07.1 Modellstrukturen und Raumdiskretisierungen

Zur Beschreibung der hydrologischen und hydrometeorologischen Prozesse werden diese zu Domänen und Ebenen zusammengefasst. Folgende Modellebenen werden in ArcEGMO unterschieden:

  1. METEOR zur Ermittlung der meteorologischen Modelleingangsgrößen und ihre Übertragung auf die im Rahmen der Abflussbildungsberechnung zu modellierenden Flächen,
  2. ABI zur Beschreibung der Abflussbildung,
  3. RD zur Beschreibung der Abflusskonzentration auf der Landoberfläche,
  4. GW zur Beschreibung der Abflusskonzentration im Grundwasser und
  5. Q zur Beschreibung der Abflusskonzentration im Gewässernetz.

Die Modellebenen METEOR und ABI bilden gemeinsam die Vertikalprozess-Domäne, RD, GW und Q die Lateralprozess-Domäne.

Wie Tabelle 7.1‑1 zeigt, können je nach Aufgabenstellung und zur Verfügung stehender Datenbasis die Modellierungen in den einzelnen Ebenen unterschiedlich detailliert bzgl. der Prozessbeschreibung und der Raumgliederung vorgenommen werden. Welche Raumauflösung für die einzelnen Ebenen gewählt wird, ist innerhalb der Steuerdatei ARC_EGMO.STE (s. Kapitel 3) festzulegen.


Tabelle 7.1‑1: Übersicht über die einzelnen Modellebenen

Ebene Raumauflösung interne Untergliederung Prozessbeschreibung

METEOR

EFL, KAS, TG oder GEB

Niederschlagskorrektur, Schneeschmelze, pot. Verdunstung nach Penman, Turc/Ivanov oder Haude

ABI

EFL

Speicheransätze für homogene Standorte

KAS, TG oder GEB

Hydrotopklassen

Speicheransätze mit Flächenverteilungsfunktionen

RD

KAS

kinematische Welle

TG oder GEB

Abflusskomponenten nach Hydrotopen

Speicherkaskaden

GW

TG

Abflusskomponenten nach Teileinzugsgebieten

Einzellinearspeicher

GEB

Abflusskomponenten nach Hydrotopen

Q

FGW, TG, GEB

kinematische Welle oder Speicherkaskaden

TG oder GEB

Systemantwortfunktionen

 

Abbildung 7.1‑1 zeigt im Sinne einer Übersichtsdarstellung mögliche Raumdiskretisierungen in den einzelnen Modellebenen.

 

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Abbildung 7.1‑1: Mögliche Raumdiskretisierungen in den Modellebenen

 

Jede Modellebene

  • besteht aus verschiedenen Modulen zur Beschreibung hydrologisch relevanter Teilprozesse,
  • nutzt die in den Programmkomponenten bereitgestellten Schnittstellen zu den raum- und zeitbezogenen Ein- und Ausgangsdaten und
  • übernimmt bzw. übergibt Werte von bzw. nach anderen Modellebenen.

Die (vorrangig) vertikalen Prozesse werden von den Modellebenen MET und ABI beschrieben, die lateralen Abflusskonzentrationsprozesse in den Ebenen RD, GW und Q behandelt.

Abbildung 7.1‑2 zeigt die Funktionalitäten der in der Standardmodulbibliothek eingebundenen Module mit ihrer Zuordnung zu den Modellebenen.

Im Allgemeinen ist eine Modellebene wie folgt aufgebaut:

  • Über einen Eintrag in der Steuerdatei MODUL.STE (s. Abbildung 7.1‑3) sind Parameter vorgebbar, die die prinzipielle Abarbeitung steuern.
  • Ein Initialisierungsteil allokiert die notwendigen Speicherbereiche und ermittelt die Modellparameter und Startwerte.
  • Das eigentliche Modell organisiert die Simulation der Prozesse der jeweiligen Modellebene und ruft jeweils für den aktuellen Zeitschritt und das aktuelle Raumelement das in der Bibliothek abgelegte prozessbeschreibende Modul auf.
  • Eine weitere Routine gibt die eingangs belegten Speicherbereiche bei Bedarf wieder frei.
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Abbildung 7.1‑2: Übersicht über die einzelnen Modellebenen

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#################################################################################
MET_MOD1
VERDUNSTUNGS_BERECHNUNG      1  /* 0 GEGEBEN; 1 PENMAN, 2 TURC_IV, 3 HAUDE */
SCHNEEMODELL                 0  /* 0 Niederschlagsdargebote gegeben, */
                                /* 1 Taggradverfahren */
VERDUNSTUNGSKORREKTUR       1.0 /* Faktor zur Korrektur der berechneten bzw. */
                                /* gegebenen potentiellen Verdunstung */
NIEDERSCHLAGSKORREKTUR     1.05 /* Korrekturfaktoren zum Ausgleich von Wind- */
SCHNEEKORREKTUR            1.2  /* fehlern und Benetzungsverlusten */
GRENZTEMPERATUR            0.5  /* Grenzwert der Tagesmitteltemperatur, unter */
                                /* der Schneefall angenommen wird */
TESTDRUCK
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ABI_MODELL
ZEITFAKTOR_NIEDERSCHLAG     1. /* Eichgroesse, dient zur Anpassung des kf-Wertes*/   
                               /* < 1. : Reduktion bei geringer Zeitaufloesung */
                               /* zum Ausgleich von Informationsverlusten*/
                               /* ueber die "wahren" Niederschlagsinten- */
                               /* sitaeten */
                               /* > 1. : Erhoehung zur Beruecksichtigung von */
                               /* Makroporen etc. */
MET_VORGESCHICHTE          0.9 /* 0. fuer trocken bis 1.0 fuer feucht */
PARAMETER_TAB_SPEICHERN?     Ja
VERTEILUNGS_FUNKT_SPEICHERN? Ja
#################################################################################
RD_MODELL
ABFLUSSBILDUNG_ITERATIV      0     /* 1 Abflussbildung innerhalb oder */
                                   /* 0 ausserhalb der internen Zeitschleife */
#################################################################################
KINWAVE
FAK_FLIESSWEGVERLAENGERUNG   1.1
################################################################################
Q_MODELL
ZEITSCHRITTWEITE             1440.         /* in Minuten */
################################################################################
Q_ELS
RUECKGANGSFAKTOR          0.0002        /* Dient der Skalierung der modellintern */
                                        /* ermittelten Rueckgangskonstanten */
################################################################################
EGMO_GW
AFMN .50
SPEICHERUNG_DER_ELS_KONSTANTEN? JA
ABFLUSSKOMPONENTEN
RG 730 AFw AFa AFs AFB AIMP
RH 20 AH
RN 10 AW ANw ANa ANs ANB
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Abbildung 7.1‑3: Beispiel für eine Steuerdatei Modul.Ste

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