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Mensch-Umwelt-Wirkungen mit kontrollierten Vergleichen untersuchen

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Mensch-Umwelt-Wirkungen mit kontrollierten Vergleichen untersuchen

Einleitung

Wie verändert menschliche Flächennutzung den Weg des Regenwassers? Wenn eine Fläche versiegelt wird, kann Wasser an dieser Stelle schlechter in den Boden eindringen. Gleichzeitig hängt der Oberflächenabfluss aber auch von anderen Bedingungen ab, zum Beispiel von Regenintensität, Bodenart, Bodenfeuchte, Verdichtung, Gefälle, Vegetation und davon, ob versiegelte Teilflächen direkt mit einem Abflussweg verbunden sind.

In dieser Werkstatt untersuchst Du solche Mensch-Umwelt-Wirkungen mit kleinen Flächenmodellen. Der Schwerpunkt liegt nicht darauf, möglichst schnell eine scheinbar eindeutige Ursache zu behaupten. Du lernst vielmehr, einen kontrollierten Vergleich zu planen, Messdaten von Deutungen zu trennen und die Reichweite Deiner Schlussfolgerungen anzugeben.

Der Kurs ist für einen Einstieg ab Klasse 7 geeignet. In der Vertiefung M/E arbeitest Du zusätzlich mit Wiederholungsmessungen, Wirkungsgefügen, Variablenkontrolle, Unsicherheiten und einem einfachen 2×2-Versuchsplan.

Leitfrage: Welche Veränderungen des Wasserwegs lassen sich in unseren Modellen beobachten, welche Ursachen können wir durch kontrollierte Vergleiche stützen und welche zusätzlichen Daten brauchen wir, bevor wir eine weiterreichende Aussage treffen?

Das Schema zeigt grundsätzlich, dass Wasser in den Boden eindringen und sich im Untergrund weiterbewegen kann. Unser Werkstattmodell bildet davon nur einen kleinen Ausschnitt ab. Es misst weder echte Grundwasserneubildung noch das gesamte Verhalten eines natürlichen Bodens.

Das kurze Video des Bundesumweltministeriums zur Schwammstadt dient als gesellschaftlicher Kontext. Es ersetzt keine Messung und beweist nicht, wie stark eine bestimmte Maßnahme an Deinem Schulstandort wirken würde.

Lernziele

Nach der Werkstatt kannst Du:

Beobachtung: Messwerte und sichtbare Veränderungen beschreiben, ohne sofort eine Ursache zu behaupten.
Experiment: bei einem kontrollierten Vergleich eine Einflussgröße gezielt verändern und wichtige Kontrollvariablen konstant halten.
Bodenversiegelung: erklären, warum versiegelte Flächen den Wasserweg verändern können.
Oberflächenabfluss: Messgrößen wie Abflussvolumen und Zeit bis zum ersten Abfluss auswerten.
Kausalität: unterscheiden, ob Daten nur gemeinsam auftretende Veränderungen zeigen oder ob ein Versuchsaufbau eine Ursache gezielt prüft.
Wirkungsgefüge: mehrere Einflussfaktoren, Wirkungen und Unsicherheiten in einem kleinen Wirkungsnetz darstellen.
Datenqualität: Wiederholungen, Messfehler, Störgrößen und Grenzen eines Modells benennen.
Transfer: eine Aussage aus dem Modell vorsichtig auf einen anderen Mensch-Umwelt-Fall übertragen und an Prüfkriterien binden.

Fachlicher Hintergrund: Wasserwege und Flächennutzung

Wenn Regen auf eine Fläche trifft, kann Wasser je nach Situation in den Boden eindringen, vorübergehend gespeichert werden, verdunsten oder als Oberflächenabfluss abfließen. Das Umweltbundesamt weist darauf hin, dass Bodenart, Bodenverdichtung, Bewuchs, Geländeform, Bodenfeuchte und Versiegelungsgrad mitbestimmen, wie viel Wasser versickert und wie viel oberflächlich abfließt.

Versiegelung bedeutet, dass Boden durch Gebäude, Asphalt, Beton oder andere stark wasserundurchlässige Oberflächen ganz oder teilweise bedeckt wird. Dadurch wird die Wasserdurchlässigkeit eingeschränkt. In Siedlungsräumen wird Niederschlagswasser deshalb häufig schneller in Entwässerungssysteme oder Oberflächengewässer geleitet.

Regenintensität bezeichnet eine Niederschlagsmenge pro Fläche und Zeit. Der Deutsche Wetterdienst beschreibt Starkregen über große Niederschlagsmengen je Zeiteinheit. Für die Werkstatt ist wichtig: Eine hohe Modell-Regenrate darf nicht einfach mit einer DWD-Warnstufe gleichgesetzt werden. Tropfengröße, Fallhöhe, Maßstab und zeitliche Verteilung unterscheiden sich stark von realem Regen.

Bodenbedingungen beeinflussen die Wasseraufnahme. Ein bereits feuchter oder wassergesättigter Boden kann sich anders verhalten als ein trockener Boden. Auch Textur und Verdichtung spielen eine Rolle. Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe beschreibt beispielsweise Zusammenhänge zwischen Bodeneigenschaften, Wasserdurchlässigkeit und Erosionsanfälligkeit.

Verbundene Wasserwege sind besonders wichtig. Zwei Modelle können den gleichen Anteil versiegelter Fläche besitzen, aber unterschiedlich reagieren, wenn die versiegelten Teilflächen verschieden angeordnet sind. Eine direkt bis zum Auslass reichende versiegelte Bahn kann Wasser schneller ableiten als voneinander getrennte Teilflächen. Diese Idee entspricht dem Unterschied zwischen gesamter und wirksam angeschlossener undurchlässiger Fläche, der auch in der hydrologischen Fachliteratur verwendet wird.

Die Demonstration eines wasserdurchlässigen Belags zeigt, dass nicht jede befestigte Oberfläche gleich wasserundurchlässig sein muss. Für eine fachlich saubere Bewertung muss jedoch geprüft werden, wie der gesamte Aufbau einschließlich Untergrund funktioniert.

Beobachtung, Zusammenhang und Ursache trennen

In dieser Werkstatt verwendest Du drei Aussageebenen.

Ebene	Beispiel	Zulässige Formulierung	Was noch fehlt
B – Beobachtung	In Modell B wurden 562 ml Oberflächenabfluss gemessen, in Modell A 118 ml.	„Unter diesen Versuchsbedingungen wurde in B mehr Oberflächenabfluss beobachtet.“	Noch keine allgemeine Ursache behaupten.
K – kontrollierter Vergleich	A und B unterscheiden sich geplant nur in der Oberflächenversiegelung.	„Der kontrollierte Vergleich stützt im Modell einen ursächlichen Einfluss der Versiegelung auf den Oberflächenabfluss.“	Wiederholungen, Messunsicherheit und Modellgrenzen berücksichtigen.
T – Transfer	Eine echte Schulhoffläche soll entsiegelt werden.	„Die Modell- und Behördenbefunde sprechen dafür, dass Entsiegelung den Wasserweg beeinflussen kann.“	Vor Ort fehlen noch Daten zu Boden, Gefälle, Entwässerung, Verschmutzung und Niederschlag.

Die Formulierung „gesicherte Ursache“ wird deshalb vorsichtig verwendet. Ein gut kontrollierter Schulversuch kann eine Ursache innerhalb des Modells stützen. Er kann nicht allein beweisen, wie groß die Wirkung in jeder realen Landschaft oder Stadt ist.

Methodische Orientierung: fair testen

Ein fairer beziehungsweise kontrollierter Vergleich verändert möglichst eine Zielvariable und hält andere Bedingungen gleich. Diese Grundidee findet sich auch in Bildungsangeboten des Exploratoriums, wo bei einem „fair test“ die gezielt veränderte Variable von den konstant zu haltenden Bedingungen unterschieden wird. Das Deutsche Museum arbeitet in seinen Wasser- und Forscherangeboten ebenfalls mit eigenständigem Beobachten, Experimentieren und Erschließen von Mensch-Umwelt-Zusammenhängen.

Für diese Werkstatt bedeutet das:

Unabhängige Variable: die Größe, die Du gezielt veränderst, zum Beispiel Versiegelung.
Abhängige Variable: die Größe, die Du misst, zum Beispiel Oberflächenabfluss.
Kontrollvariable: eine Bedingung, die gleich bleiben soll, zum Beispiel Gefälle, Gesamtwassermenge oder Bodenmenge.
Störvariable: eine unbeabsichtigt unterschiedliche Bedingung, zum Beispiel ein undichter Rand oder ein stärker verdichtetes Bodentablett.
Replikation: eine Wiederholung derselben Bedingung, um zufällige Schwankungen sichtbar zu machen.

Eine USGS-Primärstudie nutzte ein gepaartes Einzugsgebietsdesign, um konventionelle Entwicklung und Low-Impact-Development über mehrere Jahre zu vergleichen. Unser Schulversuch ist viel kleiner und einfacher, übernimmt aber die methodische Leitidee: Vergleichsbedingungen müssen so gewählt sein, dass Unterschiede möglichst gezielt geprüft werden können.

Werkstattkurs

Sicherheits- und Organisationshinweise

Verwende nur sauberes Wasser und unbelastete Bodenmaterialien. Arbeite auf abwischbaren Tischen oder Wannen. Wasser auf dem Boden sofort aufnehmen, weil Rutschgefahr besteht. Elektrische Geräte bleiben außerhalb des Nassbereichs. Nach dem Umgang mit Erde Hände waschen. Das Wasser wird nicht getrunken.

Empfohlene Gruppenrollen sind Regensteuerung, Zeitmessung, Abflussmessung, Protokoll und Qualitätskontrolle. Bei kleineren Gruppen können Rollen zusammengelegt werden.

Material M1: Grundaufbau des Flächenmodells

Für eine Gruppe werden benötigt:

Eine flache Wanne oder Schale mit ungefähr 30 × 40 cm Innenfläche.
Eine zweite Auffangschale für den Oberflächenabfluss.
Ein gemeinsamer, homogenisierter Bodenansatz für alle Vergleichsmodelle.
Ein Brett oder eine stabile Unterlage für ein gleiches Gefälle von ungefähr 5°.
Eine wasserundurchlässige Kunststofffolie als Modellversiegelung.
Ein Messbecher mit mindestens 600 ml Volumen.
Eine Stoppuhr.
Ein identischer Regenkopf, zum Beispiel ein perforierter Kunststoffdeckel über der Modellfläche.
Klebeband, Lineal, wasserfester Stift und Protokollbogen.
Optional für die Vertiefung: Küchenwaage, Winkelmesser und zweiter Messzylinder.

Für alle Vergleichsmodelle wird Boden aus derselben gut durchmischten Charge verwendet. Fülle in jede Wanne die gleiche Bodenmasse und stelle die gleiche Schichtdicke her. Drücke den Boden nur mit einem definierten Verfahren an, zum Beispiel fünfmal mit einem gleich großen Brett ohne zusätzliches Körpergewicht.

Wichtig: Die Werkstatt verwendet Modellboden. Ein natürlicher Boden besitzt Horizonte, Wurzeln, Poren, Bodenorganismen und räumliche Unterschiede, die hier nur unvollständig nachgebildet werden.

Material M2: Kalibrierung des Modellregens

Die Modellfläche beträgt bei 30 × 40 cm ungefähr 0,12 m². Für einen Durchgang werden 600 ml Wasser verwendet. Das entspricht auf dieser Fläche einer Wasserhöhe von etwa 5 mm.

Zwei Modell-Regenraten:

niedrige Modellintensität: 600 ml in 10 Minuten.
hohe Modellintensität: 600 ml in 2,5 Minuten.

Beide Durchgänge verwenden also die gleiche Gesamtwassermenge, aber eine unterschiedliche Zufuhrrate.

Kontrolliere vor dem Versuch die Rate, indem Du den Regenkopf über einer leeren Wanne testest. Miss, wie viel Wasser in einer Minute austritt. Passe die Zuführung an, bis die Zielrate ungefähr erreicht ist.

Unsicherheit U1: Die so berechnete Modellintensität ist nicht direkt mit realem Starkregen gleichzusetzen. Tropfengröße, Auftreffenergie, räumliche Verteilung und Maßstab weichen ab.

Werkstattstation 1: Wirkung der Versiegelung kontrolliert prüfen

Fragestellung: Verändert eine wasserundurchlässige Oberflächenabdeckung den Oberflächenabfluss im Modell?

Baue zwei möglichst identische Modelle.

Bedingung	Modell A	Modell B
Oberfläche	offen, unversiegelt	vollständig mit Folie versiegelt
Bodencharge	gleich	gleich
Bodenmasse und Schichtdicke	gleich	gleich
Anfangsfeuchte	trocken und gleich vorbereitet	trocken und gleich vorbereitet
Gefälle	5°	5°
Gesamtwasser	600 ml	600 ml
Regenrate	niedrig	niedrig

Miss:

Zeit bis zum ersten sichtbaren Abfluss am unteren Rand.
gesamtes Abflussvolumen nach dem Ende des Versuches.
sichtbare Wasserwege, Pfützen und Randverluste.
auffällige Störungen.

Beobachtungsregel: Notiere zuerst nur, was Du siehst oder misst. Schreibe erst danach eine Deutung.

Beispiel: Beobachtung: „Der erste Abfluss trat in Modell B nach 17 s und in Modell A nach 190 s auf.“ Deutung: „Da die geplante Differenz zwischen A und B nur die Versiegelung war, stützt der Vergleich im Modell einen ursächlichen Einfluss der Versiegelung auf den früheren Abfluss.“

Werkstattstation 2: Regenintensität kontrolliert prüfen

Fragestellung: Verändert die Regenrate den Oberflächenabfluss bei gleicher Fläche?

Vergleiche zwei offene, trockene Modelle aus derselben Bodencharge.

Bedingung	Modell C	Modell D
Oberfläche	offen	offen
Anfangsfeuchte	trocken	trocken
Gefälle	5°	5°
Gesamtwasser	600 ml	600 ml
Regenrate	niedrig	hoch

Hier wird nur die Zufuhrrate gezielt verändert. Beobachtest Du bei hoher Rate mehr oder früheren Oberflächenabfluss, ist die stärkere Aussage: „Die höhere Regenrate verursachte unter den kontrollierten Modellbedingungen einen Unterschied im Abfluss.“ Nicht zulässig wäre ohne weitere Daten: „Hohe Regenintensität verursacht überall Überschwemmungen.“

Werkstattstation 3: Bodenbedingung kontrolliert prüfen

Fragestellung: Verändert die Anfangsfeuchte des Bodens den Oberflächenabfluss?

Bereite zwei offene Modelle identisch vor. Das zweite Modell wird vor dem eigentlichen Test mit einer festgelegten Wassermenge, zum Beispiel 300 ml, gleichmäßig vorbefeuchtet und 15 Minuten stehen gelassen. Dokumentiere diese Vorbehandlung genau.

Bedingung	Modell E	Modell F
Oberfläche	offen	offen
Bodencharge	gleich	gleich
Anfangsfeuchte	trocken	standardisiert vorbefeuchtet
Gefälle	5°	5°
Gesamtwasser im Test	600 ml	600 ml
Regenrate im Test	hoch	hoch

Unsicherheit U2: „Trocken“ und „vorgefeuchtet“ sind grobe Kategorien. Für eine genauere Untersuchung müsste der Wassergehalt des Bodens vor jedem Durchgang gemessen oder über die Masse standardisiert werden.

Werkstattstation 4: Gleicher Versiegelungsanteil, andere Wasserwege

Diese Station untersucht nicht den Anteil der Versiegelung, sondern ihre räumliche Verbindung zum Auslass.

Erstelle zwei Modelle mit jeweils 50 % abgedeckter Fläche:

Modell G: Die versiegelte Fläche bildet eine zusammenhängende Bahn vom oberen Bereich bis zum Auslass.
Modell H: Die gleiche versiegelte Fläche besteht aus getrennten „Inseln“, zwischen denen offene Bodenstreifen liegen.

Halte Boden, Gefälle, Regenrate, Gesamtwasser und Versiegelungsanteil konstant.

Prüffrage: Fließt bei gleicher versiegelter Gesamtfläche unterschiedlich viel oder unterschiedlich schnell Wasser ab?

Der Transfer in die Realität ist nicht automatisch. Ein wasserdurchlässiger Belag kann nur so gut wirken wie sein gesamter Aufbau, seine Wartung, sein Untergrund und seine hydraulische Anbindung.

Material M3: Protokollbogen für eigene Messungen

Lauf-ID	Gesamtwasser	Gefälle
1	600 ml	5°
2	600 ml	5°
3	600 ml	5°

Zusatzfeld: Was wurde gezielt verändert? ____________________

Was sollte gleich bleiben? ____________________

Welche Bedingung war trotzdem nicht ganz gleich? ____________________

Welche Aussage ist nur Beobachtung? ____________________

Welche ursächliche Deutung ist durch den Versuchsplan gestützt? ____________________

Welche Aussage wäre zu weitgehend? ____________________

Material M4: vollständig mitgelieferter Übungsdatensatz

Die folgenden Zahlen sind ein didaktischer Beispieldatensatz für diesen Kurs. Sie sind keine Messwerte einer Behörde, keiner realen Schule und keiner Feldstudie. Sie dienen ausschließlich zum Üben der Auswertung. Jeder Durchgang erhielt 600 ml Wasser.

Code	Oberfläche	Anfangsfeuchte	Regenrate	Abfluss 1	Abfluss 2	Abfluss 3	Mittelwert gerundet
A	offen	trocken	niedrig	110 ml	125 ml	120 ml	118 ml
B	versiegelt	trocken	niedrig	560 ml	570 ml	555 ml	562 ml
C	offen	trocken	hoch	255 ml	265 ml	260 ml	260 ml
D	versiegelt	trocken	hoch	575 ml	580 ml	570 ml	575 ml
E	offen	vorbefeuchtet	niedrig	235 ml	245 ml	250 ml	243 ml
F	offen	vorbefeuchtet	hoch	395 ml	405 ml	400 ml	400 ml

Erste Auswertung:

A ↔ B prüft Versiegelung bei niedriger Regenrate.
C ↔ D prüft Versiegelung bei hoher Regenrate.
A ↔ C prüft Regenrate bei offenem, trockenem Boden.
E ↔ F prüft Regenrate bei offenem, vorbefeuchtetem Boden.
A ↔ E prüft Anfangsfeuchte bei niedriger Regenrate.
C ↔ F prüft Anfangsfeuchte bei hoher Regenrate.

Nicht sauber isoliert wäre zum Beispiel B ↔ F: Hier unterscheiden sich Oberfläche, Anfangsfeuchte und Regenrate gleichzeitig.

Vertiefung M/E: 2×2-Versuchsplan und Wechselwirkungen

Ein einzelner kontrollierter Vergleich zeigt den Effekt eines Faktors unter bestimmten Bedingungen. In einem 2×2-Plan können zwei Faktoren systematisch kombiniert werden.

Beispiel:

	niedrige Regenrate	hohe Regenrate
offen	A	C
versiegelt	B	D

Berechne: Versiegelungseffekt bei niedriger Rate = Mittelwert B − Mittelwert A.

Versiegelungseffekt bei hoher Rate = Mittelwert D − Mittelwert C.

Wenn sich die beiden Effekte deutlich unterscheiden, könnte eine Wechselwirkung zwischen Versiegelung und Regenrate vorliegen. Mit nur drei Übungswerten pro Bedingung ist dies jedoch noch kein statistischer Beweis.

Für eine belastbarere Untersuchung sind mindestens drei, besser mehr unabhängige Wiederholungen pro Bedingung nötig. Wiederholungen dürfen nicht nur mehrfaches Ablesen desselben Durchgangs sein.

Datenqualität: Was kann unsere Messung verfälschen?

Typische Unsicherheiten sind:

ungleichmäßiger Modellregen.
unterschiedliche Bodenverdichtung.
Wasserverlust am Wannenrand.
unterschiedlich gespannte Folie.
kleine Unterschiede im Gefälle.
unterschiedliche Startfeuchte.
Ablesefehler am Messbecher.
zeitliche Verzögerung beim Starten der Stoppuhr.
Wiederverwendung eines bereits durchfeuchteten Bodens ohne standardisierte Rücksetzung.

Eine gute Gruppe versteckt solche Probleme nicht. Sie dokumentiert sie.

Regel: Ein Messfehler wird nicht dadurch „klein“, dass man ihn nicht aufschreibt.

Von der Messung zum kleinen Wirkungsgefüge

Dein Produkt besteht aus höchstens sechs Kästen und Pfeilen.

Mögliche Bausteine: Versiegelungsgrad → Wasser kann an der Oberfläche schlechter in den Boden eindringen → Oberflächenabfluss nimmt im Modell zu → Wasser erreicht Abflusswege schneller → Belastung von Entwässerungswegen kann steigen

Zusätzliche Einflussfaktoren: Regenrate Anfangsfeuchte Bodenverdichtung Gefälle Verbindung versiegelter Flächen

Kennzeichne jeden Pfeil:

E = durch Dein eigenes kontrolliertes Experiment gestützt.
Q = durch eine externe Fachquelle gestützt.
? = bisher Hypothese oder unsicherer Transfer.

Beispiel: Versiegelung -- E/Q --> mehr Oberflächenabfluss im Modell mehr Oberflächenabfluss -- ? --> lokales Überflutungsrisiko am konkreten Schulhof

Der zweite Pfeil bleibt mit ? markiert, solange Standortdaten fehlen.

Plan für zusätzliche kontrollierte Daten

Zu jedem unsicheren Pfeil erstellst Du einen Prüfplan.

Zu prüfende Aussage	gezielt veränderte Variable	Kontrollvariablen	Messgröße	Wiederholungen	Entscheidungskriterium
Höhere Regenrate erhöht den Oberflächenabfluss bei offenem Boden.	Regenrate	Bodencharge, Anfangsfeuchte, Gefälle, Gesamtwasser, Fläche	Abflussvolumen und Abflussbeginn	mindestens 3 je Bedingung	Effekt zeigt in Wiederholungen dieselbe Richtung und ist größer als typische Messschwankung.
Vorbefeuchtung erhöht den Oberflächenabfluss.	Anfangsfeuchte	Oberfläche, Bodencharge, Regenrate, Gefälle, Gesamtwasser	Abflussvolumen	mindestens 3 je Bedingung	Unterschied bleibt bei wiederholtem Aufbau erkennbar.
Verbundene versiegelte Flächen leiten Wasser schneller ab.	räumliche Anordnung bei gleichem Versiegelungsanteil	Anteil, Boden, Regenrate, Gefälle, Gesamtwasser	Zeit bis Abfluss und Abflussvolumen	mindestens 3 je Anordnung	Unterschied ist reproduzierbar und nicht durch Randwege erklärbar.

Drei kurze Auswahlaufgaben mit Hilfen und Lösungen

Auswahlaufgabe 1: Welche Daten prüfen Versiegelung am saubersten?

Frage: Welcher Vergleich aus M4 eignet sich am besten, um den Einfluss der Versiegelung bei niedriger Regenrate zu prüfen?

A: A mit B

B: A mit C

C: B mit F

D: C mit E

Hilfestufe 1: Suche zwei Zeilen, bei denen nur die Oberfläche unterschiedlich ist.

Hilfestufe 2: Prüfe nacheinander Anfangsfeuchte, Regenrate und Gesamtwassermenge.

Belegstelle: M4 und der Abschnitt „Methodische Orientierung: fair testen“. Externe methodische Orientierung: Exploratorium Process Skills und USGS-Paarvergleich, siehe Quellen Q5 und Q6.

Lösung und Erläuterung: A ist richtig. A und B haben dieselbe Anfangsfeuchte, dieselbe niedrige Regenrate und dieselbe Gesamtwassermenge. Geplant verändert ist die Oberfläche. Deshalb kann der Unterschied unter diesen Modellbedingungen der Versiegelung zugeordnet werden. Die Aussage gilt zunächst für das Modell und nicht automatisch für jeden realen Standort.

Auswahlaufgabe 2: Was folgt aus C und F?

Frage: C und F haben dieselbe offene Oberfläche und dieselbe hohe Regenrate. F ist vorbefeuchtet und zeigt im Übungsdatensatz mehr Abfluss. Welche Aussage ist methodisch am stärksten?

A: Die Vorbefeuchtung ist unter diesen Modellbedingungen als Ursache des Unterschieds gestützt.

B: Starkregen verursacht immer Hochwasser.

C: Versiegelung ist die Ursache des Unterschieds.

D: Der Unterschied beweist, dass alle nassen Böden gleich reagieren.

Hilfestufe 1: Vergleiche nur die Spalten, in denen C und F verschieden sind.

Hilfestufe 2: Eine Ursache darf hier nur für die gezielt veränderte Bedingung im Modell behauptet werden.

Belegstelle: M4, Werkstattstation 3 und UBA-Hintergrund zu Bodenfeuchte und Oberflächenabfluss, siehe Q1.

Lösung und Erläuterung: A ist richtig. C und F unterscheiden sich geplant in der Anfangsfeuchte. Die anderen genannten Bedingungen bleiben gleich. Damit stützt der Vergleich einen ursächlichen Einfluss der Vorbefeuchtung im Modell. Aussagen B und D verallgemeinern zu weit. Aussage C nennt einen Faktor, der in diesem Vergleich gar nicht verändert wurde.

Auswahlaufgabe 3: Warum reicht B gegen F nicht?

Frage: Modell B hat 562 ml mittleren Abfluss, Modell F 400 ml. Warum darf aus diesem Unterschied nicht sauber geschlossen werden, dass Versiegelung allein die Ursache ist?

A: Weil sich Oberfläche, Anfangsfeuchte und Regenrate gleichzeitig unterscheiden.

B: Weil zwei unterschiedliche Messwerte nie verglichen werden dürfen.

C: Weil Oberflächenabfluss grundsätzlich nicht messbar ist.

D: Weil nur natürliche Niederschläge wissenschaftlich untersucht werden können.

Hilfestufe 1: Zähle die Bedingungen, in denen sich B und F unterscheiden.

Hilfestufe 2: Ein kontrollierter Vergleich versucht, nur eine Zielvariable zu verändern.

Belegstelle: M4 und „Beobachtung, Zusammenhang und Ursache trennen“, siehe außerdem Q6.

Lösung und Erläuterung: A ist richtig. Bei B und F sind mehrere Faktoren gleichzeitig verändert. Der Unterschied ist beobachtbar, aber nicht eindeutig einem einzelnen Faktor zuzuschreiben. Für die Ursachenprüfung brauchst Du zusätzliche kontrollierte Paare, zum Beispiel A ↔ B oder C ↔ D.

Offener Transferfall: Ackerhang nach Befahrung

Ein Ackerhang wurde nach einer trockenen Phase mit schweren Maschinen befahren. Wenig später fällt intensiver Regen. An einigen Stellen bilden sich Wasserwege und Boden wird verlagert.

Transferfrage: Welche Rolle könnten Bodenverdichtung, Pflanzenbedeckung, Anfangsfeuchte, Hangneigung und Regenintensität spielen?

Das Foto zeigt einen realen Erosionskontext, beweist aber nicht die Ursache eines bestimmten Ereignisses. Für eine Prüfung brauchst Du standortbezogene Daten.

Offene Urteilsaufgabe: Entwickle zwei mögliche Maßnahmen für den Ackerhang. Entscheide nicht nur nach „mehr oder weniger Abfluss“, sondern prüfe mehrere Kriterien.

Prüfkriterien:

Wirkung auf Oberflächenabfluss.
Wirkung auf Bodenerosion.
Umsetzbarkeit im landwirtschaftlichen Betrieb.
Kosten und Arbeitsaufwand.
mögliche Nebenwirkungen.
Unsicherheit der Datenbasis.
Übertragbarkeit der Modellbefunde auf den Standort.

Es gibt hier keine vorgegebene einzig richtige Maßnahme. Ein gutes Urteil zeigt sein Modell, nennt Daten, wägt Kriterien ab und kennzeichnet offene Fragen.

Freie Urteile mit Modell und Prüfkriterien

Beispiel Schulhof: Eine Schule kann nur einen Teil ihres Hofes umbauen. Zur Auswahl stehen Entsiegelung, wasserdurchlässiger Belag, Mulde, zusätzliche Vegetation oder eine Kombination.

Erstelle zuerst ein Wirkungsmodell und bewerte erst danach.

Kriterium	Welche Daten wären nötig?	Warum wichtig?
Oberflächenabfluss	Messung oder belastbares Entwässerungsmodell	Starkregenentlastung
Versickerungsfähigkeit des Untergrunds	Bodenuntersuchung, Infiltrationstest	Wasser darf nicht nur an anderer Stelle Probleme verursachen
Schadstoffbelastung	Nutzungsgeschichte und gegebenenfalls Boden-/Wasserprüfung	Versickerung belasteten Wassers kann problematisch sein
Barrierefreiheit	Flächenneigung, Oberflächenstruktur	Nutzung durch alle Personen
Wartung	Pflegebedarf und Verstopfungsrisiko	Wirkung muss langfristig erhalten bleiben
Kosten	Planungs- und Baukosten	Umsetzbarkeit
Hitze und Aufenthaltsqualität	Verschattung, Vegetation, Oberflächentemperatur	Mehrfachnutzen

Urteilsregel: Eine Entscheidung ist dann gut begründet, wenn Kriterien, Datenherkunft, Unsicherheiten und Zielkonflikte sichtbar sind. Der Kurs schreibt Dir nicht vor, welche Maßnahme Du wählen musst.

Datenherkunft und Unsicherheiten

D1 – Eigene Werkstattdaten: selbst gemessene Werte aus Deinen Modellen. Hohe Nähe zum eigenen Aufbau, aber geringe Übertragbarkeit auf reale Einzugsgebiete.

D2 – Didaktischer Übungsdatensatz M4: eigens für diesen Kurs erstellt und ausdrücklich nicht als reale Messung ausgegeben.

D3 – Behördenwissen: UBA, DWD, LUBW und BGR liefern fachliche Orientierung zu Wasserhaushalt, Starkregen, Oberflächenabfluss, Versiegelung, Böden und Erosion.

D4 – Primärstudie: der USGS-Bericht zu zwei verglichenen Einzugsgebieten ist eine reale Forschungsuntersuchung mit gepaartem Design. Seine Größenordnung und Randbedingungen sind nicht mit dem Schulmodell gleichzusetzen.

D5 – Museums-/Bildungsorientierung: Exploratorium und Deutsches Museum liefern methodische beziehungsweise didaktische Orientierung zum fairen Testen, Beobachten und Experimentieren.

Wichtige Unsicherheiten:

Modellmaßstab und reale Landschaft unterscheiden sich.
Boden ist räumlich und zeitlich variabel.
Modellregen reproduziert natürliche Tropfenspektren und Wind nicht.
Abflussvolumen ist nicht dasselbe wie Hochwasserschaden.
„Nicht abgeflossenes Wasser“ ist nicht automatisch Grundwasserneubildung.
Ein einzelner Durchgang zeigt keine stabile Verteilung.
Korrelation in Felddaten allein beweist keine Ursache.
Selbst ein kontrolliertes Modell prüft nur die Faktoren, die im Modell enthalten sind.

Belegstellen und fachliche Quellen

Q1 Umweltbundesamt – Hochwasser: Beschreibung von Versickerung, Zwischenspeicherung, Verdunstung und Oberflächenabfluss sowie Einfluss von Boden, Bodenfeuchte, Verdichtung, Bewuchs, Topographie und Versiegelungsgrad. Abruf 04.10.2026. Umweltbundesamt: Hochwasser – wie sie entstehen und wie der Mensch sie beeinflusst

Q2 Umweltbundesamt – Regenwasserbewirtschaftung und Bodenversiegelung: fachliche Einordnung von Versiegelung, dezentraler Versickerung und wasserdurchlässigen Belägen. Abruf 04.10.2026. Umweltbundesamt: Regenwasserbewirtschaftung Umweltbundesamt: Bebauung und Versiegelung

Q3 Deutscher Wetterdienst – Starkregen: Starkregen wird über große Niederschlagsmengen je Zeiteinheit beschrieben; Warnkriterien beziehen sich auf definierte Zeitfenster und Mengen. Abruf 04.10.2026. Deutscher Wetterdienst: Starkregen

Q4 Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg – Starkregenrisikomanagement: Oberflächenabfluss wird in Starkregenszenarien modelliert; lokale Datenlage und Aktualität sind für die Übertragung wichtig. Abruf 04.10.2026. LUBW: Starkregenrisikomanagement

Q5 Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe – Bodeneigenschaften und Erosion: fachliche Orientierung zum Zusammenhang von Bodenart, Wasserdurchlässigkeit und Erodierbarkeit. Abruf 04.10.2026. BGR: Erodierbarkeit der Ackerböden durch Wasser

Q6 USGS – Primärstudie mit gepaartem Einzugsgebietsdesign: Vergleich zweier kleiner Einzugsgebiete mit konventioneller beziehungsweise Low-Impact-Entwicklung, Wasserjahre 1999–2005. Abruf 04.10.2026. USGS Scientific Investigations Report 2008-5008

Q7 Exploratorium – Process Skills: methodische Bildungsquelle zur Planung eines „fair test“, zur Identifikation veränderter und konstant gehaltener Variablen sowie zur Auswertung. Abruf 04.10.2026. Exploratorium: Process Skills

Q8 Deutsches Museum – Wasserwerkstatt und Forscherbögen: Museumsquellen zum experimentellen Lernen mit Wasser und zur eigenständigen Erschließung von Wasserbau und Mensch-Umwelt-Zusammenhängen. Abruf 04.10.2026. Deutsches Museum: Wasserwerkstatt Deutsches Museum: Forscherbögen

Q9 Umweltbundesamt – Bodenerosion durch Wasser: Starkregen, Bodenbedeckung und Verlagerung von Bodenmaterial als Orientierung für den Transferfall Ackerhang. Abruf 04.10.2026. Umweltbundesamt: Bodenerosion durch Wasser

Hinweis zu Zitaten: In diesem aiMOOC werden die genannten Quellen sinngemäß zusammengefasst. Es werden keine erfundenen Aussagen als wörtliche Zitate ausgegeben.

Medien und Rechte

Bild 1: „Groundwater flow and infiltration diagram.svg“, Wikimedia Commons, Lizenz CC0 1.0. Abruf 04.10.2026. Commons-Dateiseite

Bild 2: „Demonstration experiment of the permeable paving (2012.10.07).jpg“, Autor Lombroso, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0. Abruf 04.10.2026. Commons-Dateiseite

Bild 3: „Permeable Pavers.jpg“, Center for Neighborhood Technology, Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0. Abruf 04.10.2026. Commons-Dateiseite

Bild 4: „Runoff of soil & fertilizer.jpg“, USDA/NRCS, Wikimedia Commons, Public Domain als Werk der US-Bundesregierung. Abruf 04.10.2026. Commons-Dateiseite

Video 1: „Zukunft Schwammstadt“, Bundesumweltministerium, YouTube, veröffentlicht 29.07.2024. Das Video wird eingebettet; die Rechte verbleiben beim jeweiligen Rechteinhaber und die Nutzung unterliegt den Plattformbedingungen. Abruf 04.10.2026. YouTube: Zukunft Schwammstadt

Medienregel: Prüfe bei Weiterverwendung stets die aktuelle Dateiseite beziehungsweise Videoseite. Lizenzangaben können sich auf einzelne Fassungen oder Bestandteile beziehen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was kennzeichnet einen kontrollierten Vergleich am besten? (Eine Zielvariable wird verändert und wichtige andere Bedingungen bleiben möglichst gleich) (!Alle Bedingungen werden gleichzeitig verändert) (!Es wird nur eine Beobachtung ohne Vergleich notiert) (!Es wird auf Wiederholungen und Kontrollvariablen verzichtet)

Welche Aussage ist zunächst eine reine Beobachtung? (Im versiegelten Modell wurden 562 ml Abfluss gemessen) (!Versiegelung verursacht überall Überschwemmungen) (!Der Schulhof muss vollständig entsiegelt werden) (!Der Boden ist sicher wassergesättigt)

Welche Größe ist bei der Prüfung des Versiegelungseffekts die unabhängige Variable? (Die Oberflächenversiegelung) (!Das gemessene Abflussvolumen) (!Die Zeitmessung) (!Der Messbecher)

Warum ist die Gesamtwassermenge bei einem Regenintensitätsvergleich gleich zu halten? (Damit der Unterschied möglichst der Zufuhrrate zugeordnet werden kann) (!Damit jede Messung denselben Abflusswert ergeben muss) (!Damit keine Stoppuhr benötigt wird) (!Damit Bodenbedingungen unwichtig werden)

Was ist bei einem vorbefeuchteten Boden eine wichtige Kontrollbedingung? (Die Vorbefeuchtung muss standardisiert und dokumentiert werden) (!Die Folie muss zusätzlich verändert werden) (!Das Gefälle sollte zufällig wechseln) (!Die Gesamtwassermenge sollte unbekannt bleiben)

Warum sind Wiederholungen sinnvoll? (Sie machen zufällige Schwankungen und die Reproduzierbarkeit sichtbar) (!Sie ersetzen jede Kontrolle der Variablen) (!Sie beweisen automatisch die Übertragbarkeit auf reale Städte) (!Sie verhindern grundsätzlich Messfehler)

Was bedeutet ein Fragezeichen an einem Pfeil im Wirkungsgefüge? (Der Zusammenhang ist noch unsicher oder nur als Hypothese übertragen) (!Der Zusammenhang ist sicher widerlegt) (!Der Zusammenhang stammt immer aus einer Behörde) (!Der Zusammenhang darf nicht weiter untersucht werden)

Welche Aussage über nicht abgeflossenes Wasser ist fachlich vorsichtig? (Nicht abgeflossenes Wasser ist nicht automatisch Grundwasserneubildung) (!Nicht abgeflossenes Wasser ist immer vollständig verdunstet) (!Nicht abgeflossenes Wasser ist immer Grundwasser) (!Nicht abgeflossenes Wasser spielt im Wasserhaushalt keine Rolle)

Was muss für den Vergleich zweier Modelle mit 50 Prozent Versiegelung gleich bleiben? (Der Versiegelungsanteil) (!Die räumliche Anordnung der versiegelten Flächen) (!Die untersuchte Wasserweg-Verbindung) (!Die gezielt veränderte Struktur)

Welche Schlussfolgerung ist bei einem Schulmodell am angemessensten? (Eine Wirkung kann im kontrollierten Modell gestützt sein und trotzdem für reale Standorte weitere Daten benötigen) (!Ein Modell beweist jede Wirkung für alle Landschaften) (!Behördenquellen machen eigene Messungen überflüssig) (!Eine beobachtete Korrelation beweist immer eine Ursache)

Memory

Kontrollvariable	möglichst konstant gehaltene Bedingung
Oberflächenabfluss	Wasserfluss über die Geländeoberfläche
Infiltration	Eindringen von Wasser in den Boden
Replikation	unabhängige Wiederholung einer Bedingung
Störvariable	unbeabsichtigt unterschiedliche Einflussgröße
Wirkungsgefüge	Netz aus Faktoren und gerichteten Wirkungsannahmen

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Beobachtung	Messwert ohne vorschnelle Ursachenaussage
Kontrollierter Vergleich	gezielte Änderung einer Variable bei möglichst gleichen übrigen Bedingungen
Transfer	Übertragung einer Erkenntnis auf einen anderen Fall
Unsicherheit	Grenze der Genauigkeit oder Gültigkeit einer Aussage
Replikation	erneuter unabhängiger Durchgang derselben Bedingung

Kreuzworträtsel

Versiegelung	Wie heißt die wasserhemmende Bedeckung eines Bodens durch befestigte Oberflächen?
Infiltration	Wie heißt das Eindringen von Wasser in den Boden?
Kontrollvariable	Wie heißt eine Bedingung, die im Vergleich möglichst gleich gehalten wird?
Abfluss	Wie heißt Wasser, das oberflächlich aus dem Modell herausfließt?
Replikation	Wie heißt die unabhängige Wiederholung einer Versuchsbedingung?
Kausalität	Wie heißt ein Ursache-Wirkungs-Zusammenhang?

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Lückentext

Bei einem kontrollierten Vergleich wird möglichst nur eine

gezielt verändert. Eine Bedingung, die gleich bleiben soll, heißt

. Wasser, das über die Oberfläche aus einem Modell abfließt, heißt

. Das Eindringen von Wasser in den Boden wird

genannt. Eine unabhängige Wiederholung derselben Bedingung heißt

. Ein beobachteter Unterschied ist noch nicht automatisch ein Beweis für

. Ein Wirkungsgefüge sollte unsichere Pfeile als

kennzeichnen. Für die Übertragung vom Modell auf einen realen Standort werden zusätzliche

benötigt.

Offene Aufgaben

Leicht

Versuchsprotokoll: Formuliere zu einem Durchgang zwei reine Beobachtungssätze und einen getrennten Deutungssatz.
Variablenkontrolle: Markiere in Station 1 unabhängige, abhängige und kontrollierte Variablen.
Wasserweg: Zeichne den beobachteten Weg des Wassers in einem offenen und einem versiegelten Modell mit Pfeilen.
Messunsicherheit: Finde drei Stellen im Aufbau, an denen Messunsicherheit entstehen kann, und schlage jeweils eine Verbesserung vor.

Standard

Bodenfeuchte: Plane einen fairen Vergleich zwischen zwei genau definierten Anfangsfeuchten und beschreibe, wie Du die Feuchte standardisieren würdest.
Versiegelungsgrad: Baue zwei Modelle mit gleichem Versiegelungsanteil, aber unterschiedlicher räumlicher Anordnung, und begründe Deine Kontrollvariablen.
Datenauswertung: Werte den Übungsdatensatz M4 aus und berechne mindestens drei kontrollierte Differenzen der Mittelwerte.
Schulhof: Kartiere auf einem Schulhof drei mögliche Wasserwege nach Regen und kennzeichne, welche Beobachtungen Du vor Ort wirklich gemacht hast und welche nur vermutet sind.

Schwer

Wirkungsgefüge: Erstelle ein Wirkungsgefüge mit höchstens sechs Knoten, kennzeichne jeden Pfeil mit E, Q oder Fragezeichen und begründe die Einstufung.
Versuchsplanung: Entwirf einen 2×2-Versuchsplan zu Oberfläche und Regenrate mit mindestens drei unabhängigen Wiederholungen pro Bedingung.
Transferproblem: Übertrage die Methode auf den Ackerhang und formuliere mindestens zwei konkurrierende Erklärungen, die durch neue kontrollierte Daten unterschieden werden könnten.
Entscheidungsanalyse: Entwickle für den Schulhof zwei Maßnahmenvarianten, lege eigene Kriterien und Gewichtungen offen und formuliere, welche fehlenden Daten Deine Entscheidung noch verändern könnten.

Lernkontrolle

Kausale Prüfung: Du erhältst zwei Modelle, die sich in Versiegelung, Gefälle und Regenrate unterscheiden. Erkläre, warum daraus keine eindeutige Ursache abgeleitet werden kann, und entwirf einen besseren Vergleich.
Transferkritik: Eine Gruppe behauptet: „Unser Folienmodell zeigt, dass jede asphaltierte Fläche Überschwemmungen verursacht.“ Prüfe diese Aussage auf Reichweite, Modellgrenzen und fehlende Standortdaten.
Wirkungsgefüge prüfen: Untersuche ein Wirkungsgefüge mit dem Pfeil „Versiegelung → Hochwasserschaden“. Ergänze mindestens zwei notwendige Zwischenschritte und eine Unsicherheit.
Datenplan: Formuliere für die Hypothese „Vorbefeuchtete Böden erzeugen bei gleicher Regenrate früheren Oberflächenabfluss“ einen vollständigen kontrollierten Prüfplan.
Quellenkritik: Erkläre, warum eine Behördenquelle, eine Primärstudie und ein eigenes Schulmodell unterschiedliche Arten von Evidenz liefern und sich nicht gegenseitig ersetzen.
Urteilskompetenz: Bewerte zwei Schulhofmaßnahmen nach mindestens vier Kriterien. Das Ergebnis bleibt offen; bewertet werden Transparenz der Kriterien, Datenbezug, Unsicherheitsangabe und nachvollziehbare Abwägung.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig:

Du kannst Beobachtung, Deutung und Kausalaussage sprachlich trennen.
Du kannst unabhängige, abhängige und kontrollierte Variablen identifizieren.
Du kannst einen fairen Vergleich selbst planen.
Du kannst Messwerte aus mindestens drei Wiederholungen zusammenfassen.
Du kannst Störgrößen und Messunsicherheiten dokumentieren.
Du kannst ein kleines Wirkungsgefüge mit Evidenzkennzeichnung erstellen.
Du kannst einen Plan für zusätzliche kontrollierte Daten formulieren.
Du kannst Modellgrenzen beim Transfer auf reale Mensch-Umwelt-Systeme erklären.
Du kannst Quellenart und Datenherkunft nennen.
Du kannst ein freies Urteil anhand offengelegter Prüfkriterien begründen, ohne eine vorgegebene Mustermeinung zu übernehmen.

OERs zum Thema

Zusätzliche offene beziehungsweise öffentliche Fachzugänge: Umweltbundesamt – Bebauung und Versiegelung Deutscher Wetterdienst – Starkregen LUBW – Starkregenrisikomanagement Deutsches Museum – Forscherbögen

Verknüpfte Lernbereiche

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