Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL

Gefährliche Mischung: Murgänge

Wir erforschen Murgänge auf verschiedene Arten: Wir studieren ihr natürliches Verhalten mit automatischen Beobachtungsstationen, lösen experimentelle Murgänge im Labor aus und simulieren ihre Wege und Ausbreitung am Computer nach.

Ein animiertes Schwarzweiss-Bild zeigt wie das Geschiebe eines Murgangs sich bewegt.
Ein Murgang hat deutlich mehr Energie als ein Hochwasser mit Geschiebe und richtet dementsprechend hohen Schaden an. (Bild: WSL)


Prozessverständnis durch Feldbeobachtung

Eine Simulation mit RAMMS::DEBRISFLOW zeigt auf einer Landkarte die möglichen Fliess- und Ausbruchswege für ein grösseres Volumen.
Die Simulation mit RAMMS::DEBRISFLOW zeigt die möglichen Fliesswege für einen grösseren Murgang aus der Stirn des Blockgletschers Gugla bei Herbriggen, Gde. St. Niklaus, VS. (GIF: WSL)

Wir haben automatische Murgangbeobachtungsstationen in den Schweizer Alpen aufgebaut. Sie liefern uns wichtige Datensätze für die Beschreibung des Fliessprozesses sowie die Entwicklung und Eichung von Simulationsprogrammen. An den Stationen werden verschiedene Messsysteme eingesetzt und getestet.

Derzeit ist die automatische Murgangbeobachtungsstation im Illgraben in Betrieb. Weitere Standorte waren in früheren Jahren instrumentiert und haben bedeutende Datensätze geliefert: Dorfbach, Schipfenbach, Preonzo, Riascio.

Im Illgraben gehen mehrmals im Jahr Murgänge ab. Dies macht den Ort interessant für die Forschung. Die WSL hat den Graben mit technischen Installationen instrumentiert und beobachtet das Geschehen im Detail. Zudem hatte sie dort eine Prototypanlage für ein Murgang Alarmsystem umgesetzt.

Ein Murgang kommt den Illgraben hinunter.
Im Illgraben kommt es mehrmals pro Jahr zu Murgängen, was ihn zum idealen Forschungsobjekt macht (Bild: Christoph Graf, WSL)
Blick von oben auf den Illgraben bis hinunter ins Rhonetal
Der Illgraben (VS): Bei Niederschlägen vermischt sich das gelbliche, lockere Gesteinsmaterial mit Wasser. Die breiartige Mischung fliesst ins Tal und reisst auch grössere Blöcke mit. (Bild: Christoph Graf, WSL)

Laboruntersuchungen

Im Grossraumlabor an der WSL kann in verkleinertem Massstab das Auslöse-, Transit- und Ablagerungsverhalten von Murgängen studiert werden. In einer Murgangrinne kann das Fliessverhalten von verschiedenen Murgangmischungen untersucht werden und Messinstrumente können getestet werden, bevor sie im Feld eingesetzt werden. Die Murgangrinne (siehe Video «Das Ding» unten, Diagonal 2/2017) erlaubt es auch, charakteristische Eigenschaften von Murgängen Besuchergruppen zu Demonstrationszwecken vorzustellen.

Das Grossraumlabor der WSL bietet die Möglichkeit, Murgänge im Modell zu untersuchen. Dabei können die Wissenschaftler das Fliessverhalten von verschiedenen Materialien untersuchen, den Erosionsprozess studieren oder Messinstrumente testen, bevor sie im Gelände eingesetzt werden. Zudem dient die Murgangrinne immer wieder zu Demonstrationszwecken für Besuchergruppen, um charakteristische Eigenschaften von Murgängen im Labor vorzustellen.

Anwendung und Weiterentwicklung von Simulationsprogrammen

Mit numerischen Simulationsprogrammes können wir zuverlässige Berechnungen des Fliessverhaltens von Murgängen im Gerinne machen, sowie die kritischen Zustände für eine Überlastung des Gerinnes bestimmen und mögliche Fliesswege und gefährdete Gebiete ausserhalb des Gerinnes aufzeigen. Wir loten anhand von Anwendungsbeispielen die Grenzen und Möglichkeiten von Simulationsprogrammen auf und erarbeiten Empfehlungen und Richtlinien für deren Einsatz in der Gefahrenanalyse.  Diese Arbeiten erfolgen im Rahmen des Projekts RAMMS Rapid Mass Movements.

Beitrag der Forschung zum Schutz vor Murgängen

Die Erkenntnisse durch neue Felddaten und -beobachtungen, Laborexperimente und Berechnungen mit numerischen Simulationsprogrammen erweitern die Kenntnisse über das komplexe und immer noch ungenügend bekannte Phänomen Murgang. Zudem fliessen sie in die Verbesserung von Methoden und Arbeitswerkzeugen für die Praxis bei der Gefahrenbeurteilung von Naturgefahren ein und bilden die Grundlage für die Entwicklung und Beurteilung von Schutzmassnahmen.

Kurzfilm zur Murgangforschung im Illgraben. Von Gottardo Pestalozzi, WSL

Publikationen

Aaron J., Spielmann R., McArdell B.W., Graf C. (2023) High‐frequency 3D LIDAR measurements of a debris flow: a novel method to investigate the dynamics of full‐scale events in the field. Geophys. Res. Lett. 50(5), e2022GL102373 (10 pp.). https://doi.org/10.1029/2022GL102373Institutional Repository DORA

de Haas T., McArdell B.W., Nijland W., Åberg A.S., Hirschberg J., Huguenin P. (2022) Flow and bed conditions jointly control debris‐flow erosion and bulking. Geophys. Res. Lett. 49(10), e2021GL097611 (10 pp.). https://doi.org/10.1029/2021GL097611Institutional Repository DORA

Hirschberg J., McArdell B.W., Bennett G.L., Molnar P. (2022) Numerical investigation of sediment‐yield underestimation in supply‐limited mountain basins with short records. Geophys. Res. Lett. 49(7), e2021GL096440 (10 pp.). https://doi.org/10.1029/2021GL096440Institutional Repository DORA

McArdell B.W., Sartori M. (2021) The Illgraben torrent system. In E. Reynard (Ed.), World geomorphological landscapes. Landscapes and landforms of Switzerland. Cham: Springer. 367-378. https://doi.org/10.1007/978-3-030-43203-4_25 Institutional Repository DORA

Chmiel M., Walter F., Wenner M., Zhang Z., McArdell B.W., Hibert C. (2021) Machine learning improves debris flow warning. Geophys. Res. Lett. 48(3), e2020GL090874 (11 pp.). https://doi.org/10.1029/2020GL090874Institutional Repository DORA

Zhang Z., Walter F., McArdell B.W., de Haas T., Wenner M., Chmiel M., He S. (2021) Analyzing bulk flow characteristics of debris flows using their high frequency seismic signature. J. Geophys. Res. B. 126(12), e2021JB022755 (19 pp.). https://doi.org/10.1029/2021JB022755Institutional Repository DORA

Hirschberg J., Badoux A., McArdell B.W., Leonarduzzi E., Molnar P. (2021) Evaluating methods for debris-flow prediction based on rainfall in an Alpine catchment. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 21(9), 2773-2789. https://doi.org/10.5194/nhess-21-2773-2021 Institutional Repository DORA

Hirschberg J., Fatichi S., Bennett G.L., McArdell B.W., Peleg N., Lane S.N., … Molnar P. (2021) Climate change impacts on sediment yield and debris-flow activity in an alpine catchment. J. Geophys. Res. F. 126(1), e2020JF005739 (26 pp.). https://doi.org/10.1029/2020JF005739Institutional Repository DORA

Hürlimann M., Coviello V., Bel C., Guo X., Berti M., Graf C., … Yin H.Y. (2019) Debris-flow monitoring and warning: review and examples. Earth-Sci. Rev. 199, 102981 (26 pp.). https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2019.102981Institutional Repository DORA

Meyrat G., McArdell B., Ivanova K., Müller C., Bartelt P. (2022) A dilatant, two-layer debris flow model validated by flow density measurements at the Swiss illgraben test site. Landslides. 19, 265-276. https://doi.org/10.1007/s10346-021-01733-2 Institutional Repository DORA

Mitchell A., Zubrycky S., McDougall S., Aaron J., Jacquemart M., Hübl J., … Graf C. (2022) Variable hydrograph inputs for a numerical debris-flow runout model. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 22(5), 1627-1654. https://doi.org/10.5194/nhess-22-1627-2022 Institutional Repository DORA

Walter F., Hodel E., Mannerfelt E.S., Cook K., Dietze M., Estermann L., … Molnar P. (2022) Brief communication: an autonomous UAV for catchment-wide monitoring of a debris flow torrent. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 22(12), 4011-4018. https://doi.org/10.5194/nhess-22-4011-2022 Institutional Repository DORA

Walter F., Chmiel M., Hovius N. (2022) Debris flows at Illgraben, Switzerland - from seismic wiggles to machine learning. Geomech. Tunnel. 15(5), 671-675. https://doi.org/10.1002/geot.202200039 Institutional Repository DORA

Wenner M., Allstadt K., Thelen W., Lockhart A., Hirschberg J., McArdell B.W., Walter F. (2022) Seismometer records of ground tilt induced by debris flows. Bull. Seismol. Soc. Amer. 112(5), 2376-2395. https://doi.org/10.1785/0120210271 Institutional Repository DORA

Projekte

Surrogate bedload transport measurements with the Swiss plate geophone system

This project aims to further develop the Swiss plate geophone system, a passive seismic method to measure bedload transport in water courses, with a new set of controlled experiments and field calibration measurements.

CCES-TRAMM: Triggering of Rapid Mass Movements in Steep Terrain

TRAMM war ein Forschungsprojekt im Rahmen des ETH-Kompetenzzentrums für Umwelt und Nachhaltigkeit (CCES) von 2006 bis 2015 mit dem Ziel, Auslöse- und Transportprozesse von Hangrutschungen, Murgängen und Lawinen besser zu verstehen.

Strategische Initiative der WSL: Klimawandel und alpine Massenbewegungen

Abgeschlossene Projekte:

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