柳元程，王培茗，李知遠

(云南大學 建筑與規(guī)劃學院，云南 昆明 650500)

0 引言

地震對人類居住地，尤其是對鄉(xiāng)村聚落會造成巨大破壞(林均岐，劉金龍，2021；劉紹昌等，2021)。鄉(xiāng)村聚落的分布形式因聚落內部分或全部房屋建筑倒塌重建而發(fā)生改變(齊文華等，2012)，聚落新的分布特征是村民在趨利避害思想引導下，自發(fā)選擇相對安全的區(qū)域進行建設而形成的(任曉蕾，2012)。因此，研究地震前后鄉(xiāng)村聚落的演變特征對了解村莊選址的安全性以及未來鄉(xiāng)村聚落布局優(yōu)化及聚落建設安全性有重要意義。

鄉(xiāng)村聚落作為農村居民生產、生活的聚居場所(馬利邦等，2022；張慧等，2022)，其研究主要聚焦于分布特征(劉志林等，2021)、演變特征(紀惠文，查小春，2022)、優(yōu)化布局(毛琦紅，2021)、驅動機制(楊斌等，2021)、空間重構(金利霞等，2020)等方面，并且從定性逐漸轉向定量研究。鄉(xiāng)村聚落分布的演變一直是國內外學者研究的熱點，研究區(qū)域涵蓋平原、山地丘陵、沿海等，研究內容包括演變格局、演變機制、演變過程等，演變驅動因素涉及社會經濟因素、區(qū)位因素、自然因素、政策因素的復合影響。其中關于自然因素下的災害因素導致的鄉(xiāng)村聚落演變研究，國外學者主要關注洪水(Karunarathne，2021)、氣候(Nichols，2019)、滑坡(Vaculisteanuetal，2019)災害下的聚落演變機制，方法上多采用深入訪談、問卷調查等定性分析法，研究災害后基于原住居民個人偏好、生計變化、政府導向等的空間格局變化，也有學者從環(huán)境心理學和自然災害學的角度分析聚落演變帶來的生態(tài)風險(Wolsko，Marino，2016)。國內學者針對自然災害因素對鄉(xiāng)村聚落的分布、演變作用機制的研究不多，主要涉及滑坡(蔣海香，2019)、泥石流(張恒曼，2019)、地震(張堃，2020)等地質災害，研究地區(qū)多集中在生態(tài)環(huán)境脆弱、地質災害頻發(fā)的高原山地區(qū)域。研究方法上，隨著空間計量學的發(fā)展，多結合3S技術、景觀格局指數等定量分析方法對聚落的演變形態(tài)、規(guī)模、分布特征進行分析(馬曉蓉，查小春，2021)，緩沖區(qū)分析、Logistic回歸分析等方法被應用于探究災害的驅動機制?？梢姡瑖鴥韧鈱W者對自然災害因素方面的研究較少涉及地震災害影響下的鄉(xiāng)村聚落分布特征的演變，且鮮有對比分析地震前后極震區(qū)內鄉(xiāng)村聚落分布特征的研究。本文以云南1995年武定6.5級、1996年麗江7.0級、2014年魯甸6.5級3次地震為研究對象，運用GIS空間分析、分形理論的隨機聚集維數，探討了地震對極震區(qū)內鄉(xiāng)村聚落分布特征的演變，以期為地震后的鄉(xiāng)村聚落分布特征優(yōu)化及聚落建設提供建議。

1 數據來源與研究思路

1.1 數據來源

本文數據來源于以下幾個方面：①地震帶相關信息來自于《云南第四紀活動斷裂暨<云南第四紀活動斷裂分布圖>》(安曉文，常祖峰，2018)、《云南地區(qū)強震(M≥6)研究》(毛玉平，韓新民，2003)、《云南地震災害與地震應急》(李永強，王景來，2003)、《1988年云南瀾滄—耿馬地震》(姜葵，1993)等；②村落及地形數據來自于地理空間數據云平臺，包含1994年武定、1995年麗江、1998年武定、1999年麗江、2013年魯甸、2017年魯甸的ASTER GEDM數字地形數據以及Landsat 8 OLI TIRS遙感衛(wèi)星影像(分辨率30 m)。

1.2 研究思路

國內對于地震極震區(qū)的標準定義為：震中附近振動烈度最高，同時破壞比也最嚴重的區(qū)域(李璐等，2018)，本文在該基礎上主要研究地震烈度Ⅸ度及以上區(qū)域內鄉(xiāng)村聚落的分布演變特征。

分形理論就是根據分形體本身的自相似性和無標度性來解決離散隨機分布的問題。楊秀春和朱曉華(2003)通過研究中國大陸地震點狀災害的分形特征，證明了其分布的自相似性和無規(guī)則性，而極震區(qū)內鄉(xiāng)村聚落斑塊是系統(tǒng)自組織發(fā)展的體現，屬點狀系統(tǒng)，可通過分形理論來測算其分布特征規(guī)律(管馳明等，2001)，雖然研究對象(鄉(xiāng)村聚落斑塊、地震災害點)屬性不同，但其分布都具有無標度和自相似性的特征，可以應用分形理論進行研究。

分形理論的聚集維數反映的是點狀要素(鄉(xiāng)村聚落斑塊)圍繞地震震中的隨機聚集特征，即鄉(xiāng)村聚落斑塊分布從地震震中向周邊區(qū)域的密度變化特征，反映了鄉(xiāng)村聚落系統(tǒng)空間結構的緊致性及擴散性，其分維值一般用D表示。通過對回轉半徑和鄉(xiāng)村聚落斑塊分布進行相應的數學計算統(tǒng)計，可以得出確切的分維值D：當D<2時，鄉(xiāng)村聚落斑塊的空間分布從震中向周圍是密度遞減的，即離震中越遠，鄉(xiāng)村聚落斑塊呈現由密集向稀疏的分布趨勢；當D=2時，鄉(xiāng)村聚落斑塊在半徑方向上是均勻變化的，即自震中至外圍無任何密度上的變化；當D>2時，則從震中向周圍是密度遞增的，即離震中越遠，鄉(xiāng)村聚落斑塊分布越密集。

本文擬通過對比1995年武定6.5級、1996年麗江7.0級、2014年魯甸6.5級地震極震區(qū)范圍內地震前1年、地震后第3年鄉(xiāng)村聚落斑塊變化和隨機聚集維數數據，分析得出極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落的演變規(guī)律(圖1)。

圖1 本文研究思路

1.3 研究方法

假定極震區(qū)內鄉(xiāng)村聚落按照某種自相似性規(guī)則圍繞著空間系統(tǒng)中的首位空間呈凝聚態(tài)或者分散態(tài)分布，且是均勻變化的，滿足這些條件就可以根據分形中幾何測度來確定在以r為半徑的圓內鄉(xiāng)村聚落點數目N(r)和對應半徑之間的關系，根據劉繼生和陳彥光(1999)提出的分形維數測算方法可得到：

N(r)∝rDf

(1)

式中：Df為分維數；N(r)為鄉(xiāng)村居民點數目；r為鄉(xiāng)村居民點距地震中心點的歐氏距離(半徑)?？紤]到半徑r的單位取值會影響分維值，故將其轉化為平均半徑：

(2)

由此可得一般的分維關系為：

RS∝S1/D

(3)

式中：S為鄉(xiāng)村居民點數目；ri為第i個鄉(xiāng)村居民點距離地震中心點的歐氏距離或者半徑。對式(2)中的S、RS值求對數，可得到分形體鄉(xiāng)村聚落歐氏幾何下的一系列{S1，S2，…，Sn}和{R1，R2，…，Rn}，把(RS，S)在雙對數坐標圖上描繪成散點圖，并通過最小二乘法得出隨機聚集維數D。

2 實證研究

2.1 隨機聚集維數實際測算

通過ArcGIS處理得到1995年武定，1996年麗江和2014年魯甸3次地震前1年和震后第3年極震區(qū)內的鄉(xiāng)村聚落斑塊圖(圖2)，通過3次地震前后極震區(qū)內各鄉(xiāng)村聚落隨機聚集維數數據分別繪制地震前后鄉(xiāng)村聚落隨機聚集維數對比圖(圖3)。

圖2 1995年武定6.5級(a)、1996年麗江7.0級(b)、2014年魯甸6.5級(c)地震前后極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落斑塊對比Fig.2 Rural settlements in the meizoseismal areas before and after the 1995 Wuding MS6.5 earthquake(a)，the 1996 Lijiang MS7.0 earthquake(b)，and the 2014 Ludian MS6.5 earthquake(c)

圖3 1995年武定6.5級(a)、1996年麗江7.0級(b)、2014年魯甸6.5級(c)地震前后極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落隨機聚集特征Fig.3 Random gathering characteristics of the rural settlements in the meizoseismal areas beforeand after the 1995 Wuding MS6.5 earthquake(a)，the 1996 Lijiang MS7.0 earthquake(b)，and the 2014 Ludian MS6.5 earthquake(c)

從圖2可以看出，3次地震后極震區(qū)內鄉(xiāng)村聚落數量明顯比震前增多。根據GIS統(tǒng)計計算可知：武定地震極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落點在1994年共有148個，而震后于1998年增加至461個，約為震前的3倍；麗江地震極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落點在1995年共有138個，而震后增加至341個，約為震前的3倍；魯甸地震極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落點在2013年共有297個，而震后于2017年增加至413個，約為震前的1.5倍。

由圖3a可得出：①1994和1998年武定地震極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落點對數坐標圖均呈現一次函數形式(1994年R2=0.970 8，1998年R2=0.988 4，均小于1)，對其函數進行線性擬合，系統(tǒng)也均呈現一分形特征，即通過一次函數形式反映一分形特征。一次函數無拐點，根據隨機聚集維數的分形特征及拐點數劃分分形結構，一分形接近線性且無拐點，說明武定地震前后其鄉(xiāng)村聚落分形表象并未產生變化；②1994、1998年武定地震極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落點對數坐標圖的系統(tǒng)一分形的分維度值D分別為1.780 3<2，2.254 3>2。

由圖3b可得出：①麗江地震前的1995年極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落點對數坐標圖呈現二次函數形式(R2=0.839 3、R2=0.997 9，均小于1)，而震后的1999年呈現一次函數形式(R2=0.956 5，小于1)；②對1995年麗江地震前極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落點對數坐標圖中拐點處進行分段，然后對其分段函數分別進行線性擬合，系統(tǒng)呈二分形的特征，鄉(xiāng)村聚落序號0～69段為第一個分形特征(D1=1.323 8<2)，鄉(xiāng)村聚落序號69～138段為第二個分形特征(D2=0.576 4<2)。對地震后1999年極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落點對數坐標圖中函數進行線性擬合，可見系統(tǒng)呈一分形的特征(D=1.308 4<2)。

由圖3c可得出：①魯甸地震極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落點對數坐標圖在震前的2013年及震后的2017年均呈現一次函數形式(2013年R=0.987 3、2017年R22=0.979 9，均小于1)，對其函數進行線性擬合，系統(tǒng)也均呈現一分形特征，說明魯甸地震前后其鄉(xiāng)村聚落分形表象并未產生變化。②2013、2017年魯甸地震極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落點對數坐標圖，其系統(tǒng)一分形的分維度值D分別為2.033 7≈2，2.443 7>2。

2.2 極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落分布演變規(guī)律分析

魯甸地震后極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落數增加幅度明顯低于武定、麗江地震，其主要原因有：震后村落民房建筑異地遷建后，在遙感影像中會形成新的鄉(xiāng)村聚落斑塊。根據云南民房恢復重建的模式可知：異地遷建的組織形式分為“統(tǒng)一規(guī)劃、集中自建”“統(tǒng)一規(guī)劃、分戶自建”和“指導性規(guī)劃、分戶自建”3種，從而理論上地震后極震區(qū)內鄉(xiāng)村聚落數相對于地震之前通常會增加。由于2006年云南省開始實行“民居防震保安工程”(劉星文，2013)，指派專業(yè)技術人員對民居進行過簡易抗震處理，因此2014年魯甸震后鄉(xiāng)村聚落數增加幅度有所下降。

1995年武定地震極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落隨機聚集維數分維值由地震之前的1.780 3變到了地震后的2.254 3，極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落由地震之前圍繞地震震中相對集聚分布的狀態(tài)變成震后相對離散分布的狀態(tài)，主要原因有：震中位置地震活動強度以及烈度大，造成村落破損倒塌情況嚴重，倒塌的村落民房遠離震中的搬遷數也相應較多。武定地震震中位于海拔2 000 m以上的山區(qū)，山形陡峭、切割劇烈，地形復雜。地震后，震中附近地區(qū)并不適合重建村落民房，因而倒塌民房多數遠離震中搬遷。

1996年麗江地震極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落隨機聚集維數分形特征由地震之前的二分形結構變?yōu)檎鸷蟮囊环中谓Y構，極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落由震前圍繞地震震中相對高度集聚的狀態(tài)變成震后相對低度集聚的狀態(tài)，主要原因是：震中位于麗江縣城以北，靠近縣城的鄉(xiāng)村聚落民房抗震標準以及地基基礎強度都較高，地震后，鄉(xiāng)村聚落民房倒塌數較少，而靠近城區(qū)、經濟發(fā)達的地區(qū)，一般會原地重建，所以隨機聚集維數分維值變化不大。

2014年魯甸地震極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落隨機聚集維數分維值由震前的2.033 7變到了震后的2.443 7，極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落由震前圍繞地震中心點相對均衡分布的狀態(tài)變成震后相對離散分布的狀態(tài)。主要原因是：震中位置地震活動強度以及烈度大，造成村落民房破損倒塌情況嚴重，倒塌的村落民房遠離震中的搬遷數也相應較多。魯甸地震引發(fā)了震中附近的次生災害如滑坡、泥石流等，也造成了村落向遠離震中且未受次生災害影響的區(qū)域搬遷。

3 結論

本文基于分形理論的隨機聚集維數，對云南3次典型地震前后極震區(qū)內鄉(xiāng)村聚落分布特征進行對比，總結了地震對鄉(xiāng)村聚落分布演變的影響規(guī)律，得出以下結論：

(1)地震后極震區(qū)內鄉(xiāng)村聚落數量明顯增多，說明地震破壞會導致鄉(xiāng)村居民離開原有聚居地重新選址，鄉(xiāng)村聚落分布更為分散。魯甸地震后聚落數增加幅度明顯低于武定、麗江地震，說明2014年因房屋倒塌選址重建的現象有所緩解，這歸因于2006年以來云南省對鄉(xiāng)村民房的抗震加固措施。

(2)地震后極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落的分布格局發(fā)生了明顯變化：總體上震后極震區(qū)內鄉(xiāng)村聚落圍繞震中的分布相對于震前變得更為離散，說明震后鄉(xiāng)村聚落往往會向未受震災影響或影響輕微的區(qū)域遷移，從而改變其原有的分布特征。

(3)3次地震極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落分布狀態(tài)離散程度的變化是不同的：武定地震后鄉(xiāng)村聚落由震前的聚集分布變成離散分布；麗江地震后極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落由震前圍繞震中相對高度集聚的狀態(tài)變成震后相對低度集聚的狀態(tài)；魯甸地震后極震區(qū)鄉(xiāng)村聚落由震前圍繞震中相對均衡分布的狀態(tài)變成震后相對離散分布的狀態(tài)，這與地震前極震區(qū)內鄉(xiāng)村聚落的分布狀態(tài)以及地震的強度有關。

本文結合災害學、鄉(xiāng)村聚落地理學進行研究，一定程度上豐富了震災區(qū)鄉(xiāng)村聚落的演變研究。但由于樣本數量還較少，未來有待進一步增加震例進行深化研究。