控制保持運(yùn)營的連續(xù)性并恢復(fù)的適應(yīng)能力，體現(xiàn)持續(xù)供應(yīng)、快速恢復(fù)到正常供應(yīng)狀態(tài)的特點[3]。同時，作為一種特殊的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)保證應(yīng)急物資在災(zāi)害事件發(fā)生前后的籌措、儲存、運(yùn)輸各環(huán)節(jié)的客戶滿足程度。具有防災(zāi)韌性的應(yīng)急物資供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是一個有效且高效的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，具備足夠的健壯性與快速恢復(fù)性，為城市功能的可持續(xù)提供服務(wù)。本研究針對城區(qū)應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)，明確防災(zāi)韌性是一種兼具過程與結(jié)果的能力，表現(xiàn)為面對地震災(zāi)害時的健壯性和災(zāi)后快速恢復(fù)性。

1.2 城區(qū)應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)地震防災(zāi)韌性的拆解

要研究應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)的地震防災(zāi)韌性，首先需要對應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行分解。應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)的防災(zāi)韌性能力體現(xiàn)在應(yīng)急設(shè)施設(shè)備、應(yīng)急物資儲備、道路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)等方面。從結(jié)構(gòu)角度看，應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)是一個由網(wǎng)點(包含應(yīng)急物資儲備庫、需求點)和網(wǎng)點聯(lián)系構(gòu)成的應(yīng)急物資供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，即一種節(jié)點和弧的集合[4]?；诮缍ǖ姆罏?zāi)韌性概念，物資儲備庫本體安全決定了震后可用的物資量，因此物資供應(yīng)系統(tǒng)的健壯性將依托于物資儲備庫的健壯性。此外，震后應(yīng)急物資供應(yīng)中斷與否還取決于供應(yīng)系統(tǒng)中的城市道路節(jié)點和路段，震后道路的破壞影響了物資配送的空間過程。最后，作為一種災(zāi)后服務(wù)，應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)的防災(zāi)韌性還體現(xiàn)在災(zāi)后需求點的滿足程度。基于上述系統(tǒng)分解與體現(xiàn)應(yīng)急物資系統(tǒng)地震防災(zāi)韌性能力的三個方面，選取工程韌性、空間韌性和功能滿足三個維度構(gòu)建韌性評估框架，如圖1所示。

2 研究方法

2.1 應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)震后韌性指標(biāo)體系

應(yīng)急物資供應(yīng)是震后一切應(yīng)急救援活動的基礎(chǔ)，按照《民政事業(yè)發(fā)展第十三個五年規(guī)劃》中有關(guān)物資保障的描述，要求災(zāi)后12 h內(nèi)第一批救災(zāi)物資運(yùn)抵災(zāi)區(qū)，確保受災(zāi)人員的基本生活得到初步救助[5]。城市內(nèi)應(yīng)急物資供應(yīng)來源包括實物儲備、合同儲備和生產(chǎn)力儲備，在工程韌性方面考慮應(yīng)急物資供應(yīng)設(shè)施建筑物和城市道路受地震影響破壞的程度，建筑物和道路的破壞與災(zāi)后物資的可用性、空間調(diào)運(yùn)直接相關(guān)。但因無法獲取協(xié)議企業(yè)中合同儲備和生產(chǎn)力儲備的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此本文震后城市應(yīng)急物資供給設(shè)施只選取了城市應(yīng)急物資儲備庫。此外，物資在城區(qū)的空間運(yùn)輸活動基于道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，空間韌性指標(biāo)基于圖論指標(biāo)構(gòu)建，即使用度中心性[6]和中介中心性[7]表示。受地震災(zāi)害影響，道路網(wǎng)中的某些路段失效使得周邊路段通行的概率增大，增加超過災(zāi)前道路設(shè)計容量引起的潛在風(fēng)險，從而降低了道路網(wǎng)絡(luò)的空間韌性。最后，功能滿足韌性使用應(yīng)急物資供應(yīng)的可達(dá)性和物資供應(yīng)設(shè)施的覆蓋范圍表示。城市應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)的防災(zāi)韌性指標(biāo)按式(1)進(jìn)行計算，具體韌性評估指標(biāo)及量化方式如表1所示。

(1)

其中，Ri為韌性指標(biāo)；f()為計算函數(shù)，由于災(zāi)前、災(zāi)后的指標(biāo)存在正向、負(fù)向指標(biāo)，計算方式包括求和、絕對值等;N為災(zāi)前的基線能力值;Ni為災(zāi)后的能力值。各項指標(biāo)的計算方法將在2.2節(jié)給出。

表1 震后城市應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)韌性評估指標(biāo)及量化方式

2.2 防災(zāi)韌性評估指標(biāo)計算

2.2.1 工程韌性

工程韌性指標(biāo)采用震后應(yīng)急物資供應(yīng)設(shè)施和道路的破壞程度表征。儲備應(yīng)急物資可以在需要時立即產(chǎn)生應(yīng)急的效果，比臨時籌措物資的成本低、運(yùn)輸時間短。災(zāi)害發(fā)生初期，運(yùn)往災(zāi)區(qū)的第一批物資通常是儲備的應(yīng)急物資，包括應(yīng)急物資儲備庫儲備和協(xié)議企業(yè)的實體儲備。震后應(yīng)急物資供給量通過式(2)計算。

Sij=Pj×αi×Ps×Pb

(2)

其中，Sij為震后i類應(yīng)急物資供給量；Pj為j類應(yīng)急物資儲備庫保供的緊急轉(zhuǎn)移安置人口數(shù)，根據(jù)救災(zāi)物資儲備庫規(guī)模分類表確定；αi為i類應(yīng)急物資人均每日需求量；Ps為保障系數(shù)，中央級(區(qū)域性)、省級、市級和縣級儲備庫分別按緊急轉(zhuǎn)移安置人口的25%,30%,50%和70%確定[8]；Pb為供應(yīng)數(shù)量折減系數(shù)，根據(jù)建筑破壞程度確定[9]。

鑒于公路運(yùn)輸是地震救災(zāi)期間城區(qū)應(yīng)急物資運(yùn)輸?shù)闹饕绞剑疚膽?yīng)急物資供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的道路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)只考慮城市內(nèi)部的公路網(wǎng)絡(luò)。震后道路通行能力主要受沿街建筑物倒塌情況的影響，首先根據(jù)式(3)計算震后瓦礫堆的總土方量：

(3)

(4)

(5)

其中，Ω為瓦礫堆總土方量；Ai為嚴(yán)重破壞和倒塌的沿街建筑的立面面積之和；Ψi為嚴(yán)重破壞建筑面積百分比的1/2與倒塌建筑面積百分比之和；Q為瓦礫阻塞量密度；l為路段長度；ba為建筑物到路邊的距離；b0為道路寬度；Pw為震后道路通行概率；Qc為臨界阻塞量密度，根據(jù)文獻(xiàn)[10]的計算結(jié)果，可取為0.25。

2.2.2 空間韌性

空間韌性指標(biāo)使用度中心性和路段中介中心性表征。節(jié)點度被定義為其直接連接的節(jié)點數(shù)目，節(jié)點度中心性值的下降表明震后該節(jié)點在道路網(wǎng)絡(luò)中連接程度的降低。

Cn(e)=Nr

(6)

其中，Cn(e)為節(jié)點度中心性；Nr為e道路節(jié)點連接路段的數(shù)量。災(zāi)后路段的中介中心性代表了網(wǎng)絡(luò)中路段面臨高于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的空間承載能力的風(fēng)險，風(fēng)險越大表示災(zāi)后網(wǎng)絡(luò)路徑脆弱性越大。將地震前后網(wǎng)絡(luò)中路段中介中心性變化量與震前路段中介中心性的比值進(jìn)行歸一化來表征震后路段在網(wǎng)絡(luò)中面臨的風(fēng)險程度(見式7)。

(7)

其中，V為道路節(jié)點集合；σ(s,t)為節(jié)點(s,t)中最短路徑的數(shù)量；σ(s,t|e)為最短路徑中通過路段e的數(shù)量。上述兩項指標(biāo)代入式(1)轉(zhuǎn)換為韌性指標(biāo)。

2.2.3 功能滿足

應(yīng)急物資供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的功能滿足實質(zhì)上是分析震后城市尺度下應(yīng)急物資的供需關(guān)系，從時間和覆蓋數(shù)量兩個角度量化表征。

震后應(yīng)急物資供應(yīng)可達(dá)時間考慮建筑倒塌對道路通行能力的影響，震后道路通行時間通過式(8)計算：

(8)

其中，Ti為震后第i條路的通行時間；Li為第i條路的長度；Vi為第i條道路的設(shè)計速度；Pw為震后道路通行概率。

應(yīng)急物資需求估算考慮震后避難人數(shù)及人均每日需求量的影響，應(yīng)急物資需求估算公式如下：

Qij=αi×Pj

(9)

其中，Qij為j需求點i類應(yīng)急物資需求量；αi為i類應(yīng)急物資人均每日需求量；Pj為j需求點避難人數(shù)。

2.3 韌性評估結(jié)果等級說明

城市應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)的綜合韌性按式(10)計算：

(10)

其中，R為應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)的綜合韌性；Ri為前述的單項韌性指標(biāo)；ωi為指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)專家評價法確定ω1～ω6={0.13,0.22,0.22,0.12,0.15,0.16}。

將震后城市應(yīng)急物資系統(tǒng)韌性評估結(jié)果劃分為4個等級，具體如表2所示。

表2 城市應(yīng)急物資供應(yīng)系統(tǒng)韌性評估等級劃分

3 韌性目標(biāo)下的規(guī)劃策略類型

3.1 健壯性規(guī)劃策略

1)工程韌性。對于應(yīng)急物資供應(yīng)設(shè)施，要定期檢查物資儲備庫的安全情況，加固儲備庫內(nèi)的貨架。并根據(jù)城市內(nèi)人員數(shù)量的變化動態(tài)管理應(yīng)急物資的數(shù)量，提高應(yīng)急物資儲備庫的管理水平，創(chuàng)建以大數(shù)據(jù)應(yīng)用為基礎(chǔ)的應(yīng)急物資管理信息化平臺，降低物資在庫時的損耗率，提高應(yīng)急物資的周轉(zhuǎn)率。為減少震后因沿街建筑倒塌對道路的影響，應(yīng)控制城市內(nèi)主要應(yīng)急道路兩側(cè)建筑物的紅線距離，適當(dāng)減少兩側(cè)建筑物密度，控制建筑高度。

2)空間韌性。城市道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，減少或避免丁字路、盡端路的建設(shè)。根據(jù)城市內(nèi)各地塊的功能布局，合理規(guī)劃城市道路網(wǎng)絡(luò)的空間形態(tài)和層級結(jié)構(gòu)，增加道路的冗余度和靈活性。

3)功能滿足。中心避難場所作為震后抗震救災(zāi)指揮中心及應(yīng)急物流中心備選地，承擔(dān)應(yīng)急物資配送工作，應(yīng)在災(zāi)前根據(jù)避難規(guī)模存儲一定數(shù)量的應(yīng)急物資，以在地震發(fā)生時可以及時獲取，減少因運(yùn)輸時間帶來的損失。

3.2 恢復(fù)性規(guī)劃策略

1)工程韌性。為滿足震后應(yīng)急物資的需求，應(yīng)創(chuàng)建有效的聯(lián)動機(jī)制和統(tǒng)籌機(jī)制。縱向上，健全城市內(nèi)“市-縣”兩級應(yīng)急物資儲備庫供應(yīng)體系，橫向上采取協(xié)議企業(yè)的實物儲備、征收征用以及城市外的市場緊急采購、周邊城市調(diào)撥、組織捐贈等多方途徑。同時，災(zāi)前應(yīng)努力發(fā)展完善城市的產(chǎn)業(yè)鏈以應(yīng)對隨時出現(xiàn)的波動需求。

2)空間韌性。為提高震后道路網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)效率，應(yīng)加派搶修隊伍根據(jù)道路網(wǎng)絡(luò)中各路段及節(jié)點的重要性和緊迫性進(jìn)行修復(fù)工作。而修復(fù)道路的工程器械類物資的需求與震后受損道路面積有直接關(guān)系，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)總結(jié)其比例關(guān)系，計算得到震后搶修道路所需的工程器械并以此配備搶修隊伍。

3)功能滿足。應(yīng)急物資儲備庫和中心避難場所作為震后應(yīng)急物流中心的備選地，承擔(dān)著承上啟下的作用，在規(guī)劃時應(yīng)充分考慮其地理位置、輻射范圍等因素合理布局。同時，在城市發(fā)展過程中，避難場所規(guī)劃、控規(guī)中的用地功能等也要考慮到震后物流中心的覆蓋范圍。

4 結(jié)論與展望

本文提出一種基于空間分析的震后城市內(nèi)應(yīng)急物資供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)韌性評估模型，該模型從工程韌性、空間韌性、功能滿足三個維度出發(fā)，根據(jù)應(yīng)急供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)要素，考慮了應(yīng)急物資供應(yīng)設(shè)施、道路網(wǎng)絡(luò)、避難人口空間分布等因素對震后應(yīng)急物資供需的影響，通過GIS空間網(wǎng)絡(luò)算法，對震后應(yīng)急物資供應(yīng)的覆蓋范圍以及供給可達(dá)時間進(jìn)行分析?；谠u估結(jié)果，從健壯性和恢復(fù)性兩方面提出了提高震后城市內(nèi)應(yīng)急物資供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)韌性的規(guī)劃策略。