Geschiebetransport in alpinen Wildbächen

Der Steinibach (Kanton Nidwalden) transportierte 2005 mehr als 60'000 m3 Geschiebe. Das Bild zeigt den untersten Bachabschnitt nach der Ausbaggerung. Die ehemalige Ablagerungshöhe ist noch an den Sedimenten zu sehen, die bis über die Böschungen reichen (Foto: Manuel Nitsche, WSL)

Im Oberlauf des Steinibachs sind die Hänge steil und frei von Vegetation. Die exponierten Lockersedimente sind eine unerschöpfliche Geschiebequelle (Foto: Manuel Nitsche, WSL)

Zur Messung des Geschiebetransports können akustische Sensoren (Geophonsensoren) benutzt werden, die wie hier im Erlenbach (Kanton Schwyz), im Querschnitt einer Wildbachsperre eingebaut sind (Metallplatten links). Sie detektieren den Aufschlag des Geschiebes (Foto: Manuel Nitsche, WSL)

Warum uns Wildbäche interessieren

Wenn bei Unwettern grosse Flüsse anschwellen und über die Ufer treten, richtet das Wasser oft grossen Schaden in den überschwemmten Gebieten an. In steilen Wildbächen sind die Abflussmengen zwar geringer, es kann aber wegen der starken Gerinnenneigung viel Geschiebe transportiert werden – die Transportkraft reicht bei extremen Hochwassern für die Bewegung von Treibholz, Kies aber auch von Blöcken, die seit Jahrzehnten unverändert im Bachbett lagen. Trifft diese Geschiebefracht auf Gebäude, Verkehrswege oder andere Güter kann das zu katastrophalen Schäden führen. Solche Ereignisse sind zwar selten,  die Gefahr von extremem Geschiebetransport ist aber jederzeit vorhanden. Aus diesem Grund wollen wir die Geschiebeverfügbarkeit und vor allem die Transportkapazität (Geschiebevolumen, das pro Zeiteinheit transportiert werden kann) von Wildbachsystemen bei Extremereignissen genau verstehen und quantifizieren. Das Ziel des Projekts ist es, Grundlagen zu erarbeiten, mit denen eine verlässliche Gefahrenbeurteilung möglich wird.

Wild, komplex und unberechenbar?

Wenn man vorhersagen könnte, wie viel Sediment ein Bach während eines Unwetters transportiert, liessen sich Risiken besser kalkulieren. Aber genau hier liegt das Problem: Die Hydraulik und die Geschiebeverfügbarkeit in Wildbächen ist von so vielen Faktoren abhängig, dass es bis jetzt sehr schwer ist, verlässliche Vorhersagen über den Sedimenttransport zu liefern. Für grosse, flachere Flüsse hat die Geschiebeforschung geeignete Formeln entwickelt, die die Transportkapazität wiedergeben – und zwar als Funktion der Schubspannung an der Gerinnesohle (oder der Gerinneneigung und des Abflusses). In steilen Wildbächen lassen sich die Gleichungen wegen der komplexen Prozesse weniger gut anwenden – oft sind sie ungenau und überschätzen den Transport, wobei Faktoren von 10 bis 100 nicht ungewöhnlich sind.

Was wir besser machen können

Ein Bachbett ist komplex aufgebaut; Gerinnequerschnitte ändern sich jeden Meter. Somit ist es schwierig, die für den Transport verfügbare Energie eines Wildbachs zu bestimmen. Die meisten Berechnungsansätze berücksichtigen nur die Rauhigkeit des Geschiebematerials. Grosse unbewegliche Blöcke, Baumstämme oder exponiertes Festgestein, die ebenfalls zur Verringerung der Fliessenergie beitragen, werden aber selten einbezogen. Wahrscheinlich beeinflussen aber gerade diese „Formrauhigkeiten“ entscheidend die Transportkapazität. Ausserdem steht in vielen Gerinnen weniger Geschiebe zur Verfügung, als transportiert werden könnte. Alle diese Faktoren in der Modellierung des Geschiebetransportes zu berücksichtigen, ist eine wichtige Aufgabe des Projektes.

Methoden für mehr Wildbach-Wissen

Das Projekt wird hauptsächlich im Rahmen einer Dissertation durchgeführt. Für die Untersuchungen stehen einige gut instrumentierte Schweizer Einzugsgebiete zur Verfügung, wie zum Beispiel der Erlenbach im Alptal (Kanton Schwyz), für den eine weltweit einmalig lange Messreihe zu Transportraten und zum Abfluss vorliegt. Anhand von Feldkampagnen und mit computergestützter Analyse von Karten, Fernerkundungsdaten und Höhenmodellen sollen neue Informationen über Formrauhigkeiten und Geschiebeverfügbarkeit gewonnen werden.

SETRAC, ein speziell für alpine Wildbäche entwickeltes Simulationsprogramm für Sedimenttransport, soll dabei helfen, die Ansätze zu testen und zu validieren. In unserem physikalischen Labor, das mit Versuchsrinnen und einer Beregnungsanlage ausgestattet ist, können weitere Experimente durchgeführt werden.

Auftraggeber

Bundesamt für Umwelt (Bafu), Gruppe für operationelle Hydrologie (GHO)

Projektkooperation

• Bafu, Prof. Manfred Spreafico
• ETH Zürich, Institut Physik von Umweltsystemen, Prof. James W. Kirchner
• Boku Wien, Institut für alpine Naturgefahren, Michael Chiari
• Uni Bern, Geographisches Institut, Eva Gertsch

Projektmitarbeitende

• Manuel Nitsche
• James Kirchner
• Dieter Rickenmann
• Alexandre Badoux
• Jens Turowski
• Brian McArdell

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