Simulation von Abfluss und Sedimenttransport bei Starkregenereignissen im Oberen Mittelrheintal

Das Obere Mittelrheintal ist in den vergangenen Jahren mehrfach von Murgängen in Folge von Starkregenereignissen betroffen gewesen. Dadurch ereigneten sich immer wieder Zugunfälle mit weitreichenden Schäden. Es besteht daher ein Bedarf einer vorsorgenden Gefahrenanalyse, um weitere Sach- und ggf. auch Personenschäden nach Möglichkeit zu verhindern. Der hier vorgestellte Forschungsansatz hatte die Ausweisung unterschiedlicher Gefahrenzonen für Murenabgänge am Mittelrheintal zur Priorisierung ortsbezogener Vorsorgemaßnahmen zum Ziel. Weiter wurde die Wirksamkeit verschiedener Vorsorgemaßnahmen geprüft. Zur Erreichung der genannten Ziele wurden numerische Simulationen des Abflussgeschehens und Sedimenttransports durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass mittels der Module r.sim.water und r.sim.sediment unter der Open Source-Software GRASS GIS die Abflussbedingungen am Beispiel eines konkreten Starkregenereignisses und dadurch ausgelöster Muren in den Simulationen plausibel nachgestellt werden konnten. Dafür war die Implementation von realen Landnutzungs- und Bodendaten in das Modell entscheidend. Die Anwendbarkeit der Programme konnte weiterhin durch verschiedene Vorwärtssimulationen gezeigt werden, bei denen wichtige Parameter der Abflussbildung, wie etwa die Landnutzung und die Topographie, markant verändert wurden. Durch eine Verschneidung der aus den Simulationen errechneten Werte mit einem nach TRSTUVVU (1999) entwickelten Ansatz zur Ermittlung minimalkritischer Abflusswerte für die Entstehung eines Murgangs wurden gefährdete Bereiche für die Auslösung von Muren bei Starkregenereignissen im betrachteten Projektgebiet bestimmt. Diese decken sich mit den tatsächlichen Murgängen und können daher als plausibel eingeschätzt und für eine Gefährdungszonierung verwendet werden.Abstract: In recent years, the Upper Middle Rhine Valley has been affected by several debris flow events as a result of heavy rainfall. As a result, several train accidents with far reaching damage occurred. Therefore there is a need for a precautionary hazard analysis in order to prevent further property damage and possibly personal injury. The here presented research approach is aimed to identify different danger zones for debris flows at the Middle Rhine Valley in order to prioritize location-based precautionary measures. The effectiveness of various preventive measures was also examined. Numerical simulations of the runoff and sediment transport were carried out on an open source basis to achieve the stated goals. Using the modules r.sim.water and r.sim.sediment under GRASS GIS it was possible to plausibly simulate the runoff conditions that triggered of a real double mudflow event following a heavy rainfall. A crucial adaptation was the implementation of real land use and soil data into the model. The applicability of the programs could also be demonstrated by various forward simulations in which important parameters of runoff formation, such as topography, were significantly altered. By overlapping the values that were calculated using simulations with an approach developed according to TRSTUVVU (1999) to determine minimally critical discharge values for the formation of a debris flow, endangered areas for the triggering of mudslides during heavy rain events in the project area could be determined. These coincide with the position of the actual debris flows and can therefore be assessed as plausible and also shows to possibility to be used for hazard zoning.researc

Modellierung der Felssturzgefährdung am Mittelrhein- und Moseltal

Das Mittelrhein- und das Moseltal sind in den letzten Jahren häufig von Steinschlägen und Felsstürzen betroffen gewesen. Durch die geomorphologische Grundsituation sowie die dichte Verkehrsinfrastruktur innerhalb der Täler kommt es in diesem Gebiet immer wieder zu erheblichen Schadensfällen. Diese haben weitreichende wirtschaftliche und infrastrukturelle Folgen, bei denen auch Personenschäden nicht auszuschließen sind. Es besteht daher der konkrete Bedarf einer vorsorgenden Gefahrenanalyse um weitere Schäden nach Möglichkeit zu verhindern und Präventionsmaßnahmen zu realisieren. Der hier vorgestellte Forschungsansatz hat die Ausweisung unterschiedlicher Gefahrenzonen von Steinschlägen und Felsstürzen für die anliegende Infrastruktur innerhalb des Mittelrhein- sowie Moseltals zum Ziel. Dafür wurden auf Basis von hochauflösenden LiDAR-Geländemodellen in die Fläche gerechnete Steinschlagsimulationen mittels der Open Source Software SAGA GIS durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass durch die präzise Ausweisung der Steinschlagquellgebiete mittels Surf-Slope-Index, sowie von Daten zur Vegetation und Geologie konkrete Felssturzereignisse plausibel nachgestellt werden können. Durch die Validierung mittels der Rutschungsdatenbanken von LGB und LBM sowie zahlreichen Groundchecks im Gelände konnten die Modellierungsergebnisse bestätigt und weitere Verbesserungen erzielt werden. Anhand der Verschneidung mit realen Infrastrukturdaten wurden Vulnerabilitätsberechnungen durchgeführt, die eine Gefährdungsabschätzung konkreter Streckenabschnitte der Verkehrsinfrastruktur ermöglicht. Diese decken sich mit den tatsächlich stattgefundenen Schadensfällen und Sicherungsmaßnahmen und können entsprechend als plausibel eingeschätzt und für eine Gefährdungszonierung verwendet werden.Abstract: In recent years the Middle Rhine- and Moselle-valley has often been affected by rockfall- events. Due to the high geogenic exposure as well as the dense traffic infrastructure in the valleys, significant cases of damage with far-reaching economic and infrastructural consequences occurred in this area. Therefore there is a specific need for a precautionary risk analysis in order to prevent further damage and to implement preventive measures. The research approach presented here aims to identify different danger zones for adjacent infrastructure in the valleys. For this purpose, rockfall simulations were calculated using the open source software SAGA GIS on the base of high-resolution LiDAR terrain models. It could be shown that concrete rockfall events were plausibly simulated through the precise identification of the rockfall source areas and further input data like vegetation and geology. Validation using the LGB and LBM landslide databases as well as numerous ground checks allowed the modelling results to be plausible. By intersecting with real infrastructure data, it was possible to carry out risk assessments of specific sections of roads and railway lines. These coincide with the actual cases of damage and safety measures and can therefore be assessed as plausible and used for hazard zoning.researc

Multi-Methodological Investigation of the Biersdorf Hillslope Debris Flow (Rheinland-Pfalz, Germany) Associated to the Torrential Rainfall Event of 14 July 2021

The investigation of mass movements is of major interest in mountain regions as these events represent a significant hazard for people and cause severe damage to crucial infrastructure. The torrential rainfall event that mainly occurred on the 14 July 2021 in western Central Europe not only led to severe flooding catastrophes (e.g., Meuse, Ahr and Erft rivers) but also triggered hundreds of mass movements in the low mountain range. Here, we investigate a hillslope debris flow that occurred in Biersdorf in the Eifel area (Rhenish Massif, Rheinland-Pfalz) using a comprehensive geomorphological–geophysical approach in order to better understand the triggering mechanisms and process dynamics. We combined field studies by means of Electrical Resistivity Tomography (ERT), Direct Push Hydraulic Profiling (HPT) and sediment coring with UAV-generated photogrammetry, as well as debris flow runout modelling. Our results show that for the Biersdorf hillslope debris flow, the geomorphological and geotectonic position played a crucial role. The hillslope debris flow was triggered at a normal fault separating well-draining limestones of the Lower Muschelkalk, from dense weathered clay and sandstones of the Upper Buntsandstein. The combination of a large surface runoff and strong interflow at the sliding surface caused a transformation from an initial translational slide into the high-energy and widespread hillslope debris flow. We further created and validated a stand-alone model of the debris flow on a local scale achieving promising results. The model yields a 97% match to the observed runout area as well as to deposition spreads and heights. Thus, our study provides a pathway for analyzing hillslope debris flows triggered by torrential rainfall events in low mountain ranges. General knowledge on hillslope debris flows, risk assessment and hazard prevention were improved, and results can be transferred to other regions to improve risk assessment and hazard prevention