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Cross-border risk assessment of earthquake-induced landslides in Central Asia
Saponaro, Annamaria
Central Asia is one of the most challenging places in the world where various natural hazards can heavily injury populations and resources. Among these hazards, landslides pose a serious threat to human life and human facilities. The large variability of local geological materials, together with the difficulties in forecasting heavy precipitation locally and in quantifying the level of ground shaking, call for harmonized procedures to better quantify the hazard and the negative impact of slope failures across the Central Asian countries. Furthermore, the increase of population and the expansion of urban settlements towards landslide-prone slopes, exacerbate negative consequences associated to slope failures. Especially in less developed countries which are particularly suffering for appropriate resources, there is the urgent need to address landslide research in order to support disaster management and planning activities at the regional level.
Under conditions of data scarcity as well as of geographic remoteness – which are of particular concern to Central Asian countries - a sound statistical approach is presented that is able to quantify landslide hazard and risk, which also allows for the inference of information about landslide potential and expected damage for areas where no data coverage is available.
With these premises, the main objective of the work is to provide a cross-border risk map of earthquake-induced landslides in Central Asia. To this scope, the main components of risk are evaluated and two main questions are addressed: 1) where are earthquake-induced landslides more likely to occur in future, 2) how is it possible to quantify damages to exposed assets.
A first essential step of any landslide hazard and risk assessment is the preparation of a landslide susceptibility map with the objective to identify areas where the potential for landslide activation exists. For the purposes of this research, a landslide susceptibility analysis is performed by exploiting new advances in Geographic Information System (GIS) technology, together with concepts from Bayesian statistics, and promoting the use of open-source tools. Specifically, a range of conditioning factors and their potential impact on landslide occurrence are quantitatively assessed on the basis of the spatial distribution of landslides by applying weights-of-evidence modelling based on (1) a landslide inventory of past events, (2) terrain-derived variables of slope, aspect and curvature, (3) a geological map, (4) a distance from faults map, and (5) a seismic intensity map. A spatial validation of the proposed method is performed, indicating sufficient measures of significance to predicted landslide susceptibility results, which present an overall level of accuracy greater than 70%.
Secondarily, the evaluation of expected damage to exposed population is achieved at a transnational level. A physically-based procedure, applicable over the entire Central Asian region, is adopted 1) to identify landslide source areas, 2) to define downhill trajectories of mass movements, and 3) to finally retrieve their impact velocities. By incorporating such dynamic concepts, a landslide hazard map is prepared allowing for a better quantification of the natural phenomenon. For the finally landslide risk task, the expected destructiveness due to landslide activation is calculated by integrating the distribution of population density with the hazard map. Results show that a relatively high level of risk is expected for large cities, i.e., those located in the Fergana Valley, in the proximity of Tashkent in Uzbekistan and Jalal-Abad in Kyrgyzstan, being highly dense populated areas. On the other hand, there is a general medium level of risk extensively expected over the entire Central Asia region, primarily due to the presence of small settlements (having a population density in the order of 1000 persons/km²) exposed to relatively high landslide hazard.
Zentralasien ist einer der Orte der Welt, an dem verschiedenste Naturgefahren die Bevölkerung und die vorhandene Infrastruktur schwer treffen können. Unter diesen Gefahren stellen Hangrutsche eine bedeutende Bedrohung sowohl für menschliches Leben als auch die Wirtschaft und die zivile Infrastruktur dar. Starke räumliche Variationen unterschiedlicher geologischer Einheiten, zusammen mit nur schwer vorherzusagenden lokalen Starkregenereignissen und einer ebenso schwer abzuschätzenden Intensität der Bodenbewegung während eines Erdbebens, fordern eine harmonisierte Herangehensweise, um die Gefährdung und die daraus entstehenden negativen Folgen von Hangrutschen in Zentralasien in einem harmonisierten Ansatz zu quantifizieren. Neben der ohnehin schon hohen Gefährdung erhöhen ein starkes Bevölkerungswachstum und die daraus resultierende Ausdehnung von urbanen Siedlungen hin zu den von Hangrutschen bedrohten Talrändern die negativen Konsequenzen, die mit einem solchen Geländesturz einhergehen können. Insbesondere in weniger entwickelten Ländern, die besonders an einem Mangel an Ressourcen leiden, besteht der dringende Bedarf, die Vorsorge- und Nachsorgeaktivitäten auf regionaler Ebene für den Katastrophenfall zu verstärken.
Unter den nachteiligen Bedingungen eines vorherrschenden Datenmangels als auch von geographischer Abgelegenheit - welche besonders auf die zentralasiatischen Länder zutreffen - wird in dieser Arbeit ein fundierter statistischer Ansatz vorgestellt, der es ermöglicht, die Hangrutschungsgefährdung als auch das -risiko zu quantifizieren; darüberhinaus erlaubt es das vorgestellte Verfahren auch, Informationen über Hangrutschungspotential und erwartete Schäden für Gebiete ohne verfügbare Datenabdeckung abzuschätzen.
Unter diesen Prämissen besteht das Hauptziele dieser Arbeit in der Erstellung einer harmonisierten und grenzüberschreitenden Risikokarte für erdbeben-induzierte Hangrutsche in Zentralasien. Zu diesem Zweck werden die Hauptkomponenten des Risikos ausgewertet, und es werden zwei zentrale Fragen untersucht: 1) Wo befinden sich Gebiete, in denen eine hohe Wahrscheinlichkeit für das Auftreten zukünftiger durch Erdbeben induzierter Hangrutsche besteht? 2) Inwieweit ist es möglich, Schäden an exponierten Vermögensgütern zu quantifizieren?
Für eine angemessene Hangrutschungsgefährdungs- und Risikoanalyse wurde in einem ersten Schritt die Hangrutschsuszeptibiliät kartiert mit dem Ziel, insbesondere jene Regionen zu identifizieren, die ein erhöhtes Potential für Hangrutsche aufweisen. Hierzu macht sich die vorgelegte Arbeit die Fortschritte bei den geographischen Informationssystemen (GIS) und Konzepte der Bayesschen Statistik zunutze. Es werden eine Vielzahl an Bedingungsfaktoren und deren potentieller Einfluss für das Auftreten von Hangrutschen quantitativ analysiert. Auf Basis der räumlichen Verteilung von Hangrutschen wird eine Weight-of-Evidence Modellierung durchgeführt mittels (1) einer Inventarisierung vergangener Hangrutschungsereignisse, (2) von der Topographie abgeleiteter Variablen der Hangneigung, Exposition und Krümmung, (3) einer geologischen Kartierung, (4) einer Karte mit der Entfernung zur nächstliegenden tektonischen Verwerfung, und (5) einer probabilistischen seismischen Gefährdungsanalyse in Einheiten der makroseismischen Intensität. Im Anschluss wird eine räumliche Validierung der vorgeschlagenen Methode durchgeführt, die insgesamt mit einem Genauigkeitsniveau von mehr als 70% ein ausreichendes Maß an Signifikanz zur Vorhersage der Hangrutschsuszeptibilität aufweist.
Darauf aufbauende werden in einem zweiten Schritt die erwarteten Verluste unter der gefährdeten Bevölkerung auf grenzüberschreitender Skala abgeschätzt. Dazu wird ein auf die gesamte zentralasiatische Region anwendbarer, physikalisch basierter Ansatz eingeführt, der 1) Ursprungsort von Hangrutschen, 2) Trajektorien der hangabwärts gerichteten Massenbewegung und 3) schließlich die Auftreffgeschwindigkeit der abwärts gleitenden Masse abschätzt. Durch die Überarbeitung der Hangrutschungsgefährdungskarte unter Berücksichtigung dieser dynamischen Konzepte ist es möglich, das natürliche Auftreten der Hangrutsche genauer zu quantifizieren. Für die letztliche Risikoabschätzung, d.h. die zu erwartende Zerstörungskraft aufgrund ausgelöster Hangrutsche, wird die Verteilung der Bevölkerungsdichte in die Gefährdungskarte integriert.
Die Ergebnisse zeigen, dass für große Städte in der Umgebung von Taschkent (Usbekistan) und Jalalabad (Kirgisistan) sowie für die dicht besiedelten Gebiete im Ferganatal ein relativ hohes Risiko gegenüber Hangrutschen besteht; die gesamte zentralasiatische Region weist ein mittleres Risikoniveau auf. Dafür ist hauptsächlich die große Anzahl kleiner Siedlungen (mit einer Bevölkerungsdichte in der Größenordnung von 1000 Personen/km²) verantwortlich, die einer relativ hohen Hangrutschungsgefährdung ausgesetzt sind.
