Software zur besseren Vorhersage von Erdrutschen

Die heftigen Regenfälle, die immer häufiger über Europa hinwegfegen, können in Norwegen, wo der lehmhaltige Boden anfällig für Erdrutsche ist, besonders schlimm sein. Im Rahmen ihrer Masterarbeit im Bauingenieurwesen arbeitete Mathilde Metral mit dem Norwegischen Geotechnischen Institut (NGI) zusammen, um das Computermodell zu testen, das Ingenieurinnen und Ingenieure dort zur Vorhersage von Erdrutschen aus Ton entwickeln: «Ich wollte geotechnische Konzepte anwenden, um Naturkatastrophen zu verhindern», sagt sie. «Mein Interesse an diesem Thema rührt von der Herausforderung her, diese komplexen Phänomene zu erforschen, aber auch von meiner Leidenschaft für das Bergsteigen.» Für ihre Forschung arbeitete Metral mit dem Labor für Bodenmechanik (LMS) der EPFL zusammen, das von Prof. Lyesse Laloui geleitet wird. Der Vorschlag, mit dem NGI zusammenzuarbeiten, das weltweit für sein Fachwissen über Lehmböden bekannt ist, kam von Alessio Ferrari, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter des LMS und Betreuer von Metrals Diplomarbeit.

In Norwegen kam es in den letzten 12 Jahren zu drei grossen Erdrutschen, die auf die instabile Beschaffenheit des lehmhaltigen Bodens zurückzuführen sind. Das erste Ereignis ereignete sich am 13. März 2009 in Kattmarka, als ein Erdrutsch mehrere Gebäude und einen Abschnitt einer Strasse mitriss. Am 10. November 2016 wurden in Sorum drei Bauarbeiter von einer fliessenden Masse aus Lehm getötet. Und am 30. Dezember 2020 zerstörte ein Erdrutsch in Gjerdrum, einem Dorf mit 5000 Einwohnenden nordöstlich von Oslo, 30 Häuser. Bei diesem Unglück gab es neun Tote, eine Person wird noch vermisst und rund 1000 Menschen mussten evakuiert werden.

Eine technologische Herausforderung

Ingenieurinnen und Ingenieure in Norwegen arbeiten seit mehreren Jahren an der Entwicklung eines Computermodells, das solche Katastrophen vorhersagen kann. Die beteiligten Mechanismen sind jedoch komplex, und ihre Modellierung erfordert eine Menge Forschung, Versuch und Irrtum. Im Rahmen ihrer Masterarbeit testete Metral die Robustheit des Modells der Ingenieurfachleute, indem sie prüfte, wie gut es die Erdrutsche von 2009 und 2016 wiedergeben konnte. Sie führte Rückrechnungen durch und liess das Modell auf der Grundlage der damals verwendeten Parameter laufen, um festzustellen, was das Modell vorhergesagt hätte und was für eine genaue Vorhersage noch erforderlich war.

«Norwegens Lehmböden sind nur in Meeresumgebungen stabil. Da sich das norwegische Klima verändert und starke Regenfälle das von Natur aus im Boden vorhandene Salz herauswaschen, kann der Boden leicht wie ein Kartenhaus zusammenbrechen», sagt Metral, «das ist eine echte Bedrohung für die Häuser und die Infrastruktur in der Nähe.» Die Hauptschwierigkeit bei der Vorhersage von Erdrutschen aus schnellem Lehm liegt darin, dass die Ingenieurinnen und Ingenieure die grundlegenden Gesetze der Strömungsmechanik auf klassische geotechnische Stoffe anwenden müssen. Zu den Variablen, die sie in ihre Gleichungen einbeziehen müssen, gehören die Bodentopografie und -dichte, die Fliessspannung im intakten und im flüssigen Zustand des Bodens sowie die Qualität der bei Bodenuntersuchungen gewonnenen Daten über die Bodenzusammensetzung.

Am 13 März 2009 wurden in Kattmarka Gebäude und ein Teil der Autobahn von den Lehmmassen weggerissen. NGI. © NGI

Die Grenzen der Software

«Ich konnte die Ablagerungsgebiete für die Ereignisse von 2009 und 2016 identifizieren und das wahrscheinliche Zeitintervall für die Erdrutsche berechnen», sagt Metral, «das NGI-Modell hat das Modell für Kattmarka gut nachgebildet. Aber bei Sorum war es schwer zu wissen, wie die Bodenbedingungen zu der Zeit waren, weil die topografischen Karten dort älter sind und zu der Zeit Bauarbeiten im Gange waren.» Durch das Testen von Effekten, die zuvor nicht untersucht worden waren und die noch nicht funktionsfähig sind, half Metral den NGI-Ingenieurinnen, ihre Auswahlkriterien zu verfeinern und die Grenzen ihrer Software besser zu verstehen.

Diese Art von Vorhersagemodellen wird immer wichtiger, da die globale Erwärmung immer schneller voranschreitet, so Ferrari: «Die globale Erwärmung verstärkt Phänomene wie extreme Niederschlagsereignisse, den Abbau von Permafrostböden und die verstärkte Schneeschmelze. Infolgedessen werden die Auswirkungen von Erdrutschen in anfälligen Gebieten wahrscheinlich zunehmen. Durch die Entwicklung und Verfeinerung von Modellierungssoftware – so wie Mathilde es in ihrer Masterarbeit getan hat – werden wir besser in der Lage sein, die möglichen Folgen von Erdrutschen vorherzusehen und die damit verbundenen Risiken zu mindern.»