Оползни, движение вниз по склону почвы, породы и мусора являются одними из самых разрушительных природных опасностей, вызывая тысячи смертельных случаев и миллиарды долларов ущерба ежегодно. В то время как триггеры, такие как сильные ливни, землетрясения и извержения вулканов, хорошо известны, основная восприимчивость ландшафта в значительной степени определяется топографией. Топографические факторы - форма, крутизна и особенности поверхности земли - управляют распределением гравитационного напряжения, потока воды и прочности материала. Понимание этих факторов имеет важное значение для оценки опасности оползня, планирования землепользования и разработки стратегий смягчения последствий. В этой статье исследуются ключевые топографические влияния на возникновение оползней, предоставляя всеобъемлющий обзор для геофизиков, инженеров и риск-менеджеров.

Склонный градиент

Градиент склона, или крутизна, является самым прямым топографическим контролем на инициации оползня. Гравитационная движущая сила, действующая на склон, увеличивается с синусом угла, делая более крутые склоны по своей природе более неустойчивыми. Для несвязных материалов, таких как песок и гравий, угол упокоения обычно колеблется от 30 до 37 градусов; склоны, превышающие это, склонны к отказу. В связных почвах и выветрившейся породе пороговый угол изменяется в зависимости от силы сдвига, содержания влаги и растительности.

Исследования последовательно показывают, что большинство оползней происходят на склонах, более крутых, чем 25-30 градусов. Например, анализ 2020 года Геологической службой США обнаружил, что в Орегонском прибрежном хребте 70% оползней происходят на склонах, превышающих 30 градусов. Однако очень крутые склоны (более 45 градусов) могут фактически испытывать меньше оползней, потому что они состоят из сильной породы или уже пролили нестабильный материал. Связь между градиентом и плотностью оползней часто нелинейна, с пиком при умеренных углах.

Крайне важно различать грунтовые склоны и склоны пород. На градиентные пороги в почве влияет давление поровой воды: при интенсивных осадках вода снижает эффективное напряжение, а отказы могут возникать на более мягких склонах (до 15-20 градусов), если почва глубокая и насыщенная. Скалистые склоны, с другой стороны, контролируются ориентациями разрыва (суставы, плоскости постельного белья) относительно склона лица. Скалистый склон, который круче, чем падение плоскости постельного белья, очень восприимчив к планарному скольжению независимо от градиентной величины.

Возвышение и облегчение

Возвышение и местный рельеф — разница между самыми высокими и самыми низкими точками в области — вводят градиенты в климате, выветривании и эрозии, которые влияют на восприимчивость оползня. Более высокие возвышения часто испытывают более интенсивные осадки, циклы замерзания-оттаивания и таяния снега, все из которых ослабляют материалы склона. В горных районах оползни сосредоточены в полосах возвышения, где осадки орографически увеличены. Например, Гималаи демонстрируют горячие точки оползня между 1500 и 3500 метрами из-за комбинированного высокого осаждения и крутого рельефа.

Рельеф усиливает гравитационную потенциальную энергию. Высокорельефные ландшафты имеют более длинные, более крутые склоны, которые способствуют быстрому стоку и глубокому оврагу, что подрезает наклонные пальцы ног и увеличивает потенциал отказа. Грязевой оползень 2017 года в Сьерра-Леоне , в результате которого погибло более 1100 человек, произошел на крутых склонах горы Сахарный Луг, где экстремальный рельеф в сочетании с обезлесением и сильным дождем привел к катастрофическому провалу.

Кроме того, высота влияет на глубину почвы и интенсивность выветривания. На больших высотах механическое выветривание (заморозное сужение) создает грубые склоны талуса, в то время как химическое выветривание доминирует над более низкими высотами, создавая толстые богатые глиной почвы, которые склонны к падению. Исследования в Андах показывают, что мелкие оползни преобладают выше 3000 метров, в то время как глубоко расположенные оползни происходят ниже 2000 метров, где накапливается более толстый реголит. Включение высоты и рельефа в модели восприимчивости к оползням улучшает точность прогнозирования, как продемонстрировано программой НАСА Оценка опасности оползней, которая использует цифровые модели высоты (DEM) для получения топографических индексов.

Поверхностная вода и дренаж

Вода является основным триггером и подготовительным фактором оползней, а топография контролирует, как вода перемещается по склону и через него. Три ключевых топографических аспекта влияют на дренаж: градиент склона, площадь вклада и кривизна формы плана. Степные склоны способствуют быстрому стоку, уменьшая инфильтрацию, но также и концентрировать поток в полости и каналах, увеличивая давление пор локально. Выпуклые склоны сбрасывают воду, а вогнутые склоны собирают ее, делая последний более склонным к насыщению и отказу.

Давление поровой воды снижает эффективное нормальное напряжение в почве и породе, следуя принципу эффективного стресса (σ' = σ - u). По мере того, как вода заполняет пустотные пространства, сила сдвига уменьшается. Топографические углубления, такие как промыслы и бассейны нулевого порядка, действуют как естественные водосборники во время осадков. Эти районы, часто отмеченные конвергентной кривизной склона, являются основными местами для потоков мусора и мелководных оползней. Исследование потоков мусора Монтесито 2018 года в Калифорнии показало, что вентиляторы осаждения ниже крутых, вогнутых водосборов были особенно уязвимы после того, как лесной пожар удалил растительность.

Плотность высыхания — общая длина потоковых каналов на единицу площади — также коррелирует с заболеваемостью оползнями. Высокая плотность дренажа указывает на эффективную эвакуацию воды, но также подразумевает большую расчленение наклона и подрезку. Во многих регионах оползни группируются вдоль потоков первого и второго порядка, где сосредоточена эрозия берегов и просачивание грунтовых вод. Используя топографические индексы влажности (TWI), полученные из DEM, исследователи могут картировать зоны высокого накопления влаги. Например, TWITWI успешно используется для прогнозирования восприимчивости к оползням на плато Лёсс в Китае, где интенсивные осадки вызывают мелкие сбои на каналах, заполненных коллувием.

Человеческие модификации дренажа, такие как перекрытия дорог, урбанизация и сельскохозяйственное террасирование, могут радикально изменить естественные пути потока. Дороги действуют как непроницаемые поверхности, которые концентрируют сток на склонах холмов, часто вызывая оползни ниже водоворотов и набережных. Правильный дизайн дренажа, включая установку канав, французских стоков и подпорных стен, необходим для смягчения нестабильности склона, вызванной водой.

Растительный покров

Растительность обеспечивает механическую и гидрологическую стабилизацию склонов. Корневые системы усиливают почву, повышая сцепление и прочность на разрыв. Степень стабилизации зависит от глубины корней, плотности и видов. Деревья с глубокими корнями (например, дубы) прикрепляются к коренной породе или твердым недрам, в то время как плотные волокнистые корни (например, травы) связывают поверхностные слои почвы. Гидрологически растительность перехватывает осадки, уменьшает эрозию брызг и извлекает влагу почвы через транспирацию, понижая давление поровой воды.

Обезлесение, будь то лесозаготовки, лесные пожары или переработка земель для сельского хозяйства, резко увеличивает риск оползней. Исторические данные Продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО) показывают, что частота оползней увеличивается в 5-10 раз в обезлесенных районах по сравнению с прилегающими лесными склонами. Оползень 2014 года в Осо, штат Вашингтон, США, в то время как в основном геологическое происхождение, произошел на склоне, который был зарегистрирован десятилетиями ранее, ослабляя корневые сети. В тропических регионах сдвиг посевных листьев оставляет голыми склоны во время сезонов муссонов, что приводит к катастрофическим потокам мусора.

Однако растительность не всегда полезна. Большие деревья на крутых склонах могут добавить дополнительный вес и передавать силы ветра, потенциально дестабилизируя склон в штормах. В определенных условиях удаление инвазивных, мелкокорневых видов (например, бамбука на глиняных склонах) может уменьшить нежелательную гидрологическую нагрузку. Для стабилизации склона биоинженерии рекомендуется комплексный подход - использование местной, глубококорневой растительности, мульчирования и контролируемого горения.

Топографический фактор взаимодействует с растительностью: аспект, градиент склона и влияние глубины почвы, которые процветают растительные сообщества. Наклоны, обращенные к югу в Северном полушарии, получают больше солнечного излучения, что приводит к более сухим почвам и более редкой растительности, что может увеличить риск эрозии и оползней по сравнению с склонами, обращенными к северу, с более плотным лесным покровом. Модели восприимчивости к оползням на основе ГИС часто включают Нормализованный индекс разницы в растительности (NDVI) для захвата защитного эффекта живой растительности.

Слоуп-аспект

Склонный аспект — направление, в котором склон обращен — влияет на микроклимат, инсоляцию, воздействие ветра и растительность, все из которых влияют на возникновение оползней. В регионах средней широты склоны, обращенные к полюсам (на севере в северном полушарии), получают меньше солнечного излучения, остаются более холодными и влажными и накапливают более глубокие почвы с более высоким содержанием влаги. Эти условия способствуют большему выветриванию, более высокому давлению пор и более высокой частоте оползней. И наоборот, склоны, обращенные к экватору (на юге в северном полушарии), более сухие и более редко растительность, но могут испытывать более сухое овраг и камнепад из-за теплового расширения.

Аспект также взаимодействует с преобладающим направлением ветра, влияя на распределение осадков и накопление снега. Наветренные склоны получают орографические осадки, увеличивая влажность входа и триггеры оползня. В Европейских Альпах оползни показывают сильное смещение к склонам, обращенным на север и восток, где снегопад и весенние дожди насыщают глубокие почвы. Аспект часто используется в качестве категориальной переменной в статистических моделях восприимчивости к оползням, с различными пиками для различных типов отказов (например, неглубокие поступательные слайды на склонах, обращенных на север, и глубокие вращательные скольжения на склонах, обращенных на юг).

Прибрежные скалы дают еще один пример: в Южной Калифорнии блефы, обращенные на юг, подвергающиеся зимним штормам (с юго-юго-запада), испытывают более высокие показатели отступления и оползней по сравнению с блефами, обращенными на север. Инженеры и планировщики должны учитывать аспект при размещении инфраструктуры, особенно в регионах с контрастными микроклиматами. Карты аспектов, полученные из DEM, просты в вычислении и обеспечивают ценную информацию о потенциальных горячих точках нестабильности.

Кривизна скользящего

Склон кривизны описывает форму поверхности земли как в профильном (склонном), так и в плановом (склонно-склонном) направлениях. Сгибание профиля влияет на конвергенцию или расхождение потока воды: вогнутые профили (где склон сплющивает нисходящий склон) имеют тенденцию накапливать воду и осадок, увеличивая давление пор и вероятность насыщенных отказов. Выпуклые профили (свисающий нисходящий склон) сбрасывают воду, но могут быть склонны к сухому оврагу и сбрасыванию отказов. Сгибание формы плана влияет на боковое схождение потока: вогнутые формы плана (полости, чашеобразные) собирают стоки с прилегающих склонов, делая их наиболее распространенными зонами инициации для потоков мусора.

Многочисленные оползни подтверждают, что точки инициации группируются в областях кривизны вогнутого плана, часто называемых «полыми» или «бассейнами нулевого порядка». Например, исследование 2006 в Nature продемонстрировало, что 90% точек инициации потока мусора в Орегонском прибрежном хребте произошли в вогнутых впадинах. Эти особенности действуют как ловушки для осадков и периодически эвакуируются во время экстремальных штормовых явлений, сбрасывая цикл горного склона.

Кривизна профиля также влияет на стабильность инженерных склонов. Срезанные склоны, которые построены с выпуклой формой (слишком крутые наверху), могут иметь высокие растягивающие напряжения, которые приводят к растрескиванию и отказу. Геотехнический дизайн часто рекомендует вогнутые профили с более мягкими нижними секциями для повышения коэффициента безопасности. В естественной местности индексы кривизны (такие как кривизны, рассчитанные из DEM) являются ключевыми входными переменными в физически основанных моделях, таких как SHALSTAB и TRIGRS, которые имитируют неглубокую восприимчивость к оползням.

Глубина почвы и тип (литология)

Глубина и тип почвы и выветрившейся породы на склоне зависят от исходного материала, климата и топографии. Толстые коллювиальные почвы накапливаются на нижних склонах и в полых, обеспечивая резервуар материала, который может мобилизоваться во время сильного дождя. И наоборот, мелкие почвы на вершинах хребта менее подвержены большим оползням, но могут быть подвержены эрозии листа и небольшим отказам. Геотехнические свойства почвы - внутренний угол трения, сплоченность, проницаемость - определяют, как она реагирует на гравитационные и гидрологические напряжения.

Литология играет основополагающую роль: осадочные породы, такие как сланец и песчаник, погода для богатых глиной почв, которые слабы и пластичны, склонны к медленно движущимся потокам земли. Гнилые и метаморфические породы (гранит, гнейс) имеют тенденцию производить песчаные или пологие почвы с более высокими углами трения, но могут развивать слои сапролитов, которые катастрофически выходят из строя при насыщении. В районах, лежащих под вулканическими отложениями пепла (например, изолы), высокая задержка воды приводит к быстрой потере прочности, как видно в смертельных селевых потоках (лахарах) вблизи активных вулканов.

Топография влияет на распределение глубины почвы посредством эрозии и осаждения. Например, на равномерном склоне породы глубина почвы увеличивается от гребня до пальца ноги. Степерные склоны имеют более тонкие почвы из-за более высоких темпов эрозии. Однако в районах активной тектоники крутые склоны могут быть покрыты талу или скреей, которые могут быть очень нестабильными. Взаимодействие литологии, глубины почвы и градиента склона имеет решающее значение для понимания локализованных опасностей оползней. Региональные карты опасности часто объединяют цифровые модели местности с геологическими картами для прогнозирования того, где могут произойти глубоко укоренившиеся оползни (например, на слабых осадочных породах с умеренными углами склона).

Тектоническая активность и сейсмичность

Сейсмическое встряхивание от землетрясений является мощным триггером оползней, особенно в горных тектонически активных регионах. Топография влияет на то, как распространяются сейсмические волны: вершины хребта и крутые склоны испытывают усиленное встряхивание из-за топографических эффектов фокусировки. Это явление, известное как топографическое усиление, может удвоить пиковое ускорение грунта на гребне хребта по сравнению с плоским дном долины, значительно увеличивая потенциал оползня.

Землетрясения со-сейсмично вызывают десятки тысяч оползней. Землетрясение в Вэньчуани 2008 года в Китае (M 8.0) вызвало более 60 000 оползней, в первую очередь на крутых склонах (30-50 градусов) с выпуклой формой плана. Многие из них произошли на склонах, которые ранее были стабильными; встряхивание трещинных горных массивов, создавая разрывы, которые позже потерпели неудачу во время осадков. Топографическая установка также определяет объем и исчерпание сейсмически вызванных оползней: глубоко расположенные оползни (скалы, лавинные породы) типичны в рельефной местности с сильной скалой, в то время как мелкие оползни доминируют в грунтовых склонах.

Долгосрочный тектонический подъем также влияет на восприимчивость к оползням, создавая крутой рельеф и обнажая слабые, сильно разбитые породы. В активных орогенах, таких как Гималаи, Тайвань и Новозеландские Альпы, скорость эрозии оползней является одной из самых высоких на Земле. Разрез оползней в основании склонов подрезает и дестабилизирует склоны, создавая основу для крупномасштабного разрушения склонов. Понимание региональной тектонической обстановки поэтому жизненно важно для оценки опасности оползней. Программа USGS по опасности землетрясений предоставляет данные о движении грунта в реальном времени, которые могут быть объединены с топографическими моделями для прогнозирования потенциальных зон оползней после крупного события.

Человеческие модификации топографии

Деятельность человека может резко изменить естественную топографию, создавая новые поверхности отказа или дестабилизируя существующие склоны.Обычные модификации включают в себя дорожные разрезы, строительство террас на склонах холмов, горные раскопки и размещение на крутых склонах. Дороги особенно проблематичны: разрезанный склон на склоне горы снимает боковую поддержку, в то время как наполнение на склоне вниз добавляет надбавку и изменяет дренаж. Исследования в Калифорнии показывают, что до 90% оползней в урбанизированных склонах связаны с дорожным строительством и жилой застройкой.

В горных районах, вырубка и заполнение операций для инфраструктуры (магистрали, железные дороги, трубопроводы) может изменить склоны к градиентам намного круче, чем природные. Если не должным образом спроектированы с сохранением структур и дренажа, эти склоны могут потерпеть неудачу во время сильных дождей или сейсмических событий. Открытая добыча создает высокие искусственные склоны, которые могут быть перегружены, что приводит к катастрофическим сбоям, как оползень Бингемского каньона в 2013 году, крупнейший невулканический оползень в североамериканской истории. Урбанизация также изменяет поверхностный сток: непроницаемые поверхности увеличивают пиковый поток, что приводит к опоясыванию и насыщению нисходящего склона.

И наоборот, некоторые модификации человека могут снизить риск оползней, такие как террасирование для сельского хозяйства (обычно в Юго-Восточной Азии и Южной Америке), которое разбивает длинные склоны на более короткие, более плоские ступени. Однако плохо обслуживаемые террасы с заблокированным дренажом могут стать насыщенными и потерпеть неудачу. Планирование землепользования, которое позволяет избежать строительства на крутой, вогнутой или дренажной местности, является наиболее эффективным способом снижения антропогенных опасностей оползней. Карты рисков, включающие как природные топографические факторы, так и человеческие модификации, имеют важное значение для устойчивого развития в горных регионах.

Заключение

Топографические факторы являются основой восприимчивости к оползням. Градиент склона, рельеф, рельеф, дренаж, растительность, аспект, кривизна, глубина почвы и тектоническая активность взаимодействуют для создания локализованных условий стабильности. Современная оценка опасности использует цифровые модели возвышения высокого разрешения, дистанционное зондирование и ГИС для картирования этих факторов в региональных масштабах. Интеграция топографии с триггерами в реальном времени (осадки, землетрясения) позволяет использовать системы раннего предупреждения и правила землепользования, которые спасают жизни и имущество.

Инженеры, планировщики и лидеры сообществ должны признать, что ни один фактор не определяет риск оползня — это сочетание топографических, геологических, климатических и человеческих влияний, которое диктует, будет ли уклон не удачным.Применяя принципы, изложенные в этой статье, заинтересованные стороны могут расставить приоритеты в усилиях по смягчению последствий, проектировать устойчивую инфраструктуру и уменьшать трагические потери оползней во всем мире.