暴雨災(zāi)害下城市基礎(chǔ)設(shè)施的事故演化風(fēng)險分析*

陳長坤，孫鳳琳，趙冬月

(中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所, 湖南 長沙 410075 )

全球變暖導(dǎo)致極端降雨情況增多，此外城市熱島效應(yīng)加劇，進(jìn)一步增大了城市暴雨的強(qiáng)度和降雨量極值。暴雨往往具有突發(fā)性和連續(xù)性，而近年來城市區(qū)域極端降水事件頻發(fā)，暴雨演化誘發(fā)后續(xù)的一系列事故對城市基建設(shè)施的維護(hù)和應(yīng)急管理提出了新的挑戰(zhàn)。城市傳統(tǒng)基建覆蓋范圍廣，普及程度大，但是缺乏先進(jìn)的技術(shù)手段對災(zāi)害事故進(jìn)行預(yù)防和應(yīng)急；新基建依托于新興的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對于事故的安全管理具有技術(shù)優(yōu)勢，但還處在發(fā)展階段。為有針對性地開展城市基建設(shè)施風(fēng)險管控，需要分析城市暴雨災(zāi)害演化過程中的關(guān)鍵風(fēng)險因素和發(fā)展規(guī)律，厘清城市基礎(chǔ)設(shè)施在暴雨災(zāi)害中的薄弱環(huán)節(jié)，并提出相應(yīng)整改措施。

城市基礎(chǔ)設(shè)施事故的研究對城市安全意義重大。田玉敏[1]提出了針對城市基礎(chǔ)設(shè)施事故的防控技術(shù)；黃樟興[2]討論了在數(shù)字城市管理的基礎(chǔ)上城市基建的運(yùn)營管理；周俊[3]從公共安全管理的角度分析了城市基礎(chǔ)設(shè)施的公共安全問題。暴雨作為城市常見災(zāi)害對基礎(chǔ)設(shè)施破壞影響大，而災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)是研究事故風(fēng)險的重要方法。劉云海等[4]運(yùn)用災(zāi)害鏈和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)耦合分析了燃?xì)夤芷屏言斐傻臑?zāi)害事件；羅軍華等[5]提出了針對暴雨-農(nóng)業(yè)災(zāi)害鏈進(jìn)行了靜態(tài)風(fēng)險分析；趙冬月等[6]從災(zāi)害演化的時序性考慮，建立了風(fēng)險評估模型；HOSSEINNEZHAD等[7]提出了在缺乏信息透明度情況下的災(zāi)害鏈信息融合模型；陳長坤等[8]通過災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)和風(fēng)險矩陣的有機(jī)結(jié)合，得到了更精確的風(fēng)險評估結(jié)果。

災(zāi)害復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究多與自然災(zāi)害演化過程相結(jié)合[9-10]，其作為系統(tǒng)學(xué)的研究范疇[11]，也廣泛應(yīng)用于如電力網(wǎng)絡(luò)[12]、交通網(wǎng)絡(luò)[13]等城市基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)研究中。目前對城市基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險分析和安全管理的研究還有待進(jìn)一步深入，基于此，本文將針對城市基建設(shè)施建立暴雨演化拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)分析城市新老設(shè)施中的風(fēng)險因素，同時采用節(jié)點(diǎn)重要度和演化邊脆弱性兩者結(jié)合的災(zāi)害演化鏈風(fēng)險評估方法，以期識別暴雨災(zāi)害下城市新老基建中的關(guān)鍵風(fēng)險因素和環(huán)節(jié)。

1 暴雨下城市基建設(shè)施事故災(zāi)害演化

1.1 暴雨災(zāi)害下城市基礎(chǔ)設(shè)施承災(zāi)特點(diǎn)分析

城市的擴(kuò)張和發(fā)展離不開基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，但近年城市極端降雨頻率增大，加劇了城市基礎(chǔ)設(shè)施事故的風(fēng)險。我國經(jīng)歷了快速城鎮(zhèn)化的發(fā)展時期，大部分地區(qū)傳統(tǒng)基建設(shè)施完善，但也普遍臨近或超過其使用壽命，在面對暴雨等城市災(zāi)害時極易引發(fā)嚴(yán)重的事故，例如暴雨造成的城市內(nèi)澇、道路橋梁等交通網(wǎng)絡(luò)的癱瘓、城市老舊管網(wǎng)的破裂等。老基建設(shè)施的安全管理措施大都成熟完備，但是大部分老基建在抵御風(fēng)險隱患時更多還是依靠人工的隱患排查和風(fēng)險監(jiān)管，存在效率低下的問題。故在城市災(zāi)害風(fēng)險分析時需要重點(diǎn)關(guān)注城市老基建的事故風(fēng)險因素及其風(fēng)險管理。現(xiàn)階段更多的基建設(shè)施的建設(shè)方向轉(zhuǎn)向高質(zhì)量、更精細(xì)化建設(shè)，大數(shù)據(jù)平臺下城市的通信、智慧交通、智慧電網(wǎng)等都成為未來城市級基建設(shè)施的趨勢。在應(yīng)對城市暴雨等災(zāi)害事故時，新基建可以更好的通過網(wǎng)絡(luò)互連和大數(shù)據(jù)采集對風(fēng)險信息進(jìn)行采集判斷和應(yīng)急管控。但目前新基建遠(yuǎn)小于老基建的體量，且新基建存在網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全等新的安全問題，對應(yīng)的安全管理方法發(fā)展相對滯后。通過分析完善城市基礎(chǔ)設(shè)施在災(zāi)害演化中的脆弱環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用新基建的技術(shù)對高風(fēng)險的老基建進(jìn)行智能化改造及管理，實(shí)現(xiàn)新老基建的融合[14]，是當(dāng)下城市基礎(chǔ)設(shè)施安全管理和風(fēng)險控制的關(guān)鍵(圖1)。

1.2 暴雨災(zāi)害下城市基礎(chǔ)設(shè)施事故演化網(wǎng)絡(luò)

在城市發(fā)展過程中，植被覆蓋的區(qū)域會不可避免地被房屋及不透水的路面等基建設(shè)施取代，這會導(dǎo)致暴雨成流后在路面迅速行洪并于低地勢的洼地處聚集，如果城市設(shè)施防洪標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)，排水系統(tǒng)排水能力不足就會導(dǎo)致城市內(nèi)澇，從而破壞城市交通網(wǎng)絡(luò)、城市排水系統(tǒng)、地下空間、建筑房屋等基建設(shè)施。基于此，參考暴雨對城市基礎(chǔ)設(shè)施造成的主要和常見破壞，確定了33個城市暴雨災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(表1)，同時結(jié)合城市暴雨對基建設(shè)施影響以及事故演化機(jī)理[15]，進(jìn)一步得到了城市暴雨演化拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由33個節(jié)點(diǎn)，59條邊組成(表2)，具體如圖2所示。

圖1 城市基礎(chǔ)設(shè)施承災(zāi)特點(diǎn)分析

表1 暴雨災(zāi)害下城市基礎(chǔ)設(shè)施事故演化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

表2 暴雨災(zāi)害下城市基礎(chǔ)設(shè)施事故演化網(wǎng)絡(luò)連接邊

圖2 暴雨下城市基礎(chǔ)設(shè)施事故演化網(wǎng)絡(luò)

2 城市基建設(shè)施事故演化網(wǎng)絡(luò)分析

2.1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)重要度

郭程遠(yuǎn)等[16]對演化網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)參數(shù)給出定義和計算方法(表3)如下。

度中心性DCi表示為該節(jié)點(diǎn)的實(shí)際關(guān)聯(lián)數(shù)和可能最大關(guān)聯(lián)數(shù)之比，可以直觀量化各城市基礎(chǔ)設(shè)施事故在網(wǎng)絡(luò)中重要性和影響力的。DCi越大，該城市基礎(chǔ)設(shè)施事故在網(wǎng)絡(luò)中重要性和影響力越大。

節(jié)點(diǎn)介數(shù)中心性BCi指經(jīng)過點(diǎn)vi的最短路徑數(shù)目在所有最短路徑數(shù)目的占比，反映了各城市基礎(chǔ)設(shè)施事故作為中間連接點(diǎn)的影響大小。BCi越大，各城市基礎(chǔ)設(shè)施事故對網(wǎng)絡(luò)中其他事故節(jié)點(diǎn)的控制能力越大。

聚類系數(shù)Ci是指節(jié)點(diǎn)vi與相鄰節(jié)點(diǎn)的實(shí)際關(guān)聯(lián)數(shù)和它們之間最大可能關(guān)聯(lián)數(shù)之比，表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間連接緊密程度，聚類系數(shù)越大表示各城市基礎(chǔ)設(shè)施事故之間的聯(lián)系越緊密。

緊密中心性CCi是對節(jié)點(diǎn)vi到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)難易程度的度量。節(jié)點(diǎn)的緊密中心性越大代表某城市基礎(chǔ)設(shè)施事故更接近網(wǎng)絡(luò)中的其他各城市基礎(chǔ)設(shè)施事故節(jié)點(diǎn)，對其余的節(jié)點(diǎn)依賴程度越小，該城市基礎(chǔ)設(shè)施事故的發(fā)生越不受網(wǎng)絡(luò)中其他事故節(jié)點(diǎn)控制。

2.2 連接邊脆弱性

牟能冶等[17]對演化網(wǎng)絡(luò)中連接邊脆弱性給出定義和計算方法(表4)如下。

網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度L反映了網(wǎng)絡(luò)中災(zāi)害的演化速度情況。通過對比移除部分網(wǎng)絡(luò)中的邊后，L的變化情況來分析不同連接邊在災(zāi)害演化傳播中的影響。如若移除某條連接邊后，L越大，證明該連接邊的存在造成的城市基礎(chǔ)設(shè)施事故的危害性越大。

網(wǎng)絡(luò)連接邊r的邊介數(shù)是指通過該連接邊的最短路徑的數(shù)目，可以反映網(wǎng)絡(luò)中連接邊的影響范圍。

表3 暴雨災(zāi)害下城市基礎(chǔ)設(shè)施事故節(jié)點(diǎn)重要度計算

表4 暴雨災(zāi)害下城市基礎(chǔ)設(shè)施事故演化連接邊脆弱性參數(shù)計算

表5 暴雨災(zāi)害下城市基礎(chǔ)設(shè)施事故節(jié)點(diǎn)重要度

網(wǎng)絡(luò)的連通度H是指網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)能聯(lián)通的節(jié)點(diǎn)數(shù)在網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的占比，反映了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定程度，H越大，說明該網(wǎng)絡(luò)更難被破壞。若移除某條連接邊后，H越小，證明該連接邊的存在造成的城市基礎(chǔ)設(shè)施事故在演化過程中危害性越大。

連接邊的脆弱性可以反映其對于網(wǎng)絡(luò)的影響和重要程度。選取網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度、邊介數(shù)和連通度三個指標(biāo)來評價網(wǎng)絡(luò)中邊的脆弱性，其中平均路徑長度和邊介數(shù)與邊的脆弱性正相關(guān)，連通度與邊的脆弱性為負(fù)相關(guān)，由此得到以下連接邊r的脆弱性Vr表征。

3 暴雨災(zāi)害下城市基建設(shè)施風(fēng)險分析

3.1 城市基建設(shè)施事故災(zāi)害演化節(jié)點(diǎn)分析

這里選取節(jié)點(diǎn)度中心性、點(diǎn)介數(shù)中心性、節(jié)點(diǎn)聚類系數(shù)以及節(jié)點(diǎn)緊密中心性四個特征參數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)重要度衡量指標(biāo)(圖3)。通過灰色關(guān)聯(lián)度分析法得到最終各節(jié)點(diǎn)重要度如表5所示。

城市內(nèi)澇、交通癱瘓、人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失四個節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度中心性最大，為0.187 5，說明此四個節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中自身連接性強(qiáng)。其中城市內(nèi)澇的入度為2，出度為4；交通癱瘓的入度為4，出度為2；人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的入度為6，出度為0。城市內(nèi)澇的出度最大，人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失作為網(wǎng)絡(luò)的末端節(jié)點(diǎn)入度最大。在城市暴雨災(zāi)害演化中，城市內(nèi)澇作為度中心性最大的中間節(jié)點(diǎn)，其入度相對出度小，更適合從預(yù)防角度進(jìn)行風(fēng)險控制。

交通癱瘓節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)介數(shù)中心性最大(0.458 330)，說明該節(jié)點(diǎn)作為中介對其他節(jié)點(diǎn)的控制強(qiáng)。有效預(yù)防交通癱瘓的發(fā)生，可以很大程度上切斷災(zāi)害鏈的演化破壞范圍，減少災(zāi)害損失。在城市暴雨災(zāi)害中，交通中斷可能是直接由于極端天氣導(dǎo)致，也可能是由暴雨對交通基建設(shè)施的破壞間接導(dǎo)致。

城市內(nèi)澇和工廠停工兩個節(jié)點(diǎn)的緊密中心性最大(0.438 356)，說明兩個節(jié)點(diǎn)到達(dá)其余節(jié)點(diǎn)最短距離都較小，處于幾何意義上的中心位置，越不依賴其他點(diǎn)進(jìn)行傳播擴(kuò)散。工廠停工又是作為城市內(nèi)澇的下游相鄰節(jié)點(diǎn)，因此，城市內(nèi)澇節(jié)點(diǎn)作為演化的中心，是防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵。

淹沒橋梁、淹沒道路、交通事故、水利設(shè)施損壞、農(nóng)田受災(zāi)和囤貨搶購節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)最大(0.166 667)，說明這六個節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)之間的連接程度較大，更容易互相影響演化。但整體上網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)較小，證明網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的集團(tuán)化程度低，災(zāi)害演化各節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系較為簡單，有效控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和連接邊就可以避免或減少后續(xù)災(zāi)害和損失的發(fā)生。

將各節(jié)點(diǎn)4項參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析后，得到節(jié)點(diǎn)的重要度。結(jié)果表明，城市內(nèi)澇節(jié)點(diǎn)(0.807 385)的節(jié)點(diǎn)重要度最大，緊接著是交通癱瘓節(jié)點(diǎn)(0.801 227)。因此城市內(nèi)澇和交通癱瘓作為演化網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，是城市暴雨災(zāi)害風(fēng)險防控的重要節(jié)點(diǎn)。

圖3 城市基建設(shè)施事故演化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和連接邊各參數(shù)

表6 暴雨災(zāi)害下城市基礎(chǔ)設(shè)施事故演化連接邊脆弱性

城市內(nèi)澇涉及到城市基礎(chǔ)建設(shè)中排水系統(tǒng)的風(fēng)險，對于老舊的排水管網(wǎng)，極端降雨加大了管網(wǎng)的工作負(fù)荷，容易出現(xiàn)破裂、泄漏甚至是爆炸等事故，因此在城市暴雨風(fēng)險中需要中重點(diǎn)關(guān)注。為避免暴雨導(dǎo)致的路面破壞，橋梁坍塌等基建設(shè)施事故，對城市路網(wǎng)的風(fēng)險監(jiān)管和智慧物聯(lián)是關(guān)鍵。

3.2 城市基建設(shè)施事故災(zāi)害演化連接邊分析

各邊脆弱性計算見圖3。對59條邊的脆弱性進(jìn)行歸一化得到以下各邊脆弱性取值(表6)。

從表6中可以看出，連接邊r30(交通癱瘓→救援困難)的脆弱性最大，連接邊r12(滑坡→道路工程破壞)、r13(泥石流→道路工程破壞)、r22(城市內(nèi)澇→工廠停工)和r27(交通事故→交通癱瘓)的脆弱性也較高。其中連接邊r12、r13、r27和r30又可以組成一個集中演化的小型災(zāi)害鏈(圖4)，因此這個小的災(zāi)害鏈就是城市基建設(shè)施事故演化網(wǎng)絡(luò)中的脆弱環(huán)節(jié)。

圖4 城市基建設(shè)施事故災(zāi)害演化脆弱環(huán)節(jié)

針對傳統(tǒng)的道路網(wǎng)設(shè)施，為阻止泥石流和滑坡對其破壞，可以在高風(fēng)險路段設(shè)置護(hù)坡圍欄等穩(wěn)住滑坡和泥石流產(chǎn)生的滑塌物體，并在滑坡泥石流發(fā)生的中游及上游設(shè)施阻擋壩攔截。為防止道路工程破壞和交通事故造成的交通癱瘓，在流通路段采用合格合理的排渠槽道，保證道路上的流體及時排走以免造成堵塞。基于新基建中的信息互聯(lián)，可以及時采集事故路段的信息，便于應(yīng)急搶修，且及時向出行人員和群眾通知事故路段的消息，及時避免其他車輛再次進(jìn)入該路段，同時對需要通過破壞路段的車輛進(jìn)行疏導(dǎo)。

4 結(jié)論

本文對城市暴雨災(zāi)害中基建設(shè)施事故演化網(wǎng)絡(luò)展開風(fēng)險評估，通過分析暴雨情境下城市基建設(shè)施事故的主要風(fēng)險節(jié)點(diǎn)和環(huán)節(jié)，辨識出了暴雨中城市新老設(shè)施存在的風(fēng)險隱患，主要得出如下結(jié)論。

(1)在城市基建設(shè)施災(zāi)害風(fēng)險管理中，應(yīng)當(dāng)充分考慮新老基建的融合發(fā)展，融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)險識別和管理，利用新基建的技術(shù)對老基建進(jìn)行技術(shù)升級和智能化改造，降低暴雨災(zāi)害對基建設(shè)施的危害。

(2)構(gòu)建了包含33個節(jié)點(diǎn)和59條連接邊的暴雨災(zāi)害下城市基建設(shè)施事故演化網(wǎng)絡(luò)，并從重要度和連接邊脆弱性兩個角度對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險分析。通過節(jié)點(diǎn)度中心性、介數(shù)中心性、緊密中心性和聚類系數(shù)表征節(jié)點(diǎn)重要度，通過平均路徑，邊介數(shù)和連通度表征連接邊的脆弱性。

(3)“城市內(nèi)澇”為暴雨災(zāi)害下城市基建設(shè)施事故演化網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，連接邊“交通癱瘓→救援困難”的脆弱性最大。應(yīng)當(dāng)將老舊管網(wǎng)的風(fēng)險監(jiān)控和改造作為老基建管理的重點(diǎn)；同時，城市交通路網(wǎng)的信息采集和交通智能化對于預(yù)防和避免城市暴雨造成的事故和損失起到關(guān)鍵作用。