Топографические особенности, которые повышают риск стихийных бедствий

Топография как ключевой фактор риска стихийных бедствий

Физическая форма и структура поверхности Земли — ее топография — непосредственно влияет на инициирование, тяжесть и пространственное распределение стихийных бедствий. От пологий склон прибрежной равнины до зубчатого хребта горного хребта, каждая форма земли может либо буферизировать, либо усиливать силы природы. Понимание этих топографических средств контроля имеет важное значение для оценки опасности, планирования землепользования и построения устойчивых сообществ. В то время как климат, погодные условия и тектоническая активность задают основу, часто именно местная местность определяет, становится ли умеренное событие катастрофическим. В этой статье рассматриваются конкретные топографические особенности, которые повышают риски от наводнений, оползней, землетрясений, цунами и вулканических опасностей, поддерживаемых текущими научными исследованиями и примерами реального мира.

Наводнение-предрасположенность топографические особенности

Наводнение является одной из наиболее распространенных и дорогостоящих природных опасностей во всем мире. Топография определяет, как вода течет, накапливается и стекает по ландшафту. Несколько конкретных форм рельефа и дренажных структур значительно увеличивают риск наводнений.

Низко лежащие прибрежные равнины и реки Дельтас

Районы с минимальным возвышением над уровнем моря по своей природе уязвимы для наводнений от сильных осадков, штормовых нагонов и повышения уровня моря. Прибрежные равнины, которые всего в нескольких метрах над средним уровнем моря, могут быть затоплены во время приливов или тропических циклонов. Дельты рек, такие как дельта Миссисипи или дельта Ганга-Брахмапутры, сочетают низкую высоту с плотными речными сетями, делая их склонными как к речным, так и к прибрежным наводнениям. Плоский градиент в этих регионах замедляет дренаж воды, позволяя паводковым водам сохраняться в течение нескольких дней или недель.

Долины рек и поймы

Узкие долины, которые ограничивают реки, естественным образом направляют воду, но во время событий с высоким уровнем разряда они могут действовать как воронки, быстро повышая уровень воды. Широкие поймы спроектированы природой для поглощения избыточной воды, но развитие человека часто посягает на эти районы, увеличивая воздействие. Когда происходят сильные осадки, вода выплескивается из каналов и распространяется по пойме, повреждая дома и инфраструктуру. Форма долины - будь то V-образная или U-образная - влияет на скорость и глубину паводков. Стеблевые долины могут генерировать внезапные наводнения с небольшим предупреждением, в то время как более широкие долины производят более медленное, но более обширное затопление.

Бассейны и топографические депрессии

Закрытые бассейны и внутренне осушенные впадины не имеют естественных выходов для воды. Во время продолжительных дождей или таяния снега вода накапливается в этих раковинах, создавая временные или постоянные озера. Великие бассейны на западе США являются одним из примеров, когда многие подбассейны испытывают эпизодические наводнения после сильных зимних штормов. Даже небольшие впадины в городских районах могут стать опасными прудами во время интенсивных облачных вспышек, особенно когда ливневые стоки перегружены.

Плоские земли с плохим естественным дренажем

Регионы с очень мягкими склонами — обычно менее 0,5% — не проливают воду быстро. Плоские равнины, подстилаемые глиняными почвами или непроницаемой породой, еще больше уменьшают инфильтрацию. В таких районах даже умеренные осадки могут вызвать широкое водоснабжение и заболачивание. Долина Красной реки в Северной Дакоте и Миннесоте является классическим случаем: ее чрезвычайно плоское ледниковое дно озера делает ее уязвимой для разрушительных весенних наводнений, когда снегопады и дожди совпадают. Урбанизация с обширными непроницаемыми поверхностями (дороги, стоянки, крыши) усугубляет проблему за счет увеличения стока и уменьшения естественного поглощения.

Для детального картирования опасности наводнений Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA) предоставляет карты тарифов страхования от наводнений, которые учитывают топографические и гидрологические факторы.

Земельные формы, связанные с оползнями

Оползни — это движение вниз по склону скалы, почвы и мусора под действием силы тяжести. В то время как триггеры, такие как осадки, землетрясения или человеческие раскопки, инициируют движение, основная топография и геология задают основу. Некоторые формы рельефа особенно подвержены обрыву склона.

Стиговые скаты и откосы

Угол склона является единственным наиболее важным топографическим фактором в восприимчивости к оползням. Природные склоны, более крутые, чем 25-30 градусов, считаются высоким риском, особенно когда они подрезаны реками или дорожным строительством. Откосы - резкие, крутые грани, созданные разломами или эрозией - печально известны скальными водопадами и горными горками. В горных районах, таких как Гималаи или Анды, крутые стороны долины постоянно проливают материал, и тяжелый муссон или сейсмический шок могут вызвать катастрофические горки, которые хоронят деревни и блокируют реки.

Нестабильные композиции почвы и скалы

Даже умеренные склоны могут потерпеть неудачу, если основной материал имеет слабую силу сдвига. Свободные, неконсолидированные почвы (такие как ледниковая калия, коллувий или вулканический пепел) уязвимы, особенно при насыщении. Раздробленная или выветрившаяся основа, такая как сланцы, сланцы или сильно соединенные граниты, снижает сплоченность и обеспечивает плоскости слабости. Топография, которая концентрирует поток воды - например, вогнутые склоны или полости - может насыщать эти материалы, увеличивая давление пор и вызывая отказ. Программа геологической службы США (USGS) Опасности оползня публикует подробные оценки оползневых районов на основе топографии, геологии и климата.

Триггерные факторы и взаимодействие в форме земли

Сильные осадки, быстрое таяние снега, землетрясения, вулканическая активность и действия человека (раскопки, обезлесение, ирригация) - все это действует как триггеры. Но топографическая установка определяет, как триггер превращается в оползень. Например, крутой склон с вогнутым верхним бассейном будет концентрировать стоки, что приведет к быстрому насыщению и потенциальному потоку мусора. Землетрясения преимущественно вызывают скольжения на склонах, которые уже близки к провалу, особенно на гребнях хребта и вдоль откосов. В прибрежных районах эрозия морского утеса закаляет склоны, делая их более склонными к падению.

Потоки мусора и оползни

Эти быстро движущиеся смеси воды, почвы и породы особенно опасны. Потоки мусора часто происходят в крутых, узких каналах (оврагах), которые воронка материала нисходит на высоких скоростях. Топография таких каналов - их градиент, ширина и шероховатость - контролирует скорость потока и расстояние вылета. Аллювиальные вентиляторы на горных фронтах являются общими зонами осаждения; многие сообщества, построенные на вентиляторах, сталкиваются с повторяющимися опасностями потока мусора из бассейнов выше по течению.

Землетрясение усиливает характеристики

Землетрясение, которое происходит во время землетрясения, не является однородным. Местная топография и геология около поверхности могут резко усиливать или ослаблять сейсмические волны. Понимание этих эффектов участка имеет решающее значение для строительных норм и оценки сейсмической опасности.

Линии разломов и тектонические границы плит

Наиболее очевидными топографическими особенностями, связанными с землетрясениями, являются разломы, рифтовые долины и горные хребты, образованные тектоническими силами. Такие регионы, как система разлома Сан-Андреас в Калифорнии, Гималайский фронт и Японская впадина, сейсмически активны, потому что они лежат вдоль границ плит. В то время как сам разлом является источником, окружающая топография влияет на то, как распространяется энергия. Например, разлом, который проходит под населенной долиной, может нанести серьезный ущерб как из-за разрыва, так и последующего распространения волны через долинные отложения.

Сжижение почвы и усиление осадка

Мягкие, неконсолидированные отложения (песок, ил, глина) могут усиливать сейсмические волны в два-десять раз по сравнению с твердой породой. Это происходит потому, что сейсмические волны движутся медленнее в мягких материалах, заставляя их резонировать и увеличивать амплитуду. Кроме того, рыхлые, насыщенные водой песчаные почвы могут подвергаться сжижению - явление, при котором почва временно ведет себя как жидкость - приводит к разрушению грунта, строительству поселений и боковому распространению. Особенно восприимчивы топографические низменности, заполненные недавним аллювием. Землетрясение Лома Приета в Калифорнии 1989 года ярко продемонстрировало этот эффект: район Марина в Сан-Франциско, построенный на свалке, получил непропорциональный ущерб.

Эффекты бассейна: фокусировка и ловля волн

Осадочные бассейны (такие как бассейн Лос-Анджелеса, бассейн Сиэтла или древнее озеро Мехико) могут улавливать и фокусировать сейсмическую энергию. Когда волны землетрясений входят в бассейн с профильным остовом в форме чаши, они отражаются и преломляются, продлевая тряску и увеличивая ее интенсивность. Этот эффект бассейна способствовал катастрофическому ущербу в Мехико во время землетрясения Мичоакан в 1985 году, хотя эпицентр находился в сотнях километров. Программа опасности землетрясений USGS предоставляет сценарии и карты опасности, которые включают эти факторы усиления бассейна.

Топографическое усиление на Ridges и Hilltops

Стебли и изолированные вершины холмов могут испытывать усиленное сотрясение, поскольку сейсмические волны сосредоточены на гребне. Этот эффект аналогичен тому, как волны воды фокусируются на мысе. Во время землетрясения в Нортридже в 1994 году многие дома на склонах холмов пострадали от более сильного сотрясения, чем близлежащие полы долины. Хотя это явление менее известно, чем усиление бассейна, оно является важным фактором для структур, построенных на возвышенности в сейсмически активных регионах.

Топография цунами

Цунами — гигантские волны, порождаемые подводными землетрясениями, оползнями или извержениями вулканов.На разрушительный потенциал цунами сильно влияют местная батиметрия (подводная топография) и прибрежные рельефы.

Подводная нестабильность и генерация цунами

Густые подводные склоны, такие как те, что расположены вдоль континентальных окраин или вулканических островных флангов, могут катастрофически потерпеть неудачу, создавая цунами, которые могут быть больше, чем волны, генерируемые землетрясением. Цунами Анак-Кракатау 2018 года в Индонезии и мегацунами залива Литуя 1958 года на Аляске были вызваны обрушением вулканического фланга и оползнем соответственно. Батиметрические исследования помогают определить, где такие неудачи возможны.

Прибрежные заливы и резонанс гавани

Заливы, фьорды и гавани с определенными формами (длиной, шириной и глубиной) могут улавливать энергию цунами, заставляя воду колебаться, как вода в ванне. Этот резонанс может привести к экстремальному разбегу и длительному затоплению. Например, залив Хило на Гавайях испытал усиленные всплески цунами из-за своей геометрии. Узкие входы и воронкообразные бухты также концентрируют энергию волн, увеличивая высоты разбега намного выше региональных средних.

Ближайшая береговая батиметрия: рифы и подводные каньоны

Коралловые рифы и мелководные подводные хребты могут рассеивать некоторую энергию цунами, но они не всегда эффективны. И наоборот, подводные каньоны, которые простираются близко к берегу, могут направлять волны цунами непосредственно на определенные прибрежные сегменты, фокусируя разрушительную энергию. Форма морского дна до того, как волна достигнет земли - будь то крутая или мелкая - определяет, насколько растет волна (эффект выпаса). Нежные склоны генерируют медленное, постепенное затопление; крутые склоны производят быстрые, высокоскоростные волны.

Национальный центр предупреждения о цунами (NTWC) предоставляет предупреждения и данные о распространении цунами в режиме реального времени с учетом батиметрических и топографических моделей.

Топография вулканической опасности

Вулканические ландшафты являются одними из самых динамичных и опасных на Земле.Форма вулкана и окружающая местность определяют пути потоков лавы, пирокластических токов плотности, лахаров и лавин вулканического мусора.

Вулканические формы рельефа: Calderas, Lava Plains, Stratovolcanoes

Строгие стратовулканы (такие как гора Сент-Хеленс или гора Фудзи) склонны к коллапсу и могут генерировать массивные лавины мусора. Кальдера - большие, бассейнообразные впадины, образовавшиеся после обрушения вулкана - могут захватывать газы и вызывать взрывы пара, если накапливаются нагретые грунтовые воды. Лавовые равнины и щитовые вулканы (такие как Килауэа) производят жидкие потоки лавы, которые следуют за топографическими минимумами, часто разрушительными населенных пунктов и инфраструктуры. Извержение Килауэа 2018 года разрушило сотни домов в Гавайях, поскольку лава распространилась по мягко наклонным рифтовым зонам.

Лахары (Вулканические потоки) и их топографический контроль

Лахары — это быстро движущиеся шквалы вулканического пепла, скал и воды. Они следуют по существующим каналам потока и долинам, часто путешествуя в десятках километров от вулкана. Крутые верхние склоны ускоряют скорость лахара, в то время как более узкие долины концентрируют поток, увеличивая его глубину и разрушительную силу. В Каскадах USGS контролирует лахарские зоны опасности вокруг горы Рейнир, где толстый ледниковый лед и рыхлый мусор производят очень подвижные лахары, которые могут затопить населенные долины. Программа USGS по вулканическим опасностям предоставляет подробные оценки опасности на основе топографии и сценариев извержения.

Пирокластические потоки и токи плотности

Эти перегретые смеси газа и рок-н-ролла спускаемся со скоростью свыше 100 метров в секунду. Их движение строго контролируется топографией: они сливаются в долины, разливаются по низким хребтам и накапливаются в впадинах.Извержение вулкана Пинатубо 1991 года породило пирокластические потоки, которые заполняли долины толстыми отложениями, ставшие впоследствии источниками опустошительных лахаров в последующие сезоны дождей. Понимание топографического ченнелинга этих потоков имеет решающее значение для планирования эвакуации.

Другие вносящие топографические особенности

Скалы, эскарпменты и рок-осадки

Вертикальные или почти вертикальные скальные грани неустойчивы по своей природе. Выветривание, циклы замораживания-оттаивания и подрезание реками или волновое действие могут вызвать обвалы и лавины скал. Шоссе, построенное у основания скал в горных районах, требует постоянного мониторинга и мер по смягчению последствий, таких как каменные болты, сетчатые шторы или заборы. Гранитные скалы долины Йосемити являются известным источником обвалов, события иногда блокируют дороги и угрожают посетителям.

Карстовая топография и воронки

Карстовые ландшафты, образованные растворением растворимых пород, таких как известняк, гипс или доломит, характеризуются пещерами, воронками и подземным дренажем. Воронки могут внезапно разрушаться, проглатывая инфраструктуру и дома. Топографически районы с закрытыми впадинами (долины) и подземными пустотами особенно восприимчивы. Флорида, части Теннесси и полуостров Юкатан имеют обширную карстовую местность, требующую специализированных геотехнических исследований перед строительством.

Вечная мерзлота в холодных регионах

В арктических и субарктических зонах вечная мерзлота (ежегодно замерзшая земля) является критическим топографическим фактором. Когда богатая льдом вечная мерзлота тает из-за потепления климата, земля спадает неравномерно, создавая термокарстовую местность — озера, трущобы и овраги. Этот процесс может повредить дороги, трубопроводы и здания. Топография трущоб оттепели (ретрогрессивные трущобы оттепели) ускоряет эрозию и транспортировку осадков, изменяя местный дренаж и увеличивая риск наводнений вниз по течению.

Вывод: Интеграция топографических знаний в снижение рисков

Топография не является судьбой, но она сильно формирует риски стихийных бедствий. Выявляя поймы, крутые склоны, зоны разломов, осадочные бассейны и другие опасные формы рельефа, сообщества могут предпринять активные шаги для снижения уязвимости. Зоонирование землепользования, строительные нормы, системы раннего предупреждения и государственное образование — все это выигрывает от детального топографического анализа. Достижения в области дистанционного зондирования (LiDAR, спутниковые снимки) теперь позволяют модели местности с высоким разрешением, которые улучшают картирование опасности в местных масштабах.

В конечном счете, ни один фактор не определяет исход бедствия; взаимодействие между топографией, климатом, геологией и человеческой деятельностью имеет значение. Тем не менее, четкое понимание земли под нашими ногами остается одним из самых мощных инструментов, которые мы имеем для смягчения последствий стихийных бедствий. Местные органы власти и планировщики должны включать топографические данные об опасности в комплексные стратегии управления рисками, в то время как люди в районах с высоким риском могут предпринимать такие шаги, как возведение сооружений, укрепление фундаментов и разработка планов эвакуации на основе местности. Чем больше мы знаем о форме Земли, тем лучше мы можем быть готовы к силам, которые она высвобождает.