Darstellung und Analyse hydrologischer Topologien auf der Basis ...

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II Inhaltsverzeichnis 2.5.3.1 Gradientenabstieg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.5.3.2 Fehlerweiterleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.5.3.3 Durchführung von Backpropagation . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.6 Vom Einzugsgebiet zum Backpropagation-Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.6.1 Aufbau des Netzwerkes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.6.1.1 Neuronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.6.1.2 Netzwerkstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.6.1.3 Aktivierungsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.6.1.4 Kantengewichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.6.1.5 Das HydroNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.6.2 Dynamische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.7 Ein neuronaler Lösungsansatz für das Stickstoffkonfigurationsproblem . . . . . . . . 52 2.7.1 Ein Lernverfahren für das HydroNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.7.2 Eigenschaften des Lernverfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.8 Praktische Überlegungen zum HydroNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.8.1 Neuronen, Netzwerkstruktur und Kantengewichte . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.8.2 Aktivierungsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.8.2.1 Polylines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.8.2.2 Polynome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.8.2.3 Gegenüberstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3 Anwendung: Das Talsperrensystem Weida-Zeulenroda 69 3.1 Charakterisierung des Einzugsgebietes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.1.1 Geografische Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.1.2 Lithologische und pedologische Verhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.1.3 Klima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.1.4 Hydrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.1.5 Landnutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.2 Die Simulationssoftware WASMOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.2.1 Modellbeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.2.2 Modellierungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3 Definition von Landnutzungsszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3.1 Betrachtungszeitraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.3.2 Landnutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.3.3 Düngung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.4 Vom Stofftransportmodell zum HydroNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.4.1 Räumliche Modelleinheiten und Neuronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.4.2 Gebietstopologie und Netzwerkstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.4.3 Aktivierungsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.4.4 Kantengewichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.4.5 Schnittstellen zwischen WASMOD und HydroNet . . . . . . . . . . . . . . 90 3.5 Simulation des Ist-Szenarios mit dem HydroNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.6 Optimierung mit dem HydroNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Inhaltsverzeichnis III 3.6.1 Optimierung des Stickstoffaustrags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.6.2 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.6.2.1 Validierung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.6.2.2 Einfluss des Klimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.6.3 Vergleich mit herkömmlichen Ansätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.6.4 Anwendung im Gesamtgebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.7 Praktische Umsetzung der entwickelten Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 3.7.1 Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 3.7.2 Anwendung zur Entscheidungsunterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4 Zusammenfassung und Ausblick 121 4.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
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