r.avaflow v1, an advanced open-source computational framework for the propagation and interaction of two-phase mass flows

Göttingen

Copernicus Publications

2017

553-569

Sonderdruck

202755

Geoscientic Model Development: An interactive open-access journal of the European Geosciences Union ; Jrg. 10 (2017) , 553-569

r.avaflow represents an innovative open-source computational tool for routing rapid mass flows, avalanches, or process chains from a defined release area down an arbitrary topography to a deposition area. In contrast to most existing computational tools, r.avaflow (i) employs a two-phase, interacting solid and fluid mixture model (Pudasaini, 2012); (ii) is suitable for modelling more or less complex process chains and interactions; (iii) explicitly considers both entrainment and stopping with deposition, i.e. the change of the basal topography; (iv) allows for the definition of multiple release masses, and/or hydrographs; and (v) serves with built-in functionalities for validation, parameter optimization, and sensitivity analysis. r.avaflow is freely available as a raster module of the GRASS GIS software, employing the programming languages Python and C along with the statistical software R. We exemplify the functionalities of r.avaflow by means of two sets of computational experiments: (1) generic process chains consisting in bulk mass and hydrograph release into a reservoir with entrainment of the dam and impact downstream; (2) the prehistoric Acheron rock avalanche, New Zealand. The simulation results are generally plausible for (1) and, after the optimization of two key parameters, reasonably in line with the corresponding observations for (2). However, we identify some potential to enhance the analytic and numerical concepts. Further, thorough parameter studies will be necessary in order to make r.avaflow fit for reliable forward simulations of possible future mass flow events.
r.avaflow ist ein innovatives Open-Source-Rechenwerkzeug, mit dem schnelle Massenströme, Lawinen oder Prozessketten von einem definierten Freisetzungsgebiet über eine beliebige Topographie in ein Depositionsgebiet geleitet werden können. Im Gegensatz zu den meisten existierenden Rechenwerkzeugen verwendet r.avaflow (i) ein zweiphasiges, interagierendes Festkörper- und Fluidmischungsmodell (Pudasaini, 2012); (ii) eignet sich zur Modellierung mehr oder weniger komplexer Prozessketten und Wechselwirkungen; (iii) berücksichtigt explizit sowohl Mitreißen als auch Stoppen mit Ablagerung, d. h. die Änderung der Basistopographie; (iv) ermöglicht die Definition von Mehrfachfreisetzungsmassen und / oder -ganglinien; und (v) dient mit eingebauten Funktionalitäten zur Validierung, Parameteroptimierung und Sensitivitätsanalyse. r.avaflow ist als Rastermodul der GRASS GIS Software frei verfügbar, wobei die Programmiersprachen Python und C zusammen mit der Statistiksoftware R verwendet werden. Wir veranschaulichen die Funktionalitäten von r.avaflow anhand zweier rechnergestützter Experimente: (1) generische Prozessketten, bestehend aus Massenmassen- und Ganglinienfreigabe in einen Stausee mit Mitnahme des Staudamms und Aufprall stromabwärts; (2) die prähistorische Acheron Rock Lawine, Neuseeland. Die Simulationsergebnisse sind im Allgemeinen plausibel für (1) und nach der Optimierung von zwei Schlüsselparametern vernünftig im Einklang mit den entsprechenden Beobachtungen für (2). Wir identifizieren jedoch einige Möglichkeiten zur Verbesserung der analytischen und numerischen Konzepte. Darüber hinaus sind gründliche Parameteruntersuchungen erforderlich, um den r.avaflow fit für zuverlässige Vorwärtssimulationen möglicher zukünftiger Massenstromereignisse zu machen.