Количественная оценка роли природных и техногенных факторов активизации оползней в провинции Шонла, Вьетнам

Введение

Вьетнам — страна с разнообразным рельефом, включающим горные районы, равнины и побережья, при этом горные районы составляют ¾ природной площади страны. Горные районы северных провинций Вьетнама, особенно провинция Шонла, регулярно сталкиваются со стихийными бедствиями, такими как внезапные наводнения, оползни и проливные дожди. Оценка риска оползней имеет большое значение в национальной стратегии предотвращения и смягчения последствий стихийных бедствий во Вьетнаме [2]. Для снижения ущерба от оползней необходимо проводить постоянное изучение факторов, определяющих развитие и активизацию оползневых процессов. В настоящее время исследования оползней подразделяются на прямые и косвенные, используются качественные, полуколичественные и количественные методы, основанные как на частотных, так и на детерминированных методах [1]. Существует множество методов оценки современного состояния и степени активности оползней, но выбор подходящего метода зависит от таких критериев, как цель исследования, площадь исследуемой территории, доступность, масштаб исследования, тип используемых данных, наличие информации, документов и опыта [16]. Исходя из геоэкологических условий изучаемого района, для исследования был выбран модифицированный метод отношения частот, который широко используют при многокритериальном анализе благодаря его прогностической способности по сравнению с другими методами.

Материалы и методы исследования

Область исследования

Провинция Шонла — горная провинция на севере Вьетнама, примерно в 320 км к востоку от столицы, г. Ханоя. По данным Статистического управления провинции Шонла, по состоянию на 2024 год общая численность населения провинции составляет 1 330 580 человек [10].

Для Шонла характерен сильнорасчлененный рельеф, крутые склоны, жаркий и влажный климат, а также частые сезонные дожди, которые являются причинами многих видов стихийных бедствий и оползней. В период с 2011 по 2024 год непосредственно пострадали (погибли, получили ранения, пропали без вести) около 358 человек, а материальный ущерб составил более 8 триллионов вьетнамских донгов [6]. На рисунке 1 показаны участки схода оползней в двух районах провинции Шонла.

Исходные материалы и метод исследования

Для построения карт факторов, определяющих наличие и степень активности оползневых процессов, использовались цифровые модели рельефа (ЦМР), геологические отчеты и картографические материалы разной направленности, в том числе карты землепользования 2020 года в провинции Шонла. Исходные данные взяты из различных источников, таких как Вьетнамский институт геологических наук и минеральных ресурсов, Главное статистическое управление Вьетнама, Статистическое управление провинции Шонла, полевые исследования и изображения Google Earth. Весь картографический материал был приведен к единому масштабу.

Карта распространения оползней

Для целей исследования была составлена карта распространения оползней с использованием результатов выполненных полевых исследований, спутниковых снимков Google Earth с течением времени разных лет, материалов дистанционного зондирования и данных, собранных из опубликованных источников. Карта распространения оползней позволяет визуализировать их пространственное распределение на изучаемой территории. В общей сложности в районе исследования было выявлено и нанесено на карту более полутора тысяч оползней, материалы по которым легли в основу количественной оценки взаимосвязей между факторами и пространственным распределением оползневых явлений.

Метод модифицированного отношения частот (MFR)

Метод отношения частот (Frequency Ratio, FR) является одним из широко используемых методов оценки риска оползней не только во Вьетнаме, но и в мире. Этот метод представляет собой двумерную статистическую модель, которая отражает пространственную взаимосвязь оползневого процесса и каждого из изучаемых факторов, определяющих его активность [18][20][23]. Значение коэффициента частоты для каждого фактора рассчитывается путем объединения карты распространения оползней и карты факторов возникновения оползней по следующей формуле [2][13]:

 (1)

где P_LS — доля оползней в каждом классе фактора; P_C — процент площади каждого класса фактора; L_i — количество оползней, произошедших в классе i; ΣL_i — общее количество оползней в исследуемом районе; A_i — площадь класса фактора i; ΣA_i — общая площадь исследуемой территории.

Если значение частотного отношения FR > 1, это указывает на более сильную связь между возникновением оползней и соответствующим фактором. Напротив, если FR < 1, это свидетельствует о слабой взаимосвязи [12][18].

NFR (Normalized Frequency Ratio) [3] — нормализованное отношение частот рассчитывается по формуле:

 (2)

где FR_i — это значение частотного отношения (FR) для класса фактора i.

Затем эмпирически рассчитываются коэффициенты прогнозирования (PR) для оценки значимости каждого исследуемого фактора, определяющего возможность возникновения и степень активности оползневых процессов.

 (3)

Метод MFR имеет важное отличие от метода FR в части нормализации исходных данных. В методе MFR частотные отношения нормализуются в диапазоне от 0 до 1. Такая нормализация позволяет более точно интерпретировать результаты и облегчает их интеграцию с другими статистическими показателями [19]. Метод модифицированной оценки отношения частот представлен на рисунке 2.

Тематическое картирование факторов, определяющих возникновение и степень активности оползневых процессов

Решающую роль в образовании и развитии оползней играет крутизна склонов. Чем больше их крутизна и изрезанность, тем выше риск оползней, и наоборот [11]. Как известно, склоны имеют различный генезис: природные, природно-техногенные и техногенные. Техногенные склоны образуются при строительстве различных насыпей (дорожных покрытий, дамб и т. п.), добыче полезных ископаемых, выемке грунта (карьеров, каналов, карьеров и т. п.) или при перепланировке территории [9].

Экспозиция склонов определяет воздействие таких факторов, как солнечная радиация, ветер, дождь, интенсивность выветривания, а также уровень изменения физических свойств горных пород [21].

Стратиграфо-генетические комплексы и свиты определяют состав, строение, прочность, проницаемость, продукты выветривания материнской породы и являются одними из важнейших факторов при изучении и прогнозировании оползневых процессов [24].

Высота над уровнем моря косвенно влияет на возникновение и активность оползней, но она в значительной мере определяет другие факторы, такие как количество атмосферных осадков, скорость реакции гидратации, степень и глубина выветривания, изменение влажности, эрозия и растительность [15][17].

Атмосферные осадки играют важную роль в оценке риска оползней. При этом учитывается годовой режим осадков, их интенсивность и распределение по площади. Когда влажность воздуха увеличивается до предельного уровня, ослабляющего несущую способность горных пород, возникают оползни, которые увеличиваются прямо пропорционально увеличению влажности [14]. Это очень важный параметр, связанный с риском оползней.

Устойчивость склонов зависит от расстояния до эрозионной сети: эрозия у подножия склона с обеих берегов реки может привести к увеличению крутизны склона и, соответственно, потере устойчивости [22].

Расстояние до дорог. Дороги в горных районах строятся по пересеченной местности, обычно вдоль речных долин, поэтому их приходится прокладывать на крутых склонах. Верхняя часть склона теряет устойчивость, что приводит к активизации оползневых и других склоновых процессов.

Геолого-тектонические разломы создают ослабленные зоны свойств горных пород. Плотность разломов использовалась для изучения взаимосвязи между тектоническими факторами и риском оползней.

Землепользование — динамический фактор, связанный с деятельностью человека. Различные виды землепользования оказывают, как известно, разное воздействие на оползни [25].

Результаты и обсуждение

Влияние природных и техногенных факторов на развитие оползней на исследуемой территории было оценено и проанализировано с использованием модифицированного метода отношения частот. Характеристики факторов, влияющих на оползневые процессы изучаемой территории, обрабатываются, рассчитываются, преобразуются и отображаются в виде растровых данных с пространственным разрешением 30 м в программном обеспечении ArcGIS (рис. 3).

В таблице 1 приведены результаты обработки данных методом модифицированных частотных отношений (МЧ) в сочетании с ГИС-технологиями. Показаны частота (вес) каждого исследуемого фактора (NFR) и коэффициент прогнозирования (PR), определяющие наличие и степень активности оползневых процессов.

Результаты определения значения NFR и PR исследуемых факторов, влияющих на оползни в провинции Шонла, позволяют сделать следующие выводы.

1. Наибольшие отношения частот (NFR) по высоте над уровнем моресоставляют 0,31, 0,22 и 0,17 и приурочены к высотным поверхностям: ниже 450, 450—700, 700—1000 м. В пределах распространения данного фактора расположено 80,01% оползней исследуемой территории. Значение PR для данного слоя 5,6 указывает на значительное влияние данного фактора на пространственное распределение оползней.
2. По фактору расстояние до дорогинаибольший коэффициент частотности (NFR) 0,31, 0,24 и 0,18 в интервалах значений: от 0 до 100, 100—200, 200—300 м. Значение PR для данного слоя составляет 4,8, что указывает на значительное влияние исследуемого фактора на пространственное распределение оползней.
3. В слое данных о крутизне склоназначения с самым высоким отношением частот (NFR) составляют 0,21, 0,2 и 0,19 в интервалах 10—17°, 17—25°, 25—35^°. В пределах развития данного фактора расположены 94,04% оползней исследуемой территории. Значение PR для данного слоя данных составляет 3,2, что указывает на существенное влияние крутизны склонов на вероятность возникновения оползней.
4. Самый высокий коэффициент частотности (NFR) по фактору «стратиграфо-генетические комплексы и свиты» составляет 0,21 в стратиграфо-генетическом комплексе Пошен. Однако суммарное значение PR в целом для данного фактора составляет 4,2, что свидетельствует о высокой степени его влияния на возможность возникновения оползней.
5. Высокие отношения частот (NFR) при изучении фактора «расстояние до систем геолого-тектонических разломов» составляют 0,2 и 0,19 и приурочены, соответственно, к значениям от 1500 до 2000 и 0—500 м. В пределах развития данного фактора располагаются 45,04% оползней исследуемой территории. Значение PR равно 1,0, что свидетельствует о практически незначительном влиянии исследуемого фактора на вероятность возникновения оползней.
6. Показатель «среднегодовое количество осадков» в интервалах 1434—1577 и 1666—1745 мм обладает самым высоким значением отношения частот (NFR), равным 0,19, и в пределах этих территорий расположено 60,08% оползней. Значение PRравно 1,0, что указывает на наличие взаимосвязи между среднегодовым количеством осадков и вероятностью возникновения оползней.
7. Наиболее высокое значение частот (NFR) по фактору «экспозиция склона» отмечается в пределах северного, северо-восточного и северо-западного направления и охватывает 44,71% оползней исследуемой территории. Значение PRравно 3,0, что свидетельствует о значительном влиянии экспозиции склонов на вероятность возникновения оползней.
8. По показателю «землепользование» для жилой застройки отмечается самый высокий коэффициент частотности (NFR) 0,35. PRравно 6,8 — это максимальное значение показателя, которое указывает, что виды землепользования обладают самым сильным влиянием на активность оползневых процессов из всех изученных факторов.
9. По фактору «расстояние до эрозионной сети» значения с самым высоким коэффициентом повторяемости (NFR) составляют 0,28 для значения от 0 до 100 м, что вполне естественно. Показатель PRравен 4,0, что свидетельствует о существенном влиянии близости эрозионной сети на вероятность возникновения оползней.

По результатам расчетов и анализа видно, что каждый фактор играет определенную роль в формировании оползневой опасности на исследуемой территории. На основе общего значения РR факторы, определяющие оползневую активность, расположены в следующем порядке: землепользование; высота над уровнем моря; расстояние до дороги; стратиграфо-генетические комплексы и свиты; расстояние до эрозионной сети; крутизна склонов; экспозиция склонов; расстояние до геолого-тектонических разломов; среднегодовое количество осадков.

Таким образом, техногенные факторы, такие как землепользование, расстояние до дорог, оказывают максимальное влияние на активность оползней в провинции Шонла. Это вырубка лесов, выравнивание гор, строительство дорог, добыча полезных ископаемых, нивелирование рельефа при жилой застройке и другие виды хозяйственной деятельности.

Результаты оценки роли факторов, влияющих на риск оползней в провинции Шонла, согласуются с исследованиями, проведенными в других северных горных провинциях Вьетнама, такими как прогнозирование риска оползней в коммуне Намдан, округе Синьман, провинции Хазянг [4], районе города Баккан, провинции Баккан [5], районе Тиньтук, провинции Каобанг [3], районе коммуны Чунгчай, районе Шапа, провинции Лаокай [1][2][12], с применением метода статистических индексов.

Обычно в горных районах основным фактором, провоцирующим оползни, считаются осадки. Однако согласно результатам выполненных исследований для оценки возникновения риска оползней необходимо учитывать множество других факторов, таких как рельеф, геоморфология, крутизна склонов, литология, землепользование, деятельность человека в процессе строительства городской инфраструктуры. Поэтому оценка риска оползней требует комплексного подхода с учётом природных и техногенных факторов, характерных для изучаемых территорий.

На основе результатов выполненных исследований предлагается комплекс мероприятий по предотвращению и/или минимизации оползневых процессов и их последствий на территории провинции Шонла.

1. Совершенствование системы мониторинга оползневых процессов. Необходимо модернизировать систему наблюдения, включая установку датчиков смещения грунта, создать систему оперативного оповещения населения о возможности активизации оползневых процессов, осуществлять гидрометеорологические расчеты и прогнозы с акцентом на интеграцию, синхронность и автоматизацию. Особое внимание следует уделить жилым районам, транспортной инфраструктуре и территориям, подверженным частым оползням, с целью своевременного оповещения и эвакуации населения из опасных зон.
2. Информационно-просветительская работа по повышению осведомленности населения. Необходимо проводить просветительскую работу для повышения осведомленности местного населения и заинтересованных организаций о рисках оползней и мерах их предотвращения. Такие меры включают проведение обучающих тренингов, тренировок по экстренной эвакуации, а также установку предупреждающих знаков об угрозе оползней.
3. При планировании функционального использования земель следует учитывать распространение и степень активности оползневых процессов. Ограничить строительство жилых домов, учреждений и административных зданий на склонах и в районах с высоким риском оползней.
4. Разрабатывать и реализовывать противооползневые мероприятия. Укреплять устойчивость склонов путём установки армирующих сеток, строительства подпорных стен из габионов и гравитационных подпорных стен.
5. При строительстве инфраструктурных объектов и гидроэлектростанций необходимо уделять внимание оценке устойчивости геологической среды территории, обеспечивая возможность предотвращения внезапных наводнений и оползней. Выполнять геоэкологическое обследование территории перед началом строительных работ.
6. Разработать мероприятия по нейтрализации процессов выветривания почвы и горных пород на склонах путем посадки ветивера, использования геотехнических материалов, периодического поддержания уклонов дорожной сети и строительства дренажной системы с целью снижения воздействия инфильтрации поверхностных вод на оползневый склон.
7. Охранять леса в водосборных зонах и высаживать растения с высоким потенциалом укрепления почвы с целью увеличения площади лесного покрова на поверхности рельефа. Это способствует снижению воздействия сильных дождей на поверхность земли и уменьшению эрозии.
8. Расширение применения моделей агролесоводства и устойчивого подсечно-огневого земледелия с целью снижения интенсивности паводков и селевых потоков, предупреждения ураганов, оползней, засух, а также улучшения состояния природной среды.
9. Осуществление мероприятий по озеленению деградированных и незанятых земель путем высадки древесных и кустарниковых пород, которое способствует формированию экологических буферных зон и восстановлению растительного покрова. Данная мера должна повысить водоудерживающую и противоэрозионную способности почв, снизить риск оползней, способствовать сохранению биологического разнообразия и сыграть значительную роль в адаптации к изменениям климата.

Заключение

В исследовании был использован модифицированный метод частотного отношения для построения тематических карт девяти природных и техногенных факторов, материалы по которым были собраны, обработаны и занесены в пространственную базу данных с использованием ГИС, связанной с риском оползней. Карты факторов риска оползней в провинции Шонла были верифицированы путем сопоставления с картой инвентаризации оползней, содержащей информацию по 1561 проявлению оползневого процесса в пределах изучаемой территории.

Результаты исследования показывают, что такие факторы, как: землепользование, высота над уровнем моря, расстояние до дороги, стратиграфо-генетические комплексы и свиты, расстояние до эрозионной сети, крутизна склонов, экспозиция склонов, расстояние до геолого-тектонических разломов, среднегодовое количество осадков, располагаются в порядке убывания степени их влияния на возникновение и активность оползней в провинции Шонла. Предложен комплекс мероприятий по предотвращению и/или минимизации оползневых процессов, соответствующий природным условиям и текущей ситуации в исследуемом районе.

Полученные результаты представляют собой научно-практическую основу, способствующую рациональному управлению использованием территории провинции Шонла с учетом устойчивости геологической среды к оползням. Особенно это важно в условиях стремительной урбанизации, наблюдаемой в последние годы, которая приводит к изменению землепользования и увеличению активности оползней. В провинции Шонла необходимо интегрировать управление и контроль стихийных бедствий, в частности оползней, вызванных неблагоприятными погодными и климатическими условиями, а также обеспечить надлежащий мониторинг окружающей среды, и в первую очередь мониторинг оползневых процессов. При проектировании и строительстве инфраструктурных объектов следует учитывать риск оползней.