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Forecast and warning concept for landslides in Switzerland based on rainfall triggering thresholds and multiscale hydrological modelling

English title Forecast and warning concept for landslides in Switzerland based on rainfall triggering thresholds and multiscale hydrological modelling
Applicant Molnar Peter
Number 165979
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Umweltingenieurwissenschaften ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geomorphology
Start/End 01.10.2016 - 30.11.2020
Approved amount 259'965.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Geomorphology
Hydrology, Limnology, Glaciology

Keywords (10)

Naturgefahren; Erdrutsche; Extremniederschläge; Prognosesysteme; hydrologische Modellierung; natural hazards; landslides; extreme rainfall; forecasting systems; hydrological modelling

Lay Summary (German)

Lead
Titel: Frühwarnsystem für Erdrutsche in der Schweiz basierend auf Niederschlagsschwellenwerten und hydrologischer ModellierungRutschungen sind entscheidende Landschaftsformungsprozesse in Berggebieten. In Form von Hangmuren, tiefgründigen Hangbewegungen, Geröll, Murgänge, usw., erodieren sie anfällige Berghänge und sind deshalb eine erhebliche Naturgefahr. Der Fokus in diesem Forschungsprojekt liegt auf den Erdrutsch auslösenden Niederschlägen und auf den Erdrutschungen als Massenbewegungsprozess. Erdrutsche ausgelöst durch Starkniederschläge sind die am häufigsten vorkommenden Rutschungen von Böschungen in der Schweiz mit beträchtlichen Schäden. Eine erhebliche Herausforderung in diesem Forschungsbereich ist die Entwicklung eines neuen Frühwarnsystems für Erdrutsche auf Einzugsgebietsebene.
Lay summary

Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts:

Wir haben die folgenden drei Ziele: (1) Wir wollen die Niederschlagsintensität und Niederschlagsdauer ermitteln, welche für Erdrutschungen verantwortlich sind unter Verwendung von hochauflösenden meteorologischen Datensätzen und bereits bestehenden Erdrutschdaten. (2) Wir werden ein skalenübergreifendes hydrologisches Modell entwickeln um den Bodenwassergehalt auf Einzugsgebietsebene mit allen relevanten hydrologischen Prozessen zu simulieren, um Herauszufinden inwiefern die Vorfeuchte die Erdrutsche beeinflusst. (3) Wir werden unsere Forschungsergebnisse durch die Entwicklung eines regionalen Erdrutsch-Frühwarnsystems, das auf der Grundlage von Niederschlagsprognosen von MeteoSchweiz und der modellierten Feuchtigkeit des Einzugsgebietes basiert, zur Verfügung stellen.  Regionen mit Erdrutschpotential sollen damit erkannt und dementsprechend Warnungen für diese Regionen erzeugt werden.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts:

Unsere Arbeit wird die wissenschaftlichen Erkenntnisse über die durch Niederschläge ausgelösten Erdrutsche in einer alpinen Umgebung verbessern. Das Erdrutsch-Frühwarnsystem wird in Demonstrationen und Implementierungstreffen mit potenziellen Anwendern, wie z.B. BAFU und Naturgefahrenbüros oder kantonalen Ämtern, getestet. Unsere Ergebnisse werden auch Auswirkungen auf die Elementarschadenversicherung und die Rückversicherungsbranche haben, für welche die Echtzeit-Warnsysteme nützlich sind um Regionen zu identifizieren, wo Schadensansprüche nach grossen Unwettern entstehen könnten.

Direct link to Lay Summary Last update: 06.04.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
120467 SedyMONT - Analysis and modelling framework for sediment production and yield in mountain basins under climate change (IP6) 01.10.2009 Project funding (special)

Abstract

Slope failures are critical landscape-forming processes in mountain environments, and in the form of shallow and deep-seated landslides, debris, rock and earthflows, they erode and shape hillslopes susceptible to failure and are a significant natural hazard. The focus in this research project will be on triggering rainfall and landslides as a mass wasting process. Shallow landslides triggered by heavy rain are the most common slope failure process in Switzerland generating substantial damage (Hilker et al., 2009). The basic premise for this research is that progress needs to be made in quantifying the main triggers of landsliding at landscape/river basin scales because it is at these scales that first order predictive models and warning systems need to be developed and risk needs to be quantified. The research plan aims to advance landslide prediction with three research goals and associated tasks. (1) We will address the research question of what is triggering rainfall (intensity-duration) for landslides and the environmental conditioning (pre-disposing factors) of landslide occurrence in Switzerland. Rainfall triggering thresholds will be analyzed with new datasets (MeteoSwiss) and with objective methods (ROC and Bayesian statistics), including quantifying the predictive strength of land surface pre-disposing factors (e.g. surface erodibility, geology, climate, vegetation). The main focus will be on daily rainfall for which long gridded rainfall products are available, and on hourly rainfall for recent events, together with detailed landslide inventories (WSL/BAFU). (2) We will ask in this research how pre-event soil moisture performs as a transient predictor of landslide occurrence. To answer this question we will develop a multiscale hydrological modelling framework which will simulate soil water content at the coarse landscape scale (~2 km) with all relevant hydrological processes (precipitation, evapotranspiration, snow accumulation and melt, runoff) and produce a sub-grid downscaling to hillslope-scale (~20 m) soil water content and resulting slope failure potential by physically-based slope stability modelling approaches (e.g. von Ruette et al., 2014; Anagnostopoulos et al., 2015). The sub-grid probability of slope failure as a function of antecedent wetness will be evaluated with respect to landslide inventories, including uncertainty. (3) We will translate our research results into an applied output by developing a first order regional Landslide Forecasting and Warning (LFW) concept (e.g. Schmidt et al., 2008), which on the basis of a rainfall forecast by NWP (COSMO) and forecasted soil wetness by the multiscale hydrological model will indicate regions with landsliding potential within the NWP lead-time, including associated prediction errors. The landslide forecast and warning system will be tested with potential users (BAFU and Cantonal natural hazard divisions).
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