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Die Extraktion relevanter Abflussbildungsprozesse und deren adäquate Abbildung in Modellen gewinnt im Rahmen eines integrierten Managements ganzer Einzugsgebiete immer mehr an Wert, weil die Hochwasserentstehung und die Dynamik der mit dem Wasser transportierten Schadstoffe entscheidend von der Abflussbildung gesteuert werden. Ziel eines Flussgebietsmanagements ist die Verbesserung der Funktionsfähigkeit eines Einzugsgebiets. Das Bereitstellen verlässlicher Entscheidungsgrundlagen für die praktische Umsetzung einzugsgebietsbezogener Maßnahmen erfordert die Einbindung der komplexen, interagierenden Prozesse. Modelle können bei der Analyse und integrierenden Betrachtung der in der Regel nichtlinearen und rückgekoppelten Prozesse einen besonderen Stellenwert einnehmen. So können sie zu Prognosen der Auswirkungen geplanter Maßnahmen und der Veränderungen von natürlichen Randbedingungen herangezogen werden. Die erforderliche Genauigkeit der Prozessabbildung und welche Art von Modellen genutzt wird ist dabei abhängig von der jeweiligen Fragestellung und der untersuchten Skala. Insgesamt ist es erforderlich, den Unsicherheiten der Modellergebnisse einen angemessenen Stellenwert im Hinblick auf ein langzeitliches, optimales Management einzuräumen. Hierzu zählen auch Fragen der Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Repräsentativität von Daten auf Einzugsgebietsebene. Eine enge Kopplung der Prozessforschung und der Auswertung mittels hydrologischer Modellierung ist in diesem Kontext für eine Beurteilung von Richtlinien und Maßnahmenvorschlägen im Flussgebietsmanagement notwendig.
Laboratory landslide experiments enable the observation of specific properties of these natural hazards. However, these observations are limited by traditional techniques: frequently used high-speed video analysis and wired sensors (e.g. displacement). These techniques lead to the drawback that either only the surface and 2D profiles can be observed or wires confine the motion behaviour. In contrast, an unconfined observation of the total spatiotemporal dynamics of landslides is needed for an adequate understanding of these natural hazards.
The present study introduces an autonomous and wireless probe to characterize motion features of single clasts within laboratory-scale landslides. The Smartstone probe is based on an inertial measurement unit (IMU) and records acceleration and rotation at a sampling rate of 100 Hz. The recording ranges are ±16 g (accelerometer) and ±2000∘ s−1 (gyroscope). The plastic tube housing is 55 mm long with a diameter of 10 mm. The probe is controlled, and data are read out via active radio frequency identification (active RFID) technology. Due to this technique, the probe works under low-power conditions, enabling the use of small button cell batteries and minimizing its size.
Using the Smartstone probe, the motion of single clasts (gravel size, median particle diameter d50 of 42 mm) within approx. 520 kg of a uniformly graded pebble material was observed in a laboratory experiment. Single pebbles were equipped with probes and placed embedded and superficially in or on the material. In a first analysis step, the data of one pebble are interpreted qualitatively, allowing for the determination of different transport modes, such as translation, rotation and saltation. In a second step, the motion is quantified by means of derived movement characteristics: the analysed pebble moves mainly in the vertical direction during the first motion phase with a maximal vertical velocity of approx. 1.7 m s−1. A strong acceleration peak of approx. 36 m s−2 is interpreted as a pronounced hit and leads to a complex rotational-motion pattern. In a third step, displacement is derived and amounts to approx. 1.0 m in the vertical direction. The deviation compared to laser distance measurements was approx. −10 %. Furthermore, a full 3D spatiotemporal trajectory of the pebble is reconstructed and visualized supporting the interpretations. Finally, it is demonstrated that multiple pebbles can be analysed simultaneously within one experiment. Compared to other observation methods Smartstone probes allow for the quantification of internal movement characteristics and, consequently, a motion sampling in landslide experiments.