Was kennzeichnet ein System ? Gliederung Das System als Objekt 1 Dynamische Systeme 2 Systemgrenzen und Systemumwelt 3 Skalenproblematik 4 Multiskalige Flusseinzugsgebietsanalyse 5 HRU-Ableitung 6

Was kennzeichnet ein System ? Merkmale von Systemen: Das System als Objekt Ein Umweltsystem ist ein Objekt, dessen Merkmale folgende Kriterien erfüllen: 1 Es läßt sich ein Systemzweck definieren, d.h. das Objekt erfüllt eine bestimmte Funktion. Bsp.: Gletschersystem, Talsystem, Flussnetz Die Systemstruktur des Objekts besteht aus einer bestimmten Konstellation von Systemelementen und interaktiven Wirkungsverknüpfungen (Relationen), die seine Funktion bestimmen und kontrollieren. Gletschersystem: Gletscher, Moränen, Sander, etc. Talsystem: Hang, Talboden, Gerinne, etc. Flussnetz: Ober-, Mittel-, Unterlauf, Mündung 2

Was kennzeichnet ein System ? Das System als Objekt: Systemfunktion

Was kennzeichnet ein System ? Das System als Objekt: Systemfunktion

Was kennzeichnet ein System ? Das System als Objekt Systemzweck (Funktion) und Systemstruktur (Wirkungsver-knüpfungen) definieren zusammen die Systemintegrität, d.h. die Eigenständigkeit des Systems. 2 Ein System existiert erst dann, wenn ein Systemzweck (Funktion) UND eine Wirkungsstruktur (relationale Verknüpfung von Systemelementen) vorhanden ist. Anderfalls ist es kein System. 3 Bsp.: Schutthalde = kein System (Systemelement) Systemzweck = Lagerung von Schutt Systemidentität = Durch Wegnahme von Schutt nicht gestört Wirkungsstruktur = nicht vorhanden 1

Was kennzeichnet ein System ? Das System als Objekt Bsp.: Sander = kein System (Systemelement) Systemzweck = Ablagerung von Sediment Systemidentität = Durch Wegnahme von Sediment nicht gestört Wirkungsstruktur = nicht vorhanden 2 Bsp.: Bach = System (viele Systemelemente) Systemzweck = Entwässerung und Ökotop Systemidentität = Durch Wasserentnahme oder Abflussänderung gestört Wirkungsstruktur = Ober-, Mittel-, Unterlauf, Ufer 3 Bsp.: Dorf = System (viele Systemelemente) Systemzweck = Wohnung und Landwirtschaft Systemidentität = Durch Änderung der Landwirt- schaft gestört Wirkungsstruktur = Bewirtschaftung - Vermarktung 4

Was kennzeichnet ein System ? Das System als Objekt Ein System ist nicht teilbar, d.h. werden einzelne Elemente herausgelöst, geht die Systemidentität, d.h. Funktion und der Zweck gehen verloren. Gletschersystem: Abschmelzen der Gletscher Talsystem: Talungen (Schwäbische Alb) Flussnetz: Bifurkation, Flussanzapfung 4

Was kennzeichnet ein System ? Dynamische Systeme Prinzipiell gibt es keine statischen d.h. ruhenden geowissenschaftliche Systeme, betrachtet man geologische Zeiträume. In der Geographie gibt es keine Entropie! 1 Dynamische Systeme verändern ihren Systemzustand im betrachteten Zeitraum, d.h. ihr Zustand ist zeitabhängig. 2 Diese Veränderungen sind das Resultat aus dem 3 beobachtbaren, d.h. messbaren Verhalten und dem 1 ableitbaren, d.h. deduktiv hergeleiteten Verhalten. 2 Beide zusammen bestimmen die Systemdynamik, die sich aus 4 punktuell aufgenommenen Messreihen ergibt und 1 durch räumliche Analysen, mit Hilfe der Geoinformatik, z.B. Fernerkundung, GIS und Modellierung erschließt. 2

Was kennzeichnet ein System ? Dynamische Systeme Systemveränderung werden durch variable Zustandsgrößen des Systems, die messbar oder ableitbar hervorgerufen. Bsp.: Entstehung von Hochwasser Eintrag von Nährstoffen 5 Hochwasser: messbar: Niederschlag, Abfluss, Grundwasser, etc. ableitbar: Gebietsniederschlag, Oberflächen-, Hangwasser- und Grundwasserabfluss 1 Nährstoffeintrag: messbar: atmosph. Eintrag, Einleitungen, Düngung ableitbar: ober- und unterirdischer Flächeneintrag 2 Das dynamische Systemverhalten ergibt sich als Reaktion auf Eintragsveränderungen, wodurch sich die Zustandsgrößen verändern und ein korrespondierender Systemaustrag erzeugt wird. 6

Was kennzeichnet ein System ? Dynamische Systeme Zum Verständnis der Systemdynamik ist es demnach wichtig, den inneren Zustand des Systems zu analysieren, d.h. das System in einer ‚ganzheitlichen‘ Analyse als ‚Ganzes‘ zu verstehen. 7 Hierzu sind alle den Systemzustand bestimmenden, systemspezifischen Zustandsgrößen in ihrer Bedeutung und ihrer Wirkungsverknüpfung zu beschreiben. 8 Dies geht vielfach nur über Modelle, in denen der Systemzustand und seine Zustandsgrößen simuliert werden. 9

Was kennzeichnet ein System ? Systemgrenzen und Systemumwelt Systeme sind abgrenzbar. Sie haben eine Systemumwelt von der sie durch eine Systemgrenze getrennt sind. 1 System und Systemumwelt sind interaktiv miteinander verknüpft, d.h. die Systemgrenzen sind vielfach “permeabel”. 2 Aus der Systemumwelt heraus erfolgen Einträge in das System Bsp.: Atmosphärischer Eintrag, Gebietsniederschlag 3 Die Systemausträge werden in die Systemumwelt abgegeben. Bsp.: CO2-Emission, Gebietsabfluss, Verdunstung 4 Beeinflußt der Systemaustrag in die Systemumwelt den Systemeintrag, so spricht man von Rückkoppelungseffekten. Bsp.: CO2-Emission (Politik der ‘hohen Schornsteine’) Bsp.: Gebietsniederschlag - Gebietsverdunstung im äquatorialen tropischen Regenwald 5

Was kennzeichnet ein System ? Systemgrenzen und Systemumwelt Es gilt bei der Systemanalyse eine Systemoberfläche zu finden, die folgender Definition genügt: “Eine Systemoberfläche ist diejenige ‚Grenzfläche‘ innerhalb derer eine Systemautonomie besteht.” 6 Diese Definition gilt sowohl für die Abgrenzung von Systemen gegeneinander als auch für die Abgrenzung von Subsytemen innerhalb komplexer Hauptsysteme. 7 Die folgenden Kriterien, nach denen ein System oder ein Subsystem abgegrenzt werden, gelten einzeln oder miteinander kombiniert: 8 Die Koppelungen zur Systemumwelt sind schwächer als die Wirkungsverknüpfungen innerhalb des Systems Bsp.: Einzugsgebietsgrenze, Stadtgrenze, Blattoberfläche 1

Was kennzeichnet ein System ? Systemgrenzen und Systemumwelt Vorhandene Koppelungen zur Systemumwelt sind nicht relevant für die Funktion des Subsystems. Bsp.: Flusslaufabschnitte, Response Units (RU) oder HRU, Stadtbezirke, Blattstruktur 2 Rückkoppelungen zwischen Systemeintrag und Systemaustrag existieren nicht, oder sind vernachlässigbar. Bsp.: Gebietsniederschlag – Gebietsverdunstung Atmosphärische Imission - Emission 3 Generell gilt für die Festlegung der Systemabgrenzung: ‚Jede Systemabgrenzung ist problem- und prozessorientiert, d.h. sie wird vom jeweiligen Untersuchungsziel und der Skale, auf der die Systemanalyse durchgeführt wird bestimmt‘. Bsp.: Mikro-, meso- und makroskalige Einzugsgebiete Hydrological Response Units (HRU) 9

Was kennzeichnet ein System ? Systemgrenzen und Systemumwelt Systemeintrag Systemgrenze Systemrelation Systemaustrag Systemelement

Was kennzeichnet ein System ? Multiskalige Flusseinzugsgebiete in der Saale Thür. Schiefergebirge: Weida = 102 km² Leipziger Loess-Gebiet: Parthe = 311 km² Harz: Bere = 62 km² Thüringer Schiefergebirge: Orla = 255 km² Thüringer Wald: Ilm bis Pegel Gräfinau-Angstedt = 155 km² Elbe

HRU-Ableitung RU-Modelparameter GIS-Datenflächen Digitales Geländemodel Hydrologische RU als homogene, prozess- basierte Modeleinheiten Overlay-Analyse (GIS) RU-Modelparameter GIS-Datenflächen Form, Gradient, Exposition, Länge, Fläche, Topologie DGM Versiegelte Fläche, Vegetation, Blattflächenindex, Verdunstung Landnutzung Porenvolumen, Feldkapazität, Textur, Durchlässigkeit Böden Speicherkapazität, Pororität, Transmissivität Geologie Landnutzung Böden Geologie