814

Ermittlung potenzieller Startpunkte von Hangmuren – Vergleich der Certainty-FactorMethode mit der Gefahrenhinweiskarte Murgang der Autonomen Provinz Bozen-Südtirol Philipp BAUER

Zusammenfassung Ziel der Arbeit ist ein Vergleich der ausgewiesenen Anrisszonen von Murgängen zwischen der nach einem regelbasierten Verfahren erstellten Gefahrenhinweiskarte (GHK) Murgang der Autonomen Provinz Bozen-Südtirol mit einem statistischen Dispositionsmodell nach dem Certainty-Factor-Ansatz. Die zugrundeliegende Fragestellung lautet: Wo liegen Stärken bzw. Schwächen der jeweiligen Methode und (wie stark) unterscheiden sich die Vorhersage-Ergebnisse? Das Untersuchungsgebiet erstreckt sich auf das obere Antholzer Tal (Südtirol, Italien). Angepasst wurde das verwendete CF-Modell auf Grundlage von kartierten Muranrissen aus zwei Einzugsgebieten dieses Tales in Kombination mit mehreren Geofaktoren-Datenebenen. Nach der Validierung erfolgte die Anwendung auf das gesamte Einzugsgebiet des Antholzer Tales.

1

Die Certainty-Factor-Methode

Bei der Certainty-Factor- (CF-) Methode handelt es sich um ein statistisches Verfahren aus der Gruppe der Soft-Computing-Anwendungen, die sich bereits bei der Ausweisung von rutschgefährdeten Gebieten, der Prospektion von Erzvorkommen , der Ermittlung von Lawinenanrissen und nicht zuletzt bei Ausweisung von Hangmuren-Anrissen bewährt hat. Diese Methode basiert auf Rasterdaten und weist verschiedene Vorteile auf:   

Es können Datensätze unterschiedlichster Art verwendet werden Die Transparenz und Nachvollziehbarkeit des Verfahrens ist sehr hoch Eine Überprüfung hinsichtlich der statistischen Verteilung der Eingangsdaten und der Signifikanz der Schätzfunktion ist nicht notwendig, da die Gewissheit eines Zusammenhangs zwischen dem untersuchten Faktor und der zugehörigen Variable feststeht

Die CF-Methode errechnet für alle Rasterzellen eines festgelegten Gebietes die Zu- bzw. Abnahme der Gewissheit, mit der eine Hypothese (in diesem Fall der Anriss einer Hangmure) angenommen werden kann. Die Ermittlung erfolgt aufgrund von mehreren verschiedenen Geofaktoren-Ebenen und aktuell im Untersuchungsgebiet vorhandenen Muranrissen. Ausgehend von den Eigenschaften der jeweiligen Geofaktoren in den Rasterzellen mit Muranrissen, wird die Wahrscheinlichkeit eines Anrisses auf allen anderen Rasterzellen Strobl, J., Blaschke, T. & Griesebner, G. (Hrsg.) (2011): Angewandte Geoinformatik 2011. © Herbert Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH, Berlin/Offenbach. ISBN 978-3-87907-508-9. Dieser Beitrag ist ein Open-Access-Beitrag, der unter den Bedingungen und unter den Auflagen der Creative Commons Attribution Lizenz verteilt wird (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).

Ermittlung potenzieller Startpunkte von Hangmuren

815

des Untersuchungsgebietes ermittelt. Gleichzeitig wird die Relevanz der einzelnen Geofaktoren-Kategorien für die Murgangauslösung erfasst. Mit diesen ermittelten Eigenschaften als Grundlage kann das entstandene Modell anschließend auf weitere Einzugsgebiete angewendet werden. Die Datengrundlage ist das DGM mit einer Auflösung von 5 m der Autonomen Provinz Bozen-Südtirol, das flächendeckend für die gesamte Provinz vorliegt. Aus dem DGM werden mittels des open-source-GIS „SAGA“ und verschiedener Module weitere Daten wie Hangneigung, Horizontal- und Vertikalwölbung, das Gerinnenetz sowie der CIT-Index (ein Maß für die Erosivität von Wasser) abgeleitet. Vom Südtiroler Amt für Wasserschutzbauten wurde die Realnutzungskarte 1:10.000 sowie die shapefiles der GHK Murgang freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Die Anrisse der Hangmuren wurden in den Untersuchungs-Einzugsgebieten direkt vor Ort und mithilfe von Orthophotos 1:10.000 kartiert. Die Modellierung, Kalibrierung und Validierung erfolgt ebenfalls mit SAGA. Zur Kalibrierung des Modells werden nach dem Hinzufügen von jeder Geofaktoren-Ebene deren einzelne Kategorien (z. B. der Geofaktor „Bodenbedeckung“ mit den Kategorien Fels, Lockermaterial, Wald, etc.) hinsichtlich ihres Beitrags für die Auslösung von Hangmuren bewertet. Die Ausscheidung der relevanten Kategorien bzw. Geofaktoren erfolgt über die bedingte Wahrscheinlichkeit (die mittlere Häufigkeit von Muranrissen innerhalb der jeweiligen Geofaktoren-Kategorie), die wiederum ein Maß für die Gewissheit darstellt, mit der die Hypothese „Muranriss“ angenommen werden kann. Ermittelt wird die bedingte Wahrscheinlichkeit mit dem SAGA-Modul „Certainty Factor“ (WICHMANN 2005). Das beste Vorhersageergebnis der kartierten Muranrisse wird mit den Geofaktoren Hangneigung, Bodenbedeckung (Realnutzungskarte), CIT-Index und Horizontalwölbung erreicht. Gleichzeitig zur Kalibrierung läuft die Validierung der Ergebnisse, ohne die sich die Auswirkungen des Hinzufügens oder Entfernens eines Geofaktors auf die Modellgüte nicht abschätzen lassen. Die für die Murauslösung bedeutendsten Hangneigungsklassen reichen von 35° bis 61°; diese Werte erscheinen sehr hoch, sind aber durch die überwiegende Lage der Anrisszonen auf steilen Schutthalden an der Mündung abschüssiger Felsrinnen erklärbar. Als einzige für Murgänge relevante Kategorie der Bodenbedeckung hat sich erwartungsgemäß „vegetationsloses Lockermaterial“ herausgestellt. Einige der Anrisse werden vom Modell in den Kategorien „Fels“ und „Grasland“ verortet. Diese Anrisse sind der für die wenige Meter breiten Felsrinnen nicht ausreichenden Auflösung der Realnutzungskarte geschuldet und entsprechend korrigiert. Die höchsten CIT-Indizes finden sich in langgestreckten Mulden und Rinnen senkrecht zur Hauptabflussrichtung. Hier tritt eine Abflusskonzentration mit entsprechend höherer Wasserverfügbarkeit und Erosionspotenzial auf. Diese beiden Faktoren erhöhen wiederum die Bereitschaft zur Murgangauslösung. Diese Strukturen werden auch von der Horizontalwölbung abgebildet, die aus diesem Grund Eingang in das Modell gefunden hat. Durchgeführt wird die Validierung mit dem SAGA-Modul „SPMValidate“ (HECKMANN 2004) auf zwei Arten. Der eine Faktor ist die Erfolgskurve, die den kumulierten Anteil an Muranrissen gegenüber dem Anteil an der Fläche des Untersuchungsgebiets aufträgt. Je stärker die Steigung der Erfolgskurve (und damit die Abweichung von der Hauptdiagonalen

816

P. Bauer

nach oben) im vorderen Teil ist, desto besser ist die Vorhersagegüte des Modells. Die hypothetische Validierungskurve entlang der Hauptdiagonalen entspräche der zufälligen Vorhersage, dass eine bestimmte Rasterzelle Teil einer Anrisszone sei. Der andere Faktor, der Aussagen über die Modellgüte zulässt, ist die „area under the curve“ (AUC). Bildlich gesprochen wird dabei die Fläche unterhalb der Validierungskurve in einzelne Säulen zerlegt. Durch das Aufsummieren der Fläche dieser Säulen ergibt sich ein Wert zwischen 50 % und 100 %, bzw. zwischen 0,5 und 1. Je näher dieser Wert an 1 liegt, desto höher ist die Modellgüte. Ist auf diese Weise das geeignetste Modell ermittelt, kann dieses auf weitere als die Untersuchungs-Einzugsgebiete angewandt werden. Je stärker sich die Einzugsgebiete in ihren topographischen und anderen Eigenschaften ähneln, desto zuverlässiger funktioniert das Modell. Zu beachten bleibt hier aber, dass eine Validierung des Modells außerhalb der Test-Einzugsgebiete nur dann durchgeführt werden kann, wenn auch hier schon vorhandene Muranrisse kartiert wurden. Fehlt diese Kartierung, können lediglich Aussagen über potenziell mögliche Anrisse von Hangmuren getroffen werden.

2

Methodik der Gefahrenhinweiskarte Murgang

Zur Erstellung der GHK Murgang verwendet die Schweizer Firma geo7 folgende Eingangsdaten bzw. Ableitungen davon: das DGM der Autonomen Provinz Bozen-Südtirol mit einer Auflösung von 20 m (1999), auf dem alle abflusslosen Senken bis 5 m Tiefe aufgefüllt sind. Daraus abgeleitet werden Hangneigung, Exposition und Wölbung, sowie Fließrichtung und Einzugsgebietsgröße. Für die Fließrichtung der Wasserflüsse im Boden kommt ein internes Verfahren nach einem Multiple-flow-direction-Ansatz zur Anwendung. Basierend auf der Einzugsgebietsgröße, der Wölbung und der Durchlässigkeit werden zudem Ansatzpunkte von Runsen erfasst, wobei nach Ableitung der linearen Fließwege aus dem DGM schwach ausgeprägte Runsen wieder eliminiert werden. Daten zur Bodenbedeckung stammen aus der wald- und weidewirtschaftlichen Realnutzungskarte 1:10.000 (2001), die mit den Klassen Fels, offener Schutt und Gletscher (zuzüglich der Gletscherflächen aus dem Gletscherinventar des Hydrologischen Amtes) Eingang finden. Die grundlegenden Daten über die Gewässer stammen aus dem Datensatz zu den öffentlichen Fließgewässern (2006). Aus der geologischen Karte 1:75.000 werden die Parameter Matrix-Klassifikation, Durchlässigkeit sowie Produktivität bzw. Verwitterbarkeit aufgenommen. Die Matrix (bei Festgesteinen das Verwitterungsprodukt) beeinflusst die Startbedingungen und die Reichweite eines Murgangs. Eine geringe Durchlässigkeit führt zu erhöhtem Oberflächenabfluss und somit zu einem dichteren Runsennetz. Die Produktivität/Verwitterbarkeit dient neben dem IFFI-Rutschungskataster (Stand 2006) als Grundlage für die Ermittlung der Geschieberelevanz und dem Geschiebepotenzial durch Rutschungen, Sturzquellen und Spülprozesse in Runsen oder Gerinne.

Ermittlung potenzieller Startpunkte von Hangmuren

817

Relevante Bereiche für Spülprozesse werden dabei über die Hangneigung ausgeschieden, bis diese unter einen Grenzwert sinkt oder eine vorher definierte Entfernung überschritten wird. Geschiebe liefernde Sturzquellen werden über einen Pauschalgefälleansatz (Gefälle zwischen oberstem Anrisspunkt und unterstem Punkt der Ablagerung) erfasst. Um ihre Bedeutung besser differenzieren zu können, erfolgt anschließend eine Gewichtung der Geschiebe liefernden Flächen nach Art der Geschiebequelle und der geologischen Charakterisierung. Die Gerinne werden ebenfalls nach ihrer Charakteristik gewichtet. In einem nächsten Schritt werden die Gewichte entlang der aus dem DGM abgeleiteten Fließrichtungen aufsummiert. So ergibt sich für jedes Gerinnepixel ein Geschiebewert, mit dem das jeweils oberhalb liegende Einzugsgebiet zur Lockermaterialverfügbarkeit beiträgt. Bei der Ausscheidung von Murganganrissen werden vier Typen mit verschiedenen Charakteristika unterschieden:  Anrisse in steilen Talverfüllungen oder Moränenmaterial mit Hangneigung zwischen 27° – 38° und einer Einzugsgebiet-Größe von wenigstens 0,5 ha  Anrisse im Kontaktbereich steiler Felswände und Schutthalden mit Hangneigung von über 25°, einer Mindest-Einzugsgebiet-Größe von 0,5 ha und anstehendem Fels oberhalb der Anrisszone  Anrisse in Felscouloirs, die mit Moränenmaterial verfüllt sind und das Grenzgefälle für Murganganrisse überschreiten  Anrisse in steilen Gerinneabschnitten, die ebenfalls das Grenzgefälle für Anrisse überschreiten Das Grenzgefälle wird bestimmt nach der Formel JStart=0,32*EG–0,2 (EG = EinzugsgebietsGröße) (MANI et al. 2005).

3

Ergebnis

Durch unterschiedliche Kombinationen der Geofaktoren Hangneigung, Bodenbedeckung, CIT-Index, Horizontal- und Vertikalwölbung wurde ein möglichst zuverlässiges Modell entwickelt – unter gleichzeitiger Ermittlung der Vorhersagegüte, wie zuverlässig die kartierten Muranrisse in beiden Test-Einzugsgebieten wiedergegeben wurden. Durch die anschließende Anwendung des „Erfolgsmodells“ auf die übrigen Einzugsgebiete im Antholzer Tal konnten potenzielle Anrisse von Hangmuren ermittelt werden. Der Vergleich mit der GHK Murgang (siehe Abb. 1 unten) zeigt, dass im Wesentlichen dieselben Gebiete als möglicherweise gefährdet eingestuft werden. Zu beachten ist hier, dass die CFModellierung nur mögliche Startpunkte von Hangmuren wiedergibt bzw. Flächen mit positiver Disposition ausweist, die GHK Murgang dagegen jedoch den gesamten Prozessbereich vom Anriss bis zur Auslaufzone im Tal darstellt. Ein weiteres Ergebnis ist die Bestätigung, dass neben der Hangneigung und der Verfügbarkeit von Wasser (CIT-Index) auch das Vorhandensein von ausreichenden Lockermaterialmengen eine wesentliche Rolle für das Auftreten von Hangmuren spielt.

818

P. Bauer

[Gitterraster]

 N Abb. 1:

4

2000 m 

Dispositionskarte des oberen Antholzer Tales (Orthophoto: AUTONOME PROVINZ BOZEN-SÜDTIROL – AMT FÜR ÜBERÖRTLICHE RAUMORDNUNG 2009)

Fazit

Die Vorhersageergebnisse beider Methoden weisen nur geringe Unterschiede auf, insbesondere ausgehend von der Annahme, dass die Anrisszone der Muren jeweils am höchsten Punkt der von der GHK dargestellten Trajektorien liegt (siehe Abb. 1). Abweichungen treten v. a. im südöstlichen Kartenbereich auf im Zusammenhang mit den bereits erwähnten schuttgefüllten engen Felsrinnen. Da diese Rinnenstrukturen in den Test-Einzugsgebieten gehäuft auftreten, werden diese vom CF-Modell entsprechend stark berücksichtigt. Die vom CF-Modell ausgewiesenen Bereiche umfassen zudem alle Flächen, die eine positive Disposition bzw. Bereitschaft für Murganganrisse aufweisen, also solche mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit, bis hin zu Flächen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit einer Auslösung. Zur Verfeinerung der CF-Methode wäre eine im Maßstab zur Auflösung des DGM passende Kartierung der Lockermaterialverfügbarkeit, inklusive der Mächtigkeit der Lockermaterialdepots, sehr interessant. Da viele Muranrisse auf Lockermaterialhalden an der Mündung enger Felsrinnen im Meter-Maßstab liegen, wäre auch eine großmaßstäblichere Realnutzungskarte wünschenswert, die solche „Lockermaterialinseln“ innerhalb dieser Felsstrukturen auflösen würde. Die Methodik der GHK hat ihre Stärken darin, dass keine vorausgehende Kartierung von Muranrissen nötig ist und auch Anrisse innerhalb von Gerinnen ausgewiesen werden können. Nachteilig sind die sehr aufwändigen Vorarbeiten (Vielzahl benötigter Eingangs-

Ermittlung potenzieller Startpunkte von Hangmuren

819

daten, mehrere verschiedene Modelle, umfangreiche Reliefanalyse). Vorteile des CF-Modells sind relative Einfachheit des Modells mit weniger umfangreichen notwendigen Eingangsdaten. Weiter wird das Modell auf einem Testgebiet entwickelt und lässt sich dann auf andere Untersuchungsgebiete übertragen. Von Nachteil ist dabei, dass schon vorhandene Anrisse im Vorfeld im Gelände bzw. mithilfe von Orthophotos kartiert werden müssen. Hierbei kann es je nach Quellenlage oder Zugänglichkeit der Einzugsgebiete zu Einschränkungen der Aktualität bzw. der Genauigkeit kommen. Soll eine Validierung in den Untersuchungsgebieten außerhalb des Testgebietes stattfinden, die über einen visuellen Vergleich der Ergebnisse mit dem tatsächlich Gelände hinausgeht, müssen auch die Muranrisse in den Untersuchungsgebieten vorab kartiert werden. Zudem beschränkt sich die Certainty-Factor-Methode auf die Ausweisung von Hangmuren.

Quellen und Literatur AUTONOME PROVINZ BOZEN-SÜDTIROL – ABTEILUNG 27 RAUMORDNUNG – AMT FÜR ÜBERÖRTLICHE RAUMORDNUNG (2002): Realnutzungskarte – Wald- und weidewirtschaftliche Realnutzungskarte (Forstgesetz – LG 21.10.96 Nr. 21) – Ausgabe 2001 – Maßstab 1:10.000 – Beschreibung 1. und 2. Los. – Bozen. AUTONOME PROVINZ BOZEN-SÜDTIROL – ABTEILUNG 27 RAUMORDNUNG – AMT FÜR ÜBERÖRTLICHE RAUMORDNUNG. http://www.provinz.bz.it/raumordnung/kartografie/ 69.asp (DGM 2009). AUTONOME PROVINZ BOZEN-SÜDTIROL – ABTEILUNG 27 RAUMORDNUNG – AMT FÜR ÜBERÖRTLICHE RAUMORDNUNG. http://www.provinz.bz.it/raumordnung/kartografie/ 70.asp (Orthophoto 2009). HECKMANN, T. (2004): SAGA-Modul „SPMValidate“. HECKMANN, T. & BECHT, M. (2006): Statistical Disposition Modelling of Mass Movements. In: BOEHNER, J., MCCLOY, K. R. & STROBL, J. (Hrsg.): SAGA – Analysis and Modelling Applications. Göttinger Geographische Abhandlungen Band 115. – S. 61-73. HECKMANN, T. & BECHT, M. (2009): Investigating the Transferability of Statistical Disposition Models for slope-type Debris Flows. Erdkunde, 63 (1), S. 19-33. MANI, P., STAFFLER, H., BERGER, E., GEO7 AG (Hrsg.): Gefahrenhinweiskarte Wildbäche – Prozesse Murgang und Übersarung. Bern. WICHMANN, V. (2005): SAGA-Modul „Certainty Factor“. WICHMANN, V. (2006): Modellierung geomorphologischer Prozesse in einem alpinen Einzugsgebiet – Abgrenzung & Klassifizierung der Wirkungsräume von Sturzprozessen und Muren mit einem GIS. Eichstätter Geographische Arbeiten, 15. Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt.