Möglichkeiten und Grenzen von Decision-Supporting-Systems (DSS) bei der Aufstellung von Maßnahmenprogrammen

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1 Folie 1 Möglichkeiten und Grenzen von Decision-Supporting-Systems (DSS) bei der Aufstellung von Maßnahmenprogrammen Dr.-Ing. Harald Wegner (ASCE, BWK, DWA) Franz Fischer Ingenieurbüro GmbH Erftstadt, Solingen, Dortmund harald.wegner@fischer-teamplan.de Gliederung Folie 2 1 Fragestellung 2 Definition DSS (Decision Support System), EUS (Entscheidungs- Unterstützungs-System, Maßnahmenprogramm 3 Probleme Vernetzung, offene Fragestellung 4 Lösungsansätze Werkzeuge, Randbedingungen, Fragestellungen, Ziele 5 Integrierte Modellierung Mengen- und Stoffhydrologie 6 Fazit Empfehlungen 1

2 Fragestellung So sah es aus das haben wir heute Folie 3 EGLV Ist ein einfacher Rückbau möglich? Fragestellung Folie 4 Zukunftsorientiertes EntscheidungsUnterstützungs-System (ZEUS) Aus: Waldwissen 2

3 Fragestellung - Status Quo Folie 5 Auf welchem Stand befinden wir uns heute? Auf der Tagung* sollen folgende hydrologisch relevante Themenkomplexe vorgestellt und diskutiert werden: 1. Identifikation von Ursachen für kritische Gewässerzustände, 2. Abhängigkeit des Wasser- und Stoffhaushalts von Klimaeinflüssen, 3. Einwirkung auf den Wasser- und Stoffhaushalt durch Bewirtschaftungsmaßnahmen, 4. Strategien einer verbesserten Einzugsgebietsbewirtschaftung. *Tag der Hydrologie 2007 Der nächste Tag der Hydrologie findet vom März 2007 in Rostock statt. Das Thema der Veranstaltung lautet "Einfluss von Klima und Bewirtschaftung auf den Wasser- und Stoffhaushalt von Gewässern". Die Tagung wird an der Universität Rostock durchgeführt. Gliederung Folie 6 1 Fragestellung 2 Definition DSS (Decision Support System), EUS (Entscheidungs- Unterstützungs-System, Maßnahmenprogramm 3 Probleme Vernetzung, offene Fragestellung 4 Lösungsansätze Werkzeuge, Randbedingungen, Fragestellungen, Ziele 5 Integrierte Modellierung Mengen- und Stoffhydrologie 6 Fazit Empfehlungen 3

4 Definition: DSS Folie 7 DSS: Decision-Support-Systems Allgemein sind Entscheidungsunterstützungssysteme (EUS) (englisch: Decision Support Systems (DSS)) rechnergestützte Systeme, die Entscheidungsträger in schlecht strukturierten Entscheidungssituationen unterstützen. Das Problemlösungsverfahren ist interaktiv, d.h. es läuft ein Mensch-Maschine-Dialog ab. Es geht nicht darum, Entscheidungen voll zu automatisieren, sondern die Erfahrungen und das Urteilsvermögen der Entscheidungsträger einfließen zu lassen. Ein anderer Begriff ist Expertensystem, ein Beispiel ist der Baum eines regelbasierten DSS wie folgt. Aus: Uni Oldenburg Regelbasierte DSS Regenwasserbewirtschaftung - Abkoppelungspotenzial Folie 8 VERSIEGELUNGSGRAD < 60 % 60% - 80% > 80% FLURABSTAND < 1m 1-1,5m 1,5-2,5m > 2,5m NUTZUNG Verwaltung Altbau Neubau Einfamilienhaus BODENKENNWERTE Machbar bei: Kenntnis der wesentlichen Einflussfaktoren Erfahrung in den Auswirkungen der Teileinflüsse Erfahrung in der Kategorisierung Probleme bei: Wenig scharfen Regeln Sehr langen Entscheidungswegen gut mittel ALTLAST ja nein schlecht Rückkopplungen innerhalb des Entscheidungsweges Gefahr der scheinbar richtigen, objektiven Lösung die jedoch das Ziel verfehlt Abkopplung von 30% unter geringem Aufwand möglich. Maßnahmenvorschlag: Mulden-Rigolen-Elemente Entscheidungsbaum (stark vereinfacht), aus: Sieker 4

5 Definition: Maßnahmen Folie 9 Maßnahmen- und Instrumentenauswahl Im Rahmen dieses Handbuches * wird eine Unterscheidung zwischen Maßnahmen und Instrumenten vorgenommen. Der Begriff Maßnahme wird hierbei als konkrete technische und eher lokal wirkende, z.b. bauliche, Vorkehrung interpretiert, während Instrumente administrativer, ökonomischer oder auch informativer Natur sind. Somit dienen Instrumente dazu, die Umsetzung der (eher technisch geprägten) Maßnahmen zu unterstützen, indem sie für die relevanten Akteure Anreize für Verhaltensänderungen schaffen. Eine Konsequenz daraus ist, dass Instrumente im Vergleich zu Maßnahmen langfristiger und weiträumiger wirksam werden und der Abstimmung auf einer höheren administrativen Ebene bedürfen. Sowohl die Maßnahmen als auch die Instrumente sind jedoch als 'Maßnahmen' im Sinne der WRRL, Artikel 11, zu verstehen. * Aus: UBA-Handbuch Position innerhalb der WRRL Folie 10 Kriterien zur Maßnahmenauswahl: Unsicherheitsfaktoren Unsicherheit der Technik, Unsicherheit der Realisierung Kosten Wechselwirkung unterschiedlicher Maßnahmen Verstärkung, Abschwächung Räumliche Ausdehnung der Wirkung Zeitliche Umsetzungsfähigkeit für den Start der Maßnahmen und für die Erkennbarkeit der Auswirkungen Beteiligung der Öffentlichkeit Aus: UBA-Handbuch 5

6 Gliederung Folie 11 1 Fragestellung 2 Definition DSS (Decision Support System), EUS (Entscheidungs- Unterstützungs-System, Maßnahmenprogramm 3 Probleme Vernetzung, offene Fragestellung 4 Lösungsansätze Werkzeuge, Randbedingungen, Fragestellungen, Ziele 5 Integrierte Modellierung Mengen- und Stoffhydrologie 6 Fazit Empfehlungen Problem Folie 12 Status Quo Schon die Beschreibung von Status Quo und Ziel ist nicht vollständig. Anforderungen zur Verbesserung kommen von unterschiedlichen Seiten. Ziele können sich gegenseitig widersprechen. Es gibt mehrere Wege der Zielerreichung. Das erreichbare Ziel ist Fachfremden zu erläutern. Restriktionen sind in ihren Auswirkungen zu erfassen, zu integrieren. Ziel Ziele können mehr oder weniger vollständig erfüllt werden. Ziele können im Verlauf der Entwicklung angepasst werden. Wir haben eine vernetzte Aufgabenstellung 6

7 Erfordernis: Vernetztes Denken Folie 13 Veranlassungen für vernetztes Denken und Handeln Erkenntnis, dass der ökologische Zustand nicht monokausal ist. Die Ursachen für den derzeitigen nicht ausreichenden Zustand sind das ebenso wenig. Es ist eine Vernetzung über Fachgebiete hinaus erforderlich. Selbsterkenntnis: Wir Wasserfachleute haben bisher nicht vernetzt genug gedacht. Vernetztes Handeln erfordert vernetztes Denken. Vernetzung: örtlich und gedanklich Folie 14 Wasserbereich Ökologiebereich Öffentlichkeit 7

8 Vernetzung: Kanal - Gewässer - Ökologie Folie 15 Kanalplanung Besitzverhältnisse Flächenverfügbarkeit zur Retention Wertigkeit von Flächen Ökologie Gewässerzustand System an der Kläranlage Schutz Flora/Fauna Machbarkeit Kanaltrasse Ausweitung Gewässertrasse Kanallage, Entlastungen Hochwasserschutz Gewässerplanung Gliederung Folie 16 1 Fragestellung 2 Definition DSS (Decision Support System), EUS (Entscheidungs- Unterstützungs-System, Maßnahmenprogramm 3 Probleme Vernetzung, offene Fragestellung 4 Lösungsansätze Werkzeuge, Randbedingungen, Fragestellungen, Ziele 5 Integrierte Modellierung Mengen- und Stoffhydrologie 6 Fazit Empfehlungen 8

9 Maßnahmenplanung Folie 17 Vorgehen: Werkzeuge Randbedingungen Fragestellungen Ziele Werkzeuge Folie 18 Werkzeuge: N-A-Modelle Datenerhebung (GIS), Modellerstellung Kalibrierung, Variantenbeurteilung Spiegellinienrechnung Vermessung, Modellerstellung Kalibrierung Maßnahmenwahl, Variantenbeurteilung Hydrodynamische Berechnungen Integrierte Betrachtung von Volumen und Energie Bei guter Datenerhebung geringere Notwendigkeit der Kalibrierung Ökologische Bestandsaufnahme Örtliche Erhebung Prognose über Erfahrungen Integrierte Modelle Integrierte Betrachtung von Volumen, Energie und Stoffen sowie deren Umsetzung Hohe Notwendigkeit der Kalibrierung und Sensitivitätsuntersuchung 9

10 Beispiel möglicher Aussagen Folie 19 Berechnung Überschwemmungsgebiet Ü-Gebiete mit Fließrichtung und Tiefe unterschiedlicher Jährlichkeit: Ökologische Flutung Hochwasserschutz Notwendige Prüfungen Folie 20 Hydrodynamische Gewässerberechnung Kölner Randkanal Prüfung von Überschwemmungsbereichen Tiefliegendes Gelände Ufer rechts, Wohnbebauung Erhöhung rechtes Ufer auf 410 m um 49 cm 10

11 Zu berücksichtigen Folie 21 Randbedingungen: Ziele Gesetze (58er, 31er, UVP, WRRL) Kanal Grundwasser Städtebau Straßenbau Öffentlichkeit Grenzen der Prognosefähigkeit Kostengrenzen Wichtigster Punkt vor Beginn: Klären der Randbedingungen Unterschiedliche Ebenen Folie 22 Fragestellungen hier bezogen auf die Wasserführung Niedrigwasser Füllung von Seen Mittelwasser Optische Eindrücke von Gewässern Kleine Hochwasser (0,5-2 Jahre) BWK Einleitungsgenehmigungen Mittlere Hochwasser (10 Jahre) Rückstau ins Kanalnetz Bemessungshochwasser ( Jahre) Hochwasserschutz Schadensbetrachtungen Wirtschaftlichkeitsuntersuchung Gesetzliche Hochwasser - Überschwemmungsgebiet HW100 Beeinflussung von Nutzungen Möglichkeiten des Ausgleichs bei Bau Extreme Hochwasser Hochwasserentlastungen Steigende Relevanz in Bezug auf die WRRL Hohe Relevanz in technischen Planungen 11

12 Vernetzte Fragestellungen Folie 23 Wasserbauliche und hydraulisch-, hydrologische Eingriffe sind in aller Regel derzeit das Problem, Sie brauchen hier Fachwissen, um gegenzusteuern Biologie Die Biologie ist das Maß der Dinge, um den guten ökologischen Zustand der Gewässer zu beurteilen Gewässer/ Biozönose Ingenieurwissenschaften Geowissenschaften Morphologische Defizite sind die Hauptursache für das Nichterreichen des guten ökologischen Zustands Konkurrierende Bewertungsansätze Folie 24 12

13 Ökologischer Zustand eines Oberflächengewässers Folie 25 Merkmale zur Beurteilung des ökologischen Zustands: biologische Merkmale (Zusammensetzung Artengemeinschaft) Fische Gewässertiere Wasserpflanzen Algen hydro-morphologische Merkmale Wasserhaushalt Durchgängigkeit Morphologie physikalisch-chemische Merkmale klassische Messgrößen (Sauerstoff, ph-wert ) synthetische Schadstoffe nicht-synthetische Schadstoffe (geogene Belastungen) Integrierter Modellansatz Folie 26 Integrierte Modellierung der Maßnahmenplanung zur Erreichung des guten ökologischen Zustands Gewässerstruktur vorher - nachher wenige 100 Meter Differenz 13

14 Integrierter Modellansatz Folie 27 Beurteilung ökologischer und extremer Hochwasser Integrierter Modellansatz Folie 28 Stoffliche und strukturelle Beurteilung von Einleitungen 2.5 Ergebnisdarstellung Gewässerabfluß: Gew ässe rkonz entration O2 c mg/l c < c_ krit c > c _ krit. Gew ässerko nzen tra tion NH3 -N c _krit c c > c_krit m g/l 10,0 Morphologie 9,0 Überschwemmungen 5,0 c < c_krit c_krit c mg/l 250 0,120 8,0 0,100 0,080 6,0 c (kein Grenzwer t d efi niert) 200 7, ,060 4, ,040 3,0 2,0 Einleitungen 1,03 * HQ1 pnat Gew ässerkonze ntration AF S 50 0,020 1,0 0 0,000 0,0 0, Regenab flußspende qr l/(s*ha) 128 0, Reg enabflu ßsp ende q r l/(s*h a) 128 0, Regen abflußspen de qr l/(s*ha) 14

15 Gliederung Folie 29 1 Fragestellung 2 Definition DSS (Decision Support System), EUS (Entscheidungs- Unterstützungs-System, Maßnahmenprogramm 3 Probleme Vernetzung, offene Fragestellung 4 Lösungsansätze Werkzeuge, Randbedingungen, Fragestellungen, Ziele 5 Integrierte Modellierung Mengen- und Stoffhydrologie 6 Fazit Empfehlungen Lösung - Modellansatz Folie 30 15

16 Lösung - Modellansatz Folie 31 MIKE BASIN / MIKE LOAD Urban Wasser Wasser Stoffe Stoffe Oberfläche Natürlich Wasser Wasser Stoffe Stoffe DaisyGis Kanalnetz Kanalnetz Wasser Wasser Stoffe Stoffe Umsätze Umsätze MIKE URBAN Bodenzone Bodenzone Wasser Wasser Stoffe Stoffe Umsätze Umsätze DaisyGis MIKE SHE Grundwasser Wasser Wasser Stoffe Stoffe (Umsätze) (Umsätze) MIKE SHE (Fließ-) Gewässer Wasser Wasser Stoffe Stoffe Umsätze Umsätze (Morphologie) (Morphologie) MIKE 11 MIKE 21 MIKE 3 (Chang, hydr. Geometrie) Biozönose chemische chemische biologische biologische ökologische ökologische Prozesse Prozesse EcoLab Lösung - Modellansatz - Bewertung Folie 32 Übersetzung abiot. Modellzustand in ökolog. Zustand Beschreibung ökologischer Zustand Methodik: Bewertungs-Verfahren Beschreibung Biozönose Methodik: regelgestützte Prognose, Basis Expertenwissen -Expertensysteme auf Grundlage von bisher bekannten Randbedingungen -Integrierte Modellierung (ECO-LAB) Beschreibung Abiotik Methodik: numerische Modelle, Prognosemodelle -Modell-Module -Hydrologie, Grundwasser, Hydraulik, Güte -Morphologie-Modelle, Morphometrie Übersetzung ökolog. Ziel in abiot. Zielsystem 16

17 Ablauf 1. Bestandsaufnahme und -analyse Folie Definition modellierbarer Zielgrößen, Entwicklung Zielsystem 3. Aufbau Modellsystem Bestand 4. Defizitanalyse, Begleitung Monitoring 5. Sensitivitätsanalyse der Belastungsbereiche Block 1: Grundlagen, Zielgrößen, Zielsystem, Modellaufstellung, Defizitanalyse 5a. Variation Belastungsbereiche 5b. Auswertung Sensitivität für Zielgrößen Block 2: Sensitivitätsanalyse für Belastungsbereiche Diffuse Einträge Punktuelle Einträge Hydro-morphol. Belast. 6. Ergänzung/Modifikation Zielsystem 7. Untersuchung von Szenarien Block 3: Ergänzung/Modifikation Zielsystem 7a. Konzeption Szenarien 7b. Modellierung Szenarien 7c. Bewertung Szenarien Block 4: Untersuchung von Szenarien für Maßnahmen Szenario 1 Szenario 2 Szenario x nein Zielerreichung ja 8. Maßnahmenprogramm und Bewirtschaftungsplan Block 5: Maßnahmenprogramm und Bewirtschaftungsplan Ablauf 1. Bestandsaufnahme und -analyse 2. Definition modellierbarer Zielgrößen, Entwicklung Zielsystem Block 2: Sensitivitätsanalyse für Belastungsbereiche Folie Aufbau Modellsystem Bestand 4. Defizitanalyse, Begleitung Monitoring 5. Sensitivitätsanalyse der Belastungsbereiche 5a. Variation Belastungsbereiche 5b. Auswertung Sensitivität für Zielgrößen Diffuse Einträge Punktuelle Einträge Hydro-morphol. Belast. Belastungsbereiche der Gewässer sind Diffuse Einträge Punktuelle Einträge (kontinuierlich/diskontinuierlich) Hydro-morphologische Belastungen Systematische Sensitivitätsanalyse der Belastungsbereiche zeigt effektive Maßnahmen Verallgemeinerung der Aussagen ist möglich 6. Ergänzung/Modifikation Zielsystem 7. Untersuchung von Szenarien 7a. Konzeption Szenarien 7b. Modellierung Szenarien 7c. Bewertung Szenarien Szenario 1 Szenario 2 Szenario x nein Zielerreichung ja 8. Maßnahmenprogramm und Bewirtschaftungsplan gering Wirkung hoch Typ I konvex gute Wirkungscharakteristik Typ III inhomogen Typ II konkav schlechte Wirkungscharakteristik gering Aufwand hoch 17

18 DSS vs. Integrierte Modelle? Folie 35 DSS, Expertensysteme, Integrierte Modelle? Erzeugung von Maßnahmenszenarien Berücksichtigung von Restriktionen Analyse der Szenarien Bewertung durch Indikatoren Umsetzung DSS, Expertensysteme geben einen Rahmen Integrierte Modelle incl. Erfahrung quantifizieren Aus: RWTH Aachen, LFI, UBA-Handbuch Gliederung Folie 36 1 Fragestellung 2 Definition DSS (Decision Support System), EUS (Entscheidungs- Unterstützungs-System, Maßnahmenprogramm 3 Probleme Vernetzung, offene Fragestellung 4 Lösungsansätze Werkzeuge, Randbedingungen, Fragestellungen, Ziele 5 Integrierte Modellierung Mengen- und Stoffhydrologie 6 Fazit Empfehlungen 18

19 Fazit Folie 37 Die Fragestellung im Rahmen der Maßnahmenplanung sowie die Auswirkungen sind vielschichtig vernetzt. Die Vernetzung bezieht sich auch auf Fachdisziplinen, das Stichwort lautet: Transdisziplinäre Fragestellung. Die Werkzeuge zur Beurteilung des Handelns sind z.t. noch in der Entwicklung. Entscheidungen sind nachvollziehbar für Außenstehende zu treffen. Wir brauchen den Überblick über eine Vielzahl von Randbedingungen und möglichen Lösungen. Wir brauchen sichere Wenn Dann Prognosen. Der Decision Support liegt in einer sauberen Dokumentation der Vorgehensweise und Abschätzung der Auswirkungen. Fazit Folie 38 Die Fokussierung auf den kleinen Ausschnitt einer vernetzten Aufgabenstellung geht oft schief 19