基于力学方法与三角模糊层次分析法的洪水避难场所识别研究

《Safety Science》：Flood shelter identification using a mechanics-based approach and triangular fuzzy analytical hierarchy process

　　

人员疏散管理关注的是在危险环境条件下，人员在建筑物间有序移动以实现安全出口的系统性组织。此过程的核心要素是识别结构与环境均安全的避难建筑，这是后续协调、路线规划和资源分配决策的基础。近年来，由于洪水灾害以其高频率、严重的环境破坏及巨大的人员和经济影响在全球范围内持续加剧，定义此类避难所的紧迫性也随之增加。在洪水频发的城市区域，疏散避难所的安全性能对于减少伤亡和增强城市韧性愈发重要。伦敦韧性团队（London Resilience Team）将疏散避难所分为临时、短期和长期三类，反映了不同的建筑坚固程度、环境暴露程度和安全保障水平。避难所的安全性不仅取决于洪水灾害的严重程度，还取决于周边环境受洪水影响的程度以及社区与基础设施应对此类影响的能力。因此，可靠的洪水避难所评估需要对危险性（Hazard）、暴露度（Exposure）和脆弱性（Vulnerability）进行综合评价，并对这三个组成部分进行科学赋权。本研究开发了一个集成的三阶段框架，用于评估和识别洪水条件下的安全疏散避难所。该框架结合了DIVAST-TVD水动力模型、基于力学的失稳方法（Mechanics-Based Method, MBM）、三角模糊数-层次分析法（Triangular Fuzzy Number-Analytic Hierarchy Process, TFN-AHP）和地理探测器模型（Geographical Detector Model, GDM）。该框架在英国庞特普里德（Pontypridd）实施，旨在评估影响潜在疏散避难所的洪水相关风险，并考察其空间分布。所提出的框架为基于证据的避难所评估和选择提供了系统基础，支持洪水易发城市环境中的安全知情规划。

论文解读文章

1. 研究背景与问题

随着全球气候变化，洪水灾害的频率和强度不断上升，对城市居民生命财产安全构成严重威胁。有效的应急疏散管理是降低洪水风险的关键环节，而其中最为核心的一步是识别出结构安全、环境适宜的避难场所。然而，现有研究在评估避难所安全性时存在明显不足：首先，许多研究未能综合考虑洪水危险性（Hazard）、环境暴露度（Exposure）和社会脆弱性（Vulnerability）这三个风险维度，导致评估结果片面；其次，传统的洪水危险性评估多依赖专家经验，缺乏客观的物理基础；最后，在多准则决策过程中，如层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP），其权重确定过程主观性较强，难以有效处理专家判断中的不确定性。因此，迫切需要建立一个更科学、客观、综合的评估框架，以支持洪水易发地区避难所的科学选址与规划。

2. 研究内容与结论

为解决上述问题，研究人员开发了一个集成三阶段框架，用于评估和识别洪水条件下的安全疏散避难所。该框架将水动力模拟、力学稳定性分析、模糊数学决策方法和空间统计分析有机结合。研究选取英国庞特普里德（Pontypridd）作为案例研究区域，该地区曾在2020年风暴丹尼斯（Storm Dennis）期间遭受严重洪灾。研究人员从学校、社区中心等公共建筑中筛选出27座候选避难所，并对其进行了全面的洪水风险评估。

研究的主要结论包括：

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  成功构建了一个集成了水动力模型、力学方法（MBM）、三角模糊数层次分析法（TFN-AHP）和地理探测器模型（GDM）的综合评估框架，能够更可靠地评估避难所的洪水风险。
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  与传统的层次分析法（AHP）相比，三角模糊数层次分析法（TFN-AHP）通过引入模糊区间来表达专家意见，有效降低了主观性，提供了更稳健的指标权重。
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  基于力学的失稳方法（MBM）以行人安全为出发点，量化了洪水对人员的实际危害，比单纯依赖水深或流速的传统方法更具客观性和敏感性。
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  通过对27个候选避难所的风险评估，研究揭示了不同避难所在危险性、暴露度和脆弱性三个维度上的空间差异，并据此提出了相应的规划建议，为当地防灾减灾提供了科学依据。

3. 关键技术方法概述

为开展此项研究，研究人员采用了一套多学科交叉的技术方法体系：

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  水动力模拟： 应用DIVAST-TVD模型模拟研究区在极端降雨事件下的洪水演进过程，获取关键的水深和流速数据。
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  力学方法（MBM）： 采用基于行人失稳原理的力学公式，将洪水水深、流速和地面坡度等因素纳入考量，定量评估洪水对疏散人员的实际危险程度。
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  三角模糊数层次分析法（TFN-AHP）： 利用三角模糊数（TFN）改进传统层次分析法（AHP），收集并整合专家意见，为危险性、暴露度和脆弱性三大准则及其14个子准则赋予更为客观的权重。
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  地理探测器模型（GDM）： 用于分析各风险因子对避难所整体风险空间分异的解释力，揭示主导风险因素。
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  数据来源： 研究数据来自英国多个公开数据库，包括威尔士政府的激光雷达（LiDAR）地形数据、自然资源威尔士（NRW）和国家河流流量档案（NRFA）的水文数据，以及开放街道地图（OpenStreetMap）的土地利用、路网和兴趣点（POI）数据。

4. 研究结果

2.4.1 危险性（Hazard）准则

研究人员采用基于行人失稳的力学方法（MBM）来量化洪水危险性。该方法通过考虑水深（h_f）、人体高度（h_p）、体重（m_p）和流体密度（ρ_f）等参数，计算使行人失去平衡的临界流速（U_c），从而更敏感地反映洪水对人员的实际威胁。

暴露度（Exposure）与脆弱性（Vulnerability）准则

研究从避难所周边环境的物理属性和社会属性出发，选取了多项子准则。例如，暴露度考虑了距河流距离、地形高程等因素；脆弱性则涵盖了人口密度、土地利用类型、道路通达性等反映社区应对能力的指标。

风险综合评估与空间分布

通过三角模糊数层次分析法（TFN-AHP）确定的权重，将危险性、暴露度和脆弱性三个维度的评分进行加权叠加，得到每个候选避难所的综合风险值。研究发现，这些风险值在空间上呈现显著的非均匀分布，部分位于河岸低洼区域的避难所面临较高的综合风险。

避难所适宜性推荐

基于综合风险等级的空间分布图，研究人员明确了处于低风险区的避难所，并将其列为推荐的疏散安置点。同时，对高风险区的避难所提出了改进建议或建议不作为首选。最终，为庞特普里德地区的27个候选建筑提供了个性化的风险评估和规划建议。

5. 讨论与结论

讨论部分总结：

讨论部分强调了该综合框架的优势，即通过集成力学方法（MBM）和三角模糊数层次分析法（TFN-AHP），克服了传统方法在客观性和处理不确定性方面的局限。研究指出，该方法不仅适用于庞特普里德，也为其他洪水易发城市的避难所规划提供了可复制的范本。同时，研究也承认了其局限性，例如对建筑结构安全性的假设、数据分辨率的影响等，并建议未来研究可进一步细化建筑结构评估，并纳入动态的人口行为模型。

研究结论部分翻译：

本研究开发了一个创新的三阶段框架，用于评估和识别洪水条件下的安全疏散避难所。该框架通过整合DIVAST-TVD水动力模型、基于力学的失稳方法（MBM）、三角模糊数层次分析法（TFN-AHP）和地理探测器模型（GDM），实现了对洪水危险性、环境暴露度和社会脆弱性的综合量化。在英国庞特普里德的案例研究表明，该框架能够有效地评估27个候选避难所的洪水风险，并识别出最安全的选项。所提出的方法为决策者提供了一个基于科学证据的工具，有助于提升洪水易发城市的应急准备能力和韧性。