Teilprojekt 8

 

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GIS-basiertes Szenarienanalyse- und Bewertungstool zur Darstellung von Wassermenge und Wasserqualität im Gewässersystem

Bearbeiter: W. Lahmer, PIK Potsdam

Konkrete Zielstellung

Computerbasierte Instrumente zur Unterstützung politischer Entscheidungsfindung sind zu einem wesentlichen Bestandteil der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Politik geworden. Hauptziel dieses Teilprojektes ist deshalb die Entwicklung eines nutzerfreundlichen Werkzeugs (Tools) zur Simulation und Evaluierung alternativer Managementoptionen für das Einzugsgebiet der Havel und deren Einfluss auf Wassermenge und -güte. Das GIS-basierte Szenarienanalyse- und Bewertungstool ist wesentlicher Bestandteil der Verwertungsmaßnahmen und beinhaltet innovative Ansätze zur Ergebniszusammenführung und -bewertung sowie zur Definition und weiteren Ausgestaltung von Szenarien mit Rückkopplung zu den hochdynamischen Modellierungsansätzen. Daneben trägt es in besonderem Maße der Anwendungsorientierung des Vorhabens Rechnung und garantiert eine Modifikation und Simulation von Einzelmaßnahmen und damit eine flexible Weiterverwendung der Projektergebnisse. Das Teilprojekt ist in erster Linie dem Kernthema III "Szenarienanalyse und -bewertung, Maßnahmenkatalog" des Vorhabens zuzuordnen und auf eine Beschreibung/Bearbeitung des Gesamtgebietes ausgerichtet. Einsatzziel des entwickelten Tools ist die Visualisierung des Ist- und Soll-Zustandes der Havel (Einzugsgebietsfläche und Flusslauf) und die fortschreibungsfähige Simulation und Bewertung von Bewirtschaftungsmaßnahmen. Damit soll auch nach Abschluss des Forschungsvorhabens eine Nutzbarkeit der Ergebnisse unter geänderten natürlichen und sozioökonomischen Verhältnissen möglich sein.

Geplante Arbeiten und angewendete Methoden

Bei dem geplanten Werkzeug handelt es sich im weitesten Sinne um ein Decision Support System (DSS), welches nach Simonovic (1996) als computer-based tool having interactive, graphical and modelling characteristics to address specific problems and assist individuals in their study and search for a solution to their management problems definiert wird. Es kombiniert unterschiedlichste Charakteristika des Untersuchungsgebietes auf der Basis von GIS-Technologie und nutzerfreundlicher Analyseumgebung und dient als "Integrator" wesentlicher, in anderen Teilprojekten erarbeiteter Ergebnisse. Die GIS-Umgebung sichert dabei die Einbindung aller benötigten räumlichen Informationen und die Verknüpfung von Kennwerten/Indikatoren, die für die Analyse von Managementoptionen von Bedeutung sind. Die grafische Oberfläche garantiert einen effektiven und praxisorientierten Einsatz bei der Analyse verschiedener Managementalternativen. Darüber hinaus ermöglicht das Konzept eine schnelle und flexible Einbindung neuer oder zusätzlicher Daten und Informationen - auch nach Übergabe an die Endnutzer.

Das Tool ist vorrangig auf das Gewässernetz der Havel ausgerichtet, leistet aber auch Ergebnisbetrachtungen zu Flächenszenarien. Es wird auf der Basis von Informationen erstellt, die an einzelne Gewässerabschnitte geknüpft sind. Jeder Gewässerabschnitt wird durch verschiedene hydrologische, chemische und biologische Parameter oder Indikatoren beschrieben, die Resultat von Veränderungen in der Einzugsgebietsfläche und/oder im Gewässerlauf sind. Zu den pro Gewässerabschnitt verarbeiteten Charakteristika gehören statistische Kennwerte der Abflussdynamik (TP 4), Wasserein- und -überleitungen, Wasserentnahmen, Stauhaltungen, Dämme und Reservoirs samt Regelungsvorgaben (TP 1, 11) sowie In- und Output verschiedener, die Wassergüte beeinflussender Stoffe (TP 2, 3, 5, 7).

Basis für die Bewertung alternativer Managementoptionen ist zunächst eine möglichst realitätsnahe Abbildung des Ist-Zustandes des Gewässersystems der Havel. Dazu werden bewirtschaftungsrelevante Eingangsparameter der Systemmodelle (TP 3, 4, 5) und die als Zielkriterien festgelegten Ausgabeparameter datentechnisch integriert. Erst diese ermöglichen eine aussagekräftige Beurteilung der Auswirkungen konkreter Managementmaßnahmen unter Berücksichtigung von Anforderungen verschiedener Wassernutzer, wasserwirtschaftlicher Entwicklungsziele (TP 1), von Landschaftsbewertung (TP 9) und landwirtschaftlicher Flächennutzung (TP 11). Die aus der Analyse des Ist-Zustandes resultierenden Ergebnisse (Ist-Ausprägungen) werden mit den abgeleiteten Zielvorgaben (Soll-Zustand entspr. Leitbildern und Vorgaben; TP 1, 2) verglichen und raumkonkret visualisiert. Für Sanierungserfordernisse werden interaktive Dialoge zur Auswahl von Managementoptionen bereitgestellt, die anschließend mit Hilfe der deterministischen Modelle simuliert werden können (Szenarienrechnungen und Impaktanalysen). Die aus dem TP 2 implementierten und für die Szenarienanalyse angewendeten Bilanzierungsmethoden stellen den Input für die anschließende multikriterielle Bewertung (Ranking; TP 10) und Monetarisierung (TP 2,10,11) dar, um zu umsetzbaren und praxisrelevanten Managementstrategien zu kommen.

Eher daten- denn modellorientiert soll das GIS-Tool im Hinblick auf Robustheit und Schnelligkeit nicht an ein spezifisches Modellierungssystem gebunden werden. Die Trennung von der umfassenderen (räumlichen) Datenbasis der flächendetaillierten (TP 4 und 5) und hydraulischen (TP 3) Modelle bietet den Vorteil, Ergebnisse verschiedener dynamischer Simulationsmodelle zur Beschreibung von Wassermenge, Wassergüte und Abflussdynamik verarbeiten zu können. In die Entwicklung des Tools sollen darüber hinaus Erfahrungen mit bereits existierenden Methoden und Werkzeugen einfliessen. So gibt es einige interessante Entwicklungen von Analyse- und Entscheidungssystemen, deren Eignung für die zu lösenden Probleme geprüft werden soll. Dazu gehören u.a. ein am PIK in Entwicklung befindliches "Metamodell" zur großräumigen Erfassung von Wasser- und Stoffflüssen in Einzugsgebieten (Haberlandt et al. 2000), ein im Rahmen des Elbeökologie-Projektes entstehendes DSS (de Kok et al. 2000) sowie ein im EUROTAS-Projekt speziell für Fragen des Hochwasserschutzes entwickeltes System (Blongewicz 2000, Counsell et al. 2000). Unter den verschiedenen Alternativen für die Systemarchitektur stellt ArcViewÓ wegen seiner Schnittstelle zu Datenbanken, seiner Visualisierungs- und räumlichen Analysemöglichkeiten, seiner Fähigkeit unterschiedliche Raumdaten (Vektor/Raster) zu integrieren und seiner weiten Verbreitung in Behörden eine geeignete Wahl dar. Bei Bedarf der Endnutzer lässt sich auch der Zugriff auf eines oder mehrere der dynamischen Modelle realisieren (z. B. eine Kopplung an das im TP 4 zu erstellende, auf dem hydrologischen Modellierungssystem ArcEGMO basierende dynamische "Mengenmodell Havel" unter einer gemeinsamen Benutzeroberfläche).

Angestrebte Ergebnisse und Zeitplan

Mit Hilfe des Szenarioanalyse- und Bewertungstools sollen sowohl die von dynamischen deterministischen Modellen bereitgestellten Ergebnisse als auch weitere managementrelevante Informationen über Visualisierungsmethoden (z.B. für integrierte und komponentenbezogene Güteklassen, gebietsspezifische Degradationsstufen) und geeignete Bewertungsalgorithmen für Soll-Ist-Bilanzen (TP 2 und 10) so zusammengeführt und verarbeitet werden, dass sich u.a. folgende Fragen beantworten lassen:

bulletWelche Gewässerabschnitte reagieren besonders sensibel auf Bewirtschaftungsmaßnahmen der Wassermenge und -güte?
bulletWo liegen die dominierenden Quellen für die Hauptbelastung in einem spezifischen Gewässerabschnitt und um welche Belastungen handelt es sich dabei?
bulletWelche umsetzungsrelevanten Möglichkeiten gibt es, diese Belastungen zu reduzieren?
bulletWie lassen sich die Bedarfsansprüche unterschiedlicher Wassernutzer sowie deren Prioritäten saisonal befriedigen?
bulletWie kann eine nachhaltige Verbesserung des physikalischen, chemischen und biologischen Zustands der Havel und damit ihres ökologischen Zustands erreicht werden?
bulletWelche Kosten sind für welche Gewässerbenutzer mit konkreten Bewirtschaftungsszenarien verbunden?

Aufgrund der Komplexität der zur Auswahl stehenden Lösungsvarianten ist es Entscheidungsträgern oft nicht möglich, objektiv zwischen einzelnen Vorschlägen oder Szenarien abzuwägen, da wasserwirtschaftliche Zielvorgaben über ganz unterschiedliche Wege realisiert werden können. Demzufolge soll das entwickelte GIS-basierte Tool von Anfang an so ausgelegt werden, dass weitergehende Analysen in den entspr. Behörden des Landes Brandenburg möglich sind. Dies bedeutet, dass einfache Methoden der Verarbeitung, Analyse und Darstellung von Informationen bereitgestellt werden müssen, die auf einer Wissensdatenbank über das Untersuchungsgebiet fußen und die Frage, weshalb bestimmte Optionen empfohlen und andere verworfen werden, transparent machen. Grundsätzlich ist deshalb angestrebt, den politischen Entscheidungsträgern nach Projektabschluss ein auf einer verbreiteten Architektur basierendes und praxisnah arbeitendes Werkzeug zur Verfügung zu stellen, das den grundlegenden Anforderungen "Bibliotheks- und Lernfunktion", "Kommunikation zwischen Wissenschaftlern und Entscheidungsträgern" sowie "Analyse von Managementalternativen" gerecht wird und als Instrument der fachübergreifenden Entscheidungsunterstützung, bei der Erarbeitung von Entscheidungsgrundlagen und bei der Formulierung von Maßnahmen in Flussgebietsplänen genutzt werden kann. Mit Hilfe dieses Werkzeuges soll es möglich sein, (i) den Ist-Zustand der Havel auf der Basis aller management-relevanten Kriterien abzufragen, zu analysieren und um neue Daten und Informationen zu ergänzen, (ii) Ergebnisse des im Projekt erstellten Szenarienkatalogs nachzuvollziehen sowie eigene Szenarienrechnungen durchzuführen, auszuwerten und zu visualisieren, und (iii) die Wirkungen und Kosten unterschiedlicher Managementmaßnahmen an jedem Gewässerabschnitt einzuschätzen und zu vergleichen.

Die Durchführung des Teilprojektes wird wesentlich durch die in anderen Teilprojekten erzielten Fortschritte und Ergebnisse bestimmt und orientiert sich an nachfolgendem Zeitplan:

  1. Detaillierte Problemdefinition in Zusammenarbeit mit den anderen Teilprojekten und den Nutzern
  2. Sichtung alternativer Ansätze, Abwägung verschiedener technischer Lösungsmöglichkeiten und qualitatives System-Design auf der Basis des Problemkatalogs sowie der vorhandenen Daten und erwarteten Ergebnisse
  3. Quantitative Systembeschreibung und technische Umsetzung der Vorzugsvariante (Pilotversion)
  4. Erste Testläufe mit vorläufigen Ergebnissen aus den Teilprojekten
  5. Ggf. Modifikation der Pilotversion und Integration aller benötigten Informationen
  6. Erstellung und Implementierung der Endversion, Validierungsläufe
  7. Übergabe im Gesamtpaket der erarbeiteten Managementvorschläge

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Bei Fragen und Hinweisen wenden Sie sich bitte an W. Lahmer (werner@wernerlahmer.de oder  webmaster@havelmanagement.net)
Stand: 07. Februar 2005

Layout: W. Lahmer