基于GIS的5.12地震北川縣災害區(qū)劃研究

董廷旭，文星躍，張新合，陳朝鎮(zhèn)，劉 昊

(綿陽師范學院資源環(huán)境信息技術重點實驗室，四川綿陽621000)

0 引言

北川縣地處四川省綿陽市西北部，是四川盆地西北部向川西高原過渡的山區(qū)大縣，地理位置為東經103°44′～104°44′，北緯31°41′～32°14′。境內山高谷深，地層巖性和地質構造復雜，新構造運動強烈，采礦、筑路等人類工程活動頻繁。在上述自然及人為因素的綜合影響下，以滑坡、泥石流、崩塌為主的地質災害發(fā)育，活動頻繁。

2008年5月12日14時28分，四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)發(fā)生8.0級大地震，導致全省12個縣嚴重受損，同時全省以及全國的其他省市不同程度受到損害，其中北川羌族自治縣是遭受地震災害損失特別嚴重的縣之一。大地震導致全縣8 605人死亡，9 693人受傷，數(shù)千人失蹤(截至2008年6月17日)，震后滑坡、泥石流、崩塌等地質災害500余處，極大地破壞了縣域山地生態(tài)環(huán)境。為此，我們在進行編制災后重建規(guī)劃與實施規(guī)劃的同時，根據(jù)災害區(qū)劃理論和GIS空間分析技術，采用空間鄰域關系合并方法，開展北川縣震后災害區(qū)劃研究，為震后次生災害防治和生態(tài)重建規(guī)劃編制與實施提供科學依據(jù)。

1 地震災害區(qū)劃原則與方法

1.1 區(qū)劃原則

地震災害區(qū)劃是自然災害綜合區(qū)劃研究的的一部分，是通過研究地震災害損失程度的時空規(guī)律并對其進行區(qū)域劃分，以便為區(qū)域災后重建提供科學依據(jù)［1］。區(qū)劃原則是進行災害區(qū)劃的基礎，它為選取區(qū)劃指標、區(qū)劃方法、區(qū)劃等級等提供基本依據(jù)。因此，本項目在進行北川縣地震災害區(qū)劃方案設計時，主要遵循以下原則:(1)區(qū)域地震災害孕災環(huán)境的一致性和差異性。(2)區(qū)域地震災害致災因子組合類型、時空聚散、強度和頻度分布的一致性和差異性。(3)區(qū)域地震災害承災體類型、承災能力和抗災能力的一致性和差異性。(4)區(qū)域地震災害損失類型、損失程度的一致性和差異性。(5)綜合分析與主導因素相結合原則。

1.2 區(qū)劃方法

目前，在國內已有多位學者進行過全國性的和區(qū)域性自然災害和地震災害區(qū)劃研究工作［2－12］，主要方法有:地震帶區(qū)劃法、最大致災距和最小致災距區(qū)劃法、系統(tǒng)聚類區(qū)劃法、主成分聚類區(qū)劃法、基于GIS災害區(qū)劃法等。本研究采用了基于空間鄰域關系的區(qū)域合并方法(基于GIS災害區(qū)劃方法)，既考慮空間單元屬性信息，又考慮空間單元相互關系，使二者有機地結合起來，將定性與定量分析相結合運用于地震災害區(qū)劃評價。

基于GIS災害區(qū)劃法的基本思路是:根據(jù)災害系統(tǒng)理論，區(qū)域災害系統(tǒng)是由孕災環(huán)境、致災因子、承災體和災害損失共同組成的地球表層異變系統(tǒng)。災情(災害損失)區(qū)劃是自然災害系統(tǒng)綜合區(qū)劃的一種基本類型，因此，從孕災環(huán)境、致災因子、承災體和災害損失4個方面選取地震災害區(qū)劃所需基礎圖件并建立相應的地震災害數(shù)據(jù)庫，確定地震災害基本單元并篩選出地震災害區(qū)劃所需的量化指標，在GIS支持下，采用“自下而上”并結合“自上而下”的區(qū)劃方法來定量地進行地震災害綜合分區(qū)(圖1)。

1.3 區(qū)劃指標體系

進行地震災害區(qū)劃指標選擇，應該同時考慮地震災害系統(tǒng)各組成部分(孕災環(huán)境、致災因子、承災體和災情)、災情形成機制、地震災害區(qū)域分異規(guī)律等不同類別層次的因素。并結合國內外研究成果［5－12］，按AHP方法構建地震災害區(qū)劃指標體系(表1)。

圖1 技術路線和方法示意圖Fig.1 Technical route and method

表1 地震災害區(qū)劃指標體系Tab.1 Earthquake dissater regionalization system

2 北川縣5.12地震災害區(qū)劃

2.1 GIS軟件的選取

地震災害區(qū)劃研究過程中，無論基礎數(shù)據(jù)處理，還是過程數(shù)據(jù)管理、結果數(shù)據(jù)分析顯示等都涉及大量的空間數(shù)據(jù)(圖形數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù))和屬性數(shù)據(jù)，必須依托GIS軟件平臺進行數(shù)據(jù)與編輯、數(shù)據(jù)處理與管理、數(shù)據(jù)分析與輸出顯示。MAPGIS是一款集當代先進的圖形和圖像處理、地質、地理、遙感、測繪、人工智能學等于一體的高效全漢字智能軟件系統(tǒng)，是集地圖輸入、數(shù)據(jù)庫管理、空間數(shù)據(jù)分析于一體的空間信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有操作簡單、功能強大、界面友好等優(yōu)點，廣泛應用于地質勘探、礦產管理、環(huán)境保護、土地管理和城市建設等多個領域［13］。因此，本項目選用中地MAPGIS完成研究區(qū)災害區(qū)劃的數(shù)據(jù)采集、建庫、圖形編輯處理和區(qū)劃成果顯示等。

2.2 基礎數(shù)據(jù)準備及預處理

本項目所需基礎數(shù)據(jù)源包括圖形數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)和相關屬性數(shù)據(jù)三類，圖形數(shù)據(jù)主要包括:北川縣行政區(qū)劃圖(1∶10萬)、北川縣地形圖(1∶10萬)、北川縣地質圖(1∶10萬)、北川縣5.12地震地質災害點分布圖、5.12地震烈度圖、5.12余震分布圖;圖像數(shù)據(jù)主要有:北川縣5.12地震震前遙感影像圖(1∶10萬)、北川縣5.12地震震后遙感影像圖(1∶2.5萬)等;屬性數(shù)據(jù)主要包括:地質災害性調查表、地震災害損失統(tǒng)計表、縣域經濟狀況統(tǒng)計表等。

以上基礎圖形圖像數(shù)據(jù)收集齊全后利用MAPGIS平臺進行圖紙掃描、矢量化編輯、鑲嵌配準和誤差校正、格式轉換和數(shù)據(jù)更新處理等預處理，形成1∶10萬圖形圖像數(shù)據(jù)庫;利用Office Excels數(shù)據(jù)表和Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本單元構建相關屬性數(shù)據(jù)庫。

2.3 區(qū)劃指標量化

2.3.1 孕災環(huán)境敏感度。地震災害孕災環(huán)境敏感度因子主要包括區(qū)域地形地貌、地層巖性、地質構造以及人類工程等，它們反映區(qū)域環(huán)境對地震災害的敏感性或穩(wěn)定性。北川縣孕災環(huán)境的敏感度考慮區(qū)域自然環(huán)境的綜合情況并結合GIS處理的方便，主要考慮地貌類型、巖性類型、地質構造類型、建設用地(城鎮(zhèn)用地、農村居民地、交通用地、水利設施用地等)密度這4個因子，采用等級比重與專家評分結合法評定各因子不同類型對地震災害的敏感性程度的特征值(表2)，利用震前北川縣1/10萬地貌類型圖、地質圖和土地土地利用現(xiàn)狀圖分別提取評價單元各因子特征值，然后利用以下公式計算孕災環(huán)境敏感度，即

式中:F1為敏感度;wi為第i種孕災環(huán)境因子對地震災害敏感性權重(0.4，0.2，0.2，0.2);wj為第 i種孕災環(huán)境因子 j種類型對地震災害敏感性權重(0.3，0.25，0.2，0.15，0.1);F1j為第 i種因子 j種類型特征值。

得到敏感度后，按三級將研究區(qū)域自然環(huán)境分為高敏感度區(qū)、中敏感度區(qū)、低敏感度區(qū)3個不同敏感度等級。其分等賦值分別為 1.0，0.6，0.3。最后得到研究區(qū)域敏感度分區(qū)圖(圖2)。

2.3.2 致災因子風險度。致災因子風險度主要考慮區(qū)域地震致災因子的主震烈度、余震頻數(shù)和次生災害密度3個指標，其風險度評價等級標準見表3。致災因子地震烈度表示地面及房屋等建筑物遭受地震破壞的程度，根據(jù)5.12汶川地震烈度分布圖提取北川縣5.12地震烈度分布圖;余震頻數(shù)是指縣域內5.12地震發(fā)生后的4.0級以上的余震次數(shù)，表示縣域余震災害發(fā)生次數(shù)的高低(統(tǒng)計5.12主震后至2008年12月30日);地震次生地震災害密度指境內滑坡、泥石流、崩塌和堰塞湖等地質災害單位面積出現(xiàn)的點數(shù)。

表2 孕災環(huán)境因子及敏感性等級指標Tab.2 The assessment factor and related sensibility grade of disaster-pregnant environment

圖2 北川縣孕災環(huán)境災害敏感度圖Fig.2 The sensibility map of hazard-formative environment in Beichuan County

致災因子風險度F2采取權重的方法來轉換，計算公式如下，即

式中:F21i為區(qū)域余震頻數(shù)特征值;F22i為區(qū)域地震烈度特征值;F23i為次生災害特征值。

得到致災因子風險度值F2后，采用對稱不等分間隔的5級分割法劃分北川縣區(qū)域致災因子風險度等級，并賦予各等級如下特征值:極高為1、高為0.8、中為0.5、低為0.2、極低為0。最后得到致災因子風險度等級值(表3)和致災因子風險度圖(圖3)。

表3 致災因子及風險度等級指標Tab.3 The disaster-causing factor for assessment and its risk grade

圖3 北川縣地震災害致災因子風險度圖Fig.3 The risk map of hazard-formative factors in Beichuan County

2.3.3 承災體因子脆弱度。承災體因子脆弱度主要用人口密度、經濟密度和生態(tài)穩(wěn)定性3個指標來反映。從北川縣社會、經濟和生態(tài)環(huán)境的基礎數(shù)據(jù)庫中提取各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))人口、GDP和生態(tài)穩(wěn)定性3個數(shù)據(jù)，利用MAPGIS圖形庫和屬性庫管理功能制作人口密度、經濟密度和生態(tài)穩(wěn)定性圖，并將它們分別劃分為極低、低、中、高、極高5 個等級，并分別賦值為 0.1，0.2，0.5，0.8，1，具體等級劃分見表4，然后賦予人口密度等級值、經濟密度和穩(wěn)定性等級值相應權重(0.4，0.4，0.2)，三者相加得到承災體的脆弱度F3，計算公式為

式中:F31i為人口密度等級值;F32i為經濟密度等級值;F32i為脆弱度等級值。

表4 承災體因子及脆弱度等級指標Tab.4 The vulnerability degree of disaster-affected factor

同時，采用對稱不等分間隔的5級分割法，將脆弱度分成極低、低、中、高、極高5個等級，最后通過MAP－GIS空間疊加分析生成北川縣承災體脆弱度分布圖(圖4)。

圖4 北川縣承災體脆弱度圖Fig.4 The fragility tolerance map of hazard-affected bodies in Beichuan County

2.3.4 災情因子:地震產生的災害損失程度。用人員傷亡(受傷、死亡和失蹤)、經濟損失(工業(yè)損失、農業(yè)損失、房屋損毀、生命線破壞)和環(huán)境破壞程度(次生裸地密度)等指標來反映。從北川縣5.12地震災情數(shù)據(jù)庫中提取各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人員傷亡(受傷、死亡和失蹤)、經濟損失(房屋損毀、生命線破壞)指標值，從震后遙感影像圖提取次生裸地，并將他們分別劃分為極低、低、中、高、極高5 個等級，并分別賦值為 0.1，0.2，0.5，0.8，1，具體等級劃分見表5，然后賦予人員傷亡等級值、經濟損失程度等級值和環(huán)境破壞度等級值相應權重(0.4，0.4，0.2)，三者相加得到地震災害的災情度F4，其計算公式為

式中:F41i為人員傷亡等級值;F42i為經濟損失等級值;F43i為環(huán)境破壞程度等級值。

得到地震災害的災情度F4后，將災情度分成極低、低、中、高、極高5個等級，通過空間疊加分析生成災情度分布圖(圖5)。

表5 災情因子及災情度等級指標Tab.5 The factor of loss and its degree caused by earthquake damage

圖5 北川縣災情度圖Fig.5 The loss map of hazard-affected bodies in Beichuan County

2.4 地震災害區(qū)劃基本單元生成

地震災害區(qū)劃基本單元是指根據(jù)地震災害系統(tǒng)各組成要素致災空間逐級劃分形成的最小的均質單元(即地震災害易發(fā)區(qū)基本單元)。北川縣地震災害區(qū)劃基本單元是在MAPGIS平臺支持下，將研究區(qū)按1.5 km×1.8 km(經度1分×緯度1分)進行單元格劃分，與北川縣地質災害形成條件及影響條件專題地圖進行疊置分析得到51個基本單元。

2.5 災害區(qū)生成

以地質災害易發(fā)區(qū)基本單元圖為基礎，結合5.12地震北川縣災害敏感度級、風險度、脆弱度和災度圖，首先利用MAPGIS空間分析子系統(tǒng)進行空間疊加分析，并加權求和計算各區(qū)劃基本單元的綜合值C，敏感度、風險度、脆弱度和災度權重分別為 0.2，0.3，0.2，0.3;其次按區(qū)劃原則，提取各C值并按C ＜0.2，0.2≤ C ＜0.40，0.40≤C ＜0.60，C≥0.60分為4個等級，再次進行圖斑合并及碎塊處理，同時，結合“自上而下”的區(qū)劃方法修正界線，將北川縣地震災害分為4個災害類型區(qū)(圖6)，極重災區(qū)1 個，面積為792.01 km2，占27.64%;較重災區(qū)4個，面積為69.73 km2，占26.87%;重災區(qū)2個，面積為542.40 km2，占18.93%;一般災區(qū) 2個，面積為760.85 km2，占 26.56% 。

圖6 北川縣災害綜合區(qū)劃圖Fig.6 The comprehensive disaster regionalization map for earthquake damage in Beichuan County

3 結論與討論

(1)在GIS支持下，根據(jù)自然災害和抗震減災理論，建立孕災環(huán)境、致災因子、承災體和災情等因子的空間特征和屬性特征數(shù)據(jù)庫，通過空間疊置分析能快速提取災害區(qū)劃單元的敏感度、風險度、脆弱度和災度特征值及綜合特征值，進而利用綜合特征值依據(jù)空間鄰域關系和“自下而上”區(qū)劃合并方法自動形成區(qū)域地震災害綜合區(qū)劃方案，實現(xiàn)了各種指標的定量描述和綜合運算，可視化評價地震災害的空間差異。此區(qū)劃方法既提高了研究結果的精度，又為災后重建規(guī)劃編制提供了決策支持。

(2)5.12地震北川縣災害區(qū)劃方案按照上述方法依據(jù)地震孕災環(huán)境、致災因子、承災體和災情4個指標13個因素21個因子特征值的區(qū)域空間分異，將北川縣地震災害劃分為極重災區(qū)、較重災區(qū)、重災區(qū)和一般災區(qū)4種類型區(qū)，客觀地反映了縣域尺度地震災害的區(qū)域差異，為政府職能部門確定災后恢復重建宏觀決策和制定災害治理規(guī)劃提供基礎依據(jù)資料。在災后重建和災害治理過程中，實現(xiàn)分區(qū)域、分重點、分時段開展地震災害治理工作，減少地震次生災害損失和保護人民生命財產安全，加快區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復。

(3)本研究在計算孕災環(huán)境敏感度、致災因子風險度、承災體脆弱度和災情損失度等影響因子時，數(shù)據(jù)采集與評價方法不一致，得到的因子影響狀況也不盡相同，需要進一步野外考察驗證。

(4)縣域尺度的地震災害區(qū)劃研究是一項復雜的工作，影響因子眾多，要完全定量分析孕災環(huán)境敏感度、致災因子風險度、承災體脆弱度和災情損失度等影響因子有一定困難，本研究借助GIS技術在此方面做出探索，但還有待于進一步完善，比如，孕災環(huán)境因子、致災因子、承災體因子和災情因子之間的相關性、耦合性機制分析等。

［1］任魯川.自然災害綜合區(qū)劃基本類型與定量方法［J］.自然災害學報，1999，8(4):41 －48.

［2］史培軍.再論災害研究的理論與實踐［J］.自然災害學報，1996，5(4):6 －12.

［3］傅志軍，郭俊理，王紅梅.寶雞市地震災害區(qū)劃［J］.寶雞文理學院學報(自然科學版)［J］.1999，17(2):58－59.

［4］王蘭民，袁中夏，石玉成，等.黃土地震災害區(qū)劃指標與方法研究［J］.自然災害學報，1999，8(3):88－93.

［5］傅志軍，衛(wèi)旭東.自然災害區(qū)劃的理論與方法［J］.陜西師范大學學報(自然科學版)，1998，26(S1):232－234.

［6］王平.基于地理信息系統(tǒng)的自然災害區(qū)劃的方法研究［J］.北京師范大學學報(自然科學版)，2000，36(3):410－416.

［7］蔣勇軍，況明生，李林立.GIS支持下的重慶市自然災害綜合區(qū)劃［J］.長江流域資源與環(huán)境，2003，12(5):487－492.

［8］張海峰，白永平，劉峰貴.基于GIS的青南高原自然災害綜合區(qū)劃研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2008，22(7):99－105.

［9］Mark T J T，Cees I V W.Deterministec Modeling in GISBased Landslide Hazard Natural Hazards［M］.Netherlands:Kluwer Acadmic Publishers，1995.

［10］毛國敏，鄒其嘉，曹新玲，等.關于建立地震災害指標體系的研究——地震災情的綜合信息系統(tǒng)［J］.災害學，1990，24(3):7 －15.

［11］趙衛(wèi)權.基于ArcView－GIS的自然災害信息管理系統(tǒng)［J］.石河子大學學報(自然科學版)，2007，25(3):385－389.

［12］苗崇剛.地震災害損失評估［J］.自然災害學報，2000，9(1):105－108.

［13］董廷旭.地理信息系統(tǒng)實習教程［M］.成都:西南財經大學出版社，2006.