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Modellierung des Lawinenschutzes in Wäldern
Die weit verbreitete Austrocknung als Folge des Klimawandels führt weltweit zu einer Zunahme der Waldbrände. Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts werden in der Schweiz zwischen Mai und November voraussichtlich viel mehr Waldbrände auftreten als heute. Am schlimmsten betroffen sein werden nach Ansicht von Expertinnen und Experten das Aaretal und die Tieflandgebiete des Kantons Bern. Im Kanton Tessin und im Engadin wird mit einem moderaten Anstieg gerechnet, während grössere Gebiete des Kantons Wallis in Brand geraten dürften. Diese Brände könnten Erosionen auslösen und die Schutzfunktion der Wälder beeinträchtigen. «Waldbrände werden in der Schweiz alltäglich werden», prognostiziert Johan Gaume, der das Schnee- und Lawinensimulationslabor (SLAB) der EPFL leitet. «Die gute Nachricht ist, dass wir es im Gegensatz zu anderen Auswirkungen des Klimawandels mit ziemlich langen Zeitskalen zu tun haben.»
Im Jahr 2018 zerstörte ein Feuer sechs Hektar Wald in Les Diablerets im Kanton Waadt. Dieses Gebiet, Les Voëttes genannt, erfüllt während des Winters eine Schutzfunktion gegen Lawinen. Gaume und Xingyue Li, Postdoktorandin am SLAB, wollten mehr darüber erfahren, ob und wie sich der Schaden auf die künftige Lawinenschutzfähigkeit des Waldes im Winter ausgewirkt haben könnte. Deshalb baten sie zwei Masterstudierende des Umweltingenieurwesens, den Fall für ihr Entwurfsprojekt zu untersuchen, wobei sie direkt mit der Umweltdirektion des Kantons Waadt (DGE) zusammenarbeiteten.
Kartierung der Lawinengefahr
Mit Hilfe eines am SLAB entwickelten digitalen Modells erstellten die Studierenden eine neue Lawinenrisikokarte als Grundlage für die Wiederaufforstungsstrategie der DGE. Sie stellten fest, dass künftige Lawinen bei Les Voëttes zwar schneller den Hang hinuntergehen werden, dass aber das relativ geringe Gefälle sie daran hindert, die darunter liegenden Häuser zu erreichen. Die erweiterte Lawinengefahrenzone umfasst nur ein zusätzliches Chalet, das zuvor ausserhalb der Grenze lag.
Die Karte der Position der Bäume nach dem Waldbrand © SLAB/EPFL
Die Studierenden machten zwei Empfehlungen für die DGE: dichte Baumgruppen an stark lokalisierten Stellen zu pflanzen, um die Stabilität zu verbessern, und zufällige Pflanzmuster im restlichen Wald zu verwenden, um den Schutz zu erhöhen. «Kleinere, ungefährliche Lawinen spielen eine Schlüsselrolle bei der Förderung der Biodiversität», sagt Francesc Molné, einer der beiden Master-Studenten, die am Designprojekt mitgearbeitet haben. «In Ökosystemen wie diesen sind Pflanzen und Wildtiere an diese Art von Ereignissen angepasst, daher ist es wichtig, dass sie weiter bestehen.»
«Unsere Ergebnisse entsprachen im Grossen und Ganzen unseren Erwartungen, aber sie sind weniger alarmierend als die Vorhersagen der DGE selbst», sagt Mitstudentin Clara Streule. «Wir wissen, dass Bäume einen Teil des Schnees während einer Lawine zurückhalten», fügt Molné hinzu, «das Simulationsmodell der EPFL berücksichtigt die räumliche Verteilung der Bäume mit hoher Genauigkeit. Das von der DGE verwendete Modell, das am WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF entwickelte RAMMS-Modell, ist in dieser Hinsicht nicht ganz so genau. Vielleicht liegt da der Unterschied.»
Mehrere Parameter
Die Ingenieurstudierenden haben mehrere Parameter in das Modell eingegeben, die alle Einfluss darauf haben, wie schnell sich eine Lawine bewegt und wie sie sich verhält. Dazu gehörten die genaue Position und Anordnung der überlebenden und geschädigten Bäume, die Exposition und Topographie des Geländes sowie verschiedene Schneearten (Neuschnee, Nassschnee sowie unter Einfluss von Wind komprimierte und stark komprimierte Platten). Molné und Streule benutzten eine Drohne, um Luftaufnahmen des Gebietes zu machen, die sie mittels Photogrammetrie kombinierten. Sie durchkämmten auch historische Aufzeichnungen der Region, wobei sie die schwersten Schneefallzahlen der letzten 100 Jahre in ihrem Modell verwendeten.
«Was ich am interessantesten fand, war unser Vertrauen in ein digitales Modell, um effektive Lösungen zu finden, während wir gleichzeitig die Grenzen des Modells erkannten und verstanden, wie verschiedene Faktoren das Endergebnis beeinflussten», sagt Molné. Streule stellt fest: «Das komplexe Gelände machte die topografische Vermessung zu einer Herausforderung. Die Programmierung der Flugbahn der Drohne stellte unsere mathematischen Fähigkeiten auf die Probe – es machte mir wirklich Spass, die Ärmel hochzukrempeln und die Theorie, die wir im Unterricht gelernt hatten, auf ein praktisches Problem anzuwenden.» Sie fügt hinzu: «Die Empfehlungen für den Kanton Waadt haben mir auch eine wichtige Lektion für meine zukünftige Karriere erteilt. Wenn wir den Klimawandel nicht umkehren können, wird ein grosser Teil meiner Arbeit darin bestehen, Wege zu finden, um unsere Lebensweise anzupassen und uns vor seinen schlimmsten Auswirkungen zu schützen.»
Weitere Zusammenarbeiten sind geplant
Die Methode der Studierenden könnte auf Schutzwälder in ganz Europa angewandt werden. «Diese Pilotstudie war eine Chance, unser digitales Modell zu testen», sagt Gaume, «jetzt sind wir gespannt, wie weit wir damit gehen können.» Seine Begeisterung wird vom Kanton Waadt geteilt. «Diese Forschung gibt uns neue Erkenntnisse darüber, wie bewaldete Hänge in geringer Höhe vor Lawinen schützen, und wird dazu beitragen, unsere Strategie zur Erhaltung der Wälder zu verbessern», erklärt Jean-Louis Gay von der Abteilung Forstinspektion der DGE. «Wir werden auch an anderen Standorten im Kanton wieder mit der EPFL zusammenarbeiten.» Eine wissenschaftliche Publikation, die auf den Arbeiten der Studierenden basiert, ist ebenfalls in Arbeit.