FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN Nr. 2958/Fachgruppe Umwelt/Verkehr Herausgegeben vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Prof. Dr. -Ing. Fritz Georg Rohde Dipl. -Ing. Wolfgang Schulz Lehrgebiet fUr Wasser-Energie-Wirtschaft an der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Simulation der wasserwirtschaftlichen Planung (Planspiel) CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Rohde. Fritz G.: Simulation der wasserwirtschaftlichen Pla nung : (Planspiel) / Fritz Georg Rohde ; Wolfgang Schulz. - Opladen : Westdeutscher Verlag, 1980. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 2958 : Fachgruppe Umwelt, Verkehr) ISBN 978-3-531-02958-0 ISBN 978-3-322-88491-6 (e8ook) DOl 10.1007/978-3-322-88491-6 NE: Schulz, Wolfgang: © 1980 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag ISBN 978-3-531-02958-0 INHALTSVERZEICHNIS Seite 1. Einleitung 2. Aufgabe des Forschungsvorhabens 2 3. Planung wasserwirtschaftlicher MaBnahmen 4 3.1 Der PlanungsprozeB 4 3.2 Simulation 8 3.3 Planspiel 9 3.4 Entscheidungstechnik 13 3.4.1 Kosten-Nutzen-Analyse (KNA) 13 3.4.2 Nutzwert-Analyse (NWA) 14 4. Das Planspiel 19 4.1 Allgemeines 19 4.2 Systemmodell 19 4 . .3 Spielleitermodell 24 4.4 Spielermodell 25 4.5 Datei 26 5. Systemmodell 28 5.1 Allgemeines 28 5.2 Struktur 30 5.3 Beschreibung der Systemelemente 31 5.3.1 Allgemeines 31 5.3.2 Element Transport 33 5.3.3 Element Verteilung 34 5.3.4 Element Speicher 35 5.3.5 Element Klarung 43 5.3.6 Element Trinkwasserbedarf 45 5.3.7 Element Bewasserungsbedarf 48 5.3.8 Element Brauchwasserbedarf 50 5.3.9 Element Energiebedarf 51 5.3.10 Element Niedrigwasser 52 5.3.11 Element Schiffahrt 54 5.3.12 Element Hochwasser 55 IV Seite 5.3.13 Element Wasserqualit?t 61 5.3.14 Element wasserbezogene Erholung 65 5.3.15 Element Grundwasser 66 5.3.16 Element ZufluB 68 5.3.17 Zielknoten 69 5.3.18 Element Kosten 70 6. Spielleitermodell 71 6.1 Aufgabenbereich 71 6.2 Initialisierung 71 6.3 Stochastische Einflusse 76 6.4 Zielkriterien, Zielgewichtungen, Restriktionen 76 6.5 Spielorganisation 82 6.6 MaBnahmenbewertung 83 7. Spielermodell 85 7.1 Aufgabe 85 7.2 Systemubersicht 87 7.3 Alternativenkatalog 88 7.4 Alternativenauswahl 88 7.5 Realisierung von Alternativen 89 7.6 Bedarfsprognosen 91 7.7 Simulations-Output 91 8. Datei 92 8.1 Aufgabe 92 8.2 Struktur der Datei 92 8.3 Input-Daten 93 9. Planspielaufbau und -steuerung 94 10. Planspielablauf 95 10.1 Vorbereitungen 95 10.2 Dialog und Simulation 95 10.3 Dokumentation, Auswertung 96 11. Zusammenfassung 97 v ANHANG Seite A: Literaturverzeichnis 99 Erganzende und weiterfilhrende Literatur 102 B: Output-Beispiele 117 c: FluBdiagramme 130 - 1 - 1. Einleitung Die Notwendigkeit der Anwendung systemtechnischer Mittel bei der Planung komplexer Wasserwirtschafts-Systeme fUhrt zu verst~rkten Anstrengungen, Modelle zu entwickeln, die die notwendigen Informationen fUr die Entscheidungsvorberei tung liefern. Die Entwicklung von Entscheidungsmodellen, die bei der Aus wahl von Planungsalternativen Entscheidungshilfen geben k6nnen, wird maBgeblich beschleunigt durch die Bundes-Haus haltsordnung (§7 BHO), in der die gesetzliche Verpflichtung zur DurchfUhrung von Kosten-Nutzenanalysen bei MaBnahmen von erheblicher finanzieller Bedeutung festg~legt ist. In der Neufassung des §7 BHO vom 21. Mai 1973 wird darUber hinaus auch die DurchfUhrung von Kosten-Wirksamkeitsanalysen festgelegt. Das hier vorgelegte.Konzept fUr ein mathematisches Modell berUcksichtigt die Komplexit~t des Planungsprozesses fUr ein wasserwirtschaftliches System durch Kombination eines Systemmodells (beschreibendes Modell) und eines Entscheidungs modells, das zur Bewertung und Auswahl von Planungsalternati ven dient. - 2 - 2. Aufgabe des Forschungsvorhabens Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung und Erpro bung eines mathematischen Modells zur Simulation der Planung wasserwirtschaftlicher Mehrzwecksysteme auf der Grundlage der Nutzwertanalyse. Dabei wurden die folgenden Hauptziele angestrebt: Entwicklung eines moglichst generellen Konzeptes zur Beschreibung und Darstellung von wasserwirtschaftlichen Systemen und Aufgabenstellungen - Ansatz und Entwicklung von Bewertungsfunktionen - Formalisierung und Abbildung von'Systemstruktur, MaB- nahmenkatalog und Bewertungsans~tzen in einem inter aktiven Simulationsmodell. Das Forschungsvorhaben richtete sich damit insbesondere auf die Beantwortung folgender Fragen: - In welchem MaBe und mit welchen systemtheoretischen Mitteln lassen sich die komplexen Strukturen wasser wirtschaftlicher Mehrzwecksysteme generalisieren? - In welchem MaBe und unter welchen Voraussetzungen sind die bereits bekannten und im Rahmen des vorliegenden Projektes noch zu entwickelnden Bewertungsans~tze (Kosten- bzw. Nutzenfunktionen) entscheidungsrelevant fur die wasserwirtschaftliche Planung? - In welchem MaBe konnen durch Anwendung neuerer Erkennt nisse der Entscheidungstechnik, insbesondere der Nutz wertanalyse,wasserwirtschaftliche Planungsabl~ufe kla rer strukturiert, mathematisch formalisiert und damit insgesamt transparenter gemacht werden? Besonderes Interesse galt dabei dem Problem der "Planung bei mehr facher Zielsetzung" ("multi objective planning") unter Berucksichtigung von monet~ren und nicht monet~ren Zielvorstellungen. - 3 - - Unter welchen Voraussetzungen sind Au£gabe und Ablauf von wasserwirtschaftlichen Planungen darstellbar im Rahmen eines Planspiels: im besonderen, welche grund s§tzlichen Moglichkeiten fur Struktur und Ablauf eines derartigen Spiels sind zu unterscheiden? - 4 - 3. Planung wasserwirtschaftlicher r·laBnahmen Zwischen den Extrema betriebswirtschaftlicher Einzelbe trachtung einerseits und volkswirtschaftlicher Gesamtbe trachtung andererseits liegen die Probleme der Regional planung und damit auch der wasserwirtschaftlichen Planung /1-4,12,13,24/. Die Hauptaufgabe dieser Planung besteht darin, eine kon trollierte optimale Nutzung der Wasserreserven zu ermog lichen sowie groBtmoglichen Schutz vor sch!digenden Wirkungen zu gew!hren. Die hierzu notige Analyse, Entwicklung und Kontrolle des Systems setzt voraus, daB der Planungsraum, die Planungs periode sowie die Planungsziele festgelegt sind. Der EntwicklungsprozeB eines Wasserwirtschafts-Systems l!Bt sich etwa in folgender Weise darstellen: a) Sammeln und Analysieren von Daten und Informationen, Beschreiben des Ist-Zustandes, b) Problemidentifizierung, c) Planung und Entwurf von Alternativen, d) Auswahl einer Alternative, e) Konstruktion bzw. DurchfUhrung, f) Wirkungskontrolle, g) Systemsteuerung und Management (Betriebssteuerung). Datenerfassung und Planunqsvorq!nqe im technologischen Bereich mUssen in Ubereinstimmung mit den Prozessen auf der Ebene der politischen Entscheidunq ablaufen: - Formulieren der Zielvorstellungen und - Festlegung der Restriktionen. - 5 -- Die bis zwn Vorschlag einer LOsungsalternative anfallen den Arbeiten stellen den Aufgabenbereich des Wasserwirt schafts-Ingenieurs dar und konnen grob zusammengefaBt und formuliert werden: a) Datenerfassung, b) Prognosenerstellung, c) Entwurf von technischen LOsungsmoglichkeiten. Unter Datenerfassung ist zu verstehen das Sammeln von Dar gebots- und Bedarfsdaten, die Verarbeitung und Auswertung (evtl. mit digitalen Rechenanlagen), die Interpretation der Ergebnisse bezUglich der Ziele durch GegenUberstellung von Ist- und Soll-Zustand. Eine Klassifizierung von Daten nach folgendem Schema ware denkbar: a) Katalogisierung bestehender wasserwirtschaftlich genutzter Anlagen und Ressourcen, b) Daten, die Topographie, Geologie, Hydrologie, Geogra phie und Bevolkerungsverteilung beschreiben, (Anhand dieser Daten wird ein Katalog von technisch moglichen AusbawnaBnahrnen erstellt.) c) Daten, die soziale, okonomische, okologische Eigen schaften des Systems beschreiben, d) Art und Hohe der durch die MaBnahrnen hervorgerufenen Kosten, e) BedUrfnisse der Bevolkerung als Ziele formuliert und die fUr die Erreichung dieser Ziele vorhandenen oder zu entwickelnden Gesetze. Urn die zukUnftige Entwicklung des Systems zu sichern und den entstehenden Bedarf im voraus zu bestimmen, sind Prog nosen Uber soziale, okonomische, okologische und andere Entwicklungen zu erstellen. Dabei sind z.B. Prognosen Uber hydrologische Prozes~e, technische Entwicklungen oder poli tische Entscheidungen mit hoher Unsicherheit behaftet, ebenso wie Voraussagen Uber Bedarfsentwicklungen. Diese Unsicherheit