Stefan Manser Ernst Stauffer Wildbach und Wildbachverbauungen Formen, Prozesse, Massnahmen und Ziele Eine powerpointgestützte Unterrichtssequenz
1. Einführung 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. Ereignisse wie extreme Niederschläge, die entweder sehr heftig sind oder lange andauern, können schliesslich ein Hochwasser auslösen. Ebenso kann starke Schneeschmelze zu einem Hochwasser beitragen. Hochwasser wirken je nach Gerinnesystem unterschiedlich. In Wildbachsystemen dominieren intensive Feststoffumlagerungen und ablagerungen. Hier kommt es überwiegend zu Übermurungen, Ufererosion und Übersarung. Flachere Gewässer im Tal hingegen gefährden vor allem durch Überschwemmungen. Es kann aber auch Ufer- und Sohlenerosion auftreten, was zu Unterspülungen oder auch zu Sohlenauflandungen führt. Ein Wildbach ist ein oberirdisches Gewässer mit mindestens streckenweise grosser Gerinneneigung, schnell und stark wechselndem Abfluss und vorübergehend hoher Feststoffführung. Prozesse, die ein bestimmtes Gefälle voraussetzen wie beispielsweise ein Murgang können daher nur in Wildbachsystemen stattfinden. In geneigtem Gelände, entlang von Wildbächen und Gebirgsflüssen, tritt fliessendes Wasser mit hoher Fliessgeschwindigkeit aus seinem Bett aus. Durch die grosse Fliessenergie wird dabei viel Schutt und Geröll mitgerissen und ausserhalb des Gerinnes abgelagert (Übersarung). Die dynamische Überschwemmung dauert gewöhnlich nur kurz (einige Stunden). Bedingt durch das geneigte Gelände fliesst das Wasser wieder ab. Dabei kann es allenfalls erneut Erosion verursachen. Hochwasser bedeutet grosse Wassermassen und oft auch hohe Geschwindigkeiten. Durch seine Wucht kann es Menschen und Material mit sich reissen und Bauwerke zerstören. Ufer- und Tiefenerosion können Fundamente von Bauwerken untergraben. Das mitgeschleppte Geschiebe eines Hochwassers führt oft zu Beschädigungen an Kulturland und Bauten. In der Schweiz wird insbesondere seit Mitte des 19. Jahrhunderts sehr viel für den Hochwasserschutz getan. Heute hat das Sichern des Unterhalts von bestehenden Schutzbauten erste Priorität. Im weiteren soll das Schadenpotential durch raumplanerische Massnahmen vermindert werden, indem gefährdete Gebiete nicht überbaut und Freiräume für Gewässer erhalten oder geschaffen werden. Reichen diese Massnahmen nicht, werden zeitgemässe aktive Massnahmen (z. B. Gerinneausbau, Rückhaltemassnahmen oder Ab- und Umleitung von Hochwasserspitzen) ergriffen, welche das Gefahrenpotential senken. 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: 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. (planat@bafu.admin) 2
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: Mit neuen Medien lassen sich Sachverhalte, Prozesse und Formen homogener in einen logischen Zusammenhang stellen. Die Powerpointpräsentation «Wildbach und Wildbachverbauungen» eignet sich sehr gut, um die Grundlagen für eine Gesamtschau Hydrologie, insbesondere im Teilbereich Wasserbau darzustellen. Zugänglichkeit: Formen, Prozesse, Verbauungsmassnahmen und Ziele dieser Verbauungsmassnahmen werden in dieser Präsentation sachlich richtig, im Zusammenhang logisch dargestellt. In der Umsetzung wird ein vorsichtig konstruktivistischer Ansatz gewählt. Lernziele: Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten das Wissen um Prozesse, wie sie in einem Wildbachsystem ablaufen können und verstehen die Genese der dabei resultierenden Formen. bilden eine Vorstellung über die zerstörerische Energie, die einem Hochwasser innewohnen kann und lernen, das Gefahrenpotential eines Wildbaches einschätzen. erarbeiten die Fähigkeit zum prozessorientierten Denken und zum Ableiten möglicher Massnahmen zur Eindämmung oder zur zielorientierten Lenkung hydrologischer Prozesse. 3. Sachanalyse Ein zentraler Aspekt der Unterrichtssequenz besteht darin, dass in einem hydrologisch relevanten Teilsystem einem Wildbach Formen und Prozesse der Reliefbildung nachgezeichnet werden. 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 die Naturgefahr «Wildbach» 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 gehören- 3
den 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 In: www.proclim.ch/klima-portal/wasser/niederschlaege-abfluss/ hochwasser_occc2003.html (5.06.07) 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 Wildbachverbauungsmassnahmen modellhaft nachgezeichnet werden. Dabei wird die powerpointgestützte Form der Darstellung und Entwicklung gewählt. 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 eine vertiefte Anschauung. Dabei erkennt man verschiedene Niederschlags- und Verdunstungsformen. Aus diesen Grundlagen kann die Wasserbilanz eines Wildbacheinzugsgebietes aufgezeigt werden. Erst die detaillierte Analyse kann ein Extremereignis, das allenfalls zu Hochwasser und Überschwemmungen führen kann, umfassend darstellen. Die Transformation der Inputparameter (Niederschlagsmenge / -dauer / -intensität) in einem Einzugsgebiet ist dabei ebenso wichtig, wie die Inputparameter selbst. Hierbei spielen die Form eines Einzugsgebietes, die Oberflächenbeschaffenheit (Vegetation (Wald, offene Weidefläche); Versiegelungsgrad; Vergletscherungsgrad), der Untergrund (geologische Verhältnisse, Mächtigkeit der Böden) oder die Steilheit der zum Hochwasser beitragenden Flächen die zentrale Rolle. Als Output wird beim Wassertransport nicht nur Wasser bewegt, sondern in Extremfällen (Hochwasser, Überschwemmungen) findet ein eigentlicher Massentransport statt. Dieser Massentransport soll in einem Mikroausschnitt quantifiziert werden (Murgangfähigkeit eines Wildbaches) Als Abschlussprodukt der Teiluntersuchungen wird exemplarisch ein Wildbachsystem verbaut. Zielsetzung ist dabei unter Ausklammerung der finanziellen Aspekte (Tragbarkeit für eine Gemeinde, Bundesbeiträge etc.) die Prozesse einzuschränken oder zu lenken, dass sie für den Menschen ideal sind, d.h. die Naturgefahr für den Menschen einschätzbar zu machen. Mit präzisen Visualisierungen sollen Prozesse und Verbauungsmassnahmen aufgezeigt und erfahrbar gemacht werden. 4
Arbeitsauftrag 1 / Zielsetzung 1 Beschreiben Sie das Hijulströmdiagramm. Erklären Sie die Prozesse «EROSION», «TRANSPORT» und «ABLAGERUNG» indem Sie Die Fliessgeschwindigkeit 100cm/sec annehmen und diese bis auf 1cm/sec verringern. Erklären Sie die Prozesse «ABLAGERUNG», «TRANSPORT» und «EROSION» indem Sie Die Fliessgeschwindigkeit 1cm/sec annehmen und diese bis auf 100cm/sec steigern. Das Hijulströmdiagramm HASLER M., EGLI H.R., 2004: 95 5
Arbeitsauftrag 2 / Zielsetzung 2 Beschreiben Sie die sowohl die Form des Einzugsgebietes als auch die Form des Abflusses der Illustrationen. Erklären Sie die Unterschiede in den Abflusskurven. Wo liegen die Probleme und welche Lösungsansätze schlagen Sie vor? Die Auswirkungen der Form eines Einzugsgebietes auf die Hochwasserspitze und den Hochwasserverlauf HASLER M., EGLI H.R., 2004: 97 6
Arbeitsauftrag 3 / Zielsetzung 3 Entwickeln Sie am Beispiel Wildbach und Wildbachverbauungen je ein Begriffsnetz zu Form (geomorphologischen Kleinformen), Prozess (fluviatile Prozesse), Massnahmen (Schutzmassnahmen durch den Menschen) und Ziel (der menschlichen Schutzmassnahmen) Wildbach und Wildbachverbauungen HASLER M., EGLI H.R., 2004: 96 7
Arbeitsauftrag 4 / Zielsetzung 4 Erstellen Sie in Tabellenform und stichwortweise: Die Ursachen für verheerende Schäden früher und heute. Die Massnahmen der Menschen früher und heute. Das Verhältnis Mensch gegenüber der Natur früher und heute. Früher Ursachen für verheerende Schäden Heute Ursachen für verheerende Schäden Massnahmen Massnahmen Verhältnis: Mensch Natur Verhältnis: Mensch Natur HASLER M., EGLI H.R., 2004: 99/102 8
Arbeitsauftrag 5 / Zielsetzung 5 Exkurse Kanderkorrektion und Linthkorrektion Stellen Sie fest, welche Gemeinsamkeiten die Kander- und die Linthkorrektion aufweisen. Stellen Sie fest, welche Unterschiede die Kander- und die Linthkorrektion aufweisen. Welche Auswirkung hat die Linthkorrektion gehabt? Gemeinsamkeiten Kanderkorrektion und Linthkorrektion Unterschiede Auswirkungen der Linthkorrektion HASLER M., EGLI H.R., 2004: 100-101 9
Mögliche Lösungen 1 Beschreibung Das Hijulströmdiagramm zeigt die Transportkapazität fliessenden Wassers in Abhängigkeit von der Korngrösse und der Strömungsgeschwindigkeit bei einer Wassertiefe von einem Meter. Fliessgeschwindigkeit abnehmend von >100cm/sec bis auf 1cm/sec: Die Körner im Feld «Erosion» geraten in Bewegung und werden bis ins Feld «TRANSPORT» bewegt. Gerät die Strömungsgeschwindigkeit unter den Wert, der durch die dicke Linie begrenzt ist, dann wird die entsprechende Korngrösse abgelagert. Fliessgeschwindigkeit zunehmend von 1cm/sec bis auf>100cm/sec: Die Körner im Feld «ABLAGERUNG» brauchen eine höhere Strömungsgeschwindigkeit, als diejenige bei der sie sich abgsetzt haben. Die Kohäsion (Zusammenhangskraft) ist verantwortlich dafür. Der Strömungsunterschied nimmt mit feiner werdender Korngrösse zu. 10
Mögliche Lösungen 2 Form des Einzugsgebietes A Die Form des Einzugsgebietes A ist länglich mit einem Hauptgerinne in der Talsohle. Von den schmalen (wahrscheinlich steilen) Hängen beidseits des Tales münden kurze Wasserläufe ins Hauptgerinne. Die Distanz welche verschiedene Wassertröpfchen eines Starkniederschlages innerhalb des Einzugsgebietes bis zu einem Pegel zurückzulegen haben, ist dabei sehr unterschiedlich, was sich auf die Ganglinie bei einem Pegel (Messtation) auswirkt. Form des Einzugsgebietes B Die Form des Einzugsgebietes B ist eher kreisförmig mit in der Regel mehr als einem Sammelabfluss aus den Teilgebieten. Am Ausgang des Einzugsgebietes vereinigen sich alle Teilgerinne zu einem Hauptgerinne. Die räumlichen Distanzen innerhalb des Abflussgebietes sind sehr kurz, d.h. die Wassermassen aus den verschiedenen Teilgebieten des Einzugsgebietes erreichen den Pegel (Messtation) zu ungefähr dem gleichen Zeitpunkt, was sich in der Ganglinie B sehr schön zeigt. Unterschiede in den Abflusskurven Die Abflusskurve des Einzugsgebietes A nimmt stetig zu bis zum Spitzenwert. Danach nimmt der Abfluss langsam und kontinuierlich wieder ab. Die Form des Einzugsgebietes wirk sich positiv auf den Abfluss aus. Die Wassermassen aus den Niederschlägen in diesem Gebiet werden vom Hauptwasserfluss gefasst und wegen des zum Teil langen Weges durch das Gebiet erst nach und nach den Pegel (Messtation) erreichen. Die Abflussmenge nimmt zwar aufgrund des Starknierderschlages zu, erreicht aber keine eigentliche Hochwasserspitze. Die Konzentrationszeit im Einzugsgebiet B ist sehr kurz. Der Abfluss erreicht innerhalb kürzester Zeit ein Maximum. Er sinkt dann innerhalb kurzer Zeit wieder ab, um danach wieder zum Normalwert zurückzukehren. Die Wassermassen aus den Niederschlägen in diesem Gebiet erreichen innerhalb kurzer Zeit den Pegel (Messtation). Das ergibt eine grosse Hochwasserspitze. Sie bildet sich zwar in kurzer Zeit wieder zurück, kann aber durch ihren Extremwert grosse Überlutungen am Einzugsgebietsausgang hervorrufen. Probleme und Lösungsansätze Das eine Problem ist die Form des Einzugsgebietes. Daran kann auch der Mensch nichts ändern. Das zweite Problem sind die Hochwasserspitzen. Im Einzugsgebiet A ist diese Spitze nicht so gravierend. Im Einzugsgebiet B können die Hochwasserspitzen im Raum des Gebietsausgangs grosse Überflutungen hervorrufen. Patentrezepte gibt es wohl keine. Aber es stellt sich die Frage, ob durch Aufforstungen, durch das Schaffen von (natürlichen) Rückhaltebecken oder durch gezieltes Überfluten von weniger wertvollen Räumen (Weiden, Kiesgruben) das Wasser kurzzeitig gezielt zurückgehalten werden kann. Ebenso kann eine Veränderung im Versiegelungsgrad eines rundlichen Einzugsgebietes gravierende Folgen haben. 11
Mögliche Lösungen 3 12
Mögliche Lösungen 4 Früher Ursachen für verheerende Schäden Starkniederschläge Schneeschmelze grosse Vorbefeuchtung im Einzugsgebiet Waldrodungen Heute Ursachen für verheerende Schäden Starkniederschläge Schneeschmelze grosse Vorbefeuchtung im Einzugsgebiet Einengung der Gewässer Bodenversiegelung Bauten im Gefahrenbereich Zustand des Waldes (?) Massnahmen Massnahmen Aufforstung Hartverbauungen: Sperren Treppen Dämme Geschiebesammler Differenzierung der Schutzziele Renaturierungen («Emme 2050») Rückhaltebecken Gezieltes Überfluten von weniger wertvollen Räumen (Wiesen, Weiden, Kiesgruben) Gefahrenkarten Evakuationspläne Verhältnis: Mensch Natur Verhältnis: Mensch Natur Der Mensch versucht mit Hilfe der Technik die Kräfte und die Prozesse (z.b. Kander, Emme, Linth) in den Griff zu bekommen. Die Einsicht (noch nicht Handlung!) des Menschen wächst, dass er der Natur wieder mehr Platz einräumen muss. Nicht alles, was technisch machbar ist, ist auch sinnvoll! Andere Ursachen und Massnahmen: Ausgedehnte Sumpfgebiete in den Schwemmebenen der Flüsse wurden immer wieder zu Seuchenherden und stellten ein Gesundheitsrisiko für Menschen und Tiere dar. Die stark wachsende Bevölkerung brauchte grössere Flächen für die Landwirtschaft und für die Siedlung. Im Rahmen von gross angelegten Gewässerkorrektionen wurden ganze Ebenen entsumpft und für die landwirtschaftliche Bewirtschaft mittels Drainage urbar gemacht. Zusätzlich wurden Meliorationen durchgeführt. Im Zuge der Gewässerkorrektionen wurden Flüsse kanalisiert, begradigt und wo immer möglich in einen See umgeleitet. 13
Mögliche Lösungen 5 Kanderkorrektion und Linthkorrektion Gemeinsamkeiten Überschwemmungen in der Ebene Keine Einmündung in einen See Rückstau, Überschwemmungen Nach der Korrektion: Ansteigen des Seespiegels Unterschiede Sumpffieber in der Linthebene Tagsatzung gab den Auftrag für eine Korrektion Linthkorrektion erfüllte die Erwartungen von Anfang an Auswirkungen der Linthkorrektion Seeabsenkung von 5,4 Metern Sumpffieber verschwand ganz Weite Flächen wurden melioriert Selbst beim Jahrhundert-Hochwasser 1999 hielten die Dämme stand. Sie mussten allerdings danach teilweise erneuert werden. 14