Die Anwendung der Fuzzy-Set-Theorie auf die Modellierung von Stickstoffbilanzen im Weißenstädter Becken:
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Bayreuth
Selbstverl. des Bayreuther Inst. für Terrestrische Ökosystemforschung (BITÖK)
2001
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85 |
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| adam_text | Titel: Die Anwendung der Fuzzy-Set-Theorie auf die Modellierung von Stickstoffbilanzen im Weißenstädter B
Autor: Mertens, Marion
Jahr: 2001
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung vi
Summary vii
1 Stand der Forschung, Zielsetzung 1
1.1 Motivation................................................................................................................. 1
1.2 Stand der Forschung................................................................................................ 2
1.2.1 Übersicht...................................................................................................... 2
1.2.2 Prozessorientierte Transportmodelle............................................................. 3
1.2.3 Empirische Modelle....................................................................................... 5
1.2.4 Nicht-Deterministische Modelle..................................................................... 6
1.2.5 Anwendung der Fuzzy-Set-Theorie in den Geowissenschaften.................... 7
1.3 Zielsetzung...............................................................................................................8
2 Modellierungsansatz 9
2.1 Stickstoff-Umsetzung im Boden und in der Atmosphäre........................................... 9
2.2 Wahl des eigenen Modellierungsansatzes............................................................. 10
2.3 Bilanzansatz........................................................................................................... 11
2.4 Komponenten des verwendeten Bilanzansatzes.................................................... 12
2.5 Einbeziehung von Datenunsicherheiten und Restriktionen..................................... 15
2.6 Gesamtkonzept der Arbeit...................................................................................... 16
3 Die Berechnung von Datenunsicherheiten mit Fuzzy-Logik 18
3.1 Einführung.............................................................................................................. 18
3.2 Grundlagen der Fuzzy-Set-Theorie........................................................................ 19
3.2.1 Intervall-Arithmetik...................................................................................... 19
3.2.1.1 Intervalltypen, elementare Definitionen.......................................... 19
3.2.1.2 Elementare Operationen............................................................... 20
3.2.1.3 Algebraische Eigenschaften der Intervall-Operationen.................. 21
3.2.2 Eigenschaften von unscharfen Mengen reeller Zahlen................................ 21
3.2.3 Verschiedene Typen unscharfer Zahlen...................................................... 24
3.2.3.1 Dreieckige Fuzzyzahlen (TFN).......................................................24
3.2.3.2 Trapezförmige Fuzzyzahlen...........................................................25
3.2.3.3 Glockenförmige Fuzzyzahlen.........................................................26
3.2.4 Rechenoperationen mit Fuzzyzahlen...........................................................27
3.2.5 Rechenoperationen mit dreieckigen Fuzzyzahlen........................................28
3.3 Berechnungsalgorithmen für Fuzzyzahlen..............................................................30
3.3.1 Methodenübersicht......................................................................................30
3.3.2 Algebraische Verfahren...............................................................................30
3.3.3 Optimierungsverfahren................................................................................31
3.3.4 Zufallszahlen-basierte Verfahren..................................................................31
Untersuchungsgebiet 32
4.1 Geographische Lage...............................................................................................32
4.2 Klima.......................................................................................................................35
4.3 Geologie.................................................................................................................36
4.4 Böden.....................................................................................................................36
4.5 Vegetation..............................................................................................................39
4.6 Nutzungsgeschichte................................................................................................40
4.7 Heutige Landnutzung..............................................................................................44
4.8 Nutzung als Wassergewinnungsgebiet...................................................................45
Datenerhebung und Auswertung 46
5.1 Herkunft externer Daten - Kooperationspartner......................................................46
5.1.1 Behörden.....................................................................................................46
5.1.2 Ingenieurbüros, Wasserwerke.....................................................................46
5.1.3 Diplomarbeiten............................................................................................47
5.1.4 BITÖK-Projekte...........................................................................................47
5.1.5 Facharbeit...................................................................................................47
5.2 Lage und Beschreibung der Messflächen...............................................................48
5.3 Digitale Karten........................................................................................................51
5.3.1 Datenverarbeitung.......................................................................................51
5.3.2 Höhenmodell...............................................................................................52
5.3.3 Reliefeinheiten.............................................................................................52
5.3.4 Charakteristische Bodenprofile....................................................................52
5.3.5 Landnutzung................................................................................................61
5.3.6 Dränage......................................................................................................62
5.3.7 KULAP-Flächen...........................................................................................69
III
5.4 Methodik der Experteninterviews............................................................................ 73
5.5 Bestimmung der einzelnen Bilanzterme................................................................. 74
5.5.1 Atmosphärische Deposition........................................................................ 74
5.5.2 Düngung..................................................................................................... 75
5.5.2.1 Methoden zur Ermittlung der Düngung.......................................... 75
5.5.2.2 Betriebe mit Festmist- und mit Gülledüngung................................ 76
5.5.2.3 Zusätzliche Düngung im Herbst..................................................... 77
5.5.3 Ernteentzüge.............................................................................................. 77
5.5.4 Stickstoff-Fixierung / Grünlandklassifikation................................................ 77
5.5.4.1 Stickstoff-Fixierung........................................................................ 77
5.5.4.2 Grünlandklassifikation nach Mayer............................................... 78
5.5.4.3 Erstellung der Wiesentypenkarte................................................... 82
5.5.5 Langfristige Stickstoff-Freisetzung aus organischem Dünger...................... 85
5.5.6 Denitrifikation.............................................................................................. 86
5.5.7 Stickstoffaustrag durch Dränage................................................................. 88
5.5.8 Sickerwassermenge.................................................................................... 90
5.5.8.1 Wetterstationen im Untersuchungsgebiet...................................... 90
5.5.8.2 Wetterstation Voitsumra................................................................ 91
5.5.8.3 Bestimmung des langjährigen Niederschlags................................ 92
5.5.8.4 Korrekturfaktoren Niederschlag..................................................... 92
5.5.8.5 VOITEX-Experiment...................................................................... 93
5.5.8.6 Modellierung der ETa mit AMBETI................................................. 93
5.5.9 Veränderung des organischen N-Anteils im Boden / Speicherterm............. 94
5.5.9.1 Zeitliche Veränderung des Corg in Mineralböden............................ 94
5.5.9.2 Berechnung der Humussalods / kultuartenspez. Speicherterm..... 95
5.5.9.3 Abbau von Corg in organischen Böden......................................... 97
5.6 Einbeziehung von Parameter-Restriktionen........................................................ 101
5.7 Tensiometer-Messungen...................................................................................... 102
5.8 Phänologische Daten, Wuchshöhe, TDR-Messungen.......................................... 104
5.9 Mineralischer Stickstoff-Gehalt (Nmin)................................................................... 104
5.9.1 Allgemeines.............................................................................................. 104
5.9.2 Vergleichbarkeit der Daten........................................................................ 105
5.9.3 Methodik und Repräsentativst der Probenahme...................................... 105
5.9.4 Herstellung der Nm,„-Extrakte.................................................................... 106
5.9.5 Vermessung der Proben am FIA (Flow Injection Analyzer)....................... 106
5.9.6 Gravimetrischer Wassergehalt.................................................................. 107
5.9.7 Lagerungsdichte....................................................................................... 107
5.9.8 Umrechnung der Rohdaten....................................................................... 107
Ergebnisse der Messungen und Interviews 109
6.1 Ergebnisse der Experteninterviews.......................................................................109
6.1.1 Menge und Art der Düngung.....................................................................109
6.1.2 Erntemengen.............................................................................................111
6.1.3 Atmosphärische Stickstoff-Deposition........................................................113
6.2 Messdaten zur Berechnung der Dränage..............................................................113
6.2.1 Nitrat-Messungen in Dränagegräben.........................................................113
6.2.2 Nitrat-Messungen des Wasserwirtschaftsamts Bayreuth...........................114
6.2.3 Abfluss-Messungen Büro Auernheimer.....................................................115
6.2.4 Berechnung des Nitrataustrags durch Dränage.........................................116
6.2.5 Diskussion des Ergebnisses......................................................................117
6.3 Ergebnisse der meteorologischen Messungen......................................................117
6.3.1 Niederschlag.............................................................................................117
6.3.2 Evapotranspiration.....................................................................................120
6.3.3 Berechnung des effektiven Niederschlags.................................................122
6.4 Ergebnisse der Tensiometer-Messungen..............................................................123
6.5 Ergebnisse und Auswertung der Nmin-Daten.........................................................127
6.5.1 Wassergehalt und Lagerungsdichte..........................................................127
6.5.2 Nmi„ auf den Versuchsflächen....................................................................129
6.5.3 Herbst Nmin-Beprobungen von GeoTeam...................................................134
6.5.4 Vergleich eigene Messdaten / GeoTeam-Daten........................................137
6.5.5 Referenzdaten der Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau.........138
6.5.6 Vergleich der GeoTeam-und LBP-Datensätze..........................................141
Das Fuzzy-Bilanzmodell FuN-Balance 145
7.1 Programmaufbau..................................................................................................145
7.2 Umrechnung der Standort-Eigenschaften in Eingabeparameter...........................147
7.3 Verschneidung der Standort-Eigenschaften in ArcView........................................150
7.4 Beschreibung des FuN-Balance - Algorithmus.....................................................151
7.4.1 Grundlagen................................................................................................151
7.4.2 Beispielrechnung, Vergleich mit analytischer Lösung................................152
7.4.3 Mathematische Beschreibung der Parameter-Restriktionen......................154
Modellierungs-Ergebnisse und Diskussion 157
8.1 Einzelergebnisse..................................................................................................157
8.1.1 Darstellung der Ergebnisse in FuN-Balance..............................................157
V
8.1.2 Notwendige Anzahl an Zufallszahlen-Realisationen.................................. 158
8.1.3 Symmetrie der Ergebnisintervalle............................................................. 159
8.1.4 Einfluss der Restriktionen......................................................................... 159
8.2 Standortspezifische Ergebnisse........................................................................... 162
8.2.1 Kulturart und Nitrataustrag........................................................................ 162
8.2.2 Bodenprofiltyp........................................................................................... 164
8.2.3 Sickerwassermenge.................................................................................. 165
8.2.4 Denitrifikation............................................................................................ 166
8.3 Vergleich der kulturartenspezifischen Ergebnisse mit Nmin-Werten....................... 167
8.4 Gebietsbilanz....................................................................................................... 169
8.4.1 Mittlere Nitrat-Konzentration im Sickerwasser........................................... 169
8.4.2 Symmetrie der Ergebnis-Fuzzyzahlen....................................................... 175
8.4.3 Spannbreite der Nitratkonzentrationen...................................................... 175
8.4.4 Nutzungsszenarien................................................................................... 181
9 Schlussfolgerungen und Ausblick 183
Literatur 188
Anhang 199
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