Hydrologische Prozesse und Formen

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1 Stefan Manser Ernst Stauffer Hydrologische Prozesse und Formen Eine powerpointgestützte Unterrichtssequenz

2 1. Einführung Hochwasser entstehen immer durch das Zusammenspiel verschiedener Faktoren. Der Niederschlag ist zwar eine wichtige und in den meisten Fällen auch die auslösende aber bei weitem nicht die einzige Steuergrösse: Es spielt eine Rolle, wieviel Niederschlag in welcher Zeitspanne fällt, ob es in den Tagen zuvor sehr trocken oder sehr feucht war und auch die Art des Niederschlages (Schnee/Starkregen/Dauerregen) ist sehr wesentlich. Andere Grössen sind beispielsweise die Form, die Höhenlage, der geologische Untergrund oder auch die Art der Nutzung (Versiegelungsgrad, Bewaldung, landwirtschaftliche oder forstwirtschaftliche Nutzung) eines Einzugsgebietes. Bei extremen Hochwassern werden die langjährigen Hochwasserspitzen deutlich übertroffen. Im 20. Jahrhundert zeigen die Hochwasserspitzen in der Schweiz keine einheitliche Zu- oder Abnahme. Die Klimaänderung kann aber die Hochwasserbildung durch die Temperaturerhöhung und damit erhöhten Aktivitäten in der Atmosphäre (z.b. Veränderung der Evaporation, Veränderungen beim Niederschlag (z.b. Art, Menge, Dauer) und Veränderungen im Einzugsgebiet (Veränderung Vegetation) beeinflussen. In Gebieten des Mittellands, in denen heute schon Winterhochwasser auftreten, ist eine Zunahme der Hochwassergefahr wahrscheinlich. Bei hochalpinen Einzugsgebieten sind abflusserhöhende sowie -mindernde Faktoren zu beachten, so dass Veränderungen der Hochwassergefahr schwer vorhersagbar sind. (Armin Petrascheck in: Die aufgetretenen Hochwasser der letzten Jahre sind nicht eine Folge der Klimaerwärmung. Ihr Ausmass ist jedoch wegen der Klimaerwärmung möglicherweise grösser ausgefallen, als dies sonst der Fall gewesen wäre. Die Hochwasser sind weder ein Beweis noch ein Gegenbeweis für die Klimaänderung, sie passen aber ins Bild, das die Klimatologen als Folge der Erwärmung im Laufe des 21. Jahrhunderts erwarten. (www. proclim.ch) Das Zusammenspiel von Geländeform, Wassersättigung der Böden, Vegetation, mobilisierbarer Geschiebemenge, Schneeverteilung sowie technische Eingriffe an den Gewässern (z. B. Damm, Rückhaltebecken etc.) bestimmt die Bereitschaft für Hochwasser in einem Einzugsgebiet. 2. Didaktische Hinweise Didaktischer Hintergrund zu dieser (powerpointgestützten) Unterrichtssequenz bildet die didaktische Analyse nach Klafki (KLAFKI, 1980). Exemplarische Bedeutung der Inhalte: Fragen nach den Auswirkungen der Klimaveränderungen und der Klimaerwärmung auf den Wasserkreislauf, den Wasserhaushalt und die Wassersysteme werden die Menschheit des 21. Jahrhunderts mehr bewegen, als ihr lieb sein kann. Gegenwartsbedeutung: Im Alter zwischen 15 und 20 (Sekundarstufe II) erweitern die Jugendlichen ihren Horizont und stellen Herkömmliches in Frage und wenden sich neuen Lösungen zu. Zukunftsbedeutung: Jugendliche auf der Sekundarstufe II werden zukünftig in eine (Berufs-) Welt hineinwachsen, die durch Themen mit globalem und generellem Ansatz gekennzeichnet sein werden. Struktur des Inhalts: Neue Medien prägen immer mehr das Leben der Jugendlichen. Mit neuen Medien lassen sich Sachverhalte, Prozesse und Formen homogener in einen logischen Zusammenhang 2

3 stellen. Die Powerpointpräsentation «Hydrologische Prozesse und Formen» eignet sich sehr gut, um die Grundlagen für eine Gesamtschau Hydrologie darzustellen. Zugänglichkeit: Prozesse und Formen werden in dieser Präsentation sachlich richtig, im Zusammenhang logisch dargestellt und illustriert. In der Umsetzung wird ein vorsichtig konstruktivistischer Ansatz gewählt. Lernziele: Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten das Wissen um einen differenzierten globalen Wasserkreislauf erfassen die Bedeutung der Schweiz als Wasserschloss Europas bilden eine Vorstellung über die zerstörerische Energie, die einem Hochwasser innewohnt verstehen die hydrologischen Prozesse und die daraus resultierenden hydrologischen Formen 3. Sachanalyse Ein zentraler Aspekt der Unterrichtssequenz besteht darin, dass eine Form der Reliefbildung nachgezeichnet wird, nämlich die durch Wasser. Dabei stellt sich unweigerlich die Frage, was an dieser Reliefbildung natürlich ist und in welchem Mass und ob überhaupt etwas vom Menschen verursacht wird. Schädliche Auswirkungen wie Überschwemmungen und Hochwasser sind bekannt. Als Sozialeinheit in der man die Grundlagen, Voraussetzungen, Folgen und Auswirkungen der Reliefbildung (z.b. durch Hochwasser) diskutieren kann, ist der Klassenverband. In diesem Zusammenhang stellen sich verschiedene Fragen: Was kann eine einzelne Person oder eine Siedlung gegen eine Naturgefahr unternehmen? Die fachliche Herausforderung für die Lehrkraft, die für das gewählte didaktische Konzept verantwortlich zeichnet und für die Schülerinnen und Schüler, die sich in einem komplexen Thema und den dazu gehörenden Räumen befinden, ist die Verknüpfung von physikalischen Eigenschaften, von physischen Stoffen in den betroffenen (bewohnten) Räumen. Literaturhinweise HASLER M., EGLI H.R., 2004: Geografie Wissen und verstehen. Bern hochwasser_occc2003.html ( ) ( ) 3

4 4. Unterrichtskonzept Als Grundlage für die Unterrichtssequenz dient das Kapitel 5, «Hydrologie» des Handbuches für die Sekundarstufe II, HASLER M., EGLI H.R. (Hrsg), 2004: Geografie Wissen und verstehen, hep-verlag, Bern. Ein zentraler Aspekt der Unterrichtssequenz besteht darin, dass eine Art der Reliefbildung nachgezeichnet wird nämlich die durch Wasser. Dabei wird die powerpointgestützte Form der Darstellung und Entwicklung gewählt. An einem virtuellen Profil (früher heute) werden die Begriffe für die ablaufenden Prozesse entwickelt und in den meisten Fällen mit einem Beispiel visualisiert. Im Anschluss daran werden den einzelnen Prozessen die entsprechenden Formen in der Landschaft zugeordnet. Bei der Erarbeitung der Begriffsbildung anhand der Powerpointpräsentation stellen sich verschiedene Fragen. Was kann bei dieser Reliefbildung als «natürlich» bezeichnet werden? Auf welche Art und in welcher Zeit laufen hydrologische Prozesse ab? Sind Prozesse von aussen z.b. anthropogen beeinflussbar oder nicht? Diese Fragen können in Gruppen diskutiert und die Lösungsansätze im Plenum vorgestellt werden. 5. Materialien Als Grundlage für die Unterrichtssequenz dienen Materialien aus dem Kapitel 5, «Hydrologie» aus dem Handbuch Geografie Wissen und verstehen. Bei der Erarbeitung eines detaillierten Wasserkreislaufes unter Einbezug der Prozesse zeigt sich ein vertiefte Anschauung. Dabei erkennt man verschiedene Niederschlags- und Verdunstungsformen. Aus diesen Grundlagen kann die Wasserbilanz eines Gebietes errechnet werden. Überträgt man die Grundlagen auf die Schweiz, wird klar, dass die Schweiz in Sachen Wasserhaushalt eine grosse Verantwortung hat. Sie ist aus hydrologischer Sicht ein Zentrum Europas und wird daher auch Wasserschloss Europas genannt. Bei der Wasserbilanz im Vergleich zu Europa (ohne Schweiz) kommt der Wassserüberschuss aus dem Alpenraum der Schweiz deutlich zum Vorschein. Beim Wassertransport wird nicht nur Wasser bewegt, sondern in Extremfällen (Hochwasser, Überschwemmungen) findet ein eigentlicher Massentransport statt. Dieser Massentransport soll in einem Mikroausschnitt quantifiziert werden. Als Abschlussprodukt der Teiluntersuchungen wird ein Begriffsnetz erstellt, das die (fluvialen) Prozesse und die (fluvialen) Formen in einem virtuellen Profil darstellt. Mit präzisen Visualisierungen sollen diese Begriffe gefestigt werden. 4

5 Arbeitsauftrag 1 / Zielsetzung 1 Erstellen Sie möglichst präzise einen Wasserkreislauf als Vorspann für eine Wasserbilanz. Beginnen Sie mit dem Niederschlag. Nennen Sie alle Niederschlags-, Verdunstungs- und Abflussformen, die Sie kennen. Wasserkreislauf Niederschlagsformen 5

6 Arbeitsauftrag 2 / Zielsetzung 2 Erstellen Sie handschriftlich eine Skizze mit der Schweiz als hydrologischem Zentrum (Wasserschloss) Europas. Grenzen Sie dabei die grossen Flusseinzugsgebiete ab (Aare / Rhein / Rhone / Inn / Ticino) und überlegen Sie sich wohin das Wasser der Schweiz fliesst. Erklären Sie in eigenen Worten, was Sie darunter verstehen. Wasserschloss Europas 6

7 Arbeitsauftrag 3 / Zielsetzung 3 Nachvollziehen der Massenbewegungen während eines Hochwassers Abschätzen der Energie, die während eines Hochwassrs frei wir Massenbewegungen während eines Hochwassers (Mikroausschnitt) 7

8 Arbeitsauftrag 4 / Zielsetzung 4 Entwickeln des Begriffsnetzes der Fluvialen Prozesse entlang eines virtuellen Profiles. Entwickeln des Begriffsnetzes der Fluvialen Formen, die durch die fluvialen Prozesse ausgelöst werden, entlang eines virtuellen Profiles. Hydrologische Prozesse und Formen 8

9 Mögliche Lösungen 1 Wasserkreislauf Arten des Niederschlags Fallender Niederschlag Regen, Schnee, Hagel Absetzender Niederschlag Tau, Reif Arten der Verdunstung Evaporation aus Gewässern (Verdunstung) Evaporation aus Landoberflächen (Verdunstung) Transpiration von Lebewesen Evapotranspiration (= Transpiration und Evaporation) Arten des Abflusses Oberirdischer Abfluss in Gewässern Bach, Fluss, Strom Unterirdischer Abfluss Grundwasser 9

10 Mögliche Lösungen 2 Schweiz als Wasserschloss 10

11 Mögliche Lösungen 2 Mikrobereich Bach oder Fluss = Wasser + Schutt + Schlamm σ = 1 g/cm³ σ = 3 g/cm³ σ = 2 g/cm³ Mittelwert 2,5 g/cm³ Annahme Hochwasser 70 Vol% Wasser + 30 Vol% Schutt und Schlamm 0,7 x 1 g/cm³ + 0,3 x 2,5 g/cm³ = 1,45 g/cm³ ODER 1,45 t/m³ Wirkt als Bulldozer 11

12 Mögliche Lösungen 4 12