Darstellung und Analyse hydrologischer Topologien auf der Basis ...

16 Einführung
Es existieren hydrologische Modellansätze, mit denen für den Wasser- und Stoffhaushalt relevante
Prozesse flächendistributiv dargestellt werden können. Einige dieser Ansätze sind darüber hinaus in
der Lage, die vor allem in reliefierten Einzugsgebieten bedeutsamen hydrologischen Topologien zwischen
den zugrunde liegenden räumlichen Modelleinheiten zu berücksichtigen. Physikalisch basiert
oder konzeptionell arbeitende Modelle sind zudem zur Darstellung von Szenarien geeignet, deren
Auswirkungen nicht in der Realität validiert werden können. Alle diese Ansätze können jedoch nicht
genutzt werden, um für vorgegebene Prozesse sensitive Eingangsparameter gezielt zu suchen. Die
Ursachen dafür sind eine zumeist hohe Komplexität dieser Modelle sowie der für praktische Problemstellungen
typische enorme Umfang zu berücksichtigender Parameterkombinationen.
Die Problemstellung stellt ein klassisches multikriterielles Optimierungsproblem mit gegenläufigen
Zielen dar. Die Analyse vorhandener Ansätze zur Lösung derartiger multikriterieller Optimierungsprobleme
ergab, dass zwar eine Reihe von Verfahren auf Basis genetischer Algorithmen existieren,
die potenzielle Lösungskandidaten generieren können. Diese sind jedoch wegen ihrer hohen Zeitkomplexität
ungeeignet, sehr große Suchräume zu durchsuchen. Dies stellt aber eine notwendige Voraussetzung
zur Ermittlung optimaler Bewirtschaftungsszenarien dar.
Obwohl künstliche neuronale Netze eine für hydrologische Topologien nahe liegende, natürliche Repräsentation
bieten, werden sie zur Darstellung hydrologischer Prozesse bisher lediglich als Black-
Box-Modelle eingesetzt. Zwar exisitieren für neuronale Netze gut untersuchte Lernverfahren, mit denen
ihre Struktur gezielt angepasst werden kann. Da den einzelnen Netzwerkbestandteilen in Black-
Box-Ansätzen aber keine eigene Bedeutung zugeordnet wird, sind sie in dieser Form zur Lösung der
vorliegenden Problemstellung ungeeignet.
Entscheidungsunterstützungssysteme werden vielfach zur Bearbeitung wasserwirtschaftlicher Fragestellungen
als Schnittstelle zwischen Daten und Modellen einerseits sowie dem Entscheidungsträger
andererseits eingesetzt. Dabei muss festgehalten werden, dass existierende Systeme zwar in der Lage
sind, in der Phase der Entscheidungsfindung Hilfestellung zu leisten, indem sie gegebene Lösungsalternativen
hinsichtlich verschiedener Zielvorgaben gegenübestellen. Modellorientierte Entscheidungsunterstützungssysteme
sind ein Beispiel hierfür. Gerade aber die zuvor notwendige Suche
nach geeigneten, möglicherweise gar optimalen Lösungsalternativen wird insbesondere bei der Bearbeitung
unstrukturierter Probleme kaum unterstützt. Die Entwicklung eines geeigneten Verfahrens
zur Suche nach optimalen Lösungsalternativen ist daher Grundvoraussetzung für ein Entscheidungsunterstützungssystem,
mit dem die vorliegende Problemstellung bearbeitet werden kann.
1.4 Zielsetzung und Thesen der Arbeit
Die Bewirtschaftung einer landwirtschaftlich genutzten Fläche ist von vielen, häufig unbekannten Parametern
abhängig. Dazu zählen die spezifischen, physiografischen Eigenschaften der Einzelfläche
oder auch individuelle Präferenzen der Bewirtschafter. Der anthropogen verursachte Stickstoffeintrag
(N-Eintrag) ist jedoch aufgrund der engen Verknüpfung mit der Bewirtschaftung geeignet, hier als
Leitparameter zu fungierten. Eine Konfiguration optimierter N-Einträge kann dann in Verknüpfung