第42卷第15期 2 0 1 1年8月 人 民 长 江 Yangtze River V01.42.No.15 Aug., 2011 文章编号:1001—4179(2011)15—0013—05 上海市地下轨道交通暴雨内涝脆弱性评价 权瑞松 ,刘 敏 ,张丽佳 ’2 (1.华东师范大学地理学系,上海200062; 2.华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室,上海200062) 摘要:随着城市化的推进、人口的集聚,包括上海市在内的许多城市地下设施数量迅速增加,地下空间应对自 然灾害的安全问题已成为城市安全的重要方面。基于对脆弱性的理解,从承灾体的自然属性和社会属性两方 面出发,建立了上海市地下轨道交通暴雨内涝脆弱性评价指标体系,并对上海市各出入口的内涝脆弱性进行 了评价。研究结果发现:总体上,上海市轨道交通8号线和4号线是最需要加强安全措施的轨道交通线 路;1号线和2号线脆弱性处于中等水平;7,9号线和l1号线脆弱性最小。研究结果可为地方改善内涝 风险管理提供参考依据。 关键词:暴雨内涝;地下轨道交通;脆弱性;指标体系;上海 文献标志码:A 中图法分类号:X43 1999年,国际全球环境变化的人文因素计划 (IHDP)设立了全球环境变化与人类安全综合研究计 划(GECHS)办公室,以重视、加强自然灾害与城市脆 弱性研究¨ 。2006年8月,在瑞士召开的国际减灾 会议进一步强调了脆弱性评价在综合减灾中的地位和 作用 。随着城市化的不断推进,包括上海在内的许 多大都市,地下建筑物蓬勃发展。同时各种“城市病” 逐渐增多。其中,地下空间安全设防问题已成为事关 城市居民正常生产生活、公共安全与可持续发展的重 要方面。 造成的海平面上升、人为的填没河道和较大的人为地 面沉降的叠加影响,中心城区泵站排水受潮位的顶托 影响将更加显著,内涝情况将更加严重,地下轨道交通 受到内涝灾害的潜在威胁将更加突出 。 地下轨道交通作为典型的城市基础设施之一,国 内外对其暴雨内涝灾害脆弱性的研究较少。本文选取 上海市部分地下轨道交通为研究对象,尝试建立在暴 雨内涝灾害情况下,地下轨道交通脆弱性评价指标体 系,并分析评价地下轨道交通脆弱性,为上海市地下轨 道交通等城市重要基础设施暴雨内涝防灾减灾及风险 管理提供参考依据。 暴雨内涝灾害不仅严重影响城市居民日常生活, 还严重危及到地铁等典型地下空间的正常运营,给城 市公共安全带来重大影响。1999—2001年,日本东京 和福冈地区的特大暴雨致使地铁线路等地下空间被淹 事件17次,并造成一定的人员伤亡 ;2005年8月, “麦莎”台风带来的特大暴雨使上海地铁1号线常熟 1研究区和数据来源 上海市轨道交通经过近20 a的建设,截止2010 年6月30日,轨道交通线网开通运营11条线、267座 车站,运营里程达410 km(不含磁浮示范线)。上海市 轨道交通覆盖中心城区(徐汇、长宁、静安、黄浦、闸 北、普陀、卢湾、虹口和杨浦区)及闵行、宝山、浦东新 区和松江,规模位列全国之首。上海市地下段轨道交 路至徐家汇路段发生地面积水倒灌事件,致使列车不 能正常运行 。上海市是典型的感潮河口城市,泵站 排水是解决城区积水的主要途径。由于全球气候变化 收稿日期:2011—03—22 基金项目:国家自然科学基金项目(40730526);华东师范大学2010年博士研究生学术新人奖资助项目(XRZZ2010024) 作者简介:权瑞松,男,博士研究生,主要研究方向为城市自然灾害风险评价。E—mail:quanrs@yeah.net 通讯作者:刘 敏,男,教授,博士生导师,主要研究方向为城市环境过程与城市灾害模拟与风险管理。E—mail:mliu@geo.ec— nu.edu.en 14 人 民 长 江 通线路区间位于中心城区,共计74座车站,276个出 人口,其中,1号线61个出入口,2号线49个出入口,4 号线36个出入口;7号线24个出人口;8号线57个出 人口;9号线25个出入口;11号线24个出人口。为分 析统计方便,对每条地下轨道交通线路的出人口分别 从1开始编号。 收集的数据主要包括地下轨道交通属性数据、上 海市中心城区社会经济数据、中心城区排水数据等,并 利用GIS软件建立上海市地下轨道交通站点数据库。 其中,地下轨道交通属性数据(出入口类型、台阶高度 以及地面坡度)为笔者2009年l2月通过实地调查获 得;上海市中心城区社会经济数据(财政收入和区域 面积)源自2009年上海年鉴¨ ;上海市中心城区排水 数据(排水泵站数量以及管道长度等)由上海市排水 公司提供。 2研究方法 2.1 基础 灾害学中的脆弱性是指系统容易遭受或没有能力 应付自然的变化过程或现象(气候变化和极端气候事 件等)的不利影响的程度¨ n ,它主要包括系统敏感 性以及响应能力(应灾能力)¨ 。承灾体脆弱性( ) 是由承灾体敏感性(S)以及区域应灾能力(R)共同作 用的结果,承灾体脆弱性的数学表达公式为: V= S,R) (1) 式中, 为承灾体脆弱性;S为敏感性;R为区域应灾能 力。 2.2脆弱性评价指标体系的构建 笔者在实地调查中发现,由于地下轨道交通系统 具有隐蔽性,暴露在内涝灾害中的唯一部分是出入口, 分析地下轨道交通系统暴雨内涝灾害的脆弱性主要就 是分析地下轨道交通系统出入口面对暴雨内涝灾害时 的脆弱性。分析地下轨道交通系统暴雨内涝灾害脆弱 性应主要包括地下轨道交通敏感性和应灾能力两方 面,即地下轨道交通出入口自身属性及其所在区域的 应灾能力。 (1)敏感性。出入口自身属性主要包括出入口类 型、出人口处台阶高度和地面坡度,这些因素反映了地 铁的敏感性,即其自身抵御内涝灾害的能力。出入口 地面坡度在一定程度上决定了其附近地面的积水状 况;出入口台阶高度在很大程度上决定了地面积水进 入地下轨道交通系统的难易程度,坡度越大,地面积水 倒灌的可能性越小。上海市轨道交通系统出入口类型 分3种:敞开式、隐藏式和封闭式。敞开式出人口直接 暴露在露天,对暴雨内涝灾害的敏感性最高;封闭式出 人口上方有遮雨棚,对暴雨内涝灾害的敏感性有所减 小;隐藏式出入口一般隐藏于商场等建筑中,其对暴雨 内涝灾害的敏感性最小。 (2)应灾能力。地下轨道交通的应灾能力由地下 轨道交通自身应灾能力(主要是其排水系统)和区域 (外部)应灾能力组成。上海市轨道交通出入口排水 系统由集水坑和潜水泵组成,均按照50 a一遇的暴雨 重现期设计,泵提积水经压力窨井后,再排人市政雨水 管道系统¨ 。各出入ISl自身的排水系统不存在差异, 所以,各出入口应灾能力主要取决于其所在区域的应 灾能力。而区域应灾能力反映的是,为保障区域地下 轨道交通免受内涝灾害威胁或在遭受内涝灾害威胁时 基本防备措施能力,主要取决于市政雨水排水系统的 能力,即市政排水泵站分布密度,排水管道的达标率。 区域排水泵站分布密度越大,排水管道的达标率越高, 区域应对暴雨内涝灾害的能力也就越强。另外, 的支付能力也在一定程度上决定了区域应对暴雨内涝 灾害的能力。各指标数学表达式分别为:支付能 力=财政收入/区域面积;泵站密度=区域内排水泵站 数量/区域面积;管道达标率=管道长度/区域面积。 (3)指标体系的建立与权重确定。根据自然灾害 脆弱性的概念、分析与评价理论,并遵循科学性、综合 性、主导型、层次性、动态性和可操作性原则,在上述对 地下轨道交通脆弱性影响因子分析结果的基础上,最 终建立了地下轨道交通暴雨内涝灾害脆弱性评估指标 体系。本研究采用AHP决策分析法确定指标权重,步 骤如下:先根据专家意见明确各因素之间的关系,建立 层次结构模型并构造每一准则下各指标的判断矩阵, 然后计算判断矩阵的最大特征值和特征向量,再对判 断矩阵做一致性检验。如果检验通过,则将求得的特 征向量进行归一化处理,即得到该准则下各指标间的 相对权重;否则,必须调整判断矩阵,并重复上述过程, 直到通过一致性检验时为止 。计算结果(表1)通 过了一致性检验。 表1脆弱性评价指标体系及其权重 2.3分析模型的构建 (1)指标原始数据预处理与标准化。由于敏感性 第l5期 权瑞松,等:上海市地下轨道交通暴雨内涝脆弱性评价 15 指标中的车站出入口类型与出人口地面坡度为定性数 据,为分析需要,首先分别对其进行定量化处理,分别 以数值3,2,1代表高、中、低敏感性,赋值给每个车站 出入口,即敞开式出入口赋值3,封闭式赋值为2,隐藏 式赋值为1;地面有明显坡度的赋值为1,地面坡度较 小的赋值为2,地面无坡度的赋值为3。然后根据区域 应灾能力各指标的计算公式对其分别计算,将计算结 果利用GIS软件建库并赋值给区域内的各轨道交通出 入口。 为了消除不同量纲的影响,笔者选用极值标准化 方法对指标体系中不同量纲的数据进行标准化处 理。由于敏感性指标中的出人口台阶高度和应灾能力 各指标与轨道交通暴雨内涝脆弱性均呈负相关关系, 其处理方法是:Y =min( i )/ 式中, ,Y f分别为 指标的原始值和标准值;min( )为该指标中的最小 值。 ∞掣蟮甾 ∞掣躜鼯 2 2 1 1 O 2 2 (2)脆弱性指数计算。本研究采用指标值求和的 方法计算脆弱性值,公式(1)可改写为: V=S×W5+R X (2) 式中, 为脆弱性指数;S为敏感性指数;R为应灾能力 指数;W为相应指标的权重值。其中,Js和R的计算公 式分别为: S=S ×W , i=1,2,3 (3) R=Ri× , =1,2,3 (4) 式中,Js 为第i个敏感性指标的标准化后的值;Rj为第 _『个应灾能力指标标准化后的值。 3结果与分析 将经标准化处理后的各指标值代入脆弱性指数计 算公式(2)、(3)和(4),获得了上海市地下轨道交通各 线路出入口的敏感性指数、应灾能力指数以及脆弱性 指数。 3.1敏感性分析 由图1可知,上海市地下轨道交通系统对暴雨内 涝灾害的敏感性整体较低。敏感性指数s≤1.5的出 人口有234个,占总出入口数的94.8%;敏感性指数 1.5<S≤1.9的出入口有17个,占总出入口数的 6.2%;敏感性指数S>1.9的出人口有25个,占总出 入口数的9.1%;敏感性指数S>2的出入口有5个,分 别是2号线娄山关路站3号口(编号16)和人民广场 19号口(编号46)、4号线上海体育馆站1号口(编号 5)、8号线鞍山新村站1号口(编号24)和四平路4号 口(编号3O)。曾遭受暴雨内涝积水倒灌的徐家汇站和 宜山路站敏感性指数|s最高值分别为1.92和1.97,相 对于其他出人口其敏感性也是较高的。敏感性较高的 出入口有2个共同特点:①都是敞开式出入口;②出 入口处台阶高度均小于30 em。整体而言,上海地下 轨道交通系统各线路对暴雨内涝灾害的敏感性顺序依 次为:2,1,8,11,9,4,7号线。 l 5 9 l3 l7 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 出入口编号 (a)1号线 l 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 舀路 出入口编号 ∞ 自 1 0 2 2 1 l 0 (b)2号线 2 2 l l 0 5 O 5 O 5 0 1 3 5 7 9 ll l2 l5 17 19 2l 23 25 27 29 31 33 35 37 出入口编号 (c)4号线 t t凡..n ¨. 一一l 4 7 l0 13 16 19 22 25 —出人口编号 (d)7号线 l===== 一l 4 7 l0 13 16 l9 22 25 28 3l 34 37 40 43 46 49 52 55 58 出入口编号 (e)8号线 l 4 7 l0 l3 l6 l9 22 25 出人口编号 (f)9号线 出入口编号 (g)11号线 图1地下轨道交通入口敏感性 3.2应灾能力分析 如图2所示,地下轨道交通各出入口所在区域排 1 16 人 民 长 江 R拙 毯 水泵站密度有一定差异,虹口区排水泵站密度最大,其 【 l 0 O O 0 2 O 8 6 4 2 0 次为黄浦区,卢湾区排水泵站密度最小;区域排水管道 达标率差异较小,徐汇区的排水管道达标率最高,静安 区最小;区域支付能力差异显著,静安区的支 付能力最强,其次为卢湾区,其余各区支付能力较 弱。整体上看,地下轨道交通各出入口所在区域应灾 能力相差不大,黄浦和虹口区的应灾能力最强,其次为 闸北区,静安区应灾能力最弱。 日泵站密度 口支付能力 杨浦虹口黄浦卢湾静安徐汇长宁普陀闸北 行政区 图2应灾能力指数对比 3.3脆弱性分析 从分析结果(图3)看,1号线80.3%的出人口脆 弱性指数 小于2,19.6%的出人口脆弱性指数 在2 八一^^一№一八 一=:=: 一.一1 ~2.5之间,没有脆弱性指数 高于2.5的出人口;2号 线81.6%的出人口脆弱性指数 小于2,18.4%的出 入口脆弱性指数 在2—2.5之间,同样没有脆弱性指 数 高于2.5的出入口;8号线和11号线分别有 91.2%和91.6%的出入口脆弱性指数 ≤2。曾经发 生过雨水倒灌的徐家汇和宜山路脆弱性指数 相对较 . 高,其最高值分别为2.24和2.48。整体上,上海市地下 轨道交通暴雨内涝脆弱性都很低,脆弱性指数 ≤2 的出入口共有235个,占到总数的81.5%;脆弱性指数 在2—2.5之间的出入口有38个,占13.8%;脆弱性 指数 高于2.5的出入口仅有3个,它们分别是4号线 上海体育馆1号口(编号5),8号线鞍山新村1号口 (编号24)和四平路4号口(编号30),其脆弱性指数 分别为2.7、2.6和2.6。 整体看来,上海市地下轨道交通各线路的脆弱性 大小顺序依次为:8,4,1,2,9,7,11号线。上海市地下 轨道交通各线路暴雨内涝灾害脆弱性呈现出一定 的差异性,根据分析结果,可以分为以下3类:①对暴 雨内涝灾害表现最脆弱的地下轨道交通线路,8号线 和4号线;②对暴雨内涝灾害表现中等脆弱性的地下 轨道交通线路,1号线和2号线;③对暴雨内涝灾害自 身受影响最小的地下轨道交通线路,7,9号线和11号 线。 1 5 9 l3 17 21 25 29 33 37 4l 45 49 53 57 6l 出入口编号 (a)1号线 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 3l 34 37 40 43 46 49 出人口编号 (b)2号线 鼹 蜩 1 3 5 7 9 11 13 15 17 l9 2l 23 25 27 29 31 33 35 37 出人口编号 (c)4号线 噙 蛹 : 。【—— —— —— .. .. —. .— . .. . —— .— —八.— —— —~ (g)11号线 图3地下轨道交通入口脆弱性 4结论与讨论 (1)本文充分考虑了地下轨道交通系统在遭受暴 雨内涝灾害时自身脆弱性的影响因素,初步建立了地 第15期 权瑞松,等:上海市地下轨道交通暴雨内涝脆弱性评价 17 下轨道交通暴雨内涝灾害脆弱性分析评价的指标体 系,并尝试分析评价上海市地下轨道交通系统暴雨内 涝脆弱性,弥补了地下空间灾害风险研究的不足,并为 防灾减灾及暴雨内涝灾害风险管理与控制提供了 参考依据。 (2)上海市地下轨道交通的暴雨内涝敏感性整体 上较低,地下轨道交通所在区域整体上抗灾能力差异 较小,各线路暴雨内涝灾害脆弱性呈现出一定的差异 性。总体而言,轨道交通8号线和4号线脆弱性最高; [3] 胡蓓蓓,姜衍祥,周俊.天津滨海地区地面沉降灾害风险评估与区 划[J].地理科学,2008,28(5):693—697. [4] Dutta D,Takamura H,Herath S.Understanding flood behavior in underground facilities for urban flood risk management[c]∥The Sec— ond International Symposium on New Technologies for Urban Safety of Mega Cities in Asia.Tokyo,Japan,2003. [5] 郑建楠.论地下公共工程防汛影响论证的必要性[J].城市道桥与 防洪,2007,(4):82—85. [6] 袁雯,杨凯,吴建平.城市化进程中平原河网地区河流结构特征及 其分类方法研讨[J].地理科学,2007,27(3):401—407. [7】 程江,杨凯,赵军,等.上海中心城区河流水系百年变化及其影响 轨道交通1号线和2号线脆弱性处于中等水平;轨道 交通7,9号线和11号线脆弱性最小。 (3)由于受资料等原因,本文还有待完善之 处,如认为地下轨道交通出入口的脆弱性即为地下轨 因素分析[J].地理科学。2007,27(1):85—91. [8] 戴雪荣,师育新,俞立中,等.上海城市地貌环境的致灾性[J].地 理科学,2005,25(5):636—640. [9] 龚士良,杨世伦.地面沉降对上海黄浦江防汛工程的影响分析 道交通脆弱性,难免有“以偏概全”之嫌;另外,影响地 下空间暴雨内涝脆弱性的因素有很多,并且各种因素 相互影响、错综复杂,在指标选取上可能还存在诸多问 题。由于国内外对地下轨道交通等地下空间的灾害脆 弱性、风险分析等方面的研究较少,笔者选取较简单的 研究方法尝试对上海地下轨道交通进行暴雨内涝灾害 的脆弱性分析,虽计算简单,但可能针对性不足。笔者 将在后续工作中进一步完善,以提高研究结果对城市 内涝风险管理工作的指导意义。 参考文献: [1] 许世远,王军,石纯,等.沿海城市自然灾害风险研究[J].地理学 报,2006,61(2):127—138. [J].地理科学,2008,28(4):543—547. [10] 殷一璀.上海年鉴(2009)[M].上海:上海人民出版社,2009. er S L.Vulnerability to environmental hazards[J].Progress in [11] CuttHuman Geography,1996,20(4):529—539. [12] Cutter S L,Boruff B J,Shirley W L.Social vulnerability to environ— mental hazards[J].Social Science Quanterly,2003,84(2):242— 261. [13] Gallopin G C.Linkages between vulnerability,resilience,and adap- tive capacity[J].Global Environmental Change,2006,16(4):293— 303. [14] 彭海清,高乃云,范瑾初.上海地铁工程的给排水设计[J].中国 给水排水,2001,17(4):41—43. [15] 徐建华.现代地理学中的数学方法[M].北京:高等教育出版社, 2004. [2] 孙成权,林海,曲建升.全球变化与人文社会科学f*-I题[M].北京: 气象出版社.2003. (编辑:常汉生) Vulnerability assessment of rainstorm water——logging in subway of Shanghai QUAN Ruisong ,LIU Min 一,ZHANG Lijia’,。 (1.School of Resources and Environment Science,East China Normal University,Shanghai 200062,China; 2.Key Laboratory of Geographic Information Science of the Ministry of Education,East China Normal University,Shanghai 200062,China) Abstract:Due to high growth of population and rapid urbanization,in many cities,including Shanghai,there is an increased exploitation of underground space.With the increment of underground facilities,the security of underground space against natural disasters has become an important aspect of urban safety.Based on the understanding of vulnerability,an index system has been established for vulnerability assessment of rainstorm water—logging in the subway of Shanghai,and vulnerability of entrances of subway are assessed.The results show that on the whole,subway line 8 and line 4 are the subway line which needs the safety de- fense carried out by the government the most;subway line 1 and line 2 have medium vulnerability rank;subway line 7,line 9 and line 1 1 have low vulnerability.These results will provide reference for the local government to improve water~logging risk management. Key words: rainstorm water—logging;subway;vulnerability;index system;Shanghai