殷杰
, 许世远, 经雅梦
YIN Jie, XU Shiyuan, JING Yameng
通讯作者:
收稿日期: 2017-06-26
修回日期: 2018-06-24
网络出版日期: 2018-09-25
版权声明: 2018 《地理学报》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：殷杰(1983-), 男, 江苏泰州人, 博士, 研究员, 博士生导师, 中国地理学会会员(S110006221M), 主要从事城市自然地理与灾害风险管理研究。E-mail: jyin@geo.ecnu.edu.cn
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摘要
在气候变化和城市化背景下,日益频发的洪涝灾害业已成为当前中国城市面临的重大挑战,也是城市灾害管理和应急响应研究的热点问题之一。本文旨在构建一套适用于城市尺度的洪涝灾害应急响应能力评估范式,以上海市外环以内中心城区为研究区,采用洪涝数值模拟与GIS网络分析相结合的研究方法,评估了当前以及未来正常条件和不同重现期洪涝情景下,城市关键公共服务部门（120急救）应急响应的空间可达性。结果显示：洪涝淹没强度（范围和水深）、道路交通状况（车流速度）以及应急服务机构的数量和位置共同决定了城市洪涝灾害医疗急救的服务范围及响应时间;由于上海市中心城区洪涝影响范围主要分布在黄浦江两岸2~3 km以内区域,因此洪涝对整个中心城区应急医疗服务的影响有限,主要是位于滨江地区部分医院的应急响应范围较正常状态下明显减少,120急救车辆无法或延迟达到部分救援点。研究表明基于洪涝情景模拟的城市公共服务应急响应空间可达性定量化评估方法,具有重要的科学价值和实践意义,可为中国城市洪涝灾害应急管理提供决策依据。
关键词：
Abstract
In the context of climate change and urbanization, increase of flood disasters has been a great challenge for Chinese cities and one of the hotspots in natural hazards research. This paper aims to develop a commonly used paradigm for urban flood emergency assessment at city scale. The city center (within outer ring) of Shanghai, China was selected as the study area because it exhibits enhanced consequences of flooding. A simplified hydrodynamic model (FloodMap) that tightly couples a 1D river flow model with a 2D floodplain flow model in urban environment, was used to predict 100-year and 1000-year flood inundation in the current state, the 2030s and the 2050s with relative sea level rise taken into account. Moreover, GIS-based network analysis (service area and closest facility) was employed to evaluate the transportation conditions and emergency responses accessibility of critical public service sectors (Medical Treatment) under normal conditions and multiple flood scenarios. The results show that the performance of the emergency medical services was largely dependent on flood magnitude (extent and depth), traffic conditions (travel speed) and emergency station positioning. In normal conditions, when no flood restrictions are in place, emergency medical services would be able to reach most parts of the study area within 15 minutes even under significant traffic congestion. As inundation would mainly occur within 2-3 km of Huangpu river banks, flood has a limited influence on emergency medical treatment for the entire region of central Shanghai. Even during 1000-year flood scenario in the 2050s, over half (51%) of the area is predicted to be accessible within 15 minutes. Floodwater may directly compromise a number of hospitals, leading to travel delays and obvious disruption of emergency services in riparian areas. This study suggests that the framework developed for coupling flood modeling with urban emergency response assessment, is proved to be effective and practical, and will provide a support to the decision making of urban flood emergency management.
Keywords：
随着全球气候变暖和快速城市化影响,各种自然和人为致灾隐患不断增多,城市极端洪涝灾害事件日益频发[1,2]。除了造成极为严重的人员伤亡和直接经济损失,大面积的洪涝积水还会导致城市公共服务（交通）和应急响应（救援）的中断,进一步加剧洪涝灾害的间接损失和影响[3,4]。例如,2012年“桑迪”飓风导致美国纽约市沿海区域路网大范围被淹,消防救援车辆无法到达失火地点,122栋房屋被烧毁;2017年“厄玛”飓风袭击佛罗里达,洪水导致大面积救援中断和停电停水,造成当地一个养老院8人丧生。日趋严重的城市洪涝灾害影响已经引起各国政府和学术界的高度重视。英国在2004年通过的“市政突发事件法案”中建议各地制订多部门（如警察、消防、医疗、交通等）共同参与的洪涝应急规划预案。中国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》“公共安全”重点领域中,要求“重点研究开发地震、台风、暴雨、洪水、地质灾害等监测、预警和应急处置关键技术”。因此,城市洪涝灾害应急管理业已成为当前重要的科学前沿问题和重大国家需求之一。
近十余年来,城市洪涝灾害的应急管理一直是灾害研究领域的热点。欧盟第六框架下启动的“CRUE ERA-Net”计划中,重点研发了一套基于22个指标的FIRM FRAME洪涝应急响应规划评估方法,并通过英国、法国与荷兰等国多个城市地区洪涝灾害案例的比较研究来系统总结洪涝应急响应规划与管理范式[5]。英国也在逐步建立并完善覆盖全国的洪涝应急管理机制,在系统地完成了全国性的高精度洪涝灾害风险图编制的基础上,英国政府要求各地警察、消防、医疗急救等应急响应部门实现8~10 min内到达75%以上的一类突发事件现场,并已在莱斯特、约克等城市开展了不同强度洪涝情景下城市应急公共服务空间可达性研究[6,7,8]。近年来,中国学者也开展了典型城市洪涝灾害对城市路网交通的影响分析,但是将洪涝情景模拟和城市交通网络分析相结合,评估关键公共服务灾害应急响应能力的研究案例还不多见[9]。
国际减灾的经验表明,在预防、应对和救灾工作中,灾害应对是关键,成功的洪涝应急响应要求城市应急管理部门提供高效地、不中断的应急公共服务（如中国的110、119、120等）,而这又在很大程度上取决于城市关键基础设施（如道路交通）的正常运转。通过城市洪涝情景模拟和地理网络空间分析,厘清影响城市洪涝灾害应急公共服务的关键因素,准确评估城市洪涝灾害应急响应能力。在此基础上,提出更为全面和针对性的优化对策与措施,可以切实有效地提高城市洪涝灾害应急服务能力,最大程度地降低灾害损失和影响。因此,本文通过聚焦典型城市实证区（上海市外环以内中心城区）,开展洪涝灾害情景下的城市120医疗急救服务空间可达性评估,可以丰富、充实和发展城市洪涝灾害应急管理理论和方法体系,研究成果可为中国城市防洪减灾和可持续发展提供决策依据,具有重要的科学价值和实践意义。
上海市外环以内中心城区地处黄浦江中下游,总面积约666 km2,是上海政治、经济和文化中心区,也是典型的洪涝灾害多发区域（图1）。上海市每年不同程度的遭受台风、暴雨的侵袭,汛期天文大潮、台风增水、区间暴雨和太湖上游洪水等致灾因子“多碰头”现象时有发生[10]。此外,区域内地势低平,平均海拔仅为3~4 m左右（吴淞高程）,部分区域地表高程甚至低于多年平均高潮位,失去自排条件。由于长期的高强度人类活动,相伴而生的人为致灾隐患不断增多,中心城区内自然河道显著减少、不透水地表快速增加、地面严重沉降（最大超过3 m）,对洪涝灾害的“放大效应”极为显著[11,12]。
历史上,上海市中心城区洪涝灾害频发,据不完全统计,自公元251年至2000年,发生超过500次洪涝灾害[13]。例如,1962年第7号台风造成市区防汛墙46处决口,不少岸段出现漫溢,约半个上海市区被淹,最深处达2 m,死亡17人。1997年第11号台风,适逢天文大潮,黄浦江沿岸吴淞和黄浦公园站潮位达到历史最高,造成黄浦江沿岸数十公里漫溢,多处防汛墙溃决,导致6.35亿元经济损失,15.34万人受灾。为防御洪涝灾害,自20世纪50年代以来,上海市修建并多次改造和扩建了黄浦江沿岸防汛墙系统,其中市区段可抵御1000年一遇洪水（1984年设计标准）。然而,随着海平面上升和地面沉降的影响,目前防汛墙的实际设防能力已经大为降低[14,15]。
本文所涉及的数据主要包括水文边界条件、地形高程数据（DEM）、交通路网数据和公共服务设施数据等。洪涝边界条件基于前期研究中获取的黄浦江沿岸典型验潮站（吴淞、黄浦公园、米市渡）2010年100年一遇和1000年一遇水文频率分析结果,以及2030年、2050年海平面上升预测值分别为17 cm和39 cm[15,16,17]。地形高程数据包括河道地形和陆地地形高程数据,河道地形数据采用黄浦江1 m等深线生成,陆地地形采用上海市0.5 m等高线数据构建研究区50 m分辨率DEM。再将黄浦江防汛墙高程（矢量转栅格后）,利用ArcGIS的Mosaic工具,叠加到生成的陆地DEM上。交通路网数据和公共服务设施数据均来自2013年上海市交通导航GIS数据集,其中外环以内中心城区包括共计约102000个路段、近9000 km长,含道路名称、类型、功能、方向、长度等基本属性信息,参考《中华人民共和国公路工程技术标准（JTG B01-2003）》,将道路限速分别设置为：高速公路120 km/h、快速路80 km/h、主干道60 km/h、次干道50 km/h、支路30 km/h;城市主要公共服务设施包括应急响应机构和公共服务部门,本文选择120急救和脆弱性较高的老年（或儿童）福利机构作为城市洪涝应急服务的主要研究对象,研究区内共有146所具备急救能力的二级以上公立医疗机构和307家各类养（敬）老院、儿童福利院等的位置信息（图1）。
2.3.1 洪涝数值模拟 黄浦江洪涝数值模拟采用一维和二维耦合水动力数值模型FloodMap,该模型具有与LisFlood-FP和JFLOW相似的模型结构与控制方程,是当前国际主流的洪涝数值模拟技术[18,19]。FloodMap模型采用圣维南方程组描述一维河流浅水波非恒定流,求解方法为Preissmann算法,其质量与动能方程如下：
式中：h是水深;u是流速;x是空间步长;t是时间步长;g是重力加速度;S0是河床坡度;Sf是能量梯度线的坡度。
二维水动力模型采用基于栅格的扩散波模型,通过曼宁方程的离散化,并忽略水流的惯性和平流作用。虽然简化了水动力条件,但具有操作简便、计算效率高、模拟精度高等优势。具体模型推导过程已在前期研究中列出,本文只给出该模型在规则网格上的基本控制方程如下：
式中：Q为流量;w为栅格分辨率;d为水流深度;S为能量坡度;n为曼宁系数。模型参数采用前期研究率定的经验系数：河床糙率0.03~0.05、陆地糙率0.06、时间步长为10 s,一维模型的计算结果（河道过程水位）作为二维模拟的边界条件,模拟时间设置为最高潮位出现前后12个小时,共模拟21世纪10年代、21世纪30年代和21世纪50年代3个时间的100年一遇和1000年一遇洪涝情景。
2.3.2 应急响应分析 在突发灾害和人员急救时,往往需要医院120急救车辆在最短时间内（城市中心区一般要求5~15 min以内）到达出事地点处理和救援。然而,洪涝情景下,当道路积水达到25~35 cm时（车辆排气口高度,部分城市积水封路的标准）,车辆无法安全通过,部分路网禁止通行,导致救援车辆无法到达或需绕道延误救治时间（国际标准是8~10 min以内为最佳救援时间）[7,8]。评估城市公共服务（如120急救）灾害应急响应能力的关键指标主要是基于路网分析的空间可达性及其服务范围[20]。因此,本文采用基于GIS网络分析的最快路径算法（两点之间时间最短）,不考虑城市部分道路交通规则（如红绿灯、转向灯）的约束,将可通行道路的积水深度上限设置为30 cm,以上述各个医院位置作为起始点,分别计算正常情况和洪涝淹没情景下5 min、10 min和15 min内120急救所覆盖的空间范围,以及从各医院到各福利机构的最快路径。
参考《城市道路交通规划设计规范（GB50220-95）》,考虑到城市车辆行驶速度在上下班高峰、夜间、平时和周末等时间变化较大,参考了高德地图中上海城市实时交通分析报告（报告基于高德的海量交通出行数据,通过大数据挖掘计算得到,http://report.amap.com/detail.do?city=31000）,分别将行车速度设置为道路设计限速S1（高速公路120 km/h、快速路80 km/h、主干道60 km/h、次干道50 km/h、支路30 km/h）、S2（1/2 S1,高速公路60 km/h、快速路40 km/h、主干道30 km/h、次干道25 km/h、支路15 km/h）及S3（1/4 S1,高速公路30 km/h、快速路20 km/h、主干道15 km/h、次干道12.5 km/h、支路7.5 km/h）,以覆盖可能的城市交通状况,从而评估城市120急救的应急响应能力。需要说明的是,上述基于急救车辆3种固定速度值下的情景模拟,与城市交通动态变化过程模拟相比,在方法手段上还存在一定的局限性。此外,由于水淹导致的车速变化、实时交通流在路网分配的变化等也存在不确定性。
上海市中心城区洪涝情景最大淹没范围和淹没深度模拟结果如图2所示,主要表现出以下特征：① 由于地形和防汛墙高程自北（黄浦江下游河口）向南（中下游）逐渐降低,因此洪涝淹没范围和淹没深度呈现自北向南逐渐增大的趋势;② 由于防汛墙的作用,黄浦江漫溢洪水淹没范围主要分布在沿河道两岸2~3 km以内区域,离河道越远淹没深度越小;③ 随着海平面上升,未来2030年和2050年洪涝淹没范围和淹没深度显著增大。100年一遇洪水淹没区逐渐扩大至整个中心城区沿江两岸但淹没深度较浅（不超过30 cm）,受影响路段相对较少,主要分布在黄浦区、徐汇区和浦东新区沿江区域。1000年一遇洪涝情景淹没区内大部分路段积水超过30 cm,部分重点区域（如陆家嘴金融区和南京东路CBD）积水甚至超过1 m,不仅直接威胁淹没区内的公共服务设施,还可能会严重影响沿江地区路网的正常通行（尤其是过江通道）,从而造成黄浦江两岸区域应急救援服务的中断或延误。
图2 上海市中心城区洪涝情景最大淹没模拟结果
Fig. 2 Maximum inundation extents and depths for flood scenarios in the city center of Shanghai
3.2.1 应急服务区分析 在正常条件下,城市道路网络交通不受积水阻断影响,上海市中心城区医疗救援120应急响应空间可达性服务范围如图3和表1所示,由于外环周边区域医院分布较少,医疗应急服务能力总体呈由中心向周边递减的趋势。在交通最高限速（道路完全畅通）情景S1下,公共医疗急救服务可以覆盖全部中心城区,其中120急救车辆可以在5 min以内到达72%的区域,内环线以内的黄浦、静安、虹口等中心区医疗机构分布密集,各医院应急公共服务范围高度重叠,具有极高的应急响应能力。在日常交通（道路部分拥堵）情景S2下,98%以上的区域可以在15 min内得到120急救服务,5 min以内快速应急响应服务所覆盖的区域面积比例减少到39%。在早晚交通高峰（道路非常拥堵）情景S3下,医疗应急响应车辆无法在15 min之内到达40%以上的区域,宝山、闵行和浦东新区位于外环周边的地区,由于医院分布较少且路网相对稀疏,大部分新城市化区域无法及时获得医疗公共应急服务。
表1 正常条件和洪涝情景下城市120医疗应急服务范围
Tab. 1 Emergency ambulance service areas under normal and flood scenarios
| 洪涝情景 | 5 min应急服务区(km2) | 10 min应急服务区(km2) | 15 min应急服务区(km2) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 车速S1 | 车速S2 | 车速S3 | 车速S1 | 车速S2 | 车速S3 | 车速S1 | 车速S2 | 车速S3 | |||
| 正常状态 (无积水) | 480 (72%) | 261 (39%) | 83 (12%) | 653 (98%) | 480 (72%) | 262 (39%) | 666 (100%) | 610 (92%) | 390 (59%) | ||
| 2010年 100年一遇 | 467 (70%) | 257 (39%) | 82 (12%) | 634 (95%) | 468 (70%) | 258 (39%) | 653 (98%) | 593 (89%) | 382 (57%) | ||
| 2010年 1000年一遇 | 438 (66%) | 235 (35%) | 72 (11%) | 593 (89%) | 439 (66%) | 235 (35%) | 605 (91%) | 556 (83%) | 358 (54%) | ||
| 2030年 100年一遇 | 461 (69%) | 254 (38%) | 80 (12%) | 628 (94%) | 462 (69%) | 254 (38%) | 647 (97%) | 586 (88%) | 377 (57%) | ||
| 2030年 1000年一遇 | 427 (64%) | 226 (34%) | 70 (11%) | 572 (86%) | 427 (64%) | 226 (34%) | 582 (87%) | 536 (80%) | 347 (52%) | ||
| 2050年 100年一遇 | 451 (68%) | 246 (37%) | 77 (12%) | 616 (92%) | 452 (68%) | 246 (37%) | 635 (95%) | 575 (86%) | 369 (55%) | ||
| 2050年 1000年一遇 | 417 (63%) | 221 (33%) | 69 (10%) | 561 (84%) | 418 (63%) | 222 (33%) | 569 (85%) | 525 (79%) | 339 (51%) | ||
图3 正常条件下城市120医疗应急响应空间可达性与服务范围
Fig. 3 Accessibility for emergency ambulance service under normal conditions
100年一遇洪涝情景下,当道路积水超过30 cm时,外滩以南黄浦、徐汇和浦东新区沿江两岸区域部分路网无法通行,个别医院由于地处淹没区范围内,其应急服务功能几乎丧失（图4,表1）。在当前状况（2010年）下,因洪涝导致的医疗应急服务范围相对于正常条件下减少的面积不到20 km2,仅占中心城区总面积的约3%（表1）,影响相对较小。到2030年和2050年,100年一遇洪涝淹没范围逐渐增大,分别有2个和6个医院失去应急服务功能;在理想交通状态（道路完全畅通）S1下,约3%~5%的区域无法在15 min之内获得医疗急救服务,5 min之内的快速应急响应能力所覆盖的区域面积相对于正常无洪涝条件下分别减少约20 km2（约3%）到30 km2（约5%）;而在交通极为拥堵的状态S3下,120急救服务受影响范围相对正常条件减少约2%到3%的面积,可以覆盖约55%~57%的中心城区。
图4 100年一遇洪涝情景下城市120医疗应急响应空间可达性与服务范围
Fig. 4 Accessibility for emergency ambulance service under 1 in 100-year flood scenarios
1000年一遇洪涝情景下,整个中心城区黄浦江近岸路网均不同程度受到积水漫溢影响而出现交通中断,位于淹没区内的医院数量也较100年一遇情景显著增多,严重影响黄浦江两岸地区城市应急医疗服务功能（图5和表1）。在当前状况（2010年）下,有14所医疗机构因受淹而失去应急响应能力,最多有超过30（S3）到60（S1）km2,约占中心城区面积5%~9%的区域无法在15 min之内获得应急公共医疗服务。到2030年和2050年,分别有20家和23家医院因周边路网被淹无法通行而失去应急服务能力;在道路完全畅通S1条件下,医院120急救车辆5 min以内的快速响应能力所覆盖的范围分别占中心城区总面积的63%~64%,约13%~15%的区域无法在15 min之内获得医疗应急公共服务;而在交通非常拥堵的状态S3下,仅一半的中心城区可以得到医疗急救服务。此外,虽然洪涝影响区域占中心城区总面积比例不高,但是主要集中在黄浦江两岸重要的中央商务区、政务区以及高档住宅区等,是城市应急公共服务的重点区域,因此洪涝灾害对城市公共医疗急救总体水平的影响依然非常显著。
图5 1000年一遇洪涝情景下城市120医疗应急响应空间可达性与服务范围
Fig. 5 Accessibility for emergency ambulance service under 1 in 1000-year flood scenarios
3.2.2 最近设施点分析 根据历史灾情经验,城市社会福利机构的老弱病残人员往往是灾害发生时医疗急救需要重点关注的对象[21]。因此,本文分别计算了正常状态和洪涝情景下上海市中心城区医院到各社会福利机构的最快路径如图6所示。在正常状态交通畅通条件S1下,120急救车平均需要约2.38 min即可到达中心城区内所有社会公共福利机构,最慢响应时间为9.18 min。在洪涝情景下,受局部道路阻断影响,部分社会福利机构无法达到,另有一些救援点的应急响应时间出现延迟。100年一遇洪涝情景,2010年、2030年和2050年分别有6个、8个、14个福利机构无法获得应急医疗服务,到达3家、6家、14家福利院的响应时间分别平均延迟了0.7 min、0.57 min、0.89 min（S1条件下）。1000年一遇洪涝情景,受影响救援点显著增多,2010年、2030年和2050年分别有30个、39个、48个福利机构无法获得应急医疗服务,到达24家、27家、22家福利院的响应时间分别平均延迟了0.79 min、0.78 min、0.77 min（S1条件下）,其中最多延误时间超过4 min。而在S2和S3条件下,上述应急响应的延误时间将会成倍增加。
图6 正常条件和洪涝情景下城市120医疗急救到老年(儿童)福利机构的最快路径图
Fig. 6 Closest facility analysis for the ambulance service to care homes under normal conditions and flood scenarios
鉴于洪涝对城市公共服务应急响应能力影响显著,城市应急管理部门需采取有效的应对措施,保证路网的关键节点和路段的可通行性及应急公共服务的可达性。首先,可考虑在黄浦江河口地区修建移动式闸门,与沿海海塘一起形成封闭式防潮系统,以阻断风暴潮经黄浦江上溯而产生的洪水。其次,全面加高、加固现有黄浦江两岸防汛墙,维持其1000年一遇的设计防汛标准。再次,合理的规划和布局城市主要应急响应部门和公共福利机构,将部分位于严重淹没区内脆弱性较高的公共服务单位迁出。最后,城市应急响应部门应配备部分涉（防）水性能较好的特种车辆和可折叠气垫船,以保证在积水较深的区域完成紧急救援任务。此外,还可结合洪涝实时（短临）预报和实时交通信息为应急救援车辆提供路径导航选择,以安全通过（或避开）洪涝淹没区,保障城市应急公共服务的空间可达性。
本文利用洪涝数值模拟和GIS网络分析,评估了正常状态和洪涝情景下上海市中心城区关键公共服务（120急救）应急响应的空间可达性,为城市洪涝灾害应急响应能力评估提供了可供参考的典型案例与研究范式。结果显示：① 当前和未来洪涝情景下,淹没范围主要分布在沿黄浦江两岸2~3 km以内区域,且呈现自北向南逐渐增大的趋势。② 上海市中心滨江区域受洪涝影响严重,部分医院的应急响应范围较正常状态下明显减少,尤其在交通拥堵条件下,应急医疗服务区面积仅占整个中心城区的一半多。③ 在洪涝情景下,淹没区内局部道路交通因积水中断,120急救将无法到达或延迟到达部分救援点（社会福利机构）。因此,城市洪涝灾害医疗急救能力主要取决于洪涝强度（范围和水深）、交通条件以及应急服务机构的数量和位置。上述研究方法和成果也可以为其他受洪涝影响的城市地区（如北京、广州、南京）提供有益的借鉴和参考。
城市洪涝灾害应急响应与管理受到自然环境和人口社会经济等多重因素的影响,具有较高的不确定性和时空变化特征,后续的研究工作还应在以下方面进一步深化与拓展：① 气候变化对未来降雨和风暴频率、强度的影响应被纳入洪涝危险性研究工作中;② 除了洪涝淹没深度,还应考虑洪涝的持续时间和水流速度等对城市应急救援车辆通行能力的影响;③ 引入城市交通大数据（如出租车轨迹、车速数据等）,为城市路网交通（车速）提供更贴近现实的时空观测和模拟数据;④ 发展灾前预报、灾中现报、灾后后报相结合的洪涝和交通实时预警系统,实现城市应急响应精细化管理;⑤ 目前的研究主要关注洪涝对城市地表道路交通应急响应的影响,未来还可以关注城市地下（如地铁、隧道）交通应急救援的响应时间和可达性问题。
The authors have declared that no competing interests exist.
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