Darstellung und Analyse hydrologischer Topologien auf der Basis ...

62 Problemanalyse und Lösungsentwicklung
soll auf einige praxisrelavante Aspekte bei der Erzeugung des HydroNet und der Durchführung des
BP ∗ -Verfahrens näher eingegangen werden.
2.8.1 Neuronen, Netzwerkstruktur und Kantengewichte
Um ein hydrologisches Einzugsgebiet zusammen mit den für den Stickstofftransport und Stickstoffabbau
relevanten Prozessen durch ein HydroNet abzubilden, werden Informationen benötigt über
1. die räumliche Diskretisierung des Einzugsgebietes,
2. die topologischen Beziehungen zwischen den räumlich diskreten Objekten sowie
3. die Beziehung zwischen dem Eintrag von Stickstoff in ein Objekt sowie dem Austrag aus diesem
Objekt.
Die räumliche Diskretisierung ergibt sich bereits aus der Problemstellung. Diese beinhaltet die Suche
nach einer optimalen Konfiguration von Stickstoffeinträgen auf einzelnen landwirtschaftlichen
Nutzflächen (Schläge).
Sowohl die topologischen Beziehungen als auch die zur Darstellung der Beziehungen zwischen Eintrag
und Austrag von Stickstoff notwendigen Daten können jedoch nicht im Gelände gemessen werden.
Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, diese mit Hilfe eines geeigneten Modells aus im Gelände
messbaren Parametern zu ermitteln. Da die Ergebnisse der Modellierung für alle räumlichen Einheiten
individuell ausgewiesen werden sollen, muss das eingesetzte Modell in der Lage sein, flächendistributiv
– also unter Berücksichtigung der einzelnen räumlichen Einheiten des Einzugsgebietes – zu
arbeiten. Hinzu kommt, dass bereits bei leicht reliefiertem Gelände laterale Transportprozesse einen
großen Einfluss auf die Dynamik der den Stickstoff beeinflussenden Prozesse im Boden ausüben
können. Das Modell muss in der Lage sein, die daraus resultierenden topologischen Beziehungen
darzustellen, damit diese später auf das HydroNet übertragen werden können.
2.8.2 Aktivierungsfunktionen
Da es im Allgemeinen nicht möglich ist, die vom Modell berechnete N-Austragsfunktion in einer expliziten,
differenzierbaren Form darzustellen, muss für die Aktivierungsfunktion eine differenzierbare
Annäherung an diese N-Austragsfunktion gewählt werden. Als Basis für diese Annäherung dient eine
Menge von Stützstellen der N-Austragsfunktion, welche durch das Modell ermittelt werden müssen.
In den meisten Fällen ist es jedoch aufgrund fehlender Daten nicht möglich, diese vom Modell berechneten
Stützstellen zu validieren. Hieraus ergibt sich eine weitere Anforderung an das Modell. Dieses
muss nach einer initialen Kalibrierung mit gemessenen Daten in der Lage sein, auch die Ausgaben für
völlig unbekannte Eingabedaten mit ausreichender Genauigkeit zu ermitteln. Solche Modelle arbeiten
meist mehr oder weniger physikalisch basiert und lassen sich somit in die Klasse der White-Box- oder
Gray-Box-Modelle einordnen.
Um die Stützstellen zu ermitteln, werden N-Eintragsszenarien für das Modell festgelegt, welche so
gewählt werden, dass sie den angestrebten Definitionsbereich der N-Austragsfunktion vollständig und