西南山地灾害区域公路网络可靠性研究 ——以汶川大地震极重灾区为例

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西南山地地区随着城镇化的快速发展,公路系统日趋复杂多样化,成为西南山地区域重要的基础设施,承担着经济发展和应急避难的关键角色。然而,随着西南山区复杂自然环境中人类活动的加剧,自然灾害和次生灾害频繁发生,对山区灾区的破坏越来越严重,西南山地灾害区域公路系统出现了一些诸如应对突发灾害能力较弱,系统连通性弱,注重个体建设而忽视相互协作与配合等问题。因此,本文以西南山地灾害区域典型区域汶川大地震极重灾区为研究靶区,结合山地灾害区域公路网络的功能实现需求,以及以提炼山地公路系统响应灾害的机制规划的目的,凝练科学问题为“山地灾害区域公路网络可靠性规律”。为表征网络变化特征,交叉运用复杂网络、计算机仿真模拟计算分析等方法,从三个阶段,三个层面进行对比论证分析,凝练可靠性规律特征,最后回归现实系统,进而制定科学合理的应急策略与管理方案,提高山地灾害区域公路网可靠性服务能力。首先,本文明确了山地公路网络可靠性的研究内涵,通过系统性的文献综述和调研分析总结出西南山地灾害区域的三个现实问题,并对研究靶区的典型性进行了分析,凝练出科学问题,建立了以“西南山地灾害区域公路网络可靠性”为目标导向的研究方案,即“科学问题-一个靶区-三个阶段(十个模型)-三个层面(八个指标)”。从人体生命特征和救援时效划分了三个阶段分别为震前阶段、黄金救援阶段、全面搜救阶段,划分出10个时间节点,据此构建10个时段的公路网络模型,从整体、局部、个体三个层面确定表征网络可靠性特征的八个计算分析指标,为后文公路网络遇灾前后全过程失效和恢复特征变化计算分析奠定基础。其次,交叉运用复杂网络分析、计算机仿真模拟分析等量化分析方法,基于三个阶段、三个层面对汶川大地震极重灾区公路网络进行可靠性分析。从整体层面、局部层面、个体层面分别分析了公路网络遇灾前后全过程的八个指标变化,根据计算结果分析评价发现:(1)山地灾害区域公路网络可靠性受到多种性能所共同影响。(2)研究靶区公路网络属于随机网络且不满足无标度特性。(3)公路网络在受灾后吸收适应期较长,可持续到恢复期。(4)公路网络通过恢复部分属性路段加快适应、恢复过程。最后,针对计算分析结果,从整体、局部、个体层面分别凝练了其可靠性规律特征:(1)在整体分析层面,公路系统存在较多的风险区域,导致脆弱性较高;公路系统存在不同类型的关键路段并影响系统鲁棒性;公路系统弹性性能变化在震后具有不同的阶段划分;公路系统网络结构不完整,均衡性较差。(2)在局部分析层面,局部稳定性较高的区域呈散点状分布,不成体系;高K核和高聚集系数的节点可以有效提升局部稳定性。(3)在个体分析层面,存在特定区域的路段能够提升灾后路网弹性能力;影响弹性的路段随时间变化,并与原有路段相邻。并据此提出规划优化策略研究,从两个方面展开,一是针对网络本身,从网络脆弱性、均衡性、鲁棒性、弹性、稳定性五个性能特征方面提出网络优化建议;二是基于汶川大地震极重灾区的物质形态规划建议,是以可靠性规律为依据,结合网络优化建议,对研究靶区的物质形态规划提出建议。本文的创新点主要是是在城乡规划与复杂网络研究的交叉领域,针对西南山地灾害区域做了一定的拓展研究,对于后续的西南山地灾害区域交通运输类研究具有一定的参考价值;全过程模拟了汶川大地震极重灾区公路系统的灾变过程,为后续针对汶川大地震的研究具有一定的参考价值,研究所得的规律特征也具有一定的现实意义,能够指导实际项目落地。
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