Analyse der Felslawinen Frank Slide und Vals mit Hilfe des Computercodes r.avaflow

Abstract

Die Masterarbeit beschäftigt sich mit der numerischen Modellierung von Felsstürzen und Felslawinen mit Hilfe der Software „r.avaflow“. Eine möglichst genaue Modellierung der Ausbreitung schneller gravitativer Massenbewegungen (Massenströmen) wie Felslawinen mithilfe numerischer Rechenverfahren ist bei der Bestimmung der von diesen Prozessen ausgehenden Gefahr und des Risikos für Infrastruktur und Menschenleben von großer Bedeutung. Zur Zeit gibt es zwei unterschiedliche Ansätze zur Berechnung solcher Massenbewegungen: zum einen stehen kontinuumsmechanische bzw. flüssigkeitsäquivalente Berechnungsverfahren (hierzu zählen beispielsweise DAN, RAMMS, r.avaflow) und zum anderen diskontinuumsmechanische Berechnungsverfahren (zum Beispiel das DEM-Verfahren) zur Verfügung. Die meisten Fallstudien sowie Rückrechnungen basieren auf kontinuumsmechanischen Ansätzen unter Anwendung der Voellmy Rheologie zur Beschreibung des Bewegungsprozesses. Für diese Kombination existieren Vorhersageparameter zur Abschätzung der Reichweiten von Massenströmen. r.avaflow wurde im Rahmen eines durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Österreichischen Forschungsfond (FWF) geförderten Forschungsprojekts entwickelt und ist ein neuer umfassender kontinuumsmechanischer Ansatz, der eine automatisierte Methode zur Rückrechnung von Ereignissen und der Evaluation der Berechnungsergebnisse anhand von Beurteilungskennwerten beinhaltet. r.avaflow kann im Zuge des Berechnungsvorgangs entweder die Voellmy-Salm Rheologie oder das Zweiphasen-Massenstrommodell nach Pudasaini anwenden. Zur Bewertung der erreichten Modellgenauigkeit werden unter anderem Indizes wie True Postive, True Negative, CSI (Critical Success Index) und AUROC (Area under ROC curve), die vorwiegend bei der Analyse statistischer Verteilungen eingesetzt werden, verwendet. Ziel der Arbeit ist erstens zu evaluieren, inwiefern es möglich ist, mit r.avaflow und der inkludierten Voellmy-Salm Rheologie Felsstürze und Felslawinen zu reproduzieren und zweitens, inwieweit die Berechnungsergebnisse mit den Ergebnissen des kontinuumsmechanischen Ansatzes DAN und der Voellmy Rheologie übereinstimmen. Zu diesem Zweck wurden zwei ausgezeichnet dokumentierte Ereignisse, die Felslawine „Frank Slide“ (Alberta, Kanada, 1903) sowie der Felssturz „Vals“ (Valsertal, Tirol, 2017), rückgerechnet und mit DAN verglichen. Im Zuge der Fallstudie Frank Slide konnte zwischen Simulation und der Aufzeichnung der Ablagerungen des Ereignisses eine sehr große Übereinstimmung erzielt werden. Eine Rückrechnung des Bergsturzes mit den Voellymparametern b = 6,5 und = 580 m/s2 erzielte hierbei die besten Ergebnisse. Im Zuge der Analyse der modellierten Ablagerungen konnte festgestellt werden, dass die Reichweite verglichen mit den Beobachtungen etwas unterschätzt und die seitliche Ausbreitung leicht überschätzt wurde. Die hohe erreichte Genauigkeit des r.avaflow-Modells mit Voellmy-Salm Rheologie spiegelte sich unter anderem in den Kennwerten CSI und AUROC wider. Der Felssturz Vals weist im Vergleich zur Felslawine Frank Slide eine deutlich kleinere Dimension hinsichtlich des untersuchten Bereiches, des Sturzvolumens und der Höhenunterschiede auf. Deshalb wurde der Einfluss der Auflösung des digitalen Höhenmodells in Z-Richtung auf die Berechnungsergebnisse untersucht werden. Zu diesem Zweck wurden bei der Rückrechnung zwei unterschiedliche Höhenmodelle der basalen Topographie verwendet: in einer ersten Modellvariante wurde das zur Verfügung gestellte Höhenmodell mit einer Auflösung von 1 m in Z-Richtung, in einer zweiten Modellvariante ein durch das Verfahren der Interpolation geglättetes Höhenmodell verwendet. Die Untersuchungsergebnisse der Fallstudie Vals lieferten in beiden Modellvarianten 4 nur eine geringe Übereinstimmung der simulierten mit den beobachteten Ablagerungen. Zudem unterschieden sich die beiden Modellvarianten jeweils stark in den Voellmyparametern, mit denen die beste Übereinstimmung erreicht wurde. Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen legen nahe, dass r.avaflow gut geeignet ist, um große Felslawinen wie den Frank Slide rückzurechnen. Bei kleineren Abbruchvolumen, wie dies beim Felssturz Vals der Fall ist, sind die Ergebnisse hinsichtlich der rückgerechneten Voellmyparameter sowie der modellierten Ablagerungen hingegen nicht eindeutig. Mit DAN ermittelte Vorhersageparameter gleicher Rheologie sind nur bedingt als Eingangsparameter für die Kalibrierung des Modells in r.avaflow nutzbar.

valanche "Frank Slide" (Alberta, Canada, 1903) and the rockfall "Vals" (Valsertal, Tyrol, 2017), are back-calculated and compared with DAN. In the course of the case study Frank Slide, a very close match could be achieved between simulation and the observations of the deposits of the event. A recalculation of the landslide with the parameters of the Voellmy-Salm rheology b = 6,5 und = 580 m/s2 gives the best results. In the course of the analysis of the modeled deposits, it can be stated that the runout distance was somewhat underestimated compared to observations and the lateral spread was slightly overestimated. The high accuracy of the r.avaflow model with Voellmy-Salm rheology is reflected in the characteristics CSI and AUROC. The rockfall Vals has a much smaller dimension in terms of the impacted area, the detached rock volume and the differences in elevation than the rock avalanche Frank Slide. Therefore, the influence of the resolution of the digital elevation model in the Z-direction on the calculation results was investigated. For this purpose, two different elevation models of the basal topography were used for the back-calculation: in a first model variant, the elevation model provided was used with a resolution of 1 m in the Z-direction, in a second model variant a elevation model smoothed by the method of interpolation was used. The results of the case study Vals showed in both model variants only limited agreement of simulation and observation regarding the modeled deposits. In addition, the two model variants each differ in the parameters of the Voellmy-Salm rheology. 6 The results of the investigations carried out suggest that r.avaflow is well suited for the back-calculation of large rock avalanches such as the Frank Slide. For smaller volumes, as in the case Vals, the results with regard to the back-calculated Voellmy parameters and the modeled deposits are not clear. Prediction parameters of the same rheology determined with DAN can only be used to a limited extent as input parameters for the calibration of the model in r.avaflow