HANS M. KELLER
Kurzfassung
Den Wasserhaushalt für natürliche oder künstliche Systeme in all seinen Phasen s owie die durch äußere Veränderungen verursachten Konsequenzen kennenzuler
nen, gelten heute als die wichtigsten hydrologischen Forschungsprobleme. Von den in den letzten Jahren entwickelten und mit H ilfe des Computers möglich geworde
nen mathematischen Simulationsmodellen erlauben vor allem die deterministischen, prozeßorientierten Modelle eine weitergehende Interpretation und Übertragbarkeit hydrologischer Forschungsergebnisse. Experimentaleinzugsgebieten kommt als Ort der Verifikation eine wichtige Aufgabe zu. Vor- und Nach teile sowie Möglichkeiten und Konsequenzen für Planung in hydrologischer Forschung sowie Landnutzung werden erläutert.
1. Probleme hydrologischer Forschung
Unter den am häufigsten erwähnten und in neuester Zeit immer wichtiger wer- denden Problemen hydrologischer Forschung sind zwei Arten klar zu erkennen:
den Wasserhaushalt in seinen vielfältigen Phasen für definierte natürliche oder künstliche Gebiete beziehungsweise Systeme kennenzulernen;
die Reaktion eines hydrologischen Systems auf natürlich oder künstlich ver
änderte äußere Bedingungen zu erkunden.
Mit der ersten Art von Problemen befassen sich u. a. jene Studien, die die Was
serbilanz ganzer Einzugsgebiete, ausgelesener Teilflächen, ökotypischer Standorte, der Vegetationsdecke, des Wurzelraumes im Boden usw. über Zeitperioden von Sekunden bis Jahrzehnten untersuchen. Das Ergebnis wird nach Quellen und Sen
ken geordnet, als Summe über eine Zeitperiode dargestellt und ergibt ein Bild über die Anteile der beteiligten Komponenten. Bilanzierungen über längere Zeitperioden geben aber keineswegs Einsicht in die den Wasserhaushalt steuernden Prozesse, wie z. B. Verdunstung von interzeptiertem Niederschlag, Evapotranspiration einer Vege
tationsdecke, Gerinneabfluß, Wasserbewegung im Boden sowie an der Bodenober
fläche.
Eine Auflösung in kurze Zeitintervalle oder kontinuierliche Bilanzierung gibt bereits mehr Einsicht in hydrologische Prozesse, deren Größe und gegenseitige Abhängigkeiten geschätzt werden können. Solche Untersuchungen sind aber immer
noch keine Beweise für postulierte Vorgänge. Dies bleibt den spezifisch prozeß
orientierten Studien vorbehalten. Ergebnisse der Forschung, die diese erste Art
hydrologischer Probleme betreffen, sind grundlegend, aber nicht unbedingt von Interesse für den Praktiker.
Die zweite Art ist dagegen von sehr praktischer Bedeutung. Intensivierung oder Extensivierung der Landnutzung, Rationalisierung der Bodenbewirtschaftung, Um
weltschutzmaßnahmen u. a. sind Hauptgründe, die in manchen Fällen zu Verände
rungen des Wasserhaushaltes von Standorten, kleinen Gebieten und sogar Regio
nen führen können. Die hydrologischen Konsequenzen solcher Veränderungen in quantitativer und qualitativer Hinsicht abzuschätzen, ist heute ein aktuelles prak
tisches Problem.
Schwankungen und Veränderungen im hydrologischen System finden überall statt, können aber nicht überall untersucht werden. Die Forschung muß sich des
halb auf ausgewählte Fälle, Bedingungen, Standorte, nach P-rioritäten geordnet, beschränken. Sie muß Erkenntnisse schaffen, die zuerst einmal an den Ort .der Untersuchung gebunden sind. Von Bedeutung für die praktische Anwendbarkeit sind die Erkenntnisse aber erst, wenn sie eine mindestens beschränkte Übertrag
barkeit erlauben. . .
Viele Untersuchungen in Experimentalgebieten, die sich mit der Veränderung des hydrologischen Systems befassen, haben zu wertvollen Ergebnissen geführt, die aber nur für den Ort der Studie Geltung haben. Allgemeine Tendenzen der Reak
tion auf veränderte Landnutzung oder Bodenbewirtschaftung können daraus ab
geleitet werden. Obwohl die Übertragbarkeit von Erkenntnissen bis heute weit
gehend ein ungelöstes Problem geblieben ist (SNYDER und KNISEL, 1974; HuGGINS et al., 1973; RIGGS, 1970), scheint sich im prozeßorientierten Simulationsmodell eine ernstzunehmende, erfolgversprechende Methode zu entwickeln.
2. Simulation als Lösung
2.1. Begriffe
FORRESTER (1964, 1969) benützt in seinen Werken Begriffe, die in diesem Zu
sammenhang Geltung haben. P h y s i k a l i s c h e M o d el l e stellen ein Objekt in einem bestimmten Verhältnis zur Wirklichkeit dar. Im Gegensatz dazu stehen ab s t r a k t e M o d e 1 1 e, die für einen Gedankenvorgang, ein Konzept oder ein System vertretend dastehen. Das m a t h e m a t i s c h e S i m u 1 a t i o n s m o d e 11 ge
hört zu den abstrakten Modellen. Werden zeitabhängige Beziehungen berücksich
tigt, so handelt es sich um ein d y na m i s c h e s Modell.
Rechnungen sind mathematische Beziehungen und rufen nach Lösungen. Sind die Beziehungen relativ einfach, werden sie auf an a 1 y t i s e h e m Weg gefunden. Je mehr Funktionen -aber beteiligt sind, desto schwieriger wird die analytische Lösung.
Eine Lösung auf dem Wege der S i m u 1 a t i o n zu finden, heißt die Lösung schrittweise herbeizuführen. Handelt es sich nur um einen Schritt, ist die analyti
sche Lösung gleich der Simulation. Die Simulation findet deshalb· vor allem dort
Anwendung, wo viele Schritte benötigt werden. Die analytische Lösung ist aber genauer, da sie unendlich kleine Schritte beinhaltet. Wird sie kompliziert, müssen wie in der Simulation Vereinfachungen eingeführt werden. Damit werden Fehler
quellen und Ungenauigkeiten wahrscheinlicher. Häufig tritt dann die Lösung auf dem Simulationsweg, aus zeitlichen wie aus ökonomischen Gründen, an deren Stelle, auch wenn Präzision und Genauigkeit einer analytischen Lösung nicht ganz erreicht werden. Für komplexe Rechnungen, die auf mathematisch-analytischem Wege nicht lösbar sind, ist die S im u l a t i o n sogar die einzig mögliche Lösungsart.
Während die analytische Rechnungsweise für die gewählten Bedingungen alle möglichen Lösungen beinhaltet, erbringt eine Simulation nur jene Lösung, die den A n f a n g s b e d i n g u n g e n sowie den im Rechnungsgang gewählten Koeffizienten und in jedem Schritt neu bestimmten Bedingungen ·entspricht. Wird nur eine dieser äußeren oder inneren Bedingungen geändert, ergibt die Simulationsrechnung ein anderes Ergebnis .. Die oft in sehr vielen Schritten gerechneten Simulationen ergeben einen großen Rechenaufwand. Deshalb hat die Simulationstechnik erst seit der Ent
wicklung d es Computers an Bedeutung gewonnen.
Für die Simulation bilden alle Instruktionen und Gleichungen, die für die Be
rechnung eines Schrittes benötigt werden, den Kern des Rechnungsverfahrens und werden S i mu 1 a t i o n s m o d e 1 1 genannt. Es tritt anstelle des wirklichen Systems.
2.2. Hydrologische Lösungen
Hydrologische Probleme warten auf Lösungen. Es liegt in der Natur des Wasser
kreislaufes auf der Erde, daß relativ lange Zeitperioden beansprucht werden, um hydrologische Vorgänge zu beobachten. Dennoch wird von der Forschung erwartet, in möglichst kurzer Zeit Ergebnisse und Lösungen zu zeigen. Forschungsmethoden, die mit relativ kurzen Beobachtungsperioden auskommen, werden deshalb bevor
zugt. Um dieser Forderung gerecht zu werden, haben mathematische Simulations„
modelle schon seit einiger Zeit in der hydrologischen Forschung Anwendung ge
funden (CRAWFORD und LINSLEY, 1966; DoNIGIAN und WAGGY, 1974;, HOLTAN und LOPEZ, 1971; LEAF und BRINK, 1973;
u.s.
DEPT. OF COMMERCE, 1972). Meist genügen Beobachtungsdaten von nur wenigen Jahren für Formulierung, Kalibrierung und Verifizierung.
Es gibt viele Wege in einem Simulationsmodell, den Wasserhaushalt z. B. eines Standortes oder eines Gebietes zu beschreiben. SNYDER und KNISEL (1974) unter
scheiden s t o c h a st i s c h e, p a r a m e t r i sc h e und d e t e rm i n i s t i s c h e Modelle.
Solange es allein darum geht, eine hydrologische Größe (z. B. Abfluß) zu schätzen, ist es unwesentlich, was für Instruktionen und Geichungen im Simulationsmodell enthalten sind. Wichtig ist, daß das Resultat der Simulationsrechnung der geforder
ten Genauigkeit entspricht. Diese s t o c h a s t i s c h e n oder p a r a m e t r i s c h e n Simulation smodelle müssen kalibriert werden. Häufig werden ein oder mehrere
«Einpaßparameter» durch wiederholte Rechnungen geändert, bis die Simulations-
ergebnisse optimal sind. Auf diese Weise kalibrierte Simulationsmodelle haben den Vorteil, daß sie - je nach Aufwand - mit den Beobachtungsdaten gut übereinstim
men, also für den Ort der Kalibrierung gute Verwendung finden. Andererseits sind zwei Nachteile erkennbar, die vor allem in deren Übertragung auf Gebiete mit wenig oder keinen Beobachtungsdaten und damit beschränkter Eichmöglichkeit wichtig werden.
Sie sind wenig oder nicht prozeßorientiert. Ein umfangreiches Datenmaterial wird zur Kalibrierung benötigt, was deren Übertragbarkeit aus zeitlichen wie ökonomischen Gründen oft unmöglich macht.
Das stochastische oder parametrische Simulationsmodell gilt nur für Zeit und Ort der Eichung. Finden innerhalb des Gebietes oder Standortes Veränderungen statt (z. B. Bodenbewirtschaftung), so muß das Modell neu kalibriert werden.
Das d e t e r m i n i s t i s c h e Modell dagegen braucht im Prinzip kein Daten- material. Es ist auf Konzepte über die im hydrologischen System beteiligten Pro
zesse aufgebaut. Im Idealfall sind es die mathematisch formulierten Prozesse selber.
Da aber noch viele Vorgänge im Detail wenig erforscht sind, müssen Konzepte und häufig sehr grobe Vereinfachungen an deren Stelle gesetzt werden. Zu diesem Nach
teil kommt noch der Aufwand, der um so mehr ansteigt, je detaillierter die Teil
vorgänge, entsprechend der Erkenntnis in der Simulation, eingebaut werden. Hin
gegen sind zwei wesentliche Vorteile nicht zu übersehen:
Deterministische Modelle sind prozeßorientiert, sie benötigen im Idealfall keine Kalibrierung, d. h., sie sind zur Übertragbarkeit geeignet.
Da die Prozesse in Abhängigkeit der äußeren Bedingungen formuliert werden, sind diese Modelle geeignet, die .Konsequenzen äußerer Veränderungen zu ermit
teln. Sie geben die Möglichkeit, Alternativen als Folge künstlicher Veränderun
gen im hydrologischen System zu studieren.
Um Lösungen hydrologischer Probleme, wie sie in der zweiten Art beschrieben wurden, zu finden, scheint deshalb das prozeßorientierte mathematische Simula
tionsmodell größere Anwendung zu finden.
3. Simulation für die Planung
Im prozeßorientierten Simulationsmodell bietet sich ein Werkzeug an, in ver
schiedensten Systemen Lösungen zu ermitteln. Im folgenden wird auf zwei in der Hydrologie wichtige Anwendungsgebiete hingewiesen.
3.1. Hydrologische Aspekte in der Landnutzungsplanung
Integrierte Landnutzungsplanung wird in Zukunft immer bedeutsamer werden.
Ihr Erfolg hängt vor allem davon ab, in welchem Maße geplante Veränderungen in der Landnutzung in ihrer Wirkung vorausgesehen werden können. Die hydro
logischen Konsequenzen sind nur ein Teil davon, sind aber vielerorts von großer
Bedeutung. Was für Folgen sind zu erwarten bei einer Alpmelioration mit Entwäs
serung, Düngung, Bodenverbesserung? Wie wirkt sich eine Aufforstung aus, die mit einer Flächenentwässerung eingeleitet wird? Was für Veränderungen der Abfluß
menge, deren zeitliche Verteilung, deren Qualität in physikalischer, chemischer, biologischer Hinsicht, sind zu erwarten? Dies sind Beispiele, die noch beliebig ver
mehrt werden können. Mit dem prozeßorientierten idealen Simulationsmodell kön
nen Alternativen studiert, d. h. die Auswirkungen verschiedener, gestufter Eingriffe im Hinblick auf kritische hydrologische Komponenten abgeschätzt werden. Der Idealfall wird aber in naher Zukunft kaum erarbeitet sein, weil fehlende Erkennt
nis sowie Ökonomie Grenzen setzen. Deshalb werden auch prozeßorientierte Modelle noch einer mindestens teilweisen Kalibrierung unterworfen werden müs
sen. Es werden, nebst der Ermittlung der äußeren Bedingungen, Untersuchungen im zu beurteilenden Gebiet notwendig, um ein anwendbares Simulationsmodell zu formulieren.
Voraussetzung zur Anwendung von Simulationsmodellen in der Landnutzungs
planung ist aber nicht nur die mindestens bedingte Übertragbarkeit, sondern eben
sosehr deren Form_ und Ausstattung als Publikation. Die Veröffentlichung des Com
puterprogramms genügt nicht. Der verantwortliche Planer ist nur selten in der Lage, anhand einer wissenschaftlichen Publikation die notwendigen Schritte zur Anwendung des Simulationsmodelles zu unternehmen. Es gehört mit zur Aufgabe des Wissenschafters, Schritt für Schritt die Anweisungen zur Benützung eines Simu
lationsmodelles zu geben. Dies kann entweder in getrennten Instruktionen für den Benützer und den Computerprogrammierer oder in einem umfassenden Manual geschehen (z. B. STRIFFLER, 1973; PATTERSON et al., 1974).
Die gegenseitige Abschätzung von Alternativlösungen in der Landnutzungspla
nung und deren Auswirkungen auf hydrologische Aspek;te wird in Zukunft ein bedeutendes Feld- der Anwendung prozeßorientierter hydrologischer Simulations
modelle sein.
3.2. Hydrologische Forschung
Kein hydrologisches prozeßorientiertes Simulationsmodell ist vollständig und all
gemein anwendbar. Je nach Anwendungsbereich werden gewisse Prozesse ausführ
licher eingebaut, andere werden nur summarisch und vereinfacht oder gar nicht berücksichtigt. In jedem Fall aber wird es notwendig, die Empfindlichkeit des Modelles auf Veränderungen der äußeren Bedingungen sowie der im Rechnungs
gang verwendeten Koeffizienten und Beziehungen zu testen.
Aus einer Empfindlichkeitsstudie kann abgeleitet werden, mit welcher Genauig
keit die Anfangs- und Außenbedingungen für eine Simulationsrechnung erfaßt wer
den müssen, um die gewünschte Genauigkeit der Modellrechnung zu erzielen. Wer
den ökonomische Faktoren einbezogen, wird gleichzeitig für die Forschung eine praktische Grundlage der Durchführbarkeit erarbeitet. übertriebene Genauigkeit am einen Ort und ungenügende Daten am andern Ort können vermieden werden.
In manchen Phasen eines Modelles müssen Vereinfachungen getroffen werden, weil die Grundlagen fehlen. Empfindlichkeitsstudien, die die Variation solcher An
nahmen und Auswirkungen auf das Simulationsergebnis untersuchen, sind wichtige Entscheidungshilfen für Prioritäten weiterer Teilprojekte und Prozeßstudien. Wo die Simulationsrechnung auf Schätzungen beruht, ist es wichtig herauszufinden, welche Schätzungen äußerst empfindlich und welche weniger empfindlich und dem
nach weniger kritisch für das Simulationsergebnis werden. Empfindlichkeitsunter
suchungen innerer Modellannahmen können deshalb zur Erarbeitung von Priori
täten für nachfolgende Teilprojekte verwendet werden.
4. Verifizierung
Simulationsmodelle entstehen nicht über Nacht, sie können auch nicht für Pla
nung in Forschung und Landnutzung herangezogen werden, bevor sie einer sorg
fältigen Verifizierung unterworfen worden sind. Representati\:en und vor allem experimentellen Einzugsgebieten kam in ihrem Wert nicht immer volle Geltung zu, weil die Übertragbarkeit der Resultate in Frage gestellt wurde. Trotz Anfechtun
gen haben sie als einzige Forschungsmethode für den gewählten Ort handgreifliche Beweise erbracht (HEWLETT et al., 1969). Mit der Verifizierung von Simulations
modellen kommt ihnen eine wichtige Aufgabe zu. Sie sind die am eingehendsten, genauesten und am besten dokumentierten hydrologischen Systeme. Als Objekte für Bilanzierungen sind sie prädestiniert, zeitabhängige Veränderungen des hydro
logischen Zustandes. sowie innere Zusammenhänge kennenzulernen. Zusammen mit gezielten Prozeßstudien in Versuchsflächen und Laboratorien ergeben sie die beste Grundlage, Simulationsmodelle zu verifizieren. Nicht jede Phase und Station im prozeßorientierten Simulationsmodell kann in Versuchsflächen oder Experimental
gebieten direkt beobachtet und somit verifiziert werden. Dies wird auch nicht ge
fordert. Hingegen scheint es wichtig, daß jene Zustände und Veränderungen in der Natur durch das Simulationsmodell so nachvollzogen werden, daß sie bei einer Veränderung der äußeren Bedingungen (Bewirtschaftung, Landnutzung usw.) im Experimentalgebiet bzw. in der Versuchsfläche beobachtet werden können.
Während bei stochastischen und parametrischen Modellen meist die Endgröße (z. B. Abfluß) verifiziert wird, gilt es beim prozeßorientierten deterministischen Modell die einzelnen Prozesse und Zwischenstationen zu verifizieren. Sie fordern Datenmaterial und Beobachtungen in Experimentalgebieten und integrierten Ver
suchsflächen, die über die Erfassung von Niederschlag und Abfluß weit hinaus
gehen.
Hydrologische Simulationsmodelle beschränken sich heute nicht mehr auf quan
titative, zeitabhängige Erfassung der Volumina im Wasserkreislauf; auch die Was
serqualität wird in neuester Zeit von der Wissenschaft stark forciert (LOMBARDO, 1973; DUTT et al., 1972).
5. Ausblick
Das prozeßorientierte Simulationsmodell ist ein Werkzeug, das auch ohne Per
fektion einen hohen Wert besitzt. In seiner Konzeption mögen sogar Lücken und grobe Vereinfachungen enthalten sein. Ist es erfolgreich verifiziert, kann es bereits in Forschung und Praxis angewendet werden. Mit vielen Lücken und groben Ver
einfachungen sind ihm anfangs noch enge Grenzen in der Anwendbarkeit gesetzt, mit zunehmender Vervollständigung und genauerer Erfassung der Prozesse hin
gegen wird auch dessen Gültigkeit erweitert, im Bestreben, ein ideales, allgemein gültiges Modell zu erarbeiten. Darin liegt der wesentliche Wert eines prozeßorien
tierten Simulationsmodelles: In jeder Stufe seiner Entwicklung hat es bereits seinen nicht zu unterschätzenden Wert für Forschung und Praxis.
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