Onderstaand artikel is uitgekozen als uitgelicht artikel van Geo.brief 2021-5 (gratis voor leden van het KNGMG). Wilt u lid worden van het KNGMG, dat kan via deze link.

Puinstromen (debris flows) behoren tot de meest ernstige natuurlijke gevaren die de mens en zijn omgeving bedreigen. Jaarlijks vallen vele slachtoffers en wordt grote materiële schade door puinstromen aangericht. Voor zijn bachelorscriptie vergeleek Eise Nota bij de vakgroep Geohazards & Earth Observation (Departement Fysische Geografie, Universiteit Utrecht), verschillende rekenkundige benaderingen die gebruikt (kunnen) worden om, op basis van geomorfometrische parameters, de stroomsnelheid van debris flows te bepalen. Met zijn scriptie won hij de Jelgersmaprijs van het KNGMG. De jury prijst “de professionele en kundige manier waarop hij een zeer technisch en complex onderwerp heeft doorgrond en beschreven. Chapeau!”

Eise Nota met de oorkonde van de Jelgersmaprijs.

Debris flows komen voor in bergachtige gebieden. Het zijn snel bewegende massa’s sediment gemengd met lucht en water, die, als een helling instabiel wordt door bijvoorbeeld overmatige regenval, smeltende sneeuw, een aardbeving of een vulkanische uitbarsting, zich ongecontroleerd verspreiden over een berghelling of zich bergafwaarts bewegen door bestaande geulen. De korrelgrootte van het materiaal is fijn tot zeer grof, van klei tot rotsblokken met een diameter van enkele meters. Om debris flows beter te begrijpen, de gevaren ervan beter te voorzien en mogelijk preventieve maatregelen te kunnen treffen, is meer kennis van de meest bepalende parameters, waaronder stroomsnelheid, van groot belang.

Hoe is Eise Nota in de wereld van puinstromen terecht gekomen? “Ik was van kleins af aan al gefascineerd door planeten en de natuur en wilde daar altijd al boeken over lezen en documentaires over kijken. Die interesse is nooit weggegaan en de studie aardwetenschappen was dan ook een logische keuze. Toen ik bij het vak Aardobservatie van Tjalling de Haas en Wiebe Nijland over het onderzoek aan debris flows hoorde, en daar ook de mogelijkheid was om een scriptie te schrijven, heb ik mij onmiddellijk aangemeld. Ik kon de volgende dag aan de slag.”

Werkgebied

De geul waaraan Nota onderzoek heeft gedaan is de Illgraben, een geul in het kanton Valais (Wallis), Zwitserland, die in een ruwweg zuid-noord richting, water en puin afvoert van de bergen ten zuiden van het Rhônedal naar de Rhône toe. In de buurt van het dorp Susten, iets stroomopwaarts van Sierre, mondt hij in de Rhône uit (zie figuur 1). Daar, bij de uitmonding, heeft het Zwitserse federale instituut voor Bos, Sneeuw en Landschapsonderzoek (WSL) een geautomatiseerd observatie- en meetstation opgezet dat onder andere de snelheid van de langsrazende puinstromen registreert. Elders langs de geul, met name in het onderste gedeelte, maar ook hoog in het afwateringsgebied, heeft WSL een aantal meteorologische meetpunten geplaatst.

Om de schade in het gebied langs de geul te beperken zijn dammen gebouwd om het stroombed te stabiliseren, sediment te vangen en de afvoermogelijkheden te verbeteren. Tot hoog op de puinwaaier zijn deze ingrepen toegepast, zodat van actieve puinwaaiervorming nu geen sprake meer is.

Oorzaak van de puinstromen in de Illgraben zijn niet aardbevingen of vulkanische activiteit, de combinatie neerslag en type materiaal is op zich al desastreus genoeg. Het gesteente in het brongebied bestaat uit sedimenten van Trias ouderdom, kwartsieten met inschakelingen van dolomieten en schisten, en ook kalken. Vooral de dolomieten en schisten zijn vatbaar voor erosie en leveren gemakkelijk het modderige matrixmateriaal voor de puinstromen, waarin de kwartsiet en kalk dan veelal de grotere rotsblokken vormen (zie foto).

“Als oorzaak van de puinstromen in de Illgraben is de combinatie van neerslag en type materiaal op zich al desastreus genoeg.”

Figuur 1. Locatie en stroomgebied van de Illgraben.

Superelevatie

Vele studies hebben geprobeerd een empirisch verband te vinden tussen verschillende parameters die een puinstroom zouden kunnen karakteriseren, zoals piekafvoer, puinstroomvolume, gemiddelde snelheid, materiaaleigenschappen en superelevatie, ofwel het hoogteverschil van het oppervlak van een puinstroom in de binnen- en de buitenkant van een bocht. Oorzaak van dat hoogteverschil is de middelpuntvliedende kracht die de debris flow in de bochten van een geul ondervindt en die maakt dat het oppervlak van de bewegende massa enigszins ‘schuin’ komt te staan. Op deze laatste parameter, en de mogelijkheid om daaruit stroomsnelheid te bepalen, heeft Nota zich geconcentreerd. De relatie superelevatie versus snelheid is gebaseerd op een semi-empirische methode, de ‘forced vortex approach’. Deze gaat ervan uit dat de puinstroom beweegt als een vast coherent lichaam, waarin alle deeltjes in de ‘vloeistof’ dezelfde hoeksnelheid hebben. Invoering van gemeten of geschatte parameters en constanten in de (empirisch) afgeleide formules levert een waarde voor de stroomsnelheid op.

Drone data

Zelf heeft Nota de Illgraben niet bezocht. Na drie recente debris flows, op 21 juni, 26 juli en 11 augustus 2019, verzamelden zijn begeleiders Tjalling de Haas en Wiebe Nijland met een drone gedetailleerde 3D-beelden van de Illgraben. Die data heeft Nota onderzocht voor zijn onderzoek. De drone vliegt langs voorgeprogrammeerde lijnen en maakt daarbij sets van overlappende foto’s. Als geo-referentiepunt voor de drone data worden Ground Control Points (GCPs) gebruikt, vaste punten in de nabijheid van de geul, waarvan de 3D positie, coördinaten en hoogte boven zeeniveau, nauwkeurig zijn bepaald. Zo’n GCP kan bijvoorbeeld een haaientand op de weg zijn, of een groot vastliggend rotsblok (dat soms minder vast blijkt te liggen dan gedacht).

Tjalling de Haas bouwde met de drone-fotogegevens en de control point data in het fotogrammetrische software pakket Agisoft voor elk van de drie puinstroomgebeurtenissen een ‘puntenwolk’ op, waarin elk punt X, Y, Z-coördinaten en spectrale identiteit heeft (‘kleur’ voor de visualisatie). De punten van de wolk werden gebruikt om een driehoeksnetwerk (triangle mesh) te genereren, en daaruit kon een 3D Digital Elevation Model (DEM) van de geul worden afgeleid, met een zeer hoge nauwkeurigheid van 2,5 centimeter.

Met gespecialiseerde GIS software analyseerde Nota vervolgens de puntenwolken en DEMs. In de digitale modellen kon hij voor in totaal 141 geulbochtdoorsnedes de voor de forced vortex methode benodigde geomorfometrische parameters opmeten en berekenen. Parameters zoals de vorm van een geulbocht, dat wil zeggen de straal van de bocht en de vorm en oppervlakte van de doorsnede van de bocht vóór en na het passeren van de puinstroom, geulbreedte en -helling en de superelevatie, gemeten als het verschil in hoogte tussen moddersporen in binnen- en buitenbocht (zie figuur 2).

Figuur 2. Puinstroomgeul parameters. Gemeten en afgeleide/bepaalde geomorfometrische parameters in de forced vortex vergelijking. Stroom is naar de lezer toe. Beeld afgeleid uit een van de puntenwolken die gebruikt zijn in het onderzoek. Geulbreedte B = 13,3 m.
A: oppervlakte van de geuldoorsnede
B: geulbreedte
Δh: superelevatie
β: superelevatiehoek
H1: hoogte van het puinstroomoppervlak in de binnenbocht
H2: hoogte van het puinstroomoppervlak in de buitenbocht
Rc: straal van de centrumlijn
P: omtrek puinstroomdoorsnede

“Dat de drone bepaalde veldmetingen zelfs nauwkeuriger doet dan een mens in het veld, is duidelijk.”

De verkregen parameterwaardes heeft Nota ingevoerd in een groot aantal, door eerdere auteurs voorgestelde, formules die de relatie tussen superelevatie en stroomsnelheid beschrijven. De daarmee berekende snelheden vergeleek hij vervolgens met de feitelijke, door het meetstation aan de uitmonding van de geul voor de betreffende puinstroom geregistreerde, waardes. Zo kon hij conclusies trekken over de toepasbaarheid en de nauwkeurigheid van de verschillende mathematische benaderingen.

Resultaten

Hoofddoel van het onderzoek was het toetsen en vergelijken van bestaande, op de forced vortex benadering gebaseerde, debris flow snelheidsvergelijkingen, en, direct daaruit volgend, het valideren van de geschiktheid van de forced vortex methode als zodanig in puinstroomsnelheidsonderzoek. Ook is onderzocht of, en zo ja hoe, de vorm van de geuldoorsnede (asymmetrisch, rond, V-vormig of trapeziumvormig) effect kan hebben op de snelheidsberekeningen. Nota concludeert dat de door onderzoekers meest gebruikte formule voor snelheidsberekening met de forced vortex methode ook in zijn onderzoek het beste resultaat oplevert. Maar hij stelt ook een verbetering voor: uit de gegevens heeft hij een statistisch verband kunnen afleiden tussen de in sommige formules gebruikte zogenaamde debris flow-correctiefactor en een aantal andere, meetbare, geulparameters. Die correctiefactor kan dus verdwijnen! Een duidelijk, betrouwbaar effect van geuldoorsnede op de snelheidsberekeningen heeft hij niet kunnen aantonen. Daarvoor waren de data niet toereikend. Er lijkt een relatie te zijn – maar verder onderzoek is nodig.

Toekomst

Er is nog veel te leren over puinstromen, en dat een drone daarbij een belangrijk hulpmiddel is, is zeker. “Mijn onderzoek is, met uitzondering van de snelheidsmetingen aan de uitmonding van de Illgraben, volledig gebaseerd op GIS software. Er zijn zeker factoren te bedenken die ook invloed hebben op de puinstromen en die (nog niet) goed op afstand te meten zijn, denk aan bodemvochtigheid en -korrelgrootte. Maar dat de drone bepaalde veldmetingen kan vervangen, en die zelfs nauwkeuriger doet dan een mens in het veld, is duidelijk. Met name voor werk in moeilijk toegankelijk terrein is dat een enorme verbetering.”

Natuurlijk zijn er nog andere grote vragen, zoals: hoe kunnen we grootte(verdeling) van modder en puinbrokken, de samenstelling van het materiaal en het puinstroomvolume bij de berekeningen betrekken? Kunnen we eigenlijk wel de snelheid bij de uitmonding gebruiken als de puinstroomsnelheid waarmee we de met de formules berekende snelheid vergelijken? En: hoe kunnen we stroomgootresultaten opschalen naar de werkelijkheid? De uit laboratoriumproeven afgeleide empirische formules scoorden in onderzoek niet hoog.

Wat dat laatste betreft: momenteel is Nota voor zijn MSc scriptie bezig met een vervolgstudie in de stroomgoot. Die heeft geen bochten, maar biedt wel mogelijkheden om bijvoorbeeld erosie door puinstromen te onderzoeken. Welke parameters zijn van belang? Snelheid, materiaal, waterverzadiging? En hoe zijn die aan elkaar te koppelen? “Wat ik het leukste aan mijn bachelor-onderzoek vond, was het puzzelen met de verzamelde dataset en onderzoeken of ik ergens verbanden kon vinden. Dat wil ik ook met de stroomgootdata doen. Kan ik de relaties tussen de verschillende parameters in een mathematisch model vangen? En de resultaten wil ik dan heel graag toetsen ‘in het veld’, bijvoorbeeld met gegevens van een drone vóór en na een puinstroom, mogelijk in de Illgraben, daar heeft de vakgroep al zoveel data van.”

                                                                                                                                                                  Frédérique van Schijndel

Puinstroom in de Illgraben. Bron: YouTube