Ζωνοποίηση της επικινδυνότητας των κατολισθητικών φαινομένων στον ελληνικό χώρο: Δημιουργία και εφαρμογή μοντέλων με γεωγραφικό σύστημα πληροφοριών

Abstract

The objective of this thesis was the comparative study of landslide hazard and the development of a landslide hazard assessment model for the Hellenic territory, and the production of landslide hazards maps. A digital database in a GIS environment was, therefore, developed for the 1.238 recorded landslides from 1903 to 1998, as well as the digitisation of all necessary geo-information, such as topography, engineering geology map, geotectonic zones, etc. The major factors that may cause landslides are altitude, slope, existence of rivers, road construction, climatic features and rainfall, geological and geomorphological features, natural phenomena, such as earthquakes, but also human activities. Hence, these ten variables were selected for further treatment, i.e., rainfall, climatic zone, elevation, lithology, slope gradient, seismic activity (seismic zone), drainage, land use, density of road network, and population density. To begin with, the geographical characteristics of each variable were studied by plotting the primary maps of each variable, as well as the geotectonic map of Greece and the engineering geological map of Greece. Then for each of the ten variables thematic maps were plotted by projecting the data to a 1x1 km grid. Subsequently, each data set was levelled, using the frequency of occurrence and the area that is covered by each category of each variable. This was the one of the innovative actions of this thesis. The second step involved the development of a logical-analytical model, where the hazard is estimated by an expression, where the ten variables are connected with weights, which depend on the area influence exerted by each variable. The semi-quantitative hazard analysis method is an approached of weighted linear combination (WLC) of input data, and it is based on technologies of geographical information systems (GIS). The weights were extracted objectively by factor analysis, and the manner with which they were applied was another and definitive innovation of this study, which offers a practical applicable approach to landslide hazard assessment that can be updated with the entry of new information and data in the existing database. The results of this approach were first verified using the existing landslide database, for which an interface environment within a GIS software was developed. The verification showed that the integration of the WLC method and GIS could support engineering geological studies on the vulnerability of landslides in hazardous areas. The next step was the verification of the landslide hazard and zonation model by the superposition of 397 new landslides covering the period 1998-2003. This thesis comprises of seven chapters. The first chapter makes a general introduction of the physical phenomenon of landslides, their classification, and their descriptive characteristics and describes the factors that contribute in the development of landslides. The second chapter describes the study area, which comprises the whole Hellenic territory, its geomorphological evolution, its geotectonic zones and engineering geological conditions. The third chapter presents the methodologies of geographical information systems, the development of databases and their contribution, as well as a description of the primary reference geographical data. The fourth chapter describes the recording of landslide data, the variables entered in the database, the development of the digital database and the presentation of primary data of the ten variables on maps. The fifth chapter discusses the methods and results of the statistical treatment of the data, and digital maps using a grid of 1x1 km are presented for each of the ten variables with the superposition of the recorded 1238 landslides. The sixth chapter describes the methods of landslide hazard assessment, i.e., (a) using the Poisson distribution to predict the occurrence of landslides over a period of 25 years, and (b) the first innovative step of the development of new landslide hazard assessment model by weighting each variable and the compilation to begin with of weighted maps for each of the ten variables, and then the compilation of a combined Landslide Hazard Assessment Map. The procedure includes the following steps: • The data of each variable were classified into categories, according to international experience and expertise. • Using the 1238 recorded landslides in the Hellenic territory the frequency corresponding to each category was estimated (Fc). • The area in square kilometres that corresponds to each category was estimated (Ac). • The frequency of landslides of each category is divided by the corresponding area (Fc/Ac = Fckm). • The relative frequency was then estimated for each category (R% = [(Fckm/Total Fckm) x 100], giving the value of weighing hazard, and the development of Thematic Maps of Weighting the Landslide Hazard for each of the ten variables. • Factor analysis was used for the extraction of coefficients that were used in the development of the equation of Landslide Hazard, E, at a site, i.e., Landslide Hazard at a site, Ε = {(0.14074 x Rainfall) + (0.13497 x Climatic Zone) + (0.13005 x Elevation in metres) + (0.11602 x Land use) + (0.10957 x Lithology) + (0.10534 x Drainage density) + (0.10207 x Seismic Risk) + (0.06503 x Density of road network) + (0.05056 x Slope gradient) + (0.04559 x Population density)} The final result for each pixel of 1x1 km (n=131.968) is expressed as a percentage, giving, therefore, the Probability of Landslide hazard at a site, i.e., Probability of occurrence of a landslide at a site, P=(Ε / 0.25948885430348) x 100 Where, Ε is the value of Landslide hazard at a site Whereas the 0.25948885430348 is the maximum for Ε • Finally, the combined weighted landslide hazard map was compiled using the digital thematic maps of each variable, and reclassifying the classes into new ones, based on the unit relative frequency. On this Landslide Hazard Assessment Map, the 1238 landslides were superimposed in order to test the validity of the model. The coincidence of the recorded landslides with the defined landslide hazard zones is comparatively quite good. It can be said that this was expected, since the derived model used the 1238 landslides. The Landslide Hazard Assessment Model was, however, verified by using 397 new landslides recorded during the period from 1998 to 2003. The coincidence with the defined Landslide Hazard Zones is unbelievably very good, proving that the methodology used is viable. The seventh chapter summarises the results of the thesis, and includes the final conclusions. Finally, according to the results stemming from this thesis, GIS and digital databases proved to be indispensable tools for managing geological, geotechnical, seismic and climatic information. Moreover, they offer the potential of a complete analysis, using tools of spatial analysis, as well as the implemented algorithms in order to produce landslide hazard assessment models.

Ο σκοπός της διατριβής ήταν η συγκριτική έρευνα του κινδύνου των κατολισθήσεων και η δημιουργία ενός μοντέλου εκτίμησής του για τον ελλαδικό χώρο, καθώς και η δημιουργία χαρτών επικινδυνότητας. Για το σκοπό αυτό δημιουργήθηκε η ψηφιακή βάση δεδομένων από 1.238 καταγεγραμμένες κατολισθήσεις για την περίοδο 1903-1998 και ψηφιοποιήθηκαν όλες οι αναγκαίες γεωπληροφορίες, όπως τοπογραφικά ανάγλυφα, τεχνικογεωλογικός χάρτης, γεωτεκτονικοί χάρτες κ.ά. Οι κύριοι παράγοντες που προκαλούν κατολισθήσεις είναι ως γνωστόν οι κλίσεις του πρανούς, τα φαινόμενα διάβρωσης, οι ανθρωπογενείς παρεμβάσεις (π.χ. η κατασκευή οδικού δικτύου), τα κλιματικά χαρακτηριστικά και οι βροχοπτώσεις, τα γεωλογικά και γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά των σχηματισμών, τα φυσικά φαινόμενα, όπως οι σεισμοί κ.λπ. Επιλέχθηκαν δέκα (10) παράγοντες-μεταβλητές και διερευνήθηκαν τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά της κάθε μεταβλητής με την προβολή της σε πλέγμα 1x1 km. Στη συνέχεια, έγινε η στάθμιση του κινδύνου κατολίσθησης για κάθε μία μεταβλητή, χρησιμοποιώντας τη συχνότητα εμφάνισης σύμφωνα με τις καταγεγραμμένες περιπτώσεις και την έκταση που καταλαμβάνει σε κάθε κατηγορία της μεταβλητής. Αυτή ήταν η πρώτη καινοτόμος ενέργεια της έρευνας. Το επόμενο βήμα ήταν η δημιουργία ενός λογικού–αναλυτικού μοντέλου, όπου ο κίνδυνος εκφράζεται από μια εξίσωση, στην οποία οι δέκα μεταβλητές συνδέονται με βάρη, που εξαρτώνται από την επιρροή που ασκεί η κάθε μεταβλητή. Η ημι-ποσοτική αυτή μέθοδος ανάλυσης κινδύνου αποτελεί προσέγγιση σταθμισμένων γραμμικών συνδυασμών (weighted linear combination - WLC) των δεδομένων εισαγωγής και βασίζεται στις τεχνολογίες των συστημάτων γεωγραφικών πληροφοριών (ΓΣΠ). Τα βάρη εξήχθηκαν αντικειμενικά μέσω της παραγοντικής ανάλυσης των δεδομένων και ο τρόπος εφαρμογής τους ήταν η δεύτερη και καθοριστική ενέργεια της έρευνας, που δίνει ένα πρακτικά εφαρμόσιμο τρόπο εκτίμησης της επικινδυνότητας των κατολισθήσεων, ο οποίος μπορεί να εκσυγχρονίζεται με την εισαγωγή νέων πληροφοριών στην υπάρχουσα βάση δεδομένων. Τα αποτελέσματα επικυρώθηκαν αρχικά χρησιμοποιώντας την προϋπάρχουσα βάση δεδομένων των καταγεγραμμένων κατολισθήσεων, για την οποία δημιουργήθηκε περιβάλλον διεπαφής στο λογισμικό ΓΣΠ. Η επικύρωση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι η ενσωμάτωση της μεθόδου WLC και των ΓΣΠ αποτελούν τεχνικές που μπορούν να υποστηρίξουν τεχνικογεωλογικές μελέτες, σχετικά με την επικινδυνότητα των κατολισθήσεων σε ευρύτερη περιοχή. Στη συνέχεια, επιβεβαιώθηκε η αξιοπιστία του μοντέλου επικινδυνότητας και ζωνοποίησης του κινδύνου κατολισθήσεων με την υπέρθεση 397 νέων περιπτώσεων κατολισθήσεων που καταγράφηκαν την περίοδο 1998 - 2003. Συμπερασματικά, από τα αποτελέσματα της διατριβής, προκύπτει ότι τα ΓΣΠ και οι ψηφιακές βάσεις δεδομένων είναι απολύτως αναγκαία μέσα για τη διαχείριση της γεωλογικής, γεωτεχνικής, σεισμικής, βροχομετρικής, οικιστικής κ.λπ. πληροφορίας. Επιπλέον, παρέχουν τη δυνατότητα ολοκληρωμένης ανάλυσης, η οποία διατίθεται από τα συγκεκριμένα εργαλεία χωρικής ανάλυσης, με την επεξεργασία των δεδομένων εισόδου των αναλύσεων και την αξιοποίηση των αποτελεσμάτων, για τη δημιουργία χαρτών εκτίμησης του βαθμού κινδύνου έναντι κατολίσθησης σε μια περιοχή έρευνας.