Published March 27, 2018 | Version v1
Publication Open

A physics-based probabilistic forecasting model for rainfall-induced shallow landslides at regional scale

  • 1. Institute of Mountain Hazards and Environment
  • 2. Chinese Academy of Sciences
  • 3. China Meteorological Administration

Description

Abstract. Conventional outputs of physics-based landslide forecasting models are presented as deterministic warnings by calculating the safety factor (Fs) of potentially dangerous slopes. However, these models are highly dependent on variables such as cohesion force and internal friction angle which are affected by a high degree of uncertainty especially at a regional scale, resulting in unacceptable uncertainties of Fs. Under such circumstances, the outputs of physical models are more suitable if presented in the form of landslide probability values. In order to develop such models, a method to link the uncertainty of soil parameter values with landslide probability is devised. This paper proposes the use of Monte Carlo methods to quantitatively express uncertainty by assigning random values to physical variables inside a defined interval. The inequality Fs<1 is tested for each pixel in n simulations which are integrated in a unique parameter. This parameter links the landslide probability to the uncertainties of soil mechanical parameters and is used to create a physics-based probabilistic forecasting model for rainfall-induced shallow landslides. The prediction ability of this model was tested in a case study, in which simulated forecasting of landslide disasters associated with heavy rainfalls on 9 July 2013 in the Wenchuan earthquake region of Sichuan province, China, was performed. The proposed model successfully forecasted landslides in 159 of the 176 disaster points registered by the geo-environmental monitoring station of Sichuan province. Such testing results indicate that the new model can be operated in a highly efficient way and show more reliable results, attributable to its high prediction accuracy. Accordingly, the new model can be potentially packaged into a forecasting system for shallow landslides providing technological support for the mitigation of these disasters at regional scale.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

ملخص. يتم تقديم المخرجات التقليدية لنماذج التنبؤ بالانهيارات الأرضية القائمة على الفيزياء كتحذيرات حتمية من خلال حساب عامل الأمان (Fs) للمنحدرات التي يحتمل أن تكون خطرة. ومع ذلك، تعتمد هذه النماذج بشكل كبير على متغيرات مثل قوة التماسك وزاوية الاحتكاك الداخلي التي تتأثر بدرجة عالية من عدم اليقين خاصة على المستوى الإقليمي، مما يؤدي إلى عدم اليقين غير المقبول لـ Fs. في ظل هذه الظروف، تكون مخرجات النماذج الفيزيائية أكثر ملاءمة إذا تم تقديمها في شكل قيم احتمالية الانهيارات الأرضية. من أجل تطوير مثل هذه النماذج، يتم ابتكار طريقة لربط عدم اليقين في قيم معلمة التربة باحتمال الانهيار الأرضي. تقترح هذه الورقة استخدام طرق مونت كارلو للتعبير كميًا عن عدم اليقين من خلال تعيين قيم عشوائية للمتغيرات المادية داخل فترة زمنية محددة. يتم اختبار المتباينة Fs<1 لكل بكسل في n محاكاة مدمجة في معلمة فريدة. تربط هذه المعلمة احتمال الانهيار الأرضي بالشكوك المتعلقة بالمعلمات الميكانيكية للتربة وتستخدم لإنشاء نموذج تنبؤ احتمالي قائم على الفيزياء للانهيارات الأرضية الضحلة الناجمة عن هطول الأمطار. تم اختبار قدرة التنبؤ لهذا النموذج في دراسة حالة، حيث تم إجراء محاكاة للتنبؤ بكوارث الانهيارات الأرضية المرتبطة بهطول الأمطار الغزيرة في 9 يوليو 2013 في منطقة زلزال ونتشوان في مقاطعة سيتشوان، الصين. نجح النموذج المقترح في التنبؤ بالانهيارات الأرضية في 159 من أصل 176 نقطة كوارث مسجلة من قبل محطة المراقبة الجيولوجية البيئية في مقاطعة سيتشوان. تشير نتائج الاختبار هذه إلى أنه يمكن تشغيل النموذج الجديد بطريقة عالية الكفاءة وإظهار نتائج أكثر موثوقية، ويعزى ذلك إلى دقة التنبؤ العالية. وفقًا لذلك، يمكن تجميع النموذج الجديد في نظام للتنبؤ بالانهيارات الأرضية الضحلة يوفر الدعم التكنولوجي للتخفيف من هذه الكوارث على المستوى الإقليمي.

Translated Description (French)

Résumé. Les sorties conventionnelles des modèles de prévision des glissements de terrain basés sur la physique sont présentées comme des avertissements déterministes en calculant le facteur de sécurité (Fs) des pentes potentiellement dangereuses. Cependant, ces modèles dépendent fortement de variables telles que la force de cohésion et l'angle de frottement interne qui sont affectées par un degré élevé d'incertitude, en particulier à l'échelle régionale, ce qui entraîne des incertitudes inacceptables de Fs. Dans de telles circonstances, les résultats des modèles physiques sont plus appropriés s'ils sont présentés sous la forme de valeurs de probabilité de glissement de terrain. Afin de développer de tels modèles, une méthode pour relier l'incertitude des valeurs des paramètres du sol à la probabilité de glissement de terrain est conçue. Cet article propose l'utilisation des méthodes de Monte Carlo pour exprimer quantitativement l'incertitude en attribuant des valeurs aléatoires à des variables physiques à l'intérieur d'un intervalle défini. L'inégalité Fs<1 est testée pour chaque pixel dans n simulations qui sont intégrées dans un paramètre unique. Ce paramètre relie la probabilité de glissement de terrain aux incertitudes des paramètres mécaniques du sol et est utilisé pour créer un modèle de prévision probabiliste basé sur la physique pour les glissements de terrain peu profonds induits par les précipitations. La capacité de prédiction de ce modèle a été testée dans une étude de cas, dans laquelle des prévisions simulées de catastrophes de glissements de terrain associées à de fortes précipitations le 9 juillet 2013 dans la région sismique de Wenchuan de la province du Sichuan, en Chine, ont été effectuées. Le modèle proposé prévoyait avec succès des glissements de terrain dans 159 des 176 points de catastrophe enregistrés par la station de surveillance géo-environnementale de la province du Sichuan. De tels résultats de test indiquent que le nouveau modèle peut être utilisé de manière très efficace et montrer des résultats plus fiables, attribuables à sa grande précision de prédiction. En conséquence, le nouveau modèle peut potentiellement être intégré dans un système de prévision des glissements de terrain peu profonds fournissant un soutien technologique pour l'atténuation de ces catastrophes à l'échelle régionale.

Translated Description (Spanish)

Resumen. Los resultados convencionales de los modelos de pronóstico de deslizamientos basados en la física se presentan como advertencias deterministas mediante el cálculo del factor de seguridad (Fs) de taludes potencialmente peligrosos. Sin embargo, estos modelos dependen en gran medida de variables como la fuerza de cohesión y el ángulo de fricción interna que se ven afectados por un alto grado de incertidumbre, especialmente a escala regional, lo que resulta en incertidumbres inaceptables de Fs. En tales circunstancias, los resultados de los modelos físicos son más adecuados si se presentan en forma de valores de probabilidad de deslizamiento de tierra. Para desarrollar dichos modelos, se diseña un método para vincular la incertidumbre de los valores de los parámetros del suelo con la probabilidad de deslizamiento. Este documento propone el uso de métodos de Monte Carlo para expresar cuantitativamente la incertidumbre mediante la asignación de valores aleatorios a variables físicas dentro de un intervalo definido. La desigualdad Fs<1 se prueba para cada píxel en n simulaciones que se integran en un parámetro único. Este parámetro vincula la probabilidad de deslizamientos de tierra con las incertidumbres de los parámetros mecánicos del suelo y se utiliza para crear un modelo de pronóstico probabilístico basado en la física para deslizamientos de tierra poco profundos inducidos por lluvias. La capacidad de predicción de este modelo se probó en un estudio de caso, en el que se realizó un pronóstico simulado de desastres de deslizamientos de tierra asociados con fuertes lluvias el 9 de julio de 2013 en la región del terremoto de Wenchuan de la provincia de Sichuan, China. El modelo propuesto pronosticó con éxito deslizamientos de tierra en 159 de los 176 puntos de desastre registrados por la estación de monitoreo geoambiental de la provincia de Sichuan. Dichos resultados de las pruebas indican que el nuevo modelo se puede operar de una manera altamente eficiente y mostrar resultados más confiables, atribuibles a su alta precisión de predicción. En consecuencia, el nuevo modelo puede empaquetarse potencialmente en un sistema de pronóstico para deslizamientos de tierra poco profundos que brinde apoyo tecnológico para la mitigación de estos desastres a escala regional.

Files

nhess-18-969-2018.pdf.pdf

Files (6.0 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:5a00f958cd7b37d10606058729712e2e
6.0 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نموذج تنبؤ احتمالي قائم على الفيزياء للانهيارات الأرضية الضحلة الناجمة عن هطول الأمطار على المستوى الإقليمي
Translated title (French)
Un modèle de prévision probabiliste basé sur la physique pour les glissements de terrain peu profonds induits par les précipitations à l'échelle régionale
Translated title (Spanish)
Un modelo de pronóstico probabilístico basado en la física para deslizamientos de tierra poco profundos inducidos por lluvias a escala regional

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2551308101
DOI
10.5194/nhess-18-969-2018

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Cuba

References

  • https://openalex.org/W1594117265
  • https://openalex.org/W179634433
  • https://openalex.org/W1967961656
  • https://openalex.org/W1969951856
  • https://openalex.org/W1970978060
  • https://openalex.org/W1972596327
  • https://openalex.org/W1977722830
  • https://openalex.org/W1977963146
  • https://openalex.org/W1987675172
  • https://openalex.org/W1988988493
  • https://openalex.org/W1989990869
  • https://openalex.org/W1996694383
  • https://openalex.org/W2010406160
  • https://openalex.org/W2012619152
  • https://openalex.org/W2025504365
  • https://openalex.org/W2032600630
  • https://openalex.org/W2036500753
  • https://openalex.org/W2042511823
  • https://openalex.org/W2047196892
  • https://openalex.org/W2054088683
  • https://openalex.org/W2056582038
  • https://openalex.org/W2069954085
  • https://openalex.org/W2076497114
  • https://openalex.org/W2079965317
  • https://openalex.org/W2095328235
  • https://openalex.org/W2104219081
  • https://openalex.org/W2138948369
  • https://openalex.org/W2162604832
  • https://openalex.org/W2170268274
  • https://openalex.org/W2172279805
  • https://openalex.org/W2275433043
  • https://openalex.org/W2314389726
  • https://openalex.org/W2481629049
  • https://openalex.org/W2972470080
  • https://openalex.org/W4244410379