Mass movements along the Karakoram Highway with a focus on seismically induced mass movements

Ali, Sajid; Reicherter, Klaus; Amann, Florian

doi:HT020637970

Mass movements along the Karakoram Highway with a focus on seismically induced mass movements

Ali, Sajid^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabesubmitted by Sajid Ali M.Sc.

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (127 Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Reicherter, Klaus (Thesis advisor)^RWTH* ; Amann, Florian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-05-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-10670
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/805012/files/805012.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
co-seismic landslides (frei) ; hazard and risk mapping (frei) ; Himalaya (frei) ; Karakoram (frei) ; Karakoram Highway (frei) ; landslides (frei) ; MKT (frei) ; MMT (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Bergrutsche und ihre schwerwiegenden Folgen, vor allem in Bezug auf die Zerstörung verschiedenster Infrastruktur, sind heutzutage von breitem öffentlichen Interesse. Hinter diesen Ereignissen stecken komplexe Prozesse, die schwer vorherzusagen sind. Diese Arbeit zeigt Ansätze auf, um regional und standortspezifisch mit verschiedenen Methoden, u.a. der Fernerkundung, die potentielle von Bergrutschen ausgehende Gefahr zu bewerten. Eine GIS-basierte Analyse der regionalen Anfälligkeit für Bergrutsche dient dabei als Grundlage für nachfolgende detaillierte Vor-Ort-Untersuchungen. Gegenstand der Studie ist der Karakoram-Highway (KKH) im nördlichen Pakistan, der einen bedeutenden Bestandteil des Wirtschaftskorridors zwischen China und Pakistan („China Pakistan Economic Corridor“, CPEC) darstellt. Dieser verbindet das Arabische Meer mit dem Südwesten Chinas. Neben der wirtschaftlichen Bedeutung stellt der KKH auch die „Lebensader“ der pakistanischen Region Gilgit-Baltistan dar, deren einzige Verbindung zum Rest des Landes er ist. Der KKH führt durch (Hoch-) Ebenen und tiefe (~6500 m) Schluchten. Von der Stadt Thakot aus folgt der Highway in nördlicher Richtung vier verschiedenen Flüssen (Indus, Gilgit, Hunza und Khunjerab) und verläuft entlang der Indisch-Eurasischen Plattengrenze. Die andauernde Kollision dieser beiden Kontinentalplatten bedingt im Untersuchungsgebiet verschiedene seismische Zonen mit unterschiedlichen tektonischen Konfigurationen. Die Region war Schauplatz bedeutender historischer- und rezenter Erdbeben, wie z.B. Pattan 1974 (M=6.2), Astore 2002 (M=6.3) und Kashmir 2005 (M=7.6), die Teile des KKH jeweils komplett zerstörten. Eine Kartierung des gesamten Bergrutsch-Bestandes der Region („Landslide inventory map“, LIM) stellt die Grundlage für die darauffolgende Erstellung von Gefahrenkarten für das Einzugsgebiet des KKH dar. Zum einen wurden dazu wurden über einen langen Zeitraum veröffentlichte Berichte, Artikel, Bücher und Protokolle über Straßensperrungen herangezogen. Zum anderen wurden Satellitenbilder verschiedenen Datums betrachtet, um aktive, bereits vollzogene oder potentielle Hangbewegungen zu lokalisieren. Die beobachteten Phänomene wurden in diesem Zuge nach Größe und Art klassifiziert. Die durch Fernerkundung erhobenen Daten und Rückschlüsse wurden im weiteren Verlauf vor Ort überprüft. Auf Grundlage eines Verschnitts bestehender geologischer Karten wurde der Einfluss verschiedener Lithologien auf die Verteilung und Art von Bergrutschen analysiert. Daraus ergibt sich, das vor allem stark zerklüftete Ultramafite, stark verwitterte Plutonite und mechanisch stark beanspruchte Schiefer anfällig für Bergrutsche sind. Dabei sind weiterhin der Grad der Zerklüftung und die Kluftorientierung entscheidend für die Art und Ausprägung des Hangrutsches. Der KKH führt durch zwei Klimazonen: Die Monsunzone und die semiaride bis aride Zone. Die erstere ist von saisonale Starkregen geprägt, während letztere einen geringen jährlichen Niederschlag (>250 mm) aufweist. Die Niederschlagsintensität in Kombination mit den gegebenen höheren Temperaturschwankungen korreliert dabei stark mit Massenbewegungen. Der KKH kreuzt verschiedene aktive Störungen (MBT, MMT, KSF, RF, MKT, KF -> define) und Scherzonen (KJS). Da diese wiederum eine hohe Zerklüftung der durchzogenen Gesteine bedingen, zeigt eine Häufung von Bergrutschen in der unmittelbaren Umgebung den enormen Einfluss dieser Strukturen. Die Erstellung einer Bergrutsch-Anfälligkeitskarte (Landslide susceptibility map, LSM) basiert auf der Semi-quantitativen Methode des „Analytical Hierarchy Process“ (AHP). Dabei wurden zehn Parameter herangezogen um die Bergsturz-Anfälligkeit zu beurteilen: Lithologie, Seismizität, Niederschlagsintensität, Störungszonen, Höhe über NN, Hangneigung, Expositionsrichtung, Kurvatur, Landnutzung und Hydrologie. Eine räumliche Analyse zeigt den Effekt der Parameter auf die Verteilung der Bergstürze. Die Auswirkung jedes Parameters wurde durch die Anwendung eines fachgemäßen AHP bewertet, um Anschließend mit der „Weighted Overlay-Methode“ eine finale Karte zu erstellen. Diese wiederum klassifiziert das Untersuchungsgebiet in vier Klassen der Bergsturzanfälligkeit: Gering, mittel, hoch und sehr hoch. Hohe und sehr hohe Anfälligkeit herrscht in der Nähe aktiver Störungen. Anhand von drei Fallbeispielen (Jijal Sub-Sektion, Raikot Bridge Sub-Sektion and Attabad Sub-Sektion) wird die Erstellung der finalen Karte erläutert. Anhand einer „Landslide Density Analysis (LDA) und “Receiver Operative Curve” (ROC) wird die Zuverlässigkeit der Karte auf 72% geschätzt, was zum Zweck einer adäquaten Risikobeurteilung und Schadensmilderung als ausreichend eingestuft wird. Hohe und sehr hohe Gefahr von Bergstürzen besteht für das lange Segment Besham-Chilas, das aus diesem Grund für die Gefahrenbeurteilung herangezogen wurde. LIM, die Verteilung der Hangneigung (SAD) und Satellitenbildmaterial wurden zur Lokalisierung von Quellen von Bergstürzen und Hangrutschen genutzt. Die Lokalitäten wurden weiter genutzt, um mittels der Software FLOW-R den Auslaufbereich der Massenbewegungen zu analysieren. Die Bereiche, die die höchste Wahrscheinlichkeit aufweisen, dass der KKH von Massenbewegungen erreicht und zerstört wird, wurden einer empirischen Risikobewertung unterzogen. Eine Modifikation des “Pierson’s Rockfall Hazard Rating System” (MRHRS) wurde herangezogen, um potentielle Felsstürze zu bewerten; Semi-quantitative Kriterien dienten zur Bewertung von Murgängen. Die finale Karte wurde in die o.g. Gefahrenstufen eingeteilt und direkte Gegenmaßnahmen für stark oder sehr stark gefährdete Bereiche angeregt. Diese Studie trägt wichtige Ansätze zur Bewertung von Massenbewegungen am KKH bei. Trotzdem sind zu einer weiterführenden Bewertung und einem umfassenderen Verständnis der Prozesse weitere Ansätze wie numerische und physikalische Modellierungen notwendig.

Landslide and its severe impact on infrastructure is talk of the town now a days. It is a complex process, which is quite difficult to understand and predict. Multiple remote sensing and site specific approaches have been employed to determine associated hazard and risk. “Regional to site specific approach” was applied in this study. Initially, regional landslide susceptibility map was prepared by using geographic information system. Potential hazardous sites identified during this stage were further investigated in detail. This study is concerned about the Karakoram Highway (KKH), located in north Pakistan. It is an important part of the China Pakistan Economic Corridor (CPEC), connecting Arabian Sea with southwest China. It is also considered a lifeline of the Gilgit-Baltistan, being only all-weather physical connection with rest of country. It passes through plateau, high plains and deeply incised gorges (~6500 m). From Thakot onwards, it runs along four rivers: Indus, Gilgit, Hunza and Khunjerab. It is situated at the junction of two plate boundaries: India and Eurasian plate. Ongoing collision between these two plates has produced different tectonic environments and seismic zones. Region has witnessed major historical and recent earthquakes e.g. Pattan 1974 (M=6.2), Astore 2002 (M=6.3) and Kashmir Earthquake (M=7.6), which completely damaged some segments of the Highway. Landslide inventory map (LIM) was basic requirement of the entire process to prepare hazard and risk maps of the Highway. Previously published reports, articles, books and road clearance logs were consulted to prepare multi-temporal inventory. Furthermore, multi-temporal satellite imagery was examined to locate active and potential slope failures, which were further classified into size and failure mode categories. Extent and type of slope failures was then validated during multiple field campaigns. Subsequently, geological map was prepared by digitizing existing published maps. Additionally, influence of lithological units (formation/group) and individual lithologies on spatial distribution and types of landslides was analysed. Highly fragmented ultramafics, deeply weathered plutons and mechanically shattered schists and slates have high landslides density. Furthermore, degree of fragmentation and attitude of joint sets defined mode of slope failure. The Highway passes through two climatic zones: Monsoon and semi-arid to arid zone. Former is characterized by torrential rainfalls whereas latter has low mean annual rainfall (>250 mm). Strong correlation between rainfall intensity and mass movements has been found. Besides, variations in temperature coupled with precipitation initiated rockfalls. Moreover, active faults (MBT, MMT, KSF, RF, MKT, and KF) and shear zone (KJS) characterize the KKH. Rock mass is highly jointed and sheared close to these structure. Landslide clusters were found close to these structure indicating their strong control. Preparation of landslide susceptibility map (LSM) involved analytical hierarchy process (AHP) based semi-quantitative technique. Ten parameters (lithology, seismicity, rainfall intensity, faults, elevation, slope angle, aspect, curvature, land cover and hydrology) were used to assess susceptibility. Spatial analysis was performed to estimate effect of these parameters over landslide distribution. Each parameter was rated by using expert based AHP. Weighted overlay technique was employed to produce final map, which was further classified into four levels: low, intermediate, high and very high susceptibility. High and very high susceptibility areas were found close to active faults. Three case studies (Jijal sub-section, Raikot Bridge sub-section and Attabad sub-section) were discussed to explain the final map. To end with, Landslide density analysis (LDA) and receiver operative curve (ROC) determined accuracy of the map as 72%, which was considered reasonable for planning and mitigation. High and very high susceptibility characterize long segment of the Besham-Chilas section, therefore was preferred for risk assessment. LIM, slope angle distribution (SAD) and satellite imagery analysis were utilized to locate rockfall and debris flow sources. Which were further exploited to assess runout by using open source and customizable software “FLOW-R”. Sites with maximum probability to reach and damage the Highway, were empirically rated for risk assessment. Modified Pierson’s Rockfall Hazard Rating System (MRHRS) rated potential rockfalls whereas semi-quantitative criteria was employed to rate debris flows. Lastly, final map was then classified into four risk levels: low, intermediate, high and very high. Immediate application of countermeasures for segments at high and very high risk were proposed. This study encompasses important dimensions of mass movements along the Highway. But still, some other aspects like numerical and physical modeling needs to be done for understanding and evaluation of the entire process.

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