55 Geowissenschaften, Geologie
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Seit dem Ende der Kleinen Eiszeit in der Mitte des 19. Jahrhunderts findet in den Alpen eine rasche Gletscherschmelze statt, die durch den aktuellen Klimawandel zusätzlich verstärkt wird. Im Zuge dessen werden große Areale mit lockerem Sediment freigelegt, unter anderem in Form von Lateralmoränen. Diese erfahren aufgrund ihres hohen Anteils an Lockermaterial und ihrer großen Neigung häufig eine Überformung durch geomorphologische Prozesse wie Muren, Rutschungen oder fluvialen Abtrag. Die Ergebnisse bisheriger Studien weisen darauf hin, dass die Geomorphodynamik auf Lateralmoränen während und im direkten Anschluss an die Gletscherschmelze am höchsten ist und im weiteren Verlauf abnimmt. Diese Untersuchungen fanden meist nur zu einem einzigen Zeitpunkt, aber auf Lateralmoränenabschnitten in verschiedenen Abständen zur rezenten Gletscherzunge statt. Diese Abstände wurden dabei mit einer unterschiedlich langen Zeit seit Entgletscherung gleichgesetzt.
Im Gegensatz dazu wurde in dieser Arbeit anhand einer Auswahl von 10 Gletschervorfeldern in den Ostalpen der Frage nachgegangen, welche geomorphodynamischen Entwicklungen und Veränderungen von geomorphologischen Prozessen Lateralmoränen bei einer Beobachtung über Jahrzehnte hinweg zeigen. Für den Blick in die Vergangenheit wurden Archivluftbilder genutzt, die bis in die 1950er Jahre zurückreichen. Weitere Luftbilddatensätze stammen für die meisten untersuchten Gebiete aus den 1970er und 2000er Jahren. Die Luftbilder ermöglichten die Berechnung von Höhenmodellen, über deren Differenz Oberflächenveränderungen detektiert werden konnten. Aktuelle Fotoaufnahmen mit einer Drohne aus zwei aufeinanderfolgenden Jahren erlaubten zudem die hochgenaue Untersuchung rezent stattfindender Prozesse auf ausgewählten Abschnitten der Lateralmoränen. Die Ergebnisse zeigen ein sehr differenziertes Bild der Entwicklung der Morphodynamik und identifizierten Lateralmoränenabschnitte, deren Erosionsraten stagnieren, einen Lateralmoränenabschnitt mit zunehmenden Raten sowie eine überwiegende Anzahl mit über die Jahrzehnte abnehmender Morphodynamik, die jedoch bei vielen dieser Flächen auf einem hohen Niveau verbleibt. So weisen Moränenabschnitte mit hoher Morphodynamik ab Beginn des Beobachtungszeitraumes größtenteils bis heute sehr hohe Erosionsraten von bis zu 11 cm im Jahr auf und sind von einer starken Runsenbildung am Oberhang geprägt. Ein Zusammenhang zwischen der Entwicklung der Morphodynamik und der Zeit seit Entgletscherung konnte nur sehr bedingt festgestellt werden. Vielmehr deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Beschaffenheiten der Lateralmoränen wie die primäre Hangneigung zum Zeitpunkt der Entgletscherung großen Einfluss auf die spätere Morphodynamik ausüben. Aufgrund dieser Beobachtungen muss hinterfragt werden, inwiefern Vergleichsuntersuchungen von Moränenabschnitten in unterschiedlicher Entfernung zur rezenten Gletscherzunge tatsächlich Hinweise auf den Ablauf der Stabilisierung von Lateralmoränen liefern und ob die vorgeschlagenen Modelle einer raschen Stabilisierung innerhalb einiger Jahrzehnte nach Entgletscherung aufgrund dessen, was die in die Vergangenheit reichenden Daten zeigen, nicht überdacht werden müssen.
Im Kontext des schnell voranschreitenden, klimatisch bedingten Wandels im Hochgebirge wird in dieser Arbeit die Geomorphodynamik auf proglazialen Moränen im Hinteren Kaunertal in den Österreichischen Zentralalpen untersucht. Die bis zu 90° steilen und bis zu 200 m hohen Lateralmoränen des Gepatschferners und des Weißseeferners dienen als Untersuchungsflächen, um Veränderungen von geomorphologischen Prozessen in der Zeit seit Eisfreiwerdung und deren Saisonalität für Einzugsgebiete mit unterschiedlichen klimatischen, lithologischen, morphometrischen, hydrologischen und ökologischen Charakteristika festzustellen. Unter Verwendung von airborne und terrestrischen LiDAR-Daten wurden räumlich (1 m und 0.5 m Auflösung) und zeitlich (ALS: 2006, 2012 und 2014; TLS: 2011-2015) hochaufgelöste digitale Geländemodelle (DGMs) berechnet, um die formgebenden Mechanismen und deren Einflussfaktoren auf den proglazialen Lockermaterialhängen zu analysieren. Auf Basis der Geländemodelle werden die vorherrschenden Prozesse (Rutschungen, Murgänge und fluvialer Abtrag) (i) anhand von DoD quantifiziert und (ii) modelliert, (iii) mit der Auswertung von Profilanalysen differenziert und (iv) Veränderungen der morphometrischen Parameter Hangneigung, Rauigkeit und Krümmung festgestellt. Des weiteren werden meteorologische Daten ausgewertet und mit den Ergebnissen der räumlichen Analysen korreliert, um die erosionsvorbereitenden und -auslösenden klimatischen Einflussfaktoren zu determinieren.
Glacier retreat due to climate change is significant and well investigated on a
regional scale. Much less is known about local effects, especially in the proglacial
area. This thesis focuses on glacial changes and new methods to tackle the processes
therein. The glacial changes within the catchment of the river Fagge, in the upper
Kaunertal valley, are investigated by combining different direct glaciological, geodetic
and geophysical methods. Alongside long-term monitoring of glacier flow velocities
at adjacent glaciers, the investigation focuses on the glacier tongue of Gepatschferner.
In addition to the direct measurements of the ice motion and the determination of the
surface mass balance, the ice thickness and the thickness of subglacial sediments is
measured with vibroseismic soundings. Changes in total area, elevation and volume
are calculated from multiple high-resolution digital elevation models from airborne
laser scans. These detailed glaciological investigations are part of the joint project
PROSA, which focuses on the geomorphodynamics of the entire proglacial system
and aims at balancing the sediment budget therein.
The presented cumulative doctoral thesis consists of three publications and additional
results from the glaciological part of PROSA. This includes long-term
monitoring of glacier flow velocities (Paper 1), detailed investigations of the process
development of a surface depression at the tongue of Gepatschferner (Paper 2), and
an approach at closing the balances of ice, water and sediments on the glacier tongue
(Paper 3).
It turned out that the formation of circular and funnel-shaped surface depressions
occurs as a consequence of increased glacier retreat rates. Additionally, the process
of the depression development in turn increases the retreat rates. This exemplary
development was caused by the evacuation of subglacial sediments after a heavy
precipitation event and by decreasing glacier dynamics as a result of negative glacier
mass balances. Beside the mass balances, the horizontal motion and especially the
vertical motion of the glacier provide valuable information on the glacier state, such
as measured in the long-term program on Kesselwandferner. The magnitudes of the
mass exchanges showed the influence of extreme events, which exceed mean daily
and even annual turnovers, as well as the role of the melt water production at the
glacier tongue of Gepatschferner and its severe effect on the glacial runoff regime of
the river Fagge.
Mit der vorliegenden Arbeit wurden die wesentlichen abiotischen Parameter, Prozesse und Strukturen in den Donauauen zwischen Neuburg und Ingolstadt und dem hier als Umgehungsgewässer angelegten Ottheinrichbach erfasst. Ziel war es, die Hydro- und Morphodynamik in Fluss und Aue, ausgelöst durch die umgesetzten Renaturierungs-maßnahmen, zu untersuchen. Hierzu wurde eine Kombination aus unterschiedlichen Methoden gewählt, um die raum-zeitlichen Veränderungen am Fließgewässer umfassend zu dokumentieren.
Detailbetrachtungen von Datenreihen lieferten die Erkenntnis, dass der Pegelstand nach Erreichen eines mehr oder weniger konstanten Höchststandes aufgrund der maximal zur Verfügung stehenden Ausleitungsmenge von 30 m3/s Wassermenge unabhängig von der Dauer einer ÖF nicht mehr weiter zunimmt. Weiter konnten Unterschiede zwischen einem natürlichen Hochwasser und einer gesteuerten Flutung gezeigt werden. Die Ausbreitung der Flutungsflächen wird dabei durch Rückstauprozesse entscheidend beeinflusst. Die Ausdehnung der tatsächlich überfluteten kartierten Bereiche bleibt dabei jedoch deutlich hinter den über Modelle prognostizierten Überschwemmungsflächen zurück. Insgesamt hat sich durch die Renaturierung die Fläche, die bei Hochwasserereignissen überflutet wird, deutlich vergrößert und eine Verbesserung hin zu hydrodynamischen Standortverhältnissen konnte erreicht werden.
Über verschiedene morphologische Untersuchungen konnten eine Differenzierung bestehender und eine Entwicklung von neuen Habitaten festgestellt werden. Die Auswertungen der Querprofilvermessungen verdeutlichen eine sehr unterschiedliche „Entwicklungsfreudigkeit“ an den einzelnen Standorten. Gestützt wird diese Erkenntnis auch durch die Ergebnisse der Vermessung mit einem terrestrischen Laserscanner. Damit konnten verschiedene Einzelprozesse herausgefiltert werden und eine Quantifizierung der Erosion- und Akkumulation vorgenommen werden. Bemerkenswert ist die für manche Standorte extrem schnelle Entwicklung von diversen Bankstrukturen, insbesondere im ersten Jahr der Beobachtung. Allgemeiner ausgedrückt kann von verschiedenen Aktivitätsphasen gesprochen werden, da das Flussbett infolge dynamisierter Abflüsse und Fließgeschwindigkeiten einer ständigen Veränderung unterliegt.
Die wichtigste Voraussetzung für ein funktionstüchtiges Fließgewässer wurde durch die Dynamisierungsmaßnahmen (Dotierung des Umgehungsbaches, Steuerung bei einer Ökologischen Flutung und Umsetzung der Grundwasserabsenkung) geschaffen und bleibt bestehen: Raum für eigendynamische Gewässerentwicklung.
Die Untersuchungsergebnisse des großen Freilandexperiments „Dynamisierung der Donauauen“ zeigen, wie stark die Prozesse, welche die Entwicklung der Donauauen maßgeblich mitbeeinflussen, von der Steuerung und Durchführung der einzelnen Dynamisierungsmaßnahmen abhängen. Die Entwicklungen laufen dabei mit ausgeprägten räumlichen und zeitlichen Unterschieden ab und dürfen nicht pauschalisiert auf das ganze Auensystem übertragen werden.
Erhöhte Bodenerosionsraten sind auf Brandflächen, v.a. im mediterranen oder subtropischen Raum, eine vielfach auftretende Folge des Feuers. Auch die kanarische Insel La Palma unterliegt häufig dem Einfluss von Waldbränden. Der vorherrschende kanarische Kiefernwald bietet dabei ideale Bedingungen für eine rasche Ausbreitung des Feuers. Die Insel zeigt u.a. aufgrund ihres ausgeprägten Reliefs und des vulkanischen Ausgangsmaterials auch im Hinblick auf die Entstehung von Muren bzw. die Ausbildung von Gullies eine erhöhte Vulnerabilität des Bodens nach einem Brandereignis.
Die post-Brand-Bodenerosionsraten (2011-2013) wurden in vorliegender Studie mittels Terrestrischem Laser Scanning quantifiziert und lineare Erosionserscheinungen mithilfe von dGPS/GPS kartiert und mit Geographischen Informationssystemen analysiert. Damit sollte festgestellt werden, ob sich die Bodenerosionsraten sukzessive dem Ausgangszustand im Sinne eines „window-of-disturbance“ wieder angleichen konnten. Auch war eine Beurteilung der Bedeutung der Nadelstreuauflage und der Brandintensität eines Brandereignisses im Hinblick auf die Vulnerabilität der Böden Bestandteil der Untersuchungen, weshalb Flächen mit einer unterschiedlichen Brandgeschichte (2000, 2009 und 2012) betrachtet wurden.
Da die Bodeneigenschaften und die Niederschläge bei der Bodenerosion eine wesentliche Rolle spielen, wurden diese Faktoren auch in die Auswertungen miteinbezogen. Die Untersuchungen fanden in drei unterschiedlichen Bereichen im kanarischen Kiefernwald und auf einer landwirtschaftlich genutzten Fläche statt. Dabei sind die Standorte durch Unterschiede des Bodens und des Klimas gekennzeichnet.
Insgesamt konnte festgestellt werden, dass der Terrestrische Laser Scanner eine geeignete Methode für die Erfassung von Bodenerosion und Umlagerungsprozessen auf post-Brandflächen darstellt, sich die Einsatzfähigkeit jedoch nach einer gewissen Regeneration der Vegetation verringert.