Systemdynamik Gliederung: System, Subsystem und Modularisierung 1 System, Subsystem, Modularisierung: Beispiele 2 Systemhierarchien und Modularisierung 3 Systemreaktion und Systemerhaltung 4 Verhaltensorientierung 5 Unberechenbarkeit deterministischer Systeme 6

System, Subsystem und Modularisierung Systemdynamik System, Subsystem und Modularisierung Ein komplexes System ist schwer zu verstehen, da zeitgleich alle das System betreffenden Informationen aufgenommen und verarbeitet werden müssen. Bsp.: Flusseinzugsgebiet, Großstadt, Ökosystem 1 Ihre Analyse macht deutlich, dass sie aus verschiedenen, abgrenzbaren Subsystemen bestehen, d.h. das Gesamtsystem ist modular aufgebaut. Bsp.: Flusseinzugsgebiet  Teileinzugsgebiete Stadt  Bezirke 2 Die Analyse der Subsysteme (‚kopfgroße Teile‘) ist einfacher, da die Anzahl der Systemparameter geringer ist. 3 In der anschließenden Synthese kann man sich dann auf die Wirkungsstruktur, d.h. den durch Prozesse gesteuerten Energie-, Volumen- oder Informationsfluss zwischen ihnen konzentrieren. 4

EZG der Sieg: „Nested catchment approach“ Systemdynamik EZG der Sieg: „Nested catchment approach“ A B C Kasten A: Breidenbach  Homburger Bröl  Bröl Kasten B: Kleine Nister  Nister Kasten C: Ochsenbach (links), Geiersgrundbach (rechts) BONN

Wasserhaushalt: Physiographische Komponenten Systemdynamik Wasserhaushalt: Physiographische Komponenten Vegetation Art Dichte Stammausprägung Blattfläche Rückstände Wurzelentwicklung Atmosphäre N-Höhe N-Intensität Strahlung Wind Temperatur Luftfeuchte Boden Feuchte Textur C-org Salz Länge Form Expos. Gefälle Relief Evaporation Interflow GW-Bildg. Basisabfluß Kapillaraufstieg Pflanzenw. Interzeption Abfluß Infiltration Transpiration

Wasserhaushalt: Anthropogene Komponenten Systemdynamik Wasserhaushalt: Anthropogene Komponenten Begradigung Eindeichung Einstau Verunreinigung Erwärmung Einleitungen Vorfluter Landwirtschaft Übernutzung Bearbeitung Entwässerung Versiegelung Bewässerung Renaturierung Wald- Klima Indirekt sterben Forst Interflow Basisabfluß Kapillaraufstieg Abfluß Transpiration Evaporation GW-Bildg. Pflanzenwasser Interzept. Infiltration

Realität: Komplexes Komponentengefüge Systemdynamik Realität: Komplexes Komponentengefüge Evaporation Interflow GW-Bildg. Basisabfluß Kapillaraufstieg Pflanzenw. Interzeption Abfluß Infiltration Transpiration Länge Form Expos. Gefälle Relief Atmosphäre N-Höhe N-Intensität Strahlung Wind Temperatur Luftfeuchte Vegetation Art Dichte Stammausprägung Blattfläche Rückstände Wurzelentwicklung Boden Feuchte Textur C-org Salz Interflow Basisabfluß Kapillaraufstieg Abfluß Transpiration Evaporation GW-Bildg. Pflanzenwasser Interzept. Infiltration Wald- Klima Indirekt Begradigung Eindeichung Einstau Verunreinigung Erwärmung Einleitungen Landwirtschaft Übernutzung Bearbeitung Entwässerung Vorfluter Versiegelung Bewässerung Renaturierung Forst sterben

Integriertes Komponentenkonzept: Modularität Systemdynamik Integriertes Komponentenkonzept: Modularität Atmosphäre Wassergehalt Sonnenenergie Grundwasser Vorfluter Siedlung Vegetation Boden Ozean Wolken Ko E E + T N Sw Kw kA Ag Bn Bew Ao Pwv Ui Ao Ai Ai Ag A

System, Subsystem und Modularisierung Systemdynamik System, Subsystem und Modularisierung Die Modularisierung bei der Systemanalyse und der Systemsynthese ist eine wichtige Voraussetzung für eine reale, d.h. systemabbildende Modellentwicklung. 5 Bei der Entwicklung von prozessbasierten Computermodellen wird die modulare Struktur des Gesamtsystems durch entsprechende, in sich abgeschlossenen Programm-Module (früher Subroutinen) wiedergegeben. 6 Die Modularisierung kann folgendermaßen zusammengefasst werden: 7 Komplexe Systeme mit vielen Zustandsgrößen lassen sich in Teilsysteme modularisieren, aus deren Wirkungsstruktur im Gesamtsystem das Systemverständnis aufgebaut werden kann. 1 Durch die Abgrenzung von Teilsystemen erfolgt eine Komplexitätsreduktion, indem die Teilsysteme von “Spezialisten” detailliert untersucht werden können. 2

System, Subsystem und Modularisierung Systemdynamik System, Subsystem und Modularisierung Daten-, Energie- und Informationsflüsse innerhalb und zwischen den Teilsystemen werden isoliert betrachtet und lassen sich dadurch leichter analysieren. 3

Systemhierarchien und Modularisierung Systemdynamik Systemhierarchien und Modularisierung Modular strukturierte Systeme haben eine Systemhierarchie, bei der zwischen über- und untergeordneten Teilsystemen unterschieden werden kann. 1 Die Geographie untersucht folgende Systemumwelten, in denen Systemhierarchien ausgeprägt sind: 2 Natürliche Umwelt (Natural Environment = NE-Systeme) in denen sich die Systemhierarchie aus dem der Gravitation folgenden Volumenfluss ergibt. Bsp.: Wasserkreislauf, Erosion, Gletschersysteme 1 Anthropogene Systeme (Human Dimension = HD-Systeme), in denen sich die Systemhierarchie aus den Verantwortlichkeiten des Systemmanagements heraus ergibt. Bsp.: Bewässerungssysteme, Wirtschaftsunternehmen, Verwaltungen (Unterschriftsberechtigungen) 2

Systemhierarchien und Modularisierung Systemdynamik Systemhierarchien und Modularisierung NE-HD-Systeme unserer „real world“ haben folgende Hierarchiefunktionen implementiert: 3 Teilsysteme haben eine begrenzte ‚Prozessautonomie‘, mit der ein Eintrag in einen Austrag umgewandelt wird.. 1 Übergeordnete Teilsysteme werden nur dann aktiv, wenn das untergeordnete Niveau Aktivität anfordert, da der Verarbeitungsprozess sonst nicht fortgeführt werden kann. Bsp.: Bewässerungssystem, Wirtschaftsunternehmen, Verwaltungen (Unterschriftsberechtigungen) Wachstum von Organismen 2 Übergeordnete Teilsysteme üben eine Kontrollfunktion (Weisungsbefugnis) aus und können Systemänderungen “einführen”, an die sich die untergeordneten Systeme anpassen. Bsp.: Klimaänderungen, Geotektonik, Vulkanismus 3

Systemhierarchien und Modularisierung Systemdynamik Systemhierarchien und Modularisierung Ist diese Anpassung nicht möglich, wird die Systemintegrität zerstört und das System ändert seine Funktion oder verfällt. Bsp.: Restrukturierung von Wirtschaftsunternehmen, Aussterben von Arten 4

Systemreaktion und Systemerhaltung Systemdynamik Systemreaktion und Systemerhaltung Systeme reagieren unterschiedlich auf Einwirkungen aus der Systemumwelt. Hierbei können folgende hierarchisch angeordnete Reaktionstypen unterschieden werden: 1 Bei System-Selbstorganisationen erfolgt auf Umwelteinträge ein Strukturwandel innerhalb des Systems. Dabei bleibt die Identität des Systems erhalten, verändert sich jedoch langfristig mit der Neuorganisation des Systems. Bsp.: Vegetation passt sich an Klimawandel an 1 Bei Rückkoppelungen erfolgt die Systemreaktion über zumindest eine Zustandsgröße, wie z.B. bei Regelungsvorgängen. Bsp.: ET = f(rel. LF) ET = f(θ) 2 Bei Systemanpassungen bleibt die Wirkungsweise des Systems erhalten, doch werden Parameteränderungen vorgenommen. Bsp.: Wurzelwachstum bei Grundwasserabsenkung 3

Systemreaktion und Systemerhaltung Systemdynamik Systemreaktion und Systemerhaltung Bei einer System-Selbstorganisationen erfolgt auf Umwelteinträge ein Strukturwandel innerhalb des Systems. Dabei wird die Identität des Systems erhalten, verändert sich jedoch langfristig mit der Neuorganisation des Systems . Bsp.: Mäanderdurchbruch, Flussanzapfung Vegetationswandel bei Klimaänderung 4

Systemreaktion und Systemerhaltung Tab. 1: Zeitlich differenzierte Systemreaktionen auf unterschiedlichen Systemebenen   Systemdynamik Systemreaktion und Systemerhaltung Tab. 1 Zeitliche Systemreaktionen auf unterschiedlichen Systemebenen Systemreaktion Systemebene Reaktionszeit Ursache - Wirkung Prozess sofort Regelung Rückkoppelung gering verzögert Parameteränderung Anpassung mittelfristig Strukturwandel Selbstorganisation langfristig Identitätswandel Evolution sehr lang Integritätserhaltung Entfaltungsleitwerte immer  

Systemreaktion und Systemerhaltung Die genannten Systemreaktionen (Tab. 1) stellen letztlich das Bemühen des Systems dar, trotz der Einträge aus der Systemumwelt seine Systemintegrität zu etablieren. 2 Systemdynamik Systemreaktion und Systemerhaltung Diese Verhaltenorientierung lässt sich auf der oberen Systemebene mit den Begriffen Existenzsicherheit, Handlungsfreiheit, Wirksamkeit oder Wandlungsfähigkeit charakterisieren. 3 Für die Systemanalyse und die darauf basierende Systemprognose ist hierbei zwischen folgenden System-einträgen aus der Systemumwelt zu unterscheiden: 4 Die Wirkungsstruktur des System wird nicht verändert, sondern durch Parameteränderungen nur angepaßt. Bsp.: Niederschlag füllt den Bodenwasser- und Grundwasserspeicher auf und erhöht dadurch den Basisabfluss. 1

Systemreaktion und Systemerhaltung Systemdynamik Systemreaktion und Systemerhaltung Die Wirkungsstruktur des Systems wird grundlegend verändert, wobei auch bestehende, bisher inaktive Strukturverbindungen aktiviert und in ihrer Bedeutung für die Systemdynamik verändert werden können. Bsp.: Erzeugung von Oberflächenabfluss auf überweideten Flächen mit Rückkopplungseffekten durch erhöhte Flächen- und Tiefenerosion. Bsp.: Konfliktaufbau zwischen Nachbarstaaten 2 Für die Systemanalyse ist es von großer Bedeutung, dass untersucht wird, ob durch den Umwelteintrag die Wirkungsstruktur des Systems geändert wird oder nicht. 4 Wirkungsstruktur ist unverändert: Das Verhaltensrepertoire des Systems bleibt qualitativ erhalten. 1 Wirkungsstruktur wird verändert: Das Verhaltenspotential des Systems wird grundlegend, eventuell destruktiv verändert. 2

Verhaltensorientierung Systemdynamik Verhaltensorientierung Systeme können auch als Akteure in ihrer Umwelt auftreten, und diese durch ihre Systemreaktion beeinflussen. Bsp.: Konsumentenorganisationen Staaten und politische Verbundsysteme 1 In diesem Fall lassen sich “Leitwerte” der “Akteure” definieren, anhand derer ihre Systemreaktion prognostiziert, d.h. vorhergesagt werden kann. 2 Da die Systemumwelt auch andere, benachbarte Systeme beinhaltet, folgt daraus die Interaktion selbständiger Systeme, die wiederum einer Gesamtbetrachtung unterliegt. Bsp.: Resourcenerneuerer - Resourcennutzer Räuber - Beute - Systeme Integrated Water Resources Mangement (IWRM) Globalisierung - Weltwirtschaftssystem 3

Unberechenbarkeit deterministischer Systeme Systemdynamik Unberechenbarkeit deterministischer Systeme Deterministische Systeme werden als nicht vom Zufall, sondern vom jeweiligen Systemzustand beeinflusst definiert. Bsp.: Abflussbildung durch Gebietsniederschlag 1 Daraus folgt: Bei kleinen Zustandsänderungen konvertiert das System immer auf den gleichen Zustandspfad. 2 Dies gilt für die Mehrzahl der Systeme. Man weis jedoch, dass extreme Zustandsänderungen von Systemen bei gleichen Anfangsbedingungen zu einem exponentiellen “auseinanderlaufen” und sich die Systeme auf unterschiedliche Zustandspfade begeben können. 3

Unberechenbarkeit deterministischer Systeme Systemdynamik Unberechenbarkeit deterministischer Systeme Die als Basis des Determinismus angesehene Vorhersehbarkeit des neuen Systemzustands ist nicht mehr möglich und wird durch die Angabe von Attraktionsbereichen, in denen sich der Systemzustand wahrscheinlich befinden wird ersetzt. 1 Diese “Chaotischen Systeme” haben hohe praktische Bedeutung und sind als mögliche Systemzustände auch bei “ganz normalen Systemen” denkbar. Bsp.: Entwicklung von Insektenpopulationen Hochwässer  neue Systemintegritäten Kriege  Systemzerstörungen und neuen Systemen 2 Deterministisch lassen sich drei verschiedene Möglichkeiten der Unbestimmbarkeit des zukünftigen Verhaltens aufführen: 3 Chaos als Folge katastrophaler Systemeinträge, wie z.B. Umweltkatastrophen (Vulkanausbrüche, Klimawandel, etc.). 1

Unberechenbarkeit deterministischer Systeme Systemdynamik Unberechenbarkeit deterministischer Systeme Chaos als Folge von “unkontrolliertem”, d.h. nicht konver-gierendem Verhalten der Systemzustände (Insektenpopu-lationen). Bsp.: Hochwasser, Vulkanausbruch, Krieg 2 Chaos als Folge von willkürlichem Verstoßen der “Akteure”, z.B. Organisationen oder Personen gegen “rationale” Handlungs-kriterien. Bsp.: Kriminelle Politiker oder Wirtschaftsmanager 3 In jedem Fall ist die Systemreaktion jedoch nicht “unvorher-sehbar”, sondern aufgrund von Resourcenbeschränkungen (Energie, Verhaltenbereiche von Nachbarsystemen) abgrenz-bar. 4 Es wird kein Systemzustand, sondern wahrscheinliche Zustandsbereiche (Attraktoren) des Systems angegeben. 5