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Modellierung der Reichweite von Felsstürzen

Fallbeispiele zur GIS-gestützten Gefahrenbeurteilung aus dem Bayerischen und Tiroler Alpenraum

»Kurzfassung«

Innsbrucker Geographische Studien Band 28


Geographische Informationssysteme ermöglichen die Bearbeitung großer Mengen geographischer Daten (bestehend aus Lage- und Sachinformation) mit einem nachvollziehbaren und wiederholbaren Verfahren bei abschätzbarem Zeitaufwand. Sie eröffnen daher zahlreiche neue Möglichkeiten bei der Erstellung von Gefahrenhinweiskarten im regionalen Maßstab, bei der in größeren Gebieten (Kartenblatt, Bezirk, Landkreis) eine erste Abgrenzung von durch Naturgefahren bedrohten Bereichen durchgeführt werden soll. Die vorliegende Arbeit widmet sich einem Teilbereich dieses Themenkreises, nämlich der Untersuchung der Gefahr durch Felsstürze. Im Mittelpunkt steht dabei die Entwicklung von Modellen zur Berechnung ihrer Reichweite. Unter einem Felssturz wird der Sturz einer Felsmasse verstanden, die in einzelne Blöcke zerbrechen kann, wobei keine oder nur geringe Interaktion zwischen den Komponenten der Sturzmasse auftritt.

Da für größere Gebiete selten detaillierte Informationen (beispielsweise bezüglich der Oberflächenrauhigkeit des Sturzhanges und der Größe der abstürzenden Blöcke) zur Verfügung stehen, dürfen Modellansätze im regionalen Maßstab nur allgemein verfügbare Input-Daten erfordern. Im vorliegenden Fall wurden nur Reliefinformation (Digitales Geländemodell) sowie die Lage der Felssturzabbruchgebiete und der umgebenden Steilwandbereiche berücksichtigt.

Es wurden drei Felssturz-Modellversionen entwickelt, die aus den beiden ineinander greifenden Komponenten Trajektorienmodell (zur Bestimmung der Sturzbahn) und Reibungsmodell (zur Ermittlung der Reichweite) bestehen.

Den Kern des Trajektorienmodells, das in allen drei Modellversionen sehr ähnlich aufgebaut ist, bildet das Verfahren zur Bestimmung der Fallinie. Da die bisher üblichen Methoden zur Ermittlung der Fallinie für Rasterdaten entweder mit großen systematischen, von der Exposition des Sturzhanges abhängigen Fehlern behaftet sind oder sich für Anwendungen in größeren Gebieten zu speicherplatz- und zeitaufwendig gestalten, wurde ein neues Verfahren (Methode D16) entwickelt, das eine einfache und rasche Bestimmung der Fallinie bei stark verringertem Fehlerausmaß ermöglicht.

Das Reibungsmodell liefert eine Abbruchbedingung, bei deren Erfüllung die Berechnung der Sturzvorgänge, die entlang der mittels des Trajektorienmodells bestimmten Sturzbahnen erfolgt, beendet wird. Dazu wurden zwei unterschiedliche Ansätze gewählt:

  1. Die Berechnung endet, wenn der Winkel, den die Verbindungsgerade zwischen dem gerade betrachteten Punkt und dem oberen Rand des Abbruchgebietes bzw. dem Wandfuß einschließt, einen bestimmten, festgelegten Wert unterschreitet (Modelle "Geometrisches Gefälle" und "Schattenwinkel").

  2. Die Berechnung endet, wenn die Sturzgeschwindigkeit den Wert 0 annimmt (Modell "Sturzgeschwindigkeit").

Ad 1) Die theoretische Grundlage dieses Ansatzes bildet die schon in früheren Arbeiten getroffene Feststellung, daß vertikaler und horizontaler Versatz der Sturzmasse in einem charakteristischen Verhältnis zueinander stehen. Daher stellt die Messung der Neigung jener Geraden, die das Abbruchgebiet mit dem Ablagerungsgebiet verbindet, ein Verfahren dar, mit dem einfach und rasch, basierend auf den genannten, beschränkten Eingangsinformationen, ein Überblick über mögliche Gefahrenbereiche gewonnen werden kann. Je nach Lage der Verbindungsgeraden können unterschiedliche Neigungswinkel bestimmt werden, die das Verhältnis von vertikalem und horizontalem Versatz beschreiben.

Um die zugehörigen Wertebereiche abgrenzen zu können, wurden im Untersuchungsgebiet, in den westlichen bayerischen und angrenzenden österreichischen Alpen (Allgäuer Alpen, Ammergebirge, Tannheimer Berge, Wettersteingebirge), 48 Felssturzbereiche bearbeitet und, wo möglich, vier verschiedene Winkel bestimmt: Der dabei gemessene, minimale Winkel betrug (ohne Berücksichtigung von Sonderfällen) 29,5° für das geometrische Gefälle, 29° für die Fahrböschung, 26° für den Schattenwinkel und 25° für die mittlere Neigung des Ablagerungsgebietes. Die Werte für die genannten Winkel waren jedoch in den verschiedenen Felssturzgebieten relativ stark gestreut.

Die beiden einfacher zu ermittelnden Winkel, geometrisches Gefälle und Schattenwinkel, wurden in der Folge als Abbruchbedingung in den Felssturzmodellen "Geometrisches Gefälle" und "Schattenwinkel" implementiert. Die anhand von acht Sturzbereichen im Untersuchungsgebiet durchgeführten Kalibrierungsarbeiten ergaben, daß für das Modell "Geometrisches Gefälle" kein allgemein gültiger Wert für den Winkel gefunden werden konnte (der oben genannte Wert von 29,5° führte zu einer erheblichen Überschätzung der Sturzreichweite) und das Modell in seiner vorliegenden Version zur Abgrenzung von Sturzgebieten daher nicht geeignet ist.

Gute Erfahrungen konnten hingegen mit dem Modell "Schattenwinkel" gemacht werden. Wählt man für den Schattenwinkel 31,5°, wie die Kalibrierung ergab, so stimmen die realen mit den modellierten Sturzgebieten in vielen Fällen gut überein. Das Modell gewährleistet eine rasche Abgrenzung der Sturzbereiche bei kleinen Abbruchgebieten; bei der Bearbeitung größerer Datenmengen treten jedoch technische Probleme auf.

Ad 2) Ein anderer, auf einfachen Formeln zur Berechnung der Sturzgeschwindigkeit basierender Ansatz wurde für das Modell "Sturzgeschwindigkeit" gewählt: Die Berechnung des Sturzprozesses entlang der Sturzbahnen wird abgebrochen, wenn die Geschwindigkeit der Sturzmasse den Wert 0 annimmt. Obwohl im Gegensatz zu den beiden anderen Modellversionen im Modell "Sturzgeschwindigkeit" die Hangneigung, die großen Einfluß auf die Sturzreichweite hat, berücksichtigt wird, unterscheiden sich die Modellergebnisse nur geringfügig von den mit dem Modell "Schattenwinkel" erzielten Resultaten. Die aufgrund des etwas komplizierteren Verfahrens längeren Rechenzeiten zeigen somit nur wenig Nutzen. Das Modell "Sturzgeschwindigkeit" gewährleistet jedoch eine problemlose Verarbeitung auch größerer Datenmengen.

Zur Anwendung der Modelle "Sturzgeschwindigkeit" und "Schattenwinkel" bedarf es Digitaler Geländemodelle: Günstig ist die Verwendung von Digitalen Geländemodellen mit einer Maschenweite von zehn Metern, jedoch konnten auch mit den im Untersuchungsgebiet flächendeckend erhältlichen Digitalen Geländemodellen des Bayerischen Landesvermessungsamtes bzw. des österreichischen Bundesamtes für Eich- und Vermessungswesen mit Maschenweiten von 25 und 50 Metern zufriedenstellende Ergebnisse gewonnen werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden somit nach einer ausführlichen Diskussion des Prozesses Felssturz zwei Modelle entwickelt, die eine einfache und rasche Erstellung von Gefahrenhinweiskarten für Sturzbereiche ermöglichen. Das als Programmierumgebung herangezogene Geographische Informationssystem Arclnfo erwies sich dabei als Hilfsmittel mit ausreichender Funktionalität, das zudem zahlreiche Möglichkeiten zur Weiterverarbeitung der Daten eröffnet.

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