Διαχείριση κατολισθητικού κινδύνου σε περιοχές που έχουν πληγεί από δασικές πυρκαγιές και πλημμύρες, με τη χρήση σύγχρονων τεχνικών δορυφορικής επισκόπησης και περιοχικών κλιματικών μοντέλων

Abstract

Landslides have historically been one of the greatest threats for human societies, causing many fatalities and severe damage to critical infrastructure. In today’s era, the climate crisis has increased this threat, as it has caused significant variations in the frequency and intensity of both heavy rainfall events, which led to widespread flooding, and prolonged droughts, which can trigger destructive wildfires. Both floods and wildfires are often responsible for activating numerous landslides in affected areas. This PhD thesis aims to investigate how the landslide susceptibility, hazard and risk change, in areas impacted by either wildfires or extreme hydro-meteorological events, such as prolonged rainfall that causes widespread flooding. It also seeks to explore the relationship of these landslides with factors such as wildfire recurrence, the characteristics of meteorological phenomena, and local geomorphological features. The study also highlights how climate change affects landslides, not only through its impact on wildfires and floods but also through the direct interaction of these events with landslides. In Greece, landslides are among the most significant geological hazards, with serious social and economic consequences. Each year, numerous landslide events affect critical infrastructure, such as road networks, and disrupt local economies, while in some cases, they threaten the viability of entire communities. The complexity of landslides necessitates integrated management to ensure the resilience of infrastructure against geological hazards. The phenomenon of landslides is complex and multifactorial, as the geomorphological and hydrological conditions that make an area susceptible to landslides are often numerous and vary significantly across regions. In this dissertation, the multifaceted nature of the phenomenon was addressed using cutting-edge technologies, such as satellite remote sensing and regional climate models, as well as Multi-Criteria Decision Analysis methods. Regional climate models allow the integration of climate change impacts into environmental parameters, such as precipitation, enabling the development of more reliable and effective approaches. Through these models, various climate scenarios are considered, to determine the corresponding changes in landslide hazard and risk, both in the near and distant future. This approach extends the analysis of landslide evolution beyond the direct impact of destructive events (wildfires or floods) in a region as it examines the interaction of these events with local characteristics and climate change effects. The use of satellite remote sensing methods offers the advantage of rapid and non-invasive analysis, even in extensive or complex areas. In this context, the innovative method of Parallelized Persistent Scatterer Interferometry (P-PSI), developed by the BEYOND Center of Excellence of the National Observatory of Athens, was employed. This radar-based technique enables timely identification and analysis of landslides with speed, flexibility, and accuracy, while also minimizing computational demands. In addition, Multi-Criteria Decision Analysis methods have been effectively applied in recent years for determining landslide susceptibility, as they can integrate diverse triggering factors. These methods have been successfully used in numerous scientific studies, providing critical results and insights. Therefore, a geodatabase was developed within this dissertation, incorporating these studies to enable statistical analysis of their findings and leverage their spatial information. The geodatabase was then integrated with cutting-edge regional climate models and satellite remote sensing techniques to develop basic and specialized methodological tools. These tools were combined into a unified framework aimed at achieving the objectives of this dissertation: identifying and managing landslide hazards in areas affected by wildfires or floods. As indicated by the analysis of the geodatabase results and literature review, many studies focus on single area as a case study. This area has specific geomorphological and hydrological features, which can limit the generalizability and applicability of the research findings to other regions with different characteristics. To address this limitation and ensure a holistic approach of the phenomenon study, the effectiveness of the methods applied in this dissertation was evaluated across multiple regions in Greece with diverse geomorphological and hydrological characteristics, landslide activity and wildfires or floods recorded in the past. Areas selected for this purpose included a wide geographic range in Greece, encompassing both mainland and island regions: Cephalonia in the Ionian Sea, Aigialeia in the Peloponnese, Nea Makri in Attica, Pelion and Larissa in in Thessaly. The selection was based on a review of relevant literature, open data sources, and preliminary interferometric analysis. Additionally, the Regional Unit of Chania in Crete was chosen for the comprehensive evaluation of the proposed methodological framework due to its significant landslide activity and the diversity of geomorphological features in its sub-regions.

Οι κατολισθήσεις αποτελούν διαχρονικά μία από τις κυριότερες απειλές για τις ανθρώπινες κοινωνίες, καθώς ευθύνονται για την απώλεια ενός μεγάλου αριθμού ανθρώπινων ζωών, ενώ, σε αρκετές περιπτώσεις προκαλούν σημαντικές καταστροφές σε κρίσιμες κατασκευές και υποδομές. Στη σημερινή εποχή η κλιματική κρίση έχει επιτείνει αυτή την απειλή, καθώς έχει επιφέρει σημαντικές διαφοροποιήσεις στη συχνότητα και την ένταση τόσο των περιόδων έντονων βροχοπτώσεων, που προκαλούν εκτεταμένες πλημμύρες, όσο και των περιόδων έντονης ξηρασίας, που μπορεί να οδηγήσουν σε καταστρεπτικές δασικές πυρκαγιές. Τόσο οι εκτεταμένες πλημμύρες όσο και οι δασικές πυρκαγιές συχνά ευθύνονται για την ενεργοποίηση ενός μεγάλου αριθμού κατολισθήσεων, στις πληγείσες περιοχές. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στο να διερευνήσει τη διαφοροποίηση που επέρχεται στην κατολισθητική επιδεκτικότητα, επικινδυνότητα και διακινδύνευση μιας περιοχής όταν αυτή πληγεί είτε από δασικές πυρκαγιές είτε από ακραία υδρομετεωρολογικά φαινόμενα, όπως οι παρατεταμένες βροχοπτώσεις, που μπορεί να οδηγήσουν σε εκτεταμένες πλημμύρες. Ταυτόχρονα επιχειρείται η διερεύνηση της συσχέτισης αυτών των κατολισθητικών φαινομένων με παράγοντες όπως, η επαναληψιμότητα των πυρκαγιών, τα χαρακτηριστικά των μετεωρολογικών φαινομένων καθώς και τα τοπικά γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά. Μέσα από την παρούσα μελέτη αναδεικνύεται η επίδραση που έχει η κλιματική αλλαγή στο φαινόμενο των κατολισθήσεων, διαμέσου των αντίστοιχων επιπτώσεών της στις δασικές πυρκαγιές και πλημμύρες, αλλά και διαμέσου της αλληλεπίδρασης που παρουσιάζουν αυτά τα φαινόμενα απευθείας με τις κατολισθήσεις. Στην Ελλάδα, οι κατολισθήσεις αποτελούν έναν από τους σημαντικότερους γεωλογικούς κινδύνους, με σοβαρές κοινωνικές και οικονομικές επιπτώσεις. Κάθε χρόνο καταγράφεται ένας σημαντικός αριθμός κατολισθήσεων, οι οποίες επηρεάζουν κρίσιμες υποδομές, όπως το οδικό δίκτυο και πλήττουν την τοπική οικονομία, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να απειλήσουν ακόμη και τη βιωσιμότητα ολόκληρων κοινοτήτων. Η πολυπλοκότητα του φαινομένου απαιτεί ολοκληρωμένη διαχείριση έτσι ώστε να διασφαλίζεται ο σχεδιασμός ανθεκτικών υποδομών, απέναντι σε γεωλογικούς κινδύνους.Ωστόσο, το φαινόμενο των κατολισθήσεων είναι σύνθετο και πολυπαραγοντικό, καθώς οι γεωμορφολογικές και υδρολογικές συνθήκες που καθιστούν μια περιοχή επιδεκτική σε κατολισθήσεις, είναι συνήθως πολλές και μπορεί να διαφοροποιούνται σημαντικά από περιοχή σε περιοχή. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, η πολυσχιδής και περίπλοκη φύση του φαινομένου, προσεγγίστηκε τόσο μέσα από την εφαρμογή καινοτόμων τεχνολογιών αιχμής, όπως οι μέθοδοι δορυφορικής επισκόπησης και τα περιοχικά κλιματικά μοντέλα, όσο και μέσα από την εφαρμογή μεθόδων πολυκριτηριακής ανάλυσης. Τα περιοχικά κλιματικά μοντέλα παρέχουν τη δυνατότητα ενσωμάτωσης των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής σε περιβαλλοντικούς παράγοντες, όπως η βροχόπτωση, γεγονός που επιτρέπει την ανάπτυξη πιο αξιόπιστων και αποτελεσματικών προσεγγίσεων. Μέσα από τα κλιματικά μοντέλα λαμβάνονται υπόψιν διάφορα σενάρια για την εξέλιξη του κλίματος και προσδιορίζεται η αντίστοιχη διαφοροποίηση που αναμένεται να επέλθει στον κατολισθητικό κίνδυνο και την κατολισθητική διακινδύνευση, τόσο στο άμεσο, όσο και στο μακροπρόθεσμο μέλλον. Με τον τρόπο αυτό, μέσα από τη χρήση των περιοχικών κλιματικών μοντέλων, η ανάλυση της εξέλιξης των κατολισθητικών φαινομένων δεν περιορίζεται μόνο στο ίδιο το καταστρεπτικό φαινόμενο (δασική πυρκαγιά ή πλημμύρα) που έπληξε τοπικά μια περιοχή, αλλά εξετάζεται και η διάδραση που αναπτύσσεται στα χαρακτηριστικά της περιοχής μετά από αυτό, ως απόρροια και της κλιματικής αλλαγής.Ταυτόχρονα, η χρήση των μεθόδων δορυφορικής επισκόπησης προσφέρει τη δυνατότητα γρήγορης και μη παρεμβατικής ανάλυσης, ακόμη και εκτεταμένων ή σύνθετων περιοχών. Έτσι, στο πλαίσιο της παρούσης διατριβής, αποφασίστηκε η αξιοποίηση της καινοτόμου μεθόδου παράλληλης Διαφορικής Συμβολομετρίας Σταθερών Σκεδαστών (Parallelized Persistent Scatterer Interferometry (P-PSI)), που αναπτύχθηκε από την Επιχειρησιακή Μονάδα BEYOND του Ινστιτούτου Αστρονομίας, Αστροφυσικής, Διαστημικών Εφαρμογών και Τηλεπισκόπησης (ΙΑΑΔΕΤ) του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, καθώς συμβάλλει σημαντικά στην έγκαιρη αναγνώριση και ανάλυση κατολισθήσεων. Η μέθοδος αυτή, η οποία βασίζεται σε τεχνολογία ραντάρ, προσδίδει ταχύτητα, ευελιξία και ακρίβεια στην αναγνώριση και στον προσδιορισμό κατολισθήσεων. Επιπλέον ελαχιστοποιεί τις χρονικές καθυστερήσεις και τους υπολογιστικούς πόρους που απαιτούνται, επιταχύνοντας και απλοποιώντας σημαντικά την προτεινόμενη διαδικασία.Αντίστοιχα οι πολυκριτηριακές μέθοδοι εφαρμόζονται τα τελευταία χρόνια με μεγάλη αποτελεσματικότητα για τον προσδιορισμό της κατολισθητικής επιδεκτικότητας, καθώς έχουν τη δυνατότητα να συνδυάζουν μεταξύ τους, πολλούς και διαφορετικούς παράγοντες πρόκλησης κατολισθήσεων. Στο παρελθόν έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία σε πλήθος επιστημονικών μελετών ανάλυσης κατολισθήσεων, προσφέροντας κρίσιμα αποτελέσματα, σημαντικές διαπιστώσεις και χρήσιμα συμπεράσματα. Επομένως στο πλαίσιο της παρούσης διατριβής, κρίθηκε ως ιδιαίτερα επωφελής η ανάπτυξη μιας γεωβάσης η οποία θα ενσωματώνει τις μελέτες αυτές, επιτρέποντας τη στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων των πολυκριτηριακών μεθόδων και ταυτόχρονα την αξιοποίηση των γεωχωρικών πληροφοριών που περιέχονται σε αυτές. Ακολούθως η γεωβάση συνδυάστηκε με τις καινοτόμες τεχνολογίες αιχμής των περιοχικών κλιματικών μοντέλων και της δορυφορικής επισκόπισης που προαναφέρθηκαν, με σκοπό την ανάπτυξη βασικών και σύνθετων-εξειδικευμένων μεθοδολογικών εργαλείων, που με τη σειρά τους εντάχθηκαν υπό ένα ενιαίο μεθοδολογικό πλαίσιο. Το πλαίσιο αυτό στοχεύει στην επίτευξη του σκοπού που τέθηκε στην παρούσα διατριβή, δηλαδή στον προσδιορισμό και τη διαχείριση του κατολισθητικού κινδύνου σε περιοχές που έχουν πληγεί από δασικές πυρκαγιές ή πλημμύρες. Όπως διαπιστώθηκε από την ανάλυση των αποτελεσμάτων της γεωβάσης αλλά και από τη μελέτη της βιβλιογραφίας, αρκετές περιπτώσεις μελετών που έχουν εκπονηθεί στο παρελθόν, έχουν ως πεδίο μελέτης – εφαρμογής (case study) αποκλειστικά μία και μόνο περιοχή, με συγκεκριμένα γεωμορφολογικά και υδρολογικά χαρακτηριστικά. Το γεγονός αυτό επηρεάζει τη γενίκευση των αποτελεσμάτων αυτών των μελετών και καθιστά, σε κάποιες περιπτώσεις, επισφαλή την εφαρμοσιμότητα των μεθόδων που προτείνουν, σε άλλες περιοχές, με διαφορετικά από την περιοχή έρευνας, χαρακτηριστικά. Λαμβάνοντας υπόψιν την παραπάνω διαπίστωση και με στόχο να διασφαλιστεί μια ολιστική προσέγγιση στη μελέτη του φαινομένου, κρίθηκε σκόπιμο η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των μεθόδων που εφαρμόστηκαν στην παρούσα διατριβή, να μην περιοριστεί σε μία περιοχή. Αντίθετα, τέθηκε ως στόχος να μελετηθούν αρκετές περιοχές του ελληνικού χώρου (case studies), που να διαθέτουν διαφορετικά μεταξύ τους γεωμορφολογικά και υδρολογικά χαρακτηριστικά, στο παρελθόν να έχει καταγραφεί κατολισθητική δραστηριότητα και να έχουν πληγεί από δασικές πυρκαγιές ή πλημμύρες. Έτσι, επιλέχθηκαν περιοχές από ένα ευρύ γεωγραφικό φάσμα του ελληνικού χώρου, που περιλαμβάνει τόσο την Ηπειρωτική όσο και τη νησιωτική Ελλάδα. Πιο συγκεκριμένα, επιλέχθηκε η Κεφαλονιά στο Ιόνιο, ο Δήμος Αιγιαλείας στην Πελοπόννησο, η Νέα Μάκρη Αττικής, το Πήλιο και η Λάρισα στη Θεσσαλία. Η επιλογή αυτή βασίστηκε στη μελέτη σχετικών βιβλιογραφικών πηγών, ανοιχτών δεδομένων και την πρόδρομη αξιολόγηση δεδομένων συμβολομετρίας. Επιπρόσθετα, η Περιφερειακή Ενότητα (ΠΕ) Χανίων στην Κρήτη, επιλέχθηκε περαιτέρω για τη συνολική αποτίμηση του συνόλου της προτεινόμενης μεθοδολογίας-πλαίσιο, λόγω της έντονης κατολισθητικής δραστηριότητας που παρουσιάζει αλλά και της ποικιλίας των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών των υποπεριοχών που τη συνθέτουν.