Modelowanie GIS osuwisk położonych na terenach zagospodarowanych przez człowieka, studium przypadku – dolina środkowej Raduni

Abstract

Osuwiska należą do naturalnych procesów geologicznych. W przypadku ich występowania na terenach zagospodarowanych przez człowieka konsekwencje ruchów masowych mogą mieć katastrofalny charakter. Połączenie sprzyjających osuwiskom uwarunkowań geośrodowiskowych i duże nagromadzenie elementów podlegających ryzyku sprawiają, że skala i skutki zagrożeń ruchami masowymi ziemi na terenach zagospodarowanych przez człowieka są coraz większe. Na niniejszym posterze podjęto problematykę oceny podatności osuwiskowej w dolinie środkowej Raduni z wykorzystaniem metod statystycznych opartych o GIS. W badaniu wykorzystano metodę regresji statystycznej, która pozwala na obiektywne określenie roli poszczególnych czynników biernych, w tym określenie wpływu zagospodarowania terenu na powstawanie osuwisk. Ograniczeniem dla modelowania podatności są przede wszystkim: brak danych, trudny dostęp do danych, rozproszenie danych w różnych instytucjach i archiwach, nieprzydatność danych, zbyt duża (lub mała) skala opracowań oraz zaginięcie lub zniszczenie danych w czasie II wojny światowej. W obszarze badań występują niewielkie osuwiska ziemne (zsuwy, spływy i osuwiska złożone), które szybko zanikają, co jest związane zarówno z płytkim charakterem, efemerycznym pojawianiem się, jak i wykonaną stabilizacją. Ograniczenia te mają wpływ na wyniki analizy podatności i uniemożliwiają wykonanie analiz multitemporalnych, w tym analiz zmian użytkowania terenu przydatnych w opracowaniu warstw GIS do oceny podatności. W celu dokładniejszego określenia roli czynników geośrodowiskowych i antropogenicznych w powstawaniu osuwisk w dolinie środkowej Raduni wykorzystano dodatkowe metody tj. analizy materiałów archiwalnych (w tym stare mapy i współczesne dokumentacje geotechniczne), badania terenowe, monitoring inklinometryczny i piezometryczny, ALS, a także modelowanie numeryczne z wykorzystaniem oprogramowania FLAC2D. Analiza stateczności zboczy i procesów hydrogeologicznych pozwoliła na kompleksowy opis mechanizmu ruchów masowych i roli czynników sprawczych. Uzyskane wyniki podkreślają potrzebę prowadzenia interdyscyplinarnych badań nad osuwiskami.

Full text

Modelowanie GIS osuwisk położonych na terenach zagospodarowanych przez człowieka,
studium przypadku – dolina środkowej Raduni
Anna Małka, Państwowy Instytut Geologiczny Państwowy Instytut Badawczy, Oddział Geologii Morza, ul. Kościerska 5, 80-328 Gdańsk, Polska amalk@pgi.gov.pl
Lesław Zabuski, Instytut Budownictwa Wodnego Polskiej Akademii Nauk (IBW PAN), ul. Kościerska 7, 80-328 Gdańsk, Polska
Frieder Enzmann, Institut für Geowissenschaften Johannes Gutenberg-Universität Mainz J.-J.-Becher-Weg 21 D-55128 Mainz, Niemcy
Arkadiusz Krawiec, Katedra Geologii i Hydrogeologii, Wydział Nauk o Ziemi i Gospodarki Przestrzennej, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Lwowska 1, 87-100 Toruń, Polska
Projekt sfinansowano ze środków Ministerstwa Edukacji i Nauki
(nr 61.3506.2001.00.0 oraz nr 61.3506.2200.00.0), a także
Narodowego Centrum Nauki (nr 2020/04/X/ST10/00575).
Poster, częściowo bazuje na treści artykułu (w trakcie recenzji):
'Mass-Movements Causes and Landslide Susceptibility in the
River Valleys of Lowland Areas: Case Study the Central
Radunia Valley' (2022), Autorzy: Anna Małka, Lesław Zabuski,
Frieder Enzmann, Arkadiusz Krawiec.
OSUWISKO W RUTKACH PRZYCZYNY POWSTANIA, PROFIL, BUDOWA GEOLOGICZNA MASYWU ZBOCZA, MECHANIZMY RUCHU –
Osuwisko zlokalizowane jest w miejscowości nad rzeką Radunią w
miejscowości Rutki koło Żukowa na północ od Elektrowni Wodnej Rutki.
Osuwisko powstało 10 stycznia 2019, w czasie wykonywania przewiertu
sterowanego, horyzontalnego z zastosowaniem płuczki bentonitowej.
Przewiert sterowany wykonywano w trakcie budowy elektrycznej linii
kablowej na odcinku z Elektrowni Wodnej Rutki w kierunku miejscowości
Borkowo. Według zmodyfikowanej klasyfikacji Varnes’a można je opisać
jako złożony zsuw i spływ ziemny (vide profil osuwiska poniżej).
1862 1900 1936-1938 1940 1988
Obszar badań znajduje się w zasięgu lądolodu zlodowacenia Wisły i obejmuje zbocza doliny środkowej Raduni o długości
około 14 km, pomiędzy miejscowościami Leźno i Trątkownica. Rzeka Radunia ma charakter meandrujący, typowy dla
obszarów równinnych. W rejonie tym występuje Elektrownia Wodna Rutki oraz zabytkowy most kratownicowy. W obszarze
badań rozpoznano 103 formy osuwiskowe, z czego sześć zostało zabezpieczonych ze względu na zagrożenie dla
infrastruktury drogowej i kolejowej (fotografia u góry). Rozmieszczenie osuwisk jest nieregularnie i wykazuje wyraźną
koncentrację w pewnych odcinkach doliny – przede wszystkim pomiędzy Babim Dołem a Borkowem. Odcinek ten
charakteryzuje się najwyższymi spadkami rzeki dochodzącymi do 6,8 ‰, znacznym nachyleniem terenu (25°–40°) i dużą
energią rzeźby (25–35 m). Większość osuwisk występuje w strefach zewnętrznych brzegów zakoli, co można powiązać z
obecnością prądów wtórnych, erozją boczną i zwiększoną prędkością nurtu. W obszarze badań występują niewielkie
osuwiska ziemne: zsuwy, spływy i osuwiska złożone. Wykartowano również sześć osuwisk w niszach źródliskowych. Na
początku XXI w. kilkukrotnie doszło tu do uaktywnienia osuwisk (2007, 2010, 2013, 2019) i znacznych szkód materialnych
(zniszczenia drogi wojewódzkiej).
Głównym celem naszych badań jest określenie
mechanizmów powstawania ruchów masowych oraz
wyjaśnienie i opisanie czynników predysponujących
(biernych) oraz wyzwalających (spustowych) osuwisk w
dolinie rzecznej położonej na terenie młodoglacjalnym.
W trakcie prac wykorzystano multidyscyplinarne metody
badań. W pierwszym etapie badania obejmowały prace
terenowe. Następnie wykorzystano technologię GIS w
ogólnej analizie występowania osuwisk i ocenie roli
czynników biernych w powstawaniu osuwisk. Czynniki
bierne zostały zwizualizowane w postaci warstw
tematycznych GIS (wybrane czynniki pokazano poniżej).
Aby określić znaczenie poszczególnych czynników
biernych w aktywizacji osuwisk wykorzystano drzewa
klasyfikacyjne i regresyjne C&RT (wykres na lewo).
W trakcie modelowania zastosowano 25 czynników predysponujących: nachylenie (slope), wysokość zbocza (SH), krzywizna wertykalna (profil curvature), krzywizna planarna (plan curvature),
wskaźnik zbieżności (CI), współczynnik zdolności transportowania osadu (LS), wskaźnik położenia topograficznego (TPI), głębokość doliny (VD), średnie nachylenie powierzchni zbocza (SMUA),
wskaźnik szorstkości (TRI), zmodyfikowany numeryczny model terenu (MDTM), numeryczny model pokrycia terenu (DSM), poziom bazowy sieci kanałów (CNBL), SAGA powierzchnia zlewni
(SCA), SAGA nachylenie zlewni (SCS), SAGA topograficzny indeks wilgotności (STWI), długość drogi przepływu (FPL), indeks siły spływu (SPI), nasłonecznienie MDTM (MDTMI), nasłonecznienie
DSM (DSMI), geomorfony (geomorphons), ekspozycja (aspect), użytkowanie i pokrycie terenu (LULC), litologia osadów (lithology) oraz znormalizowany różnicowy wskaźnik wegetacji (NDVI).
Wskaźnik NDVI obliczono na podstawie zdjęć satelitarnych Sentinel-2, a 22 atrybuty topograficzne z Numerycznego Modelu Terenu (NMT), pochodzącego z lotniczego skanowania laserowego z
2012 r. (ISOK). W celu opisania wpływu zagospodarowania terenu na powstawanie osuwisk, w analizie zastosowano zmodyfikowany NMT, uwzględniający zabudowę. Następnie wykonano ocenę
podatności osuwiskowej za pomocą metody regresji logistycznej. Dla Modelu 1, wykonanego z użyciem wszystkich 25 czynników biernych, obszar pod krzywą sukcesu (SRC AUC) wynosi 94.52%
natomiast obszar pod krzywą predykcji (PRC AUC) wynosi 93.65%, co świadczy o bardzo dobrej jakości modelu. Wybrane czynniki bierne przedstawiono poniżej dla obszaru A.
ZNACZENIE CZYNNIKÓW BIERNYCH
W AKTYWIZACJI OSUWISK
Dla osuwiska w Rutkach wykorzystano multidyscyplinarne metody badań, które pozwoliły na uszczegółowienie modelowania GIS. Przeanalizowane zostały materiały archiwalne
(skalibrowano dawne pruske mapy topograficzne, zreinterpretowano współczesne dokumentacje geotechnicznych). Podjęto również własne badania terenowe, wykonano wiercenia
geologiczne, badanie uziarnienia gruntu, monitoring inklinometryczny i piezometryczny oraz wykonano lotniczy skaning laserowy (ALS) w latach 2021–2022. W efekcie opracowano profil
osuwiska, przekrój hydrogeologiczny przez osuwisko, model różnicowy, a także modelowanie numeryczne z wykorzystaniem metody różnic skończonych (oprogramowanie FLAC2D).
Fot. A. Małka, 13.01.2019
Schematyczny przekrój hydrogeologiczny. Holocen: 1 - nasyp, 2 -
piaski, 3 - żwiry, 4 - piaski średnio- i drobnoziarniste, 5 - piaski
humusowe, 6 - torfy, 7 i 8 - namuły organiczne, 9 - piaski fluwialne, 10
- żwiry i piaski fluwialne; Plejstocen: 11 - piaski i żwiry fluwioglacjalne
ul. Rakowiecka 4, 00 - 975 Warszawa
Państwowy Instytut Badawczy
Państwowy Instytut Geologiczny
tel. (48) 22 45 92 000
LITERATURA
Cruden, D.M, Couture, R., 2011. The working classification of landslides: material
matters. In: 2011 Proceedings of the 64th and 14th Pan-American conference on soil
mechanics and geotechnical engineering, Toronto, Canada, 2–6 October 2011.
Itasca, C.,G., 2011. FLAC 7.0 Manual, Minneapolis, USA.
Blockus, M., 2019. Ekspertyza techniczna dotycząca osuwiska w rejonie
miejscowości Rutki w powiecie kartuskim, w gminie Żukowo nad Radunią, woj.
Pomorskie. Gdańsk
Blockus, M., Gast, M., 2019. Projekt budowlany prac naprawczych w rejonie
osuwiska Rutki w gminie Żukowo nad Radunią na działkach nr 85/1; 84/2; 85/1;
157/4. Gdańsk.
Marks, L., 2012. Timing of the late Vistulian (wechselian) glacial phases in Poland.
Quat. Sci. Rev., 44 (2012), pp. 81-88.
Powyżej: Różnicowy model terenu (RTM) dla osuwiska w
Rutkach na podstawie dwóch modeli NMT opracowanych z
lotniczego skaningu laserowego (ALS) z 2012 r. oraz 2022 r.
Na prawo: krzywa przemieszczeń zbocza – monitoring
inklinometryczny w okresie 03.11.2021–07.06.2022.
ZARYS PROBLEMU I OBSZAR BADAŃ
Widok na lewe zbocze Doliny
Raduni z dwoma ustabilizowanymi
osuwiskami (fot. P. Maciaszek,
zdjęcie z drona 01.03.2022 r.)
Profil terenu przed powstaniem osuwiska (czerwona linia) oraz profil osuwiska (czarna linia)
Modelowanie numeryczne powstania osuwiska w Rutkach –
powierzchnia poślizgu, powyżej zwierciadła wód gruntowych
Dwie strefy poślizu, w przybliżeniu pokrywają się z
położeniem warstw namułów organicznych
WARSTWY GIS WYKORZYSTANE W OCENIE PODATNOŚCI OSUWISKOWEJ