Hydrology of a large unstable hillslope at Ebnit, Vorarlberg : identifying dominating processes and structures

Diese Arbeit soll die Zusammenhänge von hydrologischen Rahmenbedingungen und Massenbewegungen besser erforschen, damit in Zukunft verbesserte Vorhersagen des Versagenszeitpunktes möglich werden. Das Untersuchungsgebiet besteht aus einem ca. 2 km langen und 500 m breiten Hang mit einem maximalen Höhenunterschied von ca. 400 m. Das dort vorkommende Festgestein besteht im Wesentlichen aus Mergelstein. Die vergangenen Eiszeiten haben dieses Gestein überarbeitet und Grundmoränenablagerungen auf dem Hang zurückgelassen. Diese wurden in den letzen 10.000 Jahren von Hangschutt, der aus den benachbarten Steilhängen stammt, überlagert. Der Hangschutt ist sehr verwitterungsanfällig, die Kalkkristalle lösen sich und wandeln den Hangschutt in lehmiges Material. Bewegungsmessungen an der Oberfläche zeigen, dass sich der Hang mit ca. 10 cm im Jahr talabwärts bewegt. Diese Bewegungen werden sehr wahrscheinlich durch kleine ruckartige Ereignisse in ca. 8 m Tiefe ausgelöst. Ziel der Untersuchungen war, den Wasserhaushalt des Hanges so gut wie möglich zu erfassen und mit Computermodellen abzubilden. Dabei spielt die Heterogenität der pedologischen Eigenschaften einen wesentliche Rolle, als Eingangsparameter für die Modelle.Grundwasserstandsmessungen in 5,5 m Tiefe auf dem Hang zeigen schnelle Reaktionen des Grundwasserspiegels nach Niederschlagsereignissen. Das Wasser dieser Ereignisse kann aber aufgrund des Lehms, der nur eine geringe Wasserdurchlässigkeit für Wasser besitzt, nicht in den tieferen Untergrund gelangen, sondern fließt fast vollständig an der Oberfläche ab. Dahingegen führt ein schnelles Versickern von Wasser in an den Hang anschließenden Steilhängen zu einem schnellen Grundwasseranstieg, der aufgrund eines gespannten Grundwasserleiters den Druck in die Hangrutschung weitergibt. Dort wird ein Überdruck aufgebaut, der sehr wahrscheinlich die Bewegungen auslöst. Die vorliegende Arbeit ist eine detaillierte Herangehensweise um Erkenntnisse aus der Hyrologie für die Bestimmung des Wasserhaushaltes von Massenbewegungen heranzuziehen.

The objective of this thesis is to improve the knowledge of control mechanisms of hydrological induced mass movements. To this end, detailed hydrological process studies and physically-based hydrological modelling were applied. The study site is a hillslope in the Dornbirn Ache valley near Bregenz, Austria. This so called Heumös slope features a deep-seated translational shear zone and surface near creep movements of up to 10 cm a year. The Cretaceous marlstones of the Austrian Helveticum have a high susceptibility for weathering and might form clay-rich cohesive sediments. In addition, glacial and post-glacial processes formed an unstable hillslope. High yearly precipitation depths of about 2100 mm and rainstorms with both high intensities and precipitation depths govern surface and subsurface hydrological processes. Pressure propagation induced in hydrological active areas influences laterally the groundwater reactions of the moving mass. A complex three-dimensional subsurface pressure system is the cause for fast groundwater reactions despite low hydraulic conductivities. To understand hillslope scale variability, hydrotopes representing specific dominating processes were mapped using vegetation association distribution and soil core analysis. Detailed small-scale soil investigations followed to refine the understanding of these hydrotopes. A perceptional model was developed from the hydrotope distribution and was corroborated by these detailed investigations. The moving hillslope is dominated by surface-runoff generation. Infiltration and deep percolation of water is inhibited through clay-rich gleysols; the yearly average soil moisture is close to saturation. Steep slopes adjacent to the moving hillslope are far more active concerning infiltration, preferential flow and groundwater fluctuations. Spring discharge observations at the toe of the steep slopes are in close relation to groundwater table observations on the moving hillslope body. Evidence of pressure propagation from the steep slopes towards the hillslope body is gathered by comparison of dominating structures and processes. The application of the physically-based hydrological model CATFLOW substantiates the idea of pressure propagation as a key process for groundwater reactions and as a possible trigger for movement in the hillslope.