رانش زمین برینز (GR) در سال 2023 سوئیس را برای هفته ها در تعلیق نگه داشت. محققان ETH زوریخ، WSL و SLF توانستند از مدلی برای پیش‌بینی کورکورانه و با دقت بسیار بالا استفاده کنند که جرم لغزش در کجا قرار می‌گیرد. پروفسور ETH Johan Gaume توضیح می دهد که این مدل چگونه کار می کند و محدودیت های آن چیست.
Johan Gaume، استاد جنبش های توده ای آلپ در ETH و SLF، در مورد بهمن، رانش زمین، جریان دانه بندی و جریان زباله تحقیق می کند. او و تیمش نرم افزار شبیه سازی جدیدی را برای تخمین اینکه کدام مناطق ممکن است در معرض خطر بلایای طبیعی مانند این باشند، توسعه داده اند. اندکی قبل از رانش زمین در برینز، آنها توانستند پیش‌بینی کنند که بهمن سنگی تا چه اندازه می‌تواند پیشروی کند – و رویداد واقعی در نهایت اثبات “تجربی” صحت شبیه‌سازی را ارائه کرد. در این مصاحبه، محقق توضیح می‌دهد که مدلش چگونه کار می‌کند و چرا در تابستان گذشته که رانش زمین در اخبار منتشر شده بود، در ارتباط با نتایج خود مردد بود.
اخبار ETH: با مدل جدید خود توانستید از قبل، تقریباً به اندازه متر، محل باقی ماندن زباله های زمین لغزش برینز را پیش بینی کنید. راز این مدل چیست؟
یوهان گاوم: مدل‌های قبلی دو بعدی و مبتنی بر قوانین اصطکاک تجربی بودند که معمولاً پارامترهای آن بر اساس داده‌های رویدادهای گذشته مجدداً محاسبه می‌شد. از آنجایی که رویدادهای واقعی به ندرت در شرایط مشابه رخ می دهند، کالیبراسیون آسان نیست، که منجر به عدم قطعیت های بزرگ مدل می شود. مدل ما، از سوی دیگر، بر اساس مواد شامل یخ، برف و سنگ است، کاملاً سه بعدی است و اساساً فقط به سه جزء نیاز دارد: یک مدل زمین دیجیتال برای نشان دادن توپوگرافی، حجم مواد آزاد شده و خواص مکانیکی مختلف. مانند اصطکاک و سفتی توده لغزش. ما می توانیم این عوامل را با استفاده از تست های آزمایشگاهی ژئوتکنیک کلاسیک ارزیابی کنیم.
آیا این مدل به طور خاص برای مورد برینز توسعه یافته است؟
خیر در ابتدا برای شبیه سازی بهمن های برفی ساخته شد. با این حال، از آنجایی که کد ما مبتنی بر ماده است، اضافه کردن یک مدل ماده دیگر و شبیه سازی رفتار سنگ، یخ و آب نسبتا آسان است.
چرا برینز برای شما مهم بود؟
برینز فرصتی برای ما بود تا مشارکت کنیم و آزمایش کنیم که مدل ما تا چه اندازه چنین رویدادهایی را پیش‌بینی می‌کند. تا همین اواخر، ما فقط می توانستیم مدل خود را در برابر رویدادهای گذشته آزمایش کنیم. این موضوع برینز را برای ما جالب کرد. با توجه به احتمال بالای وقوع چنین رویداد بزرگی، ما با استفاده از شبیه سازی های خود یک پیش بینی کورکورانه ایجاد کردیم و نتایج خود را به مقامات کانتون ارائه کردیم.
پیش آگهی چه بود؟
ما دو سناریو ایجاد کردیم: سناریو خشک و بدبینانه با آب زیاد که تحرک مواد سنگ را افزایش می‌دهد. در مورد زمین لغزش خشک پیش بینی می کردیم که رانش زمین در حدود 20 متری روستا ختم شود. با این حال، سناریوی دوم ما نشان داد که رانش سنگ می تواند بیش از نیمی از روستا را تحت تاثیر قرار دهد، اگر آب زیادی درگیر باشد.
این یک پیش بینی بسیار دقیق برای یک سناریوی خشک به نظر می رسد. مدل شما چقدر واقع بینانه است؟
اگرچه ما خوشحال بودیم که شبیه سازی ما با واقعیت مطابقت دارد، نتایج مدل ما کامل نبود و حاوی برخی ناسازگاری ها بود. به عنوان مثال، حجم مواد در شبیه سازی ما کمی بیش از حد برآورد شد. علاوه بر این، مدل ما گسترش جانبی بیشتری را نسبت به آنچه در واقعیت مشاهده می‌کردیم، نشان داد.
https://www.youtube.com/watch?v=gj1RyMTRrK4
چرا تابستان گذشته از پیش بینی های خود عقب نشینی کردید؟
اگرچه من از دقت شبیه‌سازی که سال‌ها بر روی آن کار می‌کردیم راضی بودم و می‌خواستم این موضوع را به سرعت در مورد Brienz به اشتراک بگذاریم، تعدادی عدم قطعیت عمده وجود داشت – مانند مسئله آب و سناریوی انتشار. اگر مقدار زیادی آب درگیر می شد، شبیه سازی بسیار نادرست بود زیرا به طور کامل کوپلینگ های هیدرومکانیکی را مدل نمی کرد. ما در حال حاضر روی آن کار می کنیم. اما ما همچنین در بیان پیش بینی خود مردد بودیم زیرا جنبه سیاسی آن انفجاری بود. مردم محلی ممکن است چنین پیامی را اشتباه درک کنند. اگر مدل من یک رویداد بزرگ را پیش‌بینی کند که در فاصله 20 متری خانه من متوقف می‌شود، البته با توجه به عدم اطمینان بیش از حد آن را تخلیه خواهم کرد.
چه مدت روی این مدل کار کردید؟
از سال 2017. در آن زمان، من با همکارانم از SLF و دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس (UCLA) بر روی نسل جدیدی از مدل‌های رایانه‌ای که حرکات توده‌های آلپ را تا حد امکان دقیق شبیه‌سازی می‌کنند، شروع به کار کردم. این نه تنها شامل جریان‌های برف، یخ، سنگ و زباله‌ها می‌شود، بلکه شامل آبشارها نیز می‌شود – یعنی فرآیندهایی که در آن، برای مثال، یک بهمن سنگ-یخ باعث ایجاد جریان زباله می‌شود. به طور کلی، من سال‌ها روی جنبه‌های مدل‌سازی پیرامون تحریک و پویایی جنبش‌های توده‌ای در آلپ کار کرده‌ام.
چگونه می توانید مدل را بهبود ببخشید؟
یک محقق فوق دکتری در گروه من در ETH/SLF در حال حاضر در حال تجزیه و تحلیل مجدد داده های Brienz است و ما شبیه سازی های اضافی را برای آزمایش پیش بینی های خود و پیدا کردن آنچه می توانستیم بهتر انجام دهیم اجرا خواهیم کرد. ما شبیه‌سازی‌های کور و تحلیل‌های بعدی خود را تابستان امسال در کنفرانس INTERPRAEVENT 2024 در وین ارائه خواهیم کرد. ما همچنین در حال توسعه مدل‌های دیگری هستیم که در آنها می‌توانیم جامدات و مایعات را به طور همزمان ترکیب کنیم تا مخلوطی از مایع چسبناک و ذرات درشت‌تر مانند تخته سنگ‌ها را به دست آوریم. ما همچنین در حال گسترش مدل‌هایمان برای تحلیل بهتر اثرات گرمایش جهانی هستیم. برای انجام این کار، ما به مدل‌هایی نیاز داریم که نه تنها تعامل بین فازهای مایع و جامد را شبیه‌سازی کنند، بلکه تغییرات فاز از جامد به مایع یا اثرات دما را نیز ثبت کنند. ما همچنین روی شبیه‌سازی آبشارهای فرآیند کار می‌کنیم، مانند مواردی که در Piz Cengalo در بالای Bondo رخ داد. در چنین آبشاری‌هایی، یک رویداد دیگر را تحریک می‌کند و رویداد دیگری را آغاز می‌کند. چنین آبشارهای فرآیند فاجعه باری می تواند به دلیل تغییرات آب و هوایی مکرر و شدیدتر شود. آنها در ارتفاعات منطقه آلپ بوجود می آیند و می توانند به عنوان مخلوطی از اجزای مایع و جامد به دره جاری شوند.
آیا مدل های خود را برای تمرین در دسترس قرار می دهید؟
برای اینکه مدل‌ها در دسترس پزشکان قرار گیرند، ابتدا باید استفاده از آنها را آسان‌تر کنیم. ما به زودی شروع به توسعه یک رابط کاربری گرافیکی خواهیم کرد تا آن را کاربرپسندتر کنیم. ما همچنین می خواهیم کارایی کد خود را بهبود بخشیم. برای مثال، شبیه‌سازی برینز دارای وضوح دو متر بود و از حدود دو میلیون ذره استفاده می‌کرد. در یک کامپیوتر اداری خوب کمتر از ده دقیقه طول کشید. نسخه‌ای که می‌تواند از پردازنده‌های گرافیکی و ابزارهای هوش مصنوعی استفاده کند، به ما این امکان را می‌دهد که رزولوشن را بهبود بخشیم یا نتایج شبیه‌سازی را در کمتر از یک دقیقه در دسترس داشته باشیم.
در آینده چگونه از مدل استفاده خواهید کرد؟
ما در حال حاضر از مدل خود برای اهداف تحقیقاتی و مشاوره ای استفاده می کنیم. ما درخواست‌هایی از مقامات کانتونی و شرکت‌های مهندسی برای انجام شبیه‌سازی در مواردی که رویکردهای کلاسیک دشوار است، دریافت کرده‌ایم. با این حال، بیشتر کار ما در حال حاضر به تحقیق مربوط می شود. با توجه به پیشرفت‌ها و پیشرفت‌هایی که قصد داریم در مدل خود ایجاد کنیم، گمان می‌کنم که ممکن است برای تمرین‌کنندگان نیز جالب باشد.
برای کدام موارد دیگر در سوئیس یا آلپ می توانید مدل خود را در آینده نزدیک به کار ببرید؟
ما در حال حاضر درگیر یک پروژه مهم WSL به نام تأثیرات تغییر اقلیم بر جنبش های توده ای (CCAMM) هستیم. ما سناریوها و شبیه سازی ها را در منطقه Kandersteg در قله Stei بالای دریاچه Oeschinen انجام می دهیم، جایی که شیب سنگی ناپایدار در نظر گرفته می شود. ما یک بهمن سنگی بالقوه عظیم را شبیه سازی می کنیم که می تواند به دریاچه برسد و یک سونامی ایجاد کند. این می تواند رسوبات اشباع شده را حمل کند و باعث جریان زباله شود که می تواند روستای کاندرستگ را به خطر بیندازد.
درباره یوهان گاوم
یوهان گاوم از سال 2020 استاد جنبش‌های توده‌ای آلپ در ETH زوریخ و SLF داووس بوده است. او در فرانسه متولد شده است و تحقیقاتی را در دانشگاه UCLA و EPFL انجام داده است.
ارجاع
Cicoira A، Blatny L، Li
پیتر روگ
