McArdell Brian

Debris flow erosion and sediment transfer processes at the Illgraben catchment, Switzerland
Murgangerosion und Sedimenttransfer im Illgraben, Schweiz

Project Number: CH-4116

Project Type:	Dissertation
Project Duration:	09/19/2025 - 12/31/2009 project completed
Funding Source:	other ,
Project Leader:	Dr. Brian McArdell Debris Flow research group Mass Movements Gebirgshydrologie und Wildbäche WSL Zürcherstrasse 111 8903 Birmensdorf Phone: +41 (0) 44 739 24 45 ; +41 (0) 44 739 21 11 FAX: +41 (0) 44 739 22 15 e-Mail: brian.mcardell(at)wsl.ch http://www.wsl.ch/fe/gebirgshydrologie/index_EN

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Keywords:
Murgänge, Naturgefahren, Geomorphologie, Photogrammetrie, Vermessung

Abstract:
Murgänge sind ein schnell fliessendes Gemisch aus Wasser, Geröll und Holz, und haben ein Fliessverhalten, das zwischen demjenigen von Rutschungen und demjenigen von Geschiebe transportierenden Hochwassern eingeordnet werden kann (Major et al., 2005). Auf ihrem Weg talwärts können Murgänge kontinuierlich Material vom Bachbett und von der Gerinneseite aufnehmen und vergrössern dadurch ihr Volumen. Diese Entwicklung von einem anfänglich kleinen Ereignis zu einem Murgang mit beträchtlichem Ausmass und demzufolge grossem Gefahrenpotential sind keine Einzelheit, und in der Literatur werden Volumenzunahmen bis zum 200-fachen des Startvolumens genannt (Takahashi, 1981; King, 1996). Über das Erosionsgeschehen und die dabei ablaufenden Prozesse innerhalb eines Murganges ist noch immer sehr wenig bekannt (Hungr et al., 2005). So wusste man bisher nur andeutungsweise, ob die Materialaufnahme vor allem durch die grobblockige Front oder eher durch den nachfolgenden wässrigeren Schwanz verursacht wird. Die grosse Erosionsleistung, aber auch die Ablagerungen durch Murgänge führen zu grossen Sedimentumlagerungen vom Einzugsgebiet bis in den Vorfluter (z.B. Dietrich und Dunne, 1978; Benda, 1990).

Die vorliegende Arbeit untersucht das Erosionsverhalten von Murgängen und deren Auswirkungen auf den Sedimenthaushalt an Hand des Illgrabens, VS, und wurde im Rahmen des CCES TRAMM-Projektes (Competence Center of Environmental Sustainability / Triggering of Rapid Mass Movement) ermöglicht. Der Illgraben ist ein geomorphologisch sehr aktives Gebiet mit hohen Erosionsraten und mehreren Murgängen pro Jahr. Die steilen und spärlich bewachsenen Bergflanken bestehen vorwiegend aus Dolomit, Quarz, Kalk und Schiefer der Penninischen Decke. Mit einem Radius von ca. 2 km gehört der Kegel des Illgrabens zu den grössten im ganzen Alpenraum und beherbergt auf der Ostseite das Dorf Susten und wird im Westen durch den Pfynwald bedeckt. Seit dem Jahre 2000 betreibt die Eidgenössische Forschungsanstalt WSL im Illgraben intensive Feldforschung sowohl auf dem Kegel als auch im Einzugsgebiet. Dabei werden Niederschlags-, Abfluss- Kraft-, Druck-, Geschwindigkeits- und Bilddaten erfasst.

Die Sedimenttransferprozesse wurden mittels photogrammetrischer Auswertung von vier Luftbildserien untersucht. Die Flüge (zusätzlicher Finanzierungsbeitrag des Schweizerischen Nationalfonds) fanden im Herbst 07, Sommer und Herbst 08, und Herbst 09 statt. Das oft durch Rutschungen im anstehenden Gestein mobilisierte Material wurde in Sequenzen von Erosion, Ablagerung und Remobilisierung schrittweise umgelagert und durchmischt. Die Aktivität in den untersuchten Gebieten variierte räumlich und zeitlich stark, und die Verweildauer der meisten Ablagerungen war kürzer als ein Jahr. Die beobachteten Rutschungen mit Volumina von 500 bis 2000 m3 gingen nicht direkt in Murgänge über und waren mehr als eine Grössenordnung kleiner als der grösste Murgang während der Untersuchungsperiode (ca. 60'000 m3 am 1.7.2008, gemessen bei der Beobachtungsstation oberhalb der Mündung des Illgrabens in die Rhone). Rutschungen als Auslöseprozesse für Murgänge können nicht ausgeschlossen werden. Auf Grund der fehlenden Beobachtungen nehmen wir aber an, dass Murgänge vorzugsweise durch die Materialaufnahme während erhöhtem Abfluss über Schutthalden am Fusse von Felswänden, oder durch Abfluss über Ablagerungen im Gerinnebereich entstanden. Die ermittelten Murgangvolumen beim Austritt des Illgrabens in die Rhone zeigten, ungeachtet des Initialisierungsmechanismus, dass die Aufnahme von Material während eines Murgangs von entscheidender Bedeutung ist. So ergaben Abschätzungen der Sedimentbudgets für die Untersuchungsjahre, dass der Geschiebeoutput im Einzugsgebiet oberhalb des Kegelhalses 4 bis 10 Mal kleiner ist als derjenige bei der Mündung des Illgrabens in die Rhone, und daher auch auf dem Schwemmkegel viel Material aufgenommen wurde.

Um den Zeitpunkt und das Ausmass der Erosion während eines Murgangs oder Hochwassers bestimmen zu können, wurden im Rahmen dieses Projektes geeignete Erosionssensoren entwickelt. Diese Sensoren bestehen aus zwanzig 5 cm langen Aluminiumröhrchen, welche aufeinander gestapelt werden und durch elektrische Widerstandsnetzwerke miteinander verbunden sind. Im Frühjahr 2008 wurden fünf der 1 m langen Erosionssensoren senkrecht und ebenerdig im Bachbett oberhalb der Beobachtungsstation eingebaut. Ausserhalb des Gerinnes wird bei jedem Sensor der Gesamtwiderstand gemessen. Werden während eines Ereignisses ein oder mehrere Röhrchen weggerissen, so kann über die Abnahme des Gesamtwiderstandes der Zeitpunkt und die Anzahl erodierter Elemente ermittelt werden. Auf Grund des Sensordesigns kann nur die maximale Erosionstiefe bestimmt werden und Zyklen von Erosion und Ablagerungen werden nicht erfasst. Um den Zeitpunkt der gemessenen Erosion innerhalb eines Ereignisses bestimmen zu können, nahmen durch die Beobachtungsstation aktivierte Fotokameras in regelmässigen Abständen Bilder vom Untersuchungsstandort auf. Informationen über Veränderungen des Porenwasserdruckes während eines Murgangdurchgangs lieferten Drucksensoren in 1 und 1.2 m Tiefe im Bereich der Erosionssensoren. Die bei der Beobachtungsstation ermittelten Abflusshöhen, Scher- und Normalkräfte wurden auf den Standort der Erosionssensoren übertragen und bei der Interpretation der Erosionsmessungen miteinbezogen.

Von Mai bis November 2008 konnte die Erosion während drei Murgängen und vier Hochwasserereignissen bestimmt werden. Die Murgänge rissen die Sensorelemente 10 bis 20 Sekunden nach der Ankunft der Front weg, zeitgleich mit den grössten bei der Beobachtungsstation gemessenen Abflusshöhen, Scher- und Normalkräfte. Das Ausmass der gemessenen Erosion betrug dabei etwa einen Viertel der Höhe der Murgangfront. Diese Messungen unterstützen das in der Untersuchung zum Sedimenttransfer beobachtete grosse Erosionspotential von Murgängen auf dem Schwemmkegel. Eine synchrone, gleich grosse Zu- und Abnahme des Druckes wurde bei den Porenwasserdrucksensoren registriert. Vermessungen des Bachbettes vor und nach den Ereignissen zeigten, dass im Anschluss an die gemessene Erosion Material über den betroffenen Sensoren abgelagert wurde. Das Bachbett wurde daher tiefgründiger verändert als nach dem Ereignis an der Oberfläche feststellbar. Während Hochwasserereignissen fand die Erosion nicht im Bereiche der höchsten Abflusshöhen und Kräfte statt.

Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass der Illgraben eine ausserordentlich hohe geomorphologische Aktivität aufweist, grosse Mengen Sediment umgelagert werden, und Gerinnebereiche sowohl als Sedimentquellen als auch als Reservoir fungieren können. Murgänge tragen massgeblich zum Sedimenttransfer bei, und die Materialaufnahme über grosse Teile der Fliessstrecke ist bedeutend. Der Frontbereich eines Murganges wurde als die dominante Zone für die Erosion identifiziert. Das erwiesene grosse Erosionspotential muss bei der Beurteilung von Murganggefahren unbedingt berücksichtigt werden. Die gewonnenen Ergebnisse werden zur Kalibrierung und Verbesserung eines Murgangmodells verwendet werden.



Last update: 2/16/10
Source of data: ProClim- Research InfoSystem (1993-2024)
Update the data of project: CH-4116

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