مدل‌های جدید برای بهبود پیش‌بینی بهمن‌های برف، سنگ و یخ

توضیح مترجم

امروزه بهمن به یکی از مخاطرات طبیعی اثرگذار در طبیعت تبدیل شده است. چرا که هر روزه مرز بین انسان و طبیعت در حال محو شدن است. در این مقاله علمی سعی نمودم ترجمه صریح و آسان را تقدیم دیدگان شما نمایم. به امید روزی که با آگاهی بیشتر ما و افزایش دانش کوهستان شاهد حوادث کمتر برای انسان ها و همچنین آسیب های کمتر به طبیعت باشیم. ارادتمند شما حافظ صبوری

«برای آشنایی بیشتر با بحث بهمن شناسی می‌تونید مقاله‌ی ما در این زمینه را مطالعه فرمایید.»

• بهمن چیست؟ تعریف، انواع و چگونگی وقوع آن
• عوامل موثر در وقوع بهمن | چرا در کوهستان بهمن رخ می‌دهد؟
• راهنمای جامع نجات از بهمن: از پیشگیری تا عملیات نجات
• بررسی مستعدترین مناطق ایران برای وقوع بهمن؛ از البرز مرتفع تا زاگرس سربه‌فلک‌کشیده
• بهترین دستگاه‌های زنده‌یاب بهمن و نحوه استفاده از آن‌ها
• برنامه ریزی کوهنوردی: راهنمای جامع از صفر تا صد برای طراحی یک صعود ایمن و لذت بخش

مهندسی محیط‌ زیست | پژوهش

یک ابزار شبیه‌سازی سه‌بعدی جدید که توسط پژوهشگران ETH زوریخ و مؤسسه تحقیقات برف و بهمن SLF توسعه یافته است، اکنون امکان پیش‌بینی بسیار دقیق‌تر حرکات توده‌ای کوهستانی پیچیده را فراهم می‌کند و نقش مهمی در مدیریت ریسک کوهستان ایفا خواهد کرد.

خلاصه

• این مدل جدید قادر است جریان، ارتفاع و مسیر حرکت بهمن‌های برف، یخ و سنگ را با دقت بالا پیش‌بینی کند.

• ابزار شبیه‌سازی سه‌بعدی توانایی خود را در حوادث بزرگی مانند رانش زمین در Brienz و بهمن یخی-سنگی Blatten نشان داده است.

• علاوه بر پیش‌بینی دقیق‌تر، این مدل ابزار ارزشمندی برای مدیریت ریسک و تصمیم‌گیری در مناطق کوهستانی به شمار می‌رود.

چرا مدل‌سازی سه‌بعدی ضروری است؟

رخدادهای بزرگ در آلپ سوئیس – به‌ویژه فروپاشی‌های چشمگیر در Brienz و Blatten – نشان داد که مدل‌های کلاسیک دوبعدی برای شرایط پیچیده کافی نیستند. بهمن‌های ترکیبی (سنگ، یخ و برف) اغلب در زمین‌های ناهموار و پرشیب رخ می‌دهند که رفتار جریان در آن‌ها به‌شدت سه‌بعدی است.

پروفسور Johan Gaume از ETH و SLF توضیح می‌دهد:
«مدل‌های دوبعدی میانگین‌گیر عمقی برای تخمین‌های اولیه بسیار مفیدند، اما در زمین‌های پیچیده مانند Blatten دچار محدودیت می‌شوند. این مدل‌ها نمی‌توانند تک‌تک حرکت‌های ذرات را شبیه‌سازی کنند و فقط جریان کلی را تخمین می‌زنند. در حالی که ما نیاز به مدلی داریم که واقعاً بتواند رفتار سه‌بعدی بهمن را بازتولید کند.»

از پژوهش تا شبیه‌سازی واقعی

در سال ۲۰۲۲، Gaume و همکارانش مقاله‌ای کلیدی منتشر کردند با عنوان Towards a Predictive Model for Alpine Mass Movements and Process Cascades. در آن مقاله، یک ابزار شبیه‌سازی سه‌بعدی نوین معرفی شد که توانست رخدادهایی چون:

• بهمن یخی-سنگی Piz Cengalo (۲۰۱۷)

• بهمن برف-سنگ Flüela Wisshorn (۲۰۱۹)

• رانش زمین Vajont در ایتالیا (۱۹۶۳) و سیل ناشی از آن

• بهمن یخ-برف Whymper (۲۰۲۰)

را به‌طور واقعی بازسازی کند.

اما همه این شبیه‌سازی‌ها پس از رخداد انجام شدند و هنوز نمی‌شد آن را به‌عنوان یک ابزار پیش‌بینی تمام‌عیار معرفی کرد.

آزمون واقعی: رانش Brienz

در سال ۲۰۲۳، روستای Brienz به دلیل خطر سقوط کوهستان تخلیه شد. این فرصت مهمی برای آزمودن مدل جدید فراهم کرد. پژوهشگران شبیه‌سازی‌هایی انجام دادند بدون اینکه پارامترها را به‌طور خاص برای این رویداد تنظیم کنند (blind simulation).

نتیجه؟ مدل پیش‌بینی کرد که رانش تنها چند ده متر قبل از خانه‌های روستا متوقف خواهد شد – و همین اتفاق در واقعیت هم رخ داد. این نخستین اثبات قدرت پیش‌بینی واقعی مدل بود.

شبیه‌سازی رانش زمین Brienz در سال ۲۰۲۳ با استفاده از مدل‌سازی سه‌بعدی بهمن و حرکات توده‌ای کوهستانی

بحران Blatten: یک آزمون پیچیده‌تر

در سال ۲۰۲۵، روستای Blatten با خطر بهمن یخی-سنگی عظیم روبه‌رو شد. این بار شرایط حتی پیچیده‌تر بود: ترکیب سنگ و یخ، زمین بسیار پرشیب و ناهموار. پژوهشگران بدون سفارش رسمی، برای آزمایش دوباره مدل، شبیه‌سازی‌هایی آغاز کردند.

آن‌ها برآورد کردند که حجم ریزش حدود ۱۰ میلیون متر مکعب است (۳–۵ میلیون متر مکعب سنگ + ۵ میلیون متر مکعب یخ). نتایج پس از رخداد واقعی نشان داد این تخمین بسیار دقیق بوده است: حدود ۹.۳ میلیون متر مکعب.

ضریب اصطکاک (معرف مقاومت زمین در برابر لغزش) در مدل روی ۰.۲ تنظیم شد. این مقدار با توجه به رخدادهای مشابه گذشته انتخاب شده بود. بعدها مشخص شد اگر مقدار کمی بالاتر (۰.۲۳) استفاده می‌شد، تطابق حتی بیشتر می‌شد.

شبیه‌سازی دیجیتال بهمن یخی-سنگی در کوهستان‌های آلپ با ابزار سه‌بعدی ETH و SLF

ویژگی‌های منحصربه‌فرد مدل سه‌بعدی

• شوک‌ویو و پرتاب ذرات: برخلاف مدل‌های کلاسیک دوبعدی، این مدل توانست پدیده پرتاب توده‌ها به هوا (shockwave) را بازتولید کند. در Blatten، ذراتی تا ارتفاع بیش از ۱۰۰ متر پرتاب شدند.

• دقت در پیش‌بینی مسیر: مدل نشان داد که توده فرو ریخته تا ۱.۲ کیلومتر در سمت جنوب‌غربی و ۷۰۰ متر در سمت شمال‌شرقی valley پیشروی خواهد کرد – و این دقیقاً مطابق با واقعیت بود.

• شبیه‌سازی فازهای هوایی: در مدل دوبعدی فرض می‌شود که جریان همیشه در تماس با زمین است، اما مدل سه‌بعدی اجازه می‌دهد ذرات از سطح جدا شوند و فاز پروازی ایجاد شود.

نمودار نشان‌دهنده ارتباط حجم بهمن‌های برف، سنگ و یخ با ضریب اصطکاک زمین در مدل‌سازی سه‌بعدی

اهمیت برای مدیریت ریسک

این مدل یک ابزار مکمل برای مدل‌های دوبعدی محسوب می‌شود. در شرایط ساده‌تر، مدل‌های سنتی کافی هستند، اما در زمین‌های پیچیده و پرشیب، مدل سه‌بعدی امکان پیش‌بینی دقیق‌تری از:

• مسیر حرکت بهمن

• ارتفاع و سرعت جریان

• نواحی برخورد و خسارت احتمالی

را فراهم می‌کند.

این پیش‌بینی‌ها به مقامات محلی، سازمان‌های امدادی و مهندسان امکان می‌دهد تصمیم‌های آگاهانه‌تر بگیرند و اقدامات حفاظتی مناسب‌تری طراحی کنند.

بُعد انسانی ماجرا

در فروپاشی یخچال Blatten، یک نفر جان خود را از دست داد و بخش بزرگی از روستا نابود شد. پژوهشگران ETH و SLF تأکید می‌کنند که هدف آن‌ها فقط توسعه ابزار علمی نیست، بلکه کاهش خسارات انسانی و اقتصادی در آینده است.

پروفسور Gaume می‌گوید:
«دیدن اینکه شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند روستا ممکن است نابود شود، برای ما بسیار سنگین و غیرواقعی به نظر می‌رسید. اما در نهایت، همین نتایج نشان دادند که مدل می‌تواند جان انسان‌ها را نجات دهد.»

جمع‌بندی

پژوهشگران ETH و SLF با توسعه مدل‌سازی سه‌بعدی بهمن گام بزرگی به سوی پیش‌بینی دقیق‌تر حرکات توده‌ای کوهستانی برداشته‌اند. این ابزار:

• درک ما از بهمن‌های برفی، سنگی و یخی را عمیق‌تر می‌کند.

• امکان پیش‌بینی و هشدار زودهنگام را فراهم می‌سازد.

• می‌تواند به کاهش خسارت‌های انسانی و اقتصادی کمک کند.

به‌طور خلاصه، این شبیه‌سازی‌ها آینده مدیریت ریسک کوهستان را دگرگون خواهند کرد.

سوالات متداول (FAQ)

۱. مدل‌سازی سه‌بعدی بهمن چیست؟
مدل‌سازی سه‌بعدی بهمن یک روش نوین شبیه‌سازی حرکات توده‌ای کوهستانی است که رفتار جریان برف، یخ و سنگ را در زمین‌های پیچیده بازسازی می‌کند.

۲. چه تفاوتی با مدل‌های دوبعدی دارد؟
مدل‌های دوبعدی فقط جریان سطحی را میانگین می‌گیرند، در حالی که مدل سه‌بعدی می‌تواند پدیده‌هایی مانند پرتاب ذرات به هوا و اثرات شوک‌ویو را نیز شبیه‌سازی کند.

۳. این مدل در کجا آزمایش شده است؟
این ابزار در رخدادهای بزرگی مانند رانش زمین Brienz و بهمن یخی-سنگی Blatten در سوئیس با دقت بالا عملکرد خود را ثابت کرده است.

۴. چرا مدل‌سازی سه‌بعدی برای مدیریت ریسک مهم است؟
زیرا با پیش‌بینی دقیق‌تر مسیر، سرعت و حجم بهمن، به مسئولان و امدادگران کمک می‌کند تا تصمیم‌های بهتری برای حفاظت از جان و مال مردم بگیرند.

۵. آیا این مدل جایگزین کامل مدل‌های دوبعدی خواهد شد؟
خیر، این مدل یک ابزار مکمل است و در شرایط پیچیده و زمین‌های پرشیب دقت بیشتری ارائه می‌دهد.

📌 منابع:

• ETH Zurich & SLF (2022–۲۰۲۵)

• Engineering Geology, Vol. 310 (2022)

• Journal of Fluid Mechanics (2024)

• Cicoira, A, Blatny, L, Li, X, Trottet, B, Gaume, J. (۲۰۲۲). Towards a predictive multi-phase model for alpine mass movements and process cascades. Engineering Geology, Vol. 310. DOI: ۱۰.۱۰۱۶/j.enggeo.2022.106866

• Blatny, L, Gray, J.M.N.T, Gaume, J. (۲۰۲۴). A critical state μ(I)-rheology model for cohesive granular flows. Journal of Fluid Mechanics, 997: A67. DOI: ۱۰.۱۰۱۷/jfm.2024.643

• ETH Zurich / WSL-Institute SLF (۲۰۲۵). 3D simulation tool for alpine mass movements. ETH News و slf.ch