Hörsaal-Experiment mit Studierendenbeteiligung: "Der Unit-Hydrograph als Werkzeug zur Niederschlags-Abfluss-Prognose"

Umgesetztes Projekt

Ziele

Im Rahmen der Vorlesung werden neben den grundlegenden Komponenten des Wasserkreislaufs auch Konzepte zur mathematischen Modellierung des Niederschlags-Abflussverhaltens von unterschiedlich großen Einzugsgebieten behandelt.

Der sogenannte „Unit-Hydrograph“ (Einheitsganglinienverfahren) stellt ein für die Wasserwirtschaft und Hochwasservorhersage sehr wichtiges Konzept dar, welches in leichten Modifikationen noch heute genutzt wird. Ein Verständnis der Funktionsweise, aber auch der Limitierungen dieses Konzeptes, ist für die Studierenden von fundamentaler Bedeutung, sowohl im Rahmen einer wissenschaftlichen, als auch einer anderen beruflichen Karriere. Leider zeigten jedoch die Klausurergebnisse in den letzten Jahren immer wieder, dass dieses Konzept von einem Großteil der Studierenden, trotz einer intensiven Behandlung im Rahmen der Vorlesungen, nicht ausreichend verstanden wurde.

Aus diesem Grund wurde die gesamte LV ab dem WS2016/17 verstärkt mit Experimenten und interaktiven Lehrelementen ergänzt, welche im Hörsaal durchführbar sind, um so die Grundprinzipien der zu vermittelnden Inhalte ergänzend illustrativ darzustellen bzw. die Studierenden aktiv daran zu beteiligen bzw. zu integrieren.

Das hier vorgestellte Experiment stellt aus unserer Sicht das beste Beispiel aus den entwickelten Experimenten dar und wird im folgenden ausführlich beschrieben.

Kurzzusammenfassung

Die mathematische Modellierung der Niederschlags-Abfluss-Beziehung von hydrologischen Einzugsgebieten ist ein wichtiges Konzept der Ingenieurhydrologie, z.B. für die operationelle Hochwasservorhersage, und damit elementarer Bestandteil der 3h Vorlesung "Hydrologie und Wasserwirtschaft (B.Sc.; 3.Sem.)" im Studiengang Kulturtechnik und Wasserwirtschaft (KTWW) der BOKU Wien. Schwierigkeiten beim Verständnis der Funktionsweise und der Limitierungen des Modellkonzeptes führten zur Entwicklung eines Hörsaalexperimentes mit aktiver Beteiligung der Studierenden. Charakteristika des Experimentes sind: i) die Studierenden definieren im Hörsaal über ihre Anzahl und Sitzposition die Größe und Form des (virtuellen) hydrologischen Einzugsgebiet; ii) kleine Kunststoffbälle repäsentieren den Niederschlag (Wasservolumen), der in seiner Höhe und räumlichen Verteilung variiert werden kann; iii) Abflussbildungsprozesse und Fließwege im Gebiet können über "Regeln" zur "Weiterreichung" der Bälle (Wasserpackete) pro Zeitschritt definiert werden, bis diese schließlich den Pegel am Auslass des Gebietes erreichen; iv) dort werden die Bälle als Abfluss gesammelt (gemessen) und an der Tafel über ein Abfluss/Zeit-Diagramm bzw. Hydrographen dargestellt. Das Experiment ermöglich ein aktives "Miterleben" der Funktionsweise des Modells und hat zu einem insgesamt verbesserten Verständnis des Konzeptes geführt.

Summary

Rainfall-Runoff-Modelling in hydrological catchments is an important tool in engineering hydrology, for example it is applied in operational flood forcasting and is therefore a key component of the 3 hour lecture called "Hydrology and Water Management (B.Sc.; 3rd sem.)" in the German program called "Kulturtechnik und Wasserwirtschaft (KTWW)" of the BOKU, Vienna. Difficulties in understanding the functioning of the modlling concepts and their limitations led to the development of a lecture-experiment which invovled active student participation. Basic components of the experiment include: i) the number and seating positions of the students in the lecture-theatre define the size and the form of the virtual hydrological catchment; ii) small plastic balls represent some unit of precipitation (water volume), which can be varied in size and spatial distribution; iii) runoff generation processes and flow pathes in the catchment can be defined by "rules" to transfer the balls/water packages per time step to the outlet gauge of the catchment (here lecturer sampling the plastic balls); iv) the collected plastic balls at each time step represent the runoff and can be represented in a runoff-time diagram (called hydrograph).

The experiment allows for an active participation for the students and an immediate experience of the model functioning and lead to an improved understanding of the concept.

Nähere Beschreibung

KONZEPT:

Der sogenannte „Unit-Hydrograph“ (Einheitsganglinienverfahren) stellt ein für die Wasserwirtschaft und Hochwasservorhersage sehr wichtiges Konzept dar, welches in leichten Modifikationen noch heute genutzt wird.

Die Funktionsweise des „Unit-Hydrographs“ kann kurz folgendermaßen zusammengefasst werden:

Vom Niederschlag der auf ein Einzugsgebiet fällt gelangt nur ein gewisser Anteil zum Abfluss – ein anderer Teil wird z.B. in der Vegetation oder im Boden gespeichert beziehungsweise verdunstet. Man nennt diesen Anteil effektiven Niederschlag.

Dieser effektive Niederschlag wird je nach Landoberflächeneigenschaften (Form, Relief, Bodeneigenschaften, Fließgewässernetz) in einer gewissen zeitlichen Dynamik als Abfluss zum Auslasspegel des Gebietes „transportiert/transferiert“. Der „Unit-Hydrograph“ beschreibt diese Abflussdynamik für 1mm effektiven Niederschlag. Für größere und zeitlich komplexere Niederschlagsereignisse gelten die Prinzipien der Linearität (doppelte so großer effektiver Niederschlag, produziert doppelt so großen Abfluss), der zeitlichen Invarianz (egal zu welchem Zeitpunkt produziert 1mm effektiver Niederschlag immer die gleiche, für das Gebiet charakteristische Abflussganglinie) und der Superposition (additive Überlagerung einzelner Ereignisse), so dass daraus für jedes Niederschlagsereignis eine gebietsbezogene Abflussganglinie erzeugt wird.

 

EXPERIMENTELLE UMSETZUNG:

Das Konzept des „Unit-Hydrographs“ wurde als Hörsaal-Experiment unter aktiver Beteiligung der Studierenden konzipiert. Dazu wurden folgende Schritte umgesetzt:

1. Ein effektiver Niederschlag von 1mm wurde über unterschiedlich farbige und günstig im Spielwarenladen zu erwerbende Plastikbälle dargestellt. Diese wurden mit einem Magnetstreifen versehen, so dass sie im Rahmen des Experimentes zur Illustration an die Tafel „geklebt“ werden können.

2. Das Einzugsgebiet wirde über die Studierenden selber und ihrer Sitzposition im Hörsaal bestimmt. Über eine unterschiedliche Anzahl an beteiligten Studierenden und deren Verteilung im Raum können unterschiedliche Größen und Formen von Einzugsgebieten abgebildet werden.

3. Initial erhält jede(r) Studierende einen Ball, das heißt anschaulich 1mm effektiver Niederschlag fällt auf das Einzugsgebiet.

4. Eine Person, mittig in der vordersten Reihe sitzend, wird als „Pegel des Einzugsgebietes“ definiert.

5. Zu jedem Zeitschritt muss jede(r) Studierende sein „Wasserpaket (Ball)“ in Richtung Pegel „fließen lassen“ (weiterreichen). Hierbei können Fließrichtungen zum Beispiel über Schnüre im Raum vorgegeben werden, oder (wie hier durchgeführt) einfach zur nächsten Person nach vorne/Mitte weitergeleitet werden. Dieses aktive „Weiterleiten/-geben“ des Balls/Wasserpaketes stellt den Fließprozess des Wassers im Einzugsgebiet dar – hieran können anschließend unterschiedliche Fließprozess (Oberflächenabfluss/Interflow) diskutiert werden.

6. Mit jedem Zeitschritt kommen unterschiedlich viele Bälle/Wasserpakete am „Pegel“ an. Die angekommenen Bälle werden zur Illustration, wieviel Abfluss in jedem Zeitschritt aufgrund des 1mm gefallen Effektivniederschlags erzeugt wird, an der Tafel in ein „Abfluss-Zeitdiagramm“ per Magnetstreifen befestigt. Mit Ende des Experimentes wurde auf diese Weise von den Studierenden für „ihr Einzugsgebiet“ der sogenannte „Unit-Hydrograph“ erzeugt.

 

 

MÖGLICHE ERWEITERUNGEN:

Das Experiment dauerte inklusiver aller Einleitungs- und Erläuterungsschritte ca. 20min. Das Experiment kann erweitert werden, um folgenden Aspekte zu illustrieren:

• Nur ein Teil der Studierenden erhält Niederschlag/Bälle umso den Einfluss einer nicht-gleichförmigen Beregnung aufzuzeigen.

• Es können eine unterschiedliche Anzahl an Bällen in unterschiedlichen Farben initial „regnet“ ausgeteilt werden, um so das Prinzip der Linearität und Superposition zu erläutern.

• Unterschiedliche Regeln der „Ballweitergabe“ können mit unterschiedlichen Abflussprozessen interpretiert werden, Effekte können analysiert und durch eigene Erfahrungen unterstützt anschaulich diskutiert und erläutert werden.

 

 

HINWEIS:

Zum besser Verständnis des Konzeptes sind Visualisierungen der einzelnen Umsetzungsprozesse sinnvoll. Das Konzept wurde in einem der hochrangigsten hydrologischen wissenschaftlichen Zeitschriften "Hydrological & Earth System Sciences (HESS; IF 4.96,ca. 750 downloads)" im Bereich "Education/Outreach" erfolgreich publiziert; eine pdf-Version des Artikels kann unter der Rubrik "links" abgerufen und eingesehen werden (www.hydrol-earth-syst-sci.net/22/2607/2018/).

Ist das Konzept auf andere Lehrveranstaltungen bzw. Lehrsituationen übertragbar? Wird das Konzept längerfristig eingesetzt und weiterentwickelt?

Generell übertagbar wäre aus meiner Sicht das Konzept der Integration von aktiven Hörsaal-Experimenten in die Hochschullehre und insbesondere zur Verbesserung von Vorlesung.

Welche thematischen Aspekte einer Vorlesung in einem anderen Fachgebiet entsprechend in ein Hörsaal-Experiment umgesetzt werden können wäre jeweils zu entwickeln. Hierzu sind aber Beispiele, auch aus anderen Disziplinen oftmals eine Inspiration und Saatkorn für eigene Entwicklungsprozesse.

 

Im Rahmen der hier genannten Veranstaltung habe ich noch eine Reihe von weiteren Experimenten enwickelt (auch ohne Studierendenbeteiligung). Dazu gehören u.a.:

- Nutzung eines künstlichen Tannenbaums mit Steroporkugel und integrierter Pumpe (zur Schnee-Berieselung) zur Demonstration der Interzeption (temporäre Speicherung von Niederschlag - Schnee und Regen) in der Vegetation.

- Regressionsbrett mit "Datenstiften" und einem dünnen Stahlrohr (Regressionsgerade) welches über Einmach-Gummies mit den Datenstiften verknüpft ist.

- Eimer-Experimente zur Veranschaulichung von hydrologischen Modell- und Messkonzepten

- ...

Ist die Akzeptanz des Projekts gegeben? Welche Evidenzen (z.B. Evaluierungsergebnisse) gibt es hierfür?

Die Erfahrungen mit dem oben beschriebenen Experiment im Rahmen der LV waren extrem positiv. Die folgenden Aspekte waren aus unserer Sicht dabei wesentlich:

• Die Illustration der Wasserbewegung und Abflusserzeugung in einem Einzugsgebiet konnte noch deutlicher aufgezeigt werden.

• Die aktive Beteiligung an den Experimenten intensiviert die Aufnahme (und vermutliche auch ein späteres Abrufen) der Informationen.

• Die Unterbrechung einer drei-stündigen Vorlesung durch ein Experiment stellt eine willkommene Abwechslung bzgl. aufnehmender und aktivierter Sinnesorgane dar und führt zu einer erhöhten Aufnahmefähigkeit.

• Erhöhung des Spaßes und damit der positiven Motivation an der Veranstaltung

• Die Diskussion der theoretischen Aspekte am Experiment stellte einen direkten Bezug zu selbsterlebtem dar, was aus unserer Sicht zu einem tieferen Lernen des Sachverhaltes führt.

Positionierung des Lehrangebots

Das Lehrangebot ist Teil der Pflicht-LV "Hydrologie und Wasserwirtschaft (3. Sem.)" im B.Sc.-Studiengang "Kulturtehnik und Wasserwirtschaft (KTWW)" an der Universität für Bodenkultur (BOKU). Die LV its als Hörsaal-Vorlesung konzipiert - über die letzten 5 Jahre waren ca. 250-300 Studierende eingeschrieben, im Mittel sind ca. 40-70 Studierende anwesend. Im Rahmen der LV werden neben den grundlegenden Komponenten des Wasserkreislaufs auch Konzepte zur mathematischen Modellierung des Niederschlags-Abflussverhaltens und der Hochwasservorhersage behandelt. Das hier vorgestellte Hörsaal-Experiment stellt ein Beispiel dar, die relevanten Inhalte und methodischen Konzepte für die Studierenden anschaulich und "erlebbar" zu gestalten. Im speziellen wird der "Unit-Hydrograph“, ein für die Wasserwirtschaft und Hochwasservorhersage sehr wichtiges Konzep,t dargestellt welches mit leichten Modifikationen noch heute genutzt wird.

Weiterführende Information


Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2020 nominiert.