Đánh giá rủi ro lahar từ xác định nguồn gốc đến phân tích tác động tiềm tàng: trường hợp đảo Vulcano, Ý

Springer Science and Business Media LLC - Tập 10 - Trang 1-23 - 2021
Alessandro Gattuso1, Costanza Bonadonna2, Corine Frischknecht2, Sabatino Cuomo3, Valérie Baumann4, Marco Pistolesi5, Sebastien Biass6, J. Ramon Arrowsmith7, Mariagiovanna Moscariello3, Mauro Rosi5
1Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sede Operativa di Milazzo, Sezione Palermo, Italy
2Department of Earth Sciences, University of Geneva, Geneva, Switzerland
3Laboratory of Geotechnics, University of Salerno, Fisciano, Italy
4Institut des Sciences de la Terre, University of Lausanne, Lausanne, Switzerland
5Dipartimento di Scienze della Terra, Università di Pisa, Pisa, Italy
6Earth Observatory of Singapore, Nanyang Technological University, Singapore, Singapore
7School of Earth and Space Exploration, Arizona State University, Tempe, USA

Tóm tắt

Lahar là những dòng chảy nhanh chóng bao gồm nước và trầm tích núi lửa, có khả năng ảnh hưởng đến các công trình dân cư và cơ sở hạ tầng quan trọng cũng như làm gián đoạn các dịch vụ thiết yếu, đặc biệt khi thiếu quy hoạch sử dụng đất dựa trên nguy cơ. Sức tàn phá của chúng chủ yếu liên quan đến vận tốc (liên quan đến các thuộc tính dòng chảy bên trong và tương tác địa hình) và khả năng chôn vùi các công trình và cấu trúc (do độ dày của lớp trầm tích). Khoảng cách mà lahar có thể đạt được phụ thuộc vào thể tích của nó, tỷ lệ trầm tích/nước, cũng như các thuộc tính hình học của địa hình nơi chúng diễn ra. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày đánh giá rủi ro liên quan đến lahar bằng cách sử dụng đảo Vulcano (Ý) làm trường hợp nghiên cứu. Đầu tiên, chúng tôi ước tính thể tích nguồn gốc lahar ban đầu dựa trên việc làm remobil hóa bởi các trận mưa lớn từ lớp bụi núi lửa trên các sườn của núi La Fossa (hệ thống hoạt động trên đảo), nơi lớp bụi núi lửa liên quan đến kịch bản có khả năng xảy ra nhất (ví dụ: chu kỳ Vulcanian kéo dài). Thứ hai, chúng tôi mô phỏng và xác định các khu vực tác động tiềm tàng của lahar xảy ra đồng thời ở phía bắc Vulkania, nơi có các cơ sở dân cư và du lịch. Chúng tôi đã thử nghiệm một loạt các tham số (ví dụ: khả năng cuốn trôi, sự ngưng tụ của lớp trầm tích bụi núi lửa, góc ma sát) có thể ảnh hưởng đến đầu ra của sự lan truyền lahar cả về cường độ của sự kiện và mức độ ngập nước. Cuối cùng, các cuộc khảo sát về tính dễ bị tổn thương và tiếp xúc đã được tiến hành để tổng hợp bản đồ tiếp xúc và rủi ro cho tốc độ lahar-chảy trên mặt đất (đánh giá rủi ro dựa trên chỉ số nửa định lượng) và độ dày trầm tích lahar cuối cùng (đánh giá rủi ro dựa trên tiếp xúc định tính). Các kết quả chính cho thấy rằng kịch bản lahar xảy ra đồng thời với khả năng cuốn trôi trung bình tạo ra tác động cao nhất liên quan đến việc chôn vùi công trình bởi lớp trầm tích lahar cuối cùng. Tuy nhiên, kịch bản lahar xảy ra đồng thời với khả năng cuốn trôi thấp lại liên quan đến việc chạy ra xa hơn và dẫn đến tác động cao nhất liên quan đến tốc độ dòng chảy của lahar. Dựa trên các mô phỏng của chúng tôi, hai cơ sở hạ tầng quan trọng (viễn thông và nhà máy điện), cũng như con đường chính vượt qua hòn đảo đang có nguy cơ bị tác động bởi lahar (do tốc độ dòng chảy lahar, độ dày trầm tích lahar hoặc cả hai). Những kết quả này cho thấy rằng việc lập kế hoạch không gian dựa trên rủi ro của hòn đảo có thể là một chiến lược quý giá để giảm thiểu rủi ro núi lửa trong dài hạn.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Akbas SO, Blahut J, Sterlacchini S (2009) Critical assessment of existing physical vulnerability estimation approaches for debris flows. In: Malet J, Remaître A, Bogaard T (eds) Landslide processes: from geomorphological mapping to dynamic modelling. CERG Editions, Strasbourg, pp 229–233 Baum RL, Savage WZ, Godt JW (2002) TRIGRS – a fortran program for transient rainfall infiltration and grid-based regional slope-stability analysis US geological survey open-file report, vol 424, p 38 Baumann V, Bonadonna C, Cuomo S, Moscariello M, Biass S, Pistolesi M (2019) Gattuso A (2019) Mapping the susceptibility of rain-triggered lahars at Vulcano island (Italy) combining field characterization and numerical modelling. Nat Hazards Earth Syst Sci 19:2421–2449. https://doi.org/10.5194/nhess-19-2421-2019 Baxter PJ, Boyle R, Cole P, Neri A, Spence RJS, Zuccaro G (2005) The impacts of pyroclastic surges on buildings at the eruption of the Soufrière Hills, Montserrat. Bull Volcanol 67:292–313 Biass S, Bonadonna C, Di Traglia F, Pistolesi M, Rosi M, Lestuzzi P (2016) Probabilistic evaluation of the physical impact of future tephra fallout events for the Island of Vulcano, Italy. Bull Volcanol 78:37. https://doi.org/10.1007/s00445-016-1028-1 Blanc T, Pastor M, Drempetic MSV, Haddad B (2011) Depth integrated modelling of fast landslide propagation. Eur J Environ Civ Eng 15(Sup1):51–72 Blong RJ (1984) Volcanic hazards. A sourcebook on the effects of eruptions. Academic Press, Sidney, p 424 Bonadonna C, Biass S, Menoni S, Chris EG (2021) Assessment of risk associated with tephra-related hazards. In: Papale P (ed) Forecasting and planning for volcanic hazards, risks, and disasters. Elsevier, pp 329–378 (Hazards and disasters) Bonadonna C, Frischknecht C, Menoni S et al (2021) Integrating hazard, exposure, vulnerability and resilience for risk and emergency management in a volcanic context: the ADVISE model. J Appl Volcanol 10:7. https://doi.org/10.1186/s13617-021-00108-5 Braun A, Cuomo S, Petrosino S, Wang X, Zhang L (2018) Numerical SPH analysis of debris flow run-out and related river damming scenarios for a local case study in SW China. Landslides 15(3):535–550 Cascini L, Cuomo S, Pastor M, Rendina I (2020) Modelling of debris flows and flash floods propagation: a case study from Italian Alps. Eur J Environ Civ Eng:1–24 Cascini L, Cuomo S, Pastor M, Sorbino G, Piciullo L (2014) SPH run-out modelling of channelized landslides of the flow type. Geomorphology 214:502–513 Cuomo S (2020) Modelling of flowslides and debris avalanches in natural and engineered slopes: a review. Geoenvironment Disast 7(1):1–25. https://doi.org/10.1186/s40677-019-0133-9 Cuomo S, Moretti S, Aversa S (2019) Effects of artificial barriers on the propagation of debris avalanches. Landslides 16(6):1077–1087 Cuomo S, Pastor M, Capobianco V, Cascini L (2016) Modelling the space–time evolution of bed entrainment for flow-like landslides. Eng Geol 212:10–20 Cuomo S, Pastor M, Cascini L, Castorino GC (2014) Interplay of rheology and entrainment in debris avalanches: a numerical study. Can Geotech J 1–15. https://doi.org/10.1139/cgj-2013-0387 Dagá J, Chamorro A, de Solminihac H, Echaveguren T (2018) Development of fragility curves for road bridges exposed to volcanic lahars. Nat Hazards Earth Syst Sci 18:2111–2125. https://doi.org/10.5194/nhess-18-2111-2018 De Astis G, Lucchi F, Dellino P, La Volpe L, Tranne CA, Frezzotti ML, Peccerillo A (2013) Chapter 11 Geology, volcanic history and petrology of Vulcano (central Aeolian archipelago). Geological Society, London. Memoirs 37(1):281 Dell’Acqua F, Lanese I, Polli DA (2013) Integration of EO-based vulnerability estimation into EO-based seismic damage assessment: a case study on L’Aquila, Italy, 2009 earthquake. Nat Hazards 68:165–180. https://doi.org/10.1007/s11069-012-0490-0 Di Traglia F (2011) The last 1000 years of eruptive activity at the Fossa Cone (Island of Vulcano, Southern Italy), PhD thesis, Dipartimento di Scienze della Terra, Scuola di Dottorato di Ricerca in Scienze di Base Galileo Galilei, Programma di Scienze della Terra, Università degli Studi di Pisa. Di Traglia F, Pistolesi M, Rosi M, Bonadonna C, Fusillo R, Roverato M (2013) Growth and erosion: The volcanic geology and morphological evolution of La Fossa (Island of Vulcano, Southern Italy) in the last 1000 years. Geomorphology 194:94–107. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2013.04.018 Di Trapani FP, Di Maggio C, Madonia P (2011) The role of volcanic and anthropogenic activities in controlling the erosional processes at Vulcano Island (Italy). Geogr Fis Din Quat 34:89–94 Dumaisnil C, Thouret JC, Chambon G, Doyle EE, Cronin SJ (2010) Hydraulic, physical and rheological characteristics of rain-triggered lahars at Semeru volcano, Indonesia. Earth Surf Process Landf 35(13):1573–1590 Ferrucci M, Pertusati S, Sulpizio R, Zanchetta G, Pareschi MT, Santacroce R (2005) Volcaniclastic debris flows at La Fossa Volcano (Vulcano Island, southern Italy): insights for erosion behavior of loose pyroclastic material on steep slopes. J Volcanol Geotherm Res 145:173–191 Frazzetta G, La Volpe L, Sheridan MF (1983) Evolution of the La Fossa cone, Vulcano. J Volcanol Geoth Res 17:329–360 Fuchs S, Heiss K, Hübl J (2007) Towards an empirical vulnerability function for use in debris flow risk assessment. Nat Hazards Earth Syst Sci 7:495–506. https://doi.org/10.5194/nhess-7-495-2007 Galderisi A, Bonadonna C, Delmonaco G, Ferrara FF, Menoni S, Ceudech A, Biass S, Frischknecht C, Manzella I, Minucci G, Gregg C (2013) Vulnerability assessment and risk mitigation: the case of Vulcano Island, Italy. In: Margottini C, Canuti P, Sassa K (eds) Landslide science and practice. Springer, Berlin. https://doi.org/10.1007/978-3-642-31313-4_8 Gary M, Mcafee R Jr, Wolf CL (1974) Glossary of Geology. American Geological Institute, Washington, D.C Gingold RA, Monaghan JJ (1977) Smoothed particles hydrodynamics: theory and application to non-spherical stars. Mon Not R Astron Soc 181:375–389 Godfrey A, Ciurean RL, van Westen CJ, Kingma NC, Glade T (2015) Assessing vulnerability of buildings to hydro-meteorological hazards using an expert based approach – An application in Nehoiu Valley, Romania. Int J Disast Risk Reduct 13:229–241. https://doi.org/10.1016/j.ijdrr.2015.06.001 Gudmundsson M (2015) Hazards from lahars and jokulhlaups. In: Sigurdsson H (ed) Encyclopedia of volcanoes, 2nd edn. Academic Press-Elsevier, pp 971–984 Haddad B, Palacios D, Pastor M, Zamorano J (2016) Smoothed particle hydrodynamic modeling of volcanic debris flows: Application to Huiloac Gorge lahars (Popocatépetl volcano, Mexico). J Volcanol Geotherm Res 324:73–87 Haddad B, Pastor M, Palacios D, Muñoz-Salinas E (2010) A SPH depth integrated model for Popocatépetl 2001 lahar (Mexico): Sensitivity analysis and runout simulation. Eng Geol 114:312–329 Hu KH, Cui P, Zhang JQ (2012) Characteristics of damage to buildings by debris flows on 7 August 2010 in Zhouqu, Western China. Nat Hazards Earth Syst Sci 12:2209–2217 Iverson RM, George DL (2014) A depth-averaged debris-flow model that includes the effects of evolving dilatancy. I. Physical basis. Proc R Soc Lond Ser A 470:20130819 Jakob M, Stein D, Ulmi M (2012) Vulnerability of buildings to debris flow impact. Nat Hazards 60:241–226. https://doi.org/10.1007/s11069-011-0007-2 Jenkins S, Phillips J, Price R, Feloy K, Baxter P, Hadmoko D, de Bélizal E (2015) Developing building-damage scales for lahars: application to Merapi volcano, Indonesia. Bull Volcanol 77:1–17 Kang HS, Kim YT (2016) The physical vulnerability of different types of building structure to debris flow events. Nat Hazards 80(3):1475–1493 Lafarge N, Chambon G, Thouret JC, & Laigle D (2012). Monitoring and modelling lahar flows at Semeru volcano (Java, Indonesia). In 12th Congress INTERPRAEVENT 2012 (pp. 191-200). Lee EM, Jones DKC (2014) Qualitative and semi-quantitative risk assessment, landslide risk assessment, 2nd edn, pp 97–128 Liu Z, Nadim F, Garcia-Aristizabal A, Mignan A, Fleming K, Quan Luna B (2015) A three-level framework for multi-risk assessment. Georisk Assess Manage Risk Eng Syst Geohazards 9(2):59–74 10.1080/1749951820151041989 Lo WC, Tsao TC, Hsu CH (2012) Building vulnerability to debris flows in Taiwan:a preliminary study. Nat Hazards 64:2107–2128. https://doi.org/10.1007/s11069-012-0124-6 Lowe D, Williams S, Leigh H, Connort CB, Gemmel B, Stoiber RE (1986) Lahars initiated by the 13 November 1985 eruption of Nevado del Ruiz, Colombia. Nature 324:51–53. https://doi.org/10.1038/324051a0 Lucy LB (1977) A numerical approach to the testing of fusion process. Astron J 82:1013–1024 Mead SR, Magill C, Lemiale V, Thouret JC, Prakash M (2017) Examining the impact of lahars on buildings using numerical modelling. Nat Hazards Earth Syst Sci 17:703–719 Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare (MATTM) (n.d.) Licenza Creative Commons – Attribuzione -Condividi allo stesso modo 3.0 Italia (CC BY-SA 3.0 IT) Neall VE (1976) Lahars as major geological hazards. Bull Int Assoc Eng Geol 13:233–240 O’Brien JS, Julien PY, Fullerton WT (1993) Two-dimensional water flood and mudflow simulation. J Hydraulic Eng 119(2):244–261 Papathoma-Köhle M, Gems B, Sturm M, Fuchs S (2017) Matrices, curves and indicators: a review of approaches to assess physical vulnerability to debris flows. Earth-Sci Rev 171:272–288 Papathoma-Köhle M, Keiler M, Totschnig R, Glade T (2012) Improvement of vulnerability curves using data from extreme events: a debris flow event in South Tyrol, Nat. Hazards 64:2083–2105 Papathoma-Köhle M, Schlögl M, Fuchs S (2019) Vulnerability indicators for natural hazards: an innovative selection and weighting approach. Sci Rep 9:15026 10.1038/s41598-019-50257-2 Pastor M, Blanc T, Haddad B, Petrone S, Morles Sanchez M, Drempetic V, Issler D, Crosta G. B, Cascini L, Sorbino G, Cuomo S, 2014. Application of a SPH depth-integrated model to landslide run-out analysis. Landslides 11 (5), 793–812. Pastor M, Haddad B, Sorbino G, Cuomo S, Drempetic V (2009) A depth-integrated, coupled SPH model for flow-like landslides and related phenomena. Int J Num An Methods Geomech 33:143–184. https://doi.org/10.1002/nag.705 Pierson TC, Wood Nathan J, Driedger CL (2014) Reducing risk from lahar hazards: concepts, case studies, and roles for scientists. J Appl Volcanol 3:16 http://www.appliedvolc.com/content/3/1/16 Pitman EB, Le L (2005) A two-fluid model for avalanche and debris flows. Philos Trans R Soc London, A Math Phys Eng Sci 363(1832):1573–1601 Poljansek K, Casajus Valles A, Marin Ferrer M, Artes Vivancos T, Boca R, Bonadonna C, Branco A, Campanharo W, De Jage A, De Rigo D, Dottori F, Durrant Houston T, Estreguil C, Ferrari D, Frischknecht C, Galbusera L, Garcia Puerta B, Giannopoulos G, Girgin S, Gowland R, Grecchi R, Hernandez Ceballos MA, Iurlaro G, Kambourakis G, Karlos V, Krausmann E, Larcher M, Lequarre AS, Liberta’ G, Loughlin SC, Maianti P, Mangione D, Marques A, Menoni S, Montero Prieto M, Naumann G, Jacome Felix Oom D, Pfieffer H, Robuchon M, Necci A, Salamon P, San-Miguel-Ayanz J, Sangiorgi M, Raposo De M Do N E S De Sotto Mayor ML, Theocharidou M, Trueba Alonso C, Theodoridis G, Tsionis G, Vogt J and Wood M (2021). Recommendations for national risk assessment for disaster risk management in EU: Where Science and Policy Meet, Version 1, EUR 30596 EN, Publications Office of the European Union, Luxembourg, ISBN 978-92-76-30257-5, doi:102760/43449, JRC123585 Potere D (2008) Horizontal Positional Accuracy of Google Earth’s High- Resolution Imagery Archive. Sensors 2008(8):7973–7981. https://doi.org/10.3390/s8127973 Procter J, Zernack A, Mead S, Morgan M, & Cronin S (2020). A review of lahars; past deposits, historic events and present-day simulations from Mt. Ruapehu and Mt. Taranaki, New Zealand. New Zealand Journal of Geology and Geophysics, 1-25 Rheinberger CM, Romang HE, Brundl M (2013) Proportional loss functions for debris flow events. Nat Hazards Earth Syst Sci 13:2147–2156 Schilling SP (1998) LAHARZ: GIS programs for automated delineation of lahar hazard zones, U.S. Geological Survey Open-file Report Selva J, Bonadonna C, Branca S, De Astis G, Gambino S, Paonita A, Pistolesi M, Ricci T, Sulpizio R, Tibaldi A, Ricciardi A (2020) Multiple hazards and paths to eruptions: A review of the volcanic system of Vulcano (Aeolian Islands, Italy). Earth Sci Rev Spence RJS, Zuccaro G, Petrazzuoli S, Baxter PJ (2004) Resistance of buildings to pyroclastic flows: analytical and experimental studies and their application to Vesuvius. Nat Hazards Rev 5:48–59 Sulpizio R, Zanchetta G, Demi F, Di Vito MA, Pareschi MT and Santacroce R (2006). The Holocene syneruptive volcaniclastic debris flows in the Vesuvian area: Geological data as a guide for hazard assessment, in: Neogene-Quaternary continental margin volcanism: A Perspective from México: Geological Society of America Special paper, edited by: Siebe, C., Macias, J. L., and Aguirre-Díaz, J., 402, 203–221, 10.1130/2006.2402(10). Thouret JC, Antoine S, Magill C, Ollier C (2020) Lahars and debris flows: characteristics and impacts. Earth Sci Rev 201:103003 Tierz P, Woodhouse M, Phillips J, Sandri L, Selva J, Marzocchi W, Odbert H (2017) A framework for probabilistic multi-hazard assessment of rain-triggered lahars using bayesian belief networks. Front Earth Sci 5:73. https://doi.org/10.3389/feart.2017.00073 Totschnig R, Fuchs S (2013) Mountain torrents: quantifying vulnerability and assessing uncertainties. Eng Geol 155:31–44. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2012.12.019 Totschnig R, Sedlacek W, Fuchs S (2011) A quantitative vulnerability function for fluvial sediment transport. Nat Hazards 58:681–703 10.1007/s11069-010-9623-5 Vallance JW, Iverson R (2015) Lahars and their deposits. In: Sigurdsson H (ed) Encyclopedia of Volcanoes, 2nd edn. Academic Press, San Diego, pp 649–664 Van Bemmelen RW (1949) Geology of Indonesia, Vol. 1. The Hague Government Printing Office. Van Westen CJ, Greiving S (2017) Multi-hazard risk assessment and decision making. In: Environmental hazards methodologies for risk assessment and management Wilson G, Wilson T, Deligne NI, Cole JW (2014) Volcanic hazard impacts to critical infrastructure: a review. J Volcanol Geotherm Res 286:148–182 Xu Q, Shang Y, van Asch T, Wang S, Zhang Z, Dong X (2012) Observations from the large, rapid Yigong rock slide–debris avalanche, southeast Tibet. Can Geotech J 49(5):589–606 Zhang S, Zhang L, Li X, Xu Q (2018) Physical vulnerability models for assessing building damage by debris flows. Eng Geol 247:145–158 Zuccaro G, De Gregorio D (2013) Time and space dependency in impact damage evaluation of a sub-Plinian eruption at Mount Vesuvius. Nat Hazards 68:1399–1423. https://doi.org/10.1007/s11069-013-0571-8