基于GIS 的大学校园绿地应急避险能力评价研究——以山东工艺美术学院长清校区为例

吕桂菊李怡凡赵炳欣徐国良崔志鹏

(1.山东工艺美术学院 建筑景观学院，山东 济南250000；2.山东绿美生态环境工程集团有限公司，山东 昌邑261300)

0 引言

过快的城市化进程将会引起灾难的随时发生，需要提高城市应急避险能力。 城市绿地是应急避险中的重要场所，由于高校是城市中人口高度聚集的区域，高校绿地和开放空间是否满足校园中大量人群的避险需求，且如何快速疏散人群，以及能否提供有效的避险空间，值得深入研究。 有学者研究了城市公园绿地的避险机能，分析了避险绿地服务半径的合理确定、建设时限、容量计算等问题[1-4]；基于避险能力系统化研究的公园规划设计，应以平时和灾时结合为设计的主要原则，以实现公园平时与灾时的功能转换[5-7]；还有学者分析了城市的应急避险场所空间整体布局，提出运用地理信息系统软件ArcGIS 分析工具评价城市宏观层次的绿地应急避难能力和避难场所空间分布的合理性[8-12]。 基于城市背景下的绿地系统应急避险功能研究较多，而面对高校的研究较少。 文章运用ArcGIS 分析工具，基于城市绿地应急避险的研究基础，通过梳理校区的安全绿地空间和有效避险面积，结合校园人口分布的特殊性，提出人均有效避险面积和有效避险绿地可达性两项指标，以分析和评价大学校园的绿地应急避险能力。

1 研究区域概况

1.1 区位分析

济南市位于山东省中西部，南依泰山、北跨黄河、背山面水，地势南高北低，处于河北平原和鲁北平原地震带上。 山东工艺美术学院长清校区位于济南市长清区大学路1255 号，南与山东师范大学隔路相望，西接山东女子学院及其附属幼儿园。 校区在校生有6 700 人、教职工为3 082 人，总规划面积为180 000 m2，其中，已建成建筑面积为61 174 m2。 校区依北大山而建，其坐落于校园的北部，是校区主山体，整体地势北高南低，且坡度平缓。

1.2 主要灾害类型

济南辖区有感地震记载多次，＞5 级的中强地震发生过3 次，包括1620 年(明万历四十八年)10 月19 日济阳的5.0 级地震，1622 年(明天启二年)4 月17 日长清的5.5 级地震，1835 年(清道光十五年)6月6 日平阴的5.0 级地震[13]。 济南地处华北断块东部，位于鲁西隆起与华北沉陷的转换带上，东北向断裂与西北向断裂交错分布。 山东工艺美术学院所在的长清区属于济南辖区规模较大的断裂之一，在2020 年2 月18 日发生了4.1 级地震及多次余震，所以地震是文章研究的主要灾害类型。

2 研究方法

运用ArcGIS 分析工具，分析校区的安全绿地空间和有效避险面积，在此基础上，研究人均有效避险面积和有效避险绿地的可达性。

有效避险绿地可达性分析是研究在灾害发生后人们在有限的时间里到达有效避险绿地的方便程度。 人均有效避险面积分析是基于避险绿地与当地人口的匹配情况，研究避险绿地的承载能力。 文章通过对校区有效避险绿地可达性和人均有效避险绿地面积的分析，阐明校区目前的应急避险能力，并提出优化建议及建设指导。

2.1 安全绿地空间分析

安全绿地空间分析即分析建筑倒塌后和地形坡度对绿地空间的影响，叠加地震时建筑顶层倒塌的最大抛物距离围合形成多边形，除此之外的剩余绿地则是作为安全绿地空间。 一般以建筑地平面为基点，大于建筑高度4/5 的距离即是安全绿地空间；在地形上无明显坍塌隐患的即为安全绿地空间。 安全绿地空间的分析及其结论对于避难场所的选建具有重要指导作用。

2.2 有效避险面积分析

有效避险绿地面积分析是指满足避险要求的安全绿地，即为高校内人群提供的有效避险面积。 结合紧急避险的建设标准，有效避险绿地范围需要排除:坡度过陡(≥15%)的场地、水域场地、消防道路场地、绿地面积过小(≤1 hm2)的场地和其他不足以用作避险的场地。 以此判断校园内的有效避险绿地的面积，并据此分析校园各功能区内的应急避险能力。

2.3 人均有效避险面积分析

人均有效避险面积是场地应急避险能力的具体体现，是指在灾难发生时，平均每人可使用的有效避险面积。 其计算公式由式(1)和(2)表示为

2.4 缓冲区分析

缓冲区是以避险场所为圆心，以避险者最短时间内抵达的最大距离为半径所覆盖的区域[14]。基于长清校区现有绿地的紧急避险场所现状的调查分析，结合关于紧急避险的理论研究，假设人的步行速度为80 m/min，确定时间节点为1、2 和3 min 等3 个等级，相应的服务半径分别是80、160 和240 m。不同的总服务半径作为缓冲区，得出各避险绿地的服务范围，确定校内避险绿地的总服务范围，从而改善校内人口规划布局。

2.5 有效避险绿地可达性分析

图1 为研究区域的成本栅格图，其中属性值表示其成本，是指所需的时间或者耗费的程度，因栅格图的特殊性，各个非边缘网格与8 个其他网格相邻，以网格中心点作为节点，节点相邻的8 个网格抽象为8 条边。 网格有两种相邻情况，垂直或水平相邻时，两个网格值相加取平均值为边长度，中间结点到其上边节点的边长度为；斜相邻时，两个网格值的平均值乘表示边的长度，中间节点到右下节点的边长度为

每个“源”定为单个节点，节点栅格的成本值定为0，“源”周边栅格与该“源”形成若干条边(如图2所示)。 若通过成本加权距离计算可得出右下角网格“源”，以及其他节点到该“源”的累积总成本值和两个节点间最短路径方向[14]。

图1 成本栅格图

图2 成本加权和最短路径选择图

3 结果与分析

3.1 安全绿地的空间分布分析

山东工艺美术学院长清校区的绿地可分为建筑基地绿地、景观绿地、运动场及附属绿地、其他绿地4 大类(如图3 所示)，共47 块，占地面积为30.7 hm2。 其中，建筑基地绿地数量最多，其次为景观绿地，运动场及附属绿地和其他绿地数量最少，仅有2 块；景观绿地面积最大，其次为建筑基地绿地和运动场及其附属绿地，其他绿地面积最小(见表1)。

将校园绿地数据及轮廓线导入ArcGIS10.6 进行分析，以地震灾害作为山东工艺美术学院长清校区紧急避险能力分析的出发点，并考虑地形与建筑对安全绿地的影响与干扰。 按照安全绿地标准筛选了校园绿地，符合要求的面积为24.5 hm2，数量为12 块(如图4 所示)。 依据有效避险场所建设标准，面积＞1 hm2的绿地可做紧急避险场所，而绿地面积＞10 hm2可做长期避险场所，所以山东工艺美术学院长清校区仅有其他绿地(含规划未建成区域)可作为长期避险场地。

图3 校区绿地分布图

表1 各类型绿地分类统计表

图4 校区安全空间绿地分布图

3.2 有效避险面积分析

根据不同的功能区域及其有效避险绿地面积，山东工艺美术学院长清校区可划分为生活区、教学区、运动区及其他区域4 大类(如图5 所示)。 其中，生活区、教学区、运动区、其他区域(含规划未建成)面积分别占总用地面积的19.6%、33.6%、13.7%和33.1%。

每个功能区的安全绿地面积和有效避险面积见表2，其中，其他区域中有效避险面积最大的为13.4 hm2；运动区和教学区分别为3.7 和3.4 hm2；而生活区有效避险面积最小为2.5 hm2。

绿地的有效避险率为有效避险绿地面积与区域的绿地面积的比率[15]，由式(3)表示为

式中a为有效避险率；A为有效避险绿地面积，hm2；S为城市绿地面积，hm2。

通过计算绿地的有效避险率可知，其他区域的有效避险率最高为94%，运动区、教学区和生活区分别为67%、48%、54%。 将各个区域汇总得到校园的有效避险面积为22.7 hm2，其有效避险率为73.9%。

因校内人口密度不同，校园紧急避险场所有效避险面积的建设和规划仅适合宏观参考，针对长清校区的紧急避险能力的具体研究还应结合人均有效避险面积进行综合分析。

图5 校区功能分布图

表2 各功能区绿地统计表

3.3 人均有效避险面积

由于分区功能的不同，各时段人流分布与密集程度存在一定差异。 校内人员流动相对较大(如图6 所示)，其中教学区与生活区受日常作息影响变化最大，且人流密集。 所以，应结合人口密度与各区的人流情况来分析有效避险面积效率，即人均有效避险面积。 计算方法是将各区域有效避险面积均摊给各区域的人口数量，计算得出各区域的人均避险面积；将校园总有效避险面积均摊给校园各区域人口数量之和，计算得出长清校区的人均有效避险面积。人口数量以观察统计的最高容量计算，结果表明，在人口密度最大的生活区，人均有效避险面积只有0.36 m2/人；即便是相对空旷的运动区，也只有0.82 m2/人的人均有效避险面积；其面积最大的是其他区域，而此处却少有师生活动。 由此可判断长清校区的有效避险面积分布极其不均，紧急避险能力相对薄弱。 所以，需考虑长清校区各功能分区之间紧急避 险场所的分配合理性与通达性。

图6 校内各功能区各时段人流情况图

3.4 缓冲区

将校园4 块区域内的有效避险绿地栅格数据导入ArcGIS10.6 中，生成有效避险绿地面矢量数据，以矢量面单位导出相关数据，求得区域内有效避险绿地的缓冲区，设置紧急避险绿地的服务半径分别为80、160 和240 m。 采用领域分析Proximity 中的多环缓冲区RingBuffer 工具处理有效避险绿地面积数据，从而生成校园内不同服务半径有效避险绿地的缓冲区(如图7 所示)。

图7 校区缓冲区图

山东工艺美术学院长清校区有效避险绿地主要分布在校园北部，而校园师生日常主要活动区域在西南部。 尽管其中有效避险绿地缓冲区的校园覆盖率达到了100%，但校园内的4 块区域皆处于有效避险绿地缓冲区服务范围内。 因此，在灾害发生时，校内人员可迅速进入紧急避险区域，避免受到伤害。

校园避险绿地缓冲区是用单一的绿地栅格数据求得，实际生活中的校园有效避险绿地的功能，体现在对在校人群的服务覆盖情况。 单一的绿地栅格数据的服务范围分析存在一定的片面性，因此，通过科学分析服务范围来调控周边人群的空间分布，是评价校园有效避险绿地服务功能的重要标准。 通过对有效避险绿地缓冲区的可达性分析，以成本距离可达性的难易程度体现有效避险绿地的辐射范围，改善校内应急避险绿地规划。

3.5 有效避险绿地可达性分析

有效避险绿地可达性分析是指在具体的交通系统下，采用栅格数据成本加权距离的方法，利用到达避险绿地的时间、距离等指标分析从给定区位到达避险绿地的难易程度。

研究基于ArcGIS10.6，以筛选出的有效避险绿地为“源”，在桌面应用软件Arcmap 中对学院4 个研究区建立5 m×5 m的栅格，统一划分校内有效避险绿地，初始认定每个栅格空间的基本属性所属一致，将筛选出的5 块有效避险绿地设定为成本加权距离的源数据；再使用空间分析工具Spatial Analyst Tools 中的成本距离Cost distance 和成本连通性Cost connectivity 工具，计算研究区域内各个栅格点到达有效避险绿地的成本距离与最优路径；采用栅格计算器Raster Calculator 将成本距离数据转化为时间范围等级(假设人的步行速度为80 m/min)。 计算结果按时间成本分为0～1、1 ～2、2 ～3、＞3 min 4个等级(如图8 所示)。

图8 校区有效避险绿地可达性图

由图8 可知，生活区域内各点到达区域内有效避险绿地的时间分为3 个等级，在0 ～1 min 内的可达性区域面积占整个生活区面积的57%；在1 ～2 min内的可达性区域面积占整个生活区面积的84%；在2 ～3 min 内可达性区域面积占整个生活区面积的100%。

运动区域内各点在0～1 min 内即到达运动区域内的所有有效避险绿地，其面积占整个运动区面积的100%。

教学区域内各点到达区域内有效避险绿地分为3 个时间等级，在0 ～1 min 内的可达性区域面积占整个生活区面积的39%；在1 ～2 min 内的可达性区域面积占整个生活区面积的74%；而在2 ～3 min 内可达性区域面积占整个生活区面积的91%。

其他区域内各点在0～1 min 内可到达运动区域内的所有有效避险绿地，在0 ～1 min 内的可达性区域面积占整个其他区面积的100%。

校区主要道路的可达性分析如图9 所示。 校园生活区与教学区、运动区3 个区交通较为便利，可达性强；其他区域属于学校待开发区域，因而缺乏完善的道路系统。 由学校避险绿地整体分布的分析可知，在灾害发生时，教学区与生活区人群可达性较高；生活区的人群可沿图9 中A、C、D 等3 条道路迅速达到校园西北侧的1 号有效避险绿地；教学区的人群可沿图9 中G、I、H 等3 条道路迅速到达运动区及教学区2、3、4 号有效避险绿地；其他区域的5 号避险绿地面积是整个校园最大的有效避险绿地，其成本加权距离服务范围能够覆盖到运动区以及部分教学区，但目前缺乏完善的道路系统，人群避险可达性差，为教学区、运动区的人群提供有效避险的能力较弱(如图9 所示)。

图9 校区可达性道路图

4 结语

文章基于山东工艺美术学院长清校区的ArcGIS 分析，对灾难发生时校区的紧急避险能力进行研究，结果表明:

(1) 山东工艺美术学院长清校区总绿地面积为30.7 hm2；安全绿地有12 块，占地24.5 hm2；有效避险面积共22.7 hm2，其中生活区有效避险面积最小。 校园人均有效避险面积为12.13 m2/人，但生活区与运动区却不足1 m2/人，其他区域人均有效避险面积高达89.33 m2/人。

(2) 山东工艺美术学院长清校区总体上达到紧急避险场所与长期避险场所的基本要求。 应急避险场所相对充足，但实际的应急避险能力较弱。 主要是由于校园内有效避险场所分布不均衡，从而导致有效避险面积与人口分布的不匹配。 尽管校园被应急避险场服务范围全覆盖，同时具备了一定的可达性与良好的缓冲能力，但却很难满足实际应急避险需求。 因此，可以通过在一些可达性较差的区域增设如安全绿地、建设广场、绿地等避险场所的方法，提高校园中心区域的紧急避险能力。 同时，可以在学校生活区和教学区等人口较为密集且人流量较大的区域，增设安全绿地并科学设置服务半径或修建更高效的道路，从而提高区域的可达性。