Betrachtung von hydrologischen Modellen mittels Fachdomänenanalyse

Die Domänenanalyse ist eine essentielle Methode im Software-Engineering, insbesondere in den Bereichen Softwarearchitektur und Requirements Engineering. Sie hilft bei der Identifizierung spezifischer Anforderungen, bei der Klassifzierung und Strukturierung von Objekten, Prozessen, Systemen und Beziehungen innnerhalb einer bestimmten Domäne, die für das zu entwickelnde System relevant sind. Dies führt zu einem besseren Verständnis der Anwendungsdomäne und der Anforderungen, bevor die eigentliche Systementwicklung beginnt.

Die Hydrologie ist angesichts des Klimawandels und seiner Auswirkungen auf den Wasserhaushalt ein relevantes und viel beachtetes Thema. Die Modellierung hydrologischer Prozesse ist von besonderer Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf Extremwetterereignisse und die nachhaltige Nutzung von Wasserressourcen.

Hydrologische Modelle haben sich seit den 1960er Jahren weiterentwickelt und sind heute in der angewandten Hydrologie und Wasserwirtschaft unverzichtbar. Die Bedeutung des Hochwasserschutzes ist dabei konstant geblieben.

Moderne Ansätze wie Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen werden zunehmend in der hydrologischen Modellierung eingesetzt. Eine fundierte Fachdomänenanalyse ist daher unerlässlich, um diese Verfahren gezielt einzusetzen.

In dieser Studienarbeit wird mit Hilfe eines eigens entwickelten dreischichtigen Ansatzes basierend auf der Methode der modellgetriebene Architekturentwicklung eine eigene Modelltheorie eingeführt. Ebenso wird das Verständnis zur Domäne hydrologischer Modellierung aus der domänenspezifischen Literatur grundlegend aufgebaut. Aus dem Vergleich von Klassifizierungsansätzen in der Literatur und daraus extrahierten Begriffen und Synonymen ergeben sich Abhängigkeiten und Prozesse, die wiederum anderen Subdomänen zugrunde liegen. Es wird eine Einordnung des vielfältigen Modellverständnis in der Domäne der Hydrologie in ein überarbeitetes Klassifikationsschema vorgenommen. Der Fokus liegt hierbei auf dem Verständnis der Begriffswelt der Hydrologie, um zukünftig in der Praxis damit ganzheitliche Ansätze entwerfen zu können.

Die richtige Modellwahl ist von entscheidender Bedeutung und hängt vor allem von der Fragestellung ab. Fragestellungen beziehen sich zunehmend auf mehrere Domänen und unterschiedliche Skalen, was bedeutet, dass innerhalb einer Fragestellung mehrere Modelle benötigt werden. Die Modelle werden in der Forschung und Wissenschaft an die immer größeren Anforderungen angepasst, so dass ein einzelnes Modell begrenzend wirkt.

Die Zukunft der hydrologischen Modelle liegt daher in der Kopplung verschiedener Modelle und der ganzheitlichen Betrachtung komplexer Fragestellungen. Dies erfordert eine kontinuierliche Weiterentwicklung und die Integration von Modellen aus verschiedenen Fachdisziplinen.

Die in dieser Arbeit vorgestellte Modelltheorie bildet einen ersten abstrakten Entwurf, der durch weitere Begriffe und Konzepte aus der Fachliteratur des Software-Engineerings und der Hydrologie ergänzt werden kann. Weitere Aspekte, wie Unsicherheiten und die Validierung der Modelle, sind bisher nicht explizit in dieser Theorie genannt und sollten berücksichtigt werden, ebenso wie die Skalierbarkeit und Effizienz bei der Implementierung der digitalen Systeme.

Die Kopplung von Modellen und die Integration von Problemstellungen aus verschiedenen Fachdisziplinen sind vielversprechende Ansätze für die Modellierung komplexer Systeme. Diese Arbeit bietet eine Grundlage für weitere Forschung und Anwendungen in der Hydrologie und darüber hinaus.