Darstellung und Analyse hydrologischer Topologien auf der Basis ...

1.5 Methodisches Vorgehen 19
wesentlichen Einfluss auf die Effizienz von Maßnahmen auf Einzelflächen, die zur Steuerung
des N-Gesamtaustrags eingesetzt werden.
1.5 Methodisches Vorgehen
Der zuvor beschriebenen Zielstellung der Arbeit wurde sich genähert, indem in einem ersten Schritt
eine orientierende Problemanalyse vorgenommen wurde. Diese beinhaltete vornehmlich eine intensive
Auseinandersetzung mit vorhandenem Wissen über multikriterielle Optimierungsprobleme. Dieses
wurde auf seine Anwendungsmöglichkeiten im Kontext der vorliegenden Problemstellung geprüft.
Hierzu wurde ein Abgleich mit notwendigen Funktionalitäten und Randbedingungen der hydrologischen
Optimierung vorgenommen. Aus der Analyse ergab sich die Notwendigkeit der Entwicklung
eines neuartigen Optimierungsverfahrens.
Daraufhin wurde in einem zweiten Schritt die Möglichkeit des Einsatzes von künstlichen neuronalen
Netzen geprüft, da sie geeignet schienen, die für die Problemlösung bedeutsamen lateralen Stofftransportprozesse
abzubilden. Besonderes Augenmerk wurde hierbei auf Backpropagation-Netze gelegt.
Diese eignen sich aufgrund ihrer individuellen Eigenschaften zur Abbildung von Einzelflächen im hydrologischen
Einzugsgebiet sowie den hydrologischen Beziehungen zwischen diesen Einzelflächen.
Nach einer sorgfältigen Analyse der Potenziale von Backpropagation-Netzen zur Lösungsentwicklung
wurde eine Anpassung des zugehörigen Backpropagation-Lernverfahrens an die Problemstellung vorgenommen.
Hieraus ergab sich ein spezielles Backpropagation-Netz und ein auf den hydrologischen
Kontext ausgerichtetes Optimierungsverfahren, welche zur Bearbeitung der Ausgangsfragestellung
genutzt werden konnten.
Als Voraussetzung zur praktischen Anwendung des neu entwickelten Verfahrens erfolgte seine objektorientierte
Implementierung in Java. Diese schloss auch die Bereitstellung von Komponenten zur
Parametrisierung sowie eine grafische Benutzeroberfläche zur Visualisierung der Ergebnisse mit ein.
Die Anwendung des Verfahrens erfolgte beispielhaft am Einzugsgebiet des Talsperrensystems Weida-
Zeulenroda. Um das hydrologische Einzugsgebiet einschließlich der Stickstofftransporte und der für
den Stickstoffabbau relevanten Prozesse abzubilden, wurden Daten zur räumlichen Diskretisierung,
zu den topologischen Beziehungen zwischen den räumlich diskreten Einheiten sowie das Verhältnis
von Stickstoffeintrag in die Fläche zum Stickstoffaustrag aus der Fläche benötigt. Zur Darstellung
der individuellen Charakteristik des Einzugsgebietes wurde die hydrologische Modellierungssoftware
WASMOD herangezogen (Fink 2004). Die Ergebnisse dieser Modellierung dienten hierbei sowohl
als Ausgangspunkt des Optimierungsverfahrens als auch zur Validierung seiner Ergebnisse. Die Optimierung
des Stickstoffeintrags im Einzugsgebiet nach vorgebenen Parametern erfolgte unter Zuhilfenahme
von Szenarien, die ausgehend vom Ist-Zustand entwickelt wurden. Der Erfolg dieser Optimierung
anhand der Ausweisung einzelner sensitiver Flächen mit hohem Einfluss auf das Gesamtsystem
konnte durch eine Gegenüberstellung mit herkömmlichen Verfahren nachgewiesen werden. Abschließend
wurde die Einbettung des entwickelten Verfahrens in ein Entscheidungsunterstützungssystem
beschrieben und die Vorgehensweise bei der Anwendung des Systems durch einen menschlichen Bearbeiter
dokumentiert.