Ruhr-Universität Bochum Fakultät für Bauingenieurwesen Lehrstuhl für Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik Prof. Dr. rer. nat. A. Schumann Entwicklung einer Methodik zur systemanalytischen Unterstützung adaptierbarer Entscheidungsprozesse bei der integrierten Flussgebietsbewirtschaftung Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) vorgelegt von: Referent: Korreferent: Dipl.-Geoökol. Jörg Dietrich Prof. Dr. rer. nat. Andreas Schumann Prof. Dr. rer. nat. Ulrich Streit Institut für Geoinformatik Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Die vorliegende Arbeit wurde von der Fakultät für Bauingenieurwesen als Dissertation angenommen. Datum der mündlichen Prüfung: 29.11.2006
Kurzfassung Eine integrierte Wasserbewirtschaftung erfordert eine langfristige strategische Planung, die Berücksichtigung multipler Kriterien und die Partizipation von Bürgern und Interessensvertretern. Neben der hohen Unsicherheit der Daten und Planungswerkzeuge können Änderungen in den Rahmenbedingungen des Entscheidungsprozesses einen nicht vorhersagbaren Einfluss auf die künftige Entwicklung haben. Damit sind Entscheidungsprobleme der integrierten Flussgebietsbewirtschaftung schlecht strukturiert, d.h. Entscheidungen können nur unter beschränkter Rationalität stattfinden. Ein partizipativer, lernbasierter Ansatz für eine integrierte Planungsmethodik erfordert eine Reduzierung der Komplexität und eine Informationsverdichtung für die Vorbereitung der Auswahl geeigneter Bewirtschaftungsstrategien. Bisherige Methodiken der Entscheidungsunterstützung in der wasserwirtschaftlichen Planung sind zumeist auf die Anwendung von Simulationsmodellen und multikriterielle Analysen fokussiert und vernachlässigen die wichtige Brücke zwischen Entscheidungsprozessen und deren informationstechnischer Unterstützung. Die Geschäftsprozessmodellierung stellt eine hierbei noch wenig beachtete systemanalytische Methode dar, welche eine enge Vernetzung zwischen Fachdomäne und Informationstechnik ermöglicht. In dieser Arbeit wurde unter den Gesichtspunkten der integrierten Wasserbewirtschaftung eine Methodik zur Entscheidungsunterstützung entwickelt und am Beispiel der Maßnahmenplanung für das Flussgebietsmanagement dargestellt. Dabei kommt der Einbeziehung ökologischer und sozioökonomischer Kriterien und Restriktionen in die Entscheidungsfindung eine große Bedeutung zu. Es wurde basierend auf einem Geschäftsprozessmodell sowie einem Objektmodell ein Entscheidungsunterstützungssystem konzipiert, welches eine Trennung der Verantwortungsbereiche von Planung und Entscheidung vorsieht. Mit Hilfe einer visuell unterstützten, interaktiven multikriteriellen Methode kann eine Datenbank geplanter Maßnahmen und Strategien erkundet werden. Die Implementierung eines Prototyps sowie die exemplarische Anwendung der Methodik erfolgten am Beispiel der Umsetzung der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie für das Flussgebiet der Werra. Die Robustheit der abgeleiteten Handlungsempfehlungen wird diskutiert. Der gewählte Ansatz der Strukturierung des Entscheidungsprozesses sowie der Informationen mit Hilfe systemanalytischer Methoden konnte erfolgreich in ein allgemeingültiges Planungs-konzept zur integrativen Wasserbewirtschaftung umgesetzt werden. Schlagwörter: Integrierte Wasserbewirtschaftung, Europäische Wasserrahmenrichtlinie, Flussgebietsmanagement, Entscheidungsprozess, Geschäftsprozessmodellierung, Entscheidungsunterstützungssystem, multikriterielle Analyse, Aktivitätsmodell, Objektmodell.
English Summary Water management changes from technocratic towards sustainable integrated approaches, which consider ecological and technological criteria as well as socio-economic criteria. Integrated River Basin Management (IRBM) demands longterm strategic planning and multi-criteria negotiation in a participatory decision process. A huge uncertainty of data, modelling tools and future development of the natural and socio-economic environment add up to a poorly structured decision problem. The theory of bounded rationality provides a framework for satisficing instead of optimal decision making, if basic assumptions for rationality are not applicable. Participatory learning based decision procedures should reduce complexity in the negotiation. Existing approaches to decision support in water resources management often focus on modelling and multi-criteria analysis, but do not integrate decision processes and supporting ICT tools. Business process modelling is a method in systems analysis aiming to connect domain knowledge and information technology. Within this thesis a method for decision support in IRBM was developed exemplary shown on the European Water Framework Directive. The objective of the method is decision support concerning the programme of measures. The core analytical elements of the method are two models, which are written in the Unified Modeling Language (UML). The first model describes planning and decision making processes using activity models, whereas the second one uses class diagrams for structuring the geospatial information. A decision support system (DSS) was conceptualized, which separates planning and negotiation in order to reduce complexity. Thus simulation models are not included in the DSS. Alternative strategies were composed from the planning results and build up a decision space, which can be explored with the Reasonable Goals Method/Interactive Decision Map technique (RGM/IDM). The selection of alternatives is performed using a reference point approach, which is compliant with the satisficing decision making concept. The method does not require a preference modelling a priori. The easy-to-use interface supports social learning as well as negotiations in a participatory group decision making process. The method was tested in a case study, including the development of a DSS prototype in cooperation with a joint research project for integrated management of the Werra river basin in central Germany. The robustness of the results was discussed. Keywords: Integrated water resources management, European Water Framework Directive, river basin management, decision process, business process modelling, decision support system, multi-criteria analysis, acticity model, object model.
Danksagungen Die Grundlagen für die vorliegende Arbeit entstanden während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik der Ruhr-Universität Bochum, dabei insbesondere im Rahmen der Koordination des Verbundforschungsvorhabens Flussgebietsmanagement für die Werra. An dieser Stelle möchte ich ganz herzlich Herrn Prof. Dr. A. Schumann für die sehr konstruktive Zusammenarbeit und die Betreuung und Unterstützung meiner Arbeiten danken. Herrn Prof. Dr. U. Streit danke ich für die Übernahme des Korreferates. Besonderer Dank gilt auch den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Projektpartner des Werra-Verbundvorhabens, darunter Ines Adrian, Antje Becker, Antje Benemann, Alexandra Dehnhardt, Markus Funke, Jesko Hirschfeld, Dr. Petra Podraza, Susanne Seuter sowie Prof. Dr. Alexander Lotov für die konstruktive Zusammenarbeit. Die Planungsarbeiten des genannten Projektes lieferten wichtige Anregungen und Datengrundlagen für die Erprobung der in dieser Arbeit beschriebenen Methodik an einem Beispiel für die integrierte Flussgebietsbewirtschaftung. In diesem Zusammenhang soll auch den Ländern Hessen und Thüringen sowie der Flussgebietsgemeinschaft Weser gedankt werden, welche umfangreiches Datenmaterial zur Verfügung gestellt haben und konstruktive Anregungen aus Sicht der Praxis beigetragen haben. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat dankenswerterweise meine Projektstelle gefördert. Darüber hinaus danke ich ganz herzlich Anna Suslova und Sándor Gall für den unermüdlichen und zuverlässigen Einsatz während ihrer Tätigkeit als studentische Hilfskräfte sowie meinen Kolleginnen und Kollegen für fruchtbare Diskussionen und Anregungen. Während der Anfertigung der Arbeit musste meine Familie mich oft entbehren. Für das Verständnis möchte ich mich bei meiner Frau Mareike und unseren beiden Söhnen Justus und Thilo besonderes bedanken. Herzlicher Dank gebührt auch meiner Mutter Helga Dietrich und meiner Schwiegermutter Ilse Dettmer, welche unsere junge Familie während der Bearbeitung tatkräftig unterstützt haben. Bochum, im Juni 2006 Jörg Dietrich
Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung...1 1.1 Entscheidungsprobleme bei der integrierten Flussgebietsbewirtschaftung...1 1.2 Anwendung systemanalytischer Methoden zur Entscheidungsunterstützung...5 1.3 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit...8 2 Grundlagen der Entscheidungsunterstützung...11 2.1 Entscheidungstheoretische Grundlagen...11 2.2 Entscheidungsprozesse...13 2.2.1 Sequentielle Entscheidungsprozesse...14 2.2.2 Iterative Entscheidungsprozesse...14 2.2.3 Adaptives Entscheidungsverhalten...16 2.3 Analyse multikriterieller Entscheidungsprobleme...17 2.3.1 Strukturierung von Entscheidungsproblemen...17 2.3.2 Methoden der multikriteriellen Analyse...20 2.3.3 Präferenzmodellierung...22 2.3.4 Formen der Interaktion...23 2.3.5 Dominanzrelation und Effizienzkonzepte...24 2.3.6 Methoden auf Basis der Nutzentheorie...25 2.3.6.1 Multiattributive Nutzentheorie (MAUT)...25 2.3.6.2 Analytischer hierarchischer Prozess (AHP)...26 2.3.7 Outranking-Methoden...27 2.3.7.1 ELECTRE...27 2.3.7.2 PROMETHEE und GAIA...28 2.3.8 Methoden mit Verwendung von Referenzpunkten...31 2.3.8.1 Goal Programming...32 2.3.8.2 Compromise Programming...32 2.3.9 Interaktive Verfahren...33 2.3.9.1 STEM...33 2.3.9.2 GDF...33 2.3.9.3 Surrogate Worth Tradeoff-Methode...34 2.3.9.4 AIM...34 2.3.9.5 Reasonable Goals Methode mit interaktiven Entscheidungsoberflächen...35 3 Entscheidungsunterstützungssysteme...43 3.1 Definition und Typen von Entscheidungsunterstützungssystemen...43 3.2 Komponenten und Funktionalitäten von Entscheidungsunterstützungssystemen...44 I
Inhaltsverzeichnis 3.3 Gruppenentscheidungsunterstützungssysteme... 46 3.4 Raumbezogene Entscheidungsunterstützungssysteme... 48 4 Modellierung von Geschäftsprozessen und Softwaresystemen... 51 4.1 Vorgehensmodelle für die Software-Entwicklung... 51 4.2 Geschäftsprozessmodellierung... 53 4.2.1 Metamodell für die Geschäftsprozessmodellierung... 54 4.2.2 Methoden und Notationen der Geschäftsprozessmodellierung... 56 4.3 Modellgestützte Software-Entwicklung... 57 4.3.1 Das Konzept der modellgetriebenen Software-Architektur... 57 4.3.2 Die Unified Modeling Language (UML)... 58 4.3.2.1 Anwendungsfallmodelle... 59 4.3.2.2 Aktivitätsmodelle... 60 4.3.2.3 Klassendiagramme... 62 4.4 Architektur komplexer Softwaresysteme... 63 4.4.1 Mehrschichten-Architektur verteilter Systeme... 64 4.4.2 Service-orientierte Architekturen... 64 4.4.3 Architektur von ArcGIS... 65 4.4.4 Modellgestützte Entwicklung von Geodatenbanken... 66 5 Zusammenfassung des Forschungsstandes und Konzeption der eigenen Arbeiten... 67 5.1 Charakterisierung von Entscheidungsproblemen der integrierten Flussgebietsbewirtschaftung... 67 5.2 Entwicklung einer Methodik zur Entscheidungsunterstützung am Beispiel der Maßnahmenplanung im Zuge der Umsetzung der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie... 68 5.3 Eignung von Methoden der multikriteriellen Analyse... 68 5.4 Konzeption eines Entscheidungsunterstützungssystems... 71 5.5 Möglichkeiten zur besseren Verzahnung von Entscheidungsprozessen und Entscheidungsunterstützungssystem... 73 6 Modellierung von Entscheidungsprozessen für die integrierte Flussgebietsbewirtschaftung am Beispiel der EU-Wasserrahmenrichtlinie... 77 6.1 Vorgaben der EU-Wasserrahmenrichtlinie an die integrierte Flussgebietsbewirtschaftung... 77 6.1.1 Ziele der Wasserrahmenrichtlinie... 77 6.1.2 Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie... 78 6.1.3 Planungsprozesse bei der Umsetzung der WRRL... 80 II
Inhaltsverzeichnis 6.1.4 Handlungsoptionen für Stakeholder, Planer und Entscheidungsträger...83 6.2 Modellierung von Entscheidungsprozessen...85 6.2.1 Strategischer Entscheidungsprozess...85 6.2.1.1 Prozessmodell...85 6.2.1.2 Objektmodell...88 6.2.2 Problemidentifikation Beschreibung von Ist-Zustand, Defiziten und Entscheidungsumfeld...92 6.2.2.1 Prozessmodell...92 6.2.2.2 Objektmodell...92 6.2.3 Lokale Planung Einzelmaßnahmen...93 6.2.3.1 Prozessmodell...93 6.2.3.2 Objektmodell...94 6.2.4 Regionale Planung Strategieentwicklung für den Flussgebietsbewirtschaftungsplan...96 6.2.4.1 Prozessmodell...96 6.2.4.2 Objektmodell...97 6.2.5 Auswahl Multikriterielle Analyse, Verhandlung und Entscheidung über das Maßnahmenprogramm...100 6.2.5.1 Prozessmodell...100 6.2.5.2 Objektmodell...100 6.2.6 Umsetzung und Evaluierung Effizienzkontrolle, Fortschreibung der Pläne und Aufbau einer Wissensbasis...101 7 Entwicklung eines prototypischen Entscheidungsunterstützungssystems...103 7.1 Zusammenfassung der Anforderungen an das DSS...103 7.2 Software-Architektur des DSS...104 7.3 Benutzeroberfläche des DSS...106 7.3.1 Verwaltung von Sitzungen...106 7.3.2 Iterative Filterung von Alternativen...106 7.3.3 Ermittlung effizienter Alternativen durch multikriterielle Analyse...108 7.3.3.1 Funktionalität des RGDB-Applet...108 7.3.3.2 Anzeige der Entscheidungsoberflächen...109 7.3.3.3 Aushandlung von Anspruchsniveaus...110 7.3.3.4 Auswertung der selektierten Alternativen...111 8 Exemplarische Anwendung der Methodik für das Flussgebiet der Werra...113 8.1 Problemidentifikation...114 III
Inhaltsverzeichnis 8.1.1 Beschreibung und Diskretisierung des Untersuchungsgebietes... 114 8.1.2 Institutionelle Strukturen, Akteure und Konflikte... 115 8.1.3 Belastungen durch menschliche Tätigkeiten... 116 8.1.4 Bewertung des ökologischen Zustands und Potenzials der Oberflächenwasserkörper... 117 8.1.5 Abschätzung der weiteren Entwicklung bis 2015... 118 8.1.6 Defizitanalyse und Abschätzung des Handlungsbedarfs... 119 8.2 Bewertungskriterien... 120 8.2.1 Ökologischer Zustand... 122 8.2.2 Ökologische Durchgängigkeit... 122 8.2.3 Nährstoffbelastung... 123 8.2.4 Kosten... 123 8.2.5 Nutzen... 124 8.2.6 Soziale Akzeptanz... 125 8.2.7 Risiko... 126 8.3 Entwicklung lokaler Handlungsmöglichkeiten zur Erreichung der Umweltziele der WRRL... 127 8.3.1 Planung von Einzelmaßnahmen... 127 8.3.1.1 Maßnahmen zur Verbesserung der Gewässerstruktur... 127 8.3.1.2 Maßnahmen zur Verbesserung der Durchgängigkeit der Fließgewässer für wandernde Organismen... 128 8.3.1.3 Maßnahmen zur Reduzierung punktueller Nährstoffeinträge... 129 8.3.1.4 Maßnahmen zur Reduzierung von diffusen Nährstoffeinträgen und Versauerung... 130 8.3.2 Mögliche Ausnahmen von den Umweltzielen... 130 8.4 Alternative Strategien zur Kombination von Maßnahmen für den Flussgebietsbewirtschaftungsplan... 131 8.4.1 Teilstrategien zur Verbesserung der hydromorphologischen Verhältnisse... 132 8.4.2 Teilstrategien zur Verringerung des Nährstoffeintrages... 133 8.4.3 Strategien für ein Maßnahmenprogramm unter Berücksichtigung der Kostenanlastung... 137 8.4.4 Integrierte Bewertung der Strategien... 137 8.5 Entscheidungsorientierte Analyse alternativer Strategien... 138 8.5.1 Paarweise Betrachtung der Entscheidungskriterien... 138 8.5.2 Anwendung der multikriteriellen RGM/IDM-Technik... 139 8.5.3 Anwendung der PROMETHEE II-GAIA-Methode... 141 8.5.4 Anwendung von Compromise Programming... 142 8.5.5 Robustheit möglicher Handlungsempfehlungen... 143 IV
Inhaltsverzeichnis 9 Diskussion und Ausblick...147 Literatur...151 Anhang A: Verwendete Notationen der Unified Modeling Language (UML)...163 Anhang B: Aktivitätsmodell der Entscheidungsprozesse...167 Anhang C: Objektmodell der Maßnahmendatenbank...181 V
Verzeichnis der Abbildungen Abbildung 1.1: The three E of integrated management : Umwelt, Ökonomie und Gerechtigkeit.... 1 Abbildung 1.2: Wechselwirkungen zwischen dem Angebot von Wasserressourcen und der Nachfrage nach Wassernutzungen in Bezug zur Umwelt sowie zur sozioökonomischen Entwicklung (verändert nach Plate, 1993).... 2 Abbildung 1.3: Modell für einen integrierten Bewirtschaftungsprozess (nach Timmerman & Cofino, 2004).... 4 Abbildung 2.1: Sequentielle Modelle für Entscheidungsprozesse nach Simon (1960) und Brim et al. (1962).... 14 Abbildung 2.2: Modell für iterative strategische Entscheidungsprozesse nach Mintzberg et al. (1976).... 15 Abbildung 2.3: Einflussfaktoren auf die Wahl einer Entscheidungsstrategie bei einem adaptiven Entscheidungsverhalten (nach Payne et al., 1993).... 17 Abbildung 2.4: Grundmodell der präskriptiven Entscheidungstheorie... 17 Abbildung 2.5: Darstellung von Alternativen mit Attributen für zwei Kriterien Kosten und Konflikte. Pareto-optimale Alternativen sind mit einem Kreuz markiert.... 25 Abbildung 2.6: Darstellung von Kriterien (Quadrate), Alternativen (Dreiecke) und Kriteriengewichtung (Kreis) in der Projektion auf die GAIA-Ebene.... 30 Abbildung 2.7: Darstellung der Grenze der konvexen Schale der Alternativen (Punkte).. 36 Abbildung 2.8: Konvexe Edgeworth-Pareto-Schale (CEPH) der Alternativen.... 37 Abbildung 2.9: Abwägung dreier Kriterien mit Hilfe einer Entscheidungsoberfläche... 38 Abbildung 2.10: Festlegung eines Zielpunktes unter Berücksichtigung von drei Kriterien, hervorgehoben durch einen roten Stern.... 40 Abbildung 2.11: Lage des Zielpunktes gegenüber den Alternativen. Nahe liegende Alternativen sind durch ein fett dargestelltes Kreuz gekennzeichnet.... 40 Abbildung 2.12: Selektionsvorgang der RGM/IDM, dargestellt für ein Zwei-Kriterien- Problem. Der von den Entscheidungsträgern identifizierte Zielpunkt ist durch einen Stern dargestellt... 41 Abbildung 2.13: Lage eines beliebigen Zielpunktes gegenüber den Alternativen.... 41 Abbildung 3.1: Komponenten eines Entscheidungsunterstützungssystems (nach Hahn & Engelen, 2000).... 45 Abbildung 3.2: Komponenten eines Entscheidungsunterstützungssystems (nach Dos Santos & Holsapple, 1989).... 45 Abbildung 3.3: Vorgehensweisen bei der Aggregation über den Raum und über mehrere Kriterien (Darstellung in Anlehnung an van Herwijnen & Rietveld, 1999).... 49 Abbildung 4.1: Arbeitsflüsse einer iterativen und inkrementellen Softwareentwicklung mit dem Rational Unified Process.... 52 VI
Verzeichnis der Abbildungen Abbildung 4.2: Metamodell für die Geschäftsprozessmodellierung nach Eriksson & Penker (2000) in der Notation der UML Klassendiagramme (siehe Kapitel 4.3.2.3 und Anhang A).... 55 Abbildung 4.3: Die verschiedenen Modelle des MDA-Grundkonzeptes (nach Born et al., 2004)... 58 Abbildung 4.4: Diagrammtypen der UML 2.0 (nach OMG, 2004).... 59 Abbildung 4.5: Einfaches UML-Anwendungsfalldiagramm.... 60 Abbildung 4.6: UML-Aktivitätsmodell für die Festlegung von Ausnahmeregeln für Wasserkörper aufgrund unverhältnismäßiger Kosten einer Strategie... 61 Abbildung 4.7: UML-Klassendiagramm für Zeitreihen... 63 Abbildung 4.8: Mehrschichten-Softwarearchitektur.... 64 Abbildung 4.9: Mehrschicht-Architektur von ArcGIS... 65 Abbildung 6.1: Wichtige Aktivitäten und Termine bei der Implementierung der Wasserrahmenrichtlinie (nach CIS Working Group 2.9, 2003).... 79 Abbildung 6.2: Bedeutung von Maßnahmen und deren Effekten im DPSIR-Schema der Europäischen Umweltagentur.... 81 Abbildung 6.3: Allgemeiner Planungsprozess bei der Umsetzung der WRRL (verändert nach CIS Working Group 2.9, 2003)... 82 Abbildung 6.4: Aktivitätsmodell wichtiger strategischer Entscheidungsprozesse bei der integrierten Flussgebietsbewirtschaftung.... 87 Abbildung 6.5: Konzeptionelles UML-Objektmodell für eine Maßnahmendatenbank... 90 Abbildung 6.6: Abbildung eines Fließgewässernetzes als geometrisches Netzwerk (links) und topologisches Netzwerk (rechts).... 90 Abbildung 6.7: Lineare Referenzierung und dynamische Segmentierung zur redundanzfreien Abbildung von Wasserkörpern und Einleitungen entlang des Gewässers... 90 Abbildung 6.8: Qualifizierte Leitbänder zur Projektion gebietsstatistischer Daten von administrativen auf naturräumliche Raumeinheiten und Darstellung sozioökonomischer Daten auf Landkreis- und Wasserkörperebene.... 91 Abbildung 6.9: Formulierung von Kausalketten und deren Einzelbestandteile im Objektmodell.... 93 Abbildung 6.10: Raumbezug der Maßnahmen zu Objekten oder Teileinzugsgebieten, welche jeweils im Einzugsgebiet eines Flusswasserkörpers liegen.... 95 Abbildung 6.11: Wirkungsbereiche der Maßnahmen... 96 Abbildung 6.12: Kausalzusammenhänge, Maßnahmen und Strategien... 98 Abbildung 6.13: Wirkungsprognose für Strategien auf alle Wasserkörper... 99 Abbildung 6.14: Wechselwirkung der in einer Strategie enthaltenen Maßnahmen für jeden Wasserkörpers auf andere Wasserkörper.... 99 VII
Verzeichnis der Abbildungen Abbildung 7.1: Mehrschichten-Software-Architektur des internetfähigen, raumbezogenen Entscheidungsunterstützungssystems... 105 Abbildung 7.2: Benutzeroberfläche des DSS mit Assistent zur Filterung der Entscheidungsalternativen... 107 Abbildung 7.3: Filterung von Strategien auf Flussgebietsebene über die Benutzeroberfläche des DSS... 107 Abbildung 7.4: Benutzeroberfläche des RGDB-Applet für fünf Kriterien am Beispiel des Flussgebietsmanagements der Werra... 109 Abbildung 7.5: Identifizierung eines tragbaren Zielpunktes über die Benutzeroberfläche des RGDB-Applet und Zwischenspeichern einer Liste von Zielen.... 111 Abbildung 7.6: Liste weniger effizienter Alternativen als Ergebnis der Anwendung der RGDB-Methode.... 112 Abbildung 8.1: Grundstruktur des BMBF-Verbundvorhabens Flussgebietsmanagement für die Werra... 113 Abbildung 8.2: Übersicht über die betrachteten Fließgewässer, die Einteilung der Wasserkörper sowie die hydrologischen Teileinzugsgebiete größer als 100 km².... 114 Abbildung 8.3: Simulierte Emissionen aus diffusen Quellen und Punktquellen für das Werra-Einzugsgebiet am Pegel Letzter Heller (Angaben aus Dietrich et al., 2006a und Funke & Borchardt, 2006).... 117 Abbildung 8.4: Defizitanalyse für den ökologischen Zustand sowie die Nährstoffreduktion auf Grundlage des Basisszenarios für 2015.... 119 Abbildung 8.5: Überblick über Kriterienbereiche, Bewertungskriterien und wichtige Indikatoren.... 121 Abbildung 8.6: Beispielhafte Anwendung des DPSIR-Schemas auf das Thema Ökologische Durchgängigkeit der Fließgewässer.... 129 Abbildung 8.7: Nach sozioökonomischer Prüfung festgelegte Ausnahmeregeln... 131 Abbildung 8.8: Teilstrategie 1 zur Reduzierung der Nährstoffemissionen (S1 Fokus Punktquellen ).... 136 Abbildung 8.9: Teilstrategie 2 zur Reduzierung der Nährstoffemissionen (S2 Fokus diffuse Quellen )... 136 Abbildung 8.10: Teilstrategie 3 zur Reduzierung der Nährstoffemissionen (S3 Verursacherprinzip )... 136 Abbildung 8.11: Teilstrategie 4 zur Reduzierung der Nährstoffemissionen (S4 Kosteneffizienz )... 136 Abbildung 8.12: Darstellung jeweils zweier sozioökonomischer Kriterien gegeneinander. Pareto-optimale Alternativen sind schwarz hervorgehoben... 139 Abbildung 8.13: Entscheidungsraum der exemplarischen Anwendung der RGM/IDM- Methode im DSS für das Flussgebietsmanagement der Werra... 140 VIII
Verzeichnis der Abbildungen Abbildung 8.14: Entscheidungsraum der exemplarischen Anwendung der RGM/IDM- Methode im DSS für das Flussgebietsmanagement der Werra... 140 Abbildung 8.15: Darstellung des Entscheidungsraumes in der GAIA-Ebene mit gleicher Gewichtung der drei sozioökonomischen Kriterien Kosten, Kooperation und Nutzen.... 142 Abbildung 8.16: Räumlich differenzierte Betrachtung der Robustheit der Planung anhand der angewendeten Bewertungsverfahren und der Wasser- und Stoffhaushaltsmodellierung... 145 IX
Verzeichnis der Tabellen Verzeichnis der Tabellen Tabelle 2.1: Klassifizierung von Entscheidungsproblemen anhand der Art der Entscheidungsregel (nach Roy & Bouyssou, 1993)... 20 Tabelle 4.1: Ziele der Geschäftsprozessmodellierung und Anforderungen an Modellierungsmethoden... 54 Tabelle 4.2: Unterstützung von Modellperspektiven und Ausführungssprachen durch verschiedene Techniken der Geschäftsprozess- und Informationssystemmodellierung (eigene Einstufung unter Verwendung von Angaben in Giaglis, 2001 und List & Korherr, 2006)... 57 Tabelle 5.1: Unterscheidungsmerkmale ausgewählter UML-Entwicklungsumgebungen für die Modellierung raumbezogener Entscheidungsprozesse... 75 Tabelle 8.1: Überblick über die Organisation und wesentliche Aufgaben der Flussgebietsgemeinschaft Weser in Bezug auf den Bewirtschaftungsplan.... 116 Tabelle 8.2: Übersicht über die Bewertungskriterien und ihre wesentlichen Eigenschaften bezüglich anwendbarer Skalenebene, Kombinationswirkungen im Gebiet sowie Bezug zu möglichen Ausnahmenregeln aufgrund der Ausprägung des Kriteriums. 121 Tabelle 8.3: Teilstrategien zur Verbesserung der Hydromorphologie nach sozioökonomischer Prüfung... 133 Tabelle 8.4: Teilstrategien zur Reduzierung der Belastung mit Nährstoffen... 134 Tabelle 8.5: Spezifische Kosten von Maßnahmen zur Reduzierung von Phosphoreinträgen (diffuse Quellen grau hinterlegt)... 135 Tabelle 8.6: Integrierte Bewertung der verschiedenen Strategien.... 138 Tabelle 8.7: Entscheidungsmatrix und Ergebnisse des Outranking mit PROMETHEE II bei unterschiedlicher Gewichtung der Kriterien.... 142 Tabelle 8.8: Entscheidungsmatrix und Ergebnisse des Compromise Programming bei unterschiedlicher Gewichtung der Kriterien.... 143 X
Symbole und Abkürzungen Symbole und Abkürzungen Konjunktion (logisches und) Disjunktion (logisches oder) Negation All-Quantor ( für alle ) Existenz-Quantor ( es existiert ) R binäre Relation (Paarbeziehung) R keine binäre Relation Dominanzrelation Gradient BPMN CEPH CIS DSS ET GIS IWRM MDA SOA UML WRRL Business Process Modeling Notation Convex Edgeworth-Pareto Hull (konvexe Edgeworth-Pareto-Schale) Common Implementation Strategy Decision Support System (Entscheidungsunterstützungssystem) Entscheidungsträger Geographisches Informationssystem Iintegrated Water Resources Management (Integrierte Bewirtschaftung der Wasserressourcen) Model Driven Architecture (modellgetriebene Software-Architektur) Service-orientierte Architektur Unified Modeling Language Europäische Wasserrahmenrichtlinie XI
1 Einleitung 1.1 Entscheidungsprobleme bei der integrierten Flussgebietsbewirtschaftung Der zunächst auf globaler Ebene in das öffentliche Bewusstsein gerückte Nachhaltigkeitsgedanke (z. B. Brundtlandbericht, WCED, 1987 und Agenda 21, UNCED, 1992) wurde in der Folge von einzelnen Fachdomänen wie auch auf verschiedenen politischadministrativen wie räumlichen Ebenen aufgegriffen und in Handlungs- und Bewirtschaftungskonzepte umgesetzt. Ein zentraler Ansatz der nachhaltigen Nutzung natürlicher Ressourcen ist die Integration ökologischer, ökonomischer und sozialer Fragestellungen. Young (1992) nennt als drei übergeordnete, oft in Konflikt stehende Ziele nachhaltiger Entwicklung (Abbildung 1.1): Environmental integrity (Unversehrtheit der Umwelt), Economic efficiency (Ökonomische Effizienz), Equity (Soziale Gerechtigkeit, unter Berücksichtigung ökonomischer, sozialer und kultureller Aspekte). Environment Equity Economy Abbildung 1.1: The three E of integrated management : Umwelt, Ökonomie und Gerechtigkeit. Für den Bereich der Wasserwirtschaft entwickelte die Global Water Partnership eine Definition für die integrierte Bewirtschaftung der Wasserressourcen (integrated water resources management, IWRM, GWP-TAC, 2000), welche die oben genannten übergeordneten Ziele im Sinne des Nachhaltigkeitskonzeptes aufgreift: IWRM is a process which promotes the co-ordinated development and management of water, land and related resources, in order to maximize the resultant economic and social welfare in an equitable manner without compromising the sustainability of vital ecosystems. Bei der integrierten Bewirtschaftung von Wasserressourcen ist ein Zielkonflikt zwischen den oben genannten übergeordneten Zielen zu erwarten. Häufig ist z. B. eine ökonomisch 1
Kapitel 1 Einleitung zumindest für Einzelne vorteilhafte Nutzung von Wasser mit Nachteilen für die Umwelt verbunden, ein völliges Verbot dieser Nutzung könnte aber zu nicht hinnehmbaren sozialen oder ökonomischen Nachteilen in bestimmten Regionen oder Sektoren führen. Eine zentrale Aufgabe einer integrierten Ressourcenbewirtschaftung (Abbildung 1.2) stellt daher die Mehrziel-Abwägung in einem multi-disziplinären und partizipativen Entscheidungsprozess dar mit dem Ziel, einen für alle tragbaren Kompromiss zu erreichen (Loucks, 2000). Integrierte Sozioökonomische Entwicklung Angebot Wasserressourcen Wassernutzungen Nachfrage Natürliche Umwelt Ressourcenbewirtschaftung Abbildung 1.2: Wechselwirkungen zwischen dem Angebot von Wasserressourcen und der Nachfrage nach Wassernutzungen in Bezug zur Umwelt sowie zur sozioökonomischen Entwicklung (verändert nach Plate, 1993). Die Entwicklung von einer hierarchischen, technokratisch geprägten Wasserpolitik zu einer partizipativen, adaptiven nachhaltigen Wasserpolitik erfolgt in einem Übergangsprozess, welcher sowohl durch langjährige soziale Prozesse als auch durch einzelne Ereignisse angetrieben wird (van der Brugge et al., 2005). Das von Rotmans et al. (2000) beschriebene Konzept des Übergangsmanagements (transition management) umfasst Werkzeuge zur Analyse des dynamischen Verhaltens gesellschaftlicher Systeme. Übergangsmanagement versucht, Prozesse des Übergangs zu beeinflussen, ermöglichen, anzustoßen und organisieren. Es stützt sich auf wesentliche Aspekte der nachhaltigen Entwicklung und wird folgendermaßen charakterisiert: Übergangsmanagement berücksichtigt makroskalige technologische, ökonomische, ökologische, soziokulturelle und institutionelle Entwicklungen; die Dauer des Übergangsprozesses beträgt mindestens eine Generation (25 Jahre); es gibt Interaktionen zwischen den verschiedenen Skalenebenen. 2
1.1 Entscheidungsprobleme bei der integrierten Flussgebietsbewirtschaftung Ein Übergangsmanagement erfordert flexible bzw. adaptive Prozesse. Eine der Grundlagen stellt die Theorie komplexer adaptiver Systeme (complex adaptive systems) dar. Prigogine & Stengers (1984) leiteten aus der Untersuchung sozialer Systeme einige generelle Eigenschaften komplexer adaptiver Systeme ab: es gibt viele unterschiedliche Komponenten und Interaktionen; die Komponenten sind in einer Netzwerkkonfiguration organisiert; es handelt sich um ein offenes System, d. h. es erfolgt ein Material-, Energie- und Informationsaustausch mit der Umgebung; es liegt ein nichtlineares Verhalten vor; es gibt positive und negative Rückmeldungsschleifen; organisatorische Ebenen sind genestet; es gibt eine Koexistenz mehrerer Attraktoren (für das System attraktive dynamische Zustände im Sinne eines über die Zeit relativ stabilen Verhaltensmusters); Komponenten sind lernfähig und können durch Verhaltensänderungen auf Zustandsänderungen der Umwelt reagieren; sich parallel entwickelnde Interaktionsmuster können insgesamt zu nicht umkehrbaren Entwicklungspfaden führen; durch Interaktion von Komponenten auf niedriger Ebene können Strukturen auf höherer Ebene entstehen. Die zukünftige Entwicklung von Umwelt und Gesellschaft lässt sich nur mit großer Unsicherheit abschätzen. Dies betrifft auch die Ansprüche und Werte zukünftiger Generationen (Loucks, 2000; UNESCO, 1999). Die Entwicklung zukunftsorientierter politischer Strategien und Bewirtschaftungsplanungen kann daher nicht darauf abzielen, einen bestimmen zukünftigen Umweltzustand herzustellen, sondern lediglich darauf, die Entwicklung in eine gewünschte Richtung zu beeinflussen. Dabei muss die Anpassungsfähigkeit und Robustheit der betrachteten Systeme berücksichtigt werden. Es ist ferner eine differenzierte Betrachtung unterschiedlicher Skalen notwendig: auf der Maßstabsebene eines einzelnen Ackerschlages ist eine nachhaltige Wassernutzung anders zu bewerten als auf regionaler oder globaler Skala. Im internationalen, europäischen, nationalen und teilweise auch regionalen Maßstab wurden Nachhaltigkeitsindikatoren als eine Grundlage für die Bewertung der Nachhaltigkeit von Nutzungen natürlicher Ressourcen entwickelt. Die Unsicherheit über die zukünftige Entwicklung beeinflusst auch die möglichen Lösungswege für das Entscheidungsproblem. Es gibt nicht eine optimale Lösung im Sinne eines alle Ziele optimal verfolgenden Bewirtschaftungsplanes sondern oft nur Anhaltspunkte, wie eine nachhaltige Entwicklung nach aktuellem Erkenntnisstand bestmöglich gefördert werden kann. Das Lernen über Zusammenhänge zwischen physikalischchemischen, ökologischen und sozioökonomischen Größen sowie effizientere Wege der 3