Landslide and debris flow warning at regional scale. A real-time system using susceptibility mapping, radar rainfall and hydrometeorological thresholds

Abstract

Rainfall triggered shallow slides and debris flows constitute a significant hazard that causes substantial economic losses and fatalities worldwide. Regional-scale risk mitigation for these processes is challenging. Therefore, landslide early warning systems (LEWS) are a helpful tool to depict the time and location of possible landslide events so that the hazardous situation can be managed more effectively. The main objective of this thesis is to set up a regional-scale LEWS that works in real-time over Catalonia (NE Spain). The developed warning system combines in real-time susceptibility information and rainfall observations to issue qualitative warnings over the region. Susceptibility has been derived combining slope angle and land use and land cover information with a simple fuzzy logic approach. The LEWS input rainfall information consists of high-resolution radar quantitative precipitation estimates (QPEs). To assess if a rainfall situation has the potential to trigger landslides, the LEWS applies a set of intensity duration thresholds. Finally, a warning matrix combines susceptibility and rainfall hazard to obtain a qualitative warning map that classifies the terrain into four warning classes. The evaluation of the LEWS performance has been challenging because of the lack of a systematic inventory, including the time and location of recent landslides events. Within the context of this thesis, a citizen-science initiative has been set up to gather landslide data from reports in social networks. However, some of the reports have significant spatial and temporal uncertainties. With the aim of finding the most suitable mapping unit for real-time warning purposes, the LEWS has been set-up to work using susceptibility maps based on grid-cells of different resolutions and subbasins. 30 m grid-cells have been chosen to compute the warnings as they offer a compromise between performance, interpretability of the results and computational costs. However, from an end users’ perspective visualising 30 m resolution warnings at a regional scale might be difficult. Therefore, subbasins have been proposed as a good option to summarise the warning outputs. A fuzzy verification method has been applied to evaluate the LEWS performance. Generally, the LEWS has been able to issue warnings in the areas where landslides were reported. The results of the fuzzy verification suggest that the LEWS effective resolution is around 1 km. The initial version of the LEWS has been improved by including soil moisture information in the characterisation of the rainfall situation. The outputs of this new approach have been compared with the outputs of LEWS using intensity-duration thresholds. With the new rainfall-soil moisture hydrometeorological thresholds, fewer false alarms were issued in high susceptibility areas where landslides had been observed. Therefore, hydrometeorological thresholds may be useful to improve the LEWS performance. This study provided a significant contribution to regional-scale landslide emergency management and risk mitigation in Catalonia. In addition, the modularity of the proposed LEWS makes it easy to apply in other regions.

Els lliscaments superficials i els corrents d’arrossegalls són un fenomen perillós que causa significants perdudes econòmiques i humanes arreu del món. La seva principal causa desencadenant és la pluja. La mitigació del risc degut a aquets processos a escala regional no es senzilla. Ena quest context, els sistemes d’alerta són una eina útil per tal de predir el lloc i el moment en que es poden desencadenar possibles esllavissades en el futur, i poder fer una gestió del risc més eficient. L’objectiu principal d’aquesta tesi és el desenvolupament d’un sistema d’alerta per esllavissades a escala regional, que treballi en temps real a Catalunya. El Sistema d’alerta que s’ha desenvolupat combina informació sobre la susceptibilitat del terreny i estimacions de la pluja d’alta resolució per donar unes alertes qualitatives arreu del territori. La susceptibilitat s’ha obtingut a partir de la combinació d’informació del pendent del terreny, i els usos i les cobertes del sòl utilitzant un mètode de lògica difusa. Les dades de pluja són observacions del radar meteorològic. Per tal d’analitzar si un determinat episodi de pluja te el potencial per desencadenar esllavissades, el sistema d’alerta utilitza un joc de llindars intensitat-durada. Posteriorment, una matriu d’alertes combina la susceptibilitat i la magnitud del episodi de pluja. El resultat, és un mapa d’alertes que classifica el terreny en quatre nivells d’alerta. Amb l’objectiu de definir quina unitat del terreny és la més adient pel càlcul de les alertes en temps real, el sistema d’alerta s’ha configurat per treballar utilitzant mapes de susceptibilitat basats en píxels de diverses resolucions, i en subconques. Finalment, l’opció més convenient és utilitzar píxels de 30 m, ja que ofereixen un compromís entre el funcionament, la facilitat d’interpretació dels resultats i el cost computacional. Tot i això, la visualització de les alertes a escala regional emprant píxels de 30 m pot ser difícil. Per això s’ha proposat utilitzar subconques per oferir un sumari de les alertes. Degut a la manca d’un inventari d’esllavissades sistemàtic, que contingui informació sobre el lloc i el moment en que les esllavissades es van desencadenar, l’avaluació del funcionament del sistema d’alerta ha sigut un repte. En el context d’aquesta tesi, s’ha creat una iniciativa per tal de recol·lectar dades d’esllavissades a partir de posts en xarxes socials. Malauradament, algunes d’aquestes dades estan afectades per incerteses espacials i temporals força importants. Per a l’avaluació el funcionament del sistema d’alerta, s’ha aplicat un mètode de verificació difusa. Generalment, els sistema d’alerta ha estat capaç de generar alertes a les zones on s’havien reportat esllavissades. Els resultats de la verificació difusa suggereixen que la resolució efectiva del sistema d’alerta età al voltant d’1 km. Finalment, la versió inicial del sistema d’alerta s’ha millorat per tal poder incloure informació sobre l’estat d’humitat del terreny en la caracterització de la magnitud del episodi de pluja. Els resultats del sistema d’alerta utilitzant aquest nou enfoc s’han comparat amb els resultats que s’obtenen al córrer el sistema d’alerta utilitzant els llindars intensitat-durada. Mitjançant els nous llindars hidrometeorològics, el sistema emet menys falses alarmes als llocs on s’han desencadenat esllavissades. Per tant, utilitzar llindars hidrometeorològics podria ser útil per millorar el funcionament del sistema d’alerta dissenyat. L’estudi dut a terme en aquesta tesi suposa una important contribució que pot ajudar en la gestió de les emergències degudes a esllavissades a escala regional a Catalunya. A més a més, el fet de que el sistema sigui modular permet la seva fàcil aplicació en d’altres regions en un futur.