Neue Methoden zur Steuerung der Wassergabe mit Neuronalen Netzen in der Bewässerungslandwirtschaft

Im Wettbewerb um die knappe Ressource Wasser steht die Bewässerungslandwirtschaft als größter Verbraucher mit dem geringsten Wirkungsgrad neben allen anderen Konsumenten. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads ist man in der Bewässerungslandwirtschaft auf simulationsbasierte Optimierungsmethoden angewiesen. Bei der Anwendung der simulationsbasierten Optimierung stößt man bei allen Bewässerungsverfahren auf Probleme, da die numerischen Simulationsmodelle komplex, aufwändig und mitunter auch instabil sind. Zudem erschwert die nichtlineare Zielfunktion eine optimale Steuerung in Echtzeit. An Stelle der problematischen direkten Minimierung einer Zielfunktion mit numerischen Bewässerungsmodellen wird in dieser Arbeit ein zweiphasiges Vorgehen vorgeschlagen, welches die Strömungsmodellierung und die optimale Bestimmung der Bewässerungsparameter entkoppelt. Dafür wurde eine neue neuronale Netzarchitektur, die selbstorganisierende Merkmalskarte mit variabler Ein-/Ausgabefunktion (SOM-MIO), entwickelt. In der Arbeit wird die SOMMIO Architektur zusammen mit ein-, zweiund dreidimensionalen Strömungsmodellen innerhalb der zweiphasigen Optimierungsstrategie verwendet. Umfangreiche Anwendungen der SOM-MIO Architektur erfolgten zur deterministischen und stochastischen Steuerung der Tropfbewässerung sowie zur Steuerung der Furchenbewässerung bei bedarfsgerechter Bewässerungsplanung und bei Defizitbewässerung. 1 Der Hintergrund der Arbeit Durch die Steuerung eines Bewässerungsvorganges auf einem Feld kann mit den unterschiedlichen Bewässerungsverfahren (siehe Abb.1) die räumliche Verteilung der für ein Bewässerungsereignis zur Verfügung stehenden Wassermenge auf und schließlich im Boden gezielt beeinflußt werden. Die Ausbreitung des Wassers wird durch die Parameter Intensität (oder Zuflußrate) und die Bewässerungszeit gesteuert. Eine schlechte Steuerung der Wasserverteilung hat eine Reihe von negativen Folgen. Beispielsweise führt eine zu große Intensität bei allen Verfahren zu hohem oberirdischen Abfluß, d.h. zu großen Verlusten, weil das Wasser vom Feld wegfließt. Andererseits kann eine zu geringe Intensität der Wasseraufleitung z.B. bei der Furchenbewässerung eine sehr ungleiche Verteilung des Wassers längs des Feldes bewirken. Eine gute Steuerung derWasserverteilung erreicht hingegen eine gleichmäßige Befeuchtung des Pflanzenwurzelraums ohne Verluste vonWasser durch Abfluß oder Perkolation. Fluten Fluten Beregnen Tropfbewässerung ) d ( ) c ( ) b ( ) a ( über Furchen Abbildung 1: Die wichtigsten Bewässerungsverfahren (nach [Ach80]). In Gebieten, in denen die Bewässerungslandwirtschaft eine lange Tradition besitzt und eine bestimmte soziale Kontinuität gewahrt werden konnte, führt heute noch die Anwendung überlieferter Bewässerungsregeln zu erstaunlich guten Ergebnissen. Bei der Neuerschließung, Umstrukturierung oder Ausweitung bewässerter Anbauflächen wird seit mehreren Jahrzehnten versucht, den Mangel dieses umfassenden empirischen Wissens durch den Einsatz von Optimierungsalgorithmen in Verbindung mit Simulationsmodellen auszugleichen. Gegenwärtig ist man nur mit numerischen Prozeßmodellen1 in der Lage, die Wasserbewegung auf dem Feld und im Boden für die unterschiedliche Bewässerungsverfahren (siehe Abb.1) in geeigneter Weise zu simulieren. Dadurch kann man auf teure Feldexperimente verzichten, die sehr langwierig (Tage und Wochen) sind oder zu irreversiblen Schäden (z.B. Versalzung durch Grundwasseranstieg bei Überbewässerung) führen können. Leider ist die Berechnung von Bewässerungsszenarien mit numerischen Prozeßmodellen relativ aufwändig. Beim Einsatz iterativer Optimierungsverfahren oder bei Untersuchungen von stochastischen Einflüssen mittels Monte-Carlo Simulation ergeben sich Berechnungszeiten von Stunden bis Tagen, die in der Bewässerungspraxis nicht akzeptiert werden. Außerdem erfordert die Arbeit mit den Simulationswerkzeugen spezifische mathematische Kenntnisse, um numerische Instabilitäten bei den Simulationen von Bewässerungsvorgängen zu vermeiden. In der Praxis wird daher häufig auf vereinfachte Modelle zurückgegriffen, die lediglich die Wasserbewegung auf dem Feld simulieren und die infiltrierte Wassermenge abschätzen [McC00, RW97, ZSFP01]. Auf die schwierigere Simulation der Dynamik der Wasserbewegung im Boden wird verzichtet. Dadurch kann man jedoch keine Informationen darüber erhalten, ob das infiltrierte Wasser sich hauptsächlich in den Pflanzenwurzelraum bewegt oder in für die Pflanze unereichbare Bodenschichten perkoliert. Deshalb wird in dieser Arbeit eine neue Strategie zur optimalen Steuerung der Wassergabe entwickelt, die die komplexen Prozeßmodelle in der Bewässerungslandwirtschaft praktisch anwendbar macht, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. 1Diese Modelle wurden auf der Grundlage der physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wasserbewegung, die bei der Bewässerung durch Schwerkraft, Druckkraft und Kapillarkraft verursacht wird, abgeleitet. 172 Bewässerungssteuerung mit Neuronalen Netzen