王晨懿 ，稅 偉，蘇正安，王 炯

(1.四川農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，四川 成都 611130；2.成都市國土規(guī)劃地籍事務中心，四川 成都610074；3.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

2008年5月12日14時28分,四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)發(fā)生里氏8.0級強烈地震。由于強震發(fā)生在四川盆地西部地質(zhì)環(huán)境原本就比較脆弱的中、高山地區(qū),因而觸發(fā)了大量的崩塌滑坡地質(zhì)災害,其數(shù)量之多、分布之廣、類型之復雜、破壞之巨大,舉世罕見,其危害甚至超過地震本身[1]。根據(jù)次生山地災害的特征和發(fā)展趨勢, 震后的恢復重建中應采取減災措施,防止次生山地災害對恢復重建的基礎設施和重建場址造成危害[2-3]。都江堰市向峨鄉(xiāng)在地震中建筑損毀嚴重,次生地質(zhì)災害更是給當?shù)卦斐闪司薮蟮娜藛T財產(chǎn)損失,震前農(nóng)村居民點空間布局、用地演化方向不合理是其重要原因。中國山地、高原、丘陵等約占總面積的66%,全國近70%的縣區(qū)分布于山區(qū),地質(zhì)災害廣泛的威脅著山地環(huán)境下的農(nóng)村居民點。國內(nèi)外對地質(zhì)災害的區(qū)劃方法的研究較多,但地質(zhì)災害區(qū)劃應用于地質(zhì)災害威脅下的山地農(nóng)村居民點的研究較少[4-10]。本文在GIS技術支持下,利用Logistic數(shù)學模型對研究區(qū)域進行地質(zhì)災害威脅性區(qū)劃,并通過PR、SI指數(shù)分析討論震前向峨鄉(xiāng)農(nóng)村居民點布局和用地演化特征。研究方法可以廣泛應用于山地農(nóng)村居民點地質(zhì)災害威脅性研究,研究結(jié)果對災后重建及山地農(nóng)村居民點的規(guī)劃布局具有參考意義。

1 地質(zhì)影響因子數(shù)據(jù)集的建立

地質(zhì)災害的發(fā)生,受自然環(huán)境、人類工程活動等多種因素制約影響,應綜合考慮各種地地質(zhì)災影響因素,以及這些影響因素在空間上的組合方式與區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災害發(fā)生、分布的內(nèi)在聯(lián)系,尋找其規(guī)律,進而開展地質(zhì)災害危險性區(qū)劃研究。

1.1 影響因子的選取

根據(jù)前人研究成果,結(jié)合向峨鄉(xiāng)地質(zhì)災害發(fā)生具體情況,利用德爾菲法(Delphi Method)選取影響研究區(qū)域地質(zhì)災害發(fā)生的8個一級因子：高程、線性構造影響區(qū)域、地層巖性、土壤侵蝕、水系影響區(qū)域、道路、植被覆蓋率、坡度[7,9-11]。參考專家野外地質(zhì)災害調(diào)查經(jīng)驗,在利用3S技術充分挖掘研究區(qū)域地質(zhì)、地形、人類活動等信息的基礎上,在ArcGIS平臺下將一級因子分為2—7類二級因子(表1)。

1.2 空間數(shù)據(jù)集的建立

本文利用ArcMap中的Creat fishnet工具將向峨鄉(xiāng)劃分為由100 m×100 m組成的網(wǎng)格區(qū)域。然后將研究區(qū)域地質(zhì)災害發(fā)生的影響因子圖層以及歷史災點圖層和網(wǎng)格圖層疊加 (以圖1線性構造疊加圖層為例),疊加后圖層中的每一個網(wǎng)格單元均包含了單一等級的各個影響因素的二級因子。如果某個單元格內(nèi)包含有歷史災害點,就判定該單元格為災害發(fā)生。建立研究區(qū)域內(nèi),各種地質(zhì)災害影響因子的組合與地質(zhì)災害發(fā)生的空間關系。

2 Logistic數(shù)學模型的地質(zhì)災害危險性區(qū)劃

2.1 Logistic數(shù)學模型

在地質(zhì)災害研究過程中,災害的發(fā)生與否僅存在兩種情況,即事件發(fā)生(1)和事件不發(fā)生(0)。如將各種地質(zhì)災害影響因素作為自變量,災害發(fā)生與否作為就可視為典型的二分類變量。由于因變量的不連續(xù),無法使用線性回歸推導此類自變量和因變量的關系。而Logistic回歸模型是二分類因變量(因變量y只取兩個值)進行回歸分析時經(jīng)常使用的統(tǒng)計分析方法。因此本文采用Logistic回歸模型推導研究區(qū)域災害發(fā)生與否和各種影響因素的關系,進行區(qū)劃研究。Logistic回歸模型表達式為：

表1 向峨鄉(xiāng)地質(zhì)災害影響因子Tab.1 The factors of geological hazards in Xiang’e Village

式1中, P(取值范圍為［0,1］)為地質(zhì)災害發(fā)生概率,是因變量；各種地質(zhì)災害影響為x1i,x2i,…,xni是自變量。a為常數(shù),表示在沒有任何因素影響下,地質(zhì)災害發(fā)生與不發(fā)生概率之比的對數(shù)值；βn為邏輯回歸系數(shù),表示某單個評價指標發(fā)生改變時,地質(zhì)災害發(fā)生與不發(fā)生概率之比的對數(shù)變化值,即為各種地質(zhì)災害音響因素的權重值。

可見地質(zhì)災害的發(fā)生概率P與影響因素xi是非線性單調(diào)函數(shù),隨著xi的增加或減少,P(y=1｜x1i,x2i,…,xni）也單調(diào)的增加或減少,值域在［0,1］呈S型分布。這樣可以很好的擬合地質(zhì)災害發(fā)生和影響地質(zhì)災害發(fā)生的各因素之間的關系：各影響因素指標變化很小時,地質(zhì)災害發(fā)生的概率也很小,在中間階段對應的概率增大,但當各種因素指標積累到一定程度之后,地質(zhì)災害發(fā)生概率幾乎保持水平不變[7,12]。

2.2 地質(zhì)災害發(fā)生可能性分布

如果邏輯回歸系數(shù)βn確定,根據(jù)不同影響因素指標值就可以計算某一區(qū)域地質(zhì)災害發(fā)生的概率P。然后根據(jù)研究區(qū)域不同P值,劃分地質(zhì)災害危險性等級。因此問題轉(zhuǎn)化為利用研究區(qū)域已知的地質(zhì)災害發(fā)生的歷史數(shù)據(jù),以及不同影響因素的指標值Xni求各指標權重值即邏輯回歸系數(shù)βn。

如果某個100 m×100 m的單元格內(nèi)包含歷史災害點,那么該單元就判定為災害發(fā)生,取值為1,反之為災害不發(fā)生,取值為0[12],利用ArcGIS轉(zhuǎn)出包含各個影響因素單一等級及地質(zhì)災害發(fā)生狀況的屬性表,將屬性數(shù)據(jù)導入SPSS統(tǒng)計分析軟件,在其分析模塊中,選取Binary logistic選項,將屬性表中各地質(zhì)災害影響因素作為Logistic回歸模型的自變量,災害發(fā)生狀態(tài)作為因變量,進行回歸分析。數(shù)據(jù)通過SPSS二元回歸模型的各項檢驗后,得出研究區(qū)域各個網(wǎng)格地質(zhì)災害發(fā)生概率。導出SPSS生成的數(shù)據(jù)表為dBASE格式,并用ArcMAP打開數(shù)據(jù)表,通過“Join attributes from a table”將SPSS軟件二元Logistic回歸模型計算出的地質(zhì)災害發(fā)生概率作為屬性值賦予每個網(wǎng)格(圖2)。

圖1 網(wǎng)格疊加線性構造影響圖層Fig.1 Overlay of net with faults-affected zones

圖2 向峨鄉(xiāng)地質(zhì)災害發(fā)生可能性分布Fig.2 The distribution map of probability of geological hazard in Xiang’e Village

2.3 研究區(qū)域地質(zhì)災害危險性區(qū)劃

圖2雖然很好地展示出了研究區(qū)域地質(zhì)災害危發(fā)生概率的區(qū)域分布狀況,但圖層仍然以柵格(100 m×100 m)為單元反映地質(zhì)災害發(fā)生概率,區(qū)域劃分較為雜亂無章,不具有很好的規(guī)律性。結(jié)合成都市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站及其他地質(zhì)災害區(qū)劃研究經(jīng)驗,根據(jù)概率分布圖中顏色較深區(qū)域(發(fā)生地質(zhì)災害機率較大區(qū)域)的分布和分布密度狀況,利用ArcMAP的“cluster”功能進行聚類分析,將研究區(qū)域分為地質(zhì)災害基本穩(wěn)定區(qū)、低易發(fā)生區(qū)、中易發(fā)生區(qū)、高易發(fā)生區(qū)[13](圖3)。

研究區(qū)域地質(zhì)災害中、高易發(fā)生區(qū)占總面積的46.86%,包含了整個區(qū)域93.48%的災后地質(zhì)災害點(表2),說明劃分結(jié)果與實際災害發(fā)生現(xiàn)狀較為吻合。

3 震前農(nóng)村居民點時空演替

3.1 震前居民點用地比重分布

本文擬用100 m×100 m網(wǎng)格研究向峨鄉(xiāng)農(nóng)村居民點震前分布比重情況。農(nóng)村居民點用地比重是指單位面積農(nóng)村居民點所占面積比重,100 m×100 m網(wǎng)格用地比重(PR)數(shù)據(jù)集即是通過計算研究區(qū)域每個網(wǎng)格農(nóng)村居民點用地比重,進而研究整個區(qū)域農(nóng)村居民點用地分布比重狀況[14-15]。本文通過ArcMAP技術平臺利用空間疊置、屬性表計算的方式求得2008年研究區(qū)域農(nóng)村居民點用地比重空間分布數(shù)據(jù)集,并利用spatial analysis模塊中的reclass功能按PR取值范圍(其他用地：PR = 0.001%；比重?。?.001%≤PR＜1%；比重較大：1%≤PR＜5%；比重大：5%≤PR＜10%；比重非常大：10%≤PR)將求得的空間數(shù)據(jù)集劃分為5級(圖4)：

表2 向峨鄉(xiāng)地質(zhì)災害危險性區(qū)劃信息統(tǒng)計表Tab.2 Statistical information for geological hazard of risk evaluation and zoning in Xiang’e Village

圖3 研究區(qū)地質(zhì)災害危險性區(qū)劃結(jié)果Fig.3 The zoning of geological hazard in Xiang’e Village

圖4 2008年農(nóng)村居民點用地比重空間分布Fig.4 The distribution map of PR in the residential-area in 2008

3.2 震前農(nóng)村居民點用地演化

為研究向峨鄉(xiāng)農(nóng)村居民點用地變化的動態(tài)演化特征,需生成研究區(qū)域農(nóng)村居民點用地的擴展(收縮)指數(shù)SI分布數(shù)據(jù)集。研究區(qū)域農(nóng)村居民點用地的擴展(收縮)指數(shù)SI表示為：

式2中,SI為1996年到2008年農(nóng)村居民點擴展(收縮)指數(shù)(當SI為負數(shù)視為農(nóng)村居民點收縮)。RL96為某網(wǎng)格1996年農(nóng)村居民點用地面積(m2),RL08為該網(wǎng)格2008年農(nóng)村居民點用地面積(m2),TL為該網(wǎng)格面積(m2)。

在ArcMAP中將1996、2008年兩期農(nóng)村居民點用地數(shù)據(jù)與研究區(qū)域100 m×100 m數(shù)據(jù)圖層疊加,并對疊加后的數(shù)據(jù)進行屬性表運算,柵格轉(zhuǎn)換,并當SI為負值時,取絕對值,視為收縮區(qū)域,按SI＜0.001%,為無變化區(qū)；0.001%≤SI＜0.1%,為緩慢擴展(收縮)區(qū)域；0.1%≤SI＜1%,為較快擴展(收縮)區(qū)域；1%≤SI＜5%,為快速擴展(收縮)區(qū)域；SI≥5%,為急速擴展(收縮)區(qū)域[15],對SI數(shù)據(jù)集進行重新分類可得研究區(qū)域1996—2008年農(nóng)村居民點用地動態(tài)變化數(shù)據(jù)集(圖5—6）。

圖5 1996—2008年農(nóng)村居民點用地動態(tài)變化(用地無變化及擴展區(qū)域)Fig.5 The dynamic changes of residential area from 1996 to 2008（extended and unchanged regions）

圖6 1996—2008年農(nóng)村居民點用地動態(tài)變化(用地收縮區(qū)域)Fig.6 The dynamic changes of residential area from 1996 to 2008 (shrinked regions)

3.3 地質(zhì)災害區(qū)劃下的震前居民點用地空間布局、動態(tài)變化分析

將向峨鄉(xiāng)震前農(nóng)村居民點用地比重分布圖層、震前農(nóng)村居民點用地動態(tài)變化圖層與地質(zhì)災害區(qū)劃結(jié)果疊加,分析研究區(qū)域震前農(nóng)村居民點用地在不同地質(zhì)災害威脅區(qū)域的分布比重以及時空演變的空間特征(表3,表4)。

震前向峨鄉(xiāng)農(nóng)村居民點較為集中的區(qū)域共計954個格網(wǎng)單位, 有60%(573個)分布在地質(zhì)災害中、高易發(fā)區(qū),其中居民點密度非常大的網(wǎng)格單位共計465個, 有63%(296個)分布在地質(zhì)災害中、高易發(fā)區(qū)(表3)。

2006—2008年向峨鄉(xiāng)農(nóng)村居民點收縮區(qū)域共計1142個格網(wǎng)單位,擴張區(qū)域共計562格網(wǎng)單位,根據(jù)當?shù)貒辆滞恋卣{(diào)查資料,1996—2008年,向峨鄉(xiāng)農(nóng)村居民點用地增加了231.1畝, 同時農(nóng)村居民點用地擴張區(qū)域共計562個網(wǎng)格單位,有59%(337個)分布在地質(zhì)災害中、高易發(fā)區(qū),其中急速、快速擴張區(qū)域485個,其中60%(291個)分布在地質(zhì)災害中、高易發(fā)區(qū)?？梢娬鹎把芯繀^(qū)域農(nóng)村居民點集中趨勢明顯,而農(nóng)村居民點集中擴張的區(qū)域又主要分布在地質(zhì)災害中、高易發(fā)區(qū)(表4)。

表3 地震前研究區(qū)域農(nóng)村居民點分布狀況統(tǒng)計表Tab.3 The statistical information for status of residential area in Xiang’e Village before the earthquake

表4 向峨鄉(xiāng)1996—2008年農(nóng)村居民點動態(tài)變化特征Tab.4 The characteristics of the dynamic changes of residential area from 1996 to 2008 in Xiang’e Village

4 地質(zhì)災害威脅下山地農(nóng)村居民點規(guī)劃技術路線

在編制山村規(guī)劃時,應充分考慮不同地質(zhì)災害危險性區(qū)域農(nóng)村居民點布局現(xiàn)狀及歷史演化特征,在此基礎上選擇農(nóng)村居民點整理以及規(guī)劃建設模式(圖7)。

災后農(nóng)村居民點重建中,原C1D1,C1D2類農(nóng)村居民點應作為重建農(nóng)村居民點選址重點考慮區(qū)域。原C1D3,C1D4類居民點應結(jié)合考慮其他農(nóng)村居民點規(guī)劃選址因素,作為農(nóng)村居民點選址或后備選址區(qū)域。原C2D1,C2D2,C2D3,C2D4類農(nóng)村居民點也可作為重建選址區(qū)域,但要注意加強地質(zhì)災害的監(jiān)測和治理工作。由于地震的影響,C3,C4區(qū)域生態(tài)環(huán)境十分脆弱,人類活動會使其生態(tài)狀況進一步惡化,地質(zhì)災害更加易發(fā)。因此短期內(nèi),在有條件的情況下,盡量選擇在C1,C2區(qū)域規(guī)劃農(nóng)村居民點,原C3DX,C4DX類農(nóng)村居民點應選擇整理復墾,轉(zhuǎn)化為“拆舊地塊”進行流轉(zhuǎn)獲取建設用地指標或者重建資金。

其他山地農(nóng)村居民點規(guī)劃編制工作中,C1D1,C1D2類農(nóng)村居民點應作為規(guī)劃建設的重點,促其發(fā)展,吸收、合并其他類型的農(nóng)村居民點形成中心村。C1D3,C1D4類居民點應分析討論其收縮原因,有條件的促其發(fā)展。C2D1,C2D2,C2D3,C2D4類農(nóng)村居民點可作為C1DX用地的有效補充,但要注意地質(zhì)災害的監(jiān)測預防工作。C3D1,2,C4D1,2類農(nóng)村居民應分析其發(fā)展擴張的驅(qū)動力,合理引導驅(qū)動力轉(zhuǎn)移,限制此類農(nóng)村居民點過度發(fā)展,并加大地質(zhì)災害監(jiān)測治理力度,有條件的對居民進行拆遷轉(zhuǎn)移。C3D3,4,C4D3,4類農(nóng)村居民點應拆遷復墾,轉(zhuǎn)化為用地指標。

5 結(jié)論

(1)基于地質(zhì)災害危險性劃分,利用PR、SI指數(shù)分析向峨鄉(xiāng)農(nóng)村居民點布局和用地演化特征,發(fā)現(xiàn)震前向峨鄉(xiāng)農(nóng)村居民點布局不合理,農(nóng)村居民點密度較大區(qū)域過多的分布在地質(zhì)災害風險較高的區(qū)域；農(nóng)村居民點集中趨勢明顯,但用地主要擴張區(qū)域集中在地質(zhì)災害中、高易發(fā)區(qū)。地震中向峨鄉(xiāng)95%的建筑物損毀,人員財產(chǎn)損失嚴重,可見農(nóng)村居民點分布、用地演化趨勢的不合理是其重要原因之一。

(2)中國山地、高原、丘陵等約占總面積的66%,全國近70%的縣區(qū)分布于山區(qū),地質(zhì)災害廣泛的威脅著山地環(huán)境下的農(nóng)村居民點。在農(nóng)村居民點規(guī)劃,特別是山地農(nóng)村居民點規(guī)劃時,應在對規(guī)劃區(qū)域進行地質(zhì)災害危險性區(qū)劃的基礎上,研究農(nóng)村居民點布局現(xiàn)狀及歷史演化特征,進而科學的選址編制規(guī)劃。

(3)災害重建應充分考慮震后次生地質(zhì)災害的危險性,在恢復重建中積極采取減災措施,防止次生山地災害對恢復重建的基礎設施和重建場址造成危害。

圖 7 地質(zhì)災害威脅下的山地農(nóng)村居民點規(guī)劃技術路線Fig.7 The technical guideline for rural residential area planning in mountainous areas under hazard risk

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