2013年北川聚落空间的地质灾害灾情分析*

汤家法，王沁

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都610031;2.西南交通大学数学学院，四川成都610031)

2013年北川聚落空间的地质灾害灾情分析*

汤家法1，王沁2

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都610031;2.西南交通大学数学学院，四川成都610031)

北川羌族自治县是2008年汶川8.0级地震的极重灾区之一。2013年7月8-12日，北川县境内普降暴雨，引起地质灾害事件大面积爆发。洪灾之后的灾情普查数据表明，县域内共有1 318个居民点受到各类地质灾害的威胁，这些地质灾害点的类型多样、分布广泛并且所造成的危害严重。根据灾情普查数据，按乡镇单元提取了各自的灾害点数量、受威胁面积、受威胁户数、受威胁人数、受威胁财产以及防治费用等6个指标，采用主成分分析方法来进行地质灾害灾情的综合评价，根据各乡镇的综合得分对乡镇的灾情进行了排序。这个评价结果较好地反映了各乡镇之间的灾情差异，也为上一级政府进行诸如制定乡镇社会经济发展指标、决定防灾减灾资金及技术力量的投向等行政决策提供了直接依据。

聚落空间;地质灾害;灾情;四川北川羌族自治县

北川羌族自治县隶属于四川省绵阳市，地处四川盆地向川西高原过渡的地带，境内山高谷深，地质构造复杂，是2008年汶川8.0级地震的极重灾区之一。地震对县域内的环境破坏相当严重，震后的灾害普查发现北川县境内共发育有滑坡506处、崩塌58处、泥石流17处，堰塞湖15个［1］。震区内自然环境的稳定和恢复需要相当长的时间，地质灾害可能的持续时间为20～25年，在这段时间内，地质灾害将以4～5年一个高峰为周期，呈震荡式的衰减下降，并最终恢复到震前的水平［2］。相对于这个缓慢的稳定过程，震区的灾后重建工作推进的速度非常快，在2010年左右就基本完成了重建工作。在重建过程中，遵循了八个基本原则，其中的“坚持尊重自然规律，科学重建”、“坚持安全第一，保证质量”两项基本原则，对县域内城乡居民点布局和选址产生了重大影响，基本上避开了已知的重大地质灾害点，重建后县域内的人居环境安全得到了基本保障［3］。但由于自然环境尚未稳定，基本建设速度过快、规模过大，以及近几年频发极端天气事件等诸多原因，在震后重构的聚落空间里发生了大量的灾害事件，截止到2013年底，县域内已发现有1 318个居民点受到各类地质灾害的威胁。大面积爆发的地质灾害恶化了后地震时期北川地区的人居环境安全形势，分析其主要的灾情特征，并准确评价出县内各行政单元的灾情，对于提高对县域以内的灾情认识和灾害管理水平，因地制宜地制定出正确防灾减灾对策，保障这些受威胁居民点的居住安全有着重要的实践意义。

1 数据源介绍

2013年7月8-12日，北川县境内普降暴雨，引起地质灾害事件大面积爆发。本文所使用的地质灾害数据主要来源来源于北川羌族自治县国土资源局在2013年“7·9”洪灾之后的灾情普查。普查的主要工作内容包括判定类型、评估灾情、预测趋势和制定对策等，其中的部分可量化的指标被提取出来，成为本文分析的主要依据。

2 聚落空间的地质灾害灾情特征

2.1 灾害点数量较大，类型众多

已发现的灾害点数量大，类型多。截止到2013年底，县域内已发现有1 318个居民点受到安全威胁。其中受危岩威胁14处，崩塌148处，不稳定斜坡29处，滑坡880处，泥石流245处，地面沉降2处。根据普查时所测的灾害点的空间位置，所做的分布图如图1所示。

图1 北川羌族自治县聚落空间地质灾害点分布图

2.2 灾害点分布广泛，灾情严重

从图1上可以看出，泥石流灾害点的分布具有一个很明显的条带特征，基本走向与汶川地震的发震断层北川逆冲断层走向一致，贯穿了通口河——都坝河的河谷地带，共有104个受泥石流威胁的居民点分布在这个条带之上，占全县泥石流灾害点的42.4％，其余的泥石流灾害点散布在其关内各乡镇(当地的习惯说法，将擂鼓镇以北的乡镇统称为关内，擂鼓、通口镇及其以南的乡镇称为关外)。蹦滑类的灾害点成密集散布状态，尤以关内各乡镇分布较多。按行政区域划分，关内乡镇灾害点多，小坝乡最多，达到149处，关外乡镇灾害点少，新县城永昌镇地处丘陵平原地带，没有地质灾害点。

从全县范围来看，地质灾害总体灾情严重。全县受威胁的宜居面积达到3 264.5万m2，总共威胁了9 688户，32 188人的安全，受威胁的总资产达到158 690万元。

2.3 灾害诱因多样，可防可治

这些灾害成因多样，综合起来主要有以下几点:

(1)地震对山体环境的破坏严重，环境尚未稳定。

(2)超强的降水激发了大量的地质灾害事件。2013年7月8-12日，全县范围内普降暴雨，降水的极值出现在老县城附近的石椅子观测站，5 d的总降水量达到625 mm，其中7月9日降水量最大，达到255 mm。

(3)部分房屋修建的选址或建筑方式不当。由于山区受地形条件的限制，重建后的房屋很多选址在沟口的堆积扇或河边的滩地之上，易受洪水、泥石流等灾害威胁;而选址于斜坡之上的建筑建设时开挖规模大、方式不当，也是诱因之一。另外灾后重建的建筑多以钢筋混凝土结构为主，房屋的自身重量大，加重了斜坡的荷载。

(4)大规模的道路建设，特别是乡村道路的建设，需要在聚落之间大量的开挖，也诱发了大量的地质灾害。

从灾害的规模上看，以小型的滑坡、崩塌灾害为主，其中小型灾害点1 099个，中型灾害点190个，大型灾害点25个，巨型灾害点4个。这些中小型的灾害点大多可以通过适当的工程措施加以治理，但由于点多面广，治理费用高昂，初步的评估表明，完全治理这些灾害点所需费用约26 444万元。

3 聚落空间的地质灾害灾情评价

乡镇一级的行政单元是地质灾害最基本的管理单位，因此，准确评价出县域内各行政单元的灾情，分析各自面临的灾害的特征，可以有效地指导境内各乡镇的防灾减灾工作。

3.1 评价单元

本次评价以乡镇一级的行政单元为最基本的评价单元。从灾情普查数据中，按乡镇单元提取了各自的灾害点数量、受威胁面积、受威胁户数、受威胁人数、受威胁财产以及防治费用等6个指标，用于灾情评价。

3.2 评价方法

由于这些数据维数高、变量多，而且变量之间存在较为显著的相关关系，很难直接抓住它们的主要信息。因此采用主成分分析方法来进行地质灾害灾情的综合评价，以一个综合定量的数值较完整地反映出各乡镇之间的灾情差异。

(1)主成分分析方法

主成分分析法由Hotlling于1933年提出的，该方法将原来指标重新组合成一组新的互相无关的若干个综合指标，同时根据实际需要从中选取几个较少的综合指标尽可能多地反映原来指标的信息，并给予新的命名，从而得到合理的解释性变量和最终的综合评价结果［4-5］。

设有指标X=(X1，X2…XP)'构成的P维随机向量，建立如下线性变换:

其中满足如下条件:

式中:Y1是(X1，X2，…XP)'的一切满足条件①的线性组合中方差最大者;Y2是与Y1不相关的(X1，X2，…XP)'所有线性组合中方差第二大者;其余以此类推。此时，Y1就是第一主成分，Y2是第二主成分，其余以此类推。

由于X的协差阵∑为非负定的，其特征方程(∑-λI)u1=0的根均大于零，不妨设λ1≥λ2≥…≥λp≥0。由拉格朗日方法可以知道Y1的方差为λ1，其相应的线性变化量u1为特征根λ1对应的单位化特征向量，Y2的方差为λ2，其相应的线性变化量u2为特征根λ2对应的单位化特征向量，其余依此类推。

为了降低问题的复杂度，通常不会保留p个主成分，而是取m＜p个主成分，使其方差累计贡献率满足用此m个主成分进行分析，即可以使信息损失不太多，又能达到减少变量、降低问题复杂度的目的，提高效率。

(2)数据处理过程

提取灾情普查数据中的灾害点数量X1(个)、受威胁面积X2(万m2)、受威胁户数X3(户)、受威胁人数X4(人)、受威胁财产X5(万元)以及防治费用X6(万元)等6个指标作为分析的依据。由于使指标变量的量纲不一致，所以首先对指标进行标准化处理，公式为:

式中:xij为原始数据，是第j个指标的第i次观察值;为样本指标均值;样本指标方差。

对这6个指标进行KMO和巴特利特球形检验，以检验指标是否适合进行主成分分析。表1所示为相关检验结果。

表1 KMO和巴特利特球形检验

由表1可知，KMO的值为0.527＞0.5，而且巴特利特球形检验的P值为0.000，说明通过显著性水平检验(α=0.05)，该组指标比较适合做主成分分析。

(3)方差贡献率和载荷矩阵

计算标准化数据的协方差矩阵，并求解协方差矩阵的特征根(表2)。

由表2可知，满足特征值大于1的因子为前2个，且贡献率为81.06％，前2个因子已经包含了原始变量中大部分信息，选用这2个因子作为主成分。计算这两个主成分与标准化指标的载荷矩阵，其结果如表3所示。

表2 总方差解释

表3 因子载荷矩阵

下面对变量所属成分进行划分。假设ZXi表示对原始值班标准化后的变量，标量fij代表成分j对变量ZXi的载荷值，若|fmj|≥0.5，则变量ZXm包含在第j主成分中。由表3可知，“主成分1”在受威胁户数(ZX3)、受威胁人数(ZX4)、受威胁财产(ZX5)这3个指标上具有较高的载荷值，由于这3个指标反映的是聚落中人员和财产受威胁程度，故命名为“聚落灾情因子”，记F1。“主成分2”包含了灾害点数量(ZX1)、受威胁面积(ZX2)、防治费用(ZX6)，反映的是聚落所占空间受威胁程度，故命名为“空间灾情因子”记F2。

(4)主成分的得分系数

下面计算这两个主成分F1和F2与标准化指标之间的得分系数矩阵，其结果如表4所示。

表4 主成分得分系数

根据表4，可以写出各主成分与各指标的关系:

由于，第一因子的贡献率为57.032，第二因子的贡献率为24.034，所以，根据贡献率对第一因子和的人因子进行加权，获得综合得分，综合得分的公式为:

表5 各乡镇主要灾情描述

图2 各乡镇的聚落灾情排序

3.3 评价结果

根据式(3)～(5)，计算出每个乡镇的综合得分，得分愈高者灾情愈重，排名愈靠前，图2是各乡镇的灾情排序情况，主要乡镇的灾情分述见表5。

4 结论与对策

(1)在超常降的水激发之下，2013年是北川县地质灾害的一个高发年份，灾害点数量多，造成的损失大。2013年与2008年汶川地震已有相距5年之久的时间，但地震所造成的直接和间接的影响依然存在。汶川地震的发震断层北川逆冲断层贯穿了擂鼓镇、陈家坝乡、曲山镇等乡镇，这三个乡镇灾情严重度位居前三，且以泥石流灾害最为严重，说明地震对山体破坏的直接影响仍然强大;离发震断层稍远的关内各乡镇的灾害以中小型的蹦滑类灾害为主，这也说明了汶川地震对山体破坏的潜在影响开始慢慢地显现。2013年大面积爆发的次生地质灾害也从一个侧面印证了文献［2］关于汶川地震地质灾害后效应的基本判断。

(2)由于县内自然环境条件差异及受汶川地震影响程度的不同，各乡镇之间的灾情差异明显，按行政单元对其进行灾情评价，弄清楚了各乡镇的灾情特点，厘清了它们之间关系，为上一级政府进行诸如制定乡镇社会经济发展指标、决定防灾减灾资金及技术力量的投向等行政决策提供了直接依据。

(3)汶川地震后，北川属人居环境安全度低的地区［6］。大面积爆发的地质灾害进一步恶化了北川地区的人居环境安全形势。为确保北川境内的聚落空间的安全，必须根据各地灾情的紧急程度、严重程度及其未来的发展趋势制定出相应的安全保障对策。总的来说，要遵从以下几个原则:①应急处理与长期治理相结合。对于灾情紧急，已直接威胁居住安全的灾害点，要采取相应的土木工程措施和应急排危措施加以治理，但从长远来看，还需加强生物治理措施，同时要减少不合理人类活动的扰动，逐步稳定和恢复当地的自然环境，从而达到降低山地灾害发生的可能性，确保居住环境安全;②工程治理与避让搬迁相结合。现有的这些灾害点大部分是可以通过工程治理、应急排危等保障措施来保障其安全，但对于一些危险程度高，耗资巨大且安全无法得到根本保障的居民点建议采取搬迁的措施，减轻当地安全保障的压力;③群测群防与政府主导相结合。区内的地质灾害在未来相当长的一段时间内仍将高发频发，积极发展政府主导下的群测群防机制，通过不断加强汛期的警戒水平，确保聚落空间的安全。

［1］齐信，唐川，铁永波.基于GIS技术的汶川地震诱发地质灾害危险性评价［J］.成都理工大学学报:自然科学版，2010，37(2):160-167.

［2］黄润秋.汶川地震地质灾害后效应分析［J］.工程地质学报，2011，19(2):145-151.

［3］李晓江，朱波，张高攀，等.北川灾后恢复重建村镇体系规划［J］.城市规划通讯，2011(6):14-16.

［4］王金亮，翁秀红.基于主成分分析法的泥石流危险度综合评价［J］.地质灾害与环境保护，2013，24(1):88-92.

［5］王璐，王沁.SPSS统计分析基础、应用与实战精粹［M］.北京:化学工业出版社，2012.

［6］樊杰.国家汶川地震灾后重建规划——资源环境承载能力评价［M］.北京:科学出版社，2009.

Analysis on the Geological Disasters Occurred in the Settlements Space in 2013 for the Beichuan Qiang Autonomous County

Tang Jiafa1and Wang Qing2
(1．Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chendu 610031，China; 2．School of Mathematics，Southwest Jiaotong University，Chendu 610031，China)

Beichuan Qiang Autonomous County was one of the hardest destroyed areas in the 2008Wenchuan earthquake.Many geological disasters occurred in the settlement space because of the heavy rainfall which lasted from the July 8 to 12 in 2013.The results of the field survey after the storm showed that there were about1318 settlements hurt by geological disasters，and these different kinds of geological disasterswere widely distributed in the county with heavy threatens.There are 23 towns in the Beichuan County;the geological disaster states are quite different among these towns.In order to evaluate the disaster state of these towns，six indexes of each town and the principal component analysis method are employed.The indexes include the numbers of the disasters，the area threaten by the disaster，the population threaten by the disaster，the family numbers threaten by the disaster，the property threaten by the disaster，and the disaster prevention costs.The evaluation result can tell the difference of the disaster state among the towns definitely，and it can be act as the administrative policy basis of the disaster management.

settlement space;geological disaster;disaster state;Beichuan Qiang Autonomous County of Sichuan Province

X43

A

1000-811X(2015)01-0087-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.01.017

汤家法，王沁.2013年北川聚落空间的地质灾害灾情分析［J］.灾害学，2015，30(1):87-91.［Tang Jiafa，Wang Qing. The analysis of the geological disaster occurred in the settlements space in 2013 for the BeichuanQiang Autonomous county［J］.Journal of Catastrophology，2015，30(1):87-91.］

2014-08-08

2014-09-10

教育部人文社会科学研究规划基金(12YJAZH124);中央高校基本科研业务费专项资金

汤家法(1971-)，男，安徽庐江人，博士，副教授，主要从事山地灾害与山地环境研究. E-mail:tajava@home.swjtu.edu.cn