Ved at forudsige lavvandede, men farlige jordskred, størrelse betyder noget

Truslen om jordskred er igen i nyhederne, da voldsomme vinterstorme i Californien truer med at underminere ældrede skråninger og bringe dødelige affaldsstrømme, der styrter ind i hjem og oversvømmelse af veje.

Men der skal ikke skovbrande til for at afsløre jordskredfaren, University of California, Berkeley, siger forskere. Luftundersøgelser ved hjælp af luftbåren laserkortlægning – LiDAR (lysdetektion og rækkevidde) – kan give meget detaljerede oplysninger om topografi og vegetation, der gør det muligt for forskere at identificere, hvilke jordskredudsatte områder der kan give efter under en forventet regnstorm. Dette er især vigtigt for at forudsige, hvor lavvandede jordskred - dem, der kun involverer jordkappen - kan mobilisere og forvandle sig, når de bevæger sig ned ad skråningen til ødelæggende affaldsstrømme.

Fangsten, de siger, er, at sådanne oplysninger endnu ikke kan hjælpe med at forudsige, hvor store og potentielt farlige jordskredene vil være, hvilket betyder, at evakueringer kan være rettet mod mange flere mennesker, end der virkelig er truet af store dias og affaldsstrømme.

I et nyt papir, der udkommer i bladet i denne uge Proceedings fra National Academy of Sciences, videnskabsmændene, UC Berkeley-geolog William Dietrich og projektforsker Dino Bellugi rapporterer deres seneste forsøg på at mærke jordskredudsatte områder i henhold til deres sandsynlige størrelse og risikopotentiale. i håb om mere præcise forudsigelser. Deres model tager højde for de fysiske aspekter af bjergskråninger - stejlhed, rodstrukturer, der holder skråningen på plads og jordsammensætning - og stierne, vandet følger, når det løber ned ad skråningen og ned i jorden.

Endnu, mens modellen er bedre til at identificere områder, der er udsat for større og potentielt farligere jordskred, forskerne opdagede faktorer, der påvirker jordskredstørrelsen, som ikke let kan bestemmes ud fra luftdata og skal vurderes fra jorden - en skræmmende opgave, hvis man er bekymret for hele staten Californien.

De vigtigste ubekendte er, hvordan den underjordiske jord og det underliggende bjerggrund er og indflydelsen af ​​tidligere jordskred på jordforholdene.

"Vores undersøgelser fremhæver problemet med overforudsigelse:Vi har modeller, der med succes forudsiger placeringen af ​​dias, der opstod, men de ender med at forudsige mange steder, der ikke fandt sted på grund af vores uvidenhed om undergrunden, "sagde Dietrich, UC Berkeley professor i jord- og planetvidenskab. "Vores nye fund påpeger specifikt, at bakkeskråningsmaterialets rumlige struktur - jorddybde, rodstyrke, permeabilitet og variationer på tværs af skråningen - spiller en rolle i størrelsen og fordelingen og, derfor, selve faren. Vi rammer en mur - hvis vi vil komme længere med jordskredsforudsigelse, der forsøger at specificere, hvor, hvornår og hvor stort et jordskred vil være, vi skal have viden, der er virkelig svær at få, men betyder noget."

Modeller nøglen til målrettede evakueringer

Årtiers undersøgelser af Dietrich og andre har ført til forudsigende modeller for, hvor og under hvilke nedbørsforhold skråninger vil fejle, og sådanne modeller bruges verden over i forbindelse med vejrudsigtsmodeller til at lokalisere områder, der kan lide rutsjebaner i en kommende storm og advare beboere. Men disse modeller, udløst af en såkaldt "empirisk nedbørstærskel, "er konservative, og offentlige instanser ofte ender med at udsende evakueringsadvarsler for store områder for at beskytte liv og ejendom.

Dietrich, der leder Eel River Critical Zone Observatory-et årti langt projekt for at analysere, hvordan vand bevæger sig hele vejen fra trækronen gennem jorden og grundfjeldet og ind i vandløb-forsøger at forbedre forudsigelsesmodeller for skredstørrelse baseret på skråningens fysik. Luftbåren laserbilleddannelse ved hjælp af LiDAR kan give detaljer i submeterskala, ikke kun af vegetation, men også af jorden under vegetationen, muliggør præcise målinger af skråninger og et godt skøn over vegetationstyperne på skråningerne.

Skråninger svigter under regnbyger, han sagde, fordi vandtrykket i jorden - poretrykket - skubber jordpartikler fra hinanden, gør dem flydende. Opdriften reducerer friktionen, der holder jordpartiklerne mod tyngdekraften, og når massen af ​​objektglasset er nok til at knække rødderne, der holder jorden på plads, skråningen falder. Lavvandede rutsjebaner må kun involvere den øverste del af jorden, eller skure ned til grundfjeldet og skubbe alt under det ned ad skråningen, skaber dødelige affaldsstrømme, der kan rejse flere meter i sekundet.

Hvert vådt år langs Stillehavskysten, hjem er fejet væk og liv mistet efter store jordskred, selvom truslen er verdensomspændende. Som illustreret ved et jordskred i Sausalito for præcis to år siden, jordskred kan opstå kun en kort afstand op ad bakke og mobilisere som et affald, der strømmer meter i sekundet, inden det rammer et hus. Størrelsen af ​​det indledende jordskred vil påvirke dybden og hastigheden af ​​strømningen og den afstand, den kan rejse ned ad skråning i kløfter, sagde Dietrich.

Med tidligere computermodeller, Dietrich og hans kolleger var i stand til at præcisere de steder på bakker, der ville lide jordskred. I 2015, for eksempel, Bellugi og Dietrich brugte deres computermodel til at forudsige lavvandede jordskred på en velstuderet bakke i Coos Bay, Oregon, under en række jordskredudløsende regnbyger, udelukkende baseret på disse fysiske foranstaltninger. Disse modeller brugte LiDAR-data til at beregne stejlhed og hvordan vand ville strømme ned ad skråningen og påvirke poretrykket inde i skråningen; årstidens historie om nedbør i området, som hjælper med at vurdere, hvor meget grundvand der er til stede; og estimater af jorden og rodstyrken.

I det nye blad, Bellugi og David Milledge fra Newcastle University i Newcastle upon Tyne i Storbritannien testede jordskredsforudsigelsesmodellen på to meget forskellige landskaber:en meget stejl, dybt ætset og skovklædt bjergskråning i Oregon, og en glat, græsklædte, let skrånende gletsjerdal i Englands berømte Lake District.

Overraskende nok, de fandt ud af, at fordelingen af ​​små og store lavvandede jordskred var ret ens på tværs af begge landskaber og kunne forudsiges, hvis de tog én ekstra information i betragtning:variationen af ​​bakkeskråningers styrke på tværs af disse bjergskråninger. De opdagede, at små rutsjebaner kan blive til store rutsjebaner, hvis forholdene - jordstyrke, rodstyrke og poretryk - varierer ikke tilstrækkeligt over korte afstande. I det væsentlige, små dias kan forplante sig på tværs af skråningen og blive større ved at forbinde isolerede dias-tilbøjelige områder, selvom de er adskilt af en mere solid hældning.

"Disse områder, der er modtagelige for lavvandede jordskred, selvom du måske er i stand til at definere dem, kan smelte sammen, hvis tæt nok på hinanden. Så kan du få et stort jordskred, der omfatter nogle af disse små pletter med lav styrke, " sagde Bellugi. "Disse pletter med lav styrke kan være adskilt af områder, der er stærke - de kan være tætte skove eller mindre stejle eller tørrere - men hvis de ikke er godt adskilt, så kan disse områder smelte sammen og lave et kæmpe jordskred."

"På bjergskråninger, der er træer og topografi, og vi kan se dem og kvantificere dem, " tilføjede Dietrich. "Men startende fra overfladen og ned i jorden, der er meget, vi har brug for i modeller, som vi nu ikke kan kvantificere over store områder:den rumlige variation i jorddybde og rodstyrke og indflydelsen af ​​grundvandsstrømning, som kan dukke op fra det underliggende grundfjeld og påvirke jordens poretryk."

At få så detaljerede oplysninger på tværs af en hel skråning er en herkulean indsats, Sagde Dietrich. På skråningerne i Oregon og Lake District, forskere gik eller scannede hele området for at kortlægge vegetation, jordsammensætning og dybde, og forbi dias meter for meter, og derefter møjsommeligt estimeret rodstyrke, alt dette er upraktisk for de fleste skråninger.

"Hvad dette siger er, at for at forudsige størrelsen af ​​et jordskred og en størrelsesfordeling, vi har en betydelig barriere, som bliver svær at overskride – men vi er nødt til det – som er at være i stand til at karakterisere materialets egenskaber under overfladen, " sagde Dietrich. "Dinos papir siger, at den rumlige struktur af undergrunden betyder noget."

Forskernes tidligere feltstudier fandt, for eksempel, at brudt grundfjeld kan tillade lokal vandoverstrømning under overfladen og underminere ellers stabile skråninger, noget, der ikke kan observeres - endnu - ved luftundersøgelser.

De opfordrer til mere intensiv forskning i stejle bjergskråninger for at kunne forudsige disse underjordiske træk. Dette kunne omfatte mere boring, installation af hydrologisk overvågningsudstyr og anvendelse af andre geofysiske værktøjer, herunder keglepenetrometre, som kan bruges til at kortlægge jord, der er modtagelig for svigt.