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16. Systemwissenschaftliches Kolloquium

Wintersemester 2009/10

Mittwochs 16 Uhr c.t. - 18 Uhr s.t., Barbarastr. 12, Raum 66/101

Terminübersicht

21.10.2009
Prof. Dr. Johannes Barth, GeoZentrum Nordbayern, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Tips und tricks of stable isotope investigations in environmental sciences: some case studies.

28.10.2009
Prof. Dr. Thomas Bousonville, Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes
Ameisenkolonien und evolutionäre Algorithmen zur Lösung logistischer Probleme.

04.11.2009
Prof. Dr. Jan P. Sendzimir, International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), Laxenburg, Austria
Learning Tools and Processes in support of Transition Management for Complex Adaptive Systems.

11.11.2009
Prof. Dr. Felix Müller, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Ökologie Zentrum
Ökosystemare Ansätze und Indikatoren für ein integratives Umweltmanagement.

25.11.2009
Prof.  Dr. Gunnar Lischeid, Institut für Landschaftswasserhaushalt, Leibnitz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung e.V.
Von der Prozessstudie zum systemischen Ansatz: Beispiele aus der Landschaftshydrologie.

09.12.2009
Dr. Christoph Külls, Universität Freiburg, Institut für Hydrologie
Adaptives Management von Grundwasserressourcen - von Agenten-basierten Modellen zur impliziten Nachhaltigkeit.

13.01.2010
Dr. Manuel Gottschick, Universität Hamburg, Forschungsschwerpunkt Biotechnik, Gesellschaft und Umwelt
Climate Adaptation Governance. Entwicklung von Strategien zur Anpassung an den Klimawandel der Metropolregion Hamburg (Klimzug Nord).

20.01.2010
Prof. Dr. Thorsten C. Schmidt, Universität Duisburg-Essen, FB Chemie
Prediction of soil sorption of non-ionic organic compounds: power and limitations of polyparamer linear free energy relationships.

27.01.2010
Dr. Ralf Ebinghaus, GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Institut für Küstenforschung, Abteilung für Umweltchemie
Polyfluorierte Organische Verbindungen (PFCs) in der aquatischen und atmosphärischen Umwelt - neuere Ergebnisse aus Feldstudien.

Kurzfassungen der Vorträge

21.10.2009
Prof. Dr. Johannes Barth, Universität Erlangen-Nürnberg

Tips und tricks of stable isotope investigations in environmental sciences: some case studies

Stable ratios isotopes are useful indicators of environmental processes. For instance they help to quantify turnover of carbon and water masses in surface and groundwater systems. They may also help to quantify biological turnover and can outline differences between degradation pathways of selected organic pollutants. Some case studies of rivers fluxes and also environmental turnover of organic pollutants are presented.

28.10.2009
Prof. Dr. Thomas Bousonville, Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Ameisenkolonien und evolutionäre Algorithmen zur Lösung logistischer Probleme.

Die heutige Wirtschaft ist durch komplexe, teils globale, Wertschöpfungsketten gekennzeichnet. Entlang dieser sogenannten Supply Chains sind eine Vielzahl verschiedener Planungsprobleme zu lösen. Dies reicht von strategischen Entscheidungen über einen neuen Standort bis hin zu sehr operativen Fragen wie der täglichen Planung von Ausliefertouren im Rahmen der Distributionslogistik. Dabei geben die längerfristigen Entscheidungen die Rahmenbedingungen für die auf den nachfolgenden Ebenen zu lösenden Planungsaufgaben vor.
Zur Lösung dieser Probleme werden heute häufig Verfahren angewendet, deren Funktionsprinzipien der Natur entlehnt sind: Simulated Annealing überträgt den Abkühlungsprozess von Metallen, Genetische Algorithmen die Prinzipien der Evolutionstheorie, Ant Colony Systems die Organisationsweise von Ameisenstämmen. Alle Verfahren kombinieren auf jeweils ihre Weise einfache Heuristiken, weshalb sie zur Klasse der Metaheuristischen Verfahren zusammengefasst werden. Der Vortrag stellt die grundsätzliche Funktionsweise verschiedener Metaheuristiken vor und vergleicht sie anhand von konkreten Beispielen. Dabei wird auch auf Voraussetzungen für deren effizienten Einsatz auf reale Probleme eingegangen.

04.11.2009
Prof. Dr. Jan P. Sendzimir, International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), Laxenburg, Austria

Support for Learning and Transition Processes in Sustainable Resources Management.

Natural resource policy failures often result from over-reliance on biophysical data and inadequate appreciation of the diverse ways decisions are made at all levels of society. In the Tisza river basin, engineering flood defense has traditionally dominated policy formulation despite chronic decline of biodiversity and the regional economy. The current river management regime appears trapped by a path dependency reinforced by the sunk costs in river defense infrastructure as well as the paradigms and mindsets created by more than a century of living in complete reliance on that infrastructure. Experimentation with new forms of river management and land use to adapt to climate change uncertainty is blocked by this path dependency. This paper describes how we used participatory modeling to weave stakeholder inputs into a multi-disciplinary overview of how this path dependency emerged and operates. To help operationalize this overview as a tool for management and scientific research we then refined these stakeholder inputs into an interactive game for knowledge-elicitation. With local stakeholders we collaboratively developed a set of conceptual models with accompanying narratives that summarize regional perspectives on the problem. These describe their perception of what ecological, economic and socio-political factors interact to influence their vulnerability to floods and droughts and provided a knowledge basis for us to construct an interactive role-playing game wherein water managers and farmers could explore management options. We further describe game improvement through experimental tests with stakeholders from river basins in Hungary, Poland, and Belgium. Universally participants noted how direct game experience clarified the challenges of communicating and deciding on complex options both within and between farmer and manager groups.

11.11.2009
Prof. Dr. Felix Müller, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Ökologie Zentrum

Ökosystemare Ansätze und Indikatoren für ein integratives Umweltmanagement.

Ein zentrales Ergebnis der Angewandten Ökosystemforschung besteht in der Entwicklung von Grundprinzipien für ein ganzheitliches, System-basiertes Ökosystem-Management. Die Grundbedingungen und Anforderungen für diese Management-Ausrichtung werden erläutert und anhand von Beispielen dargestellt. Praktische Anwendungen aus dem umweltpolitischen Umfeld werden präsentiert. Hierzu zählen der "Ecosystem Approach" der UN-Commission of Biodiversity (CBD) und die Leitbilder "Ecosystem Health" und "Ecosystem Integrity". Für die Quantifizierung und Indikation dieser Ansätze werden theoretische Grundlagen vorgestellt, die auf den regelhaften Ausprägungen von Selbstorganisationsvorgängen in Mensch-Umwelt-Beziehungen aufbauen. Hierzu zählen u.a. die "Ökologischen Orientoren", ökosystemare Kenngrößen von ungestörten Sukzessionsverläufen, die zur Operationalisierung des Konzepts der "Ecosystem Integrity" verwendet werden. Die hieraus erwachsenden Bewertungsgrößen werden zu den Indikatoren des "Ecosystem Goods and Service"-Ansatzes in Beziehung gesetzt und anhand von Fallstudien illustriert.

25.11.2009
Prof.  Dr. Gunnar Lischeid, Institut für Landschaftswasserhaushalt, Leibnitz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung e.V.

Von der Prozessstudie zum systemischen Ansatz: Beispiele aus der Landschaftshydrologie.

Die Landschaftshydrologie untersucht Wasser- und damit verbundene Stoffflüsse in der Landschaft. Üblicherweise werden dazu Modelle benutzt, in denen die Ergebnisse kleinskaliger Prozessstudien implementiert werden und eine Übertragung auf die für die Skala der jeweiligen Fragestellung vorgenommen wird. Aufgrund der Vielzahl möglicher Wechselwirkungen sowie der in der Regel unzureichenden Datenbasis wächst jedoch typischerweise die Unsicherheit der Modellergebnisse mit zunehmender Skala. Dazu kommt, dass Modellparameter oft nur durch kleinskalige Messungen bestimmt werden können, und die effektiven Parameterwerte auf größerer Skala nur schwer abgeschätzt werden können. Dies gilt in besonderem Maße für Modelle, die Wasser- und reaktiven Stofftransport verbinden.
Andererseits sind Landschaften keine zufälligen Zusammenstellungen von Landschaftselementen, sondern weisen bestimmte Strukturen auf. Entsprechend kann postuliert werden, dass auch die Anzahl der Freiheitsgrade des hydrologischen Verhaltens in Landschaften nicht größer, sondern eher kleiner ist, als Prozessstudien und die gängigen Modellierungsansätze erwarten lassen. Dies wird z.B. durch Abschätzungen der intrinsischen Dimensionalität von Abflussganglinien bestätigt. Es werden verschiedene Ansätze vorgestellt, die auf dieser Arbeitshypothese aufbauen. Damit lässt sich die Landschaft selber als Messinstrument ihrer funktionalen Eigenschaften zu nutzen, was das Problem der Identifizierung der für die jeweilige Skala effektiven Modellparameter deutlich entschärft. Schließlich kann damit ein Beitrag zur Optimierung der Struktur von Modellen des Wasser- und Stoffhaushalts und damit zur Reduzierung der Modellunsicherheiten geleistet werden.

09.12.2009
Dr. Christoph Külls, Universität Freiburg, Institut für Hydrologie

Adaptives Management von Grundwasserressourcen - von Agenten-basierten Modellen zur impliziten Nachhaltigkeit.

Die Versorgung mit Grundwasser bietet Möglichkeiten zur Stabilisierung von Wasserversorgungssystemen besonders in Regionen mit hoher klimatischer Variabilität, erfordert jedoch nachhaltige Managementstrategien zum Schutz des Grundwassers und zur Vermeidung langfristiger Wasserbilanzdefizite. Für das Management von Grundwasserressourcen sind oft detaillierte, zum Teil komplexe geologische, hydrogeologische und hydrologische Modelle und entsprechende Informationen zur sozioökonomischen Entwicklung und der damit einhergehenden und prognostizierten Entwicklung des Wasserbedarfes erforderlich. Bisher werden fast ausschließliche explizite Managementstrategien verfolgt, die über entsprechende Gesetze und Verordnungen und umsetzende Institutionen und Akteure eine quantitative Ermittlung der Grundwasserneubildung, eine Lizenzierung und Kontrolle der zulässigen Fördermengen vorsehen. Im Gegensatz zur anthropogenen Nutzung ist die Grundwassernutzung von Pflanzengesellschaften verteilt und selbst-regulierend. Die Untersuchung natürlicher gekoppelter Vegetations-Grundwassersysteme hat gezeigt, wie durch solche adaptiven Systeme eine implizite Nachhaltigkeit und eine hohe Effizienz der Grundwassernutzung erreicht werden. Es wird aufgezeigt, wie adaptive und immanent nachhaltige Nutzungsformen auch für anthropogene Versorgungssysteme entwickelt werden können. Die Entwicklung adaptiver Managementstrategien kann über Agenten-basierte Modelle erreicht werden, die an physikalische Modelle der Wasserverfügbarkeit gebunden sein sollten. Die Anwendung solcher Methoden zur Entwicklung adaptiven Managements, das mit geringer Steuerung zentraler Institutionen umgesetzt werden kann, wird an Hand von Projekten im südlichen Afrika, in Zentralafrika und Brasilien für unterschiedliche Klimazonen und Naturräume dargestellt.

13.01.2010
Dr. Manuel Gottschick, Universität Hamburg, Forschungsschwerpunkt Biotechnik, Gesellschaft und Umwelt

Climate Adaptation Governance. Entwicklung von Strategien zur Anpassung an den Klimawandel der Metropolregion Hamburg (Klimzug Nord).

Klimzug Nord ist eines von sieben Forschungsprojekten die in Deutschland von 2009 bis 2014 regionale Anpassungsstrategien an den Klimawandel erforschen.Zur Entwicklung dieser Strategien ist umfangreiches Systemwissen erforderlich. Auf der Basis von globalen und regionalen Klimaszenarien werden Projektionen lokaler Veränderungen (u.a. Niederschläge, Hitzeinseln, Grundwasseränderungen) ermittelt.Beispielsweise werden im Ästuar der Elbe die Grundwasserveränderungen qualitativ (Versalzung beim Obstanbau) und quantitativ (Stadtteil Wilhelmsburg) untersucht, in der Stadt muss zukünftig mit intensiveren Starkregenereignissen und Hitzeinseln gerechnet werden. In derOstheideverschärft sich der Konflikt zwischen intensiv beregnender Landwirtschaft und grundwasserabhängigen Biotopen.Für dieClimateAdaptation Governance stellt sich hier die Frage, wie dienatur- und sozialwissenschaftlichen Ergebnisse und Anpassungserfordernisse in tragfähige gesellschaftliche und politische Entscheidungen überführen lassen.Wie kann dabei die normative Zielstellung bzw. das Orientierungswissen ermittelt werden?In einerpluralen, demokratischen Gesellschaft muss man dabei davon ausgehen, dass schon die Wahrnehmung der Problemlage kontrovers istund auch ?die? Wissenschaft nicht rein objektives Wissen bereitstellen kann.Besonders konfliktreich sind Entscheidungen (Ziele, Strategien, Maßnahmen) zur Anpassung an den Klimawandel, wenn mächtige Interessensgruppen Nachteile in Kauf nehmen müssen.Aus verschiedenen Forschungsbereichen werden Ansätze vorgestellt, die zur Bearbeitung der oben skizzierten Problemlage geeignet sind. Dazu gehören u.a. Reflexive Governance for Sustainable Development (vgl. Voß et al. 2006; Weiland 2010; Feindt, Gottschick et al. 2008), Participatory Governance (vgl. Fritsch/Newig 2009; Gottschick 2008), Adaptive Management, Resilience and Transitions approaches (vgl.Foxon et al. 2008), Participartory Integrated Assessment (vgl.Rotmans, Bezug zur Klimafolgenforschung), Participartory Modeling (vgl. Pahl-Wostl; Gottschick 2005), Soft System Thinking; Interaktive Planning; Critical System Thinking (vgl. Checkland; Ackoff; Jackson; Flood), sowie Arbeiten zur wissenschaftlichen Politik- und Gesellschaftsberatung bzw. zur Science-Policy Interface (vgl.Kropp/Wagner 2008).

20.01.2010
Prof. Dr. Thorsten C. Schmidt, Universität Duisburg-Essen, FB Chemie

Prediction of soil sorption of non-ionic organic compounds: power and limitations of polyparamer linear free energy relationships.

Soil sorption controls many processes affecting behavior of organic contaminants in soils. Quantitative understanding of the extent of sorption is thus a prerequisite for successful risk management in various contamination scenarios. However, soil sorption of contaminants has to be considered as a complex phenomenon because (i) soils contain a range of absorbents (e.g., organic matter) and adsorbents (e.g., carbonaceous geosorbents (CGs), minerals) that can significantly contribute to overall sorption, (ii) the extent of sorption to a given sorbent differs considerably depending on the molecular structure of sorbates, and (iii) sorption behavior often varies with concentration of contaminants resulting in nonlinear sorption isotherms. Thus, it may be no surprise that simple regressions with log KOW often do not give reasonable estimates of log KOC, in particular if diverse sorbates with varying polarities are of concern. An advanced approach is the application of Polyparameter linear free energy relationships (PP-LFERs) to soil sorption that are known to provide reasonable estimations of various partitioning coefficients for a range of neutral organic compounds. We have investigated the use of PP-LFERS in soil sorption prediction and extended the application range for some model soils considerably by a better understanding of sorption non-linearities, thus overcoming a so far mostly neglected bias in experimental soil sorption data due to predominant measurements in high concentration ranges. Finally, PP-LFER use is hampered by some method limitations that will be discussed as well.

27.01.2010
Dr. Ralf Ebinghaus, GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Institut für Küstenforschung, Abteilung für Umweltchemie

Polyfluorierte Organische Verbindungen (PFCs) in der aquatischen und atmosphärischen Umwelt - neuere Ergebnisse aus Feldstudien.

Polyfluorierte Organischen Verbindungen (PFCs) werden seit mehr als 50 Jahren vielfältig eingesetzt, zum Beispiel in der Textilindustrie, für die Herstellung von wasser- und fettabweisenden Papieren, die Imprägnierung von Möbeln, Teppichen und Bekleidung, die Teflonproduktion und vieles mehr. Bekannt sind ca. 350 Einzelsubstanzen, die unter dem Sammelbegriff PFCs zusammengefasst werden. PFCs sind in den vergangenen Jahren besonders in den Fokus der umweltchemischen Forschung geraten, da ihr zunehmendes Vorkommen in Biota auch entlegener Ökosysteme nachgewiesen werden kann, über Eintrags-, Transport- und Verteilungswege dieser Substanzen jedoch bislang nur wenig bekannt ist. Die in der Umwelt nachgewiesenen PFCs sind in der Regel das Polyfluoroktansulfonat (PFOS) oder das Polyfluoroktanoat (PFOA), die nicht flüchtig und nur mäßig wasserlöslich sind. Dies wirft natürlich die Frage auf, wie diese Verbindungen in marine oder gar polare Ökosysteme gelangen können und wie sich recht hohe und schnell ansteigende Konzentrationen erklären lassen. Hohe Konzentrationen finden sich in Fischen, Robben und Seevögeln, aber auch in zahlreichen Lebensmitteln, menschlichen Blutproben und Muttermilch. Im Vergleich zu lange bekannten Problemstoffen weisen PFCs zum Teil beachtlich hohe Konzentrationen auf: In schwedischen Blutproben der Jahre 1994 - 2000 waren die PFC-Konzentrationen 20 bis 50 mal höher als PCB- und 300 bis 450 mal höher als HCB-Konzentrationen, zwei "klassischen" Schadstoffen. Nach einer Einführung in die Problematik werden chemisch-analytische Verfahren zur Bestimmung von PFCs kurz vorgestellt. Diese Verfahren wurden für Wasser-, Biota- und Luftproben eingesetzt. Die vorgestellten Ergebnisse umfassen Belastungsschwerpunkte und -muster in Elbe und Rhein, einen Vergleich zwischen Nord- und Ostsee, eine Abschätzung der zeitlichen Entwicklung der Belastung dieser Gewässer anhand von archivierten Robbengewebeproben sowie die großräumige Verteilung einiger PFCs in der Atmosphäre über dem Atlantik.