Conic-Based 3D Rockfall Modeling with QGIS-Qproto Software: A Case Study of Mazı Village, Nevşehir (Ürgüp)

Abstract

This study focuses on the high-resolution 3D cone-based rockfall modeling using Qproto, a QGIS plugin, based on UAV-DSM data in an area near Mazı Village, located north of Derinkuyu and Ürgüp districts in Nevşehir province, where rockfall events occur intensively. The volcanic ignimbrites corresponding to the source zones in the study area have steep and vertical slope profiles, particularly resembling cornices. Therefore, 16 rock blocks with a potential for rockfall were identified within the rock mass structure characterized by cooling cracks (vertical discontinuities) commonly observed in ignimbrites where discontinuities near the vertical occur. Rockfall modeling was performed for these identified blocks. According to the modeling results, rockfalls with a maximum kinetic energy of 142 kJ and a displacement velocity of 16.8 m/s were determined. Based on these results, the maximum values of the rockfall model within the study area were generally reached in areas with high slope values, and it was observed that the energies and velocities of rock blocks attenuated at points with decreased slope, indicating the influence of the existing gravitational condition. Rockfall susceptibility degrees were categorized into five classes, and it was observed that the trajectories of fallen blocks, resulting from rockfalls, corresponded mainly to the moderate-high and high susceptibility classes, where they were scattered and dispersed.

Keywords

• Nevşehir
• Rockfall Modeling
• Hazard and Risk
• Susceptibility
• Qproto

QGIS-Qproto yazılımı ile Konik Temelli 3 Boyutlu Kaya Düşme Modellemesi: Mazı Köyü Örneği-Nevşehir (Ürgüp)

Abstract

Bu çalışma, kaya düşme olaylarının yoğun olarak meydana geldiği Nevşehir ili’nde Derinkuyu ve Ürgüp ilçelerine yakın Mazı Köyü kuzeyinde ve Güneyce Köyü yolu’na 1,34 km mesafede bulunan sahanın yüksek çözünürlükte İHA-SAM verisi kullanılarak bir QGIS eklentisi olan Qproto kullanarak üç boyutlu (3B) konik temelli kaya düşme modellemesini kapsamaktadır. Çalışma sahasında kaynak zonlara karşılık gelen volkanik kökenli ignimbiritler, özellikle kornişlere karşılık gelen yüksek eğimli dik bir yamaç profiline sahiptir. Bu bakımdan, düşeye yakın süreksizliklerin oluştuğu ignimbiritlerde yoğun olarak görülen soğuma çatlaklarına (düşey süreksizlikler) sahip yapıdaki kaya kütlesi içerisinde 16 adet düşme ihtimali olan kaya bloğu tespit edilmiş, bunlara ait kaya düşme modellemesi gerçekleştirilmiştir. Modelleme sonuçlarına göre, maksimum 142 kJ kinetik enerji ve 16.8 m/s ötelenme hızına sahip kaya düşmeleri belirlenmiştir. Bu sonuçlara göre, saha sınırları içerisinde yer alan düşme modelinin maksimum değerlere, genel olarak yüksek eğim değerlerinin olduğu alanlarda ulaşılmış olup, mevcut gravitasyonel durumun, özellikle eğimin azaldığı noktalarda kaya bloklarının enerjilerinin ve hızlarının sönümlendiği gözlemlenmiştir. 5 sınıfta kaya düşme duyarlılık derecesi oluşturulmuş, özellikle kaya düşmeleri sonucunda düşen blokların saçıldığı ve yayılış gösterdiği yörüngelerin daha çok orta- yüksek ve çok yüksek duyarlılıkta sınıflara karşılık geldiği gözlemlenmiştir.

Keywords

• Nevşehir
• Kaya Düşmesi Modellemesi
• Tehlike ve Risk
• Duyarlılık
• Qproto

References

1. AFAD, (2015), Bütünleşik Tehlike Haritalarının Hazırlanması, Heyelan-Kaya Düşmesi Temel Kılavuz, Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı (AFAD), Ankara, 152ss.
2. AFAD, (2021), Nevşehir İl Afet Risk Azaltma Planı (IRAP), T.C. Nevşehir Valiliği, İl Afet ve Acil Durum Müdürlüğü, Nevşehir, 144ss.
3. Agliardi F., Crosta, G.B., (2003), High resolution three-dimensional numerical modelling of rockfalls, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 40, 455–471.
4. Akın M., Dinçer İ., Orhan A., (2020), Kaya Düşmelerinden Kaynaklı Afetlerin Değerlendirilmesine Yönelik Teknik Kılavuz, (Tezcan A., Demir A., İlgen H.G., Beyhan M., Şentürk T., Yardımcıel R.S., Ed.), Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı (AFAD), Ankara, 169ss.
5. Akın M., Dinçer İ., Orhan A., (2022), Kaya Düşmesi Afetlerinin Değerlendirilmesinde Güncel Yöntemler: Mazı(Ürgüp) Örneği, Afet Sempozyumu, 20-22 Nisan, Ankara.
6. Alemdag S., Bostanci H.T., Gacener E., (2022a), GIS-based determination of potential instabilities and source rock areas on the Torul-Kürtün (Gümüşhane) motorway, rockfall, and protection structure analyses, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 81(1), 30, doi: 10.1007/s10064-021-02498-7.
7. Alemdag S., Kara R.T., Bostancı H.T., (2022b), Evaluation of potential rock falls with three-dimensional analysis: Example of Oltanbey and Hasanbey districts (Gümüşhane city center), Bulletin of the Mineral Research and Exploration, 169, 87-104.
8. Alvioli M., Santangelo M., Fiorucci F., Cardinali M., Marchesini I., Reichenbach P., Rossi M., Guzzetti F., Peruccacci S., (2021), Rockfall susceptibility and network-ranked susceptibility along the Italian railway, Engineering Geology, 293, 106301, doi: 10.1016/j.enggeo.2021.106301.

9. Antoniou A.A., Lekkas E., (2010), Rockfall susceptibility map for Athinios port, Santorini Island, Greece, Geomorphology, 118(1–2), 152–166.
10. Binal A., (1996), Aksaray-Ihlara Vadisindeki Volkanosedimanter Kayaçlarda Görülen Duyarsızlık Mekanizmalarının Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
11. Bounab A., El Kharim Y., El Hamdouni R., (2022), The Suitability of UAV-Derived DSMs and the Impact of DEM Resolutions on Rockfall Numerical Simulations: A Case Study of the Bouanane Active Scarp, Tétouan, Northern Morocco, Remote Sensing, 14(24), 6205, doi: 10.3390/rs14246205.
12. Castelli M., Torsello G., Vallero G., (2021), Preliminary modeling of rockfall runout: Definition of the input parameters for the QGIS plugin QPROTO, Geosciences, 11(2), 88, doi: 10.3390/geosciences11020088.
13. Chen G., Zheng L., Zhang Y., Wu J., (2013), Numerical simulation in rockfall analysis: A close comparison of 2-D and 3-D DDA, Rock Mechanics and Rock Engineering, 46(3), 527–541.
14. Cloutier C., Locat J., Mayers M., Noël F., Jacob C., Dorval P., Bossé F., Gionet P., Jaboyedoff M., (2016), An integrated management tool for rockfall evaluation along transportation corridors : description and objectives of the ParaChute research project, Geophysical Research Abstracts, Vol.18, EGU2016-9511.
15. Crosta G.B., Agliardi F., (2003), A methodology for physically based rockfall hazard assessment, Natural Hazards and Earth System Sciences, 3(5), 407–422.
16. Crosta G.B., Agliardi F., Frattini P., Lari S., (2015), Key Issues in Rock Fall Modeling, Hazard and Risk Assessment for Rockfall Protection, Engineering Geology for Society and Territory - Volume 2'nin İçinde, (Lollino G., Ed.), Springer International Publishing, Switzerland, ss.43–58.
17. Ergünay O., (2007), Türkiyenin Afet Profili, TMMOB Afet Sempozyumu, 5-7 Aralık, İMO Kongre ve Kültür Merkezi, Ankara, ss.1–14.
18. Frattini P., Crosta G., Carrara A., Agliardi F., (2008), Assessment of rockfall susceptibility by integrating statistical and physically-based approaches, Geomorphology, 94(3–4), 419–437.
19. Giordan D., Cignetti M., Godone D., Bertolo D., Paganone M., (2021), Definition of an operative methodology for the management of Rockfalls along with the Road Network, Sustainability, 13(14), 7669, doi: 10.3390/su13147669.
20. Gökçe O., Özden Ş., Demir A., (2008), Türkiye’de afetlerin mekansal ve istatistiksel dağılımı: Afet bilgileri envanteri, T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Afet İşleri Genel Müdürlüğü, Ankara, 126ss.
21. Jaboyedoff M., Labiouse V., (2011), Technical note: Preliminary estimation of rockfall runout zones, Natural Hazards and Earth System Science, 11(3), 819–828.
22. Leine R.I., Schweizer A., Christen M., Glover J., Bartelt P., Gerber W., (2014), Simulation of rockfall trajectories with consideration of rock shape. Multibody System Dynamics, 32(2), 241-271.
23. Lukačić H., Krkač M., Gazibara S.B., Arbanas Ž., Arbanas S.M., (2023), Detection of geometric properties of discontinuities on the Špičunak rock slope (Croatia) using high-resolution 3D Point Cloud generated from Terrestrial Laser Scanning, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1124(1), 012006, doi: 10.1088/1755-1315/1124/1/012006.
24. Matas G., Lantada N., Corominas J., Gili J.A., Ruiz-Carulla R., Prades A., (2017), RockGIS: a GIS-based model for the analysis of fragmentation in rockfalls, Landslides, 14(5), 1565–1578.
25. Moon V.G., (1993), Microstructural controls on the geomechanical behaviour of ignimbrite, Engineering Geology, 35(1-2), 19-31.
26. Nanehkaran Y.A., Licai Z., Chen J., Azarafza M., Yimin M., (2022), Application of artificial neural networks and geographic information system to provide hazard susceptibility maps for rockfall failures, Environmental Earth Sciences, 81(19), 475, doi: 10.1007/s12665-022-10603-6.
27. Ovreiu A.B., Bărsoianu I.A., Nistor C., Nedelea A., Comănescu L., (2019), Assessment of vulnerability for rockfalls in Cozia Gorge (Southern Carpathians, Romania), Natural Hazards, 99(1), 117–140.
28. Öztürk M.Z., Çetinkaya G., Aydın S., (2017), Köppen-Geiger İklim Sınıflandırmasına Göre Türkiye’nin İklim Tipleri, Coğrafya Dergisi, 35, 17-27.
29. Öztürk M.Z., Utlu M., Şimşek M., (2022), Kaya Düşme Tehlikesinin belirlenmesi ve önlenmesinde İHA tabanlı 3B Modelleme Çalışmaları; Murtaza Köyü Örneği (Niğde), Yer Bilimleri, 43(2), 182-196.
30. Riquelme A.J., Abellán A., Tomás R., Jaboyedoff M., (2014), A new approach for semiautomatic rock mass joints recognition from 3D point clouds, Computers & Geosciences, 68, 38-52.
31. Ritchie A.M., (1963), Evaluation of Rockfall and Its Control, In Highway Research Record 17, Stability of Rock Slopes, Highway Research Board, National Research Council, Washington, D.C., ss.13–28.
32. Sarıtürk B., Şeker D.Z., (2017), SFM tekniği ile 3B obje modellenmesinde kullanılan ticari ve açık-kaynak kodlu yazılımların karşılaştırılması, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 17(4), 126-131.
33. Singh S.K., Banerjee B.P., Lato M.J., Sammut C., Raval S., (2022), Automated rock mass discontinuity set characterisation using amplitude and phase decomposition of point cloud data, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 152, 105072, doi: 10.1016/j.ijrmms.2022.105072.
34. Taşdemiroğlu M., (1970), Türki̇ye'de kütle hareketleri̇, Türkiye Jeoloji Bülteni, 13(2), 26–35.
35. Thiele S.T., Grose L., Samsu A., Micklethwaite S., Vollgger S.A., Cruden A.R., (2017), Rapid semi-automatic fracture and contact mapping for point clouds, images and geophysical data, Solid Earth, 8(6), 1241-1253.
36. URL-1, (2023), Facets (plugin), http://www.cloudcompare.org/doc/wiki/index.php?title=Facets_%28plugin%29, [Erişim 4 Şubat 2023].
37. Utlu M., Öztürk M.Z., Şimşek M., (2020), Emli Vadisi’ndeki (Aladağlar) Talus Depolarının Kantitatif Analizlere Göre İncelenmesi, Coğrafi Perspektifle Dağ ve Dağlık Alanlar (Sürdürülebilirlik-Yönetim-Örnek Alan İncelemeleri)'in İçinde, (Birinci S., Kıvanç Kaymaz Ç., Kızılkan Y., Ed.), Kriter Yayınevi, İstanbul, ss.51–72.
38. Volkwein A., Schellenberg K., Labiouse V., Agliardi F., Berger F., Bourrier F., Dorren L.K.A., Gerber W., Jaboyedoff M., (2011), Rockfall characterisation and structural protection – a review, Natural Hazards and Earth System Sciences, 11(9), 2617–2651.
39. Wegner K., Haas F., Heckmann T., Mangeney A., Durand V., Villeneuve N., Kowalski P., Peltier A., Becht M., (2021), Assessing the effect of lithological setting, block characteristic and slope topography on the runout length of rockfalls in the Alps and on the La Réunion island, Natural Hazards and Earth System Sciences, 21(3), 1159–1177.
40. Yan J., Chen J., Tan C., Zhang Y., Liu Y., Zhao X., Wang Q., (2023), Rockfall source areas identification at local scale by integrating discontinuity-based threshold slope angle and rockfall trajectory analyses, Engineering Geology, 313, 106993, doi: 10.1016/j.enggeo.2023.106993.
41. Žabota, B., Repe, B. and Kobal, M. 2019. Influence of digital elevation model resolution on rockfall modelling, Geomorphology, 328, 183–195.