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BiG-WASSER: Bericht von der Sitzung am 28.Jan24

Letzte Änderung: 6.Febr 2024, 08:15h CET

Moderator: Gerd Doeben-Henisch

Kontakt: big-wasser@oksimo.org

–!! Der folgende Text bildet eine erweiterte Fassung der Präsentation vom 28.Jan 2024 !!–

KONTEXT

Dieser Text ist Teil des Themas BiG-WASSER SITZUNG 28.Jan 2024.

Die Sitzung des BiG-Teams WASSER am So 28.Jan 2024 markiert den Start einer neuen Phase, was man im Bild auch an der roten Linie erkennen kann: die rote Linie zeigt an, dass ab dem 28.Jan 2024 auch die neue oksimo Software zum Einsatz kommt, die Tobias Schmitt und Gerd Doeben-Henisch seit 2019 entwickeln.

Programm der Sitzung

  1. Stand der Recherche Mai 23 – Jan 24
  2. Formulierung der zentralen Frage für die Bürger
  3. Wie lässt sich eine Antwort generieren?
  4. Zauberwort ‚Simulation‘
  5. Drei Beispiele: Einwohnerzahl – Brunnenkapazität – Pro-Kopf Verbrauch im Laufe der Jahre
  6. Der ‚Regen‘ als ‚Tropf‘ an dem wir hängen …

Stand der Recherche Mai 23 – Jan 24

  1. Recherchen für Schöneck zeigen: die Versorgung mit Trinkwasser von außerhalb von Schöneck wurde ab Januar 2021 eingeschränkt.
  2. Zum Ausgleich wurden zwei ‚Ersatzbrunnen‘ (Wolfsbrunnen, Hellaborn) aktiviert.
  3. Brunnen werden gespeist vom Grundwasser. Dessen Pegel fällt in ganz Hessen seit 20 Jahren kontinuierlich.
  4. Zur Warnung für die Bürger wurde 2022 eine Wasserampel eingeführt. Diese ist aber nicht sehr aussagekräftig.
  5. Die Recherchen bisher haben gezeigt, dass es notwendig ist, die wichtigen Beziehungen zwischen den verschiedenen Daten soweit heraus zu arbeiten, dass wichtige Querbeziehungen erkennbar werden, z.B. Wasserbedarf und Wasserangebot (Bildung eines Modells).
  6. Zusätzlich muss ermittelt werden, welche Veränderungen hier möglich sind (schnell, langsam, in welchem Umfang, …) .

Erwünschte Serviceleistungen für Bürger und Gemeindeleitung

  1. Auskunft rund um die Uhr für jeden darüber, ob es einen Trend für die Wasserversorgung der Bürger gibt, inwieweit sich das Wasserangebot ändert und in welchem Umfang.
  2. Wieweit müssen die Bürger selbst ihr Verhalten ändern? Wie?
  3. Müssen für die Bürger von der Gemeinde Maßnahmen ergriffen werde? Welche?

Voraussagen eines Trends – Welche Voraussetzungen müssen erfüllt werden?

Wenn man Voraussagen über mögliche Ereignisse in der Zukunft machen möchte, muss man in der Lage sein, mögliche künftige Situationen und ganze Folgen von Situationen voraus sagen können.

Diese möglichen Situationen in der Zukunft existieren — solange sie noch nicht eingetreten sind — ausschließlich im Denken bzw. in Form von Texten, die solche möglichen Situationen beschreiben. Außerdem benötigt man einen Ausgangspunkt als möglichen Referenzpunkt, von dem aus man versucht, Betrachtungen über die Zukunft anzustellen.

Ein solcher Ausgangspunkt ist entweder rein fiktiv, bloß gedacht, oder aber eine reale, empirische Situation, über die sich alle Beteiligten verständigen können (z.B. ein Zimmer in einer Wohnung).

Zu einer Ausgangslage gehört es auch, dass man in der Situation oder als Teil dieser Situation irgendwelche Größen voneinander unterscheiden kann (z.B. Schränke, Tische, Stühle, …). Voraussetzung dafür ist, dass zwei verschiedene Größen erkennbare Eigenschaften besitzen, anhand deren man sie unterscheiden kann (z.B. Form, Farbe, Größe, …).

Wichtig ist auch, ob sich diese Größen mit ihren Eigenschaften im Laufe der Zeit verändern können (eine Kanne mit Kaffee kann leer werden; Blumen in einem Topf können wachsen; aus dem Wasserhahn kann Wasser fließen, …).

Genauso interessant sind mögliche Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Größen (z.B. Ein Mensch braucht Wasser zum Trinken).

Alle diese aufgezählten Elemente werden benötigt, um Voraussagen machen zu können. Wie kann man solche Voraussagen ganz praktisch generieren?

Theorie und Simulation

Die Aufgabe, anhand einer gegebenen Situation unter Berücksichtigung bekannter möglicher Veränderungen und Wechselwirkungen transparente und und hinreichend begründbare Voraussagen erstellen zu können, gehört offiziell zum Aktionsbereich der empirischen Wissenschaften. Im Idealfall erarbeiten diese zu einer Aufgabenstellung eine empirische Theorie (ET). Eine empirische Theorie ist letztlich ein Text, der mögliche Startsituationen festlegt, dazu formuliert, welche Arten von Veränderungen angenommen werden, und benutzt dann einen logischen Folgerungsbegriff, um zu zeigen, welche Folgerungen (= Voraussagen) man mit all dem zusammen bekommen kann. In speziellen Fällen funktioniert dies auch sehr gut.

Moderne formale Theorien haben allerdings auch Nachteile.

  1. So benötigen sie standardmäßig eine formale Sprache (inklusive Mathematik), um den Text ihrer Theorie erstellen zu können. Diese Sprache beherrschen gewöhnlich nur Spezialisten.
  2. Formale Sprachen haben zudem die unschöne Eigenschaft, dass sie keinerlei Bezug zur empirischen Realität aufweisen. Diesen Bezug muss man jedesmal mühsam durch geeignete Interpretationen herstellen. Seit Beginn der modernen empirischen Wissenschaft ist es nicht gelungen, dieses Problem der nachträglichen Bedeutungszuordnung befriedigend zu lösen.
  3. Ein weiterer Nachteil resultiert aus der Verwendung eines formalen logischen Folgerungsbegriffs. Dieser Folgerungsbegriff setzt voraus, dass alle wichtigen Aussagen schon vorhanden sind (Annahme einer geschlossenen Welt). In einer sich ständig ändernden Welt, in der die menschlichen Akteure zudem ständig dazu lernen können, erscheint diese Annahme etwas ‚wirklichkeitsfremd‘.

Es liegt nahe, angesichts dieser Nachteile ein ‚Re-Design‘ des Konzepts einer empirischen Theorie zu versuchen. Eine Version eines solchen Re-Designs geht wie folgt:

  1. Es wird keine spezielle Sprache benutzt sondern immer nur eine Alltagssprache, die alle Beteiligten beherrschen (welche Alltagssprache, ist egal). Nach Bedarf kann man diese Alltagssprache — wie gewohnt — aber durch eine mathematische Sprache ergänzen.
  2. Der logische Folgerungsbegriff wird durch einen offenen alltagsnahen Folgerungsbegriff ersetzt: jede Form von Veränderung bzw. Wechselwirkung kann einbezogen werden, auch ad hoc, falls es die Situation bzw. das erlernte Wissen nahe legen. Durch diese Öffnung ist die Beschränkung auf eine ‚geschlossene Welt‘ aufgehoben. Außerdem bilden die dazu notwendigen Verfahren keine ‚geschlossene (black) Box‘ sondern sind vollständig transparent einsehbar. Je nach Ausgangssituation und verfügbaren Regeln können sich die Prognosen daher ändern.

Das obige Schaubild zeigt alle notwendigen Komponenten einer alltagsnahen empirischen Theorie (ET). Gegeben muss eine Startsituation S sein. Dazu verschiedene Regeln R, die entweder mögliche Veränderungen oder mögliche Wechselwirkungen beschreiben. Der Folgerungsbegriff ⊢ wird hier durch einen Simulator realisiert, der die passenden Regeln auf die gegebene Situation S anwendet und dadurch eine Nachfolgesituation S‘ erzeugt. M.a.W. das, was in einer Theorie üblicherweise Folgerung heißt, das ist in einer alltagsnahen empirischen Theorie einfach eine Simulation, die beliebig viele Runden umfassen kann. Dies ist möglich, weil der Simulator (als Folgerungsbegriff) beliebig oft die jeweilige Folgerunssituation S‘ wieder zu einer neuen Ausgangssituation machen kann, aus der heraus eine weitere Nachfolgesituation S“ erzeugt wird.

Dieses Konzept einer alltagsnahen empirischen Theorie ET kann jeder menschliche Akteur ohne Zuhilfenahme eines Computer nur mit Papier und Bleistift ausführen. Sobald die Texte aber größer werden, immer mehr Regeln zum Einsatz kommen, da wird die Methode ‚Papier und Bleistift‘ mühsam bis hin zu undurchführbar, allein wegen der schieren Menge der zu bewältigenden Elemente.

Was liegt näher als nach Unterstützung durch eine Software zu suchen, die das Arbeiten mit solch einer alltagsnahen empirischen Theorie direkt unterstützt. Da es solch eine Software bis 2019 nicht gab, haben wir (Tobias & Gerd) sie uns genau so gebaut, wie wir sie brauchten. Wir übernahmen den Namen oksimo, der aus einem anderen Softwareprojekt stammte, das Gerd Doeben-Henisch in der Vergangenheit durchgeführt hatte (siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Oksimo), das er damals aber aus Mangel an Ressourcen wieder einstellen musste. Die neue Version, nun erstmalig mit einer Grafischen Benutzerschnittstelle (GUI = Graphical User Interface), wurde ab 8.Januar 2024 zugänglich gemacht.

Simulationsbeispiele mit echten Daten

Im Folgenden werden nun drei einfache Simulationsbeispiele vorgestellt, die mit echten Daten aus unseren Recherchen zum Wasser aus Phase 1 arbeiten. Diese Beispiele sind beides: sowohl echte Theorien wie auch echte Simulationen.

Beispiel Brunnen: Welche Kapazität und welche Veränderung ist möglich?

Siehe Beschreibung des Demo-Beispiels: Brunnenkapazität im Verlauf von Jahren (Letzte Änderung: 23.Jan 2024)

Beispiel Einwohnerzahl: Wie viele Einwohner gibt es und wie können sich diese verändern?

Siehe Beschreibung des Demo-Beispiels: Einwohnerentwicklung im Verlauf von Jahren (Letzte Änderung: 23.Jan 2024)

Beispiel Wechselwirkung zwischen Brunnenkapazität und Einwohnerzahl

Siehe das Demo-Beispiel: Das Mergen (=Vereinigen) von einer (zuvor vereinigten) Theorie mit einer Theorie, die nur aus einer Veränderungsregel besteht. (Letzte Änderung: 30.Jan 2024) Es gibt jetzt auch eine Simulation, bei der alle drei Brunnen von Schöneck berücksichtigt werden: Pro-Kopf Verbrauch bei drei Brunnen in Schöneck.

Weitere Beispiele: Wer mehr Beispiele sehen möchte, dem sei die Seite mit oksimo Beispielen empfohlen. Dort werden alle Beispiele aufgelistet, die (i) im Blog https://sw-de.oksimo.org erklärt werden und (ii) deren Simulation man selber auf der Seite https://oksimo.com/public_theories starten kann.

Ergebnisse

  1. Das Zusammenspiel von Brunnenkapazität und Einwohnerzahl zeigt im Verlauf der Zeit (hier gemessen in Jahren), dass der maximale Pro-Kopf Verbrauch sinken kann.
  2. Im Beispiel wurden zwar reale Ausgangsgrößen benutzt, aber die Annahmen zu möglichen Veränderungen sind z.T. spekulativ. Dies liegt daran, dass der BiG-Themengruppe WASSER bislang noch nicht genug empirischen Daten vorliegen, die eine genauere Abschätzung möglich machen!
  3. Die verfügbaren empirischen Daten für Grundwasserneubildung in Hessen zeigen, dass der Grundwasserspiegel seit 20 Jahren kontinuierlich fällt.
  4. Die Einwohnerzahl von Schöneck von 2022 auf 2023 um 6% gestiegen. War dies immer so? Wie geht es weiter?
  5. Die Kapazität des Brunnens Hellerborn wird nicht zu-, sondern abnehmen. Wichtige Parameter (z.B. baufälliger Zustand, Gefährdung durch Einträge in den Boden, Verminderung des Grundwasserpegels) deuten eher in Richtung Abnahme. Die tendenzielle Abnahme der Brunnenkapazität betrifft aber alle drei Brunnen!
  6. Insofern ist das einfache Szenario des Theoriebeispiels MTT-brunnen-einw-pro-Kopf trotz mangelnder Präzision von der Grundaussage her richtig. Das verfügbare Wasser aus diesem Brunnen wird abnehmen (siehe auch: Pro-Kopf Verbrauch bei drei Brunnen in Schöneck). Offen ist die Frage: wie viel und in welchem Zeitraum.

Gegenstandsbereich

Der Ausgangspunkt des Wasserprojektes des BiG-Teams WASSER waren die lokalen Gegebenheiten in Schöneck und Umgebung. Mit der Herausarbeitung der Kausalkette (rückwärts) vom Wasser aus dem Wasserhahn zu den Brunnen, von dort zum Grundwasser und von dort letztlich zur Menge der Niederschläge wurde dann die Tür aufgestoßen zur globalen Wassermaschine (siehe Schaubild).

BILD : Das lokale Wassergeschehen, das auf die Verfügbarkeit von Wasser angewiesen ist, hängt über die Niederschläge unmittelbar am globalen Wassergeschehen. Denn nur über die Prozesse der globalen Wassermaschine entsteht überhaupt Wasser auf dem Festland, das über die Wasserverdunstung der Ozeane entsteht. Vegetation auf dem Festland kann dazu beitragen, dass das Wasser von den Ozeanen irgendwie gespeichert oder recycled wird, aber das Festland als solches kann kein eigenes Wasser produzieren.

Sobald man den lokalen Bereich verlässt und sich dem globalen Geschehen öffnet, explodiert die Komplexität der Phänomene; nichts ist mehr ‚einfach‘. Alles hängt irgendwie mit allem zusammen. Es braucht viel Wissen und entsprechend viel Zeit, sich mit diesem Wissen vertraut zu machen. Der aktuelle Stand der Recherche ist wie folgt:

  1. Für einen ersten Eindruck zum gesamten Wasserkreislauf helfen [7,6].
  2. Für einen tieferen Einblick in jene Vorgänge, wie das Erdsystem Wasser für das Festland verfügbar macht, empfiehlt sich [1,1b]
  3. Für einen sehr tiefen Einblick in jene globale Maschinerie (auch dann lokal), die das reale Wettergeschehen (und auch das mittelfristige Klima) bestimmt, helfen [2-4].
  4. Für einen tieferen Einblick in die Rolle von Treibhausgasen für das Erdklima und seine Auswirkungen empfiehlt sich [5]. Anmerkungen: Viele wichtige Aspekte wie z.B. Wasser und Wälder, sowie Biodiversität werden nur am Rande erwähnt, ohne die innere Dynamik dieser Phänomene zu erklären, geschweige denn ihre zentrale Rolle für das Leben auf diesem Planeten sichtbar zu machen.
  5. Einen evolutiven und systemischen Gesamtblick versucht [6] aufzuspannen. Wieweit dieser Gesamtblick hinreichend Detailtiefe aufweist ist noch unklar. Das Thema Wasser wird auf jeden Fall aus vielen verschiedenen Perspektiven behandelt.

Für den gepanten Bürger-Service

Für den angezielten Bürger-Service einer ständig verfügbaren Wasser-Verfügbarkeits-Voraussage reichen für einen Nahbereich von ca. 1-2 Jahren im Kern die lokalen Daten von Hessen aus. Für jede längerfristige Voraussage aber muss man den Zustand und die Entwicklung der globalen Wassermaschine in den Voraussage-Mechanismus einbeziehen. Ob es überhaupt Niederschläge geben wird, wie viele, und bei welchen Temperaturen, das entscheidet sich regional in enger Ankopplung an das globale Geschehen.

Vorgehensmodell zur Erarbeitung einer Simulation zur Wasserversorgung Schöneck in der Zeit Okt 23 bis Juni 24

Der hier angezeigte Zeitraum Okt 23 – Juni 24 gibt nicht den vollen Zeitraum für dieses Projekt wieder. Es ist nur der Planungszeitraum der Initiative ‚Bürger im Gespräch (BiG)‘ Phase 2. Intendiert ist natürlich eine Phase 3 von November 24 – Juni 25, und länger falls möglich. Generell dürfte das Projekt sicher 1-2 Jahre dauern, bis es offiziell genutzt werden kann. Danach bieten sich dann viele Möglichkeiten die öffentliche Simulation in vielfacher Weise für andere Themen und Nutzungen zu erweitern.

Das Ziel ist es, mit Hilfe dieses Vorgehensmodells systematisch

  1. Alle verfügbaren Daten für die Simulation aufzubereiten und nutzbar zu machen.
  2. Zusammen mit den Wasserwerken und anderen Behörden sollen die Daten validiert und auch im Rahmen der Simulation getestet werden.
  3. In allen Phasen sollen die erarbeiteten Theorien/ Simulation für alle Bürger öffentlich zugänglich sein.
  4. Für interessierte Bürger sollen auch Workshops angeboten werden, in denen sie lernen können, ihre eigenen Theorien/ Simulationen zu schreiben.
  5. Regelmäßig sollen öffentliche Veranstaltungen für alle Bürger stattfinden, in denen die aktuellen Simulationen vorgestellt und diskutiert werden.
  6. …. vieles mehr 🙂 …

ANMERKUNGEN

[1] Victor Gorshkov , V.V. Gorshkov , A.M. Makariev, Biotic Regulation of the Environment. Key Issues of Global Changes. Springer, 2000

[1b] Fernsehbeitrag: arte.de, 8.Dez 2023, Die fliegenden Flüsse des Amazonas – Zum Film heißt es: Die Wolkenansammlungen über dem Regenwald des Amazonas enthalten riesige Wassermassen, mehr als der Amazonas selbst. Wenn diese „fliegenden Flüsse“ auf die Anden treffen, werden sie in Richtung Süden gedrängt und regnen über den Städten Südamerikas ab. Seit mehr als 20 Jahren erforscht Professor Antonio D. Nobre das Geheimnis dieser Wasserströme in der Atmosphäre. URL: https://www.arte.tv . Anmerkung: Noble benutzt die Theorie von [1]!

[2] DWD: Klimawandel – ein Überblick. Klimaänderungen können auf natürliche sowie auf menschliche Einflüsse zurückgeführt werden. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts haben sich die oberflächennahen Luftschichten der Kontinente und Ozeane der Erde deutlich erwärmt. Der Klimawandel zeigt sich in den letzten Jahrzehnten unter anderem in der Zunahme von heißen Temperaturextremen, dem stetigen Anstieg des Meeresspiegels und der mancherorts veränderten Häufigkeit von extremen Niederschlägen. Anthropogene Aktivitäten sind hierfür die Hauptursache.

[3] DWD, 31.01.2024, Meilenstein in der Klima- und Wetterforschung. Wetter- und Klimamodell ICON als Open-Source veröffentlicht

[4] DWD, Deutscher Klimaatlas . Bereich Hessen.

[5] IPCC, 2021, Climate Change 2021: The Physical Science Basis, the Working Group I contribution to the Sixth Assessment Report on 6 August 2021 during the 14th Session of Working Group I and 54th Session of the IPCC. Full Report HERE.

[6] Pierre L. IbischHeike MolitorAlexander ConradHeike WalkVanja Spoo (geb. Mihotovic)Juliane Geyer, 2022, Der Mensch im globalen Ökosystem. Eine Einführung in die nachhaltige Entwicklung. 2. Auflage. Zusammenfassung: Als Begriff ist Nachhaltigkeit heute in aller Munde, doch mit der Umsetzung nachhaltiger Wirtschafts- und Gesellschaftsstrukturen tun wir uns nach wie vor schwer. Dieses Buch ist gedacht als Überblick über relevante Diskurse – aber auch und vor allem als Denkangebot mit neuen Vorschlägen für die Verteidigung und weitere Ausgestaltung des Konzeptes der nachhaltigen Entwicklung. Es widmet sich der Position der Menschheit im globalen Welt(öko)system und versteht Nachhaltigkeit disziplinübergreifend. Die Problemanalyse steht dabei ebenso im Zentrum wie Lösungsansätze und die Bedingungen für eine nachhaltige Entwicklung.
Die Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (HNEE) widmet sich dem Thema der Nachhaltigkeit in Lehre, Forschung, Transfer und Betrieb umfassend und in seiner ganzen Komplexität. Sie war die erste deutsche Hochschule, die ein ausgewiesenes Profil der nachhaltigen Entwicklung in einem breiten Beteiligungsprozess mit den Hochschulangestellten und Studierenden umgesetzt hat und gilt als eine der Leuchtturmhochschulen in Deutschland.
Dieses Lehrbuch ist aus einer fachbereichsübergreifenden Grundvorlesung zur nachhaltigen Entwicklung an der HNEE entstanden. Auf ihrer Grundlage haben die Herausgeber*innen das Buch konzipiert und es mit weiteren Kolleg*innen ausgestaltet.

[6] Kurt Lechner, Hans-Peter Lühr, Ulrich V.E.Zanke (Hrsg.), Taschenbuch der Wasserwirtschaft. Grundlagen – Maßnahmen – Planung, 10.Aufl., 2021, Springer Verlag

[7] Hamburger Bildungsserver, Der globale Wasserkreislauf, https://bildungsserver.hamburg.de/themenschwerpunkte/klimawandel-und-klimafolgen/wasserkreislauf-global-254514