基于泥石流风险的山区聚落适灾能力研究

田述军，伍文洽，谭 超

（西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010）

引言

从“避灾”、“抗灾”、“减灾”到“适灾”是人类物质技术和人类认识自然环境及其与人类活动关系的进步。适灾的规划设计思想，源自我国历史上“兼重天人”的哲学思想和成功的防灾实践，大禹治水“决九川距四海”、都江堰水利工程“分四六，平潦旱”、东汉时期防震木结构技术，反映了改造自然以“减灾”和顺应自然以“适灾”［1－2］。适灾可以理解为城市空间对于灾害的“适应”和“承受”能力，表现为城市空间具有弹性，可通过改造空间以避免某些灾害发生，也可通过强化空间以承受灾害发生而使灾害的损失减到最低，甚至避免损失［3］。已有建筑学和城乡规划学学者主要从哲学基础、内涵和研究内容等方面对适灾开展研究［4－6］，丰富和完善了适灾的理论框架、研究目标和研究内容，但由于涉及特定灾害类型的理论和成灾规律，现有研究还未能实现对适灾指标体系和适灾能力的量化。

泥石流堆积区（沟道与河流交汇处）因其地势相对平坦、土地肥沃、取水便利，成为土地资源稀缺的山地环境人类聚居区，我国576座县城和1 300多个乡镇位于泥石流堆积区。2010年8月8日，位于古泥石流冲积扇上舟曲县城发生泥石流，由于城市建筑占据泥石流排泄通道，造成1 861人遇难和失踪。过去的土地利用规划因学科差异等原因也难以兼顾和开展泥石流危险性分区或泥石流预测［7－8］，防灾减灾一直是这类区域规划的难点和薄弱环节，也是新一轮国土空间规划的重要内容。

文中以泥石流运动规律和成灾规律为基础，提出泥石流适灾概念模型，并根据土地利用规划形成单体建筑和聚落建筑布局方案，通过风险评价建立单体建筑和建筑布局方案的适灾能力评价方法，对不同概率泥石流单体建筑和建筑布局方案的适灾能力进行量化和评价，在此基础上提出聚落适灾能力的提升策略。

1 研究方法

1.1 适灾概念模型

联合国教科文组织将自然灾害风险定义为危险性与易损性的乘积［9］，其值位于0（0%）到1（100%），针对泥石流而言，泥石流风险可按式（1）表示，

式中：R为泥石流风险值，H为泥石流危险度，V为泥石流易损度。

泥石流属于重力地质灾害，泥石流运动过程中，以主沟线（海拔低处）为中心，流速和泥深向两侧逐渐减小，由于主沟线（主流线）流速大，使其携带大块石的能力也强，即动能和冲击力也强。泥石流主要通过掩埋和冲击破坏建筑方式成灾，即在泥石流影响范围内泥石流深度（泥深）和泥石流流速是影响泥石流危险性的主要因素。由于泥石流的上述运动规律和成灾规律，建筑与泥石流的空间位置关系决定其危险性大小，当建筑位于图1中1处时，受泥石流作用影响的面流速和泥深最大，图1中单体建筑危险性为1＞2＞3＞4。同时，单体建筑因建筑结构类型不同，抵抗灾害破坏的能力也不同，即易损性不同，根据现场调查，相同泥深和流速情况下，易损性为钢架结构＞砖木结构＞砌体结构＞砖混结构＞框架结构。基于上述危险性和易损性的特征，我们可以通过量化这些特征实现单体建筑风险的定量评价，进而对由不同单体建筑组成的聚落（建筑布局方案）的风险进行评价。

图1 泥石流与聚落适灾示意图Fig.1 Schematic diagram of debris flow and settlement disaster adaptability

泥石流适灾是通过优化单体建筑要素（增大与主沟线距离、减小建筑长轴方向与泥石流流向夹角或采用更好的建筑结构类型等）方式适应泥石流的成灾规律，减小泥石流对单体建筑造成的损失。可以看出，适灾能力评价与风险评价是对立统一的关系，即通过对单体建筑或聚落泥石流风险进行评价，能揭示不同单体适灾能力的大小（式（2））。由于风险评价是对聚落建筑损失被动和静态的评价，而适灾能力评价则有助于我们从规划视角，通过对聚落不同单体建筑和建筑布局方案的适灾能力进行评价与分析，提出其优化策略。

式中：S为单体建筑或聚落的适灾能力值［0，1］；R为单体建筑或聚落的风险度［0，1］。

1.2 聚落建筑布局方案

采用无人机航拍和现场调查，可获取单体建筑类型、结构类型、空间位置、高度、面积等数据。按建筑功能类型（工商业、公共服务和居住）对聚落单体建筑进行统计和分类［10］，即可得到现状建筑布局方案（以下简称现状）。

现状建筑布局方案受历史、政策、灾害和文化长时间作用和影响，特别是在西南少数民族山区，即使有土地利用规划，由于建筑用地稀缺，执行力度较差，另外，由于历史上遭受过泥石流灾害的影响，建筑布局在保持民族特色的同时，也融入了“趋利避害”思想进行防灾减灾，因此，现状建筑布局方案的形成是受土地利用规划、居住习俗和防灾减灾思想共同作用的结果。为了量化和比较三者对适灾能力的影响，在保持现状建筑布局方案工商业、公共服务和居住3类建筑现状面积基本一致的前提下，规划不同的建筑布局方案，即用地类型建筑布局方案（代表严格按照用地类型进行建筑布局）、居住习俗建筑布局方案（代表传统聚落沿河道和沟道两侧布置，建筑朝向和结构一致的习俗）、防灾减灾建筑布局方案（代表充分考虑泥石流运动和成灾规律）。

1.3 聚落泥石流危险性评价

泥石流对建筑的破坏方式主要是掩埋与冲击破坏，采用Massflow软件分别对泥石流进行数值模拟，可获取不同发生概率下泥石流的范围、流速和泥深。在建筑矢量化的情况下，提取每栋建筑对应的泥深和流速，根据对泥石流危险度的定义［11］，可计算不同布局方案中单栋建筑的泥石流危险度（式（3））。

式中：H i为第i个建筑的泥石流危险度［0，1］；H ih为第i个建筑泥深的危险度；H iv为第i个建筑流速的危险度；h为该栋建筑泥石流泥深；v为该栋建筑泥石流流速。

1.4 聚落泥石流易损性评价

易损性是建筑可能遭受泥石流灾害破坏的损失和严重程度，需要对建筑的价值和泥石流破坏严重程度进行量化。根据当地建设局调研并参考中国农村居民住房现状分析［12］确定研究区建筑单位面积造价，各种结构类型建筑单价取值见表1。根据无人机航拍和现场调查确定的每栋建筑面积和层高，结合建筑单价，可根据式（6）计算单栋建筑的价值。

表1 不同建筑结构类型造价Table 1 Cost of different building structure types

式中：P为单栋建筑的价值；A为建筑物单层面积（m2）；F为建筑物层高数；I为建筑物结构类型的造价（元/m2）。

根据前述泥石流运动规律和成灾规律，以建筑距泥石流主沟线距离、建筑结构类型、建筑长轴方向与泥石流流向夹角（以下简称方向夹角）、建筑类型作为建筑可能遭受泥石流破坏严重程度的易损性评价因子。距主沟线距离是指建筑质心点距泥石流主沟线的垂直距离，主沟线泥石流流速和泥深最大，距离越近，建筑可能遭受泥石流的破坏越强；建筑结构类型的强度越低，可能遭受泥石流的破坏越强；建筑长轴方向与泥石流流向夹角越大，建筑受泥石流影响的受力面越大，对建筑的影响也越大；在相同泥石流破坏情况下，由于建筑功能不同，其造成的损失也有差异。根据舟曲、七盘沟、锄头沟等泥石流灾害现场调查，上述因子对建筑易损性影响程度为：距主沟线距离＞建筑结构＞方向夹角＞建筑类型。

由于单栋建筑易损性是上述因子的综合，而要比较不同建筑和建筑布局方案易损性的差异，需要确定不同因子在易损性评价中的权重，为了避免主观因素的影响，文中采用黄金分割法确定不同因子及因子不同类别的权重。黄金分割法（0.618法）能对层级和层级内部不同因素的重要性进行划分，是公认的美学定律，不仅广泛应用于音乐、绘画、雕塑等艺术形式和建筑之中，在自然、科学以及日常生活领域也得到了广泛的应用。著名数学家华罗庚在20世纪60年代开始推广“优选法”，而“优选法”中最著名的就是“0.618法”［13］，不同因子和类别的权重值如表2所示。

表2 易损性评价指标与权重Table 2 Evaluation index and weight of vulnerability

由于不同单体建筑的易损性指标因子不同，对每栋建筑的指标类别进行统计，根据公式7计算其建筑易损度，并按式（8）计算其归一化后的易损度，使其值位于0～1之间。

式中：V i和V′i分别为第i个建筑易损度和归一化后的易损度［0，1］；n1、n2、n3、n4为第i个建筑不同因素类别对应的权重值；Vmax、Vmin分别为建筑布局方案中易损度的最大值和最小值。

1.5 聚落泥石流风险与适灾能力评价

在上述危险性和易损性评价基础上，即可根据式（1）计算单体建筑风险度，在此基础上根据公式（2）计算单体建筑适灾能力，并按式（9）和式（10）分别计算建筑布局方案适灾能力总值和归一化后的适灾能力总值。

式中：S和S′i为某建筑布局方案适灾能力总值和归一化后的适灾能力总值［0，1］；S n为第n个建筑的适灾能力值；Smax、Smin分别为不同泥石流发生概率下所有建筑布局方案适灾能力总值的最大值和最小值。

2 研究案例

2.1 案例区概况

七盘沟村位于四川省阿坝州汶川县威州镇，距汶川县城西南约5 km处，属镇域镇村体系的中心村，常住人口为7 000人。七盘沟沟口为七盘沟村集中聚居区，属于河谷聚落中的堆积扇聚落与沟谷聚落结合形态，上游区域为沟谷型聚落，下游沟口为典型堆积扇聚落（图2）。七盘沟流域总面积约50 km2，沟口海拔1 280 m，流域最高海拔4 330 m，高差达3 050 m，沟口紧靠岷江左岸，流域内为高山峡谷地貌，地势呈东南向西北递减趋势，主沟长15.8 km，沟内多跌水，沟床纵坡较陡，平均沟床比降170‰，共有18条超过1 km的支沟，沟谷切割密度为每平方千米范围内1.11 km。

图2 研究区概况图Fig.2 The study area

陡峭的地形、风化作用和地震形成的大量松散物质为七盘沟泥石流形成提供良好条件。1961-2013年七盘沟发生泥石流12次，形成了沟口面积约1.04 km2的堆积扇［14］。2013年7月11日主沟爆发大规模泥石流，一次性冲出固体物质达78.2万方，沟口受灾面积0.46 km2，造成8人遇难，6人失踪，居民737户2 800余人受灾，损毁285户住房及7家企业，淤埋损坏都汶高速200 m，损毁213国道180 m，直接经济损失约4.15亿元，沟口挤占岷江约1/2河道，壅高岷江水位约3 m。

2.2 案例区建筑布局方案

将现有建筑按工商业、公共服务和居住3种类型分别统计面积（图3（c）、（d）），在保持三类建筑现状面积基本一致的前提下，规划不同的建筑布局方案（表3）。以2009年和2013年土地利用规划方案用地类型设置建筑类型（图3（a）、（b）），形成2009年和2013年建筑布局方案（以下简称2009年和2013年，图3（e）、（f））；按照传统聚落沿河道和沟道两侧布置的习俗，保持建筑朝向和结构一致，形成居住习案建筑布局方案（以下简称居住习俗，图3（g））；在充分考虑泥石流运动和成灾规律基础上，按照2013年土地利用规划形成防灾减灾建筑布局方案（以下简称防灾减灾，图3（h））。除现状外，其它方案在距离主沟道20 m范围内均不设置建筑。

图3 土地利用规划与建筑布局方案Fig.3 Land use planning and building layout schemes

3 分析与讨论

3.1 不同泥石流概率对受灾建筑数量的影响

采用Massflow软件对不同发生概率下泥石流进行数值模拟，泥石流的范围、流速和泥深如图4所示，其中，20年一遇泥石流数值模拟的影响范围及对建筑的影响与2013年“7.11”泥石流现场调查和相关学者的研究吻合［15］。在此基础上统计不同概率条件下不同建筑布局方案受泥石流影响的建筑数量及类型（图5）。

图4 不同泥石流概率泥深和范围Fig.4 Mud depth and range with different debris flow probabilities

图5 不同泥石流概率条件下受影响建筑数量与类型比率Fig.5 Ratio of number and type of buildings affected under different debris flow probabilities

相同泥石流概率（规模）情况下，不同方案受泥石流影响建筑数量总体表现为：现状＞居住习俗＞2013年＞防灾减灾＞2009年，不同建筑类型受影响比率以居住建筑为例，总体表现为：居住习俗＞2009年＞现状＞2013年＞防灾减灾，由于2009年方案建筑数量最少，使其受影响数量最少，但由于其居住建筑更靠近主沟线，受影响比率仅次于居住习俗，而居住习俗方案中的居住建筑主要沿主沟线两侧修建，使其受影响比率最高，防灾减灾方案优先考虑居住建筑的安全和用地，受影响比率最低。同时，随着泥石流发生概率增大，泥石流规模和影响范围也增大，不同建筑布局方案受影响的建筑数量均增加，说明即使是充分考虑泥石流运动和堆积规律的防灾减灾方案在用地紧张的情况下也不能完全避免灾害的影响。

3.2 单体建筑适灾能力评价

单体建筑适灾能力是多种因素共同作用的结果，以距主沟线距离为例进行统计分析。统计距主沟线不同距离范围内建筑数量及其适灾能力均值，如图6所示。不同建筑布局方案还和泥石流发生概率，适灾能力均值都表现为随距离增大而越大，说明距主沟线距离是影响建筑适灾能力的主控因素；随着泥石流规模的增大，受影响建筑总量现状方案增加最多，防灾减灾方案最小；不同泥石流概率条件下，适灾能力均值均表现为防灾减灾＞2013年＞居住习俗＞2009年＞现状，现状方案在距离主沟线小于50 m范围的适灾能力均值最小，且不同建筑布局方案在距离主沟线大于200 m的建筑适灾能力均值均接近1；现状方案部分建筑修建在距离主沟线小于20 m的区域，而其它方案在这一区域均未设置建筑，当距主沟线大于200 m后，部分建筑虽然位于泥石流堆积范围内，但由于泥石流流速和泥深很小，其受影响程度可忽略不计。

图6 距主沟线不同距离受影响建筑数量及其适灾能力均值Fig.6 The number of buildings affected by debris flow in different distances from main trench line and the mean of disaster adaptability

3.3 建筑布局方案适灾能力评价

根据式（10）计算建筑布局方案适灾能力归一化值，它是受泥石流影响的建筑适灾能力之和（由受影响建筑数量及其适灾能力共同决定），用于对比不同布局方案的适灾能力，如图7所示。

图7 不同建筑布局方案适灾能力Fig.7 Disaster adaptability of different building layout schemes

以20年一遇泥石流现状方案和防灾减灾方案为例，虽然现状方案受影响建筑数量为防灾减灾方案的3.52倍，但其适灾能力值（0.59）明显小于防灾减灾方案（1.00），说明其单栋建筑的适灾能力普遍较低。不同建筑布局方案适灾能力总体为防灾减灾＞居住习俗＞2013年＞2009年＞现状，随泥石流规模增大，不同方案适灾能力均降低，防灾减灾方案降低最小，说明防灾减灾建筑布局方案能较好的适应灾害，降低灾害对聚落的影响，但在人地矛盾的情况下，仍有较多的建筑位于泥石流范围内，不能完全避免泥石流的影响；居住习俗建筑布局方案虽然受影响的建筑数量仅次于现状方案，但由于其靠近主沟线建筑的长轴方向与主沟线平行，降低了泥石流的作用面积，其适灾能力值仅次于防灾减灾方案；根据当地建设局的反馈，2009年和2013年土地利用规划均未考虑泥石流的影响，而2009年居住用地面积18.12 ha偏少（2013为23.22 ha），且集中位于主沟线两侧，造成以此为基础设置的2009年建筑布局方案在100年一遇泥石流条件下适灾能力最低。

4 适灾能力提升策略

与文中案例区相似，舟曲县城位于古泥石流冲积扇上，从1823年到1993年，先后发生过10余次重大泥石流灾害事件。除泥石流本身规模大以外，大量居住建筑占据泥石流排泄通道是造成“8.8”舟曲泥石流灾情严重的主要原因（图8），是新中国成立以来破坏性最强、死亡人数最多的一次泥石流灾害［16］。舟曲泥石流事件是建筑用地稀缺的西南山区人地矛盾的典型代表，也说明遵循自然灾害成灾规律，提升建筑和建筑布局方案的适灾能力，从而降低泥石流造成的损失十分必要。

图8 “8.8”泥石流前后的舟曲县城Fig.8 Zhouqu County before and after the"8.8"debris flow

根据案例区单体建筑和建筑布局方案适灾能力分析，在土地资源有限的情况下，无论何种建筑布局方案，都不能完全避免泥石流的影响，但可以在泥石流运动特征和成灾规律基础上，通过优化地类使用、单体建筑空间分布和建筑布局降低泥石流对聚落的影响，以下从空间适灾、选址适灾、强度适灾3个方面和层次讨论提升聚落适灾能力的策略。

4.1 空间适灾

空间适灾是根据泥石流的影响空间范围和不同空间内泥石流的运动和堆积规律，按照其适灾能力进行空间和用地类型划分。现状方案部分建筑位于距主沟线小于20 m区域是其适灾能力低的主要原因，结合根据前述单体建筑距主沟线距离的适灾能力分析，以七盘沟为例，可将建设区域距主沟线距离相应地划分为禁建区（小于20 m）、慎建区（20-50 m）、可建区（50-200 m）、宜建区（大于200 m），其中上游泥石流流通区地形较陡，泥石流速度和泥深较大，只划分为禁建区和慎建区，而泥石流从上游流通区进入堆积区后地形约束减弱，泥石流流速和泥深减小，泥石流将向两侧扩散形成堆积扇，因此，位于堆积区的可建区根据地形特点从上游向下游略有扩大（图9）。

图9 空间适灾分区与防灾减灾建筑布局方案Fig.9 Spatial disaster suitable zoning and building layout scheme for disaster prevention and mitigation

禁建区由于距离主流线近，泥石流发生时流速和泥深均较大，不适宜规划建筑和作为建设用地；慎建区适宜规划为绿地与广场用地，在用地紧张的情况下，可考虑规划为工业用地和商业服务业设施用地；可建区适宜规划为公共管理与公共服务用地和居住用地；宜建区应尽可能规划为居住用地。

4.2 选址适灾

选址适灾是在空间适灾基础上，根据建筑的功能类型和地块类型，对不同功能建筑进行适灾选址，降低泥石流对建筑的影响，提升建筑布局方案的适灾能力。禁建区不建议设置建筑，可列为防灾治理工程的缓冲地段；慎建区尽量少建建筑，可设置为生态涵养区，七盘沟沟道北侧海拔略高于南侧，泥石流发生时受影响的程度相对较小，因此宜在北侧布置主要的商业中心，沟道南侧布置普通工商业建筑；可建区先考虑居住建筑和公共服务建筑，其次是工商业建筑；宜建区应优先设置居住建筑，有余地再考虑其它建筑。

4.3 强度适灾

强度适灾是在空间适灾和选址适灾基础上，对泥石流影响范围内单体建筑强度进行优化设置，以提高其适灾能力。在选址适灾确定单体建筑空间位置后，根据聚落单体建筑适灾能力评价结果，按其所在空间适灾分区对其建筑结构和建筑方向进行优化，降低泥石流的破坏强度。单体建筑距离主沟线距离应不低于20 m，即前述禁建区范围；除宜建区外，慎建区内的建筑结构应以框架结构为主，最低不能低于砖混结构，可建区内的建筑根据距离主沟线距离确定结构类型；除宜建区外，位于沟道两侧的建筑应尽量采取建筑长轴方向与沟道平行布设，远离沟道的建筑尽量控制方向夹角在30°以内。

5 结论

本研究从泥石流灾害运动规律和成灾规律角度，提出了泥石流适灾概念模型，并以风险评价为基础，建立了单体建筑和建筑布局方案的适灾能力评价方法，对聚落不同建筑布局方案的适灾能力进行了评价，在此基础上对提出了聚落适灾能力的提升策略，主要结论如下：

（1）不同建筑布局方案和泥石流发生概率条件下，单体建筑适灾能力均值都表现为随距离增大而越大，距主沟线距离是影响建筑适灾能力的主控因素；距离主沟线大于200 m的单体建筑适灾能力均值均接近1，其受泥石流影响程度可忽略不计。

（2）不同建筑布局方案适灾能力总体为防灾减灾＞居住习俗＞2013年＞2009年＞现状，随泥石流规模增大，不同方案适灾能力均降低，防灾减灾方案降低最小，防灾减灾建筑布局方案能较好的适应灾害，降低灾害对聚落的影响，但在土地资源有限的情况下，仍不能完全避免泥石流的影响。

（3）从空间适灾角度，按距主沟线距离将建设区划分为禁建区、慎建区、可建区、宜建区；从选址适灾角度，宜在沟道海拔相对高的区域布置主要的商业中心，可建区先考虑居住建筑和公共服务建筑，宜建区应优先设置居住建筑；从强度适灾角度，慎建区内的建筑结构应以框架结构为主，除宜建区外，位于沟道两侧的建筑应尽量采取建筑长轴方向与沟道平行布设。