02.4 Abflussbildung an der Bodenoberfläche – INFILT

Übersteigt das Wasserangebot an der Bodenoberfläche PO das aktuelle Infiltrationsvermögen Fpot des Bodens, so entsteht Effektivniederschlag PEF. Dabei gilt die Bilanzgleichung:

$\fn_jvn PEF = MAX(0.,PO-Fpot)$

Gl. 2-9

Der bodenwirksame Input PB (bzw. die aktuelle Infiltration) ergibt zu

$\fn_jvn PB = PO-PEF$

Gl. 2-10

Dieser Prozess kann mit Infiltrationsansätzen beschrieben werden.

Der Effektivniederschlag wird in einem Muldenspeicher der Kapazität WMM zwischengespeichert und im nächsten Berechnungszeitschritt erneut zur Infiltration angeboten. Beim Überlaufen dieses Speichers entsteht Landoberflächenabfluss. Die Kapazität dieses Speichers ist abhängig vom Geländegefälle.

Bei geeigneten Abflussbedingungen (merkliches Geländegefälle und „micro-channels“) und geringer Vorfluterentfernung der Entstehungsflächen erreicht dieser Landoberflächenabfluss schnell den Vorfluter und wird „abflusswirksam“. Er kann dann dem Direktabfluss RJ, also der schnellsten, meist oberflächlich fließenden Abflusskomponente in einem Einzugsgebiet, zugeordnet werden.

Die Infiltration spielt zusammen mit dem Bodenwasserhaushalt eine zentrale Rolle innerhalb des hydrologischen Regimes. Auf Grund der hohen Dynamik des Infiltrationsprozesses und seiner starken Abhängigkeit von sehr ortsvariablen Standorteigenschaften wie Bodenart (Leitfähigkeit, aber auch Porosität, Makroporenanteil und Saugspannung) und zeitvariablen Einflüssen wie Bodenfeuchte und Bearbeitungszustand bei landwirtschaftlichen Nutzflächen ist eine exakte Prozessbeschreibung nur mit sehr detaillierten, standortbezogenen Ansätzen hoher zeitlicher Auflösung (Minuten bis Stunden) möglich.

Diese Ansätze versagen in der Regel bei der Modellierung größerer Flächeneinheiten, weil weder die notwendige örtliche noch die zeitliche Auflösung der Eingangsdaten (Niederschlag), der Systemzustände (Bodenfeuchte) und der Systemeigenschaften (Bodenart) gegeben ist.

Es wurden deshalb Ansätze entwickelt, die für größere Zeit- und Raum-Dimensionen den Effektivniederschlag als Zielgröße richtig berechnen, wobei toleriert wurde, dass Teilprozesse wie das Fortschreiten der Feuchtefront im Boden vernachlässigt werden.

Unter der Voraussetzung, dass der „zeitliche Verlauf von Infiltrationsvermögen und -intensität in befriedigender Weise als Funktion des im Boden gespeicherten Wassers berechnet werden kann“ (Peschke 1980), wurde das Konzept INFILT zur Modellierung des Infiltrationsprozesses entwickelt. Es berücksichtigt vereinfacht linear die flächenhafte Verteilung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit innerhalb der jeweiligen Bezugsfläche.

Der Vorteil dieser Vorgehensweise wird in Abbildung 2-3 (rechts) verdeutlicht. Während Ansätze, die nur das mittlere Infiltrationsvermögen Fmit betrachten, im angegebenen Fall keinen Effektivniederschlag berechnen, ermittelt INFILT für Standorte mit geringem Infiltrationsvermögen einen Effektivniederschlag PEF (hellgraues Dreieck).

Abbildung 2-3: Das Infiltrationsvermögen F als Flächenfunktion (rechts) und die Infiltrationsintensität in Abhängigkeit von der Bodenfeuchte (links)

Ausgegangen wurde bei der Ableitung der Berechnungsgleichung für das aktuelle Infiltrationsvermögen Fpot eines Standortes von der Infiltrationsgleichung nach HOLTAN:

$\fn_jvn Fv = A\cdot BD^{n} + Fc$

Gl. 2-11

mit

Fv – Infiltrationsintensität
Fc – stationärer Endwert von Fv
BD – Bodenfeuchtedefizit
A,n – empirische Parameter (zit. bei Peschke 1980)

Mit n=2, Fc=K_f*DT und Fv=Fpot ergibt sich Fpot=A*(HS-1)²+K_f*DT. Unter der Annahme, dass der empirische Parameter A von der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit K_f abhängt, lässt sich diese Gleichung mit A=EXH*Kf*DT leicht überführen in

$\fn_jvn Fpot = K_{f}\cdot (EXH\cdot BD^{2}+1)$

Gl. 2-12

mit EXH als empirischer Parameter und BD=(HS-HSC)/HSC als Füllungsdefizit des Bodenkapillarwasserspeichers des Oberbodens.

Das Infiltrationsvermögen Fpot ist also bestimmt durch die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit und die aktuelle Bodenfeuchte. „Die sukzessive Auffeuchtung bei fortschreitender Infiltration reduziert … die Infiltrationsintensität Fpot. Erreicht sie schließlich vernachlässigbar kleine Werte (also Sättigung und damit HS = 1, vgl. Abbildung 2-3, links), stellt sich Fpot auf den konstanten Wert der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit in der Oberfläche ein. Für die hohen Infiltrationsintensitäten im Anfangsstadium der Infiltration sind also die Adsorptions- und Kapillarkräfte erforderlich, während der Prozess im Spätstadium mit geringen Intensitäten durch die Schwerkraft … aufrechterhalten wird.“ (Dyck/Peschke 1983)

Für das Minimum GLN und das Maximum GLX der linearisierten Verteilung der K_f-Werte einer Fläche wird nach Fv = A*BDn + Fc Gl. 2-11 jeweils Fmin und Fmax errechnet, womit sich dann das auf die Fläche bezogene, potentielle Infiltrationsvermögen FPOT ermitteln lässt zu :

$\fn_jvn FPOT = 0.5\cdot (Fmax+Fmin)$ für $\fn_jvn PO > Fmax$

Gl. 2-13

$\fn_jvn FPOT = PO-(PO-Fmin)^{2}/(2\cdot (Fmax-Fmin))$ für $\fn_jvn Fmin < PO < Fmax$

$\fn_jvn FPOT = PO$ für $\fn_jvn PO < Fmin$

wobei mit FPOT=MAX(0.,FPOT) ein positiver Wert für FPOT zu sichern ist. Die Modellausgänge berechnen sich nun zu

$\fn_jvn PEF = MAX(0,PO-FPOT)$

Gl. 2-14

und PB als Infiltration bzw. Modelleingang für das Bodenwasserhaushaltsmodell zu

$\fn_jvn PB= PO - PEF$

Gl. 2-15

Der beschriebene Ansatz wird in Kombination mit einen einfachen Ansatz zur Berücksichtigung der Muldenspeicherung (analog der Interzeptionsspeicherung) abgearbeitet. Der berechnete Effektivniederschlag PEF bildet den Input in diesen Speicher, dessen Überlauf abflusswirksam wird und eine Komponente des Landoberflächenabfluss RO bildet. Zu Beginn jeden Berechnungszeitschritts wird der aktuelle Inhalt des Muldenspeichers gemeinsam mit dem Output des Interzeptionsspeichers PO zur Infiltration angeboten. Beide Ansätze können auf beliebige, heterogene Flächen angewendet werden, um die Aufteilung des bodenwirksamen Niederschlages in Effektivniederschlag bzw. Landoberflächenabfluss und Einsickerung in den Boden PB zu berechnen. PB wiederum bildet den Input für das nachfolgend beschriebene Bodenwasserhaushaltsmodell.

/* Bei Bodenfrost wird davon ausgegangen, dass ein feuchteres Gebiet geringer durchlaessig als ein trockenes ist */
/* Anwendung für grundwasserferne Flaeche */

if( !gw_nah ) {
if(bod_waerme < 0.) {
if(hsc > 0.) {
tt = *FrostFaktor() * (hs / hsc);
*aimpn = MIN(1., tt + *aimpn);
// PrintTest(1,“bodenw=%f hs/hsc=%f tt=%f
aimpn=%f\n“,bod_waerme,*hs/ *hsc,tt,aimpn);
}
}
}
Ermittlung der Bodenwärme
if(*ss3 < 0.)
*ss3 = *ss3;

if(ss1 < 5.) { /* Bodenwaerme aendert sich nur, wenn keine oder eine geringe Schneedecke vorhanden ist */
if( bt > 0.) {
*ss3 += bt;
if(*ss3 > 0.)
*ss3 = 0.;
}
else {
if(*ss3 < 0.)
*ss3 += bt;
else
*ss3 = bt;
}
}