Onderzoek onthult onbekende factoren die de vernietigende kracht van puinstromen bepalen

Aardverschuivingen in de Alpen: Een groeiende bedreiging

De aardverschuiving die eind mei 2025 in Blatten, in het kanton Valais, plaatsvond, en die in het dorp Brienz in Graubünden in juni 2023, herinneren ons aan de potentieel gevaarlijke aardverschuivingen in de Alpen. Debietstromen zijn een van deze gevaren. Deze stromen van water, sediment en rotsfragmenten ontstaan meestal na zware regenval in steil terrein en razen snel naar beneden in een kanaal, waarbij ze alles op hun pad kunnen verwoesten.

In het afgelopen jaar hebben grote debietstromen de aandacht getrokken, met name in Sorte (kanton Graubünden), Fontana (kanton Ticino) en het Saasdal (kanton Valais). Er was ook een grote aardverschuiving in Bondo (Graubünden) in augustus 2017, waarbij een 100 meter brede stroom van modder en puin door het Bondasca-dal raasde. Acht mensen verloren daarbij hun leven.

Dergelijke debietstromen komen herhaaldelijk voor op kwetsbare locaties, met tussenpozen van maanden of jaren. Wetenschappers maken gebruik van dit feit voor de continue monitoring van natuurlijke fenomenen in gebieden met frequente debietstromen.

Onderzoekers van ETH Zurich en WSL waren goed voorbereid toen op 5 juni 2022 een debietstroom loskwam in Illgraben, boven het dorp Leuk in Valais. Deze stroom vervoerde 25.000 kubieke meter puin vier kilometer door de bedding van de Illbach, voordat het in de Rhône bij Susten stroomde.

Het team van wetenschappers monitorde de natuurlijke fenomenen op verschillende meetstations. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift “Communications Earth & Environment”. In het dal observeerde het team een twee meter hoge en snel voortschrijdende voorkant van grote stenen van tot wel een kubieke meter aan grootte aan de voorzijde van de debietstromen.

Verder in het dal was de debietstroom langzamer, maar met frequente, snel bewegende en krachtige golven op het oppervlak. Tijdens het half uur durende evenement registreerden de onderzoekers 70 van dergelijke opwaartse golven.

Spontane opwaartse golven

“We weten al lange tijd dat deze opwaartse golven een sleutelrol spelen in de destructieve kracht van debietstromen,” zegt Jordan Aaron, professor engineeringgeologie aan de ETH Zurich. “Dit komt omdat opwaartse golven de stroom bijzonder dik en snel maken.” Volgens Aaron was er tot nu toe weinig bekend over de fysieke processen die deze opwaartse golven veroorzaken.

Dankzij de metingen van de debietstroom in juni 2022 en de daarop gebaseerde modellering weten de onderzoekers nu meer. “We hebben kunnen aantonen dat opwaartse golven spontaan ontstaan op het oppervlak van de stroom. Ze ontstaan uit kleine onregelmatigheden, die in de loop van de tijd groeien, in grootte en snelheid toenemen totdat ze hun maximale destructieve kracht bereiken.”

Deze bevinding staat centraal in een studie die Aaron’s team samen met onderzoekers van het Federaal Instituut voor Bos-, Sneeuw- en Landschapsonderzoek WSL en de Universiteit van Manchester heeft uitgevoerd. “Onze analyse biedt nieuwe inzichten in de dynamiek van debietstromen en zal beter risicobeheer op de middellange termijn mogelijk maken,” zegt Aaron. De destructieve kracht van de opwaartse golven bepaalt voornamelijk hoe gevaarlijk een debietstroom is.

Op basis van deze studie zullen wetenschappers in de toekomst in staat zijn in te schatten of een debietstroom opwaartse golven bevat en hoe destructief deze kunnen zijn. Hierop kunnen ze de krachten berekenen die buitenmuren van huizen en brugpijlers moeten weerstaan in een risicogebied. Deze informatie kan ook worden gebruikt om dammen en veiligheidsnetten in de juiste afmetingen te ontwerpen.

Metingen met hoge resolutie

Illgraben boven Leuk is bekend omdat daar jaarlijks meerdere debietstromen voorkomen. Sinds 2000 is het dal uitgerust met meetinstrumenten die de eigenschappen van debietstromen in hun natuurlijke omgeving registreren. De inzichten uit de nieuwe studie waren echter alleen mogelijk nadat het evenement in de zomer van 2022 met een nauwkeurigheid werd gemeten die nog nooit eerder was bereikt.

Dit werd gedaan met behulp van zeer nauwkeurige 3D-laserscanners, bekend als LiDARs. Deze apparaten meten afstand en snelheid en zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor zelfrijdende auto’s. In juni 2022 werden vijf LiDAR-scanners en zes high-speed videocamera’s gebruikt om de debietstroom in Illgraben vast te leggen.

Op drie meetlocaties werd het oppervlak van de debietstroom gedetecteerd met een ruimtelijke resolutie van 2 cm en een temporele resolutie van 0,1 seconden. Dit werd vervolgens gebruikt om de kracht en snelheid van de debietstromen te berekenen.

Dankzij de meetgegevens konden de onderzoekers een hypothese opstellen over de onderliggende fysieke processen en een numeriek model ontwikkelen. Dit wiskundige model wordt gebruikt om de voortgang van de debietstroom realistisch te simuleren.

De meetgegevens stelden de onderzoekers verder in staat om af te leiden dat grote rotsfragmenten een aanzienlijke invloed hebben op de lokale stroomdynamiek. “Dit fenomeen is in de meeste eerdere voorspellingen van debietstromen niet opgenomen,” zegt Aaron. “Het kunnen observeren en meten van deze effecten in het veld heeft ons in staat gesteld om deze natuurlijke processen nauwkeuriger te beschrijven en beter te begrijpen.”