城市應急救援功能抗震韌性研究

魏文暉，方育銘，胡 郢

(武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070)

城市發展與抵御各類風險災害相伴相隨，其中地震災害是災害之首，是世界上威脅人類生命財產安全最嚴重的自然災害之一。中國作為一個地震活動頻繁的國家，城市抗震防災是重中之重，但是城市的抗震防災涉及多個方面，單憑對于建筑單體的抗震設防措施無法形成完整的城市抗震性能，必須著眼于城市整體功能的抗震，也就是城市抗震韌性。“韌性”這一概念源于生態學研究，最初韌性被定義為系統恢復平衡的速度，應對危機并回復的能力，適應新環境的能力，具有內在的堅固性、彈性與適應性，當“韌性”被應用于抗震防災領域，抗震韌性被定義為遭受地震災害的主體吸收地震破壞并迅速恢復的能力。隨著相關研究的深入，其內涵擴展至社會-生態系統的研究中，逐漸成為較為系統的理論體系。一座韌性城市是一個由物質系統和人類社區組成的可持續網絡，物質系統是城市中的自然和人造環境要素，人類社區是城市的社會和制度構成元素。經過發展，城市韌性已經成為城市安全研究的熱點領域。

1 國內外研究背景

城市韌性作為研究城市整體功能的工具，已經成為熱門的研究領域，國內外有諸多學者進行城市具體功能韌性的研究，如Michel Bruneau[1]等提出了一個概念框架來定義社區的地震恢復力及其量化方法，他認為系統功能恢復力作用是：降低功能受損概率、降低功能受損后果和縮短恢復時間，該框架還可以對系統終端的穩定性和敏捷性、系統平均資源富余度和冗余度進行量化評估，并把這4項指標與社區韌性的四個維度(技術，組織，社會和經濟)整合，以上措施都可以用于量化評估各類物質和組織系統的恢復力，并用框圖確定達到這些目標所需的措施；Abdullah Shafieezadeh[2]提出基于情境的基礎設施系統韌性評估概率框架，考慮了地震烈度測量相關性、結構構件易損性評估、設備修復要求的估計、修復過程以及服務需求等過程中的不確定性，提出了考慮地震烈度、震中距和服務需求度的概率密度的韌性函數，建立了一個詳細的海港模型，使用海港工作歷史建立服務需求模型，并對其進行抗震韌性分析；李瑞奇[3]等基于韌性曲線的概念，從城市結構、城市安全韌性、突發事件、城市功能恢復等方面出發，構建了城市系統功能系數、城市子系統功能函數、安全韌性函數、破壞性函數、恢復函數，定義了城市安全韌性水平，提出包含城市結構模型、城市安全韌性模型、突發事件模型、城市功能恢復模型的城市安全韌性定量分析框架；以地震災害為例，建立包含建筑、交通、能源、通訊、供水等子系統的虛擬城市模型，通過蒙特卡洛法對城市遭受地震災害的韌性進行模擬仿真；尚慶學[4]提出一種量化醫療系統抗震韌性的評估框架，通過定義醫療系統功能、確定關鍵基礎設施及支撐醫療系統功能的關鍵構件建立醫療系統模型，將醫療系統劃分為5個醫療功能單元及7個子系統，每個子系統由不同的構件組成，由此建立醫療系統抗震韌性評估指標體系，并通過層次分析法確定指標體系各組成部分的權重系數，用于后續的韌性評估。

2 韌性分析

2.1 韌性曲線

目前來說，國內外對于災害韌性的研究基本以韌性曲線分析為主[5]。對于城市災害應急救援，通過模擬城市應急救援系統的功能水平在災害發生情況下隨時間變化的情況，得到的功能時變曲線稱為韌性曲線。可將傷員救治效率作為應急救援系統的功能水平函數。韌性曲線如圖1所示，災害發生時刻為te，由于該文研究災害類型為地震，災害發生時間相對全過程時間來說比較短，故將災害發生過程視為一個瞬間；系統受損程度評估與分配修復資源進行恢復的階段時長為Tc。

將災害韌性曲線的積分與理想韌性曲線的積分的比值作為功能韌性的值，韌性R表示如式(1)所示

(1)

對于韌性的研究除韌性曲線外，還可使用4R災害韌性特征進行評判[1]，它們分別為：魯棒性(Robustness)、冗余性(Redundancy)、敏捷性(Rapidity)、適應性(Resourcefulness)。具體描述如表1所示。

表1 4R災害韌性特征及描述

2.2 多層網絡拓撲模型

采用多層網絡拓撲結構來對城市諸多基礎設施系統進行建模，將多個基礎設施系統的網絡拓撲模型進行疊加來體現系統之間的關聯，僅僅這樣還不能夠很好地表示地理關系，還需要另外疊加一個具備真實地理坐標的地理層，使其他所有基礎設施系統的節點與連接都根據真實的地理位置嵌固在這個地理層上。另外還可將系統中的用戶作為一個用戶集合，表示所有用戶以地理位置為根據的集合。

以圖2一個簡單的虛擬城市為例，其中有兩類基礎設施系統，節點分別用黑色圓和白色圓表示。能夠為用戶直接提供服務的基礎設施系統節點與用戶節點直接相連，也存在一些間接為用戶提供服務的節點例如水廠、發電站等，黑色基礎設施系統與白色基礎設施系統互相存在連接，這種連接通過層間連接模擬。此外，兩個基礎設施系統的節點按照真實地理位置在地理層進行投影。該文使用多層網絡拓撲結構對城市交通系統、供電系統、供水系統間的關聯進行建模，并根據系統的具體形式選用無向賦權網絡或者有向賦權網絡進行基礎設施系統的建模。

城市應急救援系統，包含消防系統、救護車系統、醫療系統、居住系統/災民疏散安置系統、交通系統、供水系統、供電系統，對于這些系統的功能水平評判指標如表2所示。

根據此表2中的指標可評判地震下的各系統功能變化情況，并據2.3節綜合得到傷員救治效率。

表2 應急救援基礎設施系統的功能水平指標

2.3 地震傷員的應急救援流程

在模擬城市各系統遭受的地震災損、估計城市居民的傷亡情況后，需要模擬應急救援系統在災損情況下對地震產生傷員的救援過程。根據資料[6]，具體流程如圖3所示。

在地震發生后，破壞程度較重的建筑中將產生各種受傷程度的傷員，由消防隊伍、救護車、醫院分別進行傷員的搜救、運輸、治療，其中輕度傷員搜救完成后即可進行傷勢的恢復，而中度傷員、重度傷員必須經過救護車運輸后到醫院進行治療，考慮此過程中死亡的傷員，最終可得到傷員的救治效率。

3 結論

a.該文提出的城市應急救援系統抗震韌性分析框架可對城市應急救援系統受到地震損害后的韌性進行準確地量化評估。

b.城市在面臨各種危機的時候往往會暴露不少平時掩蓋的問題，應對和處理手段也需要不斷改進，城市從量的堆積轉向質的轉變的過程中，城市韌性作為一個新的概念，會發揮出越來越重要的作用。