Analyse von Murengeschwindigkeiten aufgrund Kurvenüberhöhung

Weltweit stellen natürliche gravitative Massenverlagerungsprozesse wie Murgänge eine Bedrohung für den menschlichen Lebensraum dar. Vor allem in dicht besiedelten Gebirgstälern besteht oft die Herausforderung ein Gleichwicht zwischen räumlicher Entwicklung (Ökonomie, Ökologie, Tourismus) und potentieller Gefahrenquelle (Schutzbedürfnis) zu finden. Die Herangehensweise solch eines integralen Risikomanagements bedingt jedoch neben der Expositionsanalyse eine fundierte Kenntnis der potentiellen Naturgefahr. Für Murgänge gilt die Ermittlung der dynamischen Prozessparameter, wie Fließhöhe, Fließgeschwindigkeit oder der Maximalabfluss, als wesentlich. Oft lässt sich erst aufgrund dieser Parameter eine genauere Aussage über die Mobilität aber auch den damit verbundenen Gefährdungsgrad eines Murganges angeben. Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Bestimmung dynamischer Fließparameter von Murgängen und wird an der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) in der Schweiz durchgeführt. Da Spuren im Gelände wichtige Informationen über das Fließverhalten von Murgängen liefern, liegt der Schwerpunkt des Projektes auf der Ermittlung der maximalen Fließgeschwindigkeiten aufgrund sichtbarer Kurvenüberhöhungen im Gerinne. Solch eine Kurvenüberhöhung zeigt sich in gekrümmten Gerinneabschnitten, wenn aufgrund der zentrifugalen Beschleunigung der bewegten Masse die Fließhöhe der Innenkurve geringer ist als die Fließhöhe der Außenkurve. Für das Forschungsvorhaben wird ein skaliertes physikalisches Modell (Murgangsrinne) im Labor der Gastinstitution (WSL) erstellt. Um der Komplexität eines Murganges Rechnung zu tragen werden Materialmischungen und Wasser-Feststoffanteile für die Laborversuche variiert. Durch Änderung der geometrischen Rahmenbedingungen des Labormodells (Neigungen, Kurvenradien und Kurvenlängen) soll eine große Bandbreite an natürlichen topographischen Gegebenheiten abdeckt werden. Die Resultate der Laborexperimente werden anschließend mit den Fliessparametern von beobachteten Murgängen in bestehenden Feldforschungsstationen in Österreich, der Schweiz und Spanien verglichen, und zum Testen bestehender Gleichungen zur Ermittlung der maximalen Fließgeschwindigkeit aufgrund von Kurvenüberhöhungen verwendet. Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist eine detaillierte Analyse von beobachteten Murgängen (im Feld und Labor) mit den entsprechenden Kurvenüberhöhungen. Von den Ergebnissen dieses Projektes wird eine Verbesserung der Methodik zur Erhebung von Fließparametern im Gelände erwartet. Weiters sollen die Resultate zu präziseren Eingangsparametern von dynamischen Simulationsmodellen zur Bestimmung der Reichweiten und Anprallkräften von Murgängen beitragen. Die im Zuge dieses Projektes gemachten Erfahrungen sollen weiters Mithelfen die erforderliche Kompetenz für die physikalische Modellierung von Murgängen im Labor des Instituts für Alpine Naturgefahren der Universität für Bodenkultur zu stärken. Die gesamte Projektzeit beläuft sich auf 18 Monate und wird von Dr. Dieter Rickenmann sowie Dr. Brian McArdell betreut.

Ein risikobasierter Umgang mit Naturgefahren bedingt eine fundierte Kenntnis des potentiell gefährlichen Prozesses. Für Murgänge gilt die Ermittlung der dynamischen Prozessparameter, wie Fließhöhe, Fließgeschwindigkeit oder der Maximalabfluss als wesentlich, da sie helfen eine genauere Aussage über die Mobilität und den damit verbundenen Gefährdungsgrad eines Murganges anzugeben. Eine Möglichkeit zur Bestimmung von dynamischen Fließparametern liefern Spuren im Gelände (sogenannte stumme Zeugen) welche von bereits abgegangenen Murgängen zeugen. Wichtige Informationen über maximale Fließgeschwindigkeiten können beispielsweise aufgrund sichtbarer Kurvenüberhöhungen im Gerinne abgeleitet werden. Solch eine Kurvenüberhöhung zeigt sich in gekrümmten Gerinneabschnitten, wenn aufgrund der zentrifugalen Beschleunigung der bewegten Masse die Fließhöhe der Innenkurve geringer ist. Ziel dieses Projektes ist es, das Phänomen der Kurvenüberhöhung in Experimenten nachzustellen. Das physikalische Modell ist daher einer Rutsche ähnlich, bestehend aus einem Startbehälter und einer Messstrecke in der das Material abfließt. Der Startbehälter, sinngemäß am oberen Ende der Rutsche, enthält das Murgangsmaterial, welches infolge der Schwerkraft nach Öffnen des Behälters durch die Messstrecke fließt. Die Messstrecke besteht aus einem halbkreisförmigen Rohr mit einem Durchmesser von 0.17 m und hat eine Länge von 9 m. Im Sinne der Aufgabenstellung des Projektes weist die Messstrecke zwei Kurven auf - mit Radien von 1.5 m (obere Kurve) bzw. 1.0 m (untere Kurve). Um der Komplexität eines Murganges Rechnung zu tragen, werden Materialmischungen (Feststoffe und Wasser) für die Laborversuche variiert. Durch Änderung der geometrischen Rahmenbedingungen des Labormodells (Neigungen, Kurvenradien und Kurvenlängen) soll eine große Bandbreite an natürlichen topographischen Gegebenheiten abdeckt werden als die Fließhöhe der Außenkurve. Die Resultate der Laborexperimente wurden zum Testen einer in der Praxis oft angewandten Gleichungen zur Ermittlung der maximalen Fließgeschwindigkeit verwendet. Diese Gleichung basiert auf physikalischen Gesetzen und wurde für die Anwendung zur Bestimmung von Wassergeschwindigkeiten aufgrund Kurvenüberhöhung entwickelt und getestet. Die Experimente zeigen verblüffende Resultate bei Anwendung dieser Gleichung für Murgänge. Die zu beobachtende Überhöhung von Murgängen, verhält sich nicht wie die aufgrund der Gleichung vorgegebenen Bedingungen für typische Murgangsgeschwindigkeiten. Es scheint als ob, je nach Fließgeschwindigkeiten, die physikalischen Zusammenhänge differenzierter beschrieben werden müssen, und dies nicht mit einer einzigen Gleichung möglich ist. Ergebnisse unserer Experimente sind daher Vorschläge adaptierter Gleichungen für verschiedene Bandbreiten von Fließgeschwindigkeiten.