Ein GIS-Simulationsmodell für Granulat- und Schuttströme

Granulat- und Schuttströme führen in vielen Gebirgsregionen weltweit regelmäßig zu Zerstörungen. Schneelawinen, Fels- oder Fels-Eis-Lawinen, Muren, Lahare oder pyroklastische Ströme sind nur einige Beispiele für derartige Prozesse. Ein angemessener Umgang mit den damit verbundenen Risiken erfordert eine detaillierte und zuverlässige Analyse der diesen Phänomenen zu Grunde liegenden Mechanismen. Zwar wurde dieses Thema in der Vergangenheit schon ausführlich bearbeitet und existiert eine Reihe einschlägiger physikalisch basierter Modelle, jedoch bleiben bis dato einige Probleme ungelöst: (1) das Fließen über natürliches (beliebig geformtes) Gelände und der Einfluss des viskosen Porenfluids bzw. die Modellierung der Bewegung als Zweiphasenströmung, sowie die Aufnahme von festem und/oder flüssigem Material wurden bisher nicht angemessen behandelt; (2) es existiert zum gegenwärtigen Zeitpunkt keine benutzerfreundliche, frei verfügbare Software, die zur Simulation solcher Phänomene in ihrer vollen Komplexität geeignet ist. Eine derartige Software könnte jedoch entscheidend dazu beitragen, die Modelle für einen breiteren Anwenderkreis an Universitäten und im öffentlichen Dienst zugänglich zu machen. Der vorliegende Antrag zeigt einen effektiven, innovativen und vereinheitlichten Weg für die Lösung dieser beiden Probleme auf. Er beschäftigt sich deshalb mit schnellen geophysikalischen Massenbewegungen wie Lawinen und echten zweiphasigen Schuttströmen von einem genau definierten Anrissgebiet entlang des Fließweges über natürliches Gebirgsgelände bis zum Ablagerungsgebiet. Für eine in ihrem Volumen und in ihrer Verteilung definierte Masse im Anrissgebiet sollen die Bewegung und die geometrische Deformation entlang des beliebig geformten Fließweges simuliert werden. Diese Simulation soll die Aufnahme und Ablagerung von festem Material einerseits und Fluiden andererseits entlang des Fließweges sowie die endgültige Verteilung der abgelagerten Masse einschließen. Die Modellierung wird ebenfalls die Effekte des sich dynamisch entwickelnden Porenfluiddrucks und/oder der zeitlichen Entwicklung der Mischungsverhältnisse der Feststoffe und Fluide inkludieren. Ein ebenso wichtiger Schwerpunkt soll auf die Entwicklung einer benutzerfreundlichen und frei verfügbaren Anwendungssoftware des entwickelten Modells gelegt werden. Dafür soll die GIS Software GRASS genutzt werden, die als Open Source Produkt unter der GNU General Public License verfügbar ist. Die neue Software soll mit physikalischen Modellen (Laborversuchen) sowie mit gut dokumentierten Massenbewegungen evaluiert werden. Hierbei sollen verschiedenste durch das Modell abbildbare Prozesse und Prozessketten wie Muren bzw. Schuttströme, Schuttlawinen und Schnee- oder Felslawinen betrachtet werden.

Das Projekt avaflow beschäftigte sich mit der Entwicklung eines neuartigen Simulationswerkszeuges (r.avaflow) für die Bewegung von Muren, Schneelawinen, Felslawinen, und aus mehreren dieser Komponenten bestehenden Prozessketten. Dieses Werkzeug ist frei verfügbar, der Code ist einsehbar (open source), und ist in unterschiedlichen Versionen durch die Kommandozeile, sowie mit einer grafischen Benutzeroberfläche bedienbar. Die wesentliche Innovation besteht darin, dass ein Zwei-Phasen-Modell verwendet wird: der flüssige und der feste Anteil, wie Wasser oder Gesteinsmassen mit ihren Wechselwirkungen und den entsprechenden Materialeigenschaften, werden direkt modelliert. Dadurch lassen sich z.B. die Effekte einer Felslawine auf einen See simulieren (Flutwelle, evtl. Überströmen und Erodieren des Dammes). Während die Entwicklung und Optimierung der mathematisch-physikalischen Modellgrundlagen und entsprechende Laborversuche v.a. von den deutschen Projektpartnern umgesetzt wurde, bestand der österreichische Projektteil einerseits in der Übersetzung der entsprechenden Gleichungssystems in ein Computermodell, das eng gekoppelt an ein Geographisches Informationssystem (GIS) arbeitet um die entsprechenden Geländedaten zu verarbeiten. Ein weiterer in Österreich umgesetzter Schwerpunkt bestand in der Erhebung von Daten zu gut dokumentierten Muren, Schnee- und Felslawinen und Prozessketten, um damit die Gültigkeit der Modellergebnisse sowie die Empfindlichkeit der Ergebnisse gegenüber der Änderung von Eingangsparametern analysieren zu können. Die beobachteten Bewegungs- und Ablagerungsmuster konnten im Allgemeinen mit r.avaflow gut nachgebildet werden. Allerdings mussten zu diesem Zweck, wie auch bei anderen Modellen, die Eingangsparameter angepasst werden. Dies bedeutet, dass für die Vorhersage zukünftiger Ereignisse zunächst viele gut dokumentierte Ereignisse eines bestimmten Typs (z.B. Mure) rückgerechnet werden müssen, um auf diese Art robuste Parametersätze für Vorwärtsrechnungen zu erhalten. Im Zuge des avaflow-Projekts wurden automatisierte Verfahren entwickelt, die derartige Rückrechnungen erleichtern sollen. Dies ist insofern bedeutend, als gute Vorhersagen sehr wichtig für die Ausweisung von Gefahrenzonen sowie für die Planung von Schutzmaßnahmen (Verbauungen, Strategien zur Evakuierung) sind, und so maßgeblich zu einem sichereren Lebensraum im Gebirge beitragen können. Detailliertere Informationen zu r.avaflow sowie die Modellcodes und Testbeispiele finden Sie auf http://www.avaflow.org.