Ανάπτυξη μοντέλου επικινδυνότητας κατολισθήσεων σε περιοχή της Δυτικής Ελλάδας

Transcript

1 Ελληνική Επιτροπή Τεχνικής Γεωλογίας (ΕΕΤΓ) ΗΜΕΡΙΔΑ: Η Τεχνική Γεωλογία ως παράγοντας καινοτομίας. Έρευνα-Υποδομές-Έργα ανάπτυξης Ανάπτυξη μοντέλου επικινδυνότητας κατολισθήσεων σε περιοχή της Δυτικής Ελλάδας Κάβουρα Αικατερίνη-Παρασκευή, MSc Γεωλόγος Δευτέρα 8 Μαΐου 2017, ΚΕΔΕΑ, Θεσσαλονίκη

2 Σκοπός Διερεύνηση επικινδυνότητας κατολισθήσεων Ανάλυση των παραγόντων που συνδέονται με φαινόμενα κατολισθήσεων Δοκιμασία διαφορετικών στατιστικών μοντέλων εκτίμησης της επιδεκτικότητας κατολισθήσεων Εφαρμογή σε περιοχή της Δυτικής Ελλάδας Αρχείο απογραφής κατολισθήσεων Εκτίμηση επιδεκτικότητας κατολισθήσεων Εκτίμηση επικινδυνότητας κατολισθήσεων Ανάλυση παραγόντων εναύσματος: βροχόπτωση-σεισμική επιτάχυνση 2

3 Επικινδυνότητα κατολισθήσεων Πού; Πότε; η δυνατότητα να εκδηλωθεί μία κατολίσθηση σε μία περιοχή Πόσο; 3

4 Βασικές απαιτήσεις για τον προσδιορισμό της επικινδυνότητας Επιλογή κλίμακας Μικρή, Μεσαία, Μεγάλη Επιλογή μεθόδου προσέγγισης Ποιοτική (Γεωμορφολογική προσέγγιση, παραμετρικοί χάρτες κα) Ποσοτική (Στατιστική ανάλυση, γεωτεχνική προσέγγιση, νευρωνικά δίκτυα κα) Γνώση του φαινομένου Αρχείο απογραφής κατολισθήσεων Παράγοντες που συνδέονται με την εμφάνισή του Περιοχή έρευνας (552km 2 ) (Alleotti & Chowdury 1999, van Westen 2006, Fell et al 2008, Corominas et al 2014) 4

5 Εκτίμηση Επιδεκτικότητας Στατιστικές μέθοδοι Διμεταβλητές Ποσοτικές μέθοδοι Δείκτης Επιδεκτικότητας LSI = Κατολισθήσεων n j=1 W ij Ημιαυτόματες μέθοδοι Πολυμεταβλητές Λόγος Συχνοτήτων (Frequency Ratio model - FR) Σχετική Συχνότητα Κατολισθήσεων (Landslide Relative Frequency - LRF) Στατιστικός Δείκτης (Statistical Index - SI) Λόγος Πιθανοφάνειας (Likelihood Ratio - LR) Βαρύτητα των Ενδείξεων (Weights-ofevidence - WoE) 5

6 Εκτίμηση Επικινδυνότητας H L = P AL x P N x S Πιθανότητα μεγέθους (έκταση/όγκος) Χρονική Πιθανότητα Χωρική Πιθανότητα Συνάρτηση Πυκνότητας πιθανότητας (pdf) (Malamud et al 2004) Προσδιορισμός Event trees Trigger Heuristic methods Safety factor/ Failure Probability Trigger Rational methods Trigger/ No trigger Empirical probability Temporal probability Poisson model Binomial Probability Triggering factor thresholds Trigger Indirect approaches Επιδεκτικότητα Frequency (occurences/something) Return period (time of reoccurrence) Exceedance probability (probability) Απόδοση 6

7 Εφαρμογή σε περιοχή της Δυτικής Ελλάδας Πού; Βόρεια παράλια νομού Αχαΐας Γιατί; α) Καταγραφές από τις αρχές του 1900, β) Ιστορικό κατολισθήσεων, γ) ύπαρξη σημαντικών τεχνικών έργων, δ) καλή γνώση των συνθηκών που επικρατούν κα Τι; α) Αρχείο απογραφής κατολισθήσεων β) Μελέτη παραγόντων γ) Εκτίμηση επιδεκτικότητας δ) Εκτίμηση Επικινδυνότητας ε) Βροχοπτώσεις & Σεισμοί 7

8 Αρχείο απογραφής κατολισθήσεων 209 καταγραφές Πηγές Παλαιότερα αρχεία καταγραφής κατολισθήσεων (ΚΕΔΕ κα) Τηλεπισκόπιση (Αεροφωτογραφίες, Δορυφορικές Εικόνες, Google Earth) Τεχνικές Εκθέσεις και Μελέτες Τοπικός Τύπος (έντυπος και ηλεκτρονικός) Γενική Γραμματεία Πολιτικής Προστασίας (Επίπεδα Περιφέρειας και Δήμου) Ινστιτούτο Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Ερευνών (ΙΓΜΕ) Επί τόπου παρατήρηση 8

9 Αρχείο απογραφής κατολισθήσεων 9

10 Αρχείο απογραφής κατολισθήσεων Γεωγραφική θέση Ημερομηνία εκδήλωσης Γεωλογικές/Εδαφικέ ς συνθήκες Στοιχεία μετακίνησης Κλιματικές συνθήκες Όνομα Συντεταγμένες Υψόμετρο Απόλυτη Σχετική Λιθολογία Κλίση Χρήσεις γης Τύπος ολίσθησης Έκταση Βροχόπτωση Υψόμετρο Λιθολογία Κλίση Χρήσεις γης Βροχόπτωση 10

11 Επεξεργασία καταγραφών αρχείου Σύνθετη Ροή Περιστροφική ολίσθηση Μεταθετική ολίσθηση Καταπτώσεις 0, ,0001 0,001 0,01 0, Εμβαδό (km 2 )

12 Μοντέλο επιδεκτικότητας Λιθολογία Υψόμετρο Χρήσεις γης Κλίση Βροχόπτωση 12

13 Μοντέλο επιδεκτικότητας Εφαρμογή μοντέλων FR, LRF, SI, LR και WoE Δείκτη Επιδεκτικότητα Κατολισθήσεων LSI = W ij j=1 7 Σενάρια συνδυασμού των παραγόντων Σενάριο 1: συμμετοχή όλων των παραγόντων Σενάριο 2: δεν συμμετέχουν οι Χρήσεις γης Σενάριο 3: δεν συμμετέχει το Υψόμετρο Σενάριο 4: δεν συμμετέχει η Λιθολογία Σενάριο 5: δεν συμμετέχει η Βροχόπτωση Σενάριο 6 δεν συμμετέχει η Κλίση Σενάριο 7: συμμετέχουν η Λιθολογία, η Κλίση και η Βροχόπτωση Επιλογή βάση της αξιοπιστίας του μοντέλου και της ικανότητας πρόβλεψης n Έλεγχοι με καμπύλες ROC και αθροιστικής συχνότητας κατολισθήσεων/lsi περιβάλλον GIS 13

14 Λόγος Συχνοτήτων (FR) F r = LF CA 14

15 Cumulative landslides (%) Λόγος Συχνοτήτων (FR) Έλεγχος αξιοπιστίας ROC καμπύλη TRY_1 TRY_2 TRY_3 TRY_4 TRY_5 TRY_6 TRY_ LSI rank % Σενάρια επιλογής μεταβλητών FR Area (AUC) Std. Error Try 1 - Total,715,025 Try 2 - Except "Landuse",672,026 Try 3 - Except "Elevation",709,025 Try 4 - Except "Geology",711,025 Try 5 - Except "Rainfall",739,024 Try 6 - Except "Slope",690,025 Try 7 - "Geology-Slope-Rainfall",664,026 Για το Σενάριο 1, στο 20% των πιο επιδεκτικών περιοχών αντιστοιχεί το 44% των περιπτώσεων 15

16 Cumulative landslides (%) Cumulative landslides (%) Λόγος Συχνοτήτων (FR) Έλεγχος ικανότητας πρόβλεψης FR-Try1-Set2 FR-Try2-Set2 FR-Try3-Set2 FR-Try4-Set2 FR-Try5-Set 2 FR-Try6-Set2 FR-Try7-Set FR - Set 1 FR - Set LSI rank % LSI rank % Το μοντέλο FR αποτυπώνει με τον καλύτερο τρόπο την επιδεκτικότητα της περιοχής χρησιμοποιώντας και τους πέντε παράγοντες που προτείνονται, Σενάριο 1 (AUC=0,834) 16

17 Αποτελέσματα μοντέλων επιδεκτικότητας Μοντέλο Σενάριο Παράγοντες FR 1 Κλίση+Λιθολογία+Χρήσεις Γης+Υψόμετρο+Βροχόπτωση LRF 3 Κλίση+Λιθολογία+Χρήσεις Γης+Βροχόπτωση LR 4 Κλίση+Χρήσεις Γης+Υψόμετρο+Βροχόπτωση SI 3 Κλίση+Λιθολογία+Χρήσεις Γης+Βροχόπτωση WoE 5 Κλίση+Λιθολογία+Χρήσεις Γης+Βροχόπτωση 17

18 Αποτελέσματα μοντέλων επιδεκτικότητας Παράγοντας LRF & FR LR & SI WoE Κλίση 45 ο -60 ο 45 ο -60 ο 45 ο -60 ο Λιθολογία Φλύσχης Ασβεστόλιθοι Χρήσεις γης Αραιή βλάστηση Απογυμνωμένοι βράχοι Διλλουβιακοί σχηματισμοί μικτών φάσεων Αραιή βλάστηση Υψόμετρο Λοφώδεις ( m) Ορεινή (>900m) Λοφώδεις ( m) Βροχόπτωση mm mm mm 18

19 Απόδοση βαρών παραγόντων LSI = n j=1 W ij n LSI = (W ij j =1 W j ) Βάρος κλάσης Βάρος παράγοντα Σενάριο Παράγοντας AUC Μin Μax Μedian που ελέγχεται FR LRF SI LR WoE (AUC med ) Rank 1- AUC med W j Σενάριο 2 Χρήσεις γης 0,67 0,63 0,59 0,59 0,65 0,59 0,67 0,63 1 0,367 0,2194 Σενάριο 3 Υψόμετρο 0,71 0,68 0,67 0,64 0,69 0,64 0,71 0,68 4 0,323 0,1931 Σενάριο 4 Λιθολογία 0,71 0,67 0,63 0,63 0,71 0,63 0,71 0,67 3 0,333 0,1990 Σενάριο 5 Βροχόπτωση 0,74 0,72 0,64 0,63 0,71 0,63 0,74 0,71 5 0,293 0,1751 Σενάριο 6 Κλίση 0,69 0,64 0,62 0,61 0,64 0,61 0,69 0,64 2 0,357 0,2134 Σύνολο 3,33 1,673 1 LSI = 0,2134 W slope + 0,1990 W Lithology + 0,2194 W Landuse + 0,1931 W Elevation + 0,1751 W Rainfall 19

20 Μοντέλο επικινδυνότητας H L = P AL x P N x S Εκφράζεται μέσω της έκτασης της κατολίσθησης σε km 2 Χρονική ταξινόμηση κατολισθήσεων Πριν το Συνάρτηση κατανομής πιθανότητας (pdf), πυκνότητα πιθανότητας Καμπύλη πιθανότητας, P AL =P[A L α L ] 20

21 Πυκνότητα πιθανότητας,p (km -2 ) Συχνότητα κατολισθήσεων Πιθανότητα P[AL<αL] Πιθανότητα P[AL>αL] Πιθανότητα μεγέθους πριν το 1945 AL (km 2 ) 0,000010,0001 0,001 0,01 0, , ,01 5 0, ,75 0,25 0,03 0,00 Έκταση κατολίσθησης, AL (km 2 ) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0, ,001 0,1 10 Έκταση κατολίσθησης, AL (km 2 ) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Αύξηση του αριθμού των κατολισθήσεων αλλά μείωση της έκτασης τους η πιθανότητα να εκδηλωθεί μία κατολίσθηση με έκταση A L =0,01 km 2 ( m 2 ) είναι 0,34 21

22 Μοντέλο επικινδυνότητας H L = P AL x P N x S Πιθανότητα Poisson και τιμή επανεμφάνισης του φαινομένου P N t 1 = 1 e tλ = 1 e t/μ Όπου t ο χρόνος στον οποίο αναφέρεται το χρονικό σενάριο, μ η τιμή επαναφοράς αντίστροφη του ρυθμού εμφάνισης λ=n/τ i με n ο αριθμός των κατολισθήσεων και Τ i η χρονική περίοδος μεταξύ της παλαιότερης και της νεότερης κατολίσθησης 22

23 Χρονική πιθανότηταχωρίς έναυσμα Για t=5 23

24 Ύψος βροχόπτωσης (mm) Συχνότητα κατολισθήσεων Μέση μηνιαία βροχόπτωση (mm) 23,6% Χρονική πιθανότητα-με έναυσμα Ιαν Φε Μαρ Απρ Μαϊ Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Νοε Δεκ <mean Μήνας 500 >mean 0% Μηνιαία Βροχόπτωση Μέση μηνιαία βροχόπτωση 76,4% 100% Αύξων αριθμός κατολίσθησης (1-209) % 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%

25 Χρονική πιθανότητα-με έναυσμα Προσδιορισμός κατώτερων ορίων (thresholds) Διάρκεια γεγονότος βροχόπτωσης (D, h ή d)- Ύψος βροχής (E, mm) Ένταση βροχόπτωσης (I, mm/h ή mm/d) Καμπύλες της μορφής I = α D β Caine 1980, Giannecchini 2006, Guzzetti et al 2007, Peruccacci et al 2012, Lainas et al 2015, Iadanza et al 2016 Πιθανότητα εμφάνισης κατώτερων ορίων μέσω της πιθανότητας υπέρβασης (exceedance probability) και της πιθανότητας Poisson Χρονική πιθανότητα P R > R T L = P[R > R T ] P[L R > R T ] 25

26 Χρονική πιθανότητα-με έναυσμα Γεγονός Διάρκεια Αριθμός γεγονότος κατολισθήσεων Φεβ Φεβ Φεβ Οκτ Ιαν Δεκ Δεκ Δεκ Φεβ Φεβ Μαρ Δεκ Δεκ Οκτ

27 Συνολικό ύψος βροχόπτωσης Ε (mm) Ένταση βροχόπτωσης Ε (mm/h) Χρονική πιθανότητα-με έναυσμα E=1,5941xD 0, I=1,5941xD -0, Διάρκεια σε ώρες D Διάρκεια σε ώρες D Κόκκινη γραμμή πριν τις πυρκαγιές στο νομό Ηλείας 2007 και μπλε μετά (Lainas et al 2015) 27

28 Συνολικό ύψος βροχόπτωσης Ε (mm) Χρονική πιθανότητα-με έναυσμα Διάρκεια 100σε ώρες D 1000 Λεκάνη Σχέση κατώτερων ορίων Χρονική περίοδος Αριθμός φορών επαλήθευσης ορίων Τιμή επαναφοράς (μ) P[R>RT] Αριθμός κατολισθήσεων στη λεκάνη P[LR>RT] Χρονική πιθανότητα 5 Ε = 15,689xD 0, ,57 0, ,122 0,101 6 E = 1,742xD 0, ,17 0, ,071 0,041 7 E = 0,6889xD 0, ,88 0, ,1 0,076 8 E = 1,74xD 0, ,50 0, ,000 0,865 9 E = 4,8333xD 0, ,83 0, ,417 0, E = 2,4871xD 0, ,75 0, ,50 0, E = 2,375xD 0, ,51 0, ,081 0, E = 84,517xD 0, ,67 0, ,082 28

29 Μοντέλο επικινδυνότητας H L = P AL x P N x S Βαθμός επιδεκτικότητας Συχνότητα εμφάνισης κατολισθήσεων ανά κλάση επιδεκτικότητας πυκνότητα P S = L S i N pix S i Αυξανόμενου του βαθμού επιδεκτικότητας η πιθανότητα θεωρητικά θα αυξάνεται Υπολογισμός και για τα 5 μοντέλα προσδιορισμού της επιδεκτικότητας με ή χωρίς βάρη 29

30 Χωρική Πιθανότητα (Κανονικοποιημένη) Μοντέλο FR, χωρίς βάρη Χωρική πιθανότητα P S = 0, 0009 LSI FR 3 0, 0101 LSI FR 2 + 0, 0773 LSI FR 0, 1542 Έκταση Αριθμός Κανονικοποιημέν Κλάση LSI FR P(S) κλάσης(pix) κατολισθήσεων η πιθανότητα 1 2, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, LSIFR index 30

31 Υπολογισμός επικινδυνότητας H L = P AL x P N x S Διερεύνηση σεναρίων «Ποία είναι η πιθανότητα να εμφανιστούν κατολισθήσεις;» Σενάριο 1: 5 χρόνια, χωρίς έναυσμα, κατολισθήσεις έκτασης 0,01km 2, επιδεκτικότητα βάσει του FR χωρίς βάρη Σενάριο 2: 5 χρόνια, χωρίς έναυσμα, κατολισθήσεις έκτασης 0,001km 2, επιδεκτικότητα βάσει του FR χωρίς βάρη 31

32 Εκτίμηση επικινδυνότητας κατολισθήσεων λόγω σεισμού Δεν υπάρχουν αρχεία καταγραφής κατολισθήσεων που να συνδέονται με κάποια σεισμικά γεγονότα πιθανολογική εκτίμηση της σεισμικής επικινδυνότητας κατολισθήσεων (Del Gaudio et al 2003, Rathe and Saygili 2008, Rajabi et al 2013) Δυναμική συμπεριφορά πρανών του Newmark (1965) Ένταση Arias (1970) 32

33 Εκτίμηση επικινδυνότητας κατολισθήσεων λόγω σεισμού α β Ένταση Arias για περίοδο επαναφοράς 475 χρόνια για α) βραχώδεις περιοχές και β) εδαφικές περιοχές (Chousianitis et al 2016) Και οι αντίστοιχες πιθανότητες υπέρβασης α β Κρίσιμη σεισμική επιτάχυνση (A c ) χ, με τιμή υπέρβασης μετατόπισης Newmark ίση με α) 2cm για βραχώδεις περιοχές και β) 10cm για εδαφικές περιοχές (Chousianitis et al 2016) 33

34 Εκτίμηση επικινδυνότητας κατολισθήσεων λόγω σεισμού Κρίσιμη σεισμική επιτάχυνση (A c ) χ και πραγματική κρίσιμη επιτάχυνση α c Περιοχές όπου α c < (A c ) χ πιθανότητα δυνητικής αστοχίας Υπολογισμός ΣΥΓΚΡΙΣΗ Συντελεστής ασφάλειας α c = (FS 1) g sin α Κλίση πρανούς 34

35 Εκτίμηση επικινδυνότητας κατολισθήσεων λόγω σεισμού a c (A c ) χ Οριοθέτηση περιοχών σημαντικής πιθανότητας αστοχίας λόγω σεισμικής δραστηριότητας Υγρές συνθήκες Πού; o Απότομα πρανή o Σχιστοκερατόλιθοι Ξηρές συνθήκες 35

36 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ Απαραίτητο ένα ενημερωμένο αρχείο απογραφής κατολισθήσεων (209 καταγραφές) Επιλογή αντιπροσωπευτικών παραγόντων Δοκιμασία διαφορετικών στατιστικών μοντέλων Έλεγχοι αξιοπιστίας και ικανότητας πρόβλεψης Μοντέλα LR και SI λειτουργούν υπό προϋποθέσεις Μοντέλα FR (Σενάριο 1), LRF (Σενάριο 3) και WoE (Σενάριο 5) Δείκτης επιδεκτικότητας LSI LSI weight Προσδιορισμός P AL,P N, P S Αύξηση του αριθμού, μείωση της έκτασης HL = P AL x P N x P S, σχεδιασμός σεναρίων ανάλογα με τις ανάγκες του ερευνητή Οριοθέτηση περιοχών με αξιοσημείωτη πιθανότητα αστοχίας λόγω σεισμικής δραστηριότητας 36

37 Σας ευχαριστώ Μοίρα Αχαΐας, Ιανουάριος