Bergbaumonitoring im südlichen Ruhrgebiet

Der verantwortungsbewusste Umgang mit alt- und nachbergbaulichen Strukturen umfasst den Aufbau und die Entwicklung eines integrierten Risikomanagementsystems. Daher ist es wichtig, aktuelle Informationen über die bergbaulichen Elemente, ihren Zustand und mögliche Auswirkungen auf die Tagesoberfläche mittels verschiedener Monitoringmethoden zu ermitteln. Die Überwachung mittels Methoden der satellitengestützten Erdbeobachtung generiert Sensordaten, die mit in-situ Datensätzen zu validieren sind. Im Projekt "Gemeinsames Monitoring im Altbergbau" wurden für die Altgesellschaften des Steinkohlenbergbaus im südlichen Ruhrgebiet in einer ersten Projektphase die Elemente des Alt- und Nachbergbaus, die möglichen Ereignisse und die Parameter zur Detektion und die Möglichkeit der Messung der Ereignisse integriert betrachtet. In der aktuell laufenden zweiten Projektphase werden Radardaten des EU-Copernicus Programmes genutzt, um Bodenbewegungen mittels radarinterferometrischer PSI- und DSI-Methoden zu detektieren. Hierbei kommen innovative Methoden zur frühzeitigen Integration der Oberflächennutzung zur Anwendung, um so eine bessere Klassifizierung und Signifikanzanalyse der Bodenbewegung zu erreichen. Der Auswerteprozess wird zusätzlich mit alt- und nachbergbaulichen in-situ Daten angereichert. Das Projekt "Gemeinsames Monitoring im Altbergbau" bietet somit zukünftig die Möglichkeit alt- und nachbergbauliche Fragestellungen im Rahmen eines integrierten Risikomanagementsystems zu beantworten

Gravitative Massenbewegungen an alpinen Felshängen - Quantitative Bedeutung in der Sedimentkaskade proglazialer Geosysteme

Die neuzeitliche Gletscherschmelze im Zuge der aktuellen Klimaveränderungen in alpinen Hochgebirgen führt zur intensivierten Prozessdynamik an den enteisten Hängen. Hinsichtlich der geotechnischen und geomorphologischen Prozesse besteht ein Forschungsbedarf in diesen Gebieten, da flächendeckende und quantitative Daten bezüglich der Prozessintensitäten bisher nur für wenige Untersuchungsgebiete vorliegen. Die Reaktion der Prozessintensitäten auf die dramatischen Umweltveränderungen im Hochgebirge ist für eine erfolgreiche Naturgefahrenanalyse von Bedeutung, da nur so Szenarien für die Entwicklung der neuzeitlich enteisten Regionen erstellt werden können. Aus diesen Überlegungen leitet sich der Forschungsbedarf des DFG-Bündelprojekts 'PROSA' (Hochaufgelöste Messungen der Geomorphodynamik in sich schnell verändernden proglazialen Systemen der Alpen) ab, in dessen Rahmen diese Arbeit angefertigt wurde. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der geotechnischen Analysen und Prozessmessungen an gravitativen Massenbewegungen im oberen Kaunertal (62 km²) präsentiert, das vom schnellen Ausschmelzen des Gepatsch- und des Weißseegletschers betroffen ist. Die untersuchten Prozesse reichen von Bewegungen an Klüften im Zuge von Frostereignissen über Sturzprozesse an steilen Felshängen bis hin zu großvolumigen Felsgleitungen und komplexen Massenbewegungen. Die direkte Bilanzierung der Sturzprozesse erfolgte an sieben Steinschlagsammelnetzen über einen Zeitraum von drei Jahren und vierzehn ‚natürlichen‘ Sedimentfallen. Gravitative Prozesse größeren Volumens wurden mit multitemporalen LiDAR-Messungen quantifiziert. Bewegungsraten an Felsgleitungen und komplexen Massenbewegungen wurden ebenfalls durch LiDAR-Messungen, an insgesamt 1250 m Konvergenzmessstrecken und mit elektrischen Weggebern bestimmt. Gleichzeitig wurde eine detaillierte geologisch-geotechnische Kartierung des Untersuchungsgebiets mit einem Schwerpunkt auf der Disposition der Felsbereiche gegenüber Sturzprozessen durchgeführt. Die höchste Denudationsrate durch Sturzprozesse kleiner Magnitude (100 m³), die zwischen 2006 und 2012 auftraten, betrug der Beitrag aller Sturzprozesse zum Materialtransport im kompletten Untersuchungsgebiet, gemessen in geomorphologischer Arbeit, ca. 62 GJ/a, was einer einzugsgebietsweiten Felswanddenudationsrate von ca. 1,8 mm/a entspricht. Weitere 90 GJ/a wurden durch Stein- und Blockschläge an einem einzigen hochaktiven Felshang freigesetzt. Dieser Hang wird jedoch sowohl räumlich als auch zeitlich als Singularität eingestuft, da die Sturzprozesse dort von der Aktivierung einer Felsgleitung induziert werden. Eine Inventarisierung der größeren Felsgleitungen im Untersuchungsgebiet zeigt, dass diese verstärkt in Gebieten mit hohem relativen Relief auftreten. Ferner sind vor allem neuzeitlich enteiste Hänge betroffen, deren Stabilität durch persistente Großkluftsysteme herabgesetzt wird. Die höchsten Bewegungsraten wurden an der Felsgleitung 'Schwarze Wand', einem neuzeitlich enteisten Felshang, gemessen. Sie betrugen zwischen 2012 und 2014 im Durchschnitt 2 m/a an einer 125.000 m³ umfassenden Felsscholle, die Teil einer größeren Massenbewegungen (ca. 1.100.000 m³) ist. Die geomorphologische Arbeit, die an der kompletten Massenbewegung verrichtet wurde, betrug 9 GJ/a. Die Dynamiken aller anderen Felsgleitungen liegen im Bereich von einigen mm/a bis wenigen cm/a, wodurch ihr direkter quantitativer Beitrag zum Sedimenthaushalt des Einzugsgebiets mit weniger als 0,1 GJ/a gering ist. Die Ergebnisse zeigen, dass Felswanddenudation in den neuzeitlich enteisten Gebieten stark erhöht ist. Im oberen Kaunertal dominieren kleine und mittlere Sturzmagnituden die Felswanddenudation. Dies wird zum einen auf die persistenten Trennflächensysteme zurückgeführt. Zum anderen verursacht der vergleichsweise schnelle, kurzfristige Umweltwandel kurzfristige Anpassungsvorgänge im Felsverband, sodass zurzeit verstärkt kleinere und mittlere Felsinstabilitäten, die eine geringe Responsezeit aufweisen, auftreten.Due to the recent deglaciation of alpine high-mountains, the rock slopes in these regions are prone to enhanced gravitational mass movements like rockfalls and rockslides. The geotechnical responses of steep rock slopes to recent environmental changes are important for natural hazard analysis, but quantitative investigations of magnitudes, frequencies and controlling factors of these processes are scarce. From these considerations the research demand of the DFG-joint project ‘PROSA’ (high resolution measurements of morphodynamics in rapidly changing proglacial systems of the Alps) is deduced. This thesis was conducted in the frame of the PROSA-project and presents the results of the quantitative analysis of mass movements in the upper Kauner valley (62 km²) in Tyrol, Austria, that is affected by rapid deglaciation. The investigated processes range from small-scale movements along joints over low- and mid-magnitude rockfalls, to large rockslides. During three years of field work, direct quantification of mass movements were carried out on seven rockfall collector nets, fourteen natural sediment traps, by electrical crackmeters and tape dilatometer measurements. Large rockfalls and rockslides were accounted by multi-temporal LiDAR data. Furthermore, a GIS-based geologic-geotechnical map of the study area was created. It contains an inventory of all mass movements, their deposits and a susceptibility analysis of the rock slopes regarding rockfalls. The highest rockfall intensity was measured on recently deglaciated rock slopes, that exhibit low rock mass quality. Rock slope back-weathering rates were above 10 mm/a on some of the investigated slope sections. Considerable low back-weathering rates of < 0.1 mm/a were determined on rock slopes, that were already deglaciated throughout the late Pleistocene. Most of the studied rock slopes showed denudation rates between 0.1 and 1 mm/a, however a seasonal range with a maximum during the winter and spring months could be traced. This was attributed to cold climate weathering processes and the mobilization of particles by small avalanches. Larger rockfalls tend to cluster in high-altitude regions, that are affected by recent rapid deglaciation and also rock permafrost. In the next step, catchment-wide sediment yield and rock slope back-weathering by small-magnitude rockfall was estimated by employing a regionalization approach, that combines the direct rockfall measurements and the digital geotechnical map of the rock masses. This was possible because of the strong statistical relationship between back-weathering rate and rock mass properties. As mid- and high-magnitude rockfalls are accounted directly by multitemporal LiDAR data, a rockfall sediment budget of all rockfall magnitudes in the entire study area could be established. According to this approach, rockfall of all magnitudes accounted to 62 GJ/a geomorphic work. This is equivalent to a catchment-wide back-weathering rate of all rock slopes of 1.8 mm/a. The sediment yield is dominated by small- and mid-magnitude rockfalls. Furthermore, a single recently deglaciated rock slope (‘Schwarze Wand’) yielded additional 90 GJ/a during the observation time. However, this extraordinary high value is a singularity in space and time as it is primary induced by large scale rock slide activity. Most of the released rockfall material is routed to the talus slopes or directly to the glaciers. The latter ensures an effective coupling of the rock wall subsystem to other subsystems. An inventory of the complex mass movements showed a spatial concentration of these types of mass movements in areas with high relative relief and rock slopes connected to the shrinking glaciers. The highest process rates of rockslides were determined at the 'Schwarze Wand' rockslide, that is connected to the retreating Gepatsch glacier. Between 2012 and 2014, the average annual displacement was above two meters at the most active part of the rockslide. The entire mass movement is 1100000 m³ large and yielded 9 GJ/a geomorphic work between 2006 and 2014. Slope displacement of the other rockslides and complex mass movement lay around several mm/a to a few cm/a, most of them are even contemporary inactive, so that despite of large volumes, their quantitative importance to the sediment budget of the study area is minor (< 0.1 GJ/a). The results indicate that rock slope back-weathering is significantly enhanced in the proglacial areas. Small- and mid-magnitude dominating the sediment transport on the proglacial slopes, which is attributed to the comparatively short-term environmental changes in proglacial areas that in turn provoke short-term response in the rock masses

Integrating field measurements, a geomorphological map and stochastic modelling to estimate the spatially distributed rockfall sediment budget of the Upper Kaunertal, Austrian Central Alps

The estimation of catchment-scale rockfall rates relies on the regionalisation of local measurements. Here, we propose a new framework for such a regionalisation by the example of a case study in the Upper Kaunertal, Austrian Central Alps (62.5 km2). Measurements of rockfall deposition during 12 months onto six collector nets within the study area were combined with published mean annual rates from the literature, and a probability density function was fitted to these data. A numerical model involving a random walk routing scheme and a one-parameter friction model was used to simulate rockfall trajectories, starting from potential rockfall source areas that were delineated from a digital elevation model. Rockfall rates sampled from the fitted probability density function were assigned to these trajectories in order to model the spatial distribution and to estimate the amount of rockfall deposition. By recording all trajectories as edges of a network of raster cells, and by aggregating the latter to landforms (or landform types) as delineated in a geomorphological map of the study area, rockfall sediment flux from sources to different landforms could be quantified. Specifically, the geomorphic coupling of rockfall sources to storage landforms and the glacial and fluvial sediment cascade was investigated using this network model. The total rockfall contribution to the sediment budget of the Upper Kaunertal is estimated at c. 8000 Mg yr- 1, 16.5 percent of which is delivered to the glaciers, and hence to the proglacial zone. The network approach is favourable, for example because multiple scenarios (involving different probability density functions) can be calculated on the basis of the same set of trajectories, and because deposits can be back-linked to their respective sources. While the methodological framework constitutes the main aim of our paper, we also discuss how the estimation of the budget can be improved on the basis of spatially distributed production rates