Institut für

UMWELTSYSTEMFORSCHUNG


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In vielen Bereichen des Managements unserer Umwelt stellen sich grundlegende Fragen, so auch beim Management von ganzen Flussgebieten: Wie sollen sich unsere Flussökosysteme in Zukunft entwickeln, welche Leitbilder sollen dabei verfolgt werden? Soll z.B. eher der naturnahen Entwicklung oder der menschlichen Nutzung z.B. als Schifffahrtsstraße Vorrang eingeräumt werden?

Grundsätzlich sind durchaus unterschiedliche Leitbilder für die Zukunft denkbar: Naturnähe (links), Vorfahrt für die Schifffahrt (mitte) oder ein Kompromiss aus verschiedenen Nutzungen (rechts).

Wie lassen sich das Management von Flussgebieten, der Hochwasserschutz oder auch die Unterhaltung eines Flusses als Wasserstraße bewerkstelligen? Schnell wird klar, dass dies eine hochkomplexe Aufgabe ist, weil jeweils sehr viele, unterscheidliche Bereiche unserer Umwelt und des menschlichen Handelns betroffen sind. Viele Eigenschaften unserer Umwelt, aber auch unserer Gesellschaft und des Wirtschaftssystems müssen dabei betrachtet, untersucht und in ihren Abhängigkeiten verstanden werden. An ein paar einfachen Beispielen lässt sich dies demonstrieren:

 

 

Die unterschiedlichen Arten der Landnutzung (Landwirtschaft, Siedlungsflächen, Industrie- und Gewerbeflächen) beeinflussen die Versickerung und den oberflächlichen Abfluss von Niederschlagswasser. Damit wird auch die Menge des abfließenden Wassers in den Fließgewässern und letztlich auch das Hochwasserrisiko beeinflusst.

 

 

Die Wasserstände in den Flüssen werden aber auch durch Baumaßnahmen, wie sie für die Schifffahrt oder den Hochwasserschutz vorgenommen werden, beeinflusst. Durch Flussbegradigungen lassen sich Fahrrinnen für größere Schiffe schaffen, es steigt aber auch die Gefahr von Extremhochwässern.

 

 

 

Nährstoffe (Stickstoff, Phosphor u.a.) und Schadstoffe (Pestizide, Arzneimittel, Schwermetalle, o.ä.) werden sowohl in der Landwirtschaft, der Industrie und den Haushalten eingesetzt und gelangen direkt oder indirekt über das Grundwasser oder die Kläranlagen in die Fließgewässer. Die auftretenden Konzentrationen hängen von den Eintragsmengen, den Transportpfaden und den Bedingungen im Fluss (Wassermenge, Fließgeschwindigkeit, Eliminationsprozesse) ab. Belastungen des Grundwassers müssen mit technischem und finanziellem Aufwand verringert werden, wenn wir dieses Wasser als Trinkwasser nutzen wollen. Gelangen Nähr- und Schadstoffe in unsere Flüsse und über diese auch in die Meere, können sie die dort vorkommenden Lebensgemeinschaften verändern.

Um die Folgen menschlicher Eingriffe in Flussökosysteme abschätzen zu können, müssen zunächst die Zusammenhänge von Ursachen und Wirkungen verstanden werden. Hierzu werden in einem ersten Schritt alle bekannten Zusammenhänge erfasst und in einem Systemdiagramm (Beispiel siehe unten) zusammengetragen. Dies bildet die Grundlage für die Erstellung eines mathematischen Modells.

In solch einem Modell (oder auch mehreren verknüpften Modellen) wird unser Wissen über die Abhängigkeiten und Wirkungsweisen formalisiert, d.h. in der Regel in mathematische Gleichungen überführt. Dieser als Modellbildung beschriebene Arbeitsschritt ist typisch für die Arbeit als Systemwissenschaftlerin.

Beispielhaftes Systemdiagramm für Zusammenhänge im Wassereinzugsgebiet

Werden verschiedene Simulationsmodelle mit dem Ziel der Entscheidungsunterstützung integriert, so spricht man auch von DSS (Decision Support System)

Das mathematische Modell wird dann meist in ein Computermodell übersetzt, um damit Simulationen zu ermöglichen. Mit der Simulation kann einerseits der gegenwärtige Zustand nachgebildet werden, um zu überprüfen, ob unser Wissen, dass in die Modelle eingeflossen ist, hinreichend war. Andererseits können zukünftige Entwicklungen simuliert werden, die etwa Folge menschlichen Eingreifens sein können. So lassen sich bereits heute zukünftige Effekte abschätzen und Eingriffe hinsichtlich ihrer Wirkung vergleichen. Dieser Vergleich kann Entscheidungsträgern (Politiker, Manager, etc) helfen, aus den vielfältigen Möglichkeiten den wirkungsvollsten oder den sinnvollsten Kompromiss auszuwählen.

Beispiele für Methoden

  • Gleichungsbasierte Modelle zum Abfluss von Niederschlag und Grundwasser (Hydrologische Modelle)
  • Gleichungsbasierte Modelle der Wasserströmung (Hydrodynamik)
  • Gleichungsbasierte Modelle des Nähr- und Schadstoffaustrags, des Eintrags in die Fließgewässer und der dortigen Umsetzungsprozesse
  • Aufbereitung von raumbezogenen Daten mit Hilfe von Geoinformationssystemen

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