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Artikel

Autor(en): Rudolf Sailer, Schaffhauser Andreas
Redaktion: BFW, Österreich
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Lawinensimulationsmodelle im Risiko- und Krisenmanagement

Ein zeitgemäßes Risiko- und Krisenmanagement muss weit mehr als eine reine Gefahrenverminderung leisten. Dies gilt insbesondere für touristisch intensiv genutzte Regionen, die in einem labilen Gleichgewicht zwischen Risikoakzeptanz und -ablehnung stehen. Dazu ist der Einsatz modernster Methoden (z.B. Simulationen) auch in der Prozess- und Wirkungsanalyse erforderlich.

  1. Verifikation von Simulationsmodellen
  2. Fallbeispiel 1: k-Plan der Gemeinde St. Anton am Arlberg
  3. Fallbeispiel 2: Risikostudie St. Leonhard im Pitztal

Besonders in Wintertourismus-Regionen stehen die Verantwortlichen vor der großen Herausforderung, das Risiko aus dem Naturgefahrenpotenzial richtig einzuschätzen. Der Tourismus-Boom führt dazu, dass in ländlichen Regionen mit beengten Dauersiedlungsräumen maximale Bevölkerungsdichten zu verzeichnen sind. In den Monaten mit der stärksten Übernachtung, meist in der Wintersaison, erreichen alle Talschaften Tirols Werte, die jenen des Ballungsraumes Innsbruck/Hall entsprechen.

Wie reagiert die öffentliche Hand?

Sie errichtet nicht mehr ausschließlich permanente Infrastruktur- und Schutzbauten (Investitionsvolumen: 1949 bis 1989 350 Millionen Euro, 1999 bis 2003 120 Millionen Euro), sondern setzt auch auf temporäre Maßnahmen (Sperren, Evakuierung, künstliche Lawinenauslösung, Lawinenwarndienst, Lawinenkommissionen). Ein umfassendes Risiko- und Krisenmanagement auf kommunaler und regionaler Ebene hat den veränderten Rahmenbedingungen Rechnung zu tragen. Der Prognosezeitraum beeinflusst maßgeblich Auswahl und Kombination (Maßnahmenmix) der in Frage kommenden temporären und permanenten Maßnahmen (Abbildung 1).

Lang-, mittel- und kurzfristige Maßnahmen im Risikomanagement
Abbildung 1: Die Komponenten der lang-, mittel- und kurzfristigen Maßnahmen und Methoden im Risiko- und Krisenmanagement bezüglich Lawinen

A) Die langfristigen Planungselemente (zum Beispiel Flächenwidmung) basieren auf gesetzlichen Grundlagen, die eine Berücksichtigung der Naturgefahren im Planungsprozess vorsehen. Das Forstgesetz sowie die damit verbundenen Verordnungen und Richtlinien verlangen die Installierung von Gefahrenzonenplänen dort, wo eine Bedrohung des Siedlungsraumes gegeben ist. Bei der Gefahrenzonenplanung sind neben dem bewährten eindimensionalen AVAL1D  Modell (Salm et al. 1990) mehrdimensionale Lawinensimulationsmodelle standardmäßig im Einsatz. In Österreich sind dies vor allem SamosAT (Sampl et al. 2004, Zwinger et al. 2003, Sailer et al. 2002, Sailer und Kleemayr 2005) und ELBA+ (Volk 2004, Volk und Kleemayr 1999).

B) Große Anstrengungen wurden weltweit bei der Weiterentwicklung von mittelfristigen meteorologischen Vorhersagemodellen und -techniken (z.B. Ensemble-Vorhersagen) unternommen. Die Qualität mittelfristiger meteorologischer Prognosen (Trend für einige Tage) der Neuschneehöhen und deren regionaler Verteilung hat sich dadurch deutlich verbessert. Zusätzlich erlauben die Methoden Aussagen über die Unsicherheit der Vorhersage. Auf Basis dieser prognostizierten Niederschlagsmengen ist es möglich, Lawinensimulationen als mittelfristiges Prognoseinstrument einzusetzen. Je kürzer die verbleibende Vorlaufzeit jedoch wird, desto schwieriger ist der "Echtzeiteinsatz" von Lawinensimulationsmodellen.

C) Kurzfristvorhersagen (Nowcast) werden Stunden vor oder während eines Extremereignisses erstellt. Um in kritischen Situationen rechtzeitig Aussagen über Auslauflängen von Lawinen liefern zu können, werden Szenarien vorbereitet, die im Krisenfall abrufbar sind (Sailer et al. 2004). Die Auswahl des zutreffenden Szenarios erfolgt auf Basis aktueller Messwerte (Punktmessungen meteorologischer Parameter und Erfassung der flächenhaften Niederschlagsverteilung) in Verbindung mit extremwertstatistischen Auswertungen.

In allen Fällen (lang-, mittel- und kurzfristig) sind in einem Risiko- und Krisenmanagement die Daten den Entscheidungsträgern (online) zugänglich.

Verifikation von Simulationsmodellen

Aufgrund der praktischen Relevanz von Lawinensimulationsmodellen werden diese kontinuierlich weiterentwickelt und wissenschaftlich verifiziert. Die Schneehöhenmessung mittels Ultraschallsensoren ist vor allem bei den Lawinenwarndiensten im Einsatz. Ihr Nachteil: es sind Punktmessungen.

Mit Fernerkundungstechnologien können heute bereits von einem sicheren Standort aus Schneedeckenparameter gemessen werden. Daher wird intensiv an Methoden gearbeitet, die Aussagen über die räumliche und zeitliche Schneehöhenänderung ermöglichen. Vor allem die bodengestütze Lasermessung (Terrestrial Laser Scanning, TLS) wird den gestellten Anforderungen weitgehend gerecht (Jörg et al., 2006, Schaffhauser et al., eingereicht).

Die TLS-Technologie liefert jedoch nur bei guten Wetterbedingungen optimale Ergebnisse und lässt keine Aussagen über den Wassergehalt oder die Dichte der Schneedecke zu. Dieser Forschungsbedarf wurde im EU-Projekt GALAHAD (6. Rahmenprogramm) aufgegriffen, das BFW leitet das Arbeitspaket „Fernerkundung, Schnee und Lawinen“. In diesem Projekt werden sowohl TLS-Messungen als auch Messungen mit bodengestützten Radarsystemen (Ground Based Synthetic Aperture Radar, GB SAR) durchgeführt. Gerade die GB SAR-Technologie erlaubt eine wetterunabhängige Messung der Schneedeckenparameter und kann auch Aussagen zum Schneewasseräquivalent der Schneedecke liefern. Diese Anwendung der GB SAR-Methode befindet sich derzeit noch in Entwicklung.

Mit TLS gemessene Schneehöhenänderung
Abbildung 2: Perspektivische Ansicht der mit bodengestützen Lasern gemessenen Schneehöhenänderungen der Lawine vom 25. April 2007

Das BFW hat extra für die Messungen 20 km südöstlich von Innsbruck ein Versuchsfeld im Truppenübungsplatz Wattener Lizum eingerichtet. Das Bundesheer stellt Infrastruktur zur Verfügung und hilft bei organisatorischen Belangen. So muss etwa die Basisstation auf 2040 m Seehöhe während des gesamten Winters erreichbar bleiben.

Anbruch der Lawine Lawine im Mittelteil der Sturzbahn
Abbildung 3: Anbruch der Lawine vom 25. April 2007 - die Rauchwolke der Detonation ist gut erkennbar; Lawine im Mittelteil der Sturzbahn (Quelle: Reinhard Fromm, BFW)

Die Messungen sind Grundlage für die Verifikation des Lawinensimulationsmodells SamosAT. Wie sehen die einzelnen Schritte - von der Messung mittels Fernerkundungsmethoden zur Parameteroptimierung des Lawinensimulationsmodells SamosAT  - aus? Im günstigsten Fall werden die Schneehöhenänderungen in einer hohen zeitlichen Auflösung gemessen, so dass jeder markante Anstieg registriert wird. Damit ist die potenzielle Kubatur eines Anbruchgebietes bekannt. Im Fall eines Lawinenabgangs und der nachfolgenden Schneehöhenmessung kann die tatsächliche als Lawine abgegangene Kubatur berechnet werden (Abbildung 2). Aufgrund der kontinuierlichen Aufzeichnung der meteorologischen Größen und begleitender Feldmessungen ist auch die Dichte des Schnees im Anbruchgebiet bekannt.

Im Lawinensimulationsmodell SamosAT werden diese beiden Größen Kubator und Dichte für die Berechnungen herangezogen. Je genauer diese Anbruchmasse bekannt ist, desto zuverlässiger ist die Modell-Parameteroptimierung.

Am 25. April 2007 löste das Bundesheer künstlich eine Lawine aus und so war es erstmals möglich, mit SamosAT eine Lawine mit exakt bekannter Anbruch- (19,6 x 106 kg) und Ablagerungsmasse (58,3 x 106 kg) nachzurechnen (Abbildungen 3 und 4). Die Differenz von 38,7 x 106 kg entspricht jener ruhenden Schneeschicht der Lawinenbahn, die kontinuierlich in die Lawinenmasse eingepflügt wurde (Sailer et al. eingereicht). Dieser Effekt wird als Entrainment bezeichnet.

Ablagerungshöhen der simulierten Lawine Photo der Lawine
Abbildung 4: Ablagerungshöhen [m] der mit der optimierten Parameterkombination simulierten Lawine
Photo der Lawine aus einer ähnlichen Perspektive

Auf Basis der TLS-Messung wurde eine Parameterkombination gewählt, die zu einem Simulationsergebnis führt, das der realen Lawine sehr nahe kommt (Abbildung 4). Die Modellverbesserungen fließen wieder in adaptierte Modellvarianten ein und in weiterer Folge können die Verantwortungsträger vor Ort ihre Entscheidungen auf bessere Prognosen stützen. Die nachfolgenden Fallbeispiele zeigen, wie Simulationsmodelle im Risiko- und Krisenmanagement berücksichtigt werden.

Fallbeispiel 1: k-Plan der Gemeinde St. Anton am Arlberg

Der k-Plan (Integraler Risiko- und Krisenmanagementplan) der Gemeinde St. Anton am Arlberg dient der Gemeindeführung in Standardsituationen zur Risikobeurteilung und bietet in Krisenzeiten den Entscheidungsträgern wertvolle Hilfen. Mit dem k-Plan entwickelte das BFW ein System, das alle relevanten Organisationseinheiten bündelt und die neuesten Technologien, unter anderem vorbereitete Lawinensimulations-Szenarien, in praxisgerechter Form aufbereitet (Sailer 2001a, 2001b, Sailer et al. 2004). Die Kommunikation der Organisationseinheiten sowie die Bereitstellung der Simulationsdaten erfolgt Web-basiert (Abbildungen 5).

Katastrophenplan von St. Anton am Arlberg
Abbildung 5: k-Plan - Benutzeroberfläche in einem Internet Browser und Szenarienabfrage

Die Lawinensimulationsdaten liegen als vorbereitete Szenarien auf einem zentralen Server. Der Zugriff auf die Gebäudedatenbank erfolgt dynamisch. Dies bedeutet, dass etwaige Datenbankänderungen bei jeder Szenarienabfrage berücksichtigt werden. Welches Szenario ausgewählt wird, entscheidet der Bearbeiter unter Berücksichtigung der aktuellen meteorologischen Situation oder Prognose. Er kann rasch aufgrund der Informationen (mögliches Schadensausmaß, Risiko) seine Entscheidung treffen (Vorwarnung, zu evakuierende Personen, Straßensperre).

Fallbeispiel 2: Risikostudie St. Leonhard im Pitztal

Trotz des hohen Naturgefahrenpotenzials hat sich die Gemeinde St. Leonhard im Pitztal  intensiv touristisch entwickelt. Seit den 50er Jahren haben sich Bevölkerung, Betten- und Nächtigungszahlen vervielfacht. Um das Ausmaß der Investitionskosten zum Schutz vor Naturgefahren abschätzen zu können, wurde eine Regionalstudie in Auftrag gegeben (Sailer und Huber 2005). Die Ermittlung von Schadenspotenzial und Risiko erfolgte dabei auf Basis eines bewährten Risikoanalysekonzeptes (BUWAL 1999a, 1999b). Im Gegensatz zum k-Plan von St. Anton am Arlberg, bei dem vorbereitete Szenarien verwendet werden, wird im Falle der Risikostudie Pitztal der Gefahrenzonenplan herangezogen.

Im Rahmen der Erstellung des Gefahrenzonenplans wurden Berechnungen mit Lawinensimulationsmodellen durchgeführt. Aufgrund der umfangreichen Datenlage war es auch möglich, aufbauend auf Schadensausmaß und Risikoberechnung (Abbildung 6), die Maßnahmen (Anbruchverbauungen, Dämme) nach ihrer Priorität zu reihen.

Tabelle: Todesfallrisiko Lawine
Abbildung 6: Reihung der Lawinen der Gemeinde St. Leonhard nach Todesfallrisiko; in Dunkelrot sind die bereits verbauten Lawinen dargestellt (Quelle: Sailer et al. 2005)

Die Errichtung permanenter Schutzmaßnahmen für sämtliche Gefährdungsbereiche von Lawinen und Wildbächen sowie ein kompletter Straßenschutz sind der Studie zufolge nicht realisierbar. Mit temporären Maßnahmen im mittel- bis kurzfristigen Prognosebereich (Frühwarnung, Straßensperren, Evakuierungen, etc.) könnten Risiken deutlich reduziert werden (Sailer und Huber 2005).

Literatur

Auf Anfrage bei den Verfassern erhältlich.

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