Assessment of the magnitude-frequency relationship of landslides and rockfalls : application to hazard mapping

Due to the exponential grown of the population within the last decades, the landslide hazard assessment of earthflows and rockfalls and their hazard mapping have become an essential tool for the territory management, mostly in mountainous areas. The landslide hazard was defined as the probability of occurrence of a potentially damaging phenomenon in a certain area and within a given period of time. Thus, the probability of occurrence (or frequency) for each type of landslide and magnitude must be known. The aim of this research is to develop an objective, quantitative and reproducible methodology to obtain the magnitude-frequency relations for medium and large size earthflows and rockfalls. This procedure has been set up in the Barcedana Valley and Montsec Range for large earthflows and rockfalls, respectively. Both study areas are located within the Tremp Basin (Eastern Pyrenees). Concerning the earthflows, they have been split between 1) reactivations and 2) intact slopes. The frequency of the reactivations has been obtained by analysing 11 sets of orthophotos covering a period from 1956 to 2013. The magnitude has been calculated as the area of the landslides obtained from the landslide mapping and from the orthophotos. The resulting magnitude-frequency relation for reactivations has been used to derive the probability of landslide reactivation for a given volume. It has been compared with probability of landslide reactivation obtained from the rainfall threshold responsible for the reactivation of 4-large landslides located within the Tremp Basin as well. The reactivation date has been estimated by means of dendrogeomorphology and the rainfall threshold has been determined by means of ROC analysis. The susceptibility of first-time slope failures have been obtained using a deterministic model named SINMAP. The frequency for each susceptibility class has been calculated using the inventory of first-time failures identified in the field and by means of orthophotos. An algorithm to obtain the area of the earthflows larger than the pixel size has been developed through an automatic aggregation of pixels located within the same slope and having the same susceptibility class. The obtained magnitude-frequency relation of first-time failures has been compared with the one obtained from the mapped first-time failures. Finally, the magnitude-frequency matrix for hazard mapping of intact slopes has been defined. Concerning the rockfalls, a methodology to obtain the rockfall scar size distribution of a cliff has been defined. It has been assumed the rockfall scar volumes as proxy for the rockfall volumes. In that case, the distribution of rockfall scars has been calculated using a high resolution point cloud of the rockwall obtained by a terrestrial laser scanner and following. Several volume distributions have been calculated to take into account the different detachment mechanisms and the consequent range of detached volumes. Finally, a procedure has been developed to convert form statistical frequency (% of scar volumes), calculated in the previous step, to temporal frequency (annual number of the scar volumes). To this, the total volume of material lost has been computed using the afore-mentioned point cloud. The elapsed time within the total volume has been removed has been estimated by dating the initial surface, from which the current rockfall activity started, by means of terrestrial cosmogenic nuclide, 36Cl.Degut al creixement exponencial de la població durant les últimes dècades, l’avaluació de la perillositat de colades de terra i despreniments i la seva zonificació han esdevingut eines fonamentals pel que fa a la planificació del territori, sobretot en zones muntanyoses. La perillositat degut a fenòmens de vessant va ser definida com la probabilitat d’ocurrència d’un fenomen potencialment danyí en una determinada àrea i per un determinat període de temps. D’aquesta manera, és necessari conèixer la probabilitat d’ocurrència (o freqüència) per cada tipus d’esllavissada i magnitud. L’objectiu d’aquesta tesis és el desenvolupament d’una metodologia objectiva, quantitativa i reproduïble que permeti l’obtenció de les relacions magnitud-freqüència per colades de terra, de mida mitja i gran i per despreniments. Aquest procediment s’ha aplicat a la Vall de Barcedana i la Serra del Montsec per grans colades de terra i despreniments, respectivament. Les dues àrees d’estudi estan situades dins de la Conca de Tremp (Pirineu Oriental). Pel que fa a les colades de terra, s’ha distingit entre 1) reactivacions i 2) vessants intactes. La freqüència de les reactivacions s’ha obtingut a partir de l’anàlisi d’11 grups d’ortofotos que cobreixen des del 1956 al 2013. La magnitud s’ha calculat com l’àrea de les trencades mitjançant la cartografia d’esllavissades i les ortofotos. La relació magnitud-freqüència resultant de les reactivacions ha servit per obtenir la probabilitat de reactivació per un determinat volum. Aquesta ha estat comparada amb la probabilitat de reactivació determinada a partir dels llindars de pluja que han donat lloc a la reactivació de 4 grans esllavissades, també situades dins la Conca de Tremp. Les dates de reactivació han estat aproximades mitjançant la dendrogeomorfologia i els llindars s’han determinat mitjançant l’anàlisi ROC. La susceptibilitat de les primeres trenades s’ha obtingut mitjançant un model determinista anomenat SINMAP. La freqüència per cada classe de susceptibilitat s’ha calculat mitjançant un inventari de primeres trencades identificades al camp i a través d’ortofotos. S’ha desenvolupat un algoritme per tal d’obtenir l’àrea de les colades de terra més grans que la mida del píxel a través de l’agregació automàtic de píxels situats en un mateix vessant i que presenten una mateix classe de susceptibilitat. Finalment, s’ha definit la matriu magnitudfreqüència per la zonificació de la perillositat dels vessants intactes. Pel que fa als despreniments, s’ha definit una metodologia per obtenir la distribució de volums de cicatrius de despreniments d’un penya-segat. S’ha assumit que els volums de cicatrius de despreniments poden ser una primera aproximació dels volum de despreniments. En aquest cas, la distribució de les cicatrius de despreniments s’ha calculat utilitzant un núvol de punts d’alta resolució de la paret obtingut amb un LIDAR terrestre. S’han calculat vàries distribucions de volums per tal de tenir en compte els diferents mecanismes de despreniment i el conseqüent rang de volums despresos. Finalment, s’ha proposat una metodologia per tal de convertir la freqüència estadística (% de volums de cicatrius), calculada en el pas anterior, a freqüència temporal (número anual de volums de cicatrius). Per això, el volum total de material desprès s’ha calculat mitjançant el núvol de punts, mencionat anteriorment. El període de temps durant el qual s’ha desprès tot el volum de material s’ha estimat mitjançant la datació de la superfície inicial a partir de la qual va començar l’actual activitat de despreniments. Aquesta datació s’ha fet mitjançant l’isòtop cosmogenic, 36Cl.Debido al crecimiento exponencial de la población durante las últimas décadas, la evaluación de la peligrosidad de coladas de tierra y desprendimientos i su zonificación se ha convertido en herramientas indispensables para la planificación del territorio, sobretodo en zonas montañosas. La peligrosidad debido a fenómenos de vertiente fue definida como la probabilidad de ocurrencia de un fenómeno potencialmente dañino en una determinada área y en un determinado período de tiempo. Así, es necesario conocer la probabilidad de ocurrencia (o frecuencia) para cada tipo de deslizamiento y magnitud. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de una metodología objetiva, cuantitativa y reproducible que permita la obtención de las relaciones magnitud-frecuencia para coladas de tierra, de tamaño medio y grande y para desprendimientos. Este procedimiento se ha aplicado en Valle de Barcedana y en la Sierra del Montsec para grandes coladas de tierra y desprendimientos, respectivamente. Las dos áreas de estudio están situadas dentro de la Cuenca de Tremp (Pirineo Oriental). En cuanto a las coladas de tierra, se ha distinguido entre 1) reactivaciones y 2) vertientes intactos. La frecuencia de las reactivaciones se ha obtenido a partir del análisis de 11 grupos de ortofotos que engloban des del 1956 hasta el 2013. La magnitud se ha calculado como el área de las roturas mediante la cartografía de deslizamientos y ortofotos. La relación magnitud-frecuencia de las reactivaciones ha permitido obtener la probabilidad de reactivación per un determinado volumen. Esta ha sido comparada con la probabilidad de reactivación determinada a partir de los umbrales de lluvia que han dado lugar a la reactivación de 4 grandes deslizamientos, también situados dentro de la Cuenca de Tremp. Las fechas de reactivación han sido aproximadas mediante la dendrogeomorfología y los umbrales se han determinado mediante el análisis ROC. La susceptibilidad de las primeras roturas se ha obtenido mediante un modelo determinista llamado SINMAP. La frecuencia para cada clase de susceptibilidad se ha calculado mediante un inventario de primeras roturas identificadas en el campo y a través de ortofotos. Se ha desarrollado un algoritmo para obtener el área de las coladas de tierra más grandes que el tamaño del píxel a través de la agregación automática de píxeles situados en una misma vertiente y que presentan una misma clase de susceptibilidad. Finalmente, se ha definido la matriz magnitud-frecuencia para la zonificación de la peligrosidad de las vertientes intactas. En lo que concierne a los desprendimientos, se ha definido una metodología para obtener la distribución de volúmenes de cicatrices de desprendimientos de un acantilado. Se ha asumido que los volúmenes de cicatrices de desprendimientos pueden ser una primera aproximación de los volúmenes de desprendimientos. En este caso, la distribución de las cicatrices de desprendimientos se ha calculado utilizando una nube de puntos de alta resolución de la pared obtenida con un LIDAR terrestre. Se han calculado varias distribuciones de volúmenes para tener en cuenta los diferentes mecanismos de desprendimiento y el consecuente rango de volúmenes desprendidos. Finalmente, se ha propuesto una metodología para transformar la frecuencia estadística (% de volúmenes de cicatrices), calculada en el paso anterior, en frecuencia temporal (número anual de volúmenes de cicatrices). Para esto, el volumen de material desprendido se ha calculado mediante la susodicha nube de puntos. El período de tiempo durante el cual se ha desprendido la totalidad del volumen de material se ha estimado mediante la datación de la superficie inicial a partir de la cual empezó la actual actividad de desprendimientos. Esta datación se ha hecho mediante el isótopo cosmogénico 36Cl

Preparing first-time slope failures hazard maps: from pixel-based to slope unit-based

In this work, we present a novel quantitative geographical information system-based procedure to obtain the magnitude (area) and frequency of medium to large first-time shallow slope failures. The procedure has been set up at the Barcedana Valley, in the Tremp Basin (Eastern Pyrenees). First, pixel-based susceptibility classes were defined using a slope stability index obtained with the physically based model SINMAP. The frequency calculated from the number of first-time failures recorded during the last 60 years was then assigned to each susceptibility class. We devised a procedure to estimate the size of potential failures by means of the aggregation of pixels within the boundaries of morphological slope units, optimized for the purpose. Finally, the landslide hazard was prepared using the magnitude-frequency matrix. Results show that a proper pixel clustering has been carried which avoids the generation of small groups of pixels with different susceptibility degrees within the same slope unit. For a given hill slope, the area of the cluster of pixels depends on the size of the slope unit, which is not unique as it depends on the criterion used to delineate them. Therefore, the latter is a key factor in the final results. In this study, we validated our results with the size distribution of the observed landslides. The methodology presented in this work can be applied using any susceptibility assessment method with a pixel-based output.Peer ReviewedPostprint (published version

Obtenció de mapes de perillositat d’esllavissades a partir del càlcul de la susceptibilitat mitjançant un model determinista

Les esllavissades són fenòmens que es produeixen en el terreny quan aquest pateix una pèrdua de resistència i el material es desplaça pendent avall. Aquests fenòmens poden arribar a ser molt destructius i afectar àrees molt grans. És per això que ja fa anys que s’estan estudiant per tal de poder entendre els diferents mecanismes que els desencadenen, la dinàmica que tenen i quines són les zones que es poden veure més afectades. El gran increment de la població que s’està produïnt des de ja fa temps, ha provocat que cada cop més s’habitin zones que fins aleshores havien estat exemptes de qualsevol activitat humana. En alguns casos, aquests àrees es troben en llocs que no són del tot aptes per establir-s’hi com poden ser zones molt properes al riu, en peus de muntanyes o zones rocoses. A Catalunya, l’any 2008, l’Institut Geològic de Catalanya (IGC) va inicar el projecte “Mapa per a la Prevenció dels Riscos Geològics 1:25000” (MPRGC) en el que es troba emmarcat aquest treball i que pretén la realització d’una cartografia i mapeig de la perillositat dels diferents fenòmens que afecten al país i així, en un futur, poder prendre mesures a l’hora de protegir aqueses àrees. Per tant, és necessari defenir la matriu de magnitud-freqüència per tal de poder avaluar la perillositat. L’objectiu d’aquesta tesina és establir un procediment rigorós, objectiu i reproduïble per establir la matriu de perillositat: magnitud–freqüència per perills produïts per lliscaments i colades de terres de dimensions mitjanes i grans. Aquest procediment o els seus resultats són integrables en un Sistema d’Informació Geogràfica (SIG). Per dur a terme aquest treball s’ha calculat la susceptibilitat d’esllavissades, píxel a píxels, a la conca de tremp i a la zona d’abrera (Catalunya Central) mitjançant el model determinista SINMAP. Per això, s’han hagut de reclassificar las diferents formacions litològiques identificades en la cartografia de camp en funció de la seva resistència i permeabiliat. S’han introduït les unitats de vessant per tal de poder avaluar la magnitud de les esllavissades a partir de la seva àrea. Aquestes són unes unitats cartogràfiques delimitades per les divisòries d’aigua i les línies de drenatge. La freqüència s’ha estimat de manera que els píxels amb un factor de seguretat més baix (segons SINMAP) seran els que tindran una probabilitat temporal més altra de trencar i viceversa. Els resultats obtinguts han mostrat que la utilització de les unitats de vessant per calcular la magnitud de les esllavissades ha donat resultats satisfactoris tot i que la resolució dels models digitals dels quals es disposa limiten molt la creació d’unitats de vessant suficientment petites i que puguin representar tots les conques existents. Seria de gran utilitat per estudis futurs poder treballar amb unitats més petites que les unitats de vessant per tal de ser més precisos a l’hora d’avaluar la magnitud. També s’ha pogut comprovar que és molt important tenir una bona informació de base així com una correcta cartrografia litològica i d’esllavissades i una correcta reclassificació dels materials per tal de poder disposar de bones dades geotècniques per fer el càlcul de la susceptibilitat i la posterior validació dels mapes. En conclusió, és possible establir una metodologia que permeti realitzar mapes de perillositat a partir de mapes de susceptibilitat calculats amb el SINMAP i el seu resultat és bo

Obtenció de mapes de perillositat d’esllavissades a partir del càlcul de la susceptibilitat mitjançant un model determinista

Les esllavissades són fenòmens que es produeixen en el terreny quan aquest pateix una pèrdua de resistència i el material es desplaça pendent avall. Aquests fenòmens poden arribar a ser molt destructius i afectar àrees molt grans. És per això que ja fa anys que s’estan estudiant per tal de poder entendre els diferents mecanismes que els desencadenen, la dinàmica que tenen i quines són les zones que es poden veure més afectades. El gran increment de la població que s’està produïnt des de ja fa temps, ha provocat que cada cop més s’habitin zones que fins aleshores havien estat exemptes de qualsevol activitat humana. En alguns casos, aquests àrees es troben en llocs que no són del tot aptes per establir-s’hi com poden ser zones molt properes al riu, en peus de muntanyes o zones rocoses. A Catalunya, l’any 2008, l’Institut Geològic de Catalanya (IGC) va inicar el projecte “Mapa per a la Prevenció dels Riscos Geològics 1:25000” (MPRGC) en el que es troba emmarcat aquest treball i que pretén la realització d’una cartografia i mapeig de la perillositat dels diferents fenòmens que afecten al país i així, en un futur, poder prendre mesures a l’hora de protegir aqueses àrees. Per tant, és necessari defenir la matriu de magnitud-freqüència per tal de poder avaluar la perillositat. L’objectiu d’aquesta tesina és establir un procediment rigorós, objectiu i reproduïble per establir la matriu de perillositat: magnitud–freqüència per perills produïts per lliscaments i colades de terres de dimensions mitjanes i grans. Aquest procediment o els seus resultats són integrables en un Sistema d’Informació Geogràfica (SIG). Per dur a terme aquest treball s’ha calculat la susceptibilitat d’esllavissades, píxel a píxels, a la conca de tremp i a la zona d’abrera (Catalunya Central) mitjançant el model determinista SINMAP. Per això, s’han hagut de reclassificar las diferents formacions litològiques identificades en la cartografia de camp en funció de la seva resistència i permeabiliat. S’han introduït les unitats de vessant per tal de poder avaluar la magnitud de les esllavissades a partir de la seva àrea. Aquestes són unes unitats cartogràfiques delimitades per les divisòries d’aigua i les línies de drenatge. La freqüència s’ha estimat de manera que els píxels amb un factor de seguretat més baix (segons SINMAP) seran els que tindran una probabilitat temporal més altra de trencar i viceversa. Els resultats obtinguts han mostrat que la utilització de les unitats de vessant per calcular la magnitud de les esllavissades ha donat resultats satisfactoris tot i que la resolució dels models digitals dels quals es disposa limiten molt la creació d’unitats de vessant suficientment petites i que puguin representar tots les conques existents. Seria de gran utilitat per estudis futurs poder treballar amb unitats més petites que les unitats de vessant per tal de ser més precisos a l’hora d’avaluar la magnitud. També s’ha pogut comprovar que és molt important tenir una bona informació de base així com una correcta cartrografia litològica i d’esllavissades i una correcta reclassificació dels materials per tal de poder disposar de bones dades geotècniques per fer el càlcul de la susceptibilitat i la posterior validació dels mapes. En conclusió, és possible establir una metodologia que permeti realitzar mapes de perillositat a partir de mapes de susceptibilitat calculats amb el SINMAP i el seu resultat és bo

Obtenció de mapes de perillositat d’esllavissades a partir del càlcul de la susceptibilitat mitjançant un model determinista

Les esllavissades són fenòmens que es produeixen en el terreny quan aquest pateix una pèrdua de resistència i el material es desplaça pendent avall. Aquests fenòmens poden arribar a ser molt destructius i afectar àrees molt grans. És per això que ja fa anys que s’estan estudiant per tal de poder entendre els diferents mecanismes que els desencadenen, la dinàmica que tenen i quines són les zones que es poden veure més afectades. El gran increment de la població que s’està produïnt des de ja fa temps, ha provocat que cada cop més s’habitin zones que fins aleshores havien estat exemptes de qualsevol activitat humana. En alguns casos, aquests àrees es troben en llocs que no són del tot aptes per establir-s’hi com poden ser zones molt properes al riu, en peus de muntanyes o zones rocoses. A Catalunya, l’any 2008, l’Institut Geològic de Catalanya (IGC) va inicar el projecte “Mapa per a la Prevenció dels Riscos Geològics 1:25000” (MPRGC) en el que es troba emmarcat aquest treball i que pretén la realització d’una cartografia i mapeig de la perillositat dels diferents fenòmens que afecten al país i així, en un futur, poder prendre mesures a l’hora de protegir aqueses àrees. Per tant, és necessari defenir la matriu de magnitud-freqüència per tal de poder avaluar la perillositat. L’objectiu d’aquesta tesina és establir un procediment rigorós, objectiu i reproduïble per establir la matriu de perillositat: magnitud–freqüència per perills produïts per lliscaments i colades de terres de dimensions mitjanes i grans. Aquest procediment o els seus resultats són integrables en un Sistema d’Informació Geogràfica (SIG). Per dur a terme aquest treball s’ha calculat la susceptibilitat d’esllavissades, píxel a píxels, a la conca de tremp i a la zona d’abrera (Catalunya Central) mitjançant el model determinista SINMAP. Per això, s’han hagut de reclassificar las diferents formacions litològiques identificades en la cartografia de camp en funció de la seva resistència i permeabiliat. S’han introduït les unitats de vessant per tal de poder avaluar la magnitud de les esllavissades a partir de la seva àrea. Aquestes són unes unitats cartogràfiques delimitades per les divisòries d’aigua i les línies de drenatge. La freqüència s’ha estimat de manera que els píxels amb un factor de seguretat més baix (segons SINMAP) seran els que tindran una probabilitat temporal més altra de trencar i viceversa. Els resultats obtinguts han mostrat que la utilització de les unitats de vessant per calcular la magnitud de les esllavissades ha donat resultats satisfactoris tot i que la resolució dels models digitals dels quals es disposa limiten molt la creació d’unitats de vessant suficientment petites i que puguin representar tots les conques existents. Seria de gran utilitat per estudis futurs poder treballar amb unitats més petites que les unitats de vessant per tal de ser més precisos a l’hora d’avaluar la magnitud. També s’ha pogut comprovar que és molt important tenir una bona informació de base així com una correcta cartrografia litològica i d’esllavissades i una correcta reclassificació dels materials per tal de poder disposar de bones dades geotècniques per fer el càlcul de la susceptibilitat i la posterior validació dels mapes. En conclusió, és possible establir una metodologia que permeti realitzar mapes de perillositat a partir de mapes de susceptibilitat calculats amb el SINMAP i el seu resultat és bo

Caracterització geològica i geofísica de l’estació sísmica de Llívia per l’estudi d’efectes sísmics locals del sòl

L’objectiu d’aquest treball és fer una caracterització, tan geològica com geofísica, del subsòl de les estacions sísmiques de Llívia, a la vall de la Cerdanya (Pirineu Oriental), per veure els fenòmens d’amplificació que s’hi donen. Per dur a terme aquesta tasca s’estudien els possibles efectes sísmics locals. Des d’un punt de vista numèric, es calcula la funció de transferència mitjançant el mètode lineal equivalent 1D amb el programa ProShake, que requereix dades obtingudes en diverses campanyes de prospecció geofísica realitzades a la zona d’estudi per la Unitat de Tècniques Geofísiques de l’Institut Geològic de Catalunya (IGC). I també des d’un punt de vista empíric amb el processat, mitjançant el programa DEGTRAA4, dels sismogrames registrats a les estacions de Llívia en sòl i roca. D’aquesta manera, analitzant els registres reals i sintètics es pot fer una comparació dels mètodes de simulació numèrica. També s’utilitza la tècnica del quocient espectral H/V per determinar la freqüència fonamental del sòl i comparar-la amb les calculades amb els dos mètodes anteriors

Calculation of the rockwall recession rate of a limestone cliff, affected by rockfalls, using cosmogenic chlorine-36: case study of the Montsec range (Eastern Pyrenees, Spain)

Cliff erosion may be a major problem in settled areas affecting populations and producing economic and ecological losses. In this paper we present a procedure to calculate the long-term retreat rate of a cliff affected by rockfalls in the Montsec Range, Eastern Pyrenees (Spain). It is composed of low, densely fractured limestones; and the rockwall is affected by rockfalls of different sizes. The rockfall scars are clearly distinguishable by their regular boundaries and by their orange colour, which contrast with the greyish old reference surface (S0) of the cliff face. We have dated different stepped surfaces of the rockwall, including S0, using cosmogenic 36Cl. The total amount of material released by rockfall activity was calculated using a high definition point cloud of the slope face obtained with a terrestrial laser scanner (TLS). The present rockwall surface has been subtracted from the reconstructed old cliff surface. This has allowed the calculation of the total volume released by rockfalls and of the retreat rate. The latter ranges from 0.31 to 0.37 mm·a- 1. This value is of the same order of magnitude as that obtained by other researchers in neighbouring regions in Spain, having similar geology and affected by rockfalls.Peer Reviewe

Determinación de umbrales pluviométricos para la reactivación de grandes deslizamientos mediante las curvas ROC

Postprint (published version

Preparing first-time slope failures hazard maps: from pixel-based to slope unit-based

In this work, we present a novel quantitative geographical information system-based procedure to obtain the magnitude (area) and frequency of medium to large first-time shallow slope failures. The procedure has been set up at the Barcedana Valley, in the Tremp Basin (Eastern Pyrenees). First, pixel-based susceptibility classes were defined using a slope stability index obtained with the physically based model SINMAP. The frequency calculated from the number of first-time failures recorded during the last 60 years was then assigned to each susceptibility class. We devised a procedure to estimate the size of potential failures by means of the aggregation of pixels within the boundaries of morphological slope units, optimized for the purpose. Finally, the landslide hazard was prepared using the magnitude-frequency matrix. Results show that a proper pixel clustering has been carried which avoids the generation of small groups of pixels with different susceptibility degrees within the same slope unit. For a given hill slope, the area of the cluster of pixels depends on the size of the slope unit, which is not unique as it depends on the criterion used to delineate them. Therefore, the latter is a key factor in the final results. In this study, we validated our results with the size distribution of the observed landslides. The methodology presented in this work can be applied using any susceptibility assessment method with a pixel-based output.Peer Reviewe