ОЦЕНКА ОПОЛЗНЕВОЙ ОПАСНОСТИ

(продолжение)

Зависимости между интенсивностью и частотой оползней

Комбинации пар «величина – частота» сами по себе не дают нужной информации по оползневой опасности, поскольку размеры оползней не подходят для построения кривых уязвимости объектов при анализе рисков. Чтобы определить вероятность или частоту оползневых событий, приводящих к определенной степени ущерба (оцениваемой с помощью кривых уязвимости), необходимо оценить их интенсивность. Параметр интенсивности, который следует выбрать, зависит от типа оползней и характера объекта, подверженного риску. Например, для описания камнепадов наиболее часто используемым параметром является кинетическая энергия [253, 254], тогда как для обломочных потоков используются максимальные расход
[258], скорость [206, 259, 260], толщина [261, 262] и скорость в квадрате, умноженная на толщину [252]. Для крупных оползней скольжения и земляных потоков подходящими параметрами могут быть смещение или скорость перемещения [263, 264].

Методы определения зависимостей «интенсивность – частота» для каждого участка вдоль склона могут быть разными в зависимости от типа оползня и масштаба анализа. Для анализа отдельных оползней в локальном масштабе можно моделировать различные сценарии с разными объемами и связанными с ними вероятностями (например, для связей «величина – частота») с помощью численных моделей, чтобы определить пространственное распределение интенсивности во время движения оползня [179, 265, 266]. Следовательно, для каждого места на склоне можно построить кривые «интенсивность – частота», беря значения частоты из зависимостей «величина – частота» и значения интенсивности, рассчитанные с использованием моделей [267].

Интенсивность в каждом месте вдоль склона, потенциально подверженного воздействию оползней, которые могут начаться в разных зонах зарождения, представляет собой не одно значение для каждого частотного сценария, а некое распределение значений. Чтобы охарактеризовать такое распределение, обычно применяют простые статистические методы, такие как определение среднего арифметического [254] или максимального значения [260, 268], а кривые «интенсивность – частота» строят с использованием этого значения интенсивности и частоты, полученной из зависимостей «величина – частота».

Однако этот подход требует сильного допущения о распределении интенсивностей, поскольку среднее арифметическое подходит только для нормального распределения, а для определения максимума учитываются только значения, резко выделяющиеся на фоне распределения (выбросы), что приводит к сильному завышению фактической опасности.

Альтернативный подход к расчету зависимости «интенсивность – частота» для камнепадов заключается в учете распределения вероятностей кинетической энергии для данного места вдоль склона и данного сценария объема [179]. Используя 3D модели камнепадов, можно также проанализировать сходимость различных траекторий в одном и том же месте, тем самым охарактеризовав частотное распределение кинетической энергии [269].

Оценка оползневой опасности

Объекты анализа опасности

Цель анализа оползневой опасности определяет используемые масштаб, метод и получаемые результаты. Для него могут быть выбраны разные территории и их пространственное расположение [42]. Рассмотрим типы этого анализа.

1. Территориальный анализ обычно проводится или для регионального, или для локального планировочного зонирования. Потенциал разрушения склона оценивается для каждого отдельного элемента местности (пикселя, ячейки, полигона, бассейна), а возникновение оползневого события во временнОм отношении может быть выражено в относительном виде – как количество оползней (заданной величины) на единицу площади (квадратный километр, пиксель и т.д.) в год или как вероятность превышения. Позже путем объединения выходных данных с результатами анализа дальности перемещения может быть оценена интенсивность.

2. Линейный анализ выполняется для протяженных сооружений инфраструктуры (автомобильных и железных дорог, трубопроводов и т.д.). Анализ может выполняться в зонах зарождения [270], но обычно он фокусируется на оползнях, которые потенциально могут оказать воздействие на инфраструктуру. Опасность может быть выражена как количество оползней заданной величины, которые достигают объекта инфраструктуры, на единицу длины в год или как общее количество оползней в год на всем протяжении объекта. Частота в обоих случаях выражается в относительном виде и должна определяться отдельно для разных объемов оползней (например, [123, 271]).

3. Объектно-ориентированный (точечный) анализ выполняется на конкретных участках (таких как конусы выноса, осыпные склоны) или для объекта или группы объектов, подверженных опасности. Анализ опасности ограничивается оползнями, которые потенциально могут затронуть данный участок. Частота может быть выражена в абсолютном виде как количество оползней заданной величины, которые достигают интересующего участка в течение года, или как величина, обратная периоду повторяемости.

В зависимости от того, что показано – точное место разрушения склона, дальность перемещения или и то, и другое, анализ считается пространственно приуроченным или пространственно не приуроченным.

Учет дальности перемещения оползней

Территориальный анализ опасности может быть выполнен с учетом или без учета мобильности оползней.

Оползни с небольшим смещением хорошо локализуются географически и остаются в зоне зарождения или очень близко к ней. В этом случае при оценке опасности и ее картировании учитываются потенциальные возможности разрушения склонов или реактивизации возникших ранее оползней на каждом элементе местности, но интенсивность не рассчитывается [52].

Оползни с большой дальностью перемещения могут распространяться на значительные расстояния от зоны их зарождения. В этом случае помимо потенциальной возможности разрушения склона необходимо определить частоту оползней (и, следовательно, уровень их интенсивности) вдоль предполагаемой траектории, то есть выполнить пространственно приуроченный анализ. Разные величины оползней приведут к разным дальностям их перемещения и разным интенсивностям.

Можно рассмотреть два подхода к учету дальности перемещения [272]. При первом подходе сначала определяется вероятность разрушения каждого склона, отдельно рассчитывается перемещение оползня, а затем они математически объединяются. Для достижения этой цели требуется зависимость «величина – частота» для каждого склона или элемента местности, а после этого – оценка дальности перемещения для каждой величины оползня. При альтернативном втором подходе опасность рассчитывают непосредственно для каждой комбинации режима неустойчивости склона и дальности перемещения – например, получают зависимость «величина – частота» для затронувших дорогу камнепадов на основе статистики прошлых таких событий (например, [233, 244]) или для конусов выноса обломочного материала [273].

Пространственно не приуроченный анализ опасности

Национальные и региональные карты, масштаб которых, как правило, не позволяет выполнить точный анализ устойчивости склонов и дальностей перемещения, не отражают пространственную приуроченность опасности. Оценить опасность в этих случаях не получается в полной мере, поскольку не учитывается интенсивность. Такой анализ обычно проводится для неглубоких оползней, для которых принимается то, что они являются повторяющимися событиями, происходящими в пределах региона в виде разрушений, разбросанных по исследуемой территории и во времени или вызванных конкретными триггерами (например, сильными ливнями или землетрясениями), действующими на большой площади (речь идет о многократном возникновении региональных оползневых событий).

Оползневая опасность за определенные интервалы времени может быть оценена на основе инвентаризаций оползней, выполненных путем анализа последовательных аэрофотоснимков или спутниковых изображений. Частота оползней рассчитывается путем определения числа новых оползней между съемками. Опасность выражается как количество произошедших оползней на единицу площади за определенный промежуток времени. Этот метод позволяет получить достоверные оценки краткосрочной средней частоты. Его можно использовать для оценки средне- и долгосрочной средней частоты только в том случае, если период выборки включает среднее распределение событий, вызывающих оползни [42].

В случае рассмотрения многократного возникновения региональных оползневых событий сначала необходимо установить зависимость между возникновением оползней и их триггером, будь то ливневые осадки (например, [224]) или сейсмические воздействия (например, [147, 274]). При достаточном пространственном разрешении зарегистрированных данных по ливневым осадкам или магнитудам землетрясений знание распределения оползней по территории должно позволить установить функции связи интенсивности дождей и плотности оползней или связи расстояния до эпицентра землетрясения и плотности оползней. На втором этапе вероятность превышения либо интенсивности осадков, либо магнитуды землетрясения может быть связана с плотностью распределения оползней (например, с количеством оползней на квадратный километр) [105, 121]. Однако на некоторых территориях плотность оползней в зависимости от количества осадков изменяется нелинейно – и тогда нельзя установить надежную связь [275]. Этот тип зависимости позволяет оценить, как часто происходят оползни на всей исследуемой территории, но не конкретно там, где будут разрушаться склоны. Однако, если ее объединить с картами предрасположенности к оползням или вероятностей оползневых событий, то можно определить части изучаемой территории, где ожидается возникновение оползней, с учетом количества дождевых осадков, превышающего пороговое значение [276].

Определение опасности, рассчитываемой на основе частоты триггеров оползней, по крайней мере для водоразделов с неограниченным поступлением воды, не требует полной регистрации прошлых оползней, но требует установления надежной связи между триггером, его величиной и возникновением оползней. Важно учитывать, что региональные события, вызывающие оползни, могут сосуществовать с другими региональными триггерами (например, либо с таянием снега, либо с выпадением дождя на снег, либо с разрушением оползневых плотин на ручьях, где возможно возникновение обломочных потоков и паводковых обломочных наносов), а также с локальной оползневой деятельностью (например, с речной эрозией). Следовательно, периоды повторяемости, полученные на основе региональных триггеров, являются лишь минимальной оценкой частоты оползней.

Обратное может произойти, если оползни удаляют покровные отложения, предрасположенные к оползнеобразованию, обнажая, по сути, устойчивую остаточную поверхность (этот процесс рассматривают как сопротивление дальнейшим оползневым событиям или ограничением в количестве материала для них [277]).

Некоторые авторы предлагают ввести минимальный «безопасный» порог для дождевых осадков, которые исторически приводили к незначительному количеству оползней, и «обильный» порог для осадков, которые вызывали многочисленные оползни [278].

Избранные работы по вышеупомянутым подходам к пространственно не приуроченному анализу оползневых опасностей приведены в таблице 12.

Таблица 12. Пространственно не приуроченная региональная оценка оползневой опасности

Пространственно приуроченный анализ опасности

В локальном и детальном (сайт-специфическом) масштабах разрешение ЦМР обычно позволяет рассчитать вероятность возникновения оползня в каждом анализируемом элементе площади (например, в пикселе). Анализ может быть выполнен путем или включения, или исключения анализа дальности перемещения и последующего расчета интенсивности (таблица 13). Далее эти два варианта рассматриваются более подробно.

Таблица 13. Пространственно приуроченный анализ оползневой опасности 

Оценка опасности без расчета интенсивности оползней

Этот тип анализа обычно проводится для географически ограниченных оползней (например, для медленно движущихся оползней с малой дальностью перемещения) со смещениями, которые не могут быть представлены за пределами анализируемой территориальной единицы (например, ячейки или пикселя). Он также выполняется для линейных или практически точечных объектов, расположенных далеко от зоны зарождения оползней, для которых оползневая опасность определяется на основе наблюдений за прошлыми событиями. В обоих случаях интенсивность не рассчитывается, а риск оценивается с учетом упрощающих допущений относительно уязвимости объектов, которые могут подвергнуться воздействию оползней. Рассмотрим эти случаи подробнее.

1. Анализ опасности схода географически ограниченных оползней. Для расчета вероятностей воздействия оползней на территориальные единицы (например, такие как пиксель, бассейн) при анализе или в региональных, или в локальных масштабах используются комбинации пространственно распределенных гидрогеологических моделей и моделей устойчивости, включающих как зону зарождения, так и зону аккумуляции оползневого материала. Опасность выражается как годовая вероятность либо разрушений склонов, либо реактивизации существующих оползней в каждой единице территории. Если более конкретно, то опасность рассчитывается как условная вероятность разрушения склона после триггерного события (например, критического количества дождевых осадков или землетрясения). Для каждой территориальной единицы вычисляется коэффициент устойчивости склона с использованием модели устойчивости бесконечного склона, в которой вероятность разрушения получается как годовая вероятность превышения критического количества дождевых осадков [221, 236, 281]. Для разрушений, вызванных землетрясениями, применяется обычный анализ сейсмической опасности с определением пиковых ускорений грунта (PGA – peak ground accelerations) для разных периодов повторяемости, а устойчивость склонов, подверженных воздействиям землетрясений с разными периодами повторяемости, исследуется с использованием псевдостатического анализа [74]. В качестве альтернативы вероятность оползневого события может быть рассчитана на основе наблюдаемой частоты прошлых оползней [289]. Пример этого привели авторы работы [207], которые определили геоморфогидрологические единицы и получили вероятность пространственно приуроченного возникновения оползней для каждой единицы территории с помощью дискриминантного анализа.

2. Анализ опасности, выполняемый для контрольного отрезка линейного объекта или для практически точечного объекта. Для анализа опасности, который фокусируется на определенных отрезках линейных объектов или на определенных местах, не требуется расчет дальности перемещения оползней. Этот анализ обычно выполняется для транспортных коридоров, для которых имеются зарегистрированые данные об оползневых событиях, а подверженные возможному воздействию оползней объекты (автомобили, люди) крайне уязвимы для событий низкой интенсивности. В таких случаях ни скорость, ни кинетическая энергия не вычисляются. Величина события используется для определения, например, количества затронутых полос или ширины оползневой массы, а также для расчета вероятности воздействия на уязвимые объекты [123, 233, 244, 271, 283]. Опасность может быть выражена либо в относительном виде (то есть как годовая вероятность схода оползней заданной величины на единицу длины), либо в абсолютном виде (то есть как количество оползневых событий в год).

Комбинированный анализ опасностей инициирования и дальности перемещения оползней

При комбинированном анализе опасностей инициирования и дальности перемещения учитывается пространственное распределение интенсивности оползня. При заданном объеме камнепада вдоль его пути будут изменяться скорость и кинетическая энергия (или энергия удара) [256]. Интенсивность камнепада зависит не только от его размера (величины), поскольку сходные значения кинетической энергии могут быть результатом разных сочетаний объемов и скоростей. Следовательно, картирование опасностей камнепадов должно выполняться с помощью моделей дальности перемещения, которые рассчитывают возможные пути камнепадов, расположение препятствий, которые могут останавливать падающие блоки, значения скорости и кинетической энергии камней, а также пространственное распределение кинетической энергии.

Критически важным вопросом является определение характерного объема камнепада. В случае камнепадов с фрагментацией отделившегося от склона материала [172] опасность возникает из-за отдельных камней, которые движутся по более или менее независимым траекториям. Однако зависимости «величина – частота», которые обычно определяются по данным инвентаризаций камнепадов, часто связывают частоту с объемом исходной отделившейся от склона массы, а не с размерами ее отдельных блоков, которые в конечном итоге достигают контрольного участка, а это может привести к завышению оценок энергии удара и к занижению вероятности удара по интересующему участку. К сожалению, в настоящее время в большинстве доступных программ не учитывается процесс фрагментации при камнепадах. Если при анализе дальности перемещения камнепадный процесс рассматривается как движение отдельного камня, то должны быть отражены наиболее вероятные будущие события. Репрезентативный размер блока может быть определен с использованием таких геометрических характеристик основных систем трещин в скальных породах, наблюдаемых на поверхности зоны зарождения, как длина трещин и расстояния между ними, и/или с применением распределения размеров фрагментов на склоне [254, 290].

Для обломочных потоков, как и для камнепадов, интенсивность напрямую не коррелирует с общим объемом движущегося обломочного материала. Разные обломочные потоки в каждом случае приводят к разным распределениям интенсивности и вероятности воздействия на контрольный участок в зависимости от динамики перемещения. Поэтому согласно работе [206] карта интенсивности опасности должна отражать набор пар значений интенсивности и вероятности воздействия для разных типов обломочных потоков и классов их величин. Для оценки опасности обломочных потоков в детальном (сайт-специфическом) масштабе обычно применяются два разных подхода:

1) оценивается вероятность того, что определенный объем обломочного материала приведет к образованию обломочного потока, и используется физически обоснованная (2D или 3D) модель дальности перемещения для определения зоны воздействия и параметров интенсивности [287, 288];

2) оцениваются вероятности перемещения обломочных потоков разной величины через контрольные участки (и конусы выноса) ниже зоны их зарождения с использованием зависимостей «величина – частота» [250].

Используя разные вероятности, можно затем составить карты опасностей для обломочных потоков для конкретных периодов повторяемости (например, 100, 500 и, возможно, 2 500 лет).

Перевод статьи выполнен при поддержке ГК «ПЕТРОМОДЕЛИНГ» и Алексея Бершова.

—

Продолжение раздела по оценке оползневой опасности и остальной части статьи следует.