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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.
Erosion durch Regen und Wind schädigt fruchtbare Bodensubstanz irreversibel, verursacht weltweit riesige ökologische und sozio-ökonomische Schäden und ist eines der Hauptanliegen bezüglich Ökosystemdienstleistungen und Nahrungsmittelsicherheit. Die Quantifizierung von Abtragsraten ist immer noch höchst spekulativ, und fehlende empirische Daten führen zu großen Unsicherheiten von Risikoanalysemodellen. Als ein wesentlicher Grund für diese Unsicherheiten wird in dieser Arbeit die Prozesse der Beeinflussung von Wassererosion durch Wind und, im Speziellen, die Erosionsleistung von windbeeinflussten Regentropfen im Gegensatz zu windlosen Tropfen inklusive unterschiedlicher Oberflächenparameter beleuchtet. Der Forschungsansatz war experimentell-empirisch und beinhaltete die Entwicklung und Formulierung der Forschungshypothesen, die Konzeption und Durchführung von Experimenten mit einem mobilen Wind-Regenkanal, die Probenverarbeitung und Analyse sowie Interpretation der Daten. Die Arbeit gliedert sich in die Teile 1. "Bodenerosionsexperimente zu windbeeinflusstem Regen auf autochthonen und naturähnlichen Böden", 2. "Experimente zu Substratpartikeltransport durch windbeeinflussten Tropfenschlag" und 3. "Zusammenführung der Freiland- und Labortests". 1. Tests auf autochthonen degradierten Böden im semiariden Südspanien sowie auf kohäsionslosem sandigen Substrat wurden durchgeführt, um die relativen Auswirkungen von windbeeinflusstem Regen auf Oberflächenabflussbildung und Erosion zu untersuchen und zu quantifizieren. In der überwiegenden Anzahl der Versuche wurde klar eine Erhöhung der Erosionsraten festgestellt, was die Forschungshypothese, windbeeinflusster Regen sei erosiver als windloser Regen, deutlich bestätigte. Neben den stark erhöhten wurden auch niedrigere Abtragswerte gemessen, was zum einen die ausnehmende Relevanz der Oberflächenstrukturen und damit von in-situ- Experimenten belegte, zum anderen auf eine Erhöhung der Variabilität der Erosionsprozesse deutete. Diese Variabilität scheint zuzunehmen mit der Erhöhung der beteiligten Faktoren. 2. Ein sehr spezialisiertes Versuchsdesign wurde entwickelt und eingesetzt, um explizite Messungen der Tropfenschlagprozesse mit und ohne Windeinfluss durchzuführen. Getestet wurden die Erosionsagenzien Regen, Wind und windbeeinflusster Regen sowie drei Neigungen, drei Rauheiten und zwei Substrate. Alle Messergebnisse zeigten eine klare windinduzierte Erhöhung der Erosion um bis zu zwei Größenordnungen gegenüber windlosem Tropfenschlag und Wind. Windbeeinflusster Regen wird durch die gesteigerte Transportmenge und Weite als wesentlicher Erosionsfaktor bestätigt und ist damit ein Schlüsselparameter bei der Quantifizierung von globaler Bodenerosion, Erstellung von Sedimentbudgets und bei der Erforschung von Connectivity. Die Daten sind von hervorragender Qualität und sowohl für anspruchsvollere Analysemethoden (multivariate Statistik) als auch für Modellierungsansätze geeignet. 3. Eine Synthese aus Feld- und Laborversuchen (darunter auch ein bis dato unveröffentlichtes Versuchsset) inklusive einer statistischen Analyse bestätigt WDR als den herausragenden Faktor, der alle anderen Faktoren überlagert. Die Zusammenführung der beiden komplementären Experimentgruppen bringt die Forschungsreihe zu windbeeinflusstem Regen auf eine weiterführende Ebene, indem die Messergebnisse in einen ökologischen Zusammenhang gesetzt werden. Eine vorsichtige Projektion auf Landschaftsebene ermöglicht einen Einblick in die Risikobewertung von Bodenerosion durch windbeeinflussten Regen. Es wird deutlich, dass er sich gerade auch im Zusammenhang mit den durch den Klimawandel verstärkt auftretenden Regensturmereignissen katastrophal auf Bodenerosionsraten auszuwirken kann und dringend in die Bodenerosionsmodellierung integriert werden muss.