1 Einführung in die Problematik
2 Modellierungskonzeption
3 Programmtechnische Grundprinzipien
4 Raumbezogene Eingangsinformationen
5 Raum- und zeitbezogene Eingangsdaten
6 Modellergebnisse
7 Modellebenen
8 Modulbibliothek
9 Bibliotheksfunktionen
10 Abkürzungen und Symbole

Literatur

1.1 Geographische Informationssysteme und hydrologische Modellierung
1.2 Anforderungen an hydrologische Modelle
1.3 Anforderungen an die hydrologische Software

Die Entwicklungen in der Computertechnik, im Hard- und Softwarebereich ermöglichen die Anwendung neuer Kon­zepte in der wasserwirt­schaftlichen Praxis, in der Hydro­lo­gie und nicht zuletz­t auch in der hydro­lo­gischen Forschung und Modellierung. Zu diesen Entwicklungen zählen:

• leistungsfähige, arbeitsplatznahe Rechentechnik, insbesondere Gra­fik-Worksta­tions und Hochleistungs-PC´s,
• effiziente Software zur Datenverwaltung, -analyse und zur Visua­li­sie­rung,
• neue Technologien zur Informationsgewinnung wie Fernerkundung und digitale Bild­ver­arbei­tung.

Die neuen Informationsgewinnungstechnologien können hochaufgelöste Flä­chen­infor­ma­tio­nen (z.B. der Land­nut­zung, Schnee­be­deckung) liefern, die für das Umweltmoni­toring ge­eig­net, ohne entspre­chende Hard- und Software für diese Zwecke aber nicht hand­hab­bar sind.

Der Zustand der Umwelt und erkennbare Entwicklungstrends im Um­welt­be­reich ma­chen die Anwendung dieser neuen Kon­zepte zwin­gend erfor­der­lich, insbesondere zur Untersuchung des hydrologischen Regimes und der Verfügbarkeit der Wasserressourcen nach Menge und Qualität sowie ihrer Veränderungen infolge von Klima-, Landnutzungs- und Wasserbewirtschaftungsänderungen. Aufbauend darauf geht es dann um die Entwicklung von Konzeptionen

• zum nachhaltigen Schutz der Ressource Wasser einschließlich ihrer Sanierung,
• zum Schutz vor schädigenden Wirkungen des Wassers auf Mensch und Umwelt, insbesonde­re in Extremsitua­tionen,
• zur Vermeidung und Verminderung möglicher Schädigungen.

Eines dieser neuen Konzepte schließt die umfassende Nutzung Geographischer Infor­ma­tions­syste­me (GIS) mit ein. GIS wer­den in der was­ser­wirt­schaft­li­chen Pra­xis schon viel­fach und im wachsenden Maße einge­setzt, weil was­ser­wirt­schaftli­che Problem­stellun­gen raum­bezogen sind bzw. sich auf Punkte, Li­nien und Flächen und damit auf die Geome­trieelemen­te eines GIS be­zie­hen. So sind für Fluss­ein­zugs­gebie­te Wasser-­ und Stoffbilanzen auf­zu­stel­len oder Be­wirt­schaf­tungs­richt­linien zu ent­wickeln, für Fluss­läufe Längs­schnitt­bilanzen zu erarbeiten, Über­flutungs­flächen auszuwei­sen oder Wellen­abfla­chungen zu berech­nen und für Pegel, also punktbezogen, Daten zu erheben, zu verwalten und zu analysie­ren.

GIS werden eingesetzt als Informationssysteme und zur Recherche, z.B. über die räum­liche Ver­tei­lung von Messeinrichtungen, Wassernutzern, Einleitern etc. Sie stellen meist eine wertvolle bzw. notwendige Un­terstützung wasserwirtschaftlicher Datenbanken dar, wobei u.a. die Visualisie­rungs­möglichkeiten eines GIS sinnvoll genutzt werden können.

Eine Reihe von Funktionalitäten eines GIS gestatten umfangreiche Datenanalyse­n. So können vorhan­dene Daten ausgewertet werden, z.B. im Hinblick auf die Häufigkeit des Auftretens bestimmter Zustände, Extremereignisse o.ä. in den betrachteten Räumen. Auch lässt sich leicht die Anzahl bestimmter Nutzer in Flussge­bie­ten ermitteln, wobei Daten­bank­funk­tionalitäten durch neue GIS-Funk­tio­na­li­täten ergänzt werden.

Es kön­nen aber auch neue Informa­tionen gewon­nen werden, z.B. durch Ver­schnei­dung und Verknüpfung ver­schiedener Karten mitein­ander, die bei getrennter Analyse der Aus­gangs­karten nur bedingt ab­leitbar wären.

Die genannten Einsatzmöglichkeiten eines GIS sind natürlich besonders effizient in der hydrologischen Modellierung nutzbar. Aus­führlicher erläutert wer­den soll im Folgenden die Mo­del­lie­rung des Wasserhaushalts und des Nie­der­schlag – Abfluss – Pro­zesses in Flusseinzugsgebieten, für die ein GIS eingesetzt werden kann

• als Informationssystem über Eigenschaften des Untersuchungsgebietes, verfügbare Daten­basen u.ä.,
• im Rahmen des Preprocessing für die Flächendiskretisierung und für die Mo­dellpara­meterer­mittlung,
• im Rahmen des Postprocessing für die Visualisierung der Modellierungser­geb­nisse.

Der GIS-Einsatz bietet sich hier besonders an, weil verschiedene raumbezogene Daten analysiert und miteinander ver­knüpft werden müs­sen. So liegen die Messrei­hen der Eingangsgrößen (z.B. Nie­derschlag und potentielle Verdunstung) i.d.R. als punkt­bezogene Werte vor. Diese müssen auf die zu modellieren­den Flächen (Untersuchungsgebiet, Teilein­zugs­gebie­te oder kleiner) übertragen werden. Die im Gebiet stattfindenden hydrologischen Prozesse (z.B. die Verdunstung und Abflussbildung) sind flächenbezogen. Der auf Einzelstandorten und Elementarflächen im Einzugsgebiet entstehende Abfluss konzentriert sich zunächst linienförmig in Gräben und im Gewässersystem und wird letztlich für Pegel berechnet, wo er punktbezogen mit Messwerten verglichen werden kann.

Für die Modellierung kann ein Einzugsgebiet als offenes System aufge­fasst wer­den, dessen Sy­stem­verhalten durch raum- und zeit­va­riable Sy­stemeingänge und -­eigen­schaf­ten be­stimmt wird und dessen Systemausgänge dadurch auch raum- und zeit­variabel sind.

Folgende, raumbezogene Basis­informatio­nen sind relevant:

• Digitale Höhenmodelle (Höhenlinien und -punkte usw.),
• Landnutzung, darunter Vegetationseinheiten, bebaute, z.T. versiegelte Flächen wie Straßen, Wege, Ortschaften u.ä.,
• Bodenformen/ -arten und -strukturen,
• geologische Einheiten, hydrogeologische Verhältnisse,
• Gewässernetze,
• Lage von hydrologischen und meteorologischen Messeinrichtungen (Pegel, Niederschlagsstationen usw.).

Diese Rauminformationen können effektiv in einem GIS bereitgestellt, analy­siert ­und erweitert wer­den. So lassen sich mit Hilfe eines digitalen Höhenmodells (DHM) aus den Höheninfor­matio­nen weitere, hydrologisch relevante Flächeneigen­schaften wie Gefälle und Exposition ableiten. Diese Basisdaten werden sachbe­zo­gen verwaltet und bilden die Infor­ma­tions­ebe­nen des GIS.

Durch die eingangs erwähnten neuen Gewinnungstechnologien können Informationen in ho­her räum­licher und zeitlicher Auflösung bereitgestellt werden. GIS in Ver­bindung mit lei­stungs­fähiger Hard­ware bieten die Möglichkeit, die räumlich hoch aufgelösten Informationen umfassend zu nutzen.

Die Anwendung von GIS ist in der hydrologischen Einzugsgebietsmodellierung dann besonders nützlich und sinnvoll, wenn die Modelle physikalisch und biologisch begründet sind und ihre Parameter aus flächendifferenzierten Informationen über die Gebietseigenschaften, wie sie zuvor genannt wurden, abgeleitet werden können. Dies gilt vor allem für flächendifferenzierte Modelle mit verteilten Parametern. Mit solchen Modellen sind auch verbesserte Möglichkei­ten zur Beschrei­bung unbeobachteter Gebiete und zur Bewertung der Aus­wir­kun­gen möglicher Kli­ma- und Land­nut­zungs­ände­run­gen auf die hy­dro­lo­gi­schen Pro­zesse gegeben.

Die Simulationsgüte der Modelle hängt ent­scheidend von der Verfügbarkeit von Informationen über die zeitliche und räumli­che Variabilität der Systemein­gän­ge, -eigenschaften und -zustände ab. Allerdings ist eine vollständige physikalisch determinierte Beschreibung aller Teilprozesse, speziell in größeren Systemen bzw. Gebieten, meist weder sinnvoll noch möglich. Refsgard (1981) schreibt zu diesem Problem: „Ein Einzugsgebiet ist ein extrem kompliziertes Natursystem, von dem wir nicht annehmen können, es exakt in allen Details beschreiben zu können.“

Deshalb umfassen die physikalisch determinierten Modellansätze je nach ihrer Detailliertheit ein Spektrum, das von den sogenannten Prozessmodellen bis zu den konzeptionellen Modellen reicht (bei fließenden Übergängen).

Detaillierte Prozessmodelle besitzen physikalisch begründete, meist direkt messbare Parameter. Ihre Anwendung scheitert oft an der unzureichenden Verfügbarkeit der Parameter in ihrer räumlichen (und z.T. zeitlichen) Verteilung. Von gleicher, oft entscheidenderer Bedeutung ist die Notwendigkeit der flächendifferenzierten Erfassung bzw. Prognose der prozessdominierenden Eingangsgrößen Niederschlag/Schnee­schmel­ze. Schilling & Harms (1983) zeigten z.B., dass eine flächendifferenzierte Modellierung primär in Abhängigkeit von der Flächendifferenzierung der meteorologischen Eingangsgrößen erfolgen sollte. Sie stellten fest, dass sehr detaillierte, räumlich hoch aufgelöste Modellansätze ohne Berücksichtigung der örtlichen Niederschlagsverteilung größere Fehler lieferten als einfachste Blockmodelle mit Berücksichtigung der Niederschlagsverteilung. Diese Tatsache muss bei der Modellwahl unbedingt beachtet werden.

Konzeptionelle Modelle sind durch notwendige und sinnvolle Vereinfachungen und Modellreduktionen aus detaillierten Prozessmodellen hervorgegangen oder beschreiben die hydrologischen Prozesse mit Hilfe von Analogien (z.B. Einzellinearspeicher). Speziell bei der Anwendung auf größere, wasserwirtschaftlich relevante Flächeneinheiten (Einzugsgebiete, Flussgebiete usw.) haben sie ihre Zweckmäßigkeit unter Beweis gestellt. Es hat sich u.a. gezeigt, „dass die auf den Grundgesetzen der Kontinuumsmechanik basierenden Modelle zu komplex sind, um der räumlich differenzierten Natur der hydrologischen Systeme gerecht zu werden“(Dooge 1985). Ein Nachteil einiger früher angewendeter konzeptioneller Modelle ist es, dass ihre Modellparameter teilweise keinen direkt messbaren physikalischen Bezug besitzen. Inzwischen gibt es jedoch ein Spektrum leistungsfähigerer Modelle, die diesen Mangel nicht aufweisen.

Bei der Modellbildung ist dem Maßstabsproblem besondere Beachtung zu schen­ken. So sind beispielsweise bei mittelmaßstäbigen mesoskaligen Einzugsgebietsmodellie­rungen prinzi­piell beide zuvor erläuterten Modellierungsalternativen anwendbar:

1. Sehr detaillierte, prozessnahe hy­drologische Modelle, mit einer sehr feinen örtlichen und zeitlichen Diskretisierung (prozess­adä­quate Zeitschrittweiten im Minuten- bis Stunden­bereich und kleine, ho­mogene Teil­flä­chen, z.B. landwirtschaft­liche Schlä­ge), die für größere Gebiete un­ter Berück­sich­ti­gung der Wechsel­wir­kun­gen zwischen diesen Teilflächen lagegerecht miteinander ver­kop­pelt werden müssen,
2. Konzeptionelle Modelle, die eine gröbere zeitliche und räumliche Diskretisierung ge­stat­ten bzw. oft­mals sogar erfordern.

Bei der zweiten Variante wird das Niveau der lagegerechten Berücksich­ti­gung von Teilflächen wesentlich gröber angesetzt, z.B. in der Ebene von Niederschlagszonen oder Teil­ein­zugs­ge­bie­ten, während unter­halb dieser Ebene Heterogenitäten orts­un­ab­hängig über ihre Flä­chenanteile oder statistische Ver­tei­lungs­funk­tionen in die Mo­dellierung eingehen.

Für eine Vielzahl von Aufgabenstellungen werden konzeptionelle Modelle gewählt, weil einerseits die Verfüg­barkeit der Daten in ih­rer räum­lichen und zeitlichen Ver­teilung nicht dem zur detaillierten Beschreibung der hydrolo­gischen Einzelprozesse bestehenden Be­darf ent­spricht, andererseits die meso- und makro­maßstäblich ablaufenden Pro­zesse mit ihnen effektiver erfasst und be­schrieben wer­den können. Insbesondere für mittelmaßstäbige bis großräumige Langfristsimula­tionen ist diese Verfahrensweise angeraten, weil weni­ger Zeitschritte und weniger Teil­flä­chen mit einfacheren Modellen zu bearbeiten sind. Das Haupt­pro­blem besteht bei diesem Modellierungsverfahren in der Ermitt­lung von Modell­pa­rame­tern, die für größere Flächeneinhei­ten integral aus den punk­tuell oder teilflächenbezogen vorgegebenen Systemeigen­schaften bestimmt werden müssen. Außerdem muss für größere Be­rechnungszeit­schrittweiten zumindest im statistischen Mittel der zeitinter­vallinterne Verlauf der Änderung der Systemeingangs­größen (Nie­derschlag, Verdunstung) und der Sy­stemzustände (Ve­ge­tations­ent­wicklung) berücksichtigt werden können. Es hat sich gezeigt, dass konzeptionelle Modelle bei vielen Aufgabenstellungen gut geeignet sind, mit einem vergleichsweise geringen Aufwand die in größeren Gebieten bzw. ganzen Flusssystemen ablaufenden Prozesse zu beschreiben und auch längere Zeitreihen, z.B. im Rahmen von Szenarioanalysen u.ä. zu simulieren, die dann statistisch analysiert werden können.

Wie eingangs erläutert, steigen die Anforderungen an die Wasserwirtschaft und damit letztlich auch an die hydrologische Modellierung. Es sind Probleme zu lösen,

• die Modellanwendungen in den unterschied­lichsten Raum- und Zeitmaßstäben mit den ent­spre­chenden räumlichen und zeitlichen Dis­kretisierungen erfordern,
• bei denen die unterschiedlichsten Datengrundlagen zur Verfügung stehen und
• bei denen unterschiedliche hydrologische Prozesse im Vordergrund stehen (Was­serhaus­halt, Abfluss, Hochwasserprognose; Langfristsimulation usw.).

Dieser Aufgabenumfang ist durch Einzelmodelle bzw. Universalprogramme nicht mehr abdeckbar.

Die Anzahl unterschiedlicher Mo­del­le für die glei­chen Prozesse bzw. Aufgaben, die sich bzgl. der verwendeten Algorithmen kaum unterscheiden, wächst. So fällt zum einen dem Modellan­wender die Wahl des für ihn adäquaten Modells zunehmend schwe­rer und zum anderen steigt für den Mo­dellentwickler der Aufwand für die Programmierung gra­phischer Programmober­flächen, für Datenbank- und GIS-Schnittstel­len, während die eigentliche Modellentwicklung in den Hintergrund tritt.

Hieraus sind folgende Anforderungen an neue hydrologische Softwareentwicklungen abzulei­ten:

Benötigt werden nicht vordergründig neue Modelle, sondern variable, hydrolo­gische Modellie­rungssysteme, die

1. über definierte Schnittstellen die Einbindung hydrologi­scher Gesamt­mo­delle bzw. Teilprozessmodelle gestatten,
2. je nach Problemstellung, Maßstabsbereich und verfügbarer Datenbasis eine Ver­knüp­fung unter­schied­li­cher Teil­mo­delle zu einem neuen Gesamt­modell gestat­ten,
3. über eine nutzerfreundliche, graphische Oberfläche verfügen und damit zu einer Erleichterung der Modellbedienung beitragen und diese vereinheitlichen,
4. über Schnittstellen den Datenzugriff auf externe Datenbanken gestatten, und zwar zu den raumbezogenen Daten (GIS), den zeitbezogenen Daten und weite­ren, beispiels­weise Wissens- und Methodenbanken.

• Benötigt werden physikalisch fundierte, modulare Modelle, deren Modellparameter in definier­ter Beziehung zu Rauminformationen stehen und aus diesen abgeleitet werden können.
• Benötigt werden definierte Datenschnittstellen zu GIS und Programme, die die Er­stel­lung der GIS-Datenbasis unterstützen.

Bei einer konsequenten Umsetzung dieser Anforderungen können klassische Elemente von Nutzeroberflächen hydrologischer Programme in Zukunft entfallen. Dies betrifft:

1. Systempläne zur Festlegung von Verknüpfungen zwischen Systemelementen (Teilgebiete, Gewässerstrecken, etc.) und zur Erstellung der Abarbeitungshierarchie, die effektiver direkt im GIS organisiert werden können, zumal alle Mengenflüsse raumbezogen sind.
2. Tabellen zur Eingabe, Visualisierung und Editierung von Modellparametern. Bei physikalisch fundierten Modellansätzen stehen die Parameter in direkter und eindeutiger Beziehung zu den Flächeneigenschaften, die als Flächenattribute (z.B. Bodenform, Nutzungstyp) direkt im GIS verwaltet werden und effektiv abgerufen und verarbeitet werden können.
3. Tabellen mit flächenbezogenen Modellergebnissen, die wiederum im GIS visualisiert werden können und durch die hier gegebenen Möglichkeiten, u.a. den Vergleich mit den räumlichen Verteilungen der hydrologisch relevanten Flächeneigenschaften (z.B. Bodenform, Nutzungstyp), besser analysiert werden können.
4. Wenn also zur Beschreibung der räumlichen Heterogenität der hydrologischen Systeme flächendifferenzierte Modelle eingesetzt werden und diese eng gekoppelt an ein GIS arbeiten, dann ist naheliegend, diese Modelle ebenfalls unter einer GIS-Oberfläche arbeiten zu lassen.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich durch den Einsatz von GIS in der hydrologischen Modellierung neue Möglichkeiten zur Nutzung raumbezogener Informationen ergeben. Es stellen sich aber auch neue Anforderungen an die Mo­dellierung. Die räumliche Modelldiskretisierung, die Modellparamete­rer­mittlung und die Ergebnisvisualisierung lassen sich effektiver gestalten – insbesondere kann die Ermittlung der Mo­dellparameter objek­ti­vie­rt werden. Andererseits ergeben sich durch den GIS-Einsatz und dem damit einherge­henden Trend zu auto­ma­ti­sier­baren Vor­ge­hens­wei­sen bei der Modellierung auch gewisse Risiken, die umfassende Plausibilitätsprüfungen bei Eingangsdaten und Modellergebnissen fordern. Für sie bietet sich bei raumbezogenen Daten wiederum der GIS-Einsatz an.

2.1 Zielstellung
2.2 Räumliche Diskretisierung und grundlegendes Herangehen bei der Modellstrukturierung
2.3 Räumliche Diskretisierungsvarianten für die Betrachtung der Abflusskonzentration
2.4 Räumliche Diskretisierungsvarianten für die Betrachtung der Vertikalprozess innerhalb der Abflussbildung
2.5 Schlussfolgerungen

Entsprechend den Ausführungen im vorigen Kapitel wurde das Modellsystem EGMO (Becker 1975, Pfützner 1990) grundlegend überarbeitet und eine Modellierungskonzeption entwickelt und programmtechnisch umgesetzt, die auf der Grundlage einer definierten GIS-Datenbasis eine informations-, problem- und prozessadäquate Verarbeitung dieser Informationen bei der hydrologischen Modellierung gestattet. Der Modellanwender kann je nach Aufgabenstellung und verfügbarer Datenbasis mit unterschiedlich detaillierten Modellen in verschiedenen Raum- und Zeitdiskretisierungen arbeiten. Das Konzept ist weitgehend modular und offen angelegt, so dass Komponenten des Systems zur Anbindung anderer Modelle an die GIS-Daten genutzt werden können.

Die Simulationsgüte von physikalisch begründeten Modellen hängt entscheidend von der Verfügbarkeit von Informationen über die zeitliche und räumliche Variabilität der Systemeingänge, -eigenschaften und -zustände ab. Speziell bei flächendifferenzierten (gegliederten) Modellen ist es sinnvoll und notwendig, eine der Problemstellung, den hydrologischen Bedingungen und der Dimension des Untersuchungsraumes (örtlich und zeitlich) adäquate Diskretisierung zu wählen.

Das Ziel dabei ist es, die Diskretisierung problemadäquat (so detailliert wie nötig), informations- und prozessadäquat (so detailliert wie möglich) vorzunehmen.

Problemadäquate Diskretisierung heißt, dass eine der Zielstellung der Modellierung entsprechende räumliche Differenzierung der Ergebnisse ermöglicht wird, z.B. für vorgegebene Pegel, Gewässerstrecken, Geländeprofile.

Informationsadäquate Diskretisierung heißt, dass die Diskretisierung grundsätzlich entsprechend der räumlichen Variabilität und Verfügbarkeit der Eingangsdaten und Prozessparameter erfolgt. Hierbei sind allerdings gewisse, schwer zu quantifizieren­de Ab­hän­gigkei­ten zu beachten. So ist es nicht sinnvoll, bei der Nutzung von Satel­li­tendaten (z.B. für die Vegetationsbedeckung) ­die räum­li­che Mo­dell­dis­kreti­sierung entspre­chend der hier teilweise verfüg­baren Auflösung (30*30m Grids) zu wäh­len, wenn auf der anderen Seite die Auflösung anderer, hydrologisch relevanter Daten wesent­lich gröber ist.

Prozessadäquate Diskretisierung heißt, dass für die verschiedenen hydrologischen Teilprozesse solche Flächengliederungen gewählt werden, die „homogene“ Systemantworten erwarten lassen. Die Systemantworten werden durch die Eigenschaften des Systems bestimmt. Es ist sinnvoll, für unterschiedliche Teilprozesse unterschiedliche Diskretisierungen zu wählen, weil die einzelnen Systemeigenschaften (Boden, Vegetation, Gefälle, …) in unterschiedlicher Weise auf die verschiedenen hydrologischen Teilprozesse wirken und sich bezüglich ihrer räumlichen Verteilung, aber auch ihrer räumlichen Heterogenität unterscheiden. Eine unterschiedliche räumliche Diskretisierung für verschiedene Teilprozesse erfordert wiederum eine adäquate Strukturierung des Modells.

Dies erfor­dert für die Modellierung:

• eine adäquate Struk­turie­rung des Mo­dells,
• entsprechende Diskretisierungs­techniken,
• die Organisation der Datenflüsse zwischen den in unterschiedlichen Raumeinheiten arbeitenden Teilmo­dellen über Raumbezüge.

Dabei bietet sich die Anwendung Geographi­scher Informationssysteme (GIS) direkt an, deren Funktionalität auch eine effektive räumliche Diskretisierung gestattet.

Ein entscheidender Schritt bei der Strukturierung hydrologischer Einzugsgebietsmodelle ist die Untergliederung des Modells in die beiden Domänen Abflussbildung (ver­tika­le Prozesse) und Abflusskonzentration (laterale Prozesse) (Becker und Nemec 1987). Grundsätzlich sind weitere Unterteilungen in weitere Modellebenen jederzeit möglich.

Jede Modellebene besitzt eine spezifische Diskretisierung in Raumelemente entsprechend der räumlichen Variabilität der maßgeblichen, prozessbeeinflussenden Raumeigenschaften (s. Tabelle 2.2‑1). Diese sind bei den vertikalen Prozessen primär die Landnutzung und Landbedeckung (Vegetationstypen), sowie die Bodentypen und die Topographie, bei den lateralen Prozessen hingegen primär die Topographie und die hydrologischen Bedingungen im Untergrund.

Im Mittelpunkt der folgenden Darlegungen steht die Diskretisierung für die einzelnen Teil­prozesse in den verschiedenen zu betrachtenden Modellebenen. Eine Be­schreibung spezifi­scher Teilmodelle erfolgt im Teil II dieser Dokumentation.

Tabelle 2.2‑1: Raumbezogene Informationen und Modellstrukturen

Jedem Raumelement können ad­äquate Teil­prozessmo­delle zugeordnet werden. Die Datenflüsse zwischen den Raumelementen einer Ebene und zwischen den verschiedenen Ebenen werden über Bezüge in der GIS-Datenbasis organisiert. Eine Übersicht über die Modellstrukturierung gibt Abbildung 2.2‑1.

Abbildung 2.2‑1: Mehr – Ebenen – Modellkonzept

Je nach der zu lösenden Aufgabenstellung kann das Untersuchungsge­biet ein Flussgebiet sein, wenn der Abfluss bzw. seine Konzentration im Vordergrund steht, oder eine beliebig geformte Landflächeneinheit, wenn die Abflussbildung bzw. die Wasserhaushaltskompo­nenten des hydrologischen Regimes (z.B. Verdunstung, Bodenfeuchte oder Tiefenversickerung) Ziel der Untersuchung sind.

In einem Untersuchungsgebiet werden entsprechend der gewünschten räumlichen Diffe­ren­zierung der Ergebnisse zunächst im allgemeinen Teileinzugsgebiete für ausgewählte Gewässer­strecken, Fluss- oder Geländeprofile (problemadäquate Diskretisierung) und für verfüg­bare Pegel (in­formationsadäquate Diskretisie­rung) ausgegliedert. Unter Verwendung geeigneter Modellansätze kann die Abflusskonzentration integral für einzelne Teileinzugsgebiete beschrieben werden.

Im klassischen EGMO werden die Abflusskonzentrationsprozesse getrennt nach Abflusskomponenten je Teilgebiet beschrieben. Der Landoberflächenabfluss, einschließlich der Abflussprozesse im Gewässersystem wird dabei über eine Systemantwortfunktion (Faltung mit Impulsantwort) beschrieben, die unterirdischen Abflusskonzentrationsprozesse über Einzellinearspeicher- und ggf. Translationsansätze.

Für eine Vielzahl von Problemstellungen ist diese Vorgehensweise ausreichend und effizient.

Sind differenziertere Probleme zu lösen, die detaillierte und flächenbezogene Aussagen zu Einzelprozessen erfordern (z.B. Erosion), bietet es sich an, die landoberflächen-, gewässer- und grundwassergebundenen Abflusskonzentrationsprozesse getrennt zu modellieren und die entsprechenden Konzentrationsräume adäquat zu untergliedern (Diskretisierung von Flussstrecken in Teilabschnitte, Gebietsflächen in Teilflächen wie Hydrotope, Hydrotopklassen o.ä.).

Abflusskonzentration im Gewässersystem

Für detaillierte hydrologische oder hydraulische Abflussberechnungen im Gewässernetz wird dieses in Gewässerabschnitte untergliedert. Die Untergliederung erfolgt so, dass Systemknoten als Begrenzun­gen eines Gewässerabschnittes durch die Verzweigungen des Gewässernetzes (informations- und prozessadäquat), durch Aussageprofile (problemadäquat) und Pegel (informationsadäquat) gebildet werden. Eine Verfeinerung dieser Untergliederung erfolgt dann, wenn signifikante Wechsel der Systemeigenschaften (Gefälle, Rauhigkeit[1]) innerhalb eines Abschnittes zu verzeichnen sind (prozessadäquat).

Mit dieser Untergliederung wird erreicht, dass

1. die prinzipielle Struktur des Gewässersystems erhalten bleibt,
2. Aussagen für festzulegende Gewässerprofile möglich sind,
3. ein Vergleich mit gegebenen Abflussbeobachtungen gewährleistet ist,

Eine angemessene Untergliederung impliziert, dass von einer hinreichenden Homogenität der Charakteristiken ausgegangen werden kann.

Abflusskonzentration auf der Landoberfläche

Den ausgegliederten Gewässerabschnitten sind ihre jeweiligen Eigeneinzugsgebiete zuzuordnen, die im allgemeinen aus zwei Abflusskaskaden gebildet werden – einer linken und einer rechten, bei Quellgebieten zusätzlich einer oberen. Diese Kaskaden sind dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Kaskaden keine Massenflüsse existieren (analog Stromröhre) und dass sie an einer Kammlinie beginnen und an einer Tallinie (i.d.R. Flusslauf) enden.

Eine Kaskade kann weiter in Segmente untergliedert werden, wenn teilflächenbezogene Unterschiede im Wasserhaushalt, speziell im Landoberflächenabfluss und durch diesen bedingte Wechselwirkungen von Flächen innerhalb einer Kaskade detaillierter erfasst werden sollen. Die Segmentgrenzen sind so zu wählen, dass jedes Segment genau ein unterliegendes Segment besitzt oder in den entsprechenden Flussabschnitt entwässert. Die Gliederung in Segmente ist insbesondere notwendig, wenn

1. Aussagen über Abflussprozesse innerhalb von Kaskaden gemacht werden sollen, z.B. über Ab­trags- und Ablagerungsprozesse, und wenn die Beschreibung von Eintragspfaden im Vordergrund der Untersuchungen steht (pro­blemadäquat),
2. Kaskaden durch signifikante „Störungen“ (z.B. Straßen u.ä) unterteilt werden (prozessadäquat),
3. durch eine Segmentierung eine exaktere Beschreibung lateraler Abflussprozesse möglich wird. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn in einer Kaskade „geordnete“ Eigenschaftsmuster erkennbar sind und sich eindeutige Wechselwirkungen (laterale Abflussprozesse) zwischen ihnen determiniert erfassen lassen – wie z.B. beim klassischen Zonenkonzept (Hochflächen, Hänge, Talauen) (prozess­adäquat).

Sofern in der Vertikalprozess-Domäne eine Gliederung in Hydrotope erfolgt (s.u.), können auch diese zur Segmentierung genutzt werden, was dann die modelltechnische Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Hydrotopen gestattet. In der Regel wird eine Kaskade aus einer Talaue, einem Hang und einer Hochfläche bestehen, deren Unterschiede im hydrologischen Regime (s. Tabelle 2.3‑1) ortsbezogen im Rahmen der Gebietsgliederung berücksichtigt werden können. Diese Unterschiede werden i.a. in erster Linie durch das Gefälle und den Grundwas­serflurabstand geprägt.

Tabelle 2.3‑1: Allgemeine Kennzeichnung von Unterschieden im hydrologischen Regime einer Talaue, eines Hanges und einer Hochfläche

Abflusskonzentration im Untergrund – Grundwasserabfluss

Die räumliche Gliederung zur Beschreibung der Abflussprozesse im Untergrund erfolgt wiederum problem- und prozessadäquat. Stehen reine Mengenbetrachtungen im Vordergrund, so ist vielfach aufgrund der geringen Abflussdynamik eine Beschreibung mit Linearspeicheransätzen mög­lich, was eine relativ grobe räumliche Strukturierung ermöglicht, aber auch erfordert. Hier bietet sich eine Modellierung auf Basis von Teileinzugsgebieten an, weil nur für beobachtete Teil­ein­zugs­gebieten die Einzellinearspeicherkonstanten abgeleitet werden können.

Sollen auch Stofftransportprobleme be­schrieben werden, ist bei der Grundwassermodellierung aus problemtechnischen und aus Stabilitätsgründen oft eine sehr feine­ Dis­kretisierung, z.B. in finite Elemente, notwendig.

[1] Fließquerschnitt, wie z.B. an Wehren, Stromschnellen, Flussseen o.ä.

Meteorologische Teilgebiete

Für die flächendetaillierte Modellierung der Vertikalprozesse ist es erforderlich, die meteorologischen Eingangsgrößen wie Niederschlag, Temperatur, Strahlung, die i.d.R. punktuell, d.h. an Stationen gemessen werden, auf die zu modellierenden Flächeneinheiten zu übertragen. Diese Übertragung kann direkt erfolgen, ohne für diese Modellebene eine gesonderte räumliche Diskretisierung einzuführen. Dazu werden für jede Modellierungseinheit die relevanten Stationen, z.B. nach dem Quadrantenverfahren ausgewählt und entsprechend ihrer Entfernung berücksichtigt. Des Weiteren fließen in die Übertragung die Eigenschaften der Fläche selbst und ihre Höhendifferenz zu den Stationen ein, wobei folgende Abhängigkeiten einbezogen werden können:

• die Höhenabhängigkeit des Niederschlages, der Lufttemperatur und des Dampf­druckes,
• die Abhängigkeit der Strahlungsintensität von Exposition und Geländeneigung und
• der Einfluss der Flächennutzung auf die Albedo.

Bei großräumigen Modellierungen bietet sich an, eine Untergliederung in meteo­rologische Teilgebiete entsprechend der Repräsentativität der meteorologischen Stationen vorzunehmen. Damit kann über eine Gruppenbildung von Stationen verhindert werden, dass bei der Flächenübertragung Extrapolationen z.B. über Wetterscheiden, Gebirgskämme etc. hinweggehen.

Elementarflächen, Hydrotope und Hydrotopklassen

Maßgeblichen Einfluss auf die Abflussbildungsprozesse haben die Bodeneigenschaften, die Landnutzung bzw. die Vegetation und der Grundwasserflurabstand. Bei einer Untergliederung des Untersuchungsgebietes in Flächen, die bzgl. dieser Eigenschaften sowie der Systemeingänge, -parameter und -ausgänge als homogen angesehen werden können, entstehen Elementarflächen.

Sie stellen die kleinsten Informationseinheiten im Rahmen dieses Modellierungskonzeptes dar und gewährleisten in allen Modellebenen eine kongruente Informationsdiskretisierung für alle Teilprozesse. Elementarflächenbezogene Prozessmodellierungen sind allerdings insbesondere in größeren Maßstabsbereichen (Meso-, Makroskala) schon aus Aufwandsgründen problematisch. Für eine Reihe von Anwendungsfällen ist es effektiver, Elementarflächen zu Hydrotopen und Hydrotopklassen zusammenzufassen (vgl. Tabelle 2.3-1).

Ein Hydrotop wird durch zusammenhängende Elementareinheiten mit einem charakteristischen hydrologischen Regime (vgl. Becker 1975, Pfützner 1990) gebildet. Es ist durch ähnliche Systemeingänge und -eigenschaften gekennzeichnet und rea­giert „einheitlich“ (quasi homo­gen) bezüglich der maßgebenden Systemausgänge. Unter einer Hydrotopklasse wird die ortsunabhängige Zu­sammenfassung gleicher oder ähnlich wirkender Hydrotope innerhalb einer größeren Flä­cheneinheit ver­standen. Bei der Gliederung in Hydrotope und Hydro­topklassen kön­nen je nach Maßstabsbereich und zu lösender Aufgabenstellung unterschiedli­che Eigen­schaften ver­wendet werden.

Zur Verdeutlichung ein Beispiel: Elementarflächen werden entspre­chend ihrer Hauptflächennutzung Wald und Freiland zusammengefasst, weil die Vegetation einen wichtigen Einfluss auf die reale Verdunstung besitzt. Örtlich zusammenliegende Elementarflächen bilden ein Hydrotop. Die Zusammenfassung erfolgt damit aufgrund eines ähnlichen Verdunstungsregimes, obwohl durchaus noch Unterschiede aufgrund weiterer Inhomogenitäten bezüglich der Landnutzung und des Bodens exi­stieren kön­nen. Die Lage eines Hydrotops findet bei der weite­ren Mo­del­lie­rung keine Berück­sich­ti­gung. In die Modellie­rung geht nur der Flächen­anteil einer Hydro­topklasse als Zusammenfassung aller gleich­artigen bzw. ähnlich wirkenden Hydro­tope im betrachteten Untersuchungsgebiet, Teilgebiet (Kaskade o.ä.) ein.

Innerhalb eines Hydrotops oder einer Hydrotopklasse können flächenhafte Unterschiede in weiteren Eigenschaften, die nicht zur Hydrotopgliederung genutzt wurden (z.B. Bodenkenn­werte), statistisch über Verteilungsfunktionen ihrer Flächenanteile berücksichtigt werden (vgl. Becker 1975).

Mit dem Modellsystem ArcEGMO ist es somit möglich, bei der Modellierung unterschiedliche Diskretisierungsprinzipien zur Flächenuntergliederung anzuwenden. Dabei kann bedarfsgerecht zwischen einer groben und einer feinen ortsabhängigen Gliederung (Einzugs- bzw. Teileinzugs­gebiete bis zu kleinen Kaskaden und Segmenten) und einer mehr oder minder detaillierten ortsunabhängigen Gliederung (variabel unter­setzte Hydrotopgliederung mit oder ohne statistische Vertei­lungsfunktionen) gewählt werden. Tabelle 2.5‑1 gibt eine Zusammenfassung der unterstützten Raumeinheiten und Abbildung 2.5‑1 eine grafische Darstellung raumbezogener Gliederungseinheiten.

Tabelle 2.5‑1: Definitionen der von EGMO unterstützten Raumeinheiten

Welche Raumdiskretisierung und damit verbunden welche Modellstrukturierung gewählt wird, hängt letztlich von den konkreten Gegebenheiten ab und ist, wie eingangs diskutiert, in Abhängigkeit von der zu lösenden Aufgabenstellung und den zur Verfügung stehenden Eingangsinformationen zu entscheiden. Die Diskretisierung sollte demgemäß problem-, prozess- und informationsadäquat sein.

Abbildung 2.5‑1: Flächengliederung und Bezeichnungen wichtiger Gliederungs­einheiten

Wie beschrieben wurde, ist es formal möglich, für jede Modellebene eine eigene Flächendiskretisierung zu wählen, ohne die Diskretisierung vor- oder nachgeschalteter Ebenen zu betrachten. Dies gilt speziell für die drei Ebenen bzw. Domänen Hydrometeorologische Prozesse, Vertikalprozesse und Laterale Flüsse, wobei die bereits angesprochenen „übergreifenden“ Gliederungen nach Abflusskaskaden, Segmenten usw. beachtet werden müssen. In jedem Fall ist es möglich, in der Modellebene Hydrometeorologie die meteorologischen Eingangsgrößen auf Elementarflächen, Kaskadensegmente oder Teileinzugsgebiete zu übertragen oder einen gegebenen Blockinput für das gesamte Untersuchungsgebiet zu verwalten.

Eine Bearbeitung von Elementarflächen macht allerdings wenig Sinn, wenn anschließend die Abflussbildung hydrotopklassenbezogen beschrieben wird oder nur eine Eingangszeitreihe (Blockinput) für das betrachtete (Teil-)Einzugsgebiet vorliegt. Genauso wenig Sinn macht es, Hydrotopklassen auf Teileinzugsgebietsebene zu bilden, dann aber die Abflusskonzentration des Landoberflächenabflusses auf der Basis von Kaskadensegmenten zu beschreiben.

Letztlich bestimmen:

• die Informationsverfügbarkeit der meteorologischen Daten und
• die zur Beschreibung der Abflusskonzentration erforderliche Flächengliederung,

bis zu welchen Raumeinheiten die Abflussbildung ortsbezogen erfasst werden sollte und damit die Flächengliederung in dieser Modellebene.

Tabelle 2.5‑2 zeigt einige sinnvolle Möglichkeiten für die Flächenuntergliederung bei einer Gesamtwasserhaushaltsmodellierung unter Berücksichtigung der verschiedenen Modellebenen.

Tabelle 2.5‑2: Möglichkeiten der Flächengliederung innerhalb eines Gesamtmodells

Somit kann die Modellierung der Abflussbildung für jede Elementarfläche durch­ge­führt werden. Die flächengewichteten Summen aller elementarflächenbezogenen Modellergeb­nisse eines Teilein­zugs­gebie­tes (bzw. Kaskade oder Segments) werden dann für jeden Zeitschritt an die nach­geord­neten Modell­ebe­nen übergeben (Direktabfluss an das Fließgewässermodell des zuge­ord­neten Flussab­schnit­tes und Grund­wasserneubildung an das Grundwassermodell – vgl. Abbildung 2.2‑1)

Es ist aber auch möglich, die Abflussbildung räumlich höher aggregiert zu beschreiben, indem Elementarflächen zu Hydrotopen zusammengefasst werden, die dann Segmente einer Abflusskaskade bilden, oder Hydrotopklassen innerhalb der Teileinzugsgebiete gebildet und Kaskadensegmenten zugeordnet werden.

3.1 Einführung
3.2 Programmstrukturierung
3.3 Programmsteuerung
3.4 Verzeichnisstruktur
3.5 Programmname und Programmstart
3.6 Pfade
3.7 Programmtestung
3.8 Modellvarianten
3.9 Zeitschrittwahl für die Kontrollanzeige

Das System ArcEGMO wurde in der Programmiersprache C geschrieben und ist auf PC’s unter Windows und auf UNIX-Plattformen lauffähig. In der jetzigen Version ist es in erster Linie als intelligente Toolbox für die Modellierung hydrologischer Prozesse zu sehen. Um die Lauffähigkeit auf verschiedenen Plattformen zu gewährleisten, besitzt ArcEGMO keine Nutzeroberfläche. Das Modell generiert sich weitgehend selbst entsprechend den zur Verfügung stehenden raum- und zeitbezogenen Eingangsdaten. Der auf ein Minimum reduzierte Nutzerdialog findet über Steuerdateien im ASCII-Format statt.

Im Folgenden werden im Sinne einer Übersichtsdarstellung einige grundlegende Prinzipien des Programms ArcEGMO beschrieben. Ausführlichere Beschreibungen werden in den nachfolgenden Kapiteln gegeben.

ArcEGMO besteht aus einer Reihe von Komponenten, die sich wie folgt bezüglich ihres Inhaltes unterscheiden:

• Programmkomponenten, die die Schnittstellen zu den raum- und zeitbezogenen Eingangsdaten und Modellergebnissen darstellen,
• Modellkomponenten, die die hydrologischen Prozesse innerhalb einer Modellebene beschreiben und
• Module, die jeweils genau einen hydrologischen Teilprozess beschreiben.

Abbildung 3.2‑1 gibt eine schematische Übersicht über das Programmsystem ArcEGMO. Den Kern bildet das hydrologische Modell, das definiert wird über:

• die verwendeten prozessbeschreibenden Module,
• die Art und die Detailliertheit der GIS-Datenbasis,
• die räumliche Auflösung in den einzelnen Modellebenen (MET, ABI, RD, GW, Q).

Die Verbindung zwischen Ein- und Ausgangsdaten und Modell wird über die folgenden Programmkomponenten realisiert:

• EFL, TG, KAS, FGW und GWP[1] als GIS-Schnittstelle für den Zugriff auf die raumbezogenen Eingangsdaten,
• HYD für die bedarfsweise Zusammenfassung von Elementarflächen zu Hydrotopklassen,
• METEOR zur Verwaltung der zeitbezogenen meteorologischen Eingangsdaten und deren Flächenübertragung,
• HYD_DATA zur Verwaltung der zeitbezogenen hydrologischen Daten und ihrer räumlichen Zuordnung und
• RESULTS zur Verwaltung der Ergebnisse.

Abbildung 3.2‑1: Übersichtsschema zum Aufbau des Programmsystems

ArcEGMO existiert in zwei unterschiedlichen Programmversionen.

Die Nutzerversion kann angewendet werden für Simulationsrechnungen mit den implementierten Modellvarianten.

Bei Einsatz der Entwicklerversion

• können die implementierten Modellvarianten modifiziert werden, indem Module in der Bibliothek geändert oder ausgetauscht werden oder
• neue Modelle integriert und neue Modellvarianten aufgebaut werden unter Nutzung der Bibliotheksfunktionen der Programm- und Modellkomponenten und der bereits integrierten Module.

Je nach Aufgabenstellung können mit ArcEGMO unterschiedlich komplexe Modelltypen generiert und abgearbeitet werden. Folgende Modelltypen werden derzeit unterstützt bzw. werden z.T. in das Programmsystem integriert:

[1] zur Integration vorgesehen – dient der Berücksichtigung von besonderen Punkten im Gewässernetz (Speicher, Hochwasserrückhaltebecken, Seen, Wehre etc.)

Dem Modell und jeder Komponente ist jeweils eine Steuerdatei zugeordnet, die entweder:

• die Abarbeitung des Modells in den verschiedenen Modellebenen steuern oder
• der Beschreibung von Datentabellen dienen.

Zur besseren Unterscheidung der verschiedenen Dateien gibt es verschiedene Dateitypen, die sich durch ihre Endungen leicht erkennen lassen.

1. STEuerdateien mit der Endung .ste
2. StrukturDefinitionsFiles mit der Endung .sdf

Die Steuerdateien sind aus verschiedenen Informationsblöcken aufgebaut, die nacheinander abgearbeitet werden. Während die Programmsteuerung über die STEeuerdateien erfolgt, wird die Datenstruktur in den StrukturDefinitionsFiles festgelegt (Abbildung 3.3-1).

Abbildung 3.3‑1: Struktur des Projektverzeichnisses

Auf die Integration einer Programmoberfläche wurde vorerst verzichtet.

Jede Steuerdatei setzt sich aus einem oder mehreren Anweisungsblöcken zusammen. Jeweils in der ersten Zeile eines Anweisungsblockes befindet sich ein definiertes und damit obligatorisches Schlüsselwort. Ein Block wird über das Dateiende oder mit einer mit „+“ beginnenden Abschlusszeile abgeschlossen, die ebenfalls obligatorisch ist und programmintern zur Ermittlung der Anzahl der Anweisungszeilen verwendet wird.

In der Regel beginnt jede Anweisungszeile mit einem definierten Schlüsselwort. Innerhalb des Programms werden Anweisungen über ihre Schlüsselwörter identifiziert. Wird ein Schlüsselwort nicht gefunden, führt das je nach Anweisung zu einem definierten Programmabbruch oder dazu, dass die zugehörige Anweisung nicht ausgeführt wird. In einigen Steuerdateien wird letzteres genutzt, um gezielt bestimmte Optionen ein- oder auszuschalten, indem vor das Schlüsselwort z.B. ein ‘*’ gesetzt wird, was zur Nichtidentifikation dieses Wortes führt. Schlüsselworte sind weitgehend in Klarschrift verfasst, sie lassen also schon direkt auf den Inhalt der zugehörigen Anweisung schließen. Durch Kommentare, die nach der eigentlichen Anweisung folgen und mit ‘/*’ beginnen, sind weitere Erläuterungen zu den einzelnen Anweisungen direkt in die Steuerdateien integriert, so dass vielfach auf eine ausführliche Erläuterung einzelner Anweisungen verzichtet werden kann. Wichtig ist jedoch der Hinweis, dass als Dezimaltrenner der „.“ in sämtlichen Steuerdateien fungiert.

Das Hauptprogramm ARC_EGMO initialisiert Speicherplatz für die Modellsteuerung und organisiert den Aufruf des abzuarbeitenden Modells. Zu Beginn eines Simulationslaufes wird die Programmsteuerdatei ARC_EGMO.STE (vgl. Abbildung 3.3‑2) ein­ge­le­sen, die sich im aktuellen Verzeichnis bzw. bei der Arbeit unter Windows im Arbeitsverzeichnis befinden muss.

Innerhalb dieser Steuerdatei werden die folgenden Optionen festgelegt:

• MODELL_VERSION – hier ist über den Modelltyp anzugeben, ob ein Wasserhaushaltsmodell oder ein komplettes Niederschlag-Abfluss-Modell aktiviert werden soll.
• STARTDATUM, STARTZEIT, ENDDATUM und ENDZEIT[1]legen den Berechnungszeitraum fest. Dieser wird durch die zur Verfügung stehenden meteorologischen Eingangsdaten begrenzt, deren zeitliche Auflösung auch die Berechnungsschrittweite bestimmt.
• Über PROJEKT wird das Verzeichnis festgelegt, das die projektbezogenen Daten beinhaltet.
• Unter der Option RAUMBEZUEGE_MODELLIERUNG wird angegeben, auf welche Geometrien

1. die Klimagrößen in METEOR übertragen werden sollen und
2. die Modellrechnungen in den einzelnen Modellebenen bezogen werden sollen.

Welche Raumbezüge prinzipiell vom System ArcEGMO unterstützt werden, wird in den Kapiteln 4 und 7 erläutert. Die Festlegung des jeweils zu aktivierenden Raumbezugs muss passfähig zu den Möglichkeiten des aktivierten Moduls sein.

• Über die Option RAUMBEZUEGE_ERGEBNISSE wird festgelegt, ob eine Ergebnisauswertung für die jeweilige Modellebene stattfindet und auf welche Geometrien die Modellierungsergebnisse aggregiert werden sollen. Derzeit ist eine Ergebnisaggregierung allerdings nur für die Modellebenen METEOR und ABFLUSS-BILDUNG möglich.
• Mit den dann folgenden Angaben MODUL_MET … MODUL_Q wird festgelegt, welches Modul in jeder Modellebene zu aktivieren ist. Diese Option, die nur in der Entwicklerversion freigeschaltet ist, erlaubt eine relativ freie Generierung eines Gesamtmodells. Die Auswahl des Moduls erfolgt über seinen Namen. Gleichzeitig wird überprüft, ob dieses Modul für den gewählten Raumbezug bei der Modellierung zugelassen ist. Eine Übersicht über die derzeit eingebundenen Module wird in Kapitel 7 gegeben, die Beschreibungen der einzelnen Module erfolgt im Teil II der Programmdokumentation.
• Über den Eintrag STARTWERTE_AUS_SIMULATION? werden die Systemzustandsvariablen der Modellebenen ABI, RD, GW und Q am Ende der Berechnung in der Datei results\<BERECHNUNGS_VARIANTE>\modell.anf gespeichert. Existiert diese Datei beim Simulationsstart bereits, werden die dort gespeicherten Zustandsvariablen als Startwertbelegung verwendet. Über diese Option wird eine iterative Verbesserung der Anfangswertbelegung ermöglicht. Sind allerdings in der modul.ste (s. Kapitel 7) für das Abflussbildungsmodul auf Grund der meteorologischen Vorgeschichte (s. ABI_MODELL -MET_VORGESCHICHTE) Anfangsspeicherfüllungen gegeben, so werden diese beibehalten. Sollen die aus der Anfangswertdatei verwendet werden, ist das Steuerwort MET_VORGESCHICHTE auszukommentieren.
• Die BERECHNUNGSVARIANTE erlaubt die Festlegung von Verzeichnissen zur Speicherung der Modellierungsergebnisse und der programmintern ermittelten Parameter. Damit wird eine getrennte Haltung dieser Werte für verschiedene Berechnungsvarianten (unterschiedliche Modellannahmen, Parametersätze etc.) für spätere Vergleiche unterstützt. In diesem Ergebnisverzeichnis wird eine Protokolldatei ARC_EGMO.TXT abgelegt, in der wichtige Steueroptionen, Ergebnisse der Analyse beim Einlesen der Eingangsdaten etc. gespeichert werden. Diese Steuerdatei erlaubt weiterhin bei eventuellen Programmabstürzen Rückschlüsse auf die Ursachen (z.B. Inkonsistenzen in den Raumbezügen).
• Als KOMMENTAR kann ein beliebiger Text zur Beschreibung der Berechnungsvariante eingegeben werden, der dann in die Protokolldatei übernommen wird und die spätere Rekonstruktion der gewählten Modellannahmen unterstützt.

#############################################################################
MODELL_VERSION       NA_Mod /* NA_Mod oder WH_Mod */
STARTDATUM          15 6 88 /* Tag Monat Jahr */
STARTZEIT               1 0
ENDDATUM           31 12 90 /* Tag Monat Jahr */
*ENDZEIT                1 0
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
STARTWERTE_AUS_SIMULATION?  Ja
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
PROJEKT                     d:\NA-Modell_ArcEGMO 
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
RAUMBEZUEGE_MODELLIERUNG
METEOR                   efl /* EFL, KAS, TG oder GEB */
ABFLUSSBILDUNG           efl /* EFL, KAS, TG oder GEB */
ABFLUSSKONZENTRATION_RD  geb /* KAS, TG oder GEB */
ABFLUSSKONZENTRATION_GW  geb /* FE, KAS, TG oder GEB */
GESAMTABFLUSS            fgw /* FGW, TG oder GEB */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
RAUMBEZUEGE_ERGEBNISSE
METEOR                   efl /* EFL, KAS, TG oder GEB */
ABFLUSSBILDUNG           geb /* EFL, KAS, TG, GEB oder HYD */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
MODUL_MET                met_mod1 /* met_mod1 */
MODUL_ABI                efl_mod1 /* efl_mod1 SiWaE, EGMO_WH, EGMO_NA */
MODUL_RD                  RD_SIMP /* KINWAVE, RD_SIMP */
MODUL_GW                  EGMO_GW /* EGMO_GW */
MODUL_Q                     q_els /* Q_ELS, FALTUNG */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
BERECHNUNGS_VARIANTE      test1   /* Ergebnisverzeichnis */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
Kommentar : beliebiger Kommentar zum Simulationslauf etc.
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
#############################################################################

Abbildung 3.3‑2: Programmsteuerdatei ARC_EGMO.STE

So wird in der Hauptsteuerdatei einerseits die Modellversion Niederschlags-Abfluss-Modell (NA_Mod) oder Wasserhaushaltsmodell (WH-Mod) ausgewählt, aber auch der Modellierungszeitraum über Startdatum und Enddatum festgelegt. Dann folgen Verweise auf die Datenbasis (hier z.B. Elementarflächen => EFL) die dann weiter über die Strukturdefinitionsfiles beschrieben werden (Abbildung 3.4-1).

Speichern der Systemzustandsgrößen zu vorgegebenen Terminen

Über den Eintrag AusgabeZeitpunkte im Block NA_MODELL der modul.ste können Termine angegeben werden, zu denen die Systemzustände des Modells gespeichert werden können. Da diese Systemzustände vorrangig als Startwerte für Einzelereignissimulationen verwendet werden sollen, werden die Daten zu den angegebenen Terminen vor dem Aufruf des Modells geschrieben, sind also Anfangs- und nicht Endwerte für den Termin.

Kleinere Auflösungen als 1 Tag werden nicht unterstützt! D.h. wenn z.B. mit Stundenwerten gerechnet wird, werden die Systemzustände im ersten Zeitschritt des angegebenen Termins vor der Modellabarbeitung geschrieben und beinhalten letztlich den Systemendzustand des vorangegangenen Tages.

NA_MODELL
…
----------------------------------------
AusgabeZeitpunkte
31 05 1998
26 08 1998
16 09 1998
17 06 1999
06 07 1999
10 08 1999
14 08 1999
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

[1] Die Endzeit wird nur benötigt, wenn der Berechnungszeitschritt kleiner 24 h ist und der Simulationszeitraum nicht um 24 Uhr endet.

Sämtliche für die Modellierung benötigten Daten werden in einem Projektverzeichnis verwaltet, dessen prinzipielle Struktur in der Abbildung 3.4‑1 und Abbildung 3.4‑2 dargestellt ist. Der Name des Projektverzeichnisses ist frei wählbar und wird dem Programm innerhalb der Programmsteuerdatei mitgeteilt (s. Kapitel 3.3).

Abbildung 3.4‑1: Struktur des Projektverzeichnisses

Jedes Projektverzeichnis besteht aus den 4 Hauptverzeichnissen.

1. ARC_EGMO, das verschiedene Steuerdateien beinhaltet,
2. GIS, das die raumbezogenen Daten beinhaltet,
3. ZEIT.DAT, das die zeitbezogenen Daten beinhaltet und
4. RESULTS, in das die Modellierungsergebnisse gespeichert werden. (Dieser Ordner wird nach der ersten Berechnung angelegt.)

Das GIS-Verzeichnis besteht aus einer Reihe von Unterverzeichnissen, die:

• die raumbezogenen Daten im ARC/INFO-Format (INFO, EFL … TG) oder
• ASCII-Format (ASCII.PAT, ASCII.REL) beinhalten,
• die Strukturen der Attribut- und Relate-Tabellen beschreiben (DESCRIBE) und
• Selektionsangaben (SELECT) für die Ergebnisauswertung (s. Kapitel 6) vorgeben.

Das Verzeichnis ZEIT.DAT besteht aus Unterverzeichnissen, die

• die zeitbezogenen Daten im ASCII-Format (ASCII.REL, BW_DATA, MET_DATA, HYD_DATA, GW_DATA) beinhalten und
• die Strukturen dieser Daten-Tabellen beschreiben (DESCRIBE).

Im RESULTS-Verzeichnis werden die Ergebnisse abgelegt,

• wobei eine Trennung nach Berechnungsvarianten möglich ist
• Für jede Berechnungsvariante werden programmintern die Verzeichnisse PARA, GIS und ZEIT.DAT angelegt. In PARA werden die während eines Berechnungslaufes programmintern ermittelten Modellparameter abgelegt
• GIS und ZEIT.DAT beinhalten die raum- bzw. zeitbezogenen Modellergebnisse
• Beide Verzeichnisse untergliedern sich weiter entsprechend der für die Ergebnisaufbereitung gewählten zeitlichen Aggregierung (Ausführlicher wird dies im Kapitel 6 dargelegt)

Abbildung 3.4‑2: Verweisstruktur der Dateien im Projektverzeichnis

Die Dateien sind über Verweise miteinander verknüpft. Die Hauptsteuerdatei ist die ArcEGMO.ste. Von dieser werden alle anderen Dateien angesteuert. Daher wird sie auch zum Programmstart (Kapitel 3.5) an die Ausführungsdatei (AE_5.exe) übergeben.

Der Programmname setzt sich aus „ae_„ für ArcEGMO und der Versionsbezeichnung zusammen.

Für das Starten des Programms existieren verschiedene Möglichkeiten:

1.) Doppelklick auf die ae_5.exe (Achten Sie darauf, dass Sie vorher den Pfad in der arc_egmo.ste geändert haben.)

oder

2.) Angabe einer Übergabevariablen

Auch hier müssen Sie beachten, dass Sie vorher den Pfad in arc_egmo.ste geändert haben.

Abbildung 3.5‑1: Änderung des Programmnamens

Beim Starten des Programms wird getestet, ob eine Übergabevariable existiert und diese den Zugriff auf die Hauptsteuerdatei arc_egmo.ste gestattet. Existiert keine Übergabevariable, wird im aktuellen Verzeichnis nach einer Datei arc_egmo.ste gesucht und diese – sofern vorhanden – verwendet.

Schlägt dies fehl, wird getestet, ob die Environment-Variable AE_HOME belegt ist. Ist dies der Fall, wird vorausgesetzt, dass diese Variable den kompletten Pfad bis zum aktuellen Projekt enthält. Im Unterverzeichnis ARC_EGMO wird dann die Hauptsteuerdatei arc_egmo.ste geladen und die normale Abarbeitung beginnt. Ist die Environment-Variable AE_HOME nicht belegt, wird das Programm beendet, da dann die Hauptsteuerdatei arc_egmo.ste nicht geladen werden kann.

Über das Steuerwort PROJEKT in der ARC_EGMO.STE wird der Projektpfad mit dem entsprechendem Laufwerksbuchstaben festgelegt.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
PROJEKT     D:\NA-Modell_ArcEGMO
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 3.6‑1: Auszug aus der ARC_EGMO.STE

Neben dem Projektverzeichnis können über die Schlüsselwörter GIS_VERZEICHNIS, RESULT_VERZEICHNIS und ZeitDat_VERZEICHNIS auch separate Verzeichnisse für die raumbezogenen Eingangsdaten (GIS), die Ergebnisse (Results) und zeitbezogenen Eingangsdaten (Zeit.Dat) angegeben werden und diese somit getrennt von den weiteren Projektdaten gehalten werden.

Dazu muss in der ARC_EGMO.STE die Steuerdatei Pfade anstelle des Projektpfades angegeben werden. Dies erfolgt über den Eintrag des Wortes Datei (siehe Abbildung 3.6‑2).

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
PROJEKT        Datei
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 3.6‑2: Verweis auf die PFADE.STE in der ARC_EGMO.ste

In der PFADE.STE, die im ARC_EGMO Verzeichnis stehen muss, können dann andere Pfade als die Standardpfade angegeben werden.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

PROJEKT                    D:\NA-Modell_ArcEGMO\
GIS_VERZEICHNIS            D:\NA-Modell_ArcEGMO\GIS\
RESULT_VERZEICHNIS         D:\NA-Modell_ArcEGMO\
ZeitDat_VERZEICHNIS        E:\Projekte\NA-Modell_ArcEGMO\Zeit.dat\
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 3.6‑3: PFADE.STE

Als weitere Möglichkeit kann die Angabe von Unterverzeichnissen oder Verweise auf andere Speicherorte bei den Zeit-Daten in den DESCRIBE-Dateien für die Zeit-Daten vorgenommen werden. Der Pfad des Unterverzeichnisses muss mit \ beginnen und enden. Es wird dann der angegebene Pfad aus der ARC_EGMO.STE mit dem Pfad des Unterverzeichnisses verkettet. Soll ein Verweis auf einen Ordner außerhalb der ArcEGMO-Struktur erfolgen muss der gesamte Pfad angegeben werden. Der folgende Auszug aus der MET_DATA.SDF zeigt die drei verschieden Möglichkeiten (Standard, Unterverzeichnis und Verweis) der Pfadangabe bei den Zeit-Daten.

######Meteorologie ##################################################

MET_DATEN      ASCII
*MET_DATEN     ASCII \Stundenwerte\
*MET_DATEN     ASCII E:\Daten\met_data\Stundenwerte\
…
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 3.6‑4: Auszug aus der MET_DATA.SDF

Bei den DESCRIBE-Dateien für die GIS-Daten kann ebenfalls auf diese Weise ein Unterverzeichnis, aber kein Verweis angegeben werden.

Durch den Eintrag des Schlüsselwortes TESTDRUCK in einer Steuer- oder DESCRIBE-Datei wird zu Prüfzwecken eine detaillierte Protokollierung in der Datei ARC_EGMO.TXT für die betreffende Programmkomponente aktiviert (z.B. von eingelesenen Werten wie Systemzustandsvariablen).

Über den Block STEUERDATEIEN in die Datei ARC_EGMO.STE besteht die Möglichkeit, verschiedene Modellvarianten (Daten, Steuerparameter etc.) zentral über Änderungen in einer Datei zu aktivieren. Der folgende Dateiauszug zeigt diesen Steuerblock mit den möglichen Schlüsselwörtern. Die Einträge ELEMENTARFLAECHEN bis ZEITFUNKTIONEN verweisen auf die Definitionsdateien im Verzeichnis GIS\DESCRIBE (.sdf wird programmintern ergänzt), während die Einträge METEOROLOGIE_DATEN bis ERGEBNISSE auf Steuerdateien im Verzeichnis ARC_EGMO verweisen (.ste wird programmintern ergänzt). Wird ein Schlüsselwort nicht gefunden, weil es nicht angegeben ist oder auskommentiert wurde, wird auf die bisherigen Standarddateien (sdf bzw. ste) zugegriffen.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
STEUERDATEIEN
ELEMENTARFLAECHEN                 EFL_glowa /* */
*KASKADENSEGMENTE
TEILEINZUGSGEBIETE                TG_glowa /* oberirdisches Einzugsgebiet */
FLIESSGEWAESSER                  FGW_glowa /* FGW des oberird. Einzugsgebietes */
*GEWAESSERPUNKTE                  GWP_eich /* Flughafen ueber Bauernsee */
*ELEMENTARFLAECHENKLASSIFIZIERUNG  EFL_HYD
*HYDROTOPKLASSENZUORDNUNG              HYD
*ZEITFUNKTIONEN                    ZF_ohne /* ohne Zeitfunktionen */
*METEOROLOGIE_DATEN               met_test /* Test-Stationsreihen */
*METEOROLOGIE_DATEN                 meteor /* Stationsreihen */
*HYDROLOGIE_DATEN
BEWIRTSCHAFTUNGSDATEN          bw_data_mit /* mit Nutzungseinfluessen */
MODULSTEUERUNG                       modul /* */
ERGEBNISSE                         results /* Festlegung der Ergebnisausgabe */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 3.8‑1: Auszug aus der Steuerdatei

In die arc_egmo.ste wurde ein weiteres Schlüsselwort integriert, mit dem die während der Rechnung durchlaufende Kontrollanzeige modifiziert werden kann.

arc_egmo.ste

Kontrolldruck        1 /* default – eine Ausgabe pro Jahr */
                     0 /* - eine Ausgabe pro Tag bzw. pro Zeitschritt */

Abbildung 3.9‑1: Kontrollanzeige

4.1 Die GIS-Datenbasis und ihre prinzipielle Struktur
4.2 Teileinzugsgebiete TG
4.3 Fließgewässersystem FGW
4.4 Kaskadensegmente KAS
4.5 Elementarflächen EFL
4.6 Abfluss von urbanen Flächen
4.7 Hydrotopklassen HYD
4.8 Regionen

Die GIS-Datenbasis und ihre prinzipielle Struktur

Die Organisation der Datenflüsse zwischen den einzelnen Modellkomponenten, die Modellparameterermittlung aus raumbezogenen Informationen wie auch die Verwaltung der raumbezogenen Modellergebnisse erfolgen GIS-gestützt.

Grundlage für die Anwendung der beschriebenen Modellierungskonzeption ist die GIS-gestützte Aufbereitung der raumbezogenen Eingangsinformationen. In deren Ergebnis entsteht eine definierte Datenstruktur, die alle raum­bezogenen Informationen für die hydrologische Modellierung enthält.

Zur Beschreibung der Mengenflüsse zwischen diesen Modellierungsebenen werden die räumlichen Zuordnungen der einzelnen Modellierungseinheiten zueinander ermittelt. Eine Übersicht über den gegenwärtigen Stand der je nach Anwendung zu erstellenden GIS-Datenbasis gibt Tabelle 4.1‑1.

Tabelle 4.1‑1: Informationsebenen der GIS-Datenbasis

Die GIS-Datenbasis besteht aus Geometrien, die in Coverages verwaltet werden. Flächengeometrien sind vorzugsweise Polygone, es können aber auch Raster bzw. Grids sein. Den Geometrien sind Attribute über Zeiger bzw. Verweise zugeordnet. Diese Attribute werden in Attribut-Tabellen (PAT für Punkt- und Polygon-Attribute, AAT für Arc-Attribute) oder Relate-Tabellen verwaltet.

Tabelle 4.1‑2 gibt einen Überblick über die Modellierungscoverages, ihre Verweise aufeinander und auf Relate-Tabellen. Diese Coverages werden durch verschiedene GIS-Operationen, in erster Linie Ver­schneidungen erzeugt. Für alle Punktcoverages und die Elementarflächen werden die X/Y-Koordinaten der Geometrien auf Basis eines planimetrischen Koordinaten­systems (z.B. Gauß-Krüger, UTM) benötigt. Diese werden für die Polygon­geometrien als Koordinaten des Flächen­schwerpunktes den Attribut-Tabellen angefügt.

Tabelle 4.1‑2: Übersicht über die GIS-Datenbasis und ihre Verknüpfungen

Zeiger auf Relate-Tabellen, die nicht im Zuge der Verschneidung von den Ausgangskarten übernommen werden können, müssen manuell angefügt werden.

Die Relate-Tabellen beinhalten, nach inhaltlichen Gesichtspunkten geordnet, Eigenschaf­ten bzw. Attribute der Geometrien der Coverage, auf die über Verweise oder Schlüssel zugegriffen werden kann. Rein formal hätten die in den Relate-Tabellen verwalteten Eigenschaften auch direkt in den Attribut-Tabellen des Coverage gespeichert werden können. Da aber zwischen vielen Attributen und den Coverages „one to many“-Beziehungen existieren, sind Relate-Tabellen zur Vermeidung von Redundanz eine effektivere Form der Verwaltung. Welches Attribut in welchem hydrologischen Modul verwendet wird, ist in den einzelnen Moduldokumentationen (siehe Teil II der Dokumentation) verzeichnet.

Die Vorgehensweise zur Erzeugung und die Form der Datenschnittstelle ist in Abbildung 4.1‑1 schema­tisch dargestellt.

Abbildung 4.1‑1: GIS-gestützte Datenaufbereitung und hydrologisches Programmsystem

Die Datenbasis kann je nach vorliegenden Datengrundlagen in verschiedenen Formaten eingelesen werden. Möglich sind ASCII-, DBASE- oder INFO- Dateien. Es muss lediglich beachtet werden, dass das Format in der entsprechenden Strukturdefinitionsdatei (Bsp. TG.sdf) angegeben und der entsprechende Speicherort verwendet wird (siehe Abbildung 4.1‑2 und Tabelle 4.1‑3).

TG.SDF

###### Attribut-Tabelle ###############
*TG_PAT              INFO tg.pat
TG_PAT               DBASE tg.dbf
*TG_PAT              ASCII tg.tab
TG_FLAECHE           AREA
TG_IDENTIFIKATION    TG_ID
TG_UNTERLIEGER       Ulieger
*TG_NAME             NAME

Abbildung 4.1‑2: Strukturdefinitionsdatei TG.sdf

Tabelle 4.1‑3: Übersicht über die Strukturdefinitionsformate

Im Folgenden wird allgemein von Datenbasis (.DB) gesprochen, gemeint ist damit die Datenbasis unabhängig vom Datenformat. Für die Beispieldateien wird das derzeit gängigste Format (.dbf) verwendet, es könnte hier aber auch jedes andere der oben beschriebenen Formate eingesetzt werden.

Die beiden Modellierungs-Cover TG und EFL stellen das notwendige Minimum geometriebezogener Informationen für die Niederschlag-Abfluss-Modellierung dar. Für eine reine Wasserhaushaltsmodellierung wird lediglich das Elementarflächen-Cover benötigt. Allen Modellierungs-Covern sind, wie in Tabelle 4.1‑2 und Abbildung 4.1‑3 darge­stellt, Attributtabellen zugeordnet, welche die eigentlichen, für die Modellierung relevanten Informa­tio­nen beinhalten.

Abbildung 4.1‑3: Geometriebezüge der Attributdaten in der GIS-Schnittstelle

Welche Informationen in den Attribut- und Relate-Tabellen benötigt werden, ist abhängig vom Informationsbedarf der aktivierten Module der Modellbibliothek. In den folgenden Beschreibungen dieser Tabellen werden die obligatorischen Attribute, die das Informationsminimum darstellen, gesondert gekennzeichnet.

Das hydrologische Modell nutzt nur die Informationen dieser Attributtabellen und kann deshalb geometriefrei und somit sehr effektiv abgearbeitet werden. Werden die Modellergebnisse wiederum in Attributtabellen oder Relate-Tabellen gespeichert, stehen sie nach der Modellrechnung sofort im GIS für die Visualisierung und analytische Auswertung zur Verfügung. Abbildung 4.1‑4 skiz­ziert das Da­ten­mo­dell.

Abbildung 4.1‑4: Ausschnitt aus dem Datenmodell der GIS-Schnittstelle

Für die Verarbeitung der Informationen in den Attribut- und Relate-Tabellen der GIS-Datenbasis wurde eine Schnittstelle geschaffen, in der eine Programmkomponente für jedes Coverage zur Verfügung steht. Einen Überblick über die Struktur der GIS-Schnittstelle gibt Abbildung 4.1‑5. Diesen Komponenten ist gemeinsam, dass sie den Zugriff auf Tabellen im INFO- oder ASCII-Format gestatten.

Abbildung 4.1‑5: Struktur und Komponenten der GIS-Schnittstelle

Die Tabellen können variabel strukturiert sein bzgl. Spaltenanzahl, Spalten- bzw. Attributbezeichner, Zahlenformaten und Zeilenanzahl.

Die jeweils aktuelle Tabellenstruktur wird den Modulen über beschreibende Steuerdateien mitgeteilt, da sie sich immer auf konkrete Datenstrukturen beziehen. Es ist erforderlich, dass alle GIS-Daten eines Projektes gemeinsam mit den Steuerdateien im GIS-Verzeichnis des aktuellen Projektes gespeichert sind, wobei sich die Steuerdateien im Verzeichnis DESCRIBE befinden.

Alle Anweisungsblöcke innerhalb dieser Steuerdateien beziehen sich jeweils auf genau eine Attribut- bzw. Relate-Tabelle. Jeder Block beginnt mit einem Schlüsselwort als Kennung der Tabelle, gefolgt vom Tabellenformat (ASCII oder INFO) und der Dateibezeichnung. Die folgenden Zeilen beinhalten i.d.R. Angaben zu den Attributen innerhalb der Tabelle bzw. den Spaltenbezeichnern. Nach einem Schlüsselwort zur verbalen Kennzeichnung der Art des Attributes erfolgt die in der konkreten Tabelle verwendete Attributbezeichnung. Datentyp und Speicherformat sind ohne Belang, da programmintern eine sehr variable Zuweisung der Tabellendaten auf Programmvariablen erfolgt.

Durch Anpassung der Steuerdateien auf die konkreten Tabellen kann mit unterschiedlichsten Tabellenstrukturen gearbeitet werden. Es kann aber auch schon während der Erstellung der GIS-Datenbasis gewährleistet werden, dass die Tabellenstrukturen den im Weiteren angegebenen Beispielen entsprechen, so dass die Steuerdateien ohne Änderungen genutzt werden können.

Das Modellierungsgebiet kann räumlich unterschiedlich stark unterteilt werden. Dabei gliedert sich das Gesamtgebiet (GEB) in Teileinzugsgebiete (TG) die wiederum in Kaskaden aufgeteilt werden können (KAS). Teileinzugsgebiet und Kaskaden sind aus Hydrotopen zusammengesetzt, die ihrerseits aus Elementarflächen mit ähnlichen Eigenschaften gebildet werden. Sowohl für die Berechnungen als auch für die Ergebnisausgabe können unterschiedliche Raumbezüge gewählt werden, die in der Hauptsteuerdatei ArcEGMO.ste festgelegt werden (siehe Abbildung 4.1-6). Durch die Wahlmöglichkeit des Raumbezuges und damit der benötigten räumlichen Differenziertheit der Ergebnisse einerseits und der Zusammenfassung ähnlicher Gebiete zur Verringerungen des numerischen Aufwands andererseits, eignet sich das Modell für die multiskalige Anwendung.

Auszug aus der ArcEGMO.ste

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
RAUMBEZUEGE_MODELLIERUNG
METEOR                          HYD /*GEB, TG, KAS, REG, HYD, EFL */
ABFLUSSBILDUNG                  TG /*GEB, TG, KAS, REG, HYD, EFL */
ABFLUSSKONZENTRATION_RD         TG /*GEB, TG, KAS, REG */
ABFLUSSKONZENTRATION_GW         TG /*GEB, TG, KAS, REG, EFL */
GESAMTABFLUSS                  FGW /*GEB, TG, FGW, REG */
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
RAUMBEZUEGE_ERGEBNISSE
METEOR                        HYD /*GEB, TG, KAS, REG, HYD, EFL*/
ABFLUSSBILDUNG                HYD /*GEB, TG, KAS, REG, HYD, EFL*/
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 4.1‑6: Wahl der Raumbezüge für die Modellierung und Ergebnisausgabe

Beispiele für die Raumgliederung sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Je höher die räumliche Diskretisierung ist, desto länger sind aber auch die Rechenzeiten, weil für jede der Raumeinheiten der Wasserhaushalt mindestens in Tagesschrittweite berechnet wird.

In den folgenden Kapiteln werden die verschiedenen Raumgliederungen ausführlich beschrieben.

Abbildung 4.1‑7: Raumgliederung (GEBIET=1 Fläche, TEILGEBIET=18 Flächen, HYDROTOPE=352 Flächen, ELEMENTARFLÄCHEN=6661 Flächen)

[1] nur für hydraulische Modellierung – derzeit nicht integriert.

Für die räum­liche Diskretisierung des Untersuchungsgebietes in Teileinzugsgebiete ist das Digitale Höhenmodell (DHM) nutzbar. Eine Reihe von GIS bieten Routinen, die eine automatische Ermittlung von Einzugsgebietsgrenzen gestatten. Allerdings sind dabei hohe Anforderungen an die Detailliertheit des DHM zu stellen, insbesondere bei wenig strukturierten Gebieten im Tiefland. Das Cover mit den Einzugsgebietsgeometrien kann dann um weitere Attribute ergänzt werden, um z.B. Nachbarschaftsbeziehungen zwischen Teileinzugsgebieten be­rücksichtigen zu können. Im Zuge der Modellierung wird auf Basis der Nachbarschaftsbeziehungen (Unterlieger) die „Baum­struk­tur“ für die Modellabarbeitung aufgebaut. Der oder die „Wurzeln“ in dieser Baumstruktur, d.h. die Teileinzugsgebiete, die den Gebietsauslass bilden, werden mit dem Unterlieger -1 kodiert. Ist der Verweis auf den Unterlieger nicht vorgegeben, wird dieser programmintern aus den Unterliegerbeziehungen des Fließgewässersystems ermittelt. Ein weiteres Attribut, das den Einzugsgebietsgeometrien zugeordnet werden kann, ist ein Verweis auf geologische Einheiten, deren Informationen für die Parametrisierung des Grundwassermodells genutzt werden können. Tabelle 4.2‑1 zeigt ein Beispiel für eine dem Coverage TG zugeordnete Attribut-Tabelle.

Tabelle 4.2‑1: Struktur der Tabelle TG.DB

In dieser wie auch in allen weiteren Tabellen sind die obligatorischen Attribute, die in jedem Fall für eine Modellierung benötigt werden, normal dargestellt, während die nur bei bestimmten Modellkonfigurationen erforderlichen Attribute kursiv gekennzeichnet sind. So können z.B. den Teilgebieten Lagekoordinaten zugeordnet werden, die z.B. für eine teilgebietsbezogene Flächenübertragung der Klimagrößen benötigt werden.

Hier wie auch bei einer Reihe weiterer Parameter wird bei fehlenden Angaben programmintern versucht, diese aus Informationen anderer Cover abzuleiten. So werden fehlende Koordinatenangaben für die TG’s durch den flächengewichteten Mittelwert aller TG-internen Elementarflächen ersetzt.

In der Tabelle GEO.TAB sind geologischen Einheiten hydraulische Leitfähigkeiten zugeordnet, die zur Parametrisierung des Abflusskonzentrationsmodells für die unterirdischen Abflusskomponenten genutzt werden können.

Tabelle 4.2‑2: Struktur der Tabelle GEO.TAB

Als Schnittstelle zwischen Modell und den teileinzugsgebietsbezogenen GIS-Daten steht die Beschreibungsdatei DESCRIBETG (s. Abbildung 4.2‑1) zur Verfügung.

###### Attribut-Tabelle #################################################
TG_PAT DBASE tg.dbf
TG_FLAECHE              AREA
TG_IDENTIFIKATION       TG_ID
TG_UNTERLIEGER          Ulieger
TG_NAME                 NAME
FLIESSGEWAESSERLAENGE   FGW_L
GEOLOGIE                GEO-ID
X_WERT_TG               X_COORD
Y_WERT_TG               Y_COORD
MITTLERE_HOEHE          HOEHE
MODELL_REGION           Tgid_mod
REGION_ULIEGER          Uli_mod
GW_UNTERLIEGER          Gw_unterl
++++++ Relate-Tabellen ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
GEOLOGIE_TABELLE ASCII  geo.tab
GEOLOGIE_IDENTIFIKATION GEO-ID
HYDR_LEITFAEHIGKEIT     KF_WERT /* [mm/h] */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 4.2‑1: Steuerdatei TG.SDF

4.2.1 Behandlung „abflussloser“ Gebiete

Abflusslose Gebiete sind Teileinzugsgebiete ohne Gewässeranschluss, die sich gemäß der Orographie ergeben.

Zur modellmäßigen Beschreibung in ArcEGMO existieren hinsichtlich der Gebietsgliederungen in den einzelnen Ebenen die im Folgenden angegebenen Möglichkeiten:

ABFLUSSKONZENTRATION_RD     tg
ABFLUSSKONZENTRATION_GW     tg  | reg
GESAMTABFLUSS               fgw | tg

Abbildung 4.2‑2: Gliederungsmöglichkeiten

Bei der Hierarchisierung der Gebietsgliederung haben diese Teilgebiete keinen Unterlieger (Kodierung –1) hinsichtlich des Landoberflächenabflusses RO. Da die RD-Schleife über die Raumgliederung Q läuft, wird in abflusslosen Gebieten der dort eventuell gebildete RO nicht ‚abgeholt‘ und wird somit im nächsten Zeitschritt wieder versickern.

Für den Grundwasserabfluss ist über die Zuordnung der abflusslosen Teilgebiete zu (übergeordneten) Grundwasser-Regionen (Gliederung reg für ABFLUSSKONZENTRATION_GW) der in der Realität gegebene grundwasserseitige Anschluss an das Entwässerungssystem sicherzustellen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die abflusslosen Teilgebiete an ein tiefes Grundwassersystem anzuschließen, d.h. das Teilgebiet, in das die Grundwasserkomponente entwässern soll, direkt vorzugeben (s. tiefes Grundwasser).

[1]Angabe erforderlich, wenn keine Unterliegerzuordnung aus FGW ableitbar ist.

[2] Angabe für NA-Modellierung erforderlich, wenn kein FGW-Cover vorliegt.

Ebenso wie die Erstellung der anderen Modellierungscoverages hängen auch die Anforderungen und Verfahrensweisen bei der Erzeugung des Fließgewässercoverages FGW weitgehend von der Zielstellung der Modellierung an sich ab.

Wird die Anwendung hydrologischer Modellansätze als problemadäquat angesehen, so wie es in der mittel- und großskaligen Modellierung vielfach ausreichend aber auch erforderlich ist, kann das Gewässernetz nur als integrale Größe innerhalb größerer Modelleinheiten (z.B. Teileinzugsgebiete) behandelt werden. So lassen sich wesentliche Retentionseigenschaften des Gewässernetzes als Funktion der Gewässerdichte und des mittleren Gewässergefälles ausdrücken.

Sind Aussagen nicht nur zum Abfluss, sondern auch zum Wasserstand erforderlich, ist das Gewässernetz wesentlich detaillierter zu behandeln. Im Zuge der Datenaufbereitung ist es in relativ homogene Abschnitte zu untergliedern, die dann auch separat modelliert werden.

Ausgangspunkt für die Erzeugung des FGW-Covers ist ein Coverage, das die wichtigsten dauerhaft wasserführenden Fließgewässer beinhaltet. Dieses ist bedarfsweise zu ergänzen um:

• nur zeitweilig wasserführende bzw. nur durch den Direktabfluss gespeiste Gewässerabschnitte, die sich entsprechend der Oberflächenstruktur ergeben und damit aus dem DHM abgeleitet werden können (Abflussrinnen),
• zusätzliche Knoten an den Punkten im Gewässernetz, an denen zusätzliche Informationen wie Abflussreihen zur Verfügung stehen (informations­adäquat) oder für die Modellergebnisse berechnet werden sollen (problem­adäquat).

Bedarfsweise sind weitere Verfeinerung der Gewässerabschnitte vorzunehmen, um die folgenden Homogenitätskriterien bzgl. der hydraulischen Eigenschaften (prozessadäquat) zu erfüllen:

1. einheitliches Gefälle (z.B. unter Nutzung des DGM Schnittpunkte zwischen Gefällestufen und Gewässernetz neue Knoten bilden),
2. einheitlicher Gewässertyp bzgl. Ausbauzustand, Sohlmaterial etc.,
3. einheitlicher Vorlandtyp bzgl. Vegetation, Vorlandgeometrie etc.,
4. einheitliches Gewässerprofil.

Das nunmehr bzgl. seiner Geometrien fertig gestellte Cover ist zum Abschluss noch um Attribute zu ergänzen, und zwar durch:

• Zuordnung des Gewässertyps, des Vorlandtyps und des Profils zu den Gewässerabschnitten, sofern entsprechende (hydraulische) Modellansätze zur Beschreibung des Gewässerabflusses verwendet werden sollen,
• Zuordnung der Höhe zu den Gewässerknoten, die aus dem DHM ermittelt werden kann, als Grundlage für die programminterne Ermittlung der Fließrichtung und des Gefälles in den Gewässerabschnitten.

Tabelle 4.3‑1 und Tabelle 4.3‑2 zeigen die im Ergebnis dieser GIS-gestützten Datenaufbereitung entstandenen Attributtabellen des Liniencoverages FGW, die für die Modellierung des Fließgewässersystems verwendet werden.

Tabelle 4.3‑1: Struktur der Tabelle FGW.DB

Über die Zuordnung zu einem Einzugsgebiet wird ausgewiesen, von welchen Abflüssen der jeweilige Gewässerabschnitt gespeist wird. Wird während der programminternen Erstellung des Gebietsmodells kein zugeordnetes TG gefunden, erfolgt eine Warnung, dass dieser Gewässerabschnitt nicht gespeist wird. Über eine bewusste Zuordnung nicht vergebener TG-IDs (z.B. 0) kann z.B. für verrohrte Abschnitte eine Speisung aus dem Eigeneinzugsgebiet verhindert werden.

Über die Vergabe von TG_IDs < 0 kann im Übrigen erreicht werden, dass diese Gewässerabschnitte nicht eingelesen und demzufolge gar nicht simuliert werden.

Tabelle 4.3‑2: Struktur der Tabelle FGW_N.DB

Zuordnung der Einzugsgebietsflächen zum Gewässernetz

Sofern für die Modellebene Q_Mod auf der Basis von Gewässerabschnitten gearbeitet wird, wird vom Programm eine Datei fgw_area.xlx im <Ergebnisverzeichnis>\para ausgegeben. Diese beinhaltet für jeden Gewässerabschnitt die folgenden Größen:

Diese Werte sind vor allem für die Darstellung des Gewässernetzes nützlich, weil so sehr schnell die Hauptgewässer identifiziert werden können.

Sämtliche Flächengrößen werden aus den Flächen der Einzugsgebiete im ModellierungsCover TG abgeleitet. Wenn wesentliche Randzuflüsse ins Modellgebiet integriert werden sollen, ist dies möglich, indem der Gewässerdatenbasis ein zusätzliches Attribut zugewiesen wird, das die dem externen Zufluss zugeordnete Einzugsgebietsfläche [km²] beinhaltet. Der Name dieses Attributs wird dem Programm über den neuen Eintrag FGW_extZuflussgebiet in der Datei …\GIS\Describe\fgw.sdf wie folgt mitgeteilt:

Auszug aus der Datei …\GIS\Describe\fgw.sdf

FGW_extZuflussgebiet        f_area

4.3.1 Relate-Tabelle PROFIL.TAB

Tabelle 4.3‑3 dient der geometrischen Beschreibung der Gewässerquerprofile, sofern sie regelmäßig sind. Verweisstrukturen zu unregelmäßigen Querprofilen sind bisher nicht integriert.

Tabelle 4.3‑3: Struktur der Tabelle PROFIL.TAB – Beschreibung der Gewässer­profile

Folgende Angaben werden in dieser Tabelle zur Beschreibung von max. 2-stufigen Regelprofilen (Gewässerbett, Vorland) benötigt (vgl. Abbildung 4.3‑1):

• sb Sohlbreite in [m]
• pt Profiltiefe in [m]
• snl,snr Seitenneigung links/rechts (=Profiltiefe /Böschungsbreite)
• vbl, vbr Vorlandbreite links/rechts
• vt max. Abflusstiefe im Vorland

Abbildung 4.3‑1: Schematische Darstellung des unterstützten Regelprofils

Die Größen Sohlbreite, Profiltiefe, Gewässerbreite können, soweit vorhanden auch jedem einzelnen Gewässerabschnitt zugeordnet, und zur Festlegung eines Trapezprofils genutzt werden. Mit dieser Erweiterung können je nach Datenverfügbarkeit die Geometrien der Gewässerquerschnitte für die Abschnitte innerhalb eines komplexen Gewässernetzes entweder über einen Profiltyp oder über eine direkte Zuordnung von Profilinformationen parametrisiert werden.

Beim Einlesen in das Modell wird nach diesen Größen zuerst im FGW-Cover gesucht, wenn hier keine Einträge vorhanden sind, wird auf die Profil.tab zugegriffen.

Die Vorlandgeometrien und die Böschungsneigungen (rechts/links) könne ausschließlich über den Profiltyp vorgegeben werden, da Regelprofile meist Ergebnis einer wasserbaulichen Aktivität sind und hier feste Böschungsneigungen verwendet werden. Enthält die Profiltabelle keine Angaben zur Seitenneigung, wird diese programmintern aus der <FGW_Breite>, der < SohlBreite > und der < Profiltiefe > ermittelt, wobei für beide Böschungen gleiche Neigungen angenommen werden.

4.3.2 Relate-Tabelle FGW_TYP.TAB

Tabelle 4.3‑4 beinhaltet Angaben zur Beschreibung des Gewässertyps, seines Ausbauzustan­des bzw. des Ausbaumaterials und der Rauhigkeitsverhältnisse im Gewässer.

Tabelle 4.3‑4: Struktur der Tabelle FGW_TYP.TAB – Zustandsbeschreibung der Gewässerprofile

4.3.3 Relate-Tabelle VORL_TYP.TAB

Tabelle 4.3‑5 beinhaltet Angaben zur Beschreibung des Bewuchses im Ausuferungsbereich bzw. Vorland des Gewässers und zu den damit verbundenen Rauhigkeitsverhältnissen.

Tabelle 4.3‑5: Struktur der Tabelle VORL_TYP.TAB – Zustandsbeschreibung der Gewässervorländer

Als Schnittstelle zwischen Modell und den gewässerabschnittsbezogenen GIS-Daten steht die Beschreibungsdatei DESCRIBEFGW.SDF (s. Abbildung 4.3‑2) zur Verfügung.

FGW_AAT                     DBASE fgw.dbf
FROM_NODE                   FNODE#
TO_NODE                     TNODE#
FGW_LAENGE                  LENGTH
FGW_IDENTIFIKATION          FGW-ID
UNTERLIEGER_FGW             ULIEGER /* bezieht sich auf FGW-ID */
TG_ZUORDNUNG                TG-ID
BASEFLOW_IDENTIFIKATION     BASEFLOW-ID
FGW_TYP                     TYP-ID
PROFIL                      PROFIL-ID
VORLAND_TYP_ID_r            VTYP-r
VORLAND_TYP_ID_l            VTYP-l
ZX_WERT                     X         /* X-Koordinate des Mittelpunktes */
ZY_WERT                     Y         /* bzw. des Zentrums (Center-Point) */
SohlHoehe                   SohlHoehe /* korr. Geländehoehe als SohlHoehe */
Anfangswasserstand          StartW    /* korr. Geländehoehe als Anfangswasserstand */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
FGW_NAT                     DBASE fgw_n.dbf
NODE_IDENTIFIKATION         NODEID
X_WERT                      X-COORD
Y_WERT                      Y-COORD
Z_WERT                      Z-COORD
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
###### Relate-Tabellen ##################################################
PROFIL_TABELLE              ASCII profil.tab
PROFIL_IDENTIFIKATION       PROFIL-ID
SOHLBREITE                  SB
PROFILTIEFE                 PT
SEITENNEIGUNG_LINKS         SN_L
SEITENNEIGUNG_RECHTS        SN_R
VORLANDBREITE_LINKS         VN_L
VORLANDBREITE_RECHTS        VN_R
VORLANDTIEFE                VT
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
FGW_TYP_TABELLE ASCII       fgw_typ.tab
FGW_TYP_IDENTIFIKATION      TYP-ID
MANNING_WERT_MAX            M_MAX
MANNING_WERT_MIN            M_MIN
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
VORLAND_TYP_TABELLE         ASCII vorl_typ.tab
VORLAND_TYP_IDENTIFIKATION  VTYP-ID
V_MANNING_WERT_MAX          M_MAX
V_MANNING_WERT_MIN          M_MIN

Abbildung 4.3‑2: Steuerdatei FGW.SDF

Gemäß dem Kaskadenkonzept können jedem Flussabschnitt mindestens 2 Abflusskas­kaden zugeordnet werden – jeweils eine rechte und eine linke. Jede Abflusskaskade als Analogon zu den Stromröhren in der Hydraulik wird begrenzt von den Tallinien, die vom unteren und vom oberen Knoten eines Gewässerabschnitts zu den Einzugsgebietsgrenzen verlaufen. Für „Quell“flussabschnitte ergibt sich demzufolge ein zwickelförmiges Restgebiet bzw. eine dritte Kaskade. Alle Abflusskaskaden eines Gewässerabschnittes bilden dessen Eigeneinzugsgebiet. Sie können unter Nutzung von GIS-Funktionalitäten und dem DHM ausgegrenzt werden, indem jeweils für den unteren und oberen Knoten eines Gewässerabschnittes das zugehörige Einzugsgebiet ermittelt wird. Das sich als Flächendifferenz ergebene Eigeneinzugsgebiet ist dann noch mit dem Gewässerabschnitt selbst zu verschneiden, so dass sich im Ergebnis die erforderliche linke und rechte Kaskade ergeben.

Diese Kaskaden sind bzgl. der Flächeneigenschaften, die maßgeblich die Direktabflussbildung und die Grundwasserneubildung beeinflussen, weiterhin äußerst inhomogen. Entsprechend den Ausführungen in Kapitel 2.2.1 kann deshalb eine weitere Untergliederung der Kaskaden in Segmente erfolgen. Dabei können signifikante Störungen wie Straßen, Wechsel in den Eigenschaften wie Grundwasserflurabstände, Gefälle- oder Nutzungsverhältnisse etc. zur Unterteilung verwendet werden. Sicherzustellen ist, dass jedes Segment genau einen Unterliegersegment besitzt oder ins Gewässer entwässert.

Tabelle 4.4‑1 zeigt den Aufbau der Attribut-Tabelle des Polygoncoverages der Kaskaden­segmente KASEG. Den Kaskadensegmenten sind keine Relate-Tabellen zugeordnet, da alle für die Modellierung benötigten Nachbarschaftsbeziehungen redundanzfrei direkt in der Attributtabelle ablegt werden können und weitere, relevante Eigenschaften wie mittleres Gefälle oder Rauhigkeit innerhalb eines Segmentes aus den Eigenschaften der internen Elementarflächen abgeleitet werden können.

Als Schnittstelle zwischen Modell und den kaskadensegmentbezogenen GIS-Daten steht die Beschreibungsdatei DESCRIBEKAS.SDF (s. Abbildung 4.4‑1) zur Verfügung.

Tabelle 4.4‑1: Struktur der Tabelle KASEG.DB

.

###### Attribut-Tabellen ################################################
KASEG_PAT              DBASE kaseg.dbf
KASEG_FLAECHE          AREA
KASEG_IDENTIFIKATION   KASEG-ID
UNTERLIEGER_KASEG      ULIEGER /* bezieht sich auf KASEG_ID */
TG_ZUORDNUNG           TG-ID
FGW_ZUORDNUNG          FGW-ID
FGW_SEITE              SEITE /* 0 Links, 1 Rechts oder 2 oben */
X_WERT_KASEG           X_COORD
Y_WERT_KASEG           Y_COORD
MITTLERE_HOEHE         HOEHE

Abbildung 4.4‑1: Steuerdatei KAS

EFL.DB

Der Mindestdatenbedarf zur Erstellung des Cover EFL besteht aus einer Boden- und einer Landnutzungskarte, denen über Tabellen hydrologisch relevante, physikalisch Kennwerte zugeordnet werden können.

Die folgenden digitalen Informationen können zusätzlich einbezogen werden:

• Höhe, Gefälle und Exposition, ableitbar aus einem digitalen Höhenmodell (DHM),
• Grundwasserflurabstand,
• Meliorationsflächen,
• Sonderstrukturen wie Halden und kanalisierte Flächen.

Eine schematische Darstellung zur EFL-Erzeugung gibt Abbildung 4.5‑1.

Das Ziel bei der Erzeugung des Elementarflächencoverage EFL ist es, Flächen zu erhalten, die bzgl. der entscheidenden Systemausgänge quasi­homogen reagieren. Die Art und Weise der Erzeugung ist deshalb abhän­gig von der zur Verfügung stehenden Datenbasis und von der Aufgabenstellung, den damit verbundenen Genauigkeits­anforde­run­gen und dem Maßstabsbereich, in dem modelliert wird. Es ist die Frage zu klären, welche Flächeneigenschaften dominie­rend sind und deshalb für die Geometriebildung genutzt werden sollten und für wel­che Flächen­eigenschaften es ausreichend ist, nur als „repräsentativer“ Wert berück­sich­tigt zu werden.

Für Wasserhaushaltsmodellierungen im Tiefland hat sich eine Elementarflächengliederung als günstig erwiesen, bei der Flächennutzung und Bodenkarte für die Geometriebildung genutzt werden und deshalb flächenscharf verschnitten wer­den.

Sind Abflussberechnungen durchzuführen, ist eine räumliche Zuordnung der Elementarflächen zu Teileinzugsgebieten und/oder zu Kaskadensegmente (je nach Detailliertheit der ortsabhängigen Diskretisierung) erforderlich, die über eine zusätzliche Verschneidung mit deren Geometrien erfolgt.

Für den Grundwas­serflurabstand und das Gefälle können für die so entstandenen Flächen „re­prä­sentati­ve“ Mittel­werte ermittelt werden, indem der Grund­wasser­flur­abstand und das DGM inner­halb jeder Elementar­fläche ausgewertet werden, ohne dass eine weitere Verschneidung stattfindet. Die hier ent­stehenden Elementarflächen sind also Flä­chen mit homoge­nen Nutzungs- und Boden­verhältnis­sen, denen jeweils ein re­prä­sentativer Wert für den Grund­wasser­flurabstand und das Gefälle zugeordnet wurde.

Es können aber auch z.B. im DGM Gefälleklassen zu neuen Geometrien zusammengefasst werden und diese für eine flächenscharfe Verschneidung genutzt werden.

Abbildung 4.5‑1: Übersichtsschema zur EFL-Erzeugung

In Regionen, in denen das Abflussverhalten weitgehend durch das Relief geprägt wird, ist es u.U. günstiger, eine „harte Verschneidung“ des Covers mit einem vorhandenen digitalen Höhenmodell durchzuführen. Unterschiede in der Landnutzung dagegen könnten zu einer geringeren räumliche Differenzierung führen und sollten so ggf. als Mittelwert den Elementarflächen des aus der harten Verschneidung mit den Reliefdaten resultierenden Covers zugeordnet werden.

Die Art und Weise der Erzeugung des Elementarflächen-Covers kann also weitestgehend vom Anwender gesteuert werden, lediglich die im Ergebnis entstehende Struktur der dem Cover zugeordneten Attributtabelle muss der in Tabelle 4.5‑1 aufgeführten entsprechen.

Dabei gibt es eine Reihe grundsätzlich notwendiger Eigenschaften, die in der nachfolgenden Tabelle als obligatorisch bezeichnet werden.

Die Nutzbarkeit von Gefälleinformationen wird in Kap. 4.5.4 beschrieben. Werden keine Gefälleinformationen bereitgestellt, so wird für sämtliche Flächen ein Gefälle von 0 % angenommen. Analoges gilt für Höhenwerte. Fehlen Angaben zu den Grundwasserflurabständen, so wird davon ausgegangen, dass sämtliche Flächen grundwasserfern sind. Bei „Halden“ handelt es sich um Sonderstandorte, die nur selten in Datensätzen zur Landnutzung gesondert ausgewiesen werden.

Tabelle 4.5‑1: Struktur der Tabelle EFL.DB

Als Schnittstelle zwischen Modell und den elementarflächenbezogenen GIS-Daten steht die Beschreibungsdatei DESCRIBEEFL.SDF (s. Abbildung 4.5‑2) zur Verfügung. In dieser Steuerdatei ist die projektbezogene Tabellenstruktur (Bezeichnungen der Dateien, Attribute etc.) gespeichert, die sich weitestgehend selbst erläutert, so dass hier darauf verzichtet werden kann.

##### Attribut-Tabelle ################################################# 
EFL_PAT DBASE          efl.dbf 
EFL_IDENTIFIKATION     EFL-ID 
EFL_FLAECHE            AREA 
TG_ZUORDNUNG           TG-ID 
*KASEG_ZUORDNUNG       KASEG-ID 
*RASTER_ZUORDNUNG      RAS-ID 
*HYDROTOP_ZUORDNUNG    HYD-ID 
BODEN                  BODEN-ID 
GEOLOGIE               GEO-ID 
NUTZUNG                LNTZ-ID 
GEFAELLE               GEF 
EXPOSITION             ASPECT 
GRUNDWASSERFLURABSTAND FLURAB-ID 
*mittlGRUNDWASSERHOEHE GWH 
MELIORATION            MELIO-ID /* [0=nein, größer 0 Zeiger auf Tabelle]*/ 
*HALDEN                HALDEN-ID 
*ENTWAESSERUNGS_TG     F_NR 
X_WERT_EFL             X_COORD 
Y_WERT_EFL             Y_COORD 
MITTLERE_HOEHE         HOEHE 
*Kanalisationsart      KanArt       /* 1 : Mischkanalisation */ 
                                    /* 2 : Trennkanalisation */ 
                                    /* 3 bis 8 (bisher nicht belegt) */ 
                                    /* 9 : nicht belegt, da lokal unbekannt */ 
                                    /* -9999, Kanalisationsart nicht vorhanden */ 
*AnSchlussGRAD         AnGrad       /* 0 - 1 für 0-100%, wenn bekannt */ 
*Efl_Versiegelungsgrad VersGrad     /* 0-1 für 0-100%*/ 
*Efl_Muldenspeicher    MuldKap      /* in [mm],-9999 à default = f(Gefaelle) 
###########################################################################

Abbildung 4.5‑2: Steuerdatei EFL.SDF – Abschnitt EFL.DB

Direkte Zuordnung von Versiegelungsgraden zu den Elementarflächen

Versiegelungsgrade wurden bisher in ArcEGMO als Kennwert/Parameter der Landnutzung behandelt und über den Landnutzungstyp den Elementarflächen zugeordnet. Diese Verfahrensweise hat sich insbesondere bei mittelmaßstäbigen und großräumigen Untersuchungen bewährt, bei denen meist landes- oder bundesweit verfügbare Datenbestände wie CORINE, ATKIS oder insbesondere in den neuen Bundesländern auch CIR-Biotoptypen verwendet werden.

Sofern allerdings detaillierte Angaben zur Versiegelung vorliegen, mussten diese bisher klassifiziert und den Landnutzungen zugeordnet werden.

Um diese aufwändige Verfahrensweise zu umgehen, wurde jetzt eine Möglichkeit in ArcEGMO integriert, mit der Versiegelungsgrade direkt als Elementarflächeneigenschaft eingelesen werden können. Dazu ist dem ElementarflächenCover eine Attributspalte <Versiegelungsgrad> zuzuordnen, in der der Versiegelungsgrad als Wert zwischen 0 und 1 einzutragen ist. Dieser Versiegelungsgrad wird als „Sonderinformation“ aufgefasst. EFL, für die diese Informationen nicht vorliegen, sind mit dem Wert -9999. zu kennzeichnen. Diesen wird dann programmintern der Versiegelungsgrad der Flächennutzung zugeordnet.Ist dort kein Wert angegeben (Feldelement ist leer), wird dies als „Null“ interpretiert, d.h. diese Fläche wäre dann nicht versiegelt.

Aktiviert wird die Verarbeitung elementarflächenspezifischer Versiegelungsgrade über das Schlüsselwort Efl_Versiegelungsgrad (exakte Schreibweise beachten – case sensitiv!) und die nachfolgende Bezeichnung des Attributes, das den Versiegelungsgrad enthält.

Zu beachten ist, dass die Nutzung elementarflächenspezifischer Versiegelungsgrade nicht kombiniert werden kann mit der Vorgabe von Entwicklungen des Versiegelungsgrades über Zeitfunktionen.

Klassifizierung von Elementarflächen nach ihrer Höhenstufe

In Untersuchungsgebieten, die sich über viele Höhenstufen ziehen, muss je nach Aufgabenstellung die dieses Höhenspektrum mit in die Elementarflächenbasis und später dann auch in Hydrotopklassenzuordnung übernommen werden.

Zum Beispiel ist das Untersuchungsgebiet der Mulde (Projekt Hochwassermanagement Mulde – Teilprojekt Erstellung des Hochwasser-Vorhersagemodells) durch Geländehöhen von 70 m bis 1200 m charakterisiert. Damit eine bessere Abbildung der Schneeschmelze als wesentlicher HW-Bildungsprozess im für die Mulde zu erstellenden NA-Modell erfolgen kann, muss bei der Erstellung der Elementarflächenbasis zusätzlich die Höhendifferenzierung berücksichtigt werden.

Die untenstehende linke Abbildung zeigt als Beispiel für die Mulde die 379.664 Elementarflächen, die bei einer Verschneidung ohne Berücksichtigung der Höhen entstanden sind. Jeder Elementarfläche wurden der Mittelwert, das Minimum und das Maximum aller in ihr liegenden Gridzellen des digitalen Geländemodells zugewiesen. Die linke Abbildung zeigt über die Spannweite als Differenz zwischen dem höchsten und niedrigsten Höhenwert den Bereich, in der die Höhen innerhalb der Elementarflächen liegen. Danach ergeben sich Spannweiten von bis zu 382 m. Der Grund für diese großen Höhenunterschiede sind große Elementarflächen, die sich bei gleicher Landnutzung und gleichen Böden über mehrere Höhenstufen ziehen.

Im Zuge der Datenaufbereitung wurden verschiedene Möglichkeiten untersucht, über die Einbeziehung von Höhenstufen in die Flächengliederung die Höhendifferenzierung innerhalb der Modellierungseinheiten zu minimieren.

Dazu wurden u.a. die Elementarflächen mit einer aus dem DGM ermittelten Höhen-stufen-Klassifizierung (Schrittweite 50 m) verschnitten. Das Ergebnis dabei sind Elementarflächen, in denen die Spannweite der Höhenwerte 50m nicht übersteigt (s. rechte Abbildung). Die Anzahl der neu entstandenen Elementarflächen ist nun allerdings um 25 % auf 505.010 angestiegen.

Abbildung 4.5‑3: Höhenverteilung innerhalb der Elementarflächen

4.5.2 Relate-Tabelle LNTZ.TAB

Die hydrologisch relevanten Eigenschaften unterschiedlicher Landnutzungen werden in der Tabelle LNTZ.TAB verwaltet, auf die über das Schlüsselattribut LNTZ_ID zugegriffen werden kann. Zur Berücksichti­gung nutzungs­bedingter Unter­schiede in den Flächen­eigen­schaften werden den im Untersuchungs­gebiet vorkom­menden Flächen­­nut­zungen Kenn­werte zugeord­net (s. Tabelle 4.5‑2).

Tabelle 4.5‑2: Struktur der Tabelle LNTZ.TAB – Nutzungskennwerte

BED (_MIN, _MAX) minimaler und maximaler Bede­ckungsgrad
auf der nicht versiegelte Fläche

RAUH (_MIN, _MAX) minimale und maximale Rauhigkeit n nach Manning[1]

Dies kann erfolgen unter Angabe von Minimal- und Maximalwerten (hier nicht wiedergegeben), die jah­res­zeitliche Änderungen wie bei der Wurzel­tiefe aus­drücken können oder im Sinne eines Toleranz- oder Feh­lerbe­reichs zu interpretieren sind.

Für diese Zuordnung werden eigene Erfah­rungswerte und Literaturangaben verwendet, z.B. für die Inter­zeptions­spei­cherkapazität als Richt­werte für Brache 1.3 mm, Acker und Weide 3 mm, Wald und Gebüsch 5 mm nach Hills (1971).

Wasserflächen sind für die spätere Abflussbildungsmodellierung gesondert zu kennzeichnen. Dazu erhalten sie eine fiktive Interzeptionspeicherkapazität > 100 mm.

Über die SELECT-Angabe (s. Abbildung 4.5‑4 unter INFORMATIONSAUSWAHL) kann für die Modellierung festgelegt werden, ob das Minimum oder das Maximum oder aber der Mittelwert aus beiden für die Modellierung verwendet werden soll.

INFORMATIONSAUSWAHL
SELECT_TYPE_NUTZUNG 1    /* 0 Minimum,
                         /* 1 Mittelwert,
                         /* 2 Maximum der Attribute
SELECT_TYPE_NUTZUNG 1    /* 0 Minimum, 1 Mittelwerte, 2 Maximum der Attribute*/
+++++++ Relate-Tabellen +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
NUTZUNG_TABELLE ASCII       lntz.tab
NUTZUNGS_IDENTIFIKATION     LNTZ-ID
NUTZUNGSNAME                BEZEICHNUNG
VERSIEGLUNGS_MIN            VERS_MIN
VERSIEGLUNGS_MAX            VERS_MAX
WURZELTIEFE_MIN             WE_MIN
WURZELTIEFE_MAX             WE_MAX
INTERZEPZIONSSPEICHER_MIN   INTC_MIN
INTERZEPZIONSSPEICHER_MAX   INTC_MAX
BEDECKUNGSGRAD_MIN          BED_MIN
BEDECKUNGSGRAD_MAX          BED_MAX
RAUHIGKEITS_MIN_MANNING     RAUH_MIN
RAUHIGKEITS_MAX_MANNING     RAUH_MAX

Abbildung 4.5‑4: Steuerdatei EFL.SDF – Abschnitt Landnutzung

4.5.3 Relate-Tabellen für die BODEN-Parametrisierung

Für die hydrologische Modellierung der Direktabflussbildung, der Infiltration und des Bodenwasserhaushaltes werden die folgenden Bodeninformationen in ihrer räumlichen Verteilung benötigt:

• k_f-Werte der Bodenschichten innerhalb der wechselfeuchten Bodenzone,
• Bodenkapillarwasserspeicherkapazität.

Die Bodenkapillarwasserspeicherkapazität wird ermittelt aus der nutzbaren Feldkapazität, bezogen auf die Mächtigkeit aller Bodenschichten innerhalb der wechselfeuchten Bodenzone. Die Mächtigkeit der wechselfeuchten Bodenzone wird als das Minimum aus effektiver Wurzeltiefe, Grundwasserflurabstand und Bodenmächtigkeit an sich geschätzt. Letztere Bedingung wird wirksam, wenn oberflächennah Fels ansteht bzw. bei geringmächtigen Lockergesteinsschichten.

INFORMATIONSAUSWAHL
SELECT_TYPE_BODENART      -2  /* 0 Minimum, 1 Mittelwerte, 2 Maximum der Attribute*/
                              /* (MIN-MAX-Format) */
                              /* 3 Auswertung der Lagerungsdichte (KA3-Format) */
                              /* 4 Auswertung der Lagerungsdichte (KA4-Format) */
                              /* -1 direkte Kennwertzuordnung (Direkt-Format) */
                              /* -2 gemessene Bodenparameter für jedes Profil */
###################################################################################
###### Relate-Tabellen #########################################################
BODEN_TABELLE                   ASCII lntz.tab
BODENFORM_IDENTIFIKATION        PROFIL
*BODENTYP                       Bodentyp
HORIZONTNUMMER                  HorizontNr
BODENART                        BoArt
SCHICHTMAECHTIGKEIT             DICKE // [mm]
WURZELINTENSITAET               Wurzel // Durchwurzelungsintensitaet nach KA4
SKELETTANTEIL                   Skelett // [Vol.%]
LAGERUNGSDICHTE                 dB // [g/cm3]
WELPEPUNKT                      PWP // [Vol.%]
FELDKAPAZITAET                  FK // [Vol.%]
PORENVOLUMEN                    GPV // [Vol.%]
HYD_LEITFAEHIGKEIT              Ksat // [mm/h]
KOITZSCH_LAMBDA                 LAMBDA // Leitfaehigkeitsparameter nach Koitzsch
PH_WERT                         pH     // [auf H2O-Basis]
KOHLENSTOFF                     Corg // [%]
STICKSTOFF                      Norg // [%]
TON                             Ton  // [Masse%]
SCHLUFF                         Schluff // [Masse%]
SAND                            Sand // [Masse%]
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
BOART_TABELLE                  ASCII boart.ka4
BODENART_IDENTIFIKATION        BOART-ID
BODENART                       ADV_K
NUTZBARE_FELDKAPAZITAET        nFK
LUFTKAPAZITAET                 lk
HYD_LEITFAEHIGKEIT             Kf
Humuskorrekturklasse           Humuskorrekturklasse
KAPILLARE_AUFSTIEGSRATE        KrWe_
KAPILLARE_AUFSTIEGSHOEHE       KRH

Abbildung 4.5‑5: Steuerdatei EFL.SDF – Abschnitt Boden

Zur Berücksichtigung der Bodeneigenschaften werden im Zuge der Modellparametrisierung 2 Tabellen aufgebaut – eine Bodenformentabelle, die u.a. den Schichtaufbau des Bodens beschreibt und Verweise auf die Substrattabelle enthält. Diese zweite Tabelle die für die hydrologische Modellierung relevanten bodenphysikalischen Kennwerte.

Beide Tabellen sind Bestandteil des GIS-Datenmodells des Systems ArcEGMO. Die Bodendaten werden vorzugsweise im

1, Messwertformat, mit einer Zuordnung von Parametern zu jedem Horizont,

erwartet. Weiterhin unterstützt werden die folgenden Formate[2]für die Substrattabellen:

2. KA4-Format, KA5-Format

3. KA3-Format,

4. MIN-MAX-Format,

5. Formate für die direkte Kennwertzuordnung.

Bis auf das Format für die direkte Kennwertzuordnung werden für obige Formate Beispieltabellen zur Verfügung gestellt. Diese zeigen die prinzipielle Struktur dieser Tabellen, können aber bedarfsweise modifiziert, ergänzt oder reduziert werden, so dass eine variable Anpassung auf die konkreten Erfordernisse gegeben ist.

Das Messwertformat beruht auf der Parametrisierung jeden Bodenhorizontes und orientiert sich an den Bodeninformationen der meisten Länder. In der Bodentabelle sind die Horizonte untereinander angeordnet (s. Abbildung 4.5‑6), so dass jetzt für jeden Horizont eine eigene Tabellenzeile zur Verfügung steht, in der die in Tabelle 4.5‑3 aufgeführten Informationen bereitstehen.

PROFIL Herkunft  Bodentyp HorNr Horizont        BoArt Dicke Tiefe Skelett
3001   'BUEK300' 'pBB-RQ' 1     'L+Of:'         M     50    500   0
3001   'BUEK300' 'pBB-RQ' 2     'Oh:'           M     30     80   0
3001   'BUEK300' 'pBB-RQ' 3     'Aeh:a-s'       Ss   100    180   0
3001   'BUEK300' 'pBB-RQ' 4     'Ahe:a-s'       Ss    50    230   0
3001   'BUEK300' 'pBB-RQ' 5     'Bsv-ilCv:a-s'  Ss   200    430   0
3001   'BUEK300' 'pBB-RQ' 6     'Bv-ilCv:a-s'   Ss   150    580   0
3001   'BUEK300' 'pBB-RQ' 7     'ilCv:a-s'      Ss  1500   2080   0
3002   'BUEK300' 'BB-PP:' 1     'L+Of:'         M     50     50   0
3002   'BUEK300' 'BB-PP:' 2     'Oh:'           M     30     80   0
3002   'BUEK300' 'BB-PP:' 3     'Aeh:a-s'       Ss   100    180   0.01
…

Abbildung 4.5‑6: Auszug aus der Bodentabelle im Messwertformat

Tabelle 4.5‑3: Bodenparameter für jeden Bodenhorizont jeder Bodenform, Dimensionsangabe für das Messwertformat (+ Angabe erforderlich, – optional)

Wenn Speicherkapazitäten und/oder K_f-Werte nicht bekannt sind, können diese Einträge über den Wert -9999. gekennzeichnet werden. Diese Informationen werden programmintern über die Bodenart und die Lagerungsdichte aus der KA4 zugeordnet und bei Angabe eines Skelettanteils und eines Humusgehaltes entsprechend korrigiert. Sofern die derzeit aktuelle KA5 genutzt werden soll, müssen deren Kennwerte manuell den eventuellen Fehlstellen zugewiesen werden. Eine automatische Zuordnung ist derzeit nicht vorgesehen.

Da programmintern die Mächtigkeit der wechselfeuchten Bodenzone aus dem Minimum von effektiver Wurzeltiefe, Grundwasserflurabstand und Bodenmächtigkeit an sich geschätzt wird, kann über die Angabe der Schichtmächtigkeit der letzten Bodenschicht erreicht werden, dass für tiefgründige Böden die über Wurzeltiefe bzw. Grundwasserflurabstand definierte Mächtigkeit maßgebend wird und wertmäßig mit Bodeninformationen belegt ist (s. ID=5 in Abbildung 4.5‑11, fiktive Mächtigkeit 10000). Für geringmächtige bzw. gesteinsunterlagerte Böden (s. ID=4 in Abbildung 4.5‑11) dagegen wird die wechselfeuchte Bodenzone über die Bodenmächtigkeit definiert.

Für Flächen in der Bodenkarte, die wie versiegelte Flächen reagieren (Fels) oder von denen bekannt ist, dass sie versiegelt sind (Autobahnen etc.) wird über die Angabe einer „0“ für die Anzahl der Bodenschichten erreicht, dass sie auch vom Modell als versiegelte Flächen erkannt und entsprechend modelliert werden.

Zu ergänzen ist diese Tabelle noch um bebaute Flächen und Wasserflächen, um unter Einbeziehung dieser i.d.R. nicht mit Bodeninformationen belegten Einheiten eine flächendeckende Modellierungsdatenbasis zu erhalten. Über die Angabe einer „-9999“ für die Anzahl der Bodenschichten wird erreicht, dass sie programmintern mit mittleren Bodeninformationen belegt werden und dadurch modellmäßig beschreibbar sind.

Die weiteren Formate sind älteren Ursprungs und wurden Mitte der 90er Jahre geschaffen, um die damals in den verschiedenen Bundesländern sehr heterogenen Datenstrukturen möglichst umfassend zu unterstützen.

Beim Einlesen der Bodendaten kann eine Humus- und/oder Skelettkorrektur vorgenommen werden. Für Bodendaten im Messwertformat wird angenommen, dass die Porositätskennwerte humus-, aber nicht skelett-korrigiert sind. Eine Skelettkorrektur kann auch programmintern und damit nachträglich vorgenommen werden. Eine Skelettkorrektur der Porositäten bewirkt verkleinerte Speicherräume, was zu größeren Abflüssen und verringerten Verdunstungen führt. Für eine nachträgliche Skelettkorrektur ist in der Bodentabelle eine Spalte <SKELETTKORREKTUR> vorzugeben, über die für jeden Boden bzw. jede Bodenschicht angegeben werden kann, ob eine Skelettkorrektur durchgeführt werden soll (0) oder nicht, weil die Werte schon korrigiert sind (1). Fehlt der Eintrag SKELETTKORREKTUR in der efl.sdf oder ist in der Bodentabelle keine Spalte <SKELETTKORREKTUR> angegeben, wird programmintern keine Korrektur durchgeführt, also (1) angenommen. Der Skelettanteil ist über das Attribut (anzugeben in [Vol.%]),  vorzugeben. Fehlt dieser Eintrag SKELETTANTEIL in der efl.sdf oder wird das Attribut in der Bodentabelle nicht gefunden, so wird programmintern der Skelettanteil auf 0. gesetzt. Sollen (im Falle von geeichten Modellen) die bisherigen Parameter erhalten werden, muss das Einlesen der Spalte verhindert werden, indem das entsprechende Schlüsselwort auskommentiert wird oder diese Spalte mit 1 gefüllt wird.

Auch die Humuskorrektur kann flexibel angewendet werden. Für Porositätskennwerte, die in der Messwerttabelle angegeben sind, wird angenommen, dass diese aus Laboruntersuchungen stammen, d.h. schon eine Humuskorrektur enthalten ist. Die Humuskorrektur kann jedoch auch explizit herbeigeführt werden, wenn dies erforderlich ist. Über das Attribut <Humuskorrektur> in der Messwerttabelle kann für jeden Eintrag angegeben werden, ob eine Humuskorrektur schon durchgeführt wurde (1) oder nicht nicht (0). Der Default-Wert ist 1 und kommt zum Tragen, wenn entweder der Eintrag Humuskorrektur (Achtung – Schreibweise case sensitiv!) fehlt oder das Attribut selbst in der Messwertabelle nicht gefunden wird. Soll eine Humuskorrektur durchgeführt werden, ist eine Humusklasse anzugeben. Dies ist die nach KA4 geltende Klasseneinteilung der Humusanteile 1 bis 5 für h1 bis h5. Sind keine Angaben zur Humusklasse vorhanden, wird diese auf 0 gesetzt, d.h. keine Humuskorrektur durchgeführt.

Abbildung 4.5‑6a: Auszug aus der Efl.sdf

Das KA4-Format beruht auf der „Bodenkundlichen Kartieranleitung“ (Ag Bodenkunde 1995) und ermöglicht die direkte Nutzung der in dieser Anleitung vorgeschlagenen Werte für die Luftkapazität lk [in Vol.%], die nutzbare Feldkapazität nFK [in Vol.%] und die hydraulische Leitfähigkeit K_f[in cm/d]. Diese Werte sind nach der Lagerungsdichte LD differenziert, wobei die Lagerungsdichten 1 bis 2 zu 1/2 und 4 bis 5 zu 4/5 zusammengefasst wurden. Abbildung 4.5‑7 zeigt einen Auszug aus der Datei BOART.KA4, die beispielhaft die Werte der Kartieranleitung enthält. Fehlende Angaben für einige Bodenarten bzw. Substrattypen wurden interpolativ ergänzt und zur Unterscheidung von den Werten der KA4 mit einer „9“ hinter dem Dezimalpunkt ergänzt.

BOART-ID ADV_K   lk_LD1/2  lk_LD3  lk_LD4/5  nFK_LD1/2 nFK_LD3  nFK_LD4/5  Kf_LD1/2  Kf_LD3  Kf_LD4/5
1        Ss      22.5      19.5    16.9      12.0      10.5     8.9        349       229     126
2        Sl2     16.5      12.5       9        19      17.5     16         109       49      36
3        Sl3     12.5        11       7      21.5      18       15.5       47        33      15
...

Abbildung 4.5‑7: Auszug aus der Datei BOART.KA4

Weiterhin sind im KA4-Format, wie Abbildung 4.5‑8 zeigt, Angaben

1. zur mittleren kapillaren Aufstiegsrate (KRWe_t) in [mm/d] aus dem Grundwasser bis zur Untergrenze des effektiven Wurzelraumes bei einer mittleren Lagerungsdichte (LD 2 bis 3) in Abhängigkeit vom Abstand t in [dm] zwischen Grundwasseroberfläche und Untergrenze des effektiven Wurzelraumes und

2. zur kapillaren Aufstiegshöhe KRH [dm]

möglich. Die in den Beispielstabellen verwendeten Werte sind der KA4 entnommen (Tabelle 65, Seite 308 und Tabelle 67, Seite 310).

Die Angaben zur kapillaren Aufstiegsrate und -höhe werden nur von einigen Abflussbildungsmodulen genutzt, so dass deren Angabe wahlfrei ist.

BOART-ID KRWe_2 KRWe_3 KRWe_4 KRWe_5 KRWe_6 KRWe_7 KRWe_8 KRWe_9 … KRWe_20 KRH
1        7.5    5      1.5    0.5    0.2    0.05   0      0        0       6
2        12     10     8      6      4.5    2.5    1.5    0.7      0       18
3        12     10     8      6      5      3.5    2      1.5      0       22
...

Abbildung 4.5‑8: Auszug aus der Datei BOART.KA4 – Fortsetzung

Für die Verwendung des KA5-Formates ist es erforderlich, die Bodentabelle im Messwertformat komplett mit Werten zu belegen, indem u.U. nicht vorliegende Werte in der Bodenformentabelle im Vorfeld aus der KA5 übernommen werden (z.B. mittels ACCESS oder unter Excel).

Es wird also eine Tabelle erwartet, in der alle schicht- bzw. horizontbezogenen Kennwerte vorliegen. Eine Auffüllung durch ArcEGMO aus einer Bodenarttabelle, basierend auf der KA5 erfolgt nicht mehr.

Für die Kennwerte, die den Kapillaraufstieg charakterisieren, wird jetzt eine weitere Tabelle eingelesen, die die Aufstiegsraten für verschiedene Flurabstände und die Aufstiegshöhe für jede Bodenform beinhaltet. Auch diese Tabelle ist im Vorfeld zu erstellen, indem für jede Bodenform die Aufstiegshöhe, die dem Substrat der untersten Bodenschicht zugeordnet ist und die Aufstiegsraten als Minimum aller Bodenschichten zugewiesen wird.

Wenn in der efl.sdf die Bodentabelle auf das Messwertformat (SELECT_TYPE_BODENART -2) eingestellt und der Eintrag BOART_TABELLE auskommentiert ist, wird eine zweite Bodentabelle eingelesen, die pro Bodenform eine Zeile mit den kapillaren Aufstiegsraten und der Aufstiegshöhe beinhaltet.

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
BODEN_TABELLE2            ASCII Boden_KapAuf.ka5
BODENFORM_IDENTIFIKATION  Profil
KAPILLARE_AUFSTIEGSRATE   KrWe_
KAPILLARE_AUFSTIEGSHOEHE  KH_GFab
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

PROFIL KRWe_1 KRWe_2 KRWe_3 KRWe_4    …   KRH_alt      KH_GFab
51424  11.00  11.00  10.00  9.00      …   26.00         21.00
51425  11.00  11.00  9.00   6.00   …      26.00         18.00
51426  11.00  11.00  9.00   7.00   …      26.00         30.00
…

Das KA3-Format ist ähnlich dem KA4-Format aufgebaut und ermöglicht die Kennwertzuordnung in Abhängigkeit von der Lagerungsdichte der betrachteten Schicht. Allerdings werden andere Kennwerte und Einheiten unterstützt. Neben der hydraulischen Leitfähigkeit K_f[in mm/h] sind der Permanente Welkepunkt WP, die Feldkapazität FK und das Gesamtporenvolumen GVP [alle in mm/m] bereitzustellen. Programmintern werden dann daraus wieder die nutzbare Feldkapazität und die Luftkapazität ermittelt. Die mitgelieferte Datei BOART.KA3 ist für viele Anwendungsfälle direkt nutzbar, kann aber auch modifiziert bzw. ergänzt werden.

Das MIN-MAX-Format unterstützt ähnlich dem KA3-Format die Bereitstellung der hydraulischen Leitfähigkeit K_f[in mm/h], des Permanenten Welkepunktes WP, der Feldkapazität FK und des Gesamtporenvolumens GVP [alle in mm/m]. Allerdings erfolgt hier keine Differenzierung nach Lagerungsdichten. Dafür ist es möglich, über die Angabe eines Minimums und Maximums einen Toleranz- bzw. Fehlerbereich festzulegen. Bei den Modellrechnungen, in denen angegeben werden kann, ob mit dem Minimum, dem Maximum oder dem Mittelwert aus beiden gearbeitet werden soll, ist es dann möglich, die Auswirkungen fehlerhaft geschätzter Bodenkennwerte zu quantifizieren. Abbildung 4.5‑9 zeigt einen Auszug aus der Datei BOART.TAB, die beispielhaft mögliche Wertbelegungen innerhalb dieser Tabelle beinhaltet.

BOART-ID ADV_K WP_MIN WP_MAX FK_MIN FK_MAX GPV_MIN GPV_MAX KF_MIN KF_MAX
1        Ut4   150.00 170.00 360.00 370.00 440.00  460.00  10.00  10.00
2        Ut3   120.00 140.00 360.00 370.00 430.00  450.00  10.00  10.00
3        Ut2   100.00 120.00 350.00 370.00 430.00  450.00  10.00  10.00
...

Abbildung 4.5‑9: Auszug aus der Datei BOART.TAB – MIN-MAX-Format

Das Format für die direkte Kennwertzuordnung ist als variables Format für Anwendungsfälle vorgesehen, in denen die Ausgangsbodeninformationen schon mit Kennwerten belegt sind. Eine Rückführung dieser Kennwerte auf Substrattypen bzw. Bodenarten entsprechend den bisher vorgestellten Tabellenstrukturen wäre ein zusätzlicher und unnötiger Arbeitsschritt. Unter Nutzung dieses Formats können deshalb die gegebenen Kennwerte für die hydraulische Leitfähigkeit K_f[in mm/h] und die nutzbare Feldkapazität nFK [in mm/m] dem Programm direkt zur Verfügung gestellt werden. Abbildung 4.5‑10 zeigt beispielhaft einen Auszug aus der Datei BOART_DI.TAB.

BOART-ID nFK    KF
12       35.51  12.63
18       88.05  31.70
21       53.00  19.08
84      110.00  39.60
...

Abbildung 4.5‑10: Auszug aus der Datei BOART_DI.TAB

Die eigentliche Parametrisierung der gegebenen Bodendaten besteht in ihrer Rückführung auf eine dieser Bodenartentabellen, wobei die gewählte Tabellenstruktur bedarfsweise mit Werten, die den konkreten Gegebenheiten adäquat sind, anzupassen ist.

Diese Rückführung erfolgt über eine Bodenformentabelle.

In der Regel liegt als Eingangsinformation über die Bodenverhältnisse eine Karte mit der räumlichen Verteilung der Bodenformen als kleinster systematischer Einheit (zur Kennzeichnung des Bodenprofils) vor. Diesen Bodenformen sind dann jeweils die Anzahl der Bodenschichten (ANZSCH) und jeder Bodenschicht eine Mächtigkeit (DICKE in [mm]), eine Lagerungsdichte (LD[3]) und ein Verweis auf ein Substrat (BOART1) in einer der obigen Bodenartentabellen zuzuweisen. Sofern Substrat- oder Bodenartenkarten die Eingangsinformation bilden, können diese problemlos als „einschichtige Bodenformen“ in dieses Konzept eingepasst werden.

Abbildung 4.5‑11 zeigt beispielhaft die Struktur einer solchen Bodenformentabelle. Programmintern ist die maximale Anzahl Bodenschichten auf 10 begrenzt, was in den meisten Fällen ausreichen sollte.

ID BEZEICHNUNG               ANZSCH DICKE1 LD1 BOART1 DICKE2 LD2 BOART2
4 "Bergloess ueber Gestein"       1 500      2  4
5 "Loess LD2 ueber Salm"          2 500      2  4     10000   3   20
...
34 "Fels"                         0
36 "Wasser"                   -9999
37 "bebaut"                   -9999

Abbildung 4.5‑11: Struktur der Bodenformentabelle

Im GIS-Datenmodell von ArcEGMO sind die Bodeninformationen an die Elementarflächen gebunden. Als Nutzerschnittstelle dienen zwei Abschnitte in der Datei EFL.SDF, die in Abbildung 4.5‑12 dargestellt sind.

Zu beachten ist hier, dass die Tabellenstrukturen sich für die verschiedenen Tabellenformate unterscheiden.

Welches Tabellenformat für die Modellierung verwendet werden soll bzw. in welchem Format die Bodenartentabelle vorliegt, kann über die SELECT-Angabe (s. unter INFORMATIONSAUSWAHL) für die Modellierung festgelegt werden.

Bei Verwendung des MIN-MAX-Formats kann außerdem angegeben werden, ob das Minimum, das Maximum oder aber der Mittelwert aus den jeweiligen Bodenparametern in die Modellierung eingehen soll. Letztere Möglichkeit gestattet sehr leicht Abschätzungen der Modellsensitivität bzgl. der Bodenkennwerte.

Weiterhin kann hier über die Option SELECT_KF festgelegt werden, ob als repräsentativer K_f-Wert einer Elementarfläche der K_f-Wert der obersten und damit für die Infiltration maßgeblichen Schicht verwendet werden soll (SELECT_KF=0, default) oder das Minimum der K_f-Werte aller Bodenschichten als maßgeblich gelten soll (SELECT_KF=1).

INFORMATIONSAUSWAHL
SELECT_TYPE_BODENART 3 /* 0 Minimum, MIN-MAX-Format
                       /* 1 Mittelwerte, MIN-MAX-Format
                       /* 2 Maximum der Attribute MIN-MAX-Format
                       /* 3 Auswertung der Lagerungsdichte KA3-Format
                       /* 4 Auswertung der Lagerungsdichte KA4-Format
                       /* -1 direkte Kennwertzuordnung Direkt-Format
                       /* -2 Messwertformat
SELECT_KF            0 /* Festlegung, welcher Kf-Wert bei geschichteten Boeden*/
                       /* als der massgebliche gelten soll */
+++++++ Relate-Tabellen ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
BODEN_TABELLE              ASCII boden.tab
BODENFORM_IDENTIFIKATION   BODEN-ID
BODENFORM_NAME             BEZEICHNUNG
ANZAHL_BODENSCHICHTEN      ANZSCH
SCHICHTMAECHTIGKEIT        DICKE
LAGERUNGSDICHTE            LD /* nur fuer KA3 u. KA4*/
ZEIGER_AUF_BODENART        BOART-ID
SKELETTANTEIL              SKEL
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
BOART_TABELLE              ASCII boart.tab /* KA3-Tabelle und */
BODENART_IDENTIFIKATION    BOART-ID /* MIN-MAX-Format */
WELPEPUNKT                 WP
FELDKAPAZITAET             FK
PORENVOLUMEN               GPV
HYD_LEITFAEHIGKEIT         KF
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

alternativ

BOART_TABELLE             ASCII boart.KA4 /* KA4-Tabelle */
BODENART_IDENTIFIKATION   BOART-ID
LUFTKAPAZITAET            LK
NUTZBARE_FELDKAPAZITAET   nFK
HYD_LEITFAEHIGKEIT        KF
*KAPILLARE_AUFSTIEGSRATE  KR
*KAPILLARE_AUFSTIEGSHOEHE KH
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

oder

BOART_TABELLE             ASCII boart_di.tab /* Direkt-Format */
BODENART_IDENTIFIKATION   BOART-ID
NUTZBARE_FELDKAPAZITAET   nFK
HYD_LEITFAEHIGKEIT        KF
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 4.5‑12: Steuerdatei EFL.SDF – Abschnitt Boden

4.5.4 Relate-Tabelle GEF.TAB

Die Tabelle der Gefälleklassen GEF.TAB (s. Tabelle 4.5‑4) dient einmal während der Erstellung der GIS-Datenbasis zur Ausgliederung der Gefälleklassen innerhalb des dem Elementarflächencover zugeordneten Grid-basierten Höhenmodells, zum anderen zur Festlegung der Kapazität des Muldenspeichers WMM. Die hier gewählte Differenzierung des Gefälles entspricht den Neigungs­gruppen nach ATV-Richtlinie 128. Das Gefälle bzw. die Gefälleklasse geht außerdem in die Modellierung des Abflusskonzentrationsprozesses (kinematische Welle) ein.

Tabelle 4.5‑4: Struktur der Tabelle GEF.TAB – Gefälleklassen nach ATV 128 und hydrologisch relevante Kennwerte

+++++++ Relate-Tabellen ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
GEFAELLE_TABELLE           ASCII gef.tab
GEFAELLE_IDENTIFIKATION    GEF-ID
GRENZ_GEFAELLE             GRENZ_GEF
MULDENSPEICHER_KAPAZITAET  WMM
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 4.5‑13: Steuerdatei EFL.SDF – Abschnitt Gefälle

4.5.5 Relate-Tabelle FLURAB.TAB

Die Tabelle der Grundwasserflurabstandsklassen FLURAB.TAB (s. Tabelle 4.5‑5) kann wie die Tabelle der Gefälleklassen einmal während der Erstellung der GIS-Datenbasis zur Ausgliederung der Grundwasserflurabstandsklassen innerhalb eines Grid-basierten Grundwasserflurabstandsmodells genutzt werden. Im Rahmen der Modellierung können die Informationen über die Grundwasserflurabstände zur Steuerung der Ver­dunstungsreduktion und der Sättigungsflächenbildung genutzt werden.

Tabelle 4.5‑5: Struktur der Tabelle FLURAB.TAB – Grundwasserflurabstände

+++++++ Relate-Tabellen ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
FLURABSTAND_TABELLE        ASCII flurab.tab
FLURAB_IDENTIFIKATION      FLURAB-ID
FLURAB_NAME                BEZEICHNUNG
FLURAB_MAXIMUM             FLURAB_MAX
FLURAB_REPRAESENTATIV      FLURAB_REP
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 4.5‑14: Steuerdatei EFL.SDF – Abschnitt Grundwasserflurabstand

4.5.5.1 Vorgabe von Grundwasserständen pro Elementarfläche

Wenn bekannt, kann der Grundwasserstand auch für jede Elementarfläche vorgegeben werden, der dann z.B. als Startwert für detailliertere GW-Modelle verwendet werden kann.

Sofern in der EFL.sdf (siehe Abbildung 4.5‑2) ein Attribut <mittlGRUNDWASSERHOEHE> für das EFL-Cover gefunden wird, wird diese Grundwasserhöhe [m NHN] verwendet, um den Grundwasserflurabstand und die Zuordnung zu einer über die Flurabstandtabelle vorgegebenen Flurabstandsklasse vorzunehmen. Sofern außerdem die Flurabstandsklasse im Datenbestand vorgegeben ist, wird diese überschrieben.

Alternativ ist es auch möglich, ein Einlesen des Grundwasserstands für jede Elementarfläche über die Modul.ste anzusteuern.

GW_MODELL
EFL_TABELLE           DBASE efl.dbf
EFL_IDENTIFIKATION    ID
GRUNDWASSERSTAND      Gwh
*TESTDRUCK

Abbildung 4.5‑15: Modul.ste

4.5.6 Relate-Tabelle Halden.TAB

Unter Nutzung der folgenden Tabelle HALDEN.TAB (s. Tabelle 4.5‑6) ist es möglich, Sonderstrukturen wie Halden u.ä. zu berücksichtigen. Unter diesen Sonderstrukturen werden hier Flächen innerhalb des Untersuchungsgebietes verstanden, deren hydrologisch relevante Eigenschaften wie Boden, Gefälle oder Landnutzung sich ändern und deren Auswirkungen für verschiedene Zeitzustände zu untersuchen sind. Hierbei wurde von der Überlegung ausgegangen, dass es effektiver ist, flächenmäßig begrenzte Änderungen durch eine zusätzliche Attributierung dieser Flächen zu berücksichtigen, als die gesamte Datenbasis für verschiedene Zustände zu erstellen.

Die Wirkungsweise dieser Tabelle ist wie folgt. Sofern eine Datei HALDEN.TAB vorhanden ist, werden für Elementarflächen, deren Halden-ID eine Referenzierung einer Zeile in HALDEN.TAB gestattet, die Elementarflächenattribute BODEN-ID, LNUTZ-ID und GEF durch die hier gegebenen Attribute ersetzt. Eine Ersetzung erfolgt aber nur dann, wenn die in der Tabelle HALDEN.TAB angegebenen Attribute einen Verweis auf die entsprechenden Relate-Tabellen BODEN.TAB, LNTZ.TAB bzw. GEF.TAB gestatten. Ist z.B. der Wert -9999 angegeben, so wird das ursprüngliche Attribut beibehalten.

Mit dieser Verfahrensweise ist es möglich, z.B. die Auswirkungen von Haldensanierungen – Aufbringung einer Bodenabdeckung, Minderung der Böschungsneigung, Bepflanzung – auf die hydrologischen Verhältnisse abzuschätzen. Es können aber auch beliebige andere, örtlich begrenzte Änderungen wie die Zunahme der Versiegelungsgrade im Zuge einer Bebauung oder die Folgen einer geänderten Vegetationsbedeckung (z.B. Entwaldung) berücksichtigt werden.

Tabelle 4.5‑6: Struktur der Tabelle HALDEN.TAB

..

+++++++ Relate-Tabellen ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
*HALDEN_TABELLE         ASCII halden_i.tab
HALDEN_IDENTIFIKATION   HALDEN-ID
HALDEN_BEZEICHNUNG      BEZ
HALDEN_BODENFORM        BODEN-ID
HALDEN_NUTZUNG          LNTZ-ID
HALDEN_GEFAELLE         GEF
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 4.5‑16: Steuerdatei EFL.SDF – Abschnitt Sonderstrukturen

4.5.7 Meliorierte Flächen

Für die Abbildung meliorierter Flächen bzw. der dort gebildeten Drainageabflüsse wurde die schon im EFL-Datenmodell enthaltene Kennzeichnung des Meliorationstyp aufgegriffen und als Zeiger auf eine jetzt neu ins Datenmodell integrierte Kennwerttabelle für Drainagen genutzt.

Wird nicht mit einem GW-Strömungsmodell gerechnet, so muss beim Erstellen des GIS_Modells darauf geachtet werden, dass der GW-Flurabstand bei meliorierten Flächen tiefer als die in der meli.tab angegebene Drainagetiefe liegt!

Im Gegensatz zum bisherigen Vorgehen, wird der Drainageabfluss nun separat gehandhabt und nicht mehr dem hypodermischen Abfluss zugeordnet.

4.5.8 Muldenspeicherkapazität

Dem ElementarflächenCover kann analog zum Versiegelungsgrad auch ein Attribut für den Muldenspeicher zugewiesen werden. Der Name des Attributs für den Muldenspeicher wird in der EFL.sdf über das Schlüsselwort Efl_Muldenspeicher dem Programm bekannt gegeben.

Über dieses Attribut kann jetzt je nach örtlichen Reliefgegebenheiten die Muldenspeicherkapazität in mm direkt vergeben werden. Flächen, für die der Muldenspeicher so wie bisher über die Flächennutzung und das Gefälle festgelegt werden soll, sind mit einem Eintrag von -9999. zu kennzeichnen. Analog und damit abwärtskompatibel wird vorgegangen, wenn keine elementarflächenbezogene Muldenspeicherkapazität angegeben wurde (kein Schlüsselwort gefunden oder kein Attribut gebunden).

4.5.9 Wasserflächenanteil

Ähnlich dem Versiegelungsgrad kann den Elementarflächen auch ein Wasserflächenanteil zuzuweisen, um auch diesen Flächentyp angemessen berücksichtigen zu können.

Dazu ist im ElementarflächenCover ein Attribut anzulegen, dass den Wasserflächenanteil (0 … 1) einer Fläche enthält. Ist kein Wert oder ein Fehlwert angegeben, wird der Wasserflächenanteil der betreffenden EFL programmintern auf 0 gesetzt. Lediglich Flächen, die gemäß ihrer Landnutzung Wasserflächen sind, erhalten eine 1 als Wasserrflächenanteil.

In efl.sf ist der Name des Attributes dem Programm bekannt zu geben.

Efl_Wasserflaechenanteil     aw_ant

4.5.10 FLAECHENSTATISTIK

Über das Steuerwort FLAECHENSTATISTIK in der efl.sdf kann eine Analyse der Flächenanteile für alle Klassen der Landnutzungs-, Boden, Grundwasserflurabstands- und Meliorationstabelle erfolgen. Ausgegeben werden für das Simulationsgebiet (Gesamtgebiet oder Teilgebiet, wenn eine Selektion vorgenommen wurde)  in der Datei RelateStat.txt für jede Klasse die ID der Klasse, die Flächensumme aller Elementarflächeninhalte [m³] und der Anteil am Gesamtgebiet [0 … 1].

efl.sdf

################################################################################
INFORMATIONSAUSWAHL
…
FLAECHENSTATISTIK
################################################################################

Nutzungstypen können verwendet werden, um einfacher einer Gruppe von Landnutzungen (z.B. verschiedene Waldtypen) einen Modelltyp oder bestimmte Modellparametrisierungen zuweisen zu können.

Die Nutzungstypen sind als Spalte in der Landnutzungstabelle anzugeben. Folgende Typen werden unterschieden:

Dem Programm wird über den zusätzlichen Eintrag NUTZUNGSTYP im Block NUTZUNG_TABELLE der Datei efl.sdf der Name der Spalte mit den Nutzungstypen mitgeteilt (i.d.R. TYP).

Ist kein Typ angegeben oder stimmt die Typfestlegung nicht mit einer der zugelassenen 7 Typen überein, bricht das Programm mit der Fehlermeldung „Hauptnutzungstyp ist nicht oder falsch definiert (A|F|G|S|W|B|D) !!!“ ab.

4.9.12 Erweiterung der Anschlussarten an die Kanalisation

Die bisher verwendeten Anschlussarten (1 für Misch- und 2 für Trennkanalisation) ordneten den Anteil des Niederschlagsüberschusses PP

  (1)

der auf den versiegelten und angeschlossenen Anteil einer Fläche fällt, dem Kanalisationsabfluss wie folgt zu:

 (2)

mit aimp als Versiegelungsgrad [/] und agrad als Anschlussgrad [/].

Der Niederschlagsüberschuss auf den versiegelten, aber nicht angeschlossenen Flächenanteil

 (3)

bildet gemeinsam mit dem auf natürlichen Flächen durch Infiltrationsüberschuss oder auf gesättigten Flächenanteilen gebildeten Landoberflächenabfluss RO_nat den Landoberflächenabfluss

  (4)

Dieser Landoberflächenfluss RO versickert zum Teil auf dem Weg zum Vorfluter und nur ein Teil des ursprünglich gebildeten Landoberflächenabflusses wird im Vorfluter effektiv abflusswirksam.

 (5)

Die bisherige Vorgehensweise bildete ab, dass ein Teil des Niederschlages auf versiegelten, aber nicht angeschlossene Flächen innerhalb des Teileinzugsgebietes diffus versickerte, ohne dass ein genauer Ortsbezug hergestellt wurde.

Soll eine dezentrale Versickerung innerhalb der Elementarfläche, in der sich die versiegelte Fläche befindet, abgebildet werden, so ist dieser Fläche die Anschlussart 5 zuzuweisen, sofern die Restfläche (1-agrad) * aimp an keine Kanalisation angeschlossen ist. Damit wird der Abfluss auf dieser Restfläche dem Landoberflächenabfluss RO der Elementarfläche zugewiesen und kann mit diesem auf dem Weg zum Vorfluter wiederum zum Teil diffus, d.h. innerhalb des Teileinzugsgebietes versickern.

Wird der Regenabfluss der Restfläche von der Kanalisation gefasst, so ist die Anschlussart auf 51 bzw. 52 (Misch- bzw. Trennkanalisation) zu setzen.

noch nicht realisiert

Sollen dezentrale Versickerungsanlagen (Mulden, Rigolen o.ä.) abgebildet werden, ist diesen Flächen die Anschlussart 4 zuzuordnen.

Flächen, deren Regenentwässerung an Versickerungsanlagen angeschlossen ist, beschicken diese mit dem Zufluss RO_Anl wie folgt:

  (6)

Die Anschlussart dieser Flächen wird nochmals differenziert in Abhängigkeit von der Entwässerung der Restfläche (1-agrad) * aimp.

Ist dieser restliche Flächenanteil nicht angeschlossen, entwässert also diffus, so entspricht dies der Anschlussart 5.

Wird der Regenabfluss der Restfläche von der Kanalisation gefasst, so ist die Anschlussart auf 51 bzw. 52 (Misch- bzw. Trennkanalisation) zu setzen.

Programmintern wird der Zufluss RO_Anl zur Versickerungsanlage zwar berechnet und steht für die betreffenden Flächen auch als Ausgabegröße zur Verfügung, wird aber nicht in die zugeordnete Versickerungsfläche eingeleitet.

Die Beschickung der Versickerungsanlage erfolgt, indem der Niederschlagsüberschuss PP auf die Gesamtfläche A_ges bezogen wird, die sich aus der Fläche der Versickerungsanlage A_Anl selbst und der Summe der angeschlossenen Flächen A_S ergibt. Der Flächenfaktor Fak_A, mit dem PP zu multiplizieren ist, ergibt sich zu:

  (7)

Dieser Faktor ist im pro-processing zu ermitteln und in der GIS-Datenbasis im Anschlussgrad der Versickerungsanlage bzw. der EFL, die diese Versickerungsanlage repräsentiert abzulegen. Versickerungsanlagen sind also einmal durch die Anschlussart 4 und zusätzlich durch einen Anschlussgrad > 1 gekennzeichnet.

4.5.12 Kapillaraufstieg

Über das Rahmenprogramm wird der Kapillaraufstieg gemäß KA4 für geschichtete Böden wie folgt angesetzt und den Abflussbildungsroutinen zur Verfügung gestellt:

1. Es wird die geringste Aufstiegsrate aller Horizonte eines Bodens als die maßgebliche angesetzt.
2. Hinsichtlich der Aufstiegshöhe wird die der untersten Bodenschicht verwendet.

[1]DYCK, S. u. G. Peschke (1995): Grundlagen der Hydrologie. 3. Auflage. Verlag für Bauwesen, Berlin, S. 358.

[2]Die Bezeichnungen dieser Formate sind frei gewählt, entsprechen keinerlei Richtlinien und gelten nur innerhalb dieser Dokumentation.

[3] nur für die Formate KA3 und KA4 notwendig

Für die Beschreibung der Abflusskomponenten von urbanen Flächen kann die Kanalisationsart und der Anschlussgrad an die Kanalisation berücksichtigt werden, wenn diese bekannt sind.

Beide Größen können über die Eigenschaften der Elementarflächen vorgegeben werden (siehe Abbildung 4.5‑2).

Der Grundgedanke dabei ist, die Abflusswirksamkeit bebauter Flächen differenzierter beschreiben zu können, wenn Informationen zum Anschlussgrad vorhanden sind. Abflusswirksam ist nur der auch an die Kanalisation angeschlossene Anteil der versiegelten Flächen. Die nicht angeschlossenen Flächen oder Flächenanteile versickern meist dezentral vor Ort, so dass diese Abflussanteile nicht in den Vorfluter transferiert werden müssen.

Für die programmtechnische Umsetzung wurden folgende Fälle unterschieden:

1. Attribut Kanalisationsart ist nicht belegt (Eintrag fehlt in der EFL.sdf)

So wie bisher wird nur die Abflusskomponente RO belegt. Der Anschlussgrad wird genutzt, sofern er angegeben ist, um den abflusswirksamen Anteil der Versiegelung abzumindern. Ist kein Anschlussgrad angegeben, wird dieser auf 1. gesetzt.

2. Kanalisationsart ist bekannt (1=Misch- oder 2=Trennkanalisation)

Es werden die Angaben zum Anschlussgrad genutzt, um die beiden Abflusskomponenten Misch- und Trennkanalisationsabfluss zu berechnen. Für Flächen mit der Kanalisationsart 9 (nicht bekannt), wird eine Aufteilung des angeschlossenen Anteils zu 10% auf die Misch- und zu 90% auf den Trennkanalisation vorgenommen. Auch hier wird der Anschlussgrad, sofern er nicht angegeben ist, auf 1. gesetzt.

Die Größen der beiden Kanalisationsabflusskomponenten können über die Einträge

MISCHKANALISATIONSABFLUSS
 
TRENNKANALISATIONSABFLUSS

im Block WASSERHAUSHALT der results.ste als Ergebnisse ausgegeben werden.

Diese Möglichkeit kann auch bei unbekannten Kanalisationsverhältnissen genutzt werden, die urban bedingten Direktabflüsse getrennt von den Landoberflächenabflüssen durch Infiltrationsüberschuss oder von Sättigungsflächen auszugeben.

Hydrotopklassen bilden ähnlich wie die im Kapitel 4.8 beschriebenen Regionen keine gesonderten Geometrien und sind somit auch kein eigenes Modellierungscoverage. Hydrotopklassen sind eine Zusammenfassung von Elementarflächen nach Ähnlichkeitskriterien und übernehmen deren Eigenschaften und Verweise auf die Relate-Tabellen des Elementarflächen-Covers. Hydrotopklassen bilden alternativ zu Elementarflächen die Modellierungsebene für die Abflussbildungsprozesse.

Die Programmkomponente HYD ermöglicht eine variable Zusammenfassung von Kombinationen der Elementarflächeneigenschaften zu Hydrotopklassen.

Die Steuerung erfolgt über die beiden Beschreibungsdateien EFL_HYD und HYD (Verzeichnis DESCRIBE).

Die Klassifizierung erfolgt in zwei Teilschritten:

– Vorklassifizierung der Elementarflächen,

– Zuordnung der Elementarflächen zu Hydrotopklassen.

Dabei werden die im Cover EFL abgelegten GIS-Informationen analysiert.

4.7.1 Vorklassifizierung der Elementarflächen

Die Elementarflächen können in der GIS-Datenbasis, je nach verwendeter Ausgangsdatenbasis, unterschiedliche Differenzierungen in den einzelnen Eigenschaften besitzen. So kann die verwendete Bodenkarte wie auch die Landnutzungskarte unterschiedlich differenziert in Boden- bzw. Landnutzungsklassen sein. Während eine Karte den Wald differenziert in Laub-, Misch- und Nadelwald, kann in einer anderen keine oder eine noch feinere Untergliederung erfolgen. Mit diesen unterschiedlichen Differenzierungen sind naturgemäß auch unterschiedliche Attributierungen verbunden.

Die Vorklassifizierung der Elementarflächen dient einer gewissen Vereinheitlichung der Datenbasis. Diese Vorklassifizierung hätte auch bei der Erstellung der GIS-Datenbasis durch die Einführung zusätzlicher Attribute berücksichtigt werden können. Da eine Vereinheitlichung nur dann benötigt wird, wenn auf der Basis von Hydrotopklassen gearbeitet werden soll, wurde diese direkt ins Programm integriert.

In welcher Form diese Vorklassifizierung abläuft, kann projektspezifisch über die Steuerdatei GIS\DESCRIBE\EFL_HYD.SDF festgelegt werden. In Abbildung 4.7‑1 ist ein Beispiel dieser Steuerdatei gegeben.

Nach der Kopfzeile mit dem Schlüsselwort ELEMENTARFLAECHEN-KLASSIFI­ZIERUNG werden die Anweisungen zur Klassifizierung in n Zeilen gegeben.

Jede Anweisungszeile beginnt mit einem frei wählbaren Klassenbezeichner.

Es folgt ein Schlüsselwort zur Kennzeichnung des zu betrachtenden Attributs innerhalb der GIS-Datenbasis. Die in Tabelle 4.7‑1 aufgeführten Schlüsselwörter stehen dafür zur Verfügung.

Tabelle 4.7‑1: Schlüsselwörter zur Attributbezeichnung

Im Rahmen der Elementarflächenklassifizierung folgen nun Angaben über die Realisierungen für das jeweilige Attribut. Verwendet werden können zur Festlegung des Wertevorrats der Attributrealisierungen innerhalb einer Zeile jeweils genau eines der folgenden Zeichen

= gleich,

! ungleich bzw. nicht,

< kleiner > größer.

Reicht dies nicht aus zur Festlegung des Wertevorrats eines Attributs, können weitere Zeilen eingeführt werden, die dann natürlich mit einem anderen Klassenbezeichner beginnen müssen.

Abbildung 4.7‑1: Steuerdatei EFL_HYD.SDF

Sollen verschiedene Elementarflächenattribute zur Bildung einer Klasse verwendet werden, so erfolgt dies analog, also in verschiedenen Zeilen. In obigem Beispiel wurde z.B. als Bodenkarte die MMK verwendet, so dass für Waldstandorte keine Bodeninformationen vorlagen. Da unterschiedliche Karten bzgl. der gleichen Informationen selten passfähig sind, im Rahmen der Flächenverschneidung deshalb mit Problemen wie Splitterpolygonen oder Attributwidersprüchen (Landnutzungs-ID ist Wald, aber Bodeninformationen vorhanden, obwohl Wald in der Bodenkarte ausgespart wurde) erfolgt hier eine zusätzliche Anweisung, die entsprechende Elementarfläche der Klasse Wald zuzuordnen.

Sehr wichtig für die nachfolgend beschriebene Hydrotopklassenbildung ist die Reihenfolge, in der die Klassenbezeichner angegeben werden. Wie noch erläutert werden wird, sollte der zuletzt angegebene Klassenbezeichner immer die Wasserflächen erfassen.

Im folgenden Auszug aus einer efl_hyd.sdf sind rot die Einträge gekennzeichnet, die bei der Hydrotopzuordnung zu Problemen führen können, da Einträge doppelt vergeben sind.

Abbildung 4.7‑2: Auszug aus der EFL_HYD.SDF

Günstiger ist es hier z.B. die über die Nutzung 12 kodierten Feuchtstandorte auch einen separaten Bezeichner FEUCHT zu kennzeichnen. Außerdem besteht keine Notwendigkeit, verschiedene Nutzungstypen, die Verkehrsflächen beinhalten, in verschiedenen Zeilen zu halten. Die bessere efl_hyd.sdf ist im folgenden Beispiel dokumentiert.

Abbildung 4.7‑3: verbesserter Auszug aus der Steuerdatei EFL_HYD.SDF

4.7.2 Zuordnung der Elementarflächen zu Hydrotopklassen

4.7.2.1 Programminterne Hydrotopklassenzuordnung

Auf der Basis der Vorklassifizierung erfolgt die Bildung der Hydrotopklassen, die über die Steuerdatei HYD beeinflusst werden kann.

Diese Datei (vgl. Abbildung 4.7‑4) beginnt mit dem Schlüsselwort HYDROTOP­KLASSEN­ZUORDNUNG. Jede der nachfolgenden Zeilen definiert die Eigenschaftskombination genau einer Hydrotopklasse.

HYDROTOPKLASSENZUORDNUNG /* nur 'und'-Verknuepfungen !!!*/
Agw  WALD !HANG !GW_NAH
Agl  !WALD !HANG !GW_NAH
AHw  WALD HANG !GW_NAH
AHl  !WALD HANG !GW_NAH
Anw  WALD !HANG GW_NAH
Anl  !WALD !HANG GW_NAH
AM   MELIO
AIMP BEBAUT
AHAL HALDE
AEW  EW_TG
AW   WASSER
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 4.7‑4: Hydrotopklassenzuordnung in der Steuerdatei HYD

Jede Klasse beginnt wieder mit einer frei wählbaren Hydrotopklassenbezeichnung. Einzige Ausnahme ist die Vorschrift, dass ‘N’als zweiter Buchstabe grundwassernaher Hydrotope kennzeichnet. Anschließend erfolgt die Angabe der einzubeziehenden oder auszuschließenden (ausgedrückt über „!“ für nicht) Elementarflächenklassen. So bedeutet beispielsweise der erste Eintrag, dass die Hydrotopklasse Agw aus allen Waldstandorten gebildet werden soll, wenn diese eben bzw. nicht Hang und grundwasserfern bzw. nicht grundwassernah sind.

Als eigene Hydrotopklasse sind Wasserflächen auszuweisen, weil diese aufgrund ihres besonderen Verdunstungsregimes modelltechnisch separat behandelt werden.

In früheren EGMO-Versionen waren die (voll) versiegelten Flächen AIMP eine weitere Hydrotopklasse, die immer separat auszugliedern war. In ArcEGMO wird jetzt prinzipiell für jede Hydrotopklasse ein Versieglungsgrad gemäß den Angaben zur Versieglung in der Landnutzungstabelle (s. Tabelle 4.5‑2) ermittelt. Damit ist eine sehr große Variabilität gegeben, weil die zu derselben Landnutzung gehörenden Vegetationsparameter sich dementsprechend auf den nicht versiegelten Anteil dieser Landnutzungseinheit beziehen. Nachteilig wirkt sich bei dieser Vorgehensweise insbesondere in großräumigen Modellanwendungen aus, dass so nur noch schwer die räumliche Verteilung der Direktabflussbildung adäquat ausgewiesen werden kann. Dies lässt sich mit der Einführung einer gesonderten Hydrotopklasse für bebaute bzw. teilversiegelte Flächen (Bezeichnung hier wieder ‘AIMP’) umgehen.

Die Anzahl der Hydrotopklassen, die so festgelegt werden können, ist beliebig. Sie wird über die Anzahl der Anweisungszeilen bzw. Einträge festgelegt.

Es ist wichtig, sich im Vorfeld Gedanken über die möglichen Eigenschafts­kombinationen zu machen. So kann im unteren Beispiel eine meliorierte Fläche (AM – MELIO) durchaus gleichzeitig grundwassernah, eben und landwirtschaftlich genutzt sein, also auch der Hydrotopklasse ANl zugeordnet werden.

Wie die Zuordnung erfolgen soll, wird über die Reihenfolge der Anweisungszeilen gesteuert. Nachfolgende Anweisungen überschreiben Zuordnungen, die in vorangegangenen Anweisungen getroffen worden sind. Deshalb ist die Reihenfolge der Anweisungen und die Art der Zuordnungsdefinition entscheidend. Ist im vorangegangenen Beispiel in Abbildung 4.7‑4 nicht AW (Wasser), sondern AH (Hang) der letzte Eintrag, können Wasserflächen, denen im Zuge der Verschneidung mit dem Höhenmodell formal ein Gefälle zugeordnet wurde, den Hangflächen zugewiesen. Dies führt dann zu Problemen bei der Ermittlung der Parameterparameter für die Hydrotopklasse Hang.

So erscheint auf den ersten Blick die in Abbildung 4.7‑5 gegebene Zuordnungen des obigen Beispiels besser gerecht zu werden und vor allem eindeutiger formuliert zu sein. Allerdings werden hiermit z.B. meliorierte Waldflächen nicht eindeutig zugeordnet. Ob diese real existieren oder nur im Zuge der Flächenverschneidung als Attributierungsfehler entstanden sind, sei dahin gestellt. Deshalb ist die in Abbildung 4.7‑4 angeführte Zuordnung besser geeignet, eine Hydrotopklasse melioriertzu selektieren, weil sie unabhängig von allen vorangegangenen Klassifikationen diese überschreibt, sowie das Meliorationskriterium erfüllt ist.

ANl  !WALD !HANG GW_NAH !MELIO
AM   !WALD !HANG GW_NAH MELIO

Abbildung 4.7‑5 : Alternative Hydrotopklassenzuordnung

Alle Elementarflächen, für die keine der angegebenen Eigenschaftskombinationen zutrifft, verbleiben automatisch in der ‘ranguntersten’Hydrotopklasse. Deshalb ist es wichtig, mögliche Informationslücken in der Datenbasis (z.B. Bereiche unbekannter Flächennutzung) zu kennen, weil für solche Flächen keine gesteuerte Zuordnung erfolgen kann. Es kann lediglich erreicht werden, dass die wahrscheinlichste Hydrotopklasse für diese Fälle als erste angegeben wird und so letztlich doch eine plausible Zuordnung erreicht wird.

Näherer Erläuterung bedarf der Begriff Rang im Zusammenhang mit der Hydrotopklassenfestlegung.

Programmintern wird jede Hydrotopklassendefinition über eine Integer-Zahl beschrieben, in der jeder Elementarflächenklasse (Wald, Wasser … s. Abbildung 4.7‑1) genau ein Bit zugewiesen wird. Die Reihenfolge der Bits wird gemäß dem ersten[2] Auftreten jedes Klassenbezeichners vergeben und zur Kontrolle in der Datei ARC_EGMO.TXT unter dem Eintrag Rangfolge der definierten Elementarflaechenklassifizierungenprotokolliert. Jede Hydrotopklassendefinition ergibt sich dann als Eigenschaftskombination (Wald, !Hang … s. Abbildung 4.7‑4) und damit als Folge von gesetzten oder nicht gesetzten Bits, die letztlich eine eineindeutige Beschreibung in Form die erwähnte Integer-Zahl ergeben. Die Größe dieser Zahl wird damit vorrangig durch die Reihenfolge bei der Angabe der Klassenbezeichner für die Elementarflächenklassifizierung bestimmt. Über die Größe dieser Zahl wird der Rang bei der Abarbeitung bestimmt, d.h. bei der Prüfung, ob eine Elementarfläche zu einer Hydrotopklasse gehört, wird die Prüfung bei den rangniedrigsten Klassen begonnen und hin zu den höheren fortgesetzt. Es erfolgt kein Abbruch, wenn eine Zuordnung erfolgreich war. Daraus resultiert, dass Elementarflächen, die zu verschiedenen Hydrotopen passen, der letzten bzw. ranghöchsten Klasse zugewiesen werden. Elementarflächen, die keiner Hydrotopklasse zugewiesen werden konnten, verbleiben in der niedrigsten Hydrotopklasse.

In Abbildung 4.7‑6 wird ein sehr einfaches und deshalb anschauliches Beispiel für eine Hydrotopklassendefinition gegeben. Im Rahmen der Vorklassifizierung werden die Elementarflächen durch das Setzen des 0.- bzw. 1. Bits gekennzeichnet, die gemäß ihrer Landnutzung Acker- oder Wasserflächen sind. Bei der Hydrotopeinteilung werden alle Ackerflächen der Klasse Afa, alle nicht landwirtschaftlich genutzten Flächen der Klasse Afw zugeordnet. Sofern eine Fläche als Wasserfläche gekennzeichnet wurde, wird sie dem Hydrotop AW zugeordnet, wobei eventuell vorher vorgenommene Zuordnungen überschrieben werden.

Sofern Elementarflächen keiner der vorgegebenen Hydrotopklassen zugeordnet werden konnten, werden sie der Klasse Afw mit dem Rang ‘0’ zugewiesen. Der Rang ergibt sich aus der Reihenfolge der Festlegungen bei der Elementarflächenklassifizierung (Acker – Bit 1, Wasser – Bit 2) und aus dem Setzen oder Nichtsetzen der einzelnen Bits (Nicht-Wald – Bit 1 nicht gesetzt à Rang 0).

Da in umfangreicheren Hydrotopklassendefinitionen die Vorabschätzung der rangniedrigsten Hydrotopklasse und damit des „Sammlers“ für nicht zuordenbare Elementarflächen schwierig sein kann, wird die Rangfolge der Hydrotopklassen in der Protokolldatei ARC_EGMO.STE ausgedruckt.

Inhalt     Efl_Hyd.sdf
ACKER      NUTZUNG = 3
WASSER     NUTZUNG = 5
Inhalt     Hyd.sdf
AFa        ACKER
AFw        !ACKER
AW         WASSER
 
Protokollausdruck in ARC_EGMO.TXT
 
Rangfolge der definierten Elementarflaechenklassifizierungen
 
0 ACKER
1 WASSER
 
Rangfolge der definierten Hydrotopklassen
 
AFw 0
AFa 1
AW 2

Abbildung 4.7‑6 : Beispiel zur programminternen Hydrotopzuordnung

Die Zuordnung der Elementarflächen zu ihrem Raumbezug (Kaskadensegment, Teilgebiet, Region, Gesamtgebiet) und zu einer Hydrotopklasse wird in der Datei EFL_<RB>.HYD im RESULTS-Verzeichnis gespeichert und kann unter Nutzung von ArcView visualisiert werden. Diese Datei ist außerdem notwendig, wenn hydrotopklassenbezogene Wasserhaushaltsergebnisse in ihrer räumlichen Verteilung visualisiert werden sollen.

Die folgende Abbildung zeigt einen Auszug aus einer solchen Datei. Die Raumbezüge für die Hydrotopklassen sind Teilgebiete, die über ihre tg-id referenzierbar sind. Die Zuordnung zu den Elementarflächen erfolgt ebenfalls über ihre ID. Jeder Elementarfläche ist der Name des Hydrotopklasse hyd_name und die Hydrotopklassenidentifikation hyd-id zugeordnet. Die hyd-id beruht auf einer fortlaufenden Nummerierung der belegten Hydrotopklassen aller Raumbezüge. Der Wertebereich dieser ID’s ist damit kleiner bis max. gleich der Anzahl der Raumbezüge (hier Anzahl der Teileinzugsgebiete) * Anzahl der Hydrotopklassendefinitionen. Über die hyd-id ist die Verknüpfung der hydrotopklassenbezogenen Wasserhaushaltsergebnisse mit der Elementarflächengeometrien möglich.

efl-id,hyd_name,tg-id,hyd-id
1,     AFw,     56,   1
2,     AFw,     56,   1 
...
7987,  AFa,     40,   29
7988,  AFa,     42,   26

Abbildung 4.7‑7 : Auszug aus einer Datei EFL_<RB>.HYD

Die Datei ant_<RB>.hyd (s. Abbildung 4.7‑8 ) enthält die Flächenanteile der einzelnen Hydrotopklassen an der Fläche ihres übergeordneten Raumbezuges (z.B. Teileinzugsgebietes) und ist damit vor allem für die Plausibilitätskontrolle der Hydrotopklassifizierung und die Ergebnisbewertung hilfreich.

tg AFw   AFa   AW
56 0,276 0,719 0,004
9  0,483 0,517 0,000
11 0,530 0,465 0,005
...

Abbildung 4.7‑8 : Auszug aus einer Datei ant_<RB>.HYD

4.7.2.2 Hydrotopdirektzuweisung

Alternativ dazu sind die Hydrotopklassifizierungen auch im GIS per Hand möglich. Diese Vorgehensweise bewährt sich, wenn eine Vielzahl von Hydrotopklassen entstehen, wie es bei einer Hydrotopklassenzuordnung mit Berücksichtigung von Höhenstufen meist nicht zu umgehen ist.

Hier werden folgende Spalten in der EFL-Attributdatei angelegt und bei entsprechendem Kriterium z.B. GW_nah der entsprechende Buchstabe als Zellenwert eingetragen.

Danach werden die Spalten Hang, GW_fern, GW_nah, Wasser und Siedlung zu einer Spalte (Spalte 1) zusammengefügt. Hier liegt das Ausschlussprinzip vor, d.h. es dürfen keine Flächen doppelt belegt sein. Die Spalten Wald und Freiland werden zur Spalte 2 zusammengefasst. Die Spalte 3 gibt die Höhenklassen vor.

Die Hydrotopklassen(bezeichner) werden nun durch das Verknüpfen der Spalten gebildet, und Buchstabe A vorangestellt.

Hydrotopklasse = A + Spalte 1 + Spalte 2 + Spalte 3

Bsp. ANw950 = A + N + w + 950

Somit charakterisiert die Hydrotopklasse ANw950 grundwassernahe Waldflächen in der Höhenklasse 950 m.

In der Hyd.sdf werden im Block HYDROTOPDIREKTZUWEISUNG sämtliche Hydrotoptypen mit ihrem Namen (dieser wird z.B. zur Festlegung der Abflusskomponenten benötigt) und dem zugeordneten Wert des Schlüsselattributes (eindeutige ID als Nummer) aufgelistet. Diese Liste kann mehr Hydrotoptypen enthalten, als im konkreten Untersuchungsgebiet vorkommen, aber nicht weniger. Zur Ermittlung der real vorkommenden Hydrotoptypen und ihrer Kennzeichnung mit einer eindeutigen Nummer erweisen sich gerade bei sehr komplexen Hydrotopdefinitionen mit vielen Kombinationen verschiedener Eigenschaftsklassen die Xtools (kostenlose ArcView-Extension) als sehr hilfreich (für Tabellen mit dem Menü-Punkt „Summarize multiple fields“).

Bei Verwendung der Hydrotopdirektzuweisung wird die efl_hyd.sdf nicht mehr benötigt. Ebenso kann der Block HYDROTOPKLASSENZUORDNUNG in der hyd.sdf entfallen.

Wie immer ist auch hier nicht zu vergessen, dass in der modul.ste die Hydrotopklassen den einzelnen Abflusskomponenten zuzuweisen sind.

###########################################################################
TESTDRUCK
HYDROTOPDIREKTZUWEISUNG
AFf100  12
AFf1000 199
AFf1050 184
AFf1100 215
AFf1150 213
....
AW950 178

Abbildung 4.7‑9: hyd.sdf

Die so erstellten Hydrotopklassen müssen jetzt den Elementarflächen über das Schlüsselattribut HYDROTOPE (Integer-Wert) zugewiesen werden. Über die Efl.sdf wird dem Programm der Name des Schlüsselattributs mitgeteilt.

HYDROTOP_ZUORDNUNG Hyd

Abbildung 4.7‑10: Efl.sdf

Beispiel

In Abbildung 4.7‑11 ist am Beispiel des Einzugsgebietes der Oberen Stör eine mögliche Aggregierung von Elementarflächen zu 3, 4 und 7 Hydrotopklassen dargestellt. Das Beispiel verdeutlicht die unterschiedlichen Möglichkeiten für eine Zusammenfassung (Aggregierung) von Teilflächen zu Hydrotopklassen unter ArcEGMO, entsprechend den ausgewählten, unterschiedlich kombinierten Elementar­flächen­eigen­schaften.

Im Rahmen einer Sensitivitätsstudie wurde untersucht, wie sich unterschiedliche Hydrotopklasseneinteilungen (Art und Anzahl) auf den Gesamtabfluss auswirken. Die Simulationsrechnungen wurden auf der Basis der in der folgenden Tabelle angegebenen Klassifizierungen in 2 bis 9 Hydrotopklassen durchgeführt. Bei den mit den zwei Hydrotopklassen „grundwasserfern“ und „grundwassernah“ durchgeführten Simulationen zeigte sich sofort, dass die Nichtberücksichtigung der Klasse Siedlungen, Straßen etc.“ (teilversiegelte Flächen) zu erheblichen Abweichungen in der Abflusssimulation führt. Grund dafür ist der Wegfall des Direktabflusses von diesen Flächen, die immerhin 7.3% der Gesamtfläche ausmachen.

Deshalb wurde eine Basis-Unter­teilung in die drei Klassen „grund­wasserferne Flächen“, „grund­was­ser­nahe Flächen“ und „teilver­siegelte Flächen“ (wie Siedlungen, Straßen etc.) vorgenommen. Das Untersuchungs­gebiet wurde dann durch weitere Unterteilungen dieser Klassen oder durch das Hinzufügen neuer Klassen in bis zu 9 Hydrotopklassen untergliedert. Durch den Vergleich der beobachteten mit den berechneten Abflusszeitreihen konnte dann beurteilt werden, welche Untergliederungen akzeptabel sind bzw. welche Zusammenfassungen zu keinen unvertretbaren Genauig­keitseinbußen bei der Abflusssimulation führen.

Abbildung 4.7‑11: Aggregation von Elementarflächen zu 3, 4 und 7 Hydrotopklassen am Beispiel des Einzugsgebietes der Oberen Stör.

Tabelle 4.7‑2: Räumliche Aggregierung des Einzugs­gebietes der Oberen Stör in 2 bis 9 Hydrotopklassen.

Abbildung 4.7‑12 : Räumliche Verteilung von Wasserhaushalts­kompo­nenten im Einzugsgebiet der Oberen Stör (Simulationsrechnungen auf der Basis von 4 Hydrotopklassen)

[1]wird derzeit nicht ausgewertet

[2] Für Klassenbezeichner waren Mehrfachnennungen möglich.

Ähnlich wie die Hydrotopklassen bilden Regionen keine gesonderten Geometrien und sind somit auch kein eigenes Modellierungscoverage. Sie sind lediglich eine Zusammenfassung von Teileinzugsgebieten zu größeren Einheiten (z.B. Flussgebieten). Bei den Hydrotopklassen wurden Elementarflächen nach Ähnlichkeitskriterien und damit ortsunabhängig zusammengefasst, was im Ergebnis zu Flächenanteilen innerhalb größerer Einheiten (Teileinzugsgebiete, Kaskadensegmente etc.) führt. Bei der Bildung von Regionen werden nun kleinere Teileinzugsgebiete zu größeren Einzugs- oder Flussgebieten zusammengefasst und somit ortsabhängig behandelt.

Regionen wurden eingeführt, um insbesondere bei großräumigen Modellierungen auch mit detaillierten Datenbasen eine Beschränkung auf das Wesentliche zu ermöglichen. So können lokale Probleme bei der Festlegung von Abflussrichtungen in kleinen Vorflutern im ebenen Tieflandsbereich vernachlässigt werden, wenn nur die Abflussrichtung der Region bekannt ist.

Mit der Möglichkeit, Regionen zu bilden, sollen außerdem multiskalige und/oder genestete Modellierungen unterstützt werden, bei denen z.B. basierend auf einer zumindest partiell hochaufgelösten Datenbasis Zusammenfassungen zu Regionen vorgenommen werden können. Damit kann dann z.B. das Gesamtgebiet (Elbe) in wenige (z.B. 50) Teilgebiete untergliedert modelliert werden, die detaillierteren Teilbereiche können mit hochauflösenden Teilmodellen beschrieben werden, z.B. um spezielle Teilprozesse validieren zu können.

Als Voraussetzung für Modellierungen auf der Basis von Regionen ist die Erweiterung der in Kapitel 4.2 beschriebenen Struktur der Attributtabellen der Teileinzugsgebiete um ein Attribut zur Kennzeichnung der Region und ein Attribut zur Kennzeichnung des Unterliegers. Die Bezeichnungen dieser Attribute wird ArcEGMO über die Schlüsselwörter MODELL_REGION und REGION_ULIEGER in der Beschreibungsdatei DESCRIBETG mitgeteilt (s. Abbildung 4.8‑1 ). Die Angabe der Unterliegerregion ist optional. Wird sie nicht angegeben, erfolgt die Abflussverknüpfung der Regionen programmintern, wobei entweder die Unterliegerbeziehungen der Teileinzugsgebiete oder die der Gewässerabschnitte genutzt werden oder, sofern keinerlei explizite Angaben erfolgen, versucht ArcEGMO eine Ableitung direkt aus den Beziehungen der Gewässerarcs zueinander.

MODELL_REGION        RegID   /* RegionID */
REGION_ULIEGER       Uli_Mod /* Bezug auf PolygonID !!! */

Abbildung 4.8‑1 : Auszug aus der Steuerdatei TG

Für die Modellrechnungen werden Regionen so wie andere Raumbezüge behandelt und über die Hauptsteuerdatei ARC_EGMO.STE über die Kennung REG deutlich gemacht.

Ein Grund für die Einführung von Modellregionen war die Notwendigkeit, insbesondere bei großräumigen Modellanwendungen effektivere Wege für den Aufbau des GIS-Datenmodells als Voraussetzung für eine Modellierung zu finden.

Dies trifft in erster Linie auf den Teil der Datenbasis zu, der vorrangig der Abbildung der Abflusskonzentration dient, also die Cover Fließgewässer FGW und Teileinzugsgebiete TG (natürlich auch auf das Cover KAS der Kaskadensegmente). Hier ist eine manuelle Eingabe einer Reihe von Raumverknüpfungen erforderlich, da über Oberlieger-Unterlieger-Beziehungen vorzugeben ist, wie sich der Abfluss von Teilfläche zu Teilfläche letztlich ins Gewässer konzentriert wird und dort von Abschnitt zu Abschnitt das Gewässernetz durchläuft.

Im bisherigen Datenmodell war eine eineindeutige Zuordnung zwischen Gewässer und Einzugsgebiet erforderlich. Um diese Eineindeutigkeit zu erreichen ist oft ein Ausdünnen des i.d.R. wesentlich dichter vorliegenden Gewässernetzes notwendig, womit ein großes Maß an Subjektivität in die Modellbildung eingebracht wird. Gleichzeitig werden hiermit Informationsverluste z.B. über die Gewässernetzdichte erzeugt. Zum anderen steigt besonders bei großräumigen Modellanwendungen der manuelle Aufwand für die Datenaufbereitung.

Neben diesen Problemen bei der erstmaligen Erstellung des Datenmodells ist natürlich jede spätere Änderung, sei es eine Verfeinerung der Teilgebietsstrukturen oder eine Vergröberung, mit einer kompletten Neuermittlung der Raumverknüpfungen verbunden.

Durch die Einführung des Regionenkonzepts wird das bisherige GIS-Datenmodells in der Form erweitert, dass jetzt auch eindeutige Zuordnungen verarbeitet werden können (mehrere Gewässerabschnitte pro Region oder auch pro Teileinzugsgebiet). Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt in der direkten Nutzung der in topographischen und hydrographischen Karten vorgegebenen Gewässerstrukturen und klassisch ausgegrenzten Einzugsgebieten. Beide liegen in verschiedenen Institutionen in unterschiedlicher Auflösung meist schon digital vor.

Mit diesem Ansatz sollen vorrangig folgende Ziele verfolgt werden:

1. Anpassung der zu verwendenden GIS-Datenstruktur an die aktuellen Projekterfahrungen mit hydrologischen Modellanwendungen und Integration von Hierarchieebenen hydrologischer oder administrativer Einzugsgliederungen (Strahler, Horton, LAWA …) in die Datenbasis. Zielstellung dabei ist es,

· Aufbereitungsschritte einzusparen, die sich aus dem restriktiven Charakter des bisherigen Datenmodells ergeben haben (z.B. Notwendigkeit, ein komplexes Gewässernetz auszudünnen, um eineindeutige Zuordnungen realisieren zu können),

· den potentiellen Informationsgehalt eines gegebenen Gewässernetzes so umfassend wie möglich zu nutzen, ohne mit der Modellierung auf die Einzelstrukturen zurück gehen zu müssen (letztlich Ableitung effektiver Parameter)

Im Einzelnen wird ArcEGMO dahingehend erweitert, dass eine Reihe bisher explizit vorzugebender Attribute in Zukunft programmintern ermittelt werden können. Sind diese Attribute durch das GIS-gestützte Preprocessing bestimmt, werden sie so verwendet. Das betrifft insbesondere die Attribute FGW-ID im Cover TG, ULIEGER in TG und FGW, X-Coord, Y-Coord und Höhe in allen Covern außer EFL.

2. Erstellung eines verbesserten bzw. an die geänderten Datenstrukturen angepassten Abflusskonzentrationsansatzes für das Gewässernetz

Für die modellmäßige Umsetzung des erweiterten Datenmodells bei der Beschreibung der Abflusskonzentration im Gewässernetz werden die Informationen sämtlicher Gewässerabschnitte eines Einzugsgebietes zu effektiven Parametern (z.B. mittleres Gewässergefälle, Gewässerdichte oder Gesamtgewässerlänge des übergeordneten Einzugsgebietes oder der Region) zusammengefasst, die integral das Abflussverhalten dieses Einzugsgebietes beschreiben. Unter Nutzung dieser effektiven Gewässerparameter kann letztlich die Abflusskonzentration im Gewässer wie bisher beschrieben werden, ohne die Informationsverluste beim Ausdünnen in Kauf nehmen zu müssen.

Beispiel

Die Notwendigkeit, zu größeren Modellierungseinheiten zu kommen, wird noch einmal in Abbildung 4.8‑2 verdeutlicht, in der das Gewässernetz der Stepenitz [Einzugsgebiet ca. 1200 km²] dargestellt ist. Eine Ausgrenzung seines Einzugsgebietes für jeden kleinen Gewässerabschnitt, um eine eineindeutige Zuordnung Teileinzugsgebiet -> Gewässer zu gewährleisten, wäre kaum möglich. Zudem besitzen, zumindest in der verwendeten Grunddatenbasis, eine Reihe von Gewässerabschnitten keinen Anschluss an das Hauptentwässerungssystem. Gleichwohl weist das dichte Gewässernetz auf enge Wechselwirkungen zwischen Grund- und Oberflächenwasser hin und ist ein Maß für die Speicherkapazität bzw. die Dynamik des Gebietes – alles Informationen, die für die Modellierung genutzt werden sollten.

Bildet man nach dem Strahler-Konzept eine Gewässerhierarchie wie in Abbildung 4.8‑2 , so wäre damit eine praktikable Möglichkeit zur Ausdünnung des Gewässernetzes gegeben, indem z.B. nur noch Gewässer ab der 4. Ordnung betrachtet werden. Damit sind allerdings beträchtlichen Informationsverlusten verbunden.

Der bessere Weg für großräumige Modellanwendungen besteht in der Ausgrenzung der Einzugsgebiete z.B. für die Gewässer ab 4. Ordnung unter Beibehaltung des kompletten Gewässernetzes und einer Modellierung auf TG-Basis.

Die Vorzugsversion ist allerdings die Ausgrenzung von Teileinzugsgebieten in einer Detailliertheit, die auch kleinräumige Modellierungen gestattet, also z.B. für Gewässer ab der 2. Ordnung. Für großräumige Modellanwendungen können dann in einem hierarchisch gegliederter System wie hier nach Strahler – eine Alternative wäre eine Flächengliederung gemäß LAWA-Richtlinie[1]– sehr variabel Regionen durch eine Zusammenfassung von Teileinzugsgebieten z.B. bis zur n. Ordnung gebildet werden, ohne das die Basisgeometrien geändert werden müssen.

Abbildung 4.8‑2 : Gewässernetz der Stepenitz [1200 km²]

[1] Richtlinie für die Gebietsbezeichnung und die Verschlüsselung von Fließgewässern – Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) 1993

5.1 Einführung
5.2 Klimadaten
5.3 Hydrologische Daten
5.4 Zeitfunktionen in ArcEGMO zur Bewirtschaftung
5.5 Externe Grundwasserzuflüsse
5.6 Zeitvariante Daten -> relate Zeitfunktionen

Zusätzlich zu den raumbezogenen Eingangsdaten, aus denen das GIS-Datenmodell aufgebaut wird, sind die zeitbezogenen Eingansdaten für die Abbildung der zeitlichen Dynamik über den Modellierungszeitraum wichtig. Vor allem sind die meteorologischen Zeitreihen grundlegende Eingangsgrößen, da die Verfügbarkeit ihrer Zeitreihen, den möglichen Modellierungszeitraum bestimmen.

Allen zeitlichen Informationen muss aber zusätzliche auch ein Raumbezug zugeordnet werden, über den dem Gesamtmodell mitgeteilt wird, welche räumliche Ausprägung bestimmte zeitliche Variabilität haben. So sind die meteorologischen Zeitreihen über die X-Y-Koordinaten ihrer jeweiligen Messstation und die Pegelstandorte z.B. über die Fließgewässer-IDs der jeweiligen Gewässerabschnitte räumlich zuzuordnen. Der Verweis sowohl auf die räumliche als auch auf die zeitliche Datenbasis erfolgt über die Dateien: METEOR.ste, HYD_DATA.ste, BW_DATA.ste, GW_DATA.ste in denen die Namen der entsprechenden Describe – Dateien (zur Definition der Datenstruktur) angegeben werden.

Die zeitbezogenen Eingangsdaten lassen sich wie nach ihrer programmtechnischen Einbindung wie folgt unterteilen:

1. Meteorologische Zeitreihen: (Kapitel 5.2)
2. Hydrologische Zeitreihen: Pegelzeitreihen, Abflussnachführung, Fremdwasserzufluss (Kapitel 5.3)
3. Bewirtschaftung: Einspeisungen, Entnahmen, Überleitungen (Kapitel 5.4)
4. Berücksichtung externer Grundwasserzuflüsse (Kapitel 5.5)
5. Zeitliche Veränderungen im Raum: Landnutzung, Flurabstände, Veränderungen an Gewässerpunkten (Kapitel 5.6)

Die Zeitreihen sind als ASCII-Tabellen unter dem Verzeichnis Zeit.dat in dem jeweiligen Ordner zu hinterlegen. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Zeitbezug vorzugeben. Einerseits kann eine getrennte Datumsvorgabe über die Spalten „JAHR“ bis „MINUTE“ vorgenommen werden, worüber die Spalten in den Datentabellen erkannt werden, sofern sie vorliegen. Die Art der zeitlichen Diskretisierung der Daten wird über den Attributnamen der 1. Spalte in der Datentabelle festgelegt (Y für Jahr und Termin in den folgenden Abbildungen). Wenn auf zwei oder mehr zeitbezogenen Spalten zugegriffen werden soll, müssen die kleineren Zeiteinheiten in der Termintabelle immer links stehen, da andernfalls ein größerer Zeitschritt angenommen wird. Andererseits kann aber auch ein achtstelliges Datum „Termin“ eingelesen werden. Hier wird der Termin als eine Zeichenkette eingelesen und erst programmintern in die Bestandteile Tag bis Jahr aufgesplittet. Diese Datenstruktur ist identisch mit dem Exportformat ‘*.TXT’ von Excel. Zu beachten ist, dass die Terminangabe eine geschlossene Zeichenkette darstellt, d.h. statt 1. 1.1980 ist stets 01.01.1980 zu schreiben! Die Zuordnung der Spaltennamen erfolgt in der Strukturdefinitionsdatei …zeit.dat\describe\<XX>_data.sdf. Das sind die Dateien MET_data.sdf, BW_data.sdf, HYD_data.sdf, GW_Data.sdf und relates.sdf.

Für den Zeitbezug der Relate-Tabellen (z-Relate) ist es auch möglich, Mittelwerte, mittlere Monatswerte (M = 1-12) oder einen mittleren Jahresgang in Tagesnummern (TN 0 1-365) vorzugeben. Welche Zeitfunktionen für welche Tabellen verwendet werden können, zeigt die Übersicht in Tabelle 5.1‑1.

Tabelle 5.1‑1: Datenformate, die in den Strukturdefinitionsdateien für die Zeitdaten vorgegeben werden können

Beispiele für verschiedene Zeitvorgaben sind in Abbildung 5.1‑1 bis Abbildung 5.1‑3 dargestellt.

Abbildung 5.1‑1: Zeitvariable Kennwerte – Jahreswerte

Abbildung 5.1‑2: Zeitvariable Kennwerte – Terminwerte

Die einfachste Möglichkeit, einen Zeitverlauf zu definieren, besteht in der Angabe eines Mittelwertes (s. Abbildung 5.1‑3), der dann für jeden Berechnungszeitschritt in der Bilanzierung des jeweiligen Raumelements berücksichtigt wird. In diesem Fall wird kein „Zeitattribut“ wie Termin oder Y angegeben.

Jeweils farbig gekennzeichnet sind in den 3 Abbildungen die Raumbezüge, die eine Zuordnung der Zeitreihen zu den Teileinzugsgebieten bzw. Gewässerabschnitten mit den angegebenen IDs gestatten.

Abbildung 5.1‑3: (Zeitvariable) Kennwerte – Mittelwerte

Im Folgenden wird die Verarbeitung der verschiedenen zeitbezogenen Datenformate im Einzelnen genauer beschrieben.

5.2.1 Verwendete Klimagrößen

Zeitbezogene Eingangsgrößen in die Niederschlag-Abfluss-Modellierung sind flächen­bezogene Werte

• des Niederschlagsdargebots als flüssiges Wasserangebot an die Boden- bzw. Vegetationsoberfläche und
• der potenziellen Verdunstung.

Liegen diese nicht vor, so ist ihre Ermittlung aus Werten erforderlich, die an Klima- und Niederschlagsstationen, d.h. punktbezogen gemessen werden.

Im Einzelnen sind unter Einbeziehung geeigneter Algorithmen für eine Flächenübertragung der punktuell gemessenen Werte

• der gemessene Niederschlag zum Ausgleich von Windfehlern und Benetzungsverlusten zu korrigieren und für Schneeniederschläge die Schmelzwasserabgaben aus der Schneedecke zu berechnen,
• aus den gemessenen klimatischen Grundgrößen die potenzielle Verdunstung zu ermitteln, da diese nicht direkt gemessen werden kann.

Die potenzielle Verdunstung kann je nach Verfügbarkeit der notwendigen Ein­gangsdaten (s. Tabelle 5.2‑1) nach verschiedenen Verfahren ermittelt wer­den.

Die geringsten Anforderungen an die Datenbasis stellt das HAUDE-Verfahren (s. Schrödter 1985).

Die Kombinationsformel nach PENMAN liefert in der Regel exaktere Ergebnisse (s. Schrödter 1985), stellt aber auch wesentlich höhere Anforderungen an die Ein­gangs­daten.

Auf Grund der geringen Stationsdichte, der damit verbundenen geringen räumlichen Auflösung der benötigten Messdaten und den Unsicherheiten bei einer Flächenübertragung ist die Verwendung des PENMAN-Ansatzes nur für Gebiete zu empfehlen, für die re­präsentative Messungen der notwendigen Eingangsdaten vor­liegen.

Vor allem für Untersu­chungsgebiete in der ehemaligen DDR wird auf Grund umfangreicher Analysen die Nutzung von TURC/IVANOV empfohlen (Dyck 1978, Turc 1961, Wendling 1975, Wendling & Schellin 1986).

Tabelle 5.2‑1: Eingangsgrößen für die Berechnung der pot. Verdunstung

[1] Wert der Messung um 14 Uhr
[2] GLOBALSTRAHLUNGSFAKTOR ist in der modul.ste anzugeben (0.03505 für Eingangsdaten in W/m², 0.004057 für Eingangsdaten in J/cm²) 

Zu beachten ist, dass die verschiedenen Berechnungsverfahren i.d.R. Intervallmittelwerte der Eingangsdaten erfordern, lediglich der Haude-Ansatz geht von 14 Uhr Werten aus. Bei der Windgeschwindigkeit ist zu beachten, dass PENMAN und die Grassreferenzverdunstung diese auf 2 m Höhe bezogen erfordern, die Messung aber oft in 10 m Höhe erfolgt und der DWD meist Windgeschwindigkeiten für 10 m Höhe liefert, sofern nicht 2 m Höhenwerte angefordert werden. Hier ist der Anwender gefordert, die Eingangsdaten entsprechend des von ihm gewählten Berechnungsverfahrens bereitzustellen und u.U. notwendige Umrechnungen extern durchzuführen.
Wenn das Steuerwort „WINDGESCHWINDIGKEIT10m“ in der met_data.sdf angegeben ist, erfolgt die Umrechnung/Korrektur von 10 m Höhe auf 2 m Höhe programmintern. Windgeschwindigkeiten, die in 10m Höhe gemessen wurden, werden somit auf das Niveau von 2 m zu korrigiert. Verwendet wurde der Ansatz u2 = u*pow(0.2, 0.13); // DVWK, Gl. 9.26 (S. 85) Annahme: Messung der Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe (Standard DWD)Rauhigkeit 0.13 für Gras.

5.2.2 Möglichkeiten der Flächenübertragung

Für die Flächenübertragung können unterschiedliche Verfahren genutzt werden.

1. Für die Ermittlung der flächenbezogenen Werte werden mehrere Sta­ti­onen einbezogen. Dabei werden die Abstände der Stationen zur Fläche be­rücksichtigt. Die Wichtung kann dabei entweder relativ detailliert erfolgen, in­dem für mehrere Punkte im Teilgebiet die Gewichtsfaktoren bestimmt, z.B. nach dem Rasterpunktverfahren, und diese dann wieder gemittelt werden. Weniger aufwendig ist die Bestimmung der Gewichtsfaktoren für einen, z.B. den Flächenschwerpunkt.
2. Die Gebietsgliederung erfolgt unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Stationen, so dass jeder Station genau ein Teilgebiet zugeordnet werden kann.

Die erste Vorgehensweise ist dann angebracht, wenn die Stationsdichte gering ist, aber eine gute Korrelation zwischen den Stationen besteht. Letzteres ist nur gegeben, wenn der Einfluss der Orographie gering ist, also zwischen den Statio­nen keine signi­fikanten Höhenzüge liegen (im Tiefland). Im Gebirge ist dies i.d.R. nicht der Fall, weshalb hier das zweite, wesentlich weniger aufwendige Verfahren angebracht ist.

Zu beachten ist außerdem, dass mit keinem dieser Verfahren konvektive und damit örtlich sehr variable Niederschläge angemessen berück­sichtigt werden.

Auf Grund der aus hydrologischer Sicht geringen Dichte meteorologischer Stationen ist die Übertragung der Werte vom Punkt auf die Fläche prinzipiell mit Unsi­cherheiten verbunden.

Im Zuge der Flächenübertragung können auch weitere Zusammenhänge berücksichtigt werden wie

• die Hö­hen­ab­hängigkeit der Lufttemperatur,
• die Expositions- und Gefälleab­hängigkeit der Strah­lungsgrößen und
• die Albedoeigenschaften, die in erster Linie durch die Vegetation und die Flächennutzung bestimmt werden.

Die zeit­liche Dynamik des Niederschlages prägt ent­scheidend die Dynamik des Abfluss­geschehens. Deshalb wird die verfügbare zeitliche Auf­lösung des Niederschlages als bestim­mend für die zeitliche Auf­lösung der nachfolgenden Modell­rechnungen angesehen.

Allgemein verfügbar sind in der Regel nur Tageswerte. Diese zeit­liche Auflösung ist aber für eine ad­äquate Simulation sehr zeitvariabler hydro­logischer Prozesse wie der Infiltration nicht ausreichend. Die zeitliche Verteilung innerhalb dieser zeitlichen Diskretisierung gestattet z.B. nicht die Berücksichtigung von direktabflussauslösenden Spitzenintensitäten des Niederschlages. Für die Modellierung bedeutet dieser Umstand letztlich, dass physikalisch begründete Modellparameter wie die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit skaliert werden müssen und damit ihren physikalischen Bezug verlieren.

Die Flächenübertragung erfolgt unter Berücksichtigung der Oberflächenmorphologie. So werden für die Berechnung der potenziellen Verdun­stung bei Ver­wendung der PENMAN-Kombinationsformel das Geländegefälle, die Exposi­tion und die Höhenlage als wichtige Standort­charak­teristika berücksichti­gt. Die Flächenübertragung wird für jede Einzel­fläche in folgen­den Arbeits­schritten durchgeführt:

1. Ermittlung der zugeordneten Statio­nen– Entsprechend ihrer Entfernung werden die nächstgelegenen (max.) 4 Stationen für jede Fläche ermittelt. Hierbei kann gewählt werden, ob die Auswahl der Stationen nach dem Quadrantenverfahren erfolgt (s. Abb. rechts), oder ob lediglich die Entfernung berücksichtigt wird und die n nächstliegenden Stationen einbezogen werden. Für die Übertragung des Niederschlages werden Klima- und Niederschlagsstationen genutzt, für die Berechnung der flächenbezogenen potenziellen Verdunstung nur die Klimastationen. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass der Niederschlag räumlich variabler ist als andere Klimagrößen und deshalb i.d.R. mehr Niederschlags- als Klimastationen zur Verfügung stehen.
   
   Abbildung 5.2‑1: Auswahl der zugeordneten Stationen – links die 4 nächstliegenden, rechts nach dem „Quadrantenverfahren“
2. Ermittlung von Übertragungsfaktoren –Für jede der ausgewählten Stationen werden Faktoren ermittelt, die umgekehrt proportio­nal ihrer Entfernung zur Fläche sind. Verwendet wird dabei die Entfernung im Raum, also unter Berücksichtigung der Höhendifferenz zwischen Station und Fläche.
3. Übertragung auf eine fiktive Einzelfläche– Entsprechend dieser Übertragungs­faktoren werden die Stations­werte auf eine fiktive Einzelfläche übertragen, deren Hö­henlage dem Mittelwert der Höhenlagen der berücksichtigten Stationen entspricht.
4. Übertragung auf die konkrete Einzelfläche– Bei dieser Übertragung werden Kor­rekturen vorgenommen, die die Höhen­ab­hängigkeit einzelner meteorologischer Grö­ßen berücksichtigen. Die Korrektur erfolgt entsprechend der Höhendifferenz zwischen der aktuellen und der fiktiven Einzelfläche und berücksichtigt die mittlere Änderung der entsprechenden Größe pro Höhenmeter. Umfangrei­che Regressions­analysen zeigen eine starke Höhen­abhängig­keit des Niederschlages, der Tempe­ratur und des Dampf­druckes, aber nur geringe Höhenabhängigkeiten für weitere Klimagrößen wie z.B. Windgeschwindigkeit. Dazu ist es möglich, während des Programmlaufes die Zeitreihen einer REGRESSIONSANALYSE zu unterziehen oder die Änderungen pro Höhenmeter über die Schlüsselwörter TEMPERATURFAKTOR, NIEDERSCHLAGSFAKTOR und DAMPFDRUCK­FAK­TOR vorzugeben.
5. Ermittlung der Eingangsgrößen für die potenzielle Verdunstung– Entsprechend der geographischen Breite des Untersuchungsgebietes (Angabe über THETA), der Jahreszeit, des Gefälles und der Exposi­tion wird die astrono­misch mögliche Sonnen­scheindauer und die ex­traterres­trische Strahlung für die Einzel­fläche berechnet. Diese bilden zusammen mit den auf die Einzelfläche bezogenen Werten der Luft­tempera­tur, des Dampfdrucks, der Wind­stärke und der aktuellen Sonnenscheindauer die Eingangs­größen zur Ermittlung der stand­ortbezogenen potenziellen Verdunstung.

Über ein weiteres Schlüsselwort DATEN_FAKTOR kann eine Umrechnung der Daten gesteuert werden, falls diese wie vielfach üblich in 1/10-Anteilen der benötigten Größenordnung (z.B. in 1/10. mm Niederschlag) angegeben sind.

Über den Eintrag FEHLWERTBELEGUNG wird angegeben, wie Fehlwerte in den Zeitreihen definiert worden sind. Default-Wert ist der Wert –9999.

5.2.3 Datenverwaltung

Die Verwaltung der meteorologischen Zeitreihen und ihre Übertragung auf die zu modellierenden Flächen erfolgt unter Nutzung der Programmkomponente METEOR, während die eigentlichen Modelleingangsgrößen Niederschlagsdargebot und Verdunstung im MET_MODUL (s. Modul MET der Dokumentation) ermittelt werden.

Eine Übersicht über die Wirkungsweise von METEOR gibt Abbildung 5.2‑2.

Abbildung 5.2‑2: Übersicht über die Programmkomponente METEOR

In METEOR wird davon ausgegangen, dass die meteorologischen Daten punkt- bzw. stationsbezogen gewonnen wurden. Angaben zu den Stationen, ihre Lage und die zugeordneten Datentabellen werden in einer Stationstabelle verwaltet.

Zur Steuerung der Aktivitäten von METEOR durch den Nutzer wird die Datei METEOR.STE (s. Abbildung 5.2‑7) genutzt. Diese Steuerdatei besteht aus Anweisungsblöcken

• zur Datenkorrektur,
• zur Flächenübertragung der meteorologischen Daten und
• mit Verweisen auf weitere Dateien mit Beschreibungen der Tabellenstrukturen der Stationstabelle MET_STAT.SDF und der Datentabellen MET_DATA.SDF.

MET_STAT               ASCII metstat.tab
STATIONSKENNUNG        NRM
STATIONSTYP            TYP
DATENZEITINTERVALL     DTD
RECHTSWERT             REF_X
HOCHWERT               REF_Y
HOEHE                  HOEHE
NIEDERSCHLAGSKORREKTUR KOR_PI
SCHNEEKORREKTUR        KOR_SN

Abbildung 5.2‑3: Datei MET_STAT.SDF- Strukturdefinition der Stationstabellen

Zuerst wird die Datenbasis beschrieben. Diese besteht aus einer Stationstabelle und den eigentlichen Datentabellen, die die Zeitreihen enthalten. Die Struktur dieser Tabellen werden über Definitionstabellen beschrieben, deren Namen über die Schlüsselwörter MET_STAT_DESCRIBE und MET_DAT_DESCRIBE in METEOR.STE angegeben werden. Die Datei MET_STAT.SDF befindet sich im Verzeichnis GIS\DESCRIBE, die Datei MET_DATA.SDF im Verzeichnis ZEIT.DAT\DESCRIBE.

Die Art und Weise, wie Tabellenstrukturen definiert werden, entspricht weitestgehend der schon beschriebenen Methodik bei den Attribut- und Relate-Tabellen der GIS-Schnittstelle.

Der Definitionsblock beginnt mit einem Schlüsselwort als Kennung der Tabelle, gefolgt vom Tabellenformat (ASCII oder INFO) und der Dateibezeichnung. Die folgenden Zeilen beinhalten i.d.R. Angaben zu den Attributen innerhalb der Tabelle bzw. den Spaltenbezeichnern. Nach einem Schlüsselwort zur verbalen Kennzeichnung der Art des Attributes erfolgt die in der konkreten Tabelle verwendete Attributbezeichnung. Datentyp und Speicherformat sind ohne Belang, da programmintern eine sehr variable Zuweisung der Tabellendaten auf Programmvariablen erfolgt.

Abbildung 5.2‑3 zeigt die Datei zur Definition der Stationstabelle. Aus der STATIONSKENNUNG und dem STATIONSTYP wird der Dateiname für die zugeordnete Datentabelle gebildet. Der STATIONSTYP (‘kli’ oder ‘pi’) dient gleichzeitig zur Unterscheidung von Niederschlags- und Klimastationen. Die entsprechenden Datentabellen enthalten entweder nur Niederschlagswerte oder Niederschlagswerte und weitere Klimagrößen. Mit dieser Unterscheidung wird der Tatsache Rechnung getragen, dass der Niederschlag i.d.R. an mehr Stationen gemessen wird als die übrigen klimatologischen Werte. Für die sogenannten Klimastationen wird aber in jedem Fall auch der Niederschlag erwartet.

Das DATENZEITINTERVALL gibt die zeitliche Auflösung der Daten an. In der derzeitigen Programmversion müssen alle Daten aller Stationen die gleiche zeitliche Auflösung besitzen!

RECHTSWERT, HOCHWERT und HOEHE (ü. NN) kennzeichnen die Lage der Station und werden benötigt zur Übertragung der punktbezogenen Stationswerte auf die zu modellierenden Einzelflächen. Da in der Stationstabelle Raumbezüge verwaltet werden, wird die Datei im GIS-Verzeichnis verwaltet.

Beim Einlesen der Klimadaten wird in der arc_egmo.txt (RESULT-Ordner) protokolliert, mit welchen Stammdaten die Station aus der Stationsdatei ausgelesen wurde. Fehlt der Datensatz einer Klimastation, die in der Stationsdatei angegeben ist, so wird darauf in der Protokolldatei hingewiesen.

Für den Fall, dass keine Stationswerte, sondern schon flächenbezogene Werte vorliegen, sind die Koordinaten der Flächenmittelpunkte der zugeordneten Flächen einzutragen. Ist nur eine Reihe pro Datenart im Sinne eines Gebietsmittels gegeben, so können in der Stationsdatei Lageangaben entfallen bzw. mit beliebigen Werten ausgefüllt werden.

Messwerte, so auch Klimadaten sind fehlerbehaftet. Bei der Niederschlagsmessung treten z.B. Messfehler wie Wind- und Benetzungsverluste auf, die systematische Abweichungen der gemessenen Niederschlagsreihen zum „wahren“ Niederschlag verursachen. Üblich ist deshalb eine Korrektur der Messwerte. In ArcEGMO erfolgt die Korrektur des Niederschlages PI gemäß folgender Gleichung

PI = COR * PT

PT stellt den unkorrigierten Niederschlag und COR den Korrekturfaktur dar. Je nachdem, ob der Niederschlag als Schnee oder Regen gefallen ist (Entscheidung in Abhängigkeit von der Lufttemperatur über die Angabe zur GRENZTEMPERATUR), werden unterschiedliche Fak­toren für die NIEDER­SCHLAGS­KORREKTUR und die SCHNEEKORREKTUR zum Ansatz gebracht. Möglich sind z.B. die von Fröhlich (1990) verwen­deten Korrek­turfaktoren mit COR=1.12 für Regen und COR=1.38 für Schnee. Werden keine Angaben zu den Korrekturfaktoren gemacht, werden diese programmintern auf 1 gesetzt, d.h. es erfolgt keine Korrektur.

NIEDERSCHLAGSKORREKTUR      1.05 /* Korrekturfaktoren zum Ausgleich von Wind- */
SCHNEEKORREKTUR             1.0  /* fehlern und Benetzungsverlusten */
GRENZTEMPERATUR             0.1  /* Grenzwert der Tagesmitteltemperatur, unter */
                                 /* der Schneefall angenommen wird */
GLOBALSTRAHLUNGSKORREKTUR     1  /* Korrektur gemäß Hangneigung und Aspekt */
                                 /* 0 - keine */
                                 /* 1 - trigonometrische Berechnung */
                                 /* 2 - Tabellenfunktion */

Abbildung 5.2‑4: Auszug aus der Datei METEOR.STE- Organisation der Korrektur

Sind stationsbezogene Korrekturfaktoren bekannt, können diese nun direkt zur Korrektur verwendet werden. Ihre Vorgabe erfolgt über zwei Spalten in der Stationstabelle, in die für jede Station die Niederschlags- und die Schneekorrektur einzutragen ist. Die Namen dieser Spalten werden über die Definitionsdatei GIS\DESCRIBE\<met_stat.sdf> dem Programm über die Schlüsselwörter bekannt gemacht. Stationsbezogene Korrekturfaktoren überschreiben die global über die meteor.ste (s. Abbildung 5.2‑7) vorgegebenen Faktoren.

Neben dem Niederschlag kann auch die potenzielle Verdunstung einheitlich (s. met_mod1 in der modul.ste) oder stationsbezogen korrigiert werden.

Wenn in der Met_Stat.sdf die Verdunstungskorrektur aktiviert (das * gelöscht ist) wird, dann kann aus den Inputdaten eine Verdunstungskorrektur erfolgen.

Dies ist für bestimmte Ansätze notwendig, weil z.B. der Turc-Ansatz für eine „kurz gehaltene, ausreichend feuchteversorgte Fläche“ abgeleitet wurde, realen Einzugsgebiete aber auch andere Bodenbedeckungen aufweisen. Für die damalige DDR hatte sich eine Erhöhung der Turc-Verdunstung um 10% als brauchbar erwiesen -> Verdunstungskorrektur wäre 1.1). Eine Korrektur der potenziellen Verdunstung ist auch dann notwendig, wenn das Umfeld der Station nicht repräsentativ für das zu modellierende Gebiet ist.

Für die vorgegebene (d.h. eingelesene) Globalstrahlung kann bei der Übertragung von der Messstation auf die zu modellierende Fläche eine Korrektur gemäß dem Gefälle und der Hangausrichtung dieser Fläche erfolgen unter der Annahme, dass die Messstation auf einer ebenen Fläche steht. Zu beachten ist, dass die Globalstrahlungskorrektur nicht gemeinsam mit dem Quadrantenverfahren ausgeführt werden kann!

Abbildung 5.2‑5 gibt ein Beispiel für eine Stationstabelle, die sich im GIS-Verzeichnis befinden muss, und zwar als eigenes Cover (Angabe über INFO) oder im Falle einer ASCII-Datei im Unterverzeichnis ASCII.PAT. Diese enthält im Beispiel nur einen Eintrag, die Datenbasis besteht also aus Gebietswerten. Die Attribute METSTAT# und METSTAT-ID werden nur für die Darstellung der Stationen im GIS benötigt und wie STATIONSNAME (als verbale Bezeichnung zur besseren Lesbarkeit der Tabelle) vom Programm nicht genutzt.

NRM  TYP DTD STATIONSNAME        REF_X   REF_Y   HOEHE KOR_PI KOR_SN
test kli 24  'Gebietswerte Test' 3491671 5564387 342   1.1    1.2

Abbildung 5.2‑5: Beispiel einer Stationstabelle

Abbildung 5.2‑6 zeigt die Datei MET_DATA.SDF zur Definition der eigentlichen Datenbasis.

Über das Schlüsselwort MET_DATEN wird für alle Datendateien die Art der Datenbasis – ASCII oder INFO – angegeben. Die Angabe des Tabellen- bzw. Dateinamens entfällt hier, da die Namen, wie schon beschrieben, aus den Einträgen der Stationstabelle gebildet werden. Standardmäßig werden die Datentabellen im Zeitreihen-Verzeichnis gespeichert, und zwar alle Daten einer Station in einer Datendatei.

MET_DATEN               ASCII H:\Alle_Zeitreihen
Termin                  termin /* durch "." getrennte Datumszeichenkette */
TAG                     d
MONAT                   m
JAHR                    y
STUNDE                  h
MINUTE                  min
LUFTTEMPERATUR          Tm [°C ]
DAMPFDRUCK              e [hPa ]
RELATIVE_FEUCHTE        rf [%] oder [Anteile von 1.]
WINDSTAERKE             Um [Bf ]
SONNENSCHEINDAUER       n [h/d ]
POTENTIELLE_VERDUNSTUNG EP [mm/d]
NIEDERSCHLAG            PT [mm/d]

Abbildung 5.2‑6: Datei MET_DATA.SDF – Strukturdefinition der Datentabellen

Es ist aber auch möglich, die Zeitreihendaten in projektunabhängigen Verzeichnissen zu verwalten, beispielsweise um Redundanzen zu vermeiden. In diesem Fall wird neben dem Datenformat (ASCII) auch der Pfad zu diesen Datendateien angegeben. Zu beachten ist hierbei, dass der komplette Pfad angegeben wird und dass die Pfadangabe mit einem Slash („\“) abgeschlossen wird.

Die eigentlichen meteorologischen Daten werden über die Einträge LUFTTEMPERATUR bis NIEDERSCHLAG als die Spaltenbezeichner für die Datenarten definiert. Sofern diese Spalten dann in den Datentabellen vorhanden sind, werden die dazu gehörenden Daten eingelesen und verarbeitet. Tabelle 5.2‑2 zeigt die Datenarten, die derzeit verarbeitet werden, Tabelle 5.2‑1 die Zuordnung dieser Daten zu den derzeit integrierten Verdunstungsansätzen.

Wenn in der einzulesenden Datenbasis allerdings eine bestimmte Datenart nicht gegeben ist, so ist diese in der Datei zeit.dat\describe\met_data.sdf auch nicht anzugeben bzw. sie ist auszukommentieren. Andernfalls wird diese Datenart zuerst mit Fehlwerten belegt und anschließend wird versucht, diese Fehlwerte über die Einbeziehung von Nachbarstationen zu eliminieren. Sind auch diese mit Fehlwerten belegt, was hier der Fall wäre, werden Default-Werte gesetzt, was zu unrealistischen Ergebnissen führen wird.

Neben der bisher beschriebenen Verwaltung der meteorologischen Eingangsdaten und der Ermittlung abgeleiteter Größen wie der potenziellen Verdunstung ist eine weitere wichtige Aufgabe der Programmkomponente METEOR die Übertragung der Klimawerte auf die Modellierungseinheiten. Dies können Elementarflächen, Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete oder das Gesamtgebiet sein. Die Festlegung erfolgte innerhalb der Steuerdatei ARC_EGMO.STE.

Tabelle 5.2‑2: Mögliche Eingangszeitreihen im Modellteil METEOR

Bei einer Übertragung auf das Gebiet werden in Abhängigkeit von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Zeitreihen (s. Stationstabelle – Abbildung 5.2‑5) Gebietswerte gebildet, was mit Informationsverlusten verbunden ist und nur zu Testzwecken eingesetzt werden sollte. Ist nur eine Zeitreihe gegeben, so wird diese als gebietsbezogen interpretiert. Eine Übertragung auf kleinere Einheiten bringt keinen Informationsgewinn und wird deshalb vom Programm nicht akzeptiert. Lediglich eine höhenabhängige Modifikation des Gebietsniederschlages wird unterstützt, sofern ein NIEDERSCHLAGSFAKTOR (s. Abbildung 5.2‑7) zur Berücksichtigung der Änderung der mittleren Niederschlagssumme pro Höhenmeter angegeben werden kann.

THETA                       53.5 /*geographische Breite des Untersuchungsgebietes*/
FLAECHENUEBERTRAGUNG           0 /* Quadrantenverfahren */
                                 /* n (1,2,3) -Stationenverfahren
REGESSIONSANALYSE           NEIN /* JA: Ermittlung und Anzeige der nach- */
                                 /* folgenden 3 Faktoren, */
                                 /* NEIN: nachfolgende 3 Faktoren gelten */
GLOBALSTRAHLUNGSKORREKTUR     1  /* Korrektur gemäß Hangneigung und Aspekt */
                                 /* 0 - keine, */
                                 /* 1 - trigonometrische Berechnung, */
                                 /* 2 - Tabellenfunktion */
DATEN_FAKTOR                 0.1 /* Faktor, falls Daten z.B. in 1/10 mm gegeben */
TEMPERATURFAKTOR              0. /* Temperaturaenderung pro Hoehenmeter */
NIEDERSCHLAGSFAKTOR     0.001754 /* Aenderung der mittleren Niederschlagstages- */
                                 /* Summe pro Hoehenmeter */
DAMPFDRUCKFAKTOR              0. /* Dampfdruckaenderung pro Hoehenmeter */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
NIEDERSCHLAGSKORREKTUR       1.1 /* Korrekturfaktoren zum Ausgleich von Wind- */
SCHNEEKORREKTUR             1.25 /* fehlern und Benetzungsverlusten */
GRENZTEMPERATUR              0.1 /* Grenzwert der Tagesmitteltemperatur, unter */
                                 /* der Schneefall angenommen wird */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
LUECKEN_FUELLEN
*DATENTABELLEN_AUSGEBEN
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
MET_STAT_DESCRIBE met_stat
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
MET_DAT_DESCRIBE met_data
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
FEHLWERTBELEGUNG   Fehlwert   /* Kennzeichnung nichtgemessener Daten */
                              /* z.B. Geraeteausfall */

Abbildung 5.2‑7: Steuerdatei METEOR.STE – Optionen zur Flächenübertragung

5.2.4 Verarbeitung von Klimareihen mit zeitlichen Lücken

Für die Verarbeitung von Zeitreihen in ArcEGMO war bisher eine grundlegende Bedingung, dass diese keine zeitlichen Lücken aufweisen. Das bedeutet, dass eventuelle Fehlzeiträume über Fehlwerte abgebildet werden mussten. Wurde dies nicht beachtet, kam es zu Fehlern in der zeitlichen Zuordnung der Niederschläge mit gravierenden Auswirkungen auf die Modellierungsergebnisse.

Für die Verarbeitung solcher lückigen Zeitreihen wurde eine Einleseroutine in ArcEGMO integriert, die über das Schlüsselwort LUECKEN_FUELLEN in der Steuerdatei ARC_EGMO\meteor.ste aktiviert (siehe Abbildung 5.2‑9) werden kann.

Werden von dieser Routine lückenbehaftete Zeitreihen gefunden, erfolgt (bei aktiviertem Testdruck der meteor.ste) die Ausgabe eines Warnhinweises „Reihe <nr> weist ab <Datum> eine Luecke auf !!!“ in der Protokolldatei arc_egmo.txt und die Lücke wird mit dem definierten Fehlwert gefüllt.

Für die Kontrolle der im Programm ArcEGMO integrierten Routinen zum Füllen von Datenlücken ist es nun möglich, die verarbeiteten Niederschlagsreihen komplett in eine Datei ZEIT.DATpi.txt auszugeben. Diese Option wird über das Schlüsselwort DATENTABELLEN_AUSGEBEN in der Steuerdatei ARC_EGMO\meteor.ste aktiviert. Die dabei erzeugte Datei kann maximal 255 Zeitreihen enthalten. Werden mehr Zeitreihen für die Modellierung verwendet, werden nur die ersten 255 Reihen ausgegeben. Weitere Reihen können über eine eventuelle Umsortierung der Stationen in der Stationstabelle ausgegeben werden.

termin     cl_3342   46645    47030
01.01.81      1.50    2.30     0.00
02.01.81     11.30   10.20     8.10
03.01.81      6.10    6.90     6.70
...

Abbildung 5.2‑8: Auszug aus einer Datei ZEIT.DATpi.txt

Bisher wurden Lücken in den meteorologischen Zeitreihen nur im kleinsten gemeinsamen Zeitraum aller vorhandenen Zeitreihen gefüllt und durch Messwerte benachbarter Stationen ergänzt. Somit mussten die Zeitreihen gegebenenfalls extern durch Reihenverlängerung mit Fehlwerten (-9999) auf einen gleichen gemeinsamen Berechnungszeitraum gebracht werden.

Jetzt können auch Lücken über einen beliebig langen Zeitraum außerhalb des kleinsten gemeinsamen Zeitraums gefüllt werden. Ein Füllen der Lücken bedeutet, dass finden tatsächlicher Lücken in Zeitreihen anhand eines fehlenden Datums und das Ersetzen dieser Datenlücke durch eine Fehlkennung (-9999). Bei dem neuen automatischen Füllen der Lücken wird vom Bearbeiter eine große Aufmerksamkeit und Kontrolle des gewählten Zeitraums gefordert, damit dann der für die Berechnung verwendete Zeitraum wirklich realistisch ist und durch ausreichend vorhandene Messwerte repräsentiert wird.

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
LUECKEN_FUELLEN
DATENTABELLEN_AUSGEBEN
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 5.2‑9: Auszug aus meteor.ste

In der arc_egmo.ste wird über den Berechnungszeitraum der gewünschte Datenzeitraum, also der Zeitraum, für den die „aufgefüllten“ Stationsreihen erzeugt werden sollen, eingestellt. Alle meteorologischen Zeitreihen, die später beginnen oder früher enden, müssen durch eine Anfangs- und Endfehlkennung gekennzeichnet sein (siehe Beispiel Abbildung 5.2‑10). Alle Zeitreihen müssen durch die Belegung einer Anfangs- und Endfehlkennung gleich lang sein. Der 2. Tag der meteorologischen Zeitreihe muss ebenfalls mit einer Fehlkennung gekennzeichnet sein, sonst wird der eingestellte Zeitschritt, bei Tageszeitreihen DTD 24, nicht erkannt. Die Größe der Lücke bis zum ersten Messwert spielt dann keine Rolle mehr.

ta mo jahr nied
01 01 1950 -9999
02 01 1950 -9999
01 01 1957 4.8
…
…
 
31 12 2005 -9999

Abbildung 5.2‑10: Auszug Niederschlagsdatei

Für die Klimagrößen

• e (Sättigungsdefizit)
• Glob (Globalstrahlung)
• Lt (Lufttemperatur)
• Pi (Niederschlag)
• RF (relative Luftfeuchte)

werden im Verzeichnis Zeit.Dat Zeitreihen mit der Lückenkennzeichnung (als Fehlkennung mit –9999) erstellt (z.B. pi_luecken.txt). Hier lässt sich in einer späteren Kontrolle, anhand der Fehlkennung der ausgefallenen Stationen leicht der für die repräsentativen Berechnungen maximal mögliche Zeitraum ermitteln.

Im zweiten Schnitt des „Lückenfüllens“ werden die Lücken (Fehlkennung z.B. –9999), beim Ausfall von nur einigen Stationen durch die Werte der benachbarten Stationen höhen- und entfernungsgewichtet mittels dem Quadratenverfahren ergänzt. Liegen an allen Stationen keine Messwerte vor, wird hier die Lücke mit einem Default-Wert ergänzt.

Folgende Default-Werte werden verwendet:

Niederschlag              0.   [mm/DT]
Pot. Verdunstung          0.   [mm/DT]
mittl. Lufttemperatur     8    [°C]
Sättigungsdefizit         5.8  [hPa]
Sonnenscheindauer         0.   [h]
Windgeschwindigkeit       0.5  [m/s]
Globalstrahlung           500  [J/cm**2]

Diese Ergänzungen werden zum einem gemeinsam, d.h. alle Stationen in eine Datei (z.B. pi_ergaenzt.txt) ausgegeben. Zusätzlich werden alle Einzeldateien der Niederschlags- und Klimastationen mit den Ergänzungen als neue Dateien mit der vorangehenden Kennung „st_“ (z.B. st_3189.kli) ausgegeben. Somit ist es dem Bearbeiter, je nach Aufgabenstellung, möglich diese neu erstellen Dateien als neue meteorologische Zeitreihen einzulesen. Nach der Ausgabe der neuen Zeitreihen wird ArcEGMO automatisch beendet. Es findet also keine Berechnung statt. Damit werden Automatismen ohne ausreichende Datenprüfung verhindert. Um die Berechnung mit den ergänzten Zeitreihen zu starten muss „LUECKEN_FUELLEN“ wieder deaktiviert werden. Die Zeiträume, an denen an allen Stationen keine Messwerte vorliegen, müssen vom Bearbeiter beachtet werden und der maximal mögliche Berechnungszeitraum für die Modellrechnungen selbständig gewählt werden. Im Projekt „Extreme Hochwasserabflüsse und Kumulschadenspotenziale im Bodegebiet“ hat sich die Anwendung des „Lückenschließens“ bewährt. Hier lagen sehr unterschiedlich lange Zeitreihen vor und es war notwendig, einen großen gemeinsamen Zeitraum zu haben, auch wenn der nicht repräsentativ ist. Über die Auswertung der Lückendateien z.B. pi_luecken.txt konnten dann schnell Zeiträume gefunden werden, die ausreichend durch Messwerte gekennzeichnet sind. Im diesem Projekt wurden dann nur einzelne Hochwasser mit ausreichend vorhanden meteorologischen Zeitreihen gerechnet.

Folgende Abbildung zeigt Tagesniederschläge im Einzugsgebiet der Bode. Grün markierte Werte sind gemessene Werte. Für die zwei Stationen Hasselfelde und Quedlinburg liegen an dem Tag keine Messwerte vor. Hier werden die Niederschlagswerte (rot dargestellt) anhand des höhen- und entfernungsgewichteten Quadratenverfahrens ermittelt.

Abbildung 5.2‑11: Ermittlung der Niederschlagswerte für ausgefallene Stationen

Bei Klimastationen, die komplett ohne Niederschlagswerte vorliegen, kann ebenfalls das Lückenfüllen angewendet werden. Prinzipiell muss für jede Klimastation der Niederschlag vorliegen. Das heißt, er wird bei Einlesen einer Klimastation erwartet und die Spalte „nied“ muss vorhanden sein, sowie das Steuerwort NIEDERSCHLAG in der met_data.sdf aktiviert sein. Der Niederschlag kann aber durch die Aktivierung von „LUECKEN_FUELLEN“ in der meteor.ste automatisch von den benachbarten Stationen übertragen werden. Dokumentation dazu, siehe oben (à Füllen von Lücken in Meteorologischen Zeitreihen). Beim Lückenfüllen muss, wenn kein Niederschlag vorhanden ist, die Spalte für den Niederschlag komplett mit –9999 ausgefüllt werden.

TIPP: Bei einigen Klimagrößen liegen häufiger Fehlwerte vor (z.B. bei Windgeschwindigkeit). Beim Lückenfüllen dieser Fehlwerte durch Interpolation der Werte von Nachbarstationen macht es Sinn die Anzahl der zur Verfügung stehenden Klimastationen als Anzahl für die Flächenübertragung einbezogenen Stationen zu verwenden. Damit ist sichergestellt, dass die Fehlwerte auch dann ersetzt werden, wenn zu einem Zeitpunkt nur Messwerte für eine Station vorliegen.

5.2.5 Verarbeitung „gemischter“ Klimadaten

Um die Verarbeitung von Klimadatendateien, die teils die Globalstrahlung und teils die Sonnenscheindauer enthalten, zu vereinfachen, wurde eine Funktion integriert, mit der programmintern die Globalstrahlung aus der Sonnenscheindauer für die Stationen berechnet wird, für die keine Strahlungsdaten vorliegen. Die Nutzung dieser Option wird nur empfohlen, wenn die Strahlung für die meisten Stationen vorliegt und nur wenige Reihen um die intern berechnete Strahlung zu ergänzen sind. Folgende Einstellungen sind vorzunehmen:

1. 1. 1. 1. 1. In der meteor.ste muss die Option „Luecken_Fuellen“ (s. Kapitel 5.2.4) aktiviert sein, weil nur so schon während des Einlesen für die Klimadaten ein Zeitbezug bereitsteht, der für die Berechnung der astronomisch möglichen Sonnenscheindauer erforderlich ist.
            2. In der modul.ste muss im Block met_mod1 die Berechnung der Globalstrahlung deaktiviert sein und die nachfolgend angegebenen Steuerworte aktiviert sein.

MET_MOD1
GLOBALSTRAHLUNGSANSATZ  0         /* 0 Gegeben
GLOBALSTRAHLUNGSFAKTOR  0.004057  /* 0., wenn Globalstrahlung berechnet wird, */
                                  /* ansonsten Umrechnungsfaktor der gegebenen */
                                  /* Globalstrahlung in [mm/DT Wasseraquivalent]*/
FAKTOR_A                0.18      /* Faktor im Ansatz zur Berechnung der Global- */
FAKTOR_B                0.62      /* strahlung aus der relativen Sonnenschein- */
                                  /* dauer ra = rex * ( a + b * n_rel) */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

3.  In der met_data.sdf muss gewährleistet sein, dass die Sonnenscheindauer und die Globalstrahlung eingelesen werden können.

SONNENSCHEINDAUER  sonn [h/d ]
GLOBALSTRAHLUNG    stra [j/cm²]

5.2.6 Aggregieren und Disaggregieren von met. Zeitreihen

ArcEGMO erfordert für die Simulation äquidistante Klimadaten mit einer einheitlichen zeitlichen Auflösung für alle Stationsreihen.

Insbesondere für Hochwassersimulationen ist diese Einschränkung oft hinderlich, weil der zur Verfügung stehende Datenbestand meist inhomogen ist. In der Regel liegen eine Reihe von Tageswertreihen und wesentlich weniger hoch aufgelöste Daten vor.

Um eine gewisse Homogenisierung des Datenbestandes zu unterstützen, wurden in ArcEGMO Routinen integriert, die zeitliche Aggregierung und Disaggregierung meteorologischer Zeitreihen unterstützen.

Da derartige Daten“manipulationen“ (insbesondere die Disaggregierung) sehr unsicher sind, wird wie nach dem Lückenfüllen das Programm nach Erzeugung der neuen Zeitreihen automatisch beendet, so dass der Nutzer die Möglichkeit hat (bzw. gezwungen ist), die Daten zu kontrollieren.

Für die Aktivierung dieses Programm-Modus ist in der meteor.ste über das Steuerwort die angestrebte Diskretisierung anzugeben.

ZEITSCHRITTWEITE 60.  /* in Minuten */

Abbildung 5.2‑12: Auszug aus meteor.ste

Wenn eine ZEITSCHRITTWEITE angegeben ist und nur dann werden unterschiedlich diskretisierte Zeitreihen beim Einlesen akzeptiert, deren (gegebene) zeitliche Diskretisierung in der Stationsdatei vorzugeben ist.

Für die Bearbeitung der Zeitreihen wird zuerst getestet, ob die zeitliche Diskretisierung kleiner oder größer als die angestrebte Diskretisierung ist.

Ist sie kleiner, erfolgt eine Aggregierung

· für die Größen pi, ep und ra durch Summation,

· für die Größen tmit, tbod e und u durch Mittelbildung und

· für die Größen tmin und tmax durch eine Minimum- bzw. Maximumsuche.

Ist die Zeitschrittweite 1440, d.h. es sollen Tageswerte erzeugt werden, erfolgt eine Aggregierung bis zum nächsten Tag um 7:30 Uhr, dem Ablesetermin der meteorologischen Beobachtungen beim DWD. Dies ist bei der Festlegung des Endzeitpunktes für die Datenauswertung und bei der Datenbereitstellung zu berücksichtigen.

Ist die zeitliche Diskretisierung der Stationsreihe größer als die angestrebte Diskretisierung erfolgt eine Disaggregierung. Dazu wird die nächst gelegene Niederschlagsstation gesucht, bei Klimastationen zusätzlich die nächstgelegene Klimastation, die Daten in der angestrebten zeitlichen Diskretisierung aufweist.

Die zeitliche Verteilung der Daten dieser Bezugsstationen werden auf die zu disaggregierenden Daten aufgeprägt, d.h. es wird der gleiche zeitliche Verlauf innerhalb des gröberen Zeitschrittes wie an der Bezugsstation angenommen, allerdings normiert auf den Wert der Basisstation. Wurde an der Basisstation ein Niederschlag registriert, während an der Bezugsstation kein Niederschlag gefallen ist, wird angenommen, dass dieser Niederschlag konvektiver Natur war. Konvektive Niederschläge haben in der Regel eine sehr geringe räumliche Ausdehnung, meist hohe Intensitäten und sind häufig in den späten Nachmittagsstunden. Deshalb wird (mangels besseren Wissens) diesem Niederschlag eine Dauer von einer Stunde, beginnend um 17 Uhr zugewiesen. Derzeit können nur der Niederschlag und die potenzielle Verdunstung disaggregiert werden. Die potenzielle Verdunstung ist vorher im vorhandenen Zeitschritt zu berechnen und an die entsprechenden Klimastationen anzufügen. Bei der Disaggregierung wird die potenzielle Verdunstung in gleiche Teile über den gewünschten Zeitschritt verteilt (z.B. bei der Disaggregierung von Tageswerten in Stundenwerten durch 24 dividiert).

Zu beachten ist, dass entweder eine Aggregierung oder eine Disaggregierung durchgeführt werden kann. Es dürfen in Klimastationstabelle nur max. 2 unterschiedliche Datenzeitintervalle (DTD) angegeben werden.

5.2.7 Nutzung von Klimadatenbanken

Zunehmend können Klimadaten auch über Datenbanken zur Verfügung gestellt werden, aus denen dann die einzelnen Klimaelemente über ihren Raum- und Zeitbezug abgefragt werden können. Beispiele für solche Datenbanken sind HYRAS der BfG bzw. des DWD, aber auch RAKLIDA.

Der Zugriff auf Datenbanken wird aktiviert, wenn in der arc_egmo.ste das Schlüsselwort DATENBANKANBINDUNG, der Name der Datenbank und die Datendatei inklusive Pfad gefunden wird.

DATENBANKANBINDUNG    RAKLIDA         c:\Sachsenklimdatenraklida.hdf5

ArcEGMO stellt dann eine Verbindung zu der angegebenen Datenbank her und liest Zeitschritt für Zeitschritt die Daten ein und ordnet sie den für die Klimamodellierung gewählten Raumbezügen (EFL, HYD, TG …) zu. Die Nutzung der internen Methoden zur Flächenübertragung der Klimadaten entfällt.

5.2.8 Massendatenformat und Rasterdatenformat

Das bisherige Datenformat war auf  die Verarbeitung einer überschaubaren Anzahl von Stationsreihen (max. 300 bis 400 Stationen) ausgerichtet. Es wurde davon ausgegangen, dass sämtliche Daten (komplette Zeitreihen aller Stationen) während der Modellinitialisierung in den Hauptspeicher geladen werden können.

Für die Verarbeitung sehr großer Datenmengen (räumlich hoch aufgelöste, gridbasierte Klimadaten oder sehr lange Zeitreihen) wird als Alternative zum bisherigen Datenformat das im Folgenden beschriebene Eingabeformat unterstützt.

Jeder Datentyp wird in genau einer Datei abgebildet, in der spaltenweise die Daten eines Raumbezuges (Stations- oder Rasterbezug) stehen. In jeweils einer Zeile stehen alle Werte eines Datentyps für einen Termin. Die Angabe des Termins sollte als eine Zeichenkette erfolgen, und zwar wie in Excel üblich in der Reihenfolge Tag.Monat.Jahr, getrennt durch „.“ Sofern die zeitliche Diskretisierung feiner als ein Tag ist, wäre der Stunden und Minutenwert analog dem folgenden Beispiel zu ergänzen und die gesamte Terminangabe in Hochkommata einzuschließen, um damit wieder die Auswertung der Terminangabe als eine Zeichenkette zu ermöglichen.

termin               3978   3988   3182   2344   3972  3191   …
'01.07.2002 00:00'   1.10   0.00   10.7   5.60   7.10  2.90   …
'01.07.2002 01:00'   0.10   0.00    0.7   0.60   0.10  0.30   …
…

In der ersten Zeile stehen die Spaltenbezeichner (termin und <STATIONSKENNUNG>), wobei die <STATIONSKENNUNG> analog zum bisherigen Datenformat (s. Dokumentation Teil1, Tab. 5.2), allerdings hier zwingend als numerischer Wert zu verwenden ist.

In den nachfolgenden Zeilen genau der Termin und Wert für einen Zeitschritt. Als Spaltentrenner sollte vorzugsweise der Tabulator verwendet werden.

Die Reihen müssen kontinuierlich und äquidistant sein, d.h. Lücken und Fehlwerte werden beim Einlesen nicht gefüllt.

Bei Verwendung dieses Datenformats sind mindestens 2 Dateien, eine für den Niederschlag und eine für die potenzielle Verdunstung bereitzustellen. Alternativ zur Verdunstungsdatei können auch die Eingangsgrößen für die Verdunstungsberechnung in separaten Dateien zur Verfügung gestellt werden, d.h. Dateien für die Lufttemperatur, die Globalstrahlung/Sonnenscheindauer, die relative Luftfeuchte und u.U. die Windgeschwindigkeit/-stärke.

Die Dateien werden über ihren Dateitypen unterschieden, der den in der met_data-sdf angegebenen Datentypen entsprechen. Der Dateiname ist für alle Datentypen (alle Datendateien)  gleich und wird in der met_data.sdf gemeinsam mit dem Tabellenformat {ASCII|DBASE} und dem Pfad zu den Daten angegeben. Im folgenden Beispiel hieße die Datei mit den Niederschlägen met_ras1.pt, die mit der potenziellen Verdunstung met_ras1.ep.

Die Verdunstungswerte bzw. die Eingangsgrößen zu ihrer Ermittlung können in einer anderen Raumauflösung vorliegen als die Niederschlagsdaten.

MET_DATEN                ASCII H:\Mulde\zeit.dat\met_data\met_ras1
…
WINDSTAERKE               Um   [Bf  ]
SONNENSCHEINDAUER         n    [h/d ]
POTENTIELLE_VERDUNSTUNG   EP   [mm/d]
NIEDERSCHLAG              PT   [mm/d]

Der Raumbezug wird hier wie bisher über die <met_stat.tab> (s. Dokumentation, Kap. 5.1.3) hergestellt, die als Schlüsselattribut die <STATIONSKENNUNG> enthalten muss.

Die <met_stat.tab> kann z.B. eine Attributtabelle eines Rasters sein, für die die meteorologischen Daten bereitgestellt werden. Die Raster-ID wäre dann die <STATIONSKENNUNG>. Die Flächenübertragung der rasterbezogenen Daten erfolgt ebenfalls analog der bisherigen Verfahrensweise über ein modifiziertes inverses Distanzverfahren (IDV), wobei die Entfernungen zwischen dem Schwerpunkt der zu modellierenden Fläche und den Schwerpunkten der umgebenden Rasterzellen ausgewertet werden. Sofern die meteorologischen Daten für Gitterpunkte erzeugt wurden, wären die Koordinaten der Gitterpunkte zu verwenden. Sofern die Rasterzellen hinreichend klein bezogen auf die Modellierungsflächen sind, wäre das IDV so anzuwenden, dass nur die nächstliegende Rasterzelle verwendet wird.

Aktiviert wird das Einlesen dieses Formats über die Angabe DATENFORMAT 1 in der Steuerdatei meteor.ste.

Beim Einlesen der Dateien wird geprüft, ob alle Daten über den Simulationszeitraum komplett eingelesen werden können. Wenn nicht, erfolgt die Abarbeitung Zeitschritt für Zeitschritt, d.h. die Daten werden zeilenweise gelesen und immer nur der aktuelle Zeitschritt im Hauptspeicher gehalten.

Bei der praktischen Arbeit mit dem Massendatenformat ergaben sich teilweise sehr lange Zeiten für das Einlesen der Daten insbesondere dann, wenn mit einem sehr feinmaschigen Raster gearbeitet werden soll. Um diese Verarbeitungszeiten zu verkürzen, bietet es sich unter Umständen an, die sonst sehr aufwendigen Datentestungen zu reduzieren. Voraussetzung dafür ist, dass die Massendaten in einer einheitlichen Struktur (alle Eingangsdaten in gleicher Struktur, d.h. gleiche Anzahl Stationen bzw. Rasterzellen und gleiche zeitliche Auflösung und Zeitperiode) und sortiert vorliegen. Sortiert bedeutet, dass die Spaltenreihenfolge in der Datentabelle identisch mit der Stationsreihenfolge in der Stationstabelle ist und dass die Anzahl der Stationen in beiden Tabellen identisch ist.

Für diesen Spezialfall wurde eine zusätzliche, vereinfachte Einlesemöglichkeit für im Massendatenformat vorliegende Daten geschaffen. Diese kann durch den Eintrag 2 für das DATENFORMAT in der Steuerdatei meteor.ste aktiviert werden:

DATENFORMAT         2   /* 0 - Stationsbezogene Daten (default, d.h. so wie bisher */
                        /* 1 - Massendatenformat                         */
                        /* 2 – Rasterdatenformat                         */

Als TYP in der Stationstabelle muss beim Rasterdatenformat „m“ angegeben werden.

5.2.9 HYRAS-Datenformat

Die vom AG gelieferten meteorologischen Eingangsdaten (Tagesniederschläge, Lufttemperatur, Globalstrahlung, relative Luftfeuchte) im Format der HYRAS-Rasterdaten[3] (ASCII-Format, 5 km Raster)

• als Referenzdaten für den Zeitraum 1951-2006 und
• zur Charakterisierung möglicher Klimaentwicklungen über drei Projektionen für den Zeitraum 1951-2100

entsprechen weitgehend dem in ArcEGMO integrierten „Massendatenformat“. Dieses für sehr große Datenmengen konzipierte Eingabeformat besteht aus einer GIS-Datei und je einer Zeitreihendatei für jede meteorologische Variable.

Über die GIS-Datei (s. Tabelle 4‑1) wird die Verknüpfung zwischen den Rastern und den meteorologischen Daten hergestellt (Attribut CELLCODE) und topografische Informationen zu den Rastern (Koordinaten des Rastermittelpunktes, mittlere Rasterhöhe ELV_SRTM) für die räumliche Übertragung der rasterbezogenen Daten auf die Modellgeometrien der Abflussbildungsmodellierung (Teilgebiete, Hydrotope oder Elementarflächen) bereitgestellt.

Tabelle 5.2‑3: Auszug aus der GIS-Datei im Massendatenformat von ArcEGMO

Tabelle 5.2‑4: Auszug aus einer Datendatei im Massendatenformat von ArcEGMO

yy    mm   dd   hh   4147528625   4227529825   4192529325   …
1951  01   01   24   0.06         0.33         0.29         0.18
1951  01   02   24   0.0          0.0          0.0          0.0
1951  01   03   24   0.0          0.0          0.0          0.0
…

DATENFORMAT    4   /* 0 - Stationsbezogene Daten (default, d.h. so wie bisher */
                   /* 1 - Massendatenformat                         */
                   /* 2 - Rasterdatenformat                         */
                   /* 3 - HYRAS-Datenformat                         */
                   /* 4 - HYRASmix - HYRAS zzgl. Stationsdaten      */
                   /* 5 - REGNIEmix - REGNIE zzgl. Stationsdaten    */

######  Meteorologie  ###########################################################
MET_DATEN               ASCII   \Raster\Dummy
TESTDRUCK
Termin                  Termin
TAG                     dd
MONAT                   mm
JAHR                    yy
STUNDE                  hh
*MINUTE                 min
NIEDERSCHLAG            N          [mm/d]
*LUFTTEMPERATUR         T          [°C ]
*RELATIVE_FEUCHTE       RH         [%]    
*GLOBALSTRAHLUNG        RG         [j/cm²]
*WINDGESCHWINDIGKEIT    wind      [m/s]
POTENTIELLE_VERDUNSTUNG EP        [1/10.tel mm/d]
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

######  Meteorologie  ###########################################################
Testdruck
MET_STAT                 DBASE cli_stat_sa.dbf
…
VERDUNSTUNGSKORREKTUR   KOR_EP
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
############################################################################

EP_KORREKTUR_WASSER    "Korrekturfaktor"

EFL_PAT                  DBASE efl.dbf   
…
GewaesserpunktZuordnung  Gwp_ID   /* Zuordnung zu einem Gewaesserpunkt */

GWP_PAT                         DBASE  gwp.dbf
…
Ansatz_metInput                   a1   /* Hier kann angegeben werden, wie der */
                                       /* met. Input in den Gewaesserpunkt be-*/
                                       /* ruecksichtigt werden soll           */
                                       /* Ist das Schluesselwort nicht angege-*/
                                       /* ben, wird bei der ungekoppelten Modellierung*/

5.3.1 Pegeldaten

Die Verwaltung hydrologischer Eingangszeitreihen und ihre Zuordnung auf die zu modellierenden Raumelemente erfolgt in der Programmkomponente HYD_DATA.

Sie bietet derzeit folgende Funktionalitäten:

• Verwaltung gemessener Wasserstände und Abflüsse und
• räumliche Verknüpfung dieser Zeitreihen mit Gewässerabschnitten.

Die Verwaltung der Daten erfolgt analog zu den meteorologischen Eingangsgrößen in Tabellen. Im Gegensatz zu den meteorologischen Daten, die notwendig für die Modellierung sind, ist die Einbeziehung obiger, hydrologischer Größen nur dann erforderlich, wenn während der Modellrechnung, z.B. für eine Eichung, ein Vergleich mit gemessenen Abflusswerten erfolgen soll.

Über die Steuerdatei HYD_DATA.STE (s. Abbildung 5.3-1) werden dem Programm die Namen der Dateien mitgeteilt, die die Strukturdefinitionen der Datendateien beinhalten. Unterschieden wird zwischen

• einer Stammdatentabelle (Strukturdefinition über HYD_STAT_DESCRIBE) und
• einer Datentabelle (STRUKTURDEFINITION über HYD_DAT_DESCRIBE).

Über den Eintrag FEHLWERTBELEGUNG kann angegeben werden, wie Fehlwerte in den Zeitreihen definiert worden sind. Default-Wert ist der Wert –9999.

###### Hydrologie ###########################################################
HYD_STAT_DESCRIBE        hyd_stat
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
HYD_DAT_DESCRIBE         hyd_data
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
FEHLWERTBELEGUNG         FEHLWERT   /* Kennzeichnung nichtgemessener Daten */
                                    /* z.B. Geraeteausfall */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 5.3-1: Steuerdatei HYD_DATA.STE

Abbildung 5.3-2 zeigt die Datei HYD_STAT.SDF zur Definition der Stammdatentabelle, die über das Schlüsselwort HYD_STAT eingeleitet wird. Hier wird die Struktur der DBASE-Tabelle PEGEL.DBF beschrieben, die als Attribute eine verbale Bezeichnung für die Lage des Pegels, eine Datendateibezeichnung, den Datentyp, die zeitliche Auflösung und die Lagekoordinaten definiert.

Die Zuordnung der hydrologischen Daten kann über die Angabe

1. der Gewässerstrecke <FGW-ID>,
2. des Teileinzugsgebietes <TG-ID> oder
3. der Lagekoordinaten der Station erfolgen.

Sind mehrere dieser Attribute angegeben, werden bevorzugt die IDs verwendet, wobei die Wahl zwischen den IDs wiederum durch die gewählte Raumauflösung bei der Abflusskonzentrationsmodellierung bestimmt wird.

Ist keine ID vorgegeben, wird unter Nutzung der Lagekoordinaten der jeweils nächste Gewässerabschnitt (aus den Knotenkoordinaten) bzw. das nächste Teileinzugsgebiet (nach den Koordinaten des Flächenschwerpunktes) für die Zuordnung verwendet.

Diese Zuordnung ist in beiden Fällen mit Unsicherheiten behaftet. So muss die Selektion des zugeordneten Gewässerabschnittes über den oberen Knoten erfolgen, weil nur so überhaupt eine Eindeutigkeit gesichert ist (bei den in ArcEGMO zugelassenen Baumstrukturen des Gewässernetzes können mehrere Gewässer denselben unteren Knoten besitzen).

Pegelabflüsse werden programmintern u.a. zur Schätzung bestimmter Anfangszustände (insbesondere der Grundwasserspeicher) verwendet. Für diese Schätzung ist die Kenntnis der Einzugsgebietsflächen der Pegel erforderlich. Diese Einzugsgebietsflächen werden normalerweise innerhalb des Programms gleich den kumulativen Einzugsgebietsflächen der zugeordneten Gewässerabschnitte bzw. Teileinzugsgebiete gesetzt. Wenn allerdings die Lage der Pegel nicht bei der Gebietsgliederung berücksichtigt wurde, ergeben sich bei dieser Verfahrensweise größere Differenzen zu den wirklichen Pegeleinzugsgebieten. In solchen Fälle können die EINZUGSGEBIETSFLAECHEn der Pegel auch direkt vorgegeben werden (Einheit [m²]).

Über den DATENFAKTOR können Korrekturen/Umrechnungen der Zeitreihen vorgenommen werden. Alle Pegelabflüsse werden mit dem Datenfaktor multipliziert. Ist er nicht angegeben, wird er auf 1. gesetzt. Über die Angabe von -1 kann eine Entnahme der Abflusszeitreihe vorgenommen werden, wenn die ID’s der zugeordneten Gewässerabschnitte ein negatives Vorzeichen erhalten (siehe Kapitel 5.4.1).

HYD_STAT DBASE                   pegel.dbf /* Tabelle der Pegel */
VERBALE_ORTSBEZEICHNUNG          NAME /* Pegelname oder Lagebezeichnung */
GEWASSERSTRECKE                  FGW_ID
TEILEINZUGSGEBIET                TG_ID
DATEI_BEZEICHNUNG                DATEI
DATEN_TYP                        TYP
DATENZEITINTERVALL               DTD
X_WERT                           X_COORD
Y_WERT                           Y_COORD
EINZUGSGEBIETSFLAECHE            AREA [qm]
DATENFAKTOR                      FAKTOR /* Datenfaktor für Korrektur/Umrechnung */

Abbildung 5.3-2: Datei HYD_STAT.SDF – Definition der Stammdatentabelle

Abbildung 5.3-3 beinhaltet die Stammdatentabelle. Diese befindet sich, sofern es sich um eine ASCII-Tabelle handelt, im Verzeichnis GISDESCRIBE. Hier ist zu sehen, dass die Reihenfolge der Spalten nicht mit der Definitionsreihenfolge in der Steuerdatei übereinstimmen muss.

FGW-ID DATEI TYP DTD NAME       X-COORD     Y-COORD
40     test  wqt 24 'Pegelname' 4472131.000 5709110.000

Abbildung 5.3-3: Beispiel für eine Stammdatentabelle

Die Datei HYD_DATA.SDF beinhaltet die Strukturdefinition für die eigentlichen Datentabellen (s. Abbildung 5.3-4) und wird über das Schlüsselwort HYD_DATEN eingeleitet. Die Datentabellen sind i.d.R. ASCII-Tabellen. Der Dateiname setzt sich aus der DATEI_BEZEICHNUNG und dem DATEN_TYP zusammen. Als Datentyp ist ‘wt’, ‘qt’ oder ‘wqt’ möglich, je nachdem, ob Wasserstände, Abflüsse oder beides in der zugeordneten Datentabelle verwaltet werden. Bezüglich der zeitlichen Auflösung gilt, wiederum analog zu den meteorologischen Daten, dass diese für alle Daten gleich sein muss.

Neben den Datenarten werden wiederum die Attributbezeichnungen für die zeitliche Zuordnung festgelegt. Standardmäßig werden die Datentabellen im Zeitreihen-Verzeichnis gespeichert, und zwar alle Daten einer Station in einer Datendatei.

Es ist aber auch möglich, die Zeitreihendaten in einem projektunabhängigen Verzeichnis zu verwalten, beispielsweise um Redundanzen zu vermeiden. In diesem Fall wird neben dem Datenformat (ASCII- oder DBASE) auch der Pfad zu diesen Datendateien angegeben. Zu beachten ist hierbei, dass der komplette Pfad angegeben wird und dass die Pfadangabe mit einem Slash abgeschlossen wird.

HYD_DATEN                    ASCII H:\Alle_Zeitreihen
Termin                       termin /* durch "." getrennte Datumszeichenkette */
JAHR                         y
MONAT                        m
TAG                          d
STUNDE                       h
MINUTE                       min
GEMESSENER_PEGELABFLUSS      QT [m**3/s]
GEMESSENER_WASSERSTAND       WT [cm]

Abbildung 5.3-4: Datei HYD_DATA.SDF – Definition der Datentabellen

Abbildung 5.3-5 zeigt einen Auszug aus der Pegeldatentabelle TEST.WQT, die entsprechend des Datentyps ‘wqt’ Abflusswerte und Wasserstände beinhaltet.

d   m y    QT   WT
01 11 1978 0.20 0.5
02 11 1978 0.25 0.51
03 11 1978 0.30 0.52
04 11 1978 0.25 0.51

Abbildung 5.3-5: Beispiel für eine Pegeldatentabelle

5.3.2 Externe Zuflüsse zum Gewässer

Am Gebietsrand sind Fremdzuflüsse zu verwenden. Sie berücksichtigen die außerhalb des Modellgebiets gelegene Flächengröße des Einzugsgebiets. Dazu muss die Externe Einzugsgebebietsgröße an den jeweiligen Rand-FGW-Abschnitten, die von dem Fremdzufluss gespeist werden, über das Steuerwort „FGW_extZuflussgebiet“ in der fgw.sdf und einer neuen Spalte mit der Flächengröße am fgw.dbf angegeben werden.

Zuordnung der Einzugsgebietsflächen zum Gewässernetz

Sofern für die Modellebene Q_Mod auf der Basis von Gewässerabschnitten gearbeitet wird, wird vom Programm eine Datei fgw_area.xlx im <Ergebnisverzeichnis>para ausgegeben. Diese beinhaltet für jeden Gewässerabschnitt die folgenden Größen:

Tabelle 5-5.3-1: Auszug aus der Datei fgw_area.xlx

Diese Werte sind vor allem für die Darstellung des Gewässernetzes nützlich, weil so sehr schnell die Hauptgewässer identifiziert werden können.

Sämtliche Flächengrößen wurden bisher aus den Flächen der Einzugsgebiete im Modellierungs-Cover TG abgeleitet.

Wenn wesentliche Randzuflüsse ins Modellgebiet integriert wurden, war es bisher nicht möglich, ohne großen Aufwand die zugeordneten Einzugsgebiete dieser Zuflüsse in obige Flächenberechnung einzubeziehen.

Dies ist jetzt möglich, indem der Gewässerdatenbasis ein zusätzliches Attribut zugewiesen wird, das die dem externen Zufluss zugeordnete Einzugsgebietsfläche [km²] beinhaltet. Der Name dieses Attributs wird dem Programm über den neuen Eintrag FGW_extZuflussgebiet in der Datei …GISDescribefgw.sdf wie folgt mitgeteilt:

FGW_extZuflussgebiet   f_area

Abbildung 5.3-6: Auszug aus der Datei …GIS\Describe\fgw.sdf

Fremdzuflüsse werden allein über die Pegel-Tabelle organisiert. In der Pegel.dbf wird die ID des Fließgewässerabschnitts mit einem Minuszeichen versehen. Ein Eintrag in der GWP.tab ist nicht erforderlich.

Name  DATEI    FGW_ID TG_ID TYP DTD AREA      FAKT
meisd meisdorf -6     6      qt 24  184000000 1

Abbildung 5.3-7: Auszug aus der Datei …GIS\ascii.pat\pegel.dbf

Die Abflussreihen der Fremdzuflüsse werden unter …Zeit.dat\Hyd.data<Pegelname>.tab gespeichert.

Über die Angabe eines negativen Datenfaktors (siehe Kapitel 5.4.1) in der Pegeltabelle kann eine Entnahme vorgenommen werden.

5.3.3 Pegel – Simulationsergebniszuordnung

Für die Ausgabe der Gütekriterien für jeden Pegel ist es jetzt auch möglich, nicht nur wie bisher den  Abfluss des Gewässerabschnittes „qc“ mit der Pegelzeitreihe zu vergleichen, sondern auch mit dem Abfluss des Oberliegers „qo“ zu vergleichen.

Dazu muss in der hyd_stat.sdf das Steuerwort SIM_ERGEBNISZUORDNUNG angegeben werden. Es wird intern nur auf qo getestet. Wenn ungleich oder diese Spalte nicht gegeben ist, bleibt alles wie bisher.
hyd_stat.sdf

SIM_ERGEBNISZUORDNUNG    Qc_oder_qo      /* getestet wird intern nur auf qo, wenn */
                                         /* ungleich oder diese Spalte nicht */
                                         /* gegeben ist, alles wie bisher */

5.3.4 PI2Pegel

Über die Aktivierung des Steuerwortes „PI2Pegel“ in der hyd_data.ste wird die Tabelle „pegel2tg.txt“ erzeugt.

hyd_data.ste

######  Hydrologie    ##########################################################
HYD_STAT_DESCRIBE     hyd_stat
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
HYD_DAT_DESCRIBE      hyd_data
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
*PI2Pegel              1
FEHLWERTBELEGUNG      -999.    /* Kennzeichnung nichtgemessener Daten         */
                               /* z.B. Geraeteausfall                        */
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
################################################################################

Diese Tabelle enthält die Zuordnung des Pegeleinzugsgebietes (alle zugehörigen TGs) zur PegelID (z.B. zur Messstellennummer) und deren Flächenanteil am Pegeleinzugsgebiet.

pegel2tg.txt

Pegel       TG_ID       Anteil
563745      376         0.632732
563745      379         0.343717
563745      377         0.006020
563745      375         0.017531
568400      319         0.175335
568400      274         0.198216
568400      306         0.113704
568400      273         0.161592
568400      265         0.175977
568400      259         0.175176

Es wird für alle Pegel, an denen Zeitreihen vorliegen, das Pegeleinzugsgebiet ermittelt. Danach stoppt ArcEGMO automatisch. Für eine Simulation muss nach erfolgter Ausgabe der Zuordnungstabelle das Steuerwort PI2Pegel wieder deaktiviert werden.

Wenn in der hyd_stat.sdf keine Pegelkennung angegeben ist, erhalten alle Pegel eine fortlaufende ID. In der hyd_stat.sdf kann über das Steuerwort „Pegelkennung“ eine PegelID/-Kennung (z.B. die Angabe der Messstellennummer) aktiviert werden (Pegelkennung   PEG_MSTNR).

hyd_stat.sdf

######  Hydrologie    ########################################################
…
Pegelkennung             PEG_MSTNR
…
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
################################################################################

Über die Ausgabe der Ergebnisse auf Teileinzugsgebiete können die Simulationsergebnisse mit dem Programm table.exe flächengewichtet für Pegeleinzugsgebiete aggregiert werden. Dafür ist die einmalige Erzeugung der Tabelle pegel2tg.txt notwendig. Der Befehl für table.exe lautet „PegelPi“ und die zugehörige Beschreibung ist der Dokumenation Tools zu entnehmen.

Zeitfunktionen bieten in ArcEGMO die Möglichkeit, zeitlich veränderliche Randbedingungen vorzugeben. Über Zeitfunktionen können folgende Bewirtschaftungen abgebildet werden:

1. Gewässernutzung, bei der sowohl in das Oberflächengewässer als auch in das Grundwasser Einleitungen (+) oder Entnahmen (-) in das Modell eingespeist oder entnommen werden.
2. Stoffeinträge oder Stoffentnahmen für Chlorid, Phosphor und Stickstoff
3. Vorgabe von Abflusskomponenten: Oberliegerzufluss (qo), Durchfluss (qc), Direktzufluss (qd) und Basisabfluss (qb). Zur Abbildung von Fremdzuflüsse, Einspeisungen, Entnahmen, Überleitungen, Abflussnachführungen etc.
4. Vorgabe von Wasserständen z.B. als Randbedingung für Grundwassermodell
5. Entnahme aus Gewässerpunkten, z.B. als Gewässerverdunstung
6. Wechselnde Mindestwasserabgaben an Unterliegern und/oder veränderbarer Zielwasserstand in Talsperren
7. Zeitliche Steuerung von Bauwerken über den K1 Parameter (=> sie Beschreibung Gewässerpunkte) vor allem zur Vorgabe von Wehrhöhen

Diese sind in der Realität meist durch anthropogene Eingriffe verursacht und werden daher unter dem Überbegriff „Bewirtschaftung“ über die Datei BW_DATA.STE direkt im ArcEGMO Verzeichnis organisiert. Die Steuerungsdatei Datei BW_DATA.ste verweist auf die eigentlichen Datendateien (z.B. bw_file.sdf und bw_file.tab für die Verwaltungsdatei) wie Abbildung 5.4-1 darstellt.

In der Strukturdefinitionsdatei sind anhand der möglichen Einträge und der Kommentare verschiedene Möglichkeiten für die Bindung der Einleitungen und Entnahmen auf Datenarten und Raumbezüge definiert. Dies sind allerdings vor allem Einstellungen, die für den Bewirtschaftungsmodus von ArcEGMO von Interesse sind.

Tabelle 5.4-1: Kodierung der durch die Zeitfunktionen ansteuerbaren Größen

Abbildung 5.4-1: Vereinbarung von zeitvariablen Einleitungen/Entnahmen

Für die Einbindung von Zeitreihen werden die in der Verwaltungsdatei …\gis\ascii.dat\bw_file.tab weitere Angaben benötigt. Die Datei-Form M, E oder R legt fest, ob die mehrere Datenarten für einen Raumbezug gegeben sind (M) oder eine Datenart für mehrere Raumbezüge (E und R). R und E unterschieden sich dabei nur über die Lage der betroffenen IDs: R wird für alle RandIDs verwendet, E steht für alle IDs innerhalb des Randes.

Der Raumbezug wird angegeben, damit die Zuordnung der IDs zu den entsprechenden Elementen vorgenommen werden kann. Dabei ist sicherzustellen, dass der angegebene Raumbezugstyp RBT mit dem gewählten Raumbezug der Modellierung (s. RAUMBEZUEGE_MODELLIERUNG in Kapitel 3) für die jeweilige Modellebene (Q für oberflächengewässer- und GW für grundwasserrelevante Nutzungen) übereinstimmt. Während die Seeverdunstung für einen Gewässerpunkt vorgegeben werden kann, sind Einleitungen und Entnahmen (qex) NUR für Fließgewässerabschnitte möglich. Eine Einleitung in einen See muss über den Fließgewässerabschnitt erfolgen, der dem Gewässerpunkt des Sees zugeordnet ist.

Die zeitliche Variabilität der Gewässernutzungen kann angegeben werden, wie in Kapitel 8.5 beschrieben, über zyklische Zeitfunktionen, die einen typischen Jahresgang beschreiben. Dies kann über mittlere Monatswerte oder über Stützstellen, anzugeben über die Tagesnummer innerhalb eines Jahres (1…365) erfolgen.

Soll für Testzwecke eine Zeitfunktion mal deaktiviert werden, ohne dass die entsprechende Zeile komplett gelöscht wird, kann das leicht geschehen, indem die DATEI mit einem ‚*’ auskommentiert wird.

DATEI       TYP DATZ FORM RBT RB X-COORD Y-COORD DTD
*einleitung txt qex  E    fgw 0  0.0000  0.0000  0
*einleitung txt qex  E    fgw 0  0.0000  0.0000  0
Evaposee    txt wep  E    gwp 0  0.0000  0.0000  0
Wehr11      txt k1   E    gwp 0  0.0000  0.0000  0
*Wehr13     txt k1   E    gwp 0  0.0000  0.0000  0
*Wehr14     txt k1   E    gwp 0  0.0000  0.0000  0

Abbildung 5.4-2:Beispiel einer Verwaltungsdatei…gis\ascii.dat\bw_file.tab

Zeitfunktion Zustand

Über die Zeitfunktion Zustand können Bauwerke aktiviert und deaktiviert werden. Standardmäßig sind alle Bauwerke aktiv, die in der GWP-Datei vorgegeben sind.

Die Zustände zus als neue, programminterne Datenart werden über Bewirtschaftungsdaten aktiviert. Während der Dateiname und der Dateityp frei vorgegeben werden können, muss zus für DATZ als Datenart angegeben werden, der die einzulesenden Zustände programmintern zugeordnet werden. Als Raumbezug wird derzeit nur GWP unterstützt.

Bw_file.dat

DATEI TYP   DATZ  FORM  RBT   RB    X-COORD     Y-COORD     DTD
TS_Zustand  txt   zus   E     gwp   0     0     0     864000

Die Datendatei TS_Zustand.txt befindet sich im Zeitreihenverzeichnis im Ordner bw_data. Je nach gewählter Zeitfunktion (s. Kapitel 5.6) können die Zustände zyklisch, z. B. als Jahresgänge (Wehr gezogen oder gesetzt), als äqui- oder nicht äquidistante Zeitreihe vorgegeben werden. Im folgenden Beispiel besteht die Zustandsdatei aus wenigen Stützstellen, die besagen, dass am 1.11.1965 das Bauwerk (hier Talsperre) in Betrieb ging, am 2.11.1993 deaktiviert wurde (z. B. für Baumaßnahmen) und am 3.11.1994 wieder in Betrieb genommen wurde.

Die hier gewählte Vorgabe der Zustände über Stützstellen funktioniert dann gut, wenn der Simulationsbeginn innerhalb des über die Stützstellen definierten Zeitraumes liegt. Beginnen die Simulationsrechnungen vor dem ersten Eintrag in der Zustandsdatei, so ist der Zustand nicht definiert. In diesem Fall wird eine Warnung ausgegeben und der Zustand auf 0 gesetzt. In dem Beispiel unten wäre dies korrekt, da die Talsperre erst im Jahr 1965 in Betrieb genommen wurde.

TS_Zustand.txt

termin      113
01.11.1965  1
02.11.1993  0
03.11.1994  1

Alternativ kann natürlich der Zustand auch für jeden Tag vorgegeben werden.

Derzeit werden als Zustände nur 0 für deaktiviert oder nicht wirksam und 1 für aktiviert unterstützt.

Um den Zustandswechsel zwischen 0 und 1 zu berücksichtigen z. B. für die Inbetriebnahme einer bisher nicht vorhandenen Talsperre, ist dafür zu sorgen, dass der Speicher zu Beginn einer Simulationsperiode leer und der Startwasserstand dementsprechend festgelegt ist, sofern diese mit deaktivierter Talsperre beginnt. Dieser Startwasserstand bezieht sich auf die Bezugshöhe und muss dem minimalen Wasserstand in der HAV- und WQB-Tabelle entsprechen.

Ein Zustandswechsel von 1 zu 0 bewirkt derzeit eine Deaktivierung des Bauwerkes. Die Speicherfüllung und der letzte Wasserstand verbleiben unverändert bis zu einer eventuellen Wiederinbetriebnahme (Wechsel von 0 zu 1), was sicherlich für längere Zeiträume nicht realistisch ist.

Deshalb ist vorgesehen, sofern dies für die Lösung konkreter Aufgabenstellungen erforderlich wird, weitere Zustände bzw. Zustandsübergange wie gesteuerte Entleerung für Wartungsarbeiten (z. B. Entleerung mit dem schadlos abführbaren Abfluss) oder Dammbruch mit einer schlagartigen Entleerung zu integrieren.

5.4.1 Einleitungen und Entnahmen

5.4.1.1 Integration analog Pegelreihen

Einleitungen und Entnahmen sind anthropogene, Bilanz beeinflussende Maßnahmen in einem Flussgebiet. Derartige Einflüsse sollten, sofern sie quantifizierbar sind, im Rahmen einer hydrologischen Gebietsmodellierung berücksichtigt werden.

In ArcEGMO können Einleitungen bzw. Entnahmen als Zeitreihen vorgegeben und über ihren Raumbezug an die Modellierungs-Cover gebunden werden.

Die Verwaltung dieser Zeitreihen erfolgt vollkommen analog und letztlich auch gemeinsam mit den hydrologischen Daten.

In der hydrologischen Stammdatentabelle (s. Abbildung 5.3-3) werden die Verweise auf die Zeitreihen mit Entnahmen und Einleitungen genauso verwaltet wie die Pegelzeitreihen. Lediglich die ID’s der zugeordneten Gewässerabschnitte bzw. Teileinzugsgebiete erhalten zur Unterscheidung von den Pegelreihen ein negatives Vorzeichen.

Bei Verwendung dieser einfachen Methode ist es erforderlich, dass die Einleitungen oder Entnahmen in gleicher zeitlicher Auflösung wie die Pegeldaten und die meteorologischen Daten vorliegen.

5.4.1.2 Integration als Zeitfunktionen

Eine andere, wesentlich flexiblere Möglichkeit, Einleitungen und Entnahmen in ArcEGMO zu berücksichtigen, besteht in der Verwendung von Zeitfunktionen.

5.4.1.3 Integration von GRM-Daten

Eine weitere Möglichkeit, Einleitungen und Entnahmen in ArcEGMO einzubinden, wurde über eine Schnittstelle zu den Datenstrukturen geschaffen, die in ArcGRM© zur Verwaltung von Nutzerdaten gebräuchlich sind.

Insbesondere für die Einspeisung externer Zuflüsse inklusive Stoffkomponenten wurden die Möglichkeiten der Zeitreihenverwaltung erweitert um die DATEI_FORM K (s. Dokumentation Teil 1, Kapitel Bauwerke), mit der es nun möglich ist, einem Raumbezug (einem räumlichen Objekt) mehrere Datenreihen über eine Datei zuzuordnen.

Die Zuordnung des Raumbezugs erfolgt nun in der Datei bw_file.tab. Im nachstehenden Beispiel werden ein externer Zufluss inklusive Chloridfracht in den Gewässerabschnitt mit der FgwID = 2000 eingespeist. Die Zuordnung zur Datenart DATZ erfolgt nicht mehr in der Datei bw_file.tab, sondern in der Datentabelle selbst. Hier muss als Attributbezeichnung DATZ gemäß obiger Tabelle angegeben werden. Das Attribut DATZ in bw_file.tab wird überlesen.

DATEI   TYP DATZ FORM RBT RB   X-COORD Y-COORD DTD
cl_test txt xxx  K    fgw 2000 0       0       1440

Abbildung 5.4-3: Datei…gisascii.patbw_file.tab

cl_test.txt
D M Y    qex_Cl qex
1 1 1992 0.9167 0.123456
2 1 1992 1.2696 0.98765

Abbildung 5.4-4: Beispiel Entnahme

5.4.1.4 Integration der Gewässerverdunstung als vorgegeben Zeitreihe (Messwerte)

Für die zeitgesteuerte Vorgabe der Gewässerverdunstung (WEP) ist zu beachten, dass die vorgegebenen Werte > 0 sein müssen, da Werte <= 0 als Fehlwerte interpretiert werden. Für diesen Fall wird die Gewässerverdunstung aus den Klimagrößen der nächstgelegenen Klimastation nach Turc/Ivanov berechnet. Die nächste Klimastation wird dabei aus den Koordinaten des Gewässerpunktes ermittelt. Sind keine Koordinaten angegeben, ist eine Ermittlung nach Turc/Ivanov nicht möglich. Sind in einer vorgegebenen Zeitreihe Verdunstungen mit „0“ angegeben, die verwendet werden sollen, ist es möglich, diese über das Löschen der Koordinaten (Koordinate = 0) des Gewässerpunktes mit zu berücksichtigen.

Sollen Grundwasserzuflüsse, die extern z.B. mit einem detaillierten Grundwassermodell berechnet wurden, innerhalb eines komplexen Flussgebietsmodells genutzt werden, übernimmt die Programmkomponente FE für diese Grundwasserzuflüsse

• die räumliche Zuordnung zu Gewässerabschnitten und
• die richtige zeitliche Bereitstellung innerhalb der Modellierung.

Extern berechnete Grundwasserzuflüsse sind in einer Datei bereitzustellen, deren Struktur dem ASCII-Export-Format der Tabellenkalkulation EXCELentspricht. Diese Dateistruktur wurde gewählt, weil extern berechnete Daten i.d.R. einer vorherigen Plausibilitätsprüfung unterzogen werden sollten, wozu Excel gut geeignet ist.

Abbildung 5.5-1 zeigt die zugehörige Definitionstabelle GW_DATA.SDF, die sich im Verzeichnis ZEIT.DATDESCRIBE befindet. Über diese Datei wird außerdem festgelegt, auf welche Datentabelle zugegriffen werden soll.

#############################################################################
BERECHNETER_GW_ZUFLUSS    ASCII   gw_zu2   biln34a   [m**3/s]
ZEIT                      time
#############################################################################

Abbildung 5.5-1: Datei GW_DATA.SDF – Definition der Datentabellen

Abbildung 5.5-2 zeigt beispielhaft einen Auszug aus einer solchen Datentabelle. Diese hat keine Ähnlichkeit mit den Datentabellen der hydrologischen Messwerte oder der meteorologischen Eingangsgrößen. In der ersten Spalte ist zwar wiederum die zeitliche Zuordnung zu erkennen, allerdings hier durch ‘.’ getrennt, während als Spaltentrenner das Semikolon genutzt wird.

Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Datentabellen wird hier die räumliche Zuordnung direkt über die Spaltenbezeichner realisiert. Spaltenbezeichner sind hier also bis auf ‘time’ die ID’s der Gewässerabschnitte, denen die Grundwasserzuflüsse zugeordnet werden sollen.

Programmintern wird dazu das BASEFLOW-Attribut des FGW-Covers (s. Kapitel 4) herangezogen. Wie in Kapitel 4.3 beschrieben wurde, können mehrere Gewässerabschnitte die gleiche Zuordnung besitzen. In diesem Fall werden für die Aufteilung der Grundwasserzuflüsse Aufteilungsfaktoren entsprechend der Flächenverhältnisse der Eigeneinzugsgebiete der Gewässerabschnitte zueinander ermittelt.

Wie an den Zeitbezügen erkennbar ist, liegen in der Beispielstabelle die Grundwasserzuflüsse in einer zeitlichen Auflösung von 15 Tagen vor. Sofern die Berechnungszeitschrittweite geringer ist, wird programmintern die richtige zeitliche Zuordnung gewährleistet, indem z.B. bei Tageswertrechnungen für 15 Tage derselbe Grundwasserzufluss verwendet wird.

time;         1;          2;          3;          4;          5;          6;          7
01.01.1979;   0.013176;   0.019608;   0.016587;   0.017185;   0.013512;   0.009487;   0.018423
16.01.1979;   0.004993;   0.012557;   0.0107;     0.009918;   0.007566;   0.004729;   0.014518
31.01.1979;   0.00103;    0.008819;   0.0077;     0.006568;   0.005981;   0.002848;   0.013556

Abbildung 5.5-2: Beispiel für eine Grundwassertabelle

Die Kennwerte in Relate-Tabellen werden vom Rahmenprogramm als zeitlich nicht veränderliche Größen verwaltet. Dies ist für eine Reihe von Kennwerten (Gefälle, Exposition, Bodenform) innerhalb der betrachteten Zeithorizonte gerechtfertigt und auch für andere Größen z.B. der Landnutzung für eine Vielzahl von Aufgabenstellungen möglich.

Für spezielle Untersuchungen ist es jedoch notwendig, Kennwerte als zeitlich veränderliche Größen zu behandeln.

Dies ist u.a. dann der Fall, wenn

1. die Vegetationsentwicklung berücksichtigt werden soll (innerjährlicher Gang und langfristiges Wachstum) oder
2. die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen abzuschätzen sind.
3. der innerjährliche Gang der Grundwasserflurabstände berücksichtig werden soll.

Modellmäßig beschreibbar sind diese Entwicklungen, indem

1. für definierte Relationstypen Zeitfunktionen bestimmter Kennwerte vorgegeben werden (z.B. Relationstyp Nutzung: Versiegelungsgrad, Wurzeltiefe, Bedeckungsgrad) oder
2. für definierte Relationstypen eine zeitliche Abfolge der Relationsklassen vorgegeben werden (z.B. Relationstyp Nutzung: Nutzungsklasse Wald wird zu buschiger Vegetation und später zu Grasland/Steppe).

Allerdings gelten dann die über Zeitfunktionen zu definierenden Szenarien für das gesamte Untersuchungs- bzw. Modellgebiet.

Insbesondere für großräumige Untersuchungen ist es jedoch notwendig, die Zeitfunktionen auch räumlich variabel vorgeben zu können. So setzt die Vegetationsentwicklung im Süden früher als im Norden ein (A) und eine großräumige Umwidmung ganzer Relationsklassen ist für sehr große Gebiete ein eher unwahrscheinliches Szenario.

In Auswertung obiger Überlegungen wurden folgende Anforderungen an die Verwaltung zeitvarianter Daten formuliert:

I. Die Art einer Zeitfunktion soll variabel vorgebbar sein, um verschiedene Arten von innerjährlichen, meist zyklischen und überjährlichen, meist trendbehafteten oder durch Sprungstellen gekennzeichneten Abläufen abbilden zu können.

II. Die Zeitfunktionen sollen an Kennwerte einer über ihre ID referenzierbare Relationsklasse (z.B. Relationstyp Nutzung: Nutzungsklasse Wald) oder unmittelbar an die ID selbst der Relationsklasse gebunden werden können.

III. Zusätzlich zur Bindung einer Zeitfunktion an eine Relations-ID soll optional eine selektive Bindung an zu definierende Raumbezüge (REG, TG, KAS, EFL) über deren IDs möglich sein.

Abbildung 5.6-1 zeigt ein Beispiel für eine Zeitfunktionsdefinition. Hier wird eine Verknüpfung zur Wurzeltiefe der Landnutzung mit der ID 5 in der Landnutzungstabelle (hier Wald) hergestellt. Die Zeitfunktion selbst befindet sich in der Datei wald_y.wt. Die Namenswahl für die Zeitfunktionsdateien ist frei. Allerdings ist es angeraten, über die Namensgebung den Inhalt zu dokumentieren. Empfohlen wird folgende Konvention <Relate_Typ>_<Zeitauflösung (s. Abbildung 5.6-2)>.<Kennwert>. Der Kennwert sollte dem Eintrag für DATZ entsprechen.

Unterstützt wird derzeit die Bindung zeitvariabler Werte auf statische Größen der Landnutzungs-, der Bodenarten- und der Flurabstandstabelle, über die Schlüsselwörter :

1. NUTZUNG,
2. BODENART oder
3. GRUNDWASSERFLURABSTAND.

Innerhalb dieser Tabellen ist die zeitvariable Ersetzung der folgenden, statischen Größen (Zieldatenart DATZ) möglich:

1. WT – Wurzeltiefe,
2. Gwab – Grundwasserflurabstand [mm],
3. Aimp – Versieglungsgrad [Anteil 0 …1],
4. Intc – Interzeptionskapazitaet [mm]
5. Bed – Bedeckungsgrad [Anteil 0 …1],
6. LAI – LAI [mm]
7. Beregnung – Beregnung [mm/DT[1]]

und zwar immer genau für einen Landnutzungstyp, eine Bodenart oder eine Grundwasserflurabstandsklasse, der über die zugehörige ID definiert ist. Programmintern wird eine Verknüpfung zwischen der ID in der Zeitfunktionsdefinition und dem dieser ID zugehörigen Eintrag in der gewählten Relate-Tabelle hergestellt.

Abbildung 5.6-1: Zeitreihendefinition – ein Beispiel

5.6.1 Unterstützte Zeitfunktionen

Unterstützt werden äquidistante und nicht äquidistante Zeitfunktionen. Die nicht äquidistanten Zeitfunktionen beschreiben über Stützstellen vorzugebende Verläufe. Zwischen den Stützstellen wird linear interpoliert oder eine Stufenfunktion aufgebaut. Bei der Stufenfunktion gilt ein Wert solange, bis er durch einen neuen ersetzt wird.

Die Zeitfunktionen für Kennwerte von Relateklassen befinden sich im Verzeichnis /zeit.dat/ascii.rel/.

Abbildung 5.6-3 bis Abbildung 5.6-4 zeigen einige Beispiele für Zeitfunktionen.

Jede Zeitfunktion wird über genau eine Datei vorgegeben. Die zweite Spalte beinhaltet die eigentlichen Attributwerte, wobei der Attributbezeichner identisch mit dem Bezeichner der Zieldatenart (DATZ – s. Abbildung 5.6-2) sein muss, die erste Spalte den zeitlichen Bezug. Wie dieser zu interpretieren ist, wird über die Datei ../zeit.dat/describe /relates.sdf vorgegeben (s. Abbildung 5.6-2).

###### Zeitvariable Kennwerte #############################################
Termin                 termin    /* durch "." getrennte Datumszeichenkette */
TerminHM               terminhm
JAHR                   y
MONAT                  m
TAG                    d
STUNDE                 h
MINUTE                 min
MITTLERE_MONATSWERTE   mm   /* Monatsnummer (1...12) */
MITTELWERT             mit
MITTLERER_JAHRESGANG   TN   /* Tagesnummer innerhalb eines Jahres (1...365)*/
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
###############################################################################

Abbildung 5.6-2: Steuerdatei ../zeit.dat/describe /relates.sdf

Abbildung 5.6-3 und Abbildung 5.6-4 zeigen Dateien, mit denen Jahresgänge über Stützstellen vorgegeben werden können. Zwischen den Stützstellen wird linear interpoliert.

Die erste Datei beinhaltet einen mittleren Jahresgang, der sich zyklisch für jedes Jahr innerhalb des Berechnungszeitraumes wiederholt. Der zeitliche Bezug wird über die Tagesnummer TN hergestellt.

Abbildung 5.6-3: Zeitvariable Kennwerte – mittlerer Jahresgang

Die zweite Datei beinhaltet ein Beispiel zur Vorgabe von Stützstellen zur Beschreibung des Jahresganges für jedes Einzeljahr innerhalb des Simulationszeitraumes. Der zeitliche Bezug ist hier über die komplette Datumsangabe Termin gegeben.

Abbildung 5.6-4: Zeitvariable Kennwerte – Jahresgänge über Stützstellen

Die Beispiele in den folgenden drei Abbildungen beinhalten Stufenfunktionen.

Abbildung 5.6-5 zeigt die Vorgabe eines Jahresganges über mittlere Monatswerte. Diese gelten jeweils genau für den angegebenen Monat, d.h. es müssen genau 12 Werte für die Monatsnummern 1 bis 12 vorgegeben werden.

Abbildung 5.6-5: Zeitvariable Kennwerte – mittlere Monatswerte (Jahresgang)

In Abbildung 5.6-6 und Abbildung 5.6-7 sind Dateien dargestellt, die Monats- bzw. Jahreswerte beinhalten. Jeder Wert gilt vom 1. Tag des angegebenen Monats bzw. Jahres unverändert bis zum 1. Tag des nächsten Eintrages. Damit können Stufenfunktionen mit einer äquidistanten Zeitdiskretisierungen in ein bis n Monate oder Jahre, aber auch nicht äquidistanten Zeitdiskretisierungen definiert werden.

Abbildung 5.6-6: Zeitvariable Kennwerte – Monatswerte

Abbildung 5.6-7: Zeitvariable Kennwerte – Jahreswerte

[1] DT als zeitliche Auflösung der Berechnung, nicht der Daten in der Zeitdatentabelle

6.1 Ausgabe von gebietsbezogenen Bilanzgrößen
6.2 Möglichkeiten der Ergebnisausgabe mit RESULTS
6.3 Ermittlung von Gütekriterien

Eine einfache Möglichkeit, im Rahmen der Modelluntersuchungen einen ersten Überblick über die Wasserhaushalts- und die Abflusssituation im Gebiet zu bekommen, bieten Bilanzausgaben.

Sie werden in der modul.ste in den Blöcken ABI_MODELL und NA_MODELL wie in Abbildung 6.1‑1 dargestellt aktiviert, wobei für die Bilanz der Wasserhaushaltsgrößen auch die Ausgabeeinheiten [m³/s, mm/DT, l/(s*km^²)] gewählt werden kann.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
ABI_MODELL
…
Bilanzausdruck   2     /* mit 0=kein, 1=m3/s, 2=mm/DT, 3=l/s*km2 */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
NA_MODELL
Bilanzausdruck? Ja
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 6.1‑1: Bilanzausgabenaktivierung in der modul.ste

Am Ende der Protokolldatei arc_egmo.txt werden dann die folgenden Größen ausgegeben:

Ergänzend zur Bilanz über den gesamten Berechnungszeitraum werden in den Dateien ABI_Bilanz.txt für jeden Zeitschritt die Wasserhaushaltsgrößen (Einheit je nach Wahl in [m³/s, mm/DT oder l/(s*km^²)]) ausgegeben.

Diese Wasserhaushaltsgrößen sind zum Teil Komponenten der im Zuge der Abflussbildungsberechnungen ermittelten Abflüsse von den Bildungsflächen.

Sie finden ihre Entsprechung in den Zuflüssen zum Gewässer und sollten mit diesen übereinstimmen.

Nachfolgend ist der Inhalt der Datei Q_Bilanz (in [m³/DT],meist [m³/Tag]) aufgelistet.

Diese Bilanzauswertungen können also auch zur Überprüfung verwendet werden, inwiefern die verwendeten Modelle bilanztreu arbeiten (Bilanzfehler) und sind somit für Modellentwickler eine einfach nutzbare Prüfmöglichkeit für ihre Modelle. Kontrolliert werden kann außerdem, wie die Weitergabe der Wassermengen von der Modellebene ABI zur Modellebene Q funktioniert. Problematisch ist allerdings, dass die Modellebenen RD und GW keine separaten Bilanzauswertungen besitzen.

Es muss allerdings darauf hingewiesen werden, dass bei Nutzung bestimmter Module wie die „kinematische Welle“ die Bilanzauswertung Bilanzfehler vortäuscht, die in der Realität gar nicht vorhanden sind. Das liegt z.B. daran, dass der Oberflächenflächenabfluss RO auf dem Weg zum Vorfluter wieder infiltrieren kann, wodurch der oberirdische Zufluss RO zum Gewässer nicht mit dem RO der Abflussbildung übereinstimmen muss. Gleiches trifft für die Grundwasserneubildung zu, die u.U. von der Versickerung aus dem RO profitiert.

Ein Beispiel dafür zeigt die nachstehende Bilanzauswertung.

Je nach gewählter räumlicher und zeitlicher Diskretisierung fallen im Zuge der Modellrechnungen zum Teil beträchtliche Datenmengen an, die in geeigneter Form für weitere Auswertungen gespeichert werden müssen. Eine direkte Einspeisung ins GIS ist nur bedingt möglich, da diese Systeme die Zeit als 4. Dimension nicht unterstützen. Deshalb werden die Modellierungsergebnisse prinzipiell in ASCII-Tabellen (Dateien) gespeichert.

Für die Verwaltung der Modellergebnisse steht die Programmkomponente RESULTS zur Verfügung, deren Arbeitsweise über die Datei RESULTS.STE gesteuert werden kann.

6.2.1 Raumbezüge

In jeder Ergebnistabelle kann genau eine Datenart gespeichert werden. Der Name der Tabelle wird aus dem Raumbezug und der Datenart gebildet. Die folgende Tabelle 6.2‑1 zeigt die möglichen Raumbezüge für die Ergebnisauswertungen.

Tabelle 6.2‑1: Mögliche Raumbezüge für die Modellierungsergebnisse

6.2.2 Tabellenformate

Je nachdem, wie die Ergebnisse weiter ausgewertet werden sollen, können verschiedene Tabellenformate für die Speicherung genutzt werden. Folgenden Tabellenformate werden unterstützt:

• EXCEL_MOD mit spaltenbezogenem Raum- und zeilenbezogenem Zeitbezug, vorrangig für eine zeitbezogene Auswertung, z.B. innerhalb der Tabellenkalkulation EXCEL^©,
• GIS_MOD mit zeilenbezogenem Raumbezug und spaltenbezogenem Zeitbezug vorrangig für eine raumbezogene Auswertungim GIS.

Zur Verdeutlichung der Unterschiede zwischen den beiden Datenformaten zeigt Abbildung 6.2‑1 Auszüge aus verschiedenen Ergebnisdateien.

Die Abschnitte a) und b) beziehen sich auf das GIS-Format. Die erste Spalte beinhaltet hier die ID’s der zugeordneten Raumeinheiten, also z.B. die EFL-ID oder die TG-ID. Über diese ID können in ARC/INFO oder ArcView Relationen zu den zugeordneten Geometrien hergestellt werden. Die nachfolgenden Spalten enthalten die Berechnungsergebnisse mit ihrem zeitlichen Bezug. So beziehen sich in a) die Ergebnisse auf den Gesamtzeitraum und in b) auf einzelne Monate während des Simulationszeitraumes. Durch ‘t’ als Spalten- und ‘.’ als Dezimaltrenner wird der Import in obige GIS-Systeme problemlos möglich.

Der Abschnitt c) der nachfolgenden Abbildung zeigt einen Ausschnitt einer Datei im Excelformat. Hier fungiert das ‘,’ als Dezimaltrenner, was den Import in Excel erleichtert. Die erste Spalte beinhaltet den Zeitbezug der Ergebnisse – unterschiedlich in Abhängigkeit von der gewählten Zeitaggregierung („JJ“, „MM.JJ“, „TT.MM.JJ“, „TT.MM.JJ HH“ oder „TT.MM.JJ. HH.MIN“). In den nachfolgenden Spalten sind dann die Ergebnisse mit ihren Raumbezügen (ID’s) angegeben.

.

KEN Gesamt                                       a)
56    13.172
9    197.429
11   162.712
...
KEN "01.81" "02.81" "03.81" ...                  b)
11   170.91  80.859  219.095
40   203.570 97.340  253.663
...
time    11     40                                c)
"01.81" 4,31   4,366
"02.81" 5,9338 5,941
...

Abbildung 6.2‑1: Auszüge aus verschiedenen Ergebnisdateien

6.2.3 Umrechungen

In jedem Ergebnisblock kann eine Umrechnung vorgegeben werden, um die Modellgrößen für die Ergebnisausgabe in handhabbare oder praktikable Größen umzurechnen. Das macht vor allem dann Sinn, wenn die Berechnungsgrößen in unüblichen Einheiten verwendet werden oder die zum Vergleich herangezogenen Werte (Kalibrierung) in einer anderen Einheit vorliegen.

UMRECHNUNG   * 10  /* Operator {*|:} und Operand, um Ergebnisse in eine handhab- */
                   /* bare Groesse oder eine andere Einheit zu transformieren */

Abbildung 6.2‑2: Auszüge aus der result.ste

6.2.4 Aggregierungen und Selektionen

Prinzipiell können alle Datenarten für die Raumbezüge, für die sie berechnet werden, in quasi beliebiger zeitlicher Auflösung gespeichert werden. Dies kann aber zu nicht mehr handhabbaren Datenmengen führen.

Deshalb werden vom Programm die folgenden Möglichkeiten unterstützt:

• verschiedene zeitliche und räumliche Selektionskriterien (s. Tabelle 6.2‑2) und
• verschiedene zeitliche und räumliche Aggregierungen (s. Tabelle 6.2‑3).

In Kombinationen mit den Möglichkeiten von GIS und Tabellenkalkulationsprogramme sind mit diesen Selektions- und Aggregierungsmechanismen effektive Datenanalysen durchführbar.

Weitere Ausführungen sind dazu im Kapitel 6.2.6 zu finden.

Tabelle 6.2‑2: Mögliche räumliche und zeitliche Selektierungen der Ergebnisse

Tabelle 6.2‑3: Räumliche und zeitl. Aggregierung der Berechnungsergebnisse

6.2.5 Datenarten

Welche Möglichkeiten zur bedarfsgerechten Ergebnisauswertung schon während des Simulationslaufes bestehen, wird in den weiteren Ausführungen erläutert.

Tabelle 6.2‑4 listet einen kleinen Auszug aus den Datenarten auf, die derzeit von ArcEGMO unterstützt werden. Inwiefern diese Datenarten während der Modellrechnungen mit Werten belegt werden, ist wiederum abhängig von der gewählten Modellkonfiguration. So wird der Wasserstand (im Gewässer) von einfachen systemhydrologischen Modellen zur Beschreibung der Abflusskonzentration im Gewässer nicht berechnet und dementsprechend nicht wertmäßig belegt. Gleiches gilt für den hypodermischen Abfluss, der zwar als Speicherplatz im System ArcEGMO vorgehalten wird und auf Anforderung des Nutzers ausgewertet wird, aber derzeit nur von einem Modul (s. Kapitel 2) wertmäßig belegt wird.

Darüber hinaus gibt es, je nach Einsatz spezieller Module, eine Reihe weiterer Ausgabegrößen wie z.B. die Stoffkonzentrationen bei der Verwendung des Stoffmoduls oder Größen der Vegetationssimulation bei Nutzung des Vegen-Ansatzes im PSCN.

Tabelle 6.2‑4: Auszug aus den möglichen Berechnungsdatenarten

6.2.6 Schnittstelle results.ste

Die Steuerung, in welcher Form welche Daten berechnet und gespeichert werden, erfolgt über die Steuerdatei RESULTS.STE. Um verschiedene Kombinationen der Ergebnisauswertung für unterschiedliche Daten zu ermöglichen, werden diese zu den folgenden Ergebnisgruppen zusammengefasst, die den jeweiligen Modellebenen zugeordnet sind:

• Meteorologie,
• Wasserhaushalt,
• Direktabfluss,
• Grundwasser,
• Gewässerabflüsse und Gewässerpunkte.

Jeder dieser Ergebnisgruppen ist ein Anweisungsblock zugeordnet, der durch den Namen der Ergebnisgruppe als Schlüsselwort eingeleitet wird. Wird ein Schlüsselwort für eine Datengruppe oder eine Datenart nicht gefunden, erfolgt keine Auswertung. So kann durch ein vorangestelltes ‘*’ gesteuert werden, welche Auswertungen erfolgen sollen.

Über das TABELLEN_FORMAT kann eine raum- oder zeitbezogene Tabellenstruktur gewählt werden (s. Kapitel 6.2.2).

Für jede Datengruppe können separat verschiedene Selektions- und Aggregierungskriterien angegeben werden.

Die Art der Aggregierung wird in der Steuerdatei ARC_EGMO.STE (s. Kapitel 3) festgelegt. Dabei werden nur die Datengruppen Meteorologie und Wasserhaushalt unterstützt, also Gruppen, die streng flächenbezogen die vertikalen Flüsse erfassen. Keine Aggregierung wird für die laterale Flüsse zwischen Geometrieelementen angeboten, da hier die räumliche Aggregierung vom Modell selbst im Rahmen der Abflusskonzentration beschrieben wird.

Über die räumliche Aggregierung wird realisiert, dass die Berechnungen zwar für kleinere Geometrieeinheiten und damit prozessadäquat erfolgen (z.B. Elementarflächen) können, die Ergebnisse dann aber bezogen auf größere Einheiten wie Teileinzugsgebiete gespeichert werden.

Für jede Datengruppe können die in Abbildung 6.2‑3 angegebenen zeitlichen und räumlichen Selektionsmöglichkeiten genutzt werden.

Sofern das Steuerwort RAUMSELEKTION gefunden wird, erfolgt die Ergebnisauswertung nur für vorgegebene Geometrieelemente. Die Vorgabe dieser Geometrieelemente erfolgt über die ASCII-Dabei <Raumbezug>.sel, wobei „Raumbezug“ gleich dem Raumbezug sein muss, für den die Berechnungen in der zugeordneten Modellebene durchgeführt werden (z.B. EFL oder TG in ABI_MOD). Diese Datei wird im Verzeichnis GISSELECT erwartet.

TABELLEN_FORMAT    GIS_MOD          /* EXCEL_MOD oder GIS_MOD=Raum */
RAUMSELEKTION                       /* wenn aktiviert, Vorgabe der Selektion */     
                                    /* ueber eine Datei ..GISSelect<RB>.SEL */
ZEITAGGREGATION    0                /* 0 Tag, 1 Monat, 2 Jahr, 3 Stunden, */
                                    /* 5, 10, 15 (in Minuten) */
                                    /* -1 Mittel, -2 Sommer, -3 Winter */
ZEITSELEKTION                       /* wenn aktiviert, Beruechsichtigung */
                                    /* der folgenden Terminangaben */
STARTDATUM         1 1 79           /* Tag Monat Jahr */
STARTZEIT          0 0              /* Stunde Minute */
ENDDATUM           31 12 93         /* ENDDATUM bzw. ENDZEIT muss einen Zeit- */
ENDZEIT            0 0              /* schritt groesser gewaehlt werden */
UMRECHNUNGSFAKTOR  10               /* Faktor, um Ergebnisse in eine handhabbare */
                                    /* Groesse oder eine andere Einheit zu */
                                    /* transformieren */
DATEN_MODUS        MIT              /* MIT, MIN, MAX innerhalb des Auswerte- */
                                    /* intervalls entsprechend ZEITAGGREGATION */

Abbildung 6.2‑3: Steuerdatei RESULTS.STE – Selektionsmöglichkeiten 1

Eine weitere Möglichkeit der Raumselektion kann auch ohne das Select-Verzeichnis erfolgen, in dem eine (beliebige) DBASE- oder ASCII-Tabelle mit einer Attributspalte angegeben wird, die die IDs der zu selektierenden Geometrieelemente beinhaltet. Erforderlich sind hier also exakt 3 Angaben (Dateityp ASCII|DBASE, die Datei selbst, die sich im GIS-Verzeichnis befinden muss und der Name des Attributs mit den Selektionen). Werden nur 2 Angaben gefunden, werden diese als Dateityp und Dateiname interpretiert und „Select“ als Name der Selektionsspalte angenommen. Um hier ein sicheres Einlesen dieser Informationen zu gewährleisten, empfiehlt es sich, in der Zeile RAUMSELEKTIONEN keine weiteren Kommentare anzugeben.

Es empfiehlt sich weiterhin, als Grundlage für die vorzunehmenden Selektionen eine Datei zu verwenden, die im inhaltlichen Zusammenhang zu den auszuwertenden Geometrien steht und dieser eine Selektionsspalte anzufügen. Diese Tabelle kann z.B. das für die Modellierung verwendete Gewässernetz sein, indem in der Select-Spalte die auszuwertenden Abschnitte gekennzeichnet sind oder die Pegeltabelle, in der die Zuordnung der Pegel zu den Fließgewässerabschnitten in einer Select-Spalte gehalten wird. Die entsprechende Tabelle muss in der results.ste beim Steuerwort RAUMSELEKTION angegeben werden (s. Abbildung 6.2‑4).

TABELLEN_FORMAT        GIS_MOD               /* EXCEL_MOD oder GIS_MOD=Raum */
RAUMSELEKTION          DBASE FGW.dbf 
ZEITAGGREGATION        0                     /* 0 Tag, 1 Monat, 2 Jahr, 3 Stunden, */
                                             /* 5, 10, 15 (in Minuten) */
                                             /* -1 Mittel, -2 Sommer, -3 Winter */
…

Abbildung 6.2‑4: Steuerdatei RESULTS.STE – Selektionsmöglichkeiten 2

In der Select-Spalte werden die zu selektierenden IDs eingetragen. Weitere Zeilen dürfen nicht leer bleiben, sondern müssen mit -9999 gekennzeichnet werden.

Die Zuordnung der IDs zu einem Raumbezug richtet sich dabei nach dem in der ArcEGMO.ste gewählten Raumbezug für die Ergebnisse und dem thematischen Block der results.ste in dem die Raumselektion aktiviert ist. Bei mehrfacher Raumselektion ist darauf zu achten, dass die zu selektierenden IDs eindeutig zugeordnet werden können. Es muss dementsprechend für jeden neuen Raumbezug, für den eine Raumselektion vorgenommen werden soll, eine eigene Select-Spalte angelegt werden. Jede Tabelle kann maximal eine Select-Spalte enthalten.

Ist das Steuerwort RAUMSELEKTION auskommentiert, so werden die Ergebnisse für sämtliche Raumbezüge ausgewertet und gespeichert.

In der angegebenen Datei bzw. Selektionstabelle wird nach den Attributen ‘ID’ oder ‘X-COORD’ und ‘Y-COORD’ gesucht. Wird ein Attribut ‘ID’ gefunden, so erfolgt eine Referenzierung auf das entsprechende Attribut der Polygon- oder Arc-Attributtabelle (z.B. EFL-ID oder FGW-ID). Abbildung 6.2‑5 gibt ein Beispiel für die Selektion einzelner Elementarflächen über ihre ID. Werden nur die Attribute ‘X-COORD’ und‘Y-COORD’ in der Selektionstabelle gefunden, so wird das nächstgelegene Geometrieelement entsprechend der Entfernung zum

• unteren Knoten für Gewässerabschnitte bzw.
• Flächenschwerpunkt für Elementarflächen, Kaskadensegmente bzw. Teileinzugsgebiete

ermittelt.

Für Gewässerabschnitte ist auf diese Weise allerdings keine eindeutige Zuordnung möglich, da z.B. bei Zusammenflüssen zwei Gewässerabschnitte die gleichen Koordinaten für den unteren Knoten besitzen. In diesem Fällen erfolgen die Ergebnisauswertungen dann für beide Gewässerabschnitte.

Sind in der angegebenen Selektionstabelle ID’s und Koordinaten gegeben, erfolgt die Selektion nach den ID’s, weil diese Methode eindeutig und schneller ist.

ID REF_X   REF_Y
27 3491671 5564387
35 3477367 5557010
73 3471354 5545917

Abbildung 6.2‑5: Selektion von Elementarflächen über EFL.SEL

Die nächsten Optionen in Abbildung 6.2‑3 betreffen zeitliche Aspekte. Über ZEITAGGREGATION ist es möglich, eine Auswertung auf Stunden-, Tages-, Monats- oder Jahresbasis durchzuführen. Es können aber auch nur die Sommer- oder Winterwerte ermittelt werden. Programmintern werden hier die Monatswerte Mai bis Oktober zum Sommerwert bzw. November bis April zum Winterwert summiert. Insbesondere für zeitlich sehr hoch aufgelöste Simulationsrechnungen ist eine Ergebnisauswertung im Minutenbereich möglich (ganzzahlige Vielfache von 5 Minuten). Sämtliche Zeitaggregationen sind aber nur dann möglich, wenn der Berechnungszeitschritt kleiner als die angegebene Aggregationsbasis ist.

Für die gewählte zeitliche Basis der Aggregierung wird dann entsprechend des angegebenen DATEN_MODUS entweder die Summe oder der Mittelwert ermittelt oder das Minimum oder Maximum der Berechnungsergebnisse registriert. Zu beachten ist hierbei, dass sich der Mittelwert immer auf die Zeitbasis des Berechnungszeitschrittes und damit die der meteorologischen Daten bezieht.

Über die Option ZEITSELEKTION kann gesteuert werden, ob der gesamte Berechnungszeitraum ausgewertet werden soll oder nur ein Teilzeitraum, der dann über STARTDATUM, STARTZEIT, ENDDATUM und ENDZEIT spezifiziert werden muss. Diese Option kann sinnvoll zur Reduktion des Datenumfanges eingesetzt werden, wenn im Rahmen des Prozessstudiums Ergebnisse in hoher räumlicher Auflösung (und zeitlicher Auflösung) benötigt werden. So kann z.B. die Gebietsauffeuchtung während eines Hochwassers auf diese Weise analysiert werden.

Abbildung 6.2‑6 zeigt zum besseren Verständnis noch einmal den Auszug aus der Steuerdatei RESULTS.STE, über den die Art und Weise der Ergebnisauswertung beeinflusst werden kann. Die in Abbildung 6.2‑3 gezeigten Selektionsmöglichkeiten, die für alle Datengruppen gleich sind, wurden hier weggelassen.

Nach diesen Optionen zur Art der Auswertung erfolgt dann die Angabe der Ergebnisdaten, für die die Auswertungen erfolgen sollen. Die nach den Schlüsselworten angegebenen Datenbezeichnungen werden genutzt zur Bildung des jeweiligen Tabellen- bzw. Dateinamens.

Wie schon erwähnt wurde, können über Auskommentierungen, z.B. durch ein vorangestelltes ‘*’, einzelne Datenarten oder ganze Datengruppen von der Auswertung ausgeschlossen werden.

Für die Speicherung der Ergebnistabellen im GIS- bzw. ZEITREIHEN-Verzeichnis werden die gewählten Auswerteoptionen wie folgt in der Verzeichnisstruktur und im Dateinamen kodiert:

• die gewählte ZEITAGGREGATION über das Anlegen eines Verzeichnisses MINUTE, STUNDE, TAG, MONAT, SOMMER, WINTER, JAHR bzw. GESAMT – letzteres, sofern der Gesamtzeitraum die Bezugsbasis bildet,
• der Raumbezug EFL, KAS, TG, REG oder FGW bzw. GEB, über die ersten Zeichen des Dateinamens,
• der DATEN_MODUS SUM, MIT, MIN oder MAX über die letzten Zeichen des Dateinamens,
• die Datenart über den Dateityp.

So beinhaltet bei einer Berechnung auf Tagesbasis die Tabelle EFL_MAX.ER im Verzeichnis MONAT für alle Elementarflächen für jeden Monat des Auswertezeitraums den maximalen Tageswert der realen Verdunstung.

Lediglich für die Grundwasserdaten wird die Datenart im Dateityp um die Bezeichnung der Abflusskomponenten ergänzt, die in der Modul.ste unter ABFLUSS-KOMPONENTEN festgelegt wurde, so dass hier z.B. die Ergebnisdatei tg_sum.go_RH die Summe über alle Berechnungszeitschritte innerhalb eines Auswertezeitintervalls der Abflusskomponente RH aller Teileinzugsgebiete beinhaltet.

*METEOROLOGIE
Einfügung s. Abbildung 6.2‑3
KOR_NIEDERSCHLAG          pi       /* [mm/DT] DT lt. ZEITDISKRETISIERUNG     */
POT_VERDUNSTUNG           epm      /* [mm/DT] DT lt. ZEITDISKRETISIERUNG     */
KLIMATISCHE_WASSERBILANZ  wb       /* [mm/DT] DT lt. ZEITDISKRETISIERUNG     */
LUFTTEMPERATUR            lt       /* [mm/DT] DT lt. ZEITDISKRETISIERUNG     */
GLOBALSTRAHLUNG           glo      /* [mm/DT] als Wasseräquivalent           */
…
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
WASSERHAUSHALT
Einfügung s. Abbildung 6.2‑3
Niederschlagsdargebot     nd       /* [mm/DT] DT lt. ZEITDISKRETISIERUNG     */
POT_VERDUNSTUNG           ep       /* [mm/DT] DT lt. ZEITDISKRETISIERUNG     */
REL_VERDUNSTUNG           er       /* [mm/DT] DT lt. ZEITDISKRETISIERUNG     */
…
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
DIREKTABFLUSS
Einfügung s. Abbildung 6.2‑3
…
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
GRUNDWASSER
…
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
GEWAESSERABFLUESSE
Einfügung s. Abbildung 6.2‑3
GESAMTABFLUSS               qc     /* [m**3/s]                               */
OBERLIEGERZUFLUSS           qo     /* [m**3/s]                               */
…
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
GEWAESSERPUNKTE
Einfügung s. Abbildung 6.2‑3
WASSERSTAND          wp      /* [m]    aktueller Wasserstand                      */
SPEICHERINHALT       s       /* [qm]   aktuelle Speicherfuellung                  */

Abbildung 6.2‑6: Steuerdatei RESULTS.STE – Auswerteoptionen

6.2.7 Zusammenstellung der unterstützten Ergebnisgrößen

Die folgende tabellarische Zusammenstellung umfasst sämtliche, derzeit unterstützte Ergebnisdatenarten des Rahmenprogramms. Weitere Ergebnisse werden durch die einzelnen Module bereitgestellt und demzufolge auch in der Moduldokumentation erläutert.

Die Zusammenstellung wurde gegliedert nach den 5 Modellebenen in ArcEGMO zzgl. der Gewässerpunkte/Bauwerke (d.h. METEOROLOGIE, WASSERHAUSHALT, DIREKTABFLUSS, GRUNDWASSER, GEWAESSERABFLUESSE, GEWAESSERPUNKTE).

Eine weitere Unterteilung erfolgt nach den klassischen Mengen- bzw. Wasserhaushalts- und Abflussgrößen, die über die results.ste angesteuert werden und den Stoffflüssen, die über die results_s.ste verwaltet werden.

Damit ergeben sich die insgesamt 10 verschiedenen Tabellen.

Die in diesen Tabellen angegebenen Kürzel zur Bezeichnung der Ergebnisdatenarten können frei gewählt werden. Sie werden bei der Namensbildung der Ergebnisdateien als Dateityp verwendet. Die vorgeschlagenen Kürzel dienen nur dazu, die weiteren Erläuterungen zu vereinfachen, stellen jedoch gleichzeitig einen Diskussionsvorschlag für eine Vereinheitlichung vor, auf die z.B. Auswerte- oder Visualisierungsprogramme aufsetzen könnten.

6.2.7.1 Ergebnisgrößen für den Block METEOROLOGIE

Tabelle 6.2‑5: Ergebnisdatenarten MENGE in der results.ste

Tabelle 6.2‑6: Ergebnisdatenarten STOFFE in der results-s.ste

6.2.7.2 Ergebnisgrößen im Block WASSERHAUSHALT

Tabelle 6.2‑7: Ergebnisdatenarten MENGE in der results.ste

Tabelle 6.2‑8: Ergebnisdatenarten STOFF in der Stoffe results-s.ste

6.2.7.3 Ergebnisgrößen für den Block DIREKTABFLUSS

Tabelle 6.2‑9: Ergebnisdatenarten MENGE in der results.ste

Tabelle 6.2‑10: Ergebnisdatenarten STOFF in der results-s.ste

6.2.7.4 Ergebnisgrößen für den Block GRUNDWASSER

Tabelle 6.2‑11: Ergebnisdatenarten MENGE in der results.ste

Tabelle 6.2‑12: Ergebnisdatenarten STOFF in der results-s.ste

6.2.7.5 Ergebnisgrößen für den Block GEWÄSSERABFLÜSSE

Tabelle 6.2‑13: Ergebnisdatenarten MENGE in der results.ste

Tabelle 6.2‑14: Ergebnisdatenarten STOFF in der results-s.ste

6.2.7.6 Ergebnisgrößen für den Block GEWAESSERPUNKTE

Tabelle 6.2‑15: Ergebnisdatenarten MENGE in der results.ste

Tabelle 6.2‑16: Ergebnisdatenarten STOFF in der results-s.ste

[1] kein direkter Raumbezug sondern indirekt über zugeordnete Elementarflächen und Teileinzugsgebiete bzw. Kaskadensegmente

[2] Die Symbole zur Bezeichnung der Ergebnisdatenarten können frei gewählt werden. Die hier vorgeschlagenen Symbole dienen nur dazu, die weiteren Erläuterungen zu vereinfachen, stellen jedoch gleichzeitig einen Diskussionsvorschlag für eine Vereinheitlichung vor.

[3] Die Symbole zur Bezeichnung der Ergebnisdatenarten können frei gewählt werden. Die hier vorgeschlagenen Symbole dienen nur dazu, die weiteren Erläuterungen zu vereinfachen, stellen jedoch gleichzeitig einen Diskussionsvorschlag für eine Vereinheitlichung vor.

7.1 Modellstrukturen und Raumdiskretisierungen
7.2 Datenflüsse
7.3 Modellebene Meteorologie – MET
7.4 Modellebene Abflussbildung – ABI
7.5 Modellebene Direktabflusskonzentration – RD
7.6 Modellebene Basisabflusskonzentration – GW
7.7 Modellebene Gesamtabfluss – Q

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

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

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.

Abbildung 7.1‑2: Übersicht über die einzelnen Modellebenen

.

#################################################################################
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
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
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
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 7.1‑3: Beispiel für eine Steuerdatei Modul.Ste

Tabelle 7.2‑1 gibt eine Übersicht über die von ArcEGMO bereitgestellten Systemgrößen. Diese Größen – programmtechnisch sind dies Routinen, die auf Speicheradressen verweisen – haben 3 Funktionen.

1. Sie ermöglichen den Modulen, zeitlich variable Größen zu verwalten (z.B. Speicherfüllungen).
2. Diese Größen können gleichzeitig Ergebnisgrößen und damit Input in die Ergebnisauswertung sein.
3. Außerdem werden über einen Teil dieser Funktionen die einzelnen Modellebenen miteinander verbunden bzw. die räumlich verknüpften Datenflüsse organisiert.

So liefert MET das Niederschlagsdargebot und die potentielle Verdunstung für ABI, die wiederum neben der realen Verdunstung als Ergebnisgröße den Landoberflächenabfluss und die Grundwasserneubildung als Eingang für RD und GW bereitstellt. Über den Anteil von RO, der in der Ebene RD nicht dem Gesamtabfluss Q zugeordnet wird, weil er beispielsweise nicht das Gewässersystem erreicht, existiert eine Rückkopplung zu ABI, weil dieser Anteil wieder zur Versickerung angeboten wird. Letztlich liefern RD und GW die Inputgrößen für die Modellebene Q, die den Gesamtabfluss ermittelt.

Die Modellebene METEOR dient neben der Ermittlung und Flächenübertragung meteorologischer Daten gleichzeitig zur Verwaltung der Zeitreihen und wurde deshalb bereits ausführlich im Kapitel 5.2 beschrieben.

Die ermittelten Parameter werden im aktuellen Ergebnisverzeichnis ..RESULTS<VAR1>PARA gemeinsam mit ihrem Raumbezug in der Datei <Räumliche Bezugsebene>_<Modellebene>.par (z.B. TG_ABI.PAR) gespeichert. Über den Raumbezug ist eine Georeferenzierung der ermittelten Parameter und damit eine visuelle Plausibilitätsprüfung im GIS möglich. Beim nächsten Simulationslauf wird vom Programm geprüft, ob die entsprechende Parameterdatei gefunden wird und dann eingelesen. Somit kann die aus GIS-Daten abgeleitete Erstschätzung der Modellparameter für die weiteren Modellanwendungen geändert werden.

Während des Simulationslaufes wird innerhalb der Modellorganisation jeder Ebene sichergestellt, dass insbesondere für die Abflusskonzentrationsberechnungen eine Abarbeitung der einzelnen Raumelemente von „oben nach unten“, also hierarchisch, stattfindet.

Im folgenden wird also nur noch ausführlich auf die Modellebenen ABI, RD, GW und Q eingegangen und ihre Verknüpfungsmöglichkeiten miteinander erläutert, während die prozessbeschreibenden Module im Teil II dieser Dokumentation behandelt werden.

Tabelle 7.2‑1: Wichtige Systemgrößen in ArcEGMO

Dieser Modellteil dient zur Verwaltung stationsbezogener, meteorologischer Zeitreihen und deren Übertragung auf meteorologische Modellflächen gemäß der dafür gewählten Raumdiskretisierung (s. Steuerdatei ARC_EGMO.STE in Kapitel 3).

Werden in den Stationsreihen Fehlwerte festgestellt, z.B. durch Ausfall von Messgeräten etc., werden diese Fehlwerte je nach Anzahl der zur Verfügung stehenden Stationen wie folgt aufgefüllt:

1. Bei 2 Stationen werden die Lücken durch die Messwerte der anderen Station gefüllt. Weist auch diese hier einen Fehlwert auf, werden die folgenden Default-Belegungen verwendet:

• Niederschlag 0. mm
• Potentielle Verdunstung 0. mm
• Lufttemperatur 8°C
• Dampfdruck 10.
• Sonnenscheindauer 0. h
• Windstärke 0.5 Bf

2. Bei insgesamt 3 Stationen wird analog vorgegangen, jedoch wird hier das Mittel der beiden belegten Stationen verwendet.

3. Stehen mehr als 3 Stationen zur Verfügung, werden Fehlstellen aufgefüllt, indem für die betreffende Station das modifizierte Quadrantenverfahren (s. Kapitel 5) angewendet wird, d.h. die Messwerte von max. 4 umliegende Stationen berücksichtigt werden.

Die Vorgehensweise gemäß 1. oder 2. ist sicher meist sehr ungenau. Sie dient vor allem dazu, bei wenigen Ausfällen ein „Durchrechnen“ des Programms zu gewährleisten. Damit ist man jedoch nicht von der Notwendigkeit befreit, sich über einen fundierteren Fehlstellenausgleich Gedanken zu machen und diesen eventuell außerhalb von ArcEGMO vorzunehmen.

Neben dem Handling der Zeitreihen werden für die eigentlichen Berechnungen im Meteorologiemodul Grundgrößen für jede meteorologische Modellfläche berechnet wie:

• Gefälle, Exposition und Albedo (aus den flächeninternen Elementarflächeneigenschaften) und
• extraterrestrische Strahlung und relative Sonnenscheindauer in Abhängigkeit von Gefälle, Exposition, geographischer Breite und Tagesnummer.

Die Abflussbildung kann je nach gewünschter räumlicher Auflösung

1. für Elementarflächen oder
2. für Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete bzw. das Gesamtgebiet

berechnet werden.

Liegt die räumliche Auflösung über der der Elementarflächen, so kann i.d.R. nicht mehr von quasi homogenen Flächen ausgegangen werden. Diese inhomogenen Flächen können modelliert werden, indem sie in Hydrotopklassen untergliedert und weitere Inhomogenitäten über Flächenverteilungsfunktionen berücksichtigt werden.

Im Zuge der Modellrechnungen werden die folgenden Wasserhaushaltsgrößen ermittelt:

1. Effektivniederschlag PEF als Infiltrationsüberschuss,
2. (pot.) Landoberflächenabfluss RO als Überlauf aus einem Muldenspeicher,
3. reale Verdunstung ER und
4. Sickerwassermenge bzw. Grundwasserneubildung GWN.

Je nach Aufgabenstellung kann das Abflussbildungsmodell innerhalb eines Niederschlag-Abfluss-Modells eingesetzt werden, wobei dann der Landoberflächenabfluss und die Grundwasserneubildung an die nachgeordneten Modellebenen zur Beschreibung der lateralen Abflussprozesse weitergegeben werden.

Für die Übergabe an nachgeordnete Modellebenen zur Beschreibung der lateralen Abflussprozesse werden der Landoberflächenabfluss und die Grundwasserneubildung räumlich aggregiert für die Bezugsgeometrien bereitgestellt.

Über die Steuerdatei MODUL.STE (s. Abbildung 7.4‑1) kann festgelegt werden, ob die Abflussbildungsparameter mit ihrem Raumbezug in der ASCII-Tabelle <RB>_abi.par (RB für Raumbezug, z.B. Elementarflächen oder Teileinzugsgebiete) gespeichert werden sollen. Im GIS können die Parameter dann visualisiert und auf Plausibilität geprüft werden.

Für Analyse- und Auswertezwecke wird die Speicherung von Flächenverteilungsfunktionen unterstützt. Gespeichert werden dabei nicht die kompletten Flächenverteilungsfunktionen, sondern nur die Punkte der Funktion mit einem neuen Parameterwert. Zieldatei ist die ASCII-Tabelle Flvf_par.xlx im Resultverzeichnis.

Ebenso können globale Parameter festgelegt werden. Globale Parameter sind empirischer Natur, so dass eine einheitliche bzw. globale Festlegung einheitlich für alle Elementarflächen bzw. Hydrotopklassen gewählt wurde.

In der jetzigen Modellversion sind dies die folgenden Einträge:

• ZEITFAKTOR_NIEDERSCHLAG ist ein empirischer Faktor zur Skalierung der Kf-Werte. Er liegt im Bereich 0 < ZEITFAKTOR ≤ 1. Dieser Faktor kann aktiviert werden, wenn eine prozessadäquate Beschreibung des Infiltrationsprozesses nicht möglich ist. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn die zur Verfügung stehenden meteorologischen Daten eine geringe zeitliche Auflösung besitzen und deshalb mit großen Zeitschritten gearbeitet werden muss. In diesem Fall werden Direktabfluss auslösende Spitzenintensitäten des Niederschlages zu stark vergleichmäßigt, gleichzeitig erreichen die hydraulischen Leitfähigkeiten der Böden, da diese zeitintervallbezogene Werte sind, Größenordnungen, die die Niederschlagshöhen bei weitem überschreiten, so dass vom Modell ohne diese Skalierung kein Direktabfluss berechnet wird. Wird ein Zeitfaktor > 1 gewählt, so werden damit die über die Bodendatenbasis vorgegebenen Kf-Werte vergrößert, was letztlich eine (wenn auch keine sehr elegante) Möglichkeit ist, die Wirkung von Makroporen abzubilden.

• MET_VORGESCHICHTE erlaubt bei der programminternen Festlegung der Startwerte eine Berücksichtigung der meteorologischen Vorgeschichte.
• Über die Festlegung der VERDUNSTUNGSREDUKTION ist es möglich, die Verdunstungsberechnung innerhalb des Abflussbildungsmoduls zu beeinflussen.
• Über die Vorgabe einer Korrekturfunktion kann in den hinterlegten Modellen der Abflussbildungsebene die zeitliche Veränderung der Bodenkapillarwasserspeicherkapazitäten infolge der Wurzelentwicklung vereinfacht abgebildet werden. Verwendet wird hier eine Cosinusfunktion, deren Minimum durch den Parameter MIN_VEGETATIONS-FUNKTION definiert ist und deren Maximum 1 am Tag 182 zeitlich über den Kennwert MAX_VERSCHIEBUNG_VEGFUNKT gesteuert werden kann.

• Der Frostfaktor und der SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR werden nur im EGMO-Ansatz genutzt und werden demzufolge im Modul EGMO der Dokumentation beschrieben.

ABI_MODELL
ZEITFAKTOR_NIEDERSCHLAG   1.   /* Eichgroesse, dient zur Anpassung des kf-Wertes*/
                               /* kleiner 1. : Reduktion bei geringer Zeitaufloesung */
                               /* zum Ausgleich von Informationsverlusten*/
                               /* ueber die "wahren" Niederschlagsinten- */
                               /* sitaeten */
                               /* größer 1. : Erhoehung zur Beruecksichtigung von */
                               /* Makroporen etc. */
MET_VORGESCHICHTE          0.5 /* 0. fuer trocken bis 1.0 fuer feucht */
VERDUNSTUNGSREDUKTION      0.3 /* 0. fuer stark bis 1.0 fuer schwach */
MIN_VEGETATIONSFUNKTION    0.4 /* 1 bzw. keine Angabe --> so wie bisher */
MAX_VERSCHIEBUNG_VEGFUNKT  -45 /* Verschiebung des Veg.Maximums [Tage] */
FROSTFAKTOR                0.3 /* s. EGMO-Dokumentation
SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR   0.5 /* s. EGMO-Dokumentation
Bilanzausdruck               2 /* {0|1|2|3} mit 0=kein, 1=m3/s, 2=mm/DT, 3=l/s*km2*/
*GW-FLURABSTAND_vom_GW-Modell? Ja
*HYDROTOPANTEILE_LESEN? Ja
PARAMETER_TAB_SPEICHERN? Ja
VERTEILUNGS_FUNKT_SPEICHERN? Ja

Abbildung 7.4‑1: Steuerdatei MODUL.STE – Block ABI_MODELL

TG-EFL-AREA

Unterschiedliche Flächengrößen zwischen Elementarflächen und Teileinzugsgebieten können zu Problemen führen. Eine unterschiedliche Flächengröße bedeutet, dass die Flächensumme aller Elementarflächen innerhalb eines Teileinzugsgebietes ungleich der Größe des Teileinzugsgebietes ist. Das kann zum Beispiel in Landesmodellen in Randbereichen vorkommen, indem die Elementarflächen nicht mehr die gesamte Größe des Teileinzugsgebietes abdecken (siehe untenstehende Abbildung a). Auf der anderen Seite kann es vorkommen, dass bei sehr kleinen ausgewiesen Teileinzugsgebieten keine Elementarfläche zugewiesen werden kann (siehe u. Abb. b). Es kann auch vorkommen, dass die die Flächengröße aller Elementarflächen kleiner als die Fläche des Teileinzugsgebietes ist (siehe u. Abb. c).

a) TG > EFL Verhältnis = 0.24	b) TG ohne EFL Verhältnis = 0	c) TG < EFL Verhältnis = 1.6

In ArcEGMO kann dafür in der modul.ste unter ABI_MODELL das Steuerwort FLAECHENKORREKTUR aktiviert werden. Damit werden entweder die EFL-Flaechen oder TG-Flächen aufeinander abgeglichen. Im Resultsverzeichnis wird die Datei TG-EFL-AREA.txt ausgegeben. Je nachdem welche Flächenkorrektur eingestellt wurde, wird dann mit der korrigierten Flächengröße (entweder EFL oder TG) gerechnet.

Modul.ste

#################################################################################
ABI_MODELL
FLAECHENKORREKTUR  1  /*  0 - keine Flaechenkorrektur (default) */
                      /* -1 - EFL-Flaechen werden auf die TG-Flaeche abgeglichen */
                      /*  1 - TG-Flaechen werden auf die EFL-Flaechensumme abgeglichen */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

TgID   TgArea              EflSumArea                 Verhaeltnis
3624   18710322.21         4545625.000000             0.242947
6386   381.875450          0.000000                   0.000000
5423   2338.08703          3750.000000                1.603875

Die Konzentration des Direktabflusses kann mit den Raumdiskretisierungen Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete oder Gesamtgebiet beschrieben werden.

Zur Beschreibung der Prozesse können derzeit eingesetzt werden

1. der Ansatz der kinematischen Welle oder
2. die vollständige Translation innerhalb des Berechnungszeitschrittes DT.

Die integrierten Modelle werden ausführlicher im Teil II der Programmdokumentation beschrieben.

Bei der vollständigen Translation werden lediglich sämtliche Direktabflüsse, die in der Modellebene ABI ermittelt wurden, an die Modellebene Q weitergegeben, ohne dass Verzögerungseffekte berücksichtigt werden. Da dies letztlich auf die Verwendung einer Systemantwort mit einer Ordinate, die den Wert 1 besitzt, hinaus läuft, was die einfachste aller denkbaren Modellvorstellungen ist, kann auf eine weitere Beschreibung verzichtet werden.

Für spätere Versionen des Systems ArcEGMO ist vorgesehen, den Direktabfluss unter Verwendung verbesserter Systemantworten zu konzentrieren, die unter Nutzung relevanter Flächeneigenschaften ermittelt werden. Denkbar ist auch die Bildung von Direktabflusskomponenten, also die Zusammenfassung der Direktabflüsse von Flächentypen mit ähnlichen Eigenschaften bzgl. der Fließgeschwindigkeiten. Diese können z.B.

• über komponentenbezogene Systemantworten, die z.B. in Abhängigkeit von der Oberflächenrauhigkeit als Funktion der Flächennutzung und des Geländegefälles ermittelt werden und/oder
• bei geeigneten Hydrotopklassendefinitionen trotz der dabei zugrunde liegenden Ortsunabhängigkeit mittlere Nachbarschaftsbeziehungen und damit laterale Flüsse zwischen den Hydrotopklassen berücksichtigen.

RD_MODELL
ABFLUSSBILDUNG_ITERATIV       0  /* 1 Abflussbildung innerhalb oder */
                                 /* 0 ausserhalb der internen Zeitschleife */

Abbildung 7.5‑1: Steuerdatei MODUL.STE – Block RD_MODELL

Über die Steuerdatei MODUL.STE (s. Abbildung 7.4-1) kann festgelegt werden, wie die Abflussbildung behandelt wird. So ist bei Anwendung dynamischer Konzentrationsansätze wie der kinematischen Welle eine variable Zeitschrittsteuerung integriert, die in Abflussbildungsperioden den Abflusskonzentrationsprozess in hoher zeitlicher Auflösung berechnet. Die Abflussbildung wird dagegen i.d.R. entsprechend der zeitlichen Auflösung der meteorologischen Daten simuliert. Es besteht nun über die Option ABFLUSSBILDUNG_ITERATIV die Möglichkeit, in Niederschlagsperioden die Abflussbildung in derselben Zeitauflösung wie die Konzentration zu beschreiben. Diese sehr rechenzeitintensive Modellierung erlaubt eine gute Wiedergabe der Wiederversickerung des Landoberflächenabflusses auf seinem Weg zum Vorfluter.

Steuerung des gewässerwirksam werdenden Anteils des Direktabflusses

Die für die Modellebene Direktabfluss (RD) umgesetzte Modellvorstellung über die Konzentration des oberflächig oder oberflächennah fließenden Wassers zum Vorfluter ging von einem Schichtabfluss aus, der am Ende eines Zeitschrittes wieder zur Versickerung angeboten wurde. Damit war eine gewisse Zeitschrittabhängigkeit hinsichtlich der Gewässerwirksamkeit des Oberflächenabflusses verbunden, da bei kurzen Berechnungszeitschrittweiten der erneut versickernde Anteil höher als bei geringen Zeitschrittweiten war. Auf der anderen Seite wurden natürlich in der Modellebene ABI bei geringer zeitlicher Auflösung die Niederschlagsintensitäten geglättet und somit ein geringerer Oberflächenabfluss ermittelt. Inwiefern beide Effekte sich ausgleichen, wurde bisher von uns nicht untersucht.

Über einen neuen empirischen Parameter soll jetzt der Tatsache Rechnung getragen werden, dass die Modellvorstellung von einem Schichtabfluss nur für kurze Fließstrecken anwendbar ist, da der Oberflächenabfluss sich meist nach kurzen Fließwegen innerhalb des Mikroreliefs in Vertiefungen sammelt und vorgefundene „microchannels“ nutzt oder diese schafft. Ein Fließen, in wenn auch kleinen Gerinnen, findet also lange bevor das im Modell abgebildete Gewässersystem erreicht wird statt. Hat sich der Abfluss aber in diesen Mikrogerinnen konzentriert, fließt er dort zum einen mit höherer Geschwindigkeit ab und zum anderen ist die Wahrscheinlichkeit für eine erneute Versickerung wesentlich geringer, da die Kontaktfläche zum Boden geringer ist.

Ein einfacher Modellansatz, um festzulegen, welcher Anteil im Gerinne und welcher flächig abfließt, die Vorgabe eines Anteils des Direktabflusses, der das Mikrogerinne erreicht und nicht mehr zur Wiederversickerung angeboten wird. Dieser Anteil kann global, d.h. im gesamten Gebiet einheitlich wie folgt in der modul.ste vorgegeben werden.

RD_MODELL
UEBERTRITTSANTEIL_MIKROGERINNE 0.0 /* Anteil des Direktabflusses, der das Mikrogerinne*/
                                   /* erreicht und nicht mehr zur Wiederversickerung  */
                                   /* angeboten wird */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

UEBERTRITTSANTEIL_MIKROGERINNE AntMik /* Anteil des Direktabflusses, der das */
                                      /* Mikrogerinne erreicht und nicht mehr zur */
                                      /* Wiederversickerung  angeboten wird */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

RD_MODELL
RH_GW Zuordnung             0.1   /* gibt den Anteil des RH an, der nicht den    */
                               /* Vorfluter erreicht und ins GW versickert.   */
                               /* {0...1, default=0}                          */

RH_GW_Zuordnung         RH2GW /* ist ein Attribut im ModellierungsCover für  */
                              /* RD (meist TGs), das  den Anteil des RH an-  */
                              /* gibt, der nicht den Vorfluter erreicht und  */
                             /* ins GW versickert. {0...1,default=0         */

Das Grundwassermodell

• ordnet extern berechnete Grundwasserzuflüsse den Gewässerabschnitten zu
• oder berechnet intern Grundwasserabflüsse für Teileinzugsgebiete oder das Gesamtgebiet bzw. Grundwasserzuflüsse für Gewässerabschnitte und stellt diese der nachgeordneten Modellebene Q zur Verfügung.

In welcher Form das Grundwassermodell arbeitet, wird in der Steuerdatei ARC_EGMO.STE (s. Kapitel 3) unter RAUMBEZUEGE_MODELLIERUNG, Option ABFLUSSKONZENTRATION_GW, sowie über die Steuerdatei MODUL.STE festgelegt.

Sollen Grundwasserzuflüsse, die extern z.B. mit einem detaillierten Grundwassermodell berechnet wurden, innerhalb eines komplexen Flussgebietsmodells genutzt werden, übernimmt die Programmkomponente FE (s. Kapitel 5.4) für diese Grundwasserzuflüsse

• die räumliche Zuordnung zu Gewässerabschnitten und
• die zeitgerechte Bereitstellung innerhalb des Simulationszyklus.

Das Grundwassermodell GW_MOD leitet diese Grundwasserzuflüsse dann lediglich an die nachfolgende Modellebene Q weiter.

Bei Verwendung „externer“ Grundwasserzuflüsse ist in der Steuerdatei ARC_EGMO.STE für ABFLUSSKONZENTRATION_GW die Option FE, für den GESAMTABFLUSS die Option FGW zu wählen.

Das interne Grundwassermodell wird aktiviert, wenn der Raumbezug in der Modellebene GW auf Teileinzugsgebiete TG, Regionen REG oder das Gesamtgebiet GEB gesetzt wurde. Es beruht auf Einzellinearspeicheransätzen, die entsprechend den vorhandenen Parametrisierungsmöglichkeiten unterschiedlich detailliert angewendet werden können. Da derzeit nur unzureichende Möglichkeiten existieren, die Einzellinearspeicherkonstanten C aus GIS-Informationen abzuleiten, müssen diese als einzulesender Parameter vorgegeben werden.

Auf Grund dieser Schwierigkeiten bei der Parameterschätzung ist es nicht sinnvoll, die quasi beliebig feine Diskretisierung bei der Abflussbildungsmodellierung für das Grundwasser beizubehalten.

Eine Zusammenfassung zu Abflusskomponenten ist angebracht, weil

• z.B. durch die ortsunabhängige Hydrotopklassengliederung eine räumliche Zuordnung der Abflüsse ohnehin nicht möglich ist,
• die Beschreibung der Abflusskonzentration deshalb generalisiert mit vereinfachten Ansätzen erfolgt und deren Modellparameter in der Regel aus beobachteten Ganglinien abgeleitet werden, was eine beliebige Differenzierung nicht zulässt und
• eine zu große Anzahl von Abflusskomponenten auch interpretatorisch schwer handhabbar ist.

Diese Modellebene dient der Ermittlung des Gesamtabflusses als Überlagerung von Grundwasser- und Direktabfluss unter Berücksichtigung von Retentionseffekten. In das System integriert sind derzeit systemhydrologische Ansätze wie die Faltung und verschieden detaillierte Linearspeicherkaskaden (Parallel- und Reihenschaltung, Kalinin-Miljukov).

Die Faltung ist anwendbar, sofern als räumliche Diskretisierung in dieser Modellebene Teileinzugsgebiete, Modellregionen oder das Gesamtgebiet gewählt wurden.

Die Linearspeicherkaskade beschreibt die Abflusskonzentration in Abhängigkeit vom Gewässergefälle und der Gewässerlänge als Charakterisierung der Retention. Sie kann angewendet werden, wenn eine räumliche Diskretisierung der Modellebene Q in Gewässerabschnitte vorgenommen wurde. Es können aber auch Teileinzugsgebiete oder für großräumige Modellierungen Modellregionen oder das Gesamtgebiet gewählt werden. In diesen Fällen werden nicht mehr die Eigenschaften (Gefälle, Länge) des einzelnen Gewässerabschnittes, sondern die aller Gewässerabschnitte innerhalb dieser flächigen Raumuntergliederung berücksichtigt (z.B. mittleres Gefälle bzw. Summe aller Gewässerabschnittslängen innerhalb eines Teilgebietes).

Von großer Wichtigkeit für die Berechnung der Abflusskonzentration ist die richtige Wahl der Berechnungszeitschrittweite.

Dazu ist es notwendig, über den Abschnitt Q-Modell in der Steuerdatei Modul.Ste die Zeitschrittweite [Minuten] anzugeben, mit der im Regelfall die Konzentrationsrechnungen durchgeführt werden sollen. Der Zeitschritt ist in Abhängigkeit von der Detailliertheit der räumlichen Diskretisierung und den Gebietseigenschaften so zu wählen, dass die Gebietsdynamik angemessen beschrieben werden kann. Diese Zeitschrittweite sollte außerdem kleiner oder gleich der Zeitauflösung der meteorologischen Daten sein.

Der so vorgegebene Standardzeitschritt wird in Abflussbildungsperioden aus Stabilitätsgründen programmintern verringert.

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Q_MODELL
ZEITSCHRITTWEITE       1440.   /* in Minuten */
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Abbildung 7.7‑1: Steuerdatei MODUL.STE – Block Q_MODELL

Ein Modul ist ein Modellbaustein, der die Prozesse genau einer übergeordneten Modellebene beschreibt. Dabei werden Eingangsdaten, die von übergeordneten Modellebenen geliefert werden unter Nutzung von prozessbeschreibenden Funktionen in Ausgangsdaten transformiert. Diese Ausgangsdaten wiederum werden über ArcEGMO an nachfolgende Modellebenen und zur Ergebnisauswertung an RESULT (s. Kapitel 6) weitergegeben. Dementsprechend ist sowohl die Zeit- und Ortsschrittsteuerung wie auch die Parameterermittlung in die übergeordnete Modellebene integriert.

Diese Trennung der Funktionen zwischen Modellebenen und Modulen erlaubt mehr oder weniger umfangreiche Modifikationen der zur Verfügung gestellten Basismodule. Probleme sind dann zu erwarten, wenn umfängliche neue Modelle integriert werden sollen, denen eine andere Modellphilosophie zugrunde liegt.

Für Weiterentwicklungen des Systems ArcEGMO ist deshalb zu klären, ob einem Modul in Zukunft auch die Ermittlung der Modellparameter inklusive der Speicherbereitstellung zugeordnet wird. Dies erhöht wesentlich den Programmieraufwand für den Modellentwickler, gleichzeitig ergeben sich aber auch variablere Gestaltungsmöglichkeiten. Inwiefern es erforderlich wird, die Zeit- und Ortsschrittsteuerung den Modulen zuzuordnen, kann derzeit nicht abgeschätzt werden.

Unter obigen Gesichtspunkten ist klar, dass die folgende Beschreibung der Modulbibliothek genauso wie die Beschreibung der Modellebenen im Kapitel 7 nur eine vorübergehende sein kann.

Abbildung 8.2‑1 zeigt die Verzeichnisstruktur der Modulbibliothek, die jeweils einer Modellebene ein Verzeichnis zuordnet. Das zusätzliche Verzeichnis COMMON ist für Modellbausteine vorgesehen, die so allgemeiner Natur wie z.B. der Einzelspeicher sind, dass sie von verschiedenen Modulen genutzt werden.

Abbildung 8.2‑1: Verzeichnisstruktur der Modulbibliothek

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Über Einträge in der Modulsteuerdatei …ARC_EGMOMODUL.STE können einem Modul Parameter, Steuergrößen oder sonstige Werte zugeordnet werden. Dazu ist, analog dem Beispiel in Abbildung 8.4‑1, ein Block in der Steuerdatei einzurichten. Dieser Block sollte mit einem eindeutigen Steuerwort wie dem Modulnamen eingeleitet werden. Die eigentliche Steuerinformation, hier ein Faktor zur Skalierung des Rückgangsverhaltens des Abflusses, wird über ein Schlüsselwort definiert.

Q_ELS
RUECKGANGSFAKTOR 0.002

Abbildung 8.4‑1: Auszug aus der Modulsteuerdatei

Tabelle 8.4‑1: Routinen zur Modulsteuerung

Für den Zugriff auf die Steuerinformationen vom Programm aus stehen eine Reihe von Routinen zur Verfügung, die in Tabelle 8.4‑1 aufgelistet sind und die detaillierter (mit Prototypen) im Kapitel „Schnittstellen“ dokumentiert sind.

Der kleine Programmauszug aus Q_ELS.C in Abbildung 8.4‑2 zeigt beispielhaft die Nutzung dieser Routinen. Über den Modulnamen „q_els“ und das Schlüsselwort „RUECKGANGSFAKTOR“ wird der gewünschte Eintrag selektiert und der Wert von 0.002 auf die double-Variable kfak geschrieben. Wurde der angegebene Eintrag nicht gefunden, liefert die Routine als Rückgabewert „0“, so dass dann gemäß dem Vergleich im Beispiel kfak mit einem Standardwert (hier 0.1) belegt wird.

Abbildung 8.4‑2: Auszug aus der Programmdatei Q_ELS.C

Die Integration von Verwaltungsmöglichkeiten für alle Datenarten und -strukturen, die im Zusammenhang mit einer hydrologischen Flussgebietsmodellierung denkbar sind, ist weder möglich noch wäre sie aufgrund der damit verbundenen Redundanzen effektiv.

Reicht der vom Rahmenprogramm verwaltete Datenfundus für ein einzubindendes Modul nicht aus, so sind die benötigten Spezialdaten auf Modulebene zu verwalten.

Dafür werden die im Folgenden beschriebenen Routinen bereitgestellt, die neben der Eingabe und Auswertung dieser Daten auch die Verwaltung des benötigten Speicherplatzes unterstützen (allokieren, adressieren und freigeben).

Um die Verarbeitung nicht integrierter Daten innerhalb von Modulen zu gestatten, wurden eine Reihe von Routinen mit dem Ziel geschaffen, auch dem in der Programmierung nicht so versierten Nutzer ein möglichst einfaches Datenhandling zu gestatten.

8.5.1 Zeitinvariante Daten

Eine wesentliche Aufgabe der in Tabelle 8.5‑1 aufgeführten Routinen ist es, neue Datentabellen einzulesen, die analog den im Kapitel 4.5 aufgeführten Relate-Tabellen strukturiert sind, oder auf zusätzliche (vom Rahmenprogramm nicht eingelesene) Attribute in vorhandenen Relate-Tabellen zuzugreifen.

Tabelle 8.5‑1: Routinen zur Verwaltung von Relate-Tabellen

8.5.2 Zeitvariante Daten

Eine Beschreibung zur Definition und Anwendung von zeitvarianten Daten ist in Kapitel 5.5 zu finden.

8.5.2.1 Routinen zur Verwaltung von Zeitreihen

Die Routine ReadZRelTab liest Zeitfunktionen ein, deren Werte je nach Berechnungsfortschritt bzw. dem aktuellen Datum in der Simulation auf die dafür vorgesehenen Variablen gebunden werden.

Tabelle 8.5‑2: Routinen zur Verwaltung von Zeitreihen

8.5.2.2 Unterstützte Zeitfunktionen

Unterstützt werden äquidistante und nicht äquidistante Zeitfunktionen.

Die nicht äquidistanten Zeitfunktionen beschreiben über Stützstellen vorzugebende Verläufe. Zwischen den Stützstellen wird linear interpoliert oder eine Stufenfunktion aufgebaut. Bei der Stufenfunktion gilt ein Wert solange, bis er durch einen neuen ersetzt wird.

Die Zeitfunktionen für Kennwerte von Relateklassen befinden sich im Verzeichnis ../zeit.dat/ascii.rel/.

8.5.2.3 Analytische Zeitfunktionen

Analytische Funktionen werden aufgrund der Vielzahl denkbarer Ansätze nicht direkt unterstützt. Diese sind vom Modulentwickler selbst zu programmieren, wobei jedoch die Parameterverwaltung für solche Funktionen durch die Nutzung der in Kapitel 8.5.1 (attributbezogene Kennwerte) oder Kapitel 8.4 (globale bzw. attributunabhängige Parameter) unterstützt wird.

Die folgende Tabelle beinhaltet die Module der Standardbibliothek und eine Kurzcharakteristik ihrer Funktion. Ausführlich werden diese Module im Teil Module dieser Dokumentation beschrieben.

Tabelle 8.6‑1: Module der einzelnen Modellebenen

Bei der Modellierung eines Flussgebietes ist es meist unumgänglich, Speicher, Talsperren, Hochwasserrückhaltebecken, Wehre, Seen etc., also Sonderbauwerke zu berücksichtigen. Die Gemeinsamkeit obiger Bauwerke und Anlagen ist es, dass sie Punkte innerhalb des Gewässernetzes beschreiben. Diese Bauwerke und Anlagen verändern die Dynamik des Abflussregimes, haben aber im Gegensatz zu Entnahmen und Einleitungen (s. Kapitel 5.4) keinen Bilanz verändernden Einfluss. Eine Ausnahme sind größere Seen, die jedoch noch besprochen werden.

Die prinzipielle Verfahrensweise zur Verwaltung solcher Sonderbauwerke ist wie folgt:

1. Es wird ein neues PseudoCover mit Gewässerpunkten GWP eingeführt, wobei jeder GWP einem Raumelement (FGW, TG oder REG) der räumlichen Diskretisierung für die Abflusssimulation eindeutig zuordenbar sein muss.
2. Für jeden GWP kann eine Routine bzw. ein Modul zur Beschreibung der Abflusstransformation festgelegt werden, z.B. zur Beschreibung eines Überfallwehres etc. Bezüglich dieser Module kann auf eine Bibliothek mit vorgefertigten Modulen zurückgegriffen werden oder es können nach dem Muster der Bibliotheksmodule eigene geschrieben werden.
3. Die Berücksichtigung der GWP-Module innerhalb der Abflusssimulation erfolgt so, dass bei Abarbeitung des Fließgewässermodells geprüft wird, ob der untere Knoten des aktuell modellierten Gewässerabschnitts ein GWP ist. Ist dies nicht der Fall, wird wie in Abbildung B.1‑1 a) angedeutet, der Abfluss aus dem Abschnitt direkt dem Unterliegerzufluss Qz zugeordnet. Auf der rechten Seite dieser Abbildung ist dargestellt, dass bei einem Vorhandensein eines GWP’s sämtliche Zuflüsse in diesen über eine Transformationsfunktion Tf gesteuert an den Unterlieger weitergegeben werden.

Abbildung B.1‑1: Verknüpfungen innerhalb des Fließgewässermodells

Wie eine solche Transformationsfunktion aussieht, wird letztlich durch die Art des Sonderbauwerkes bestimmt. Denkbar ist, dass Steuerungsfunktionen zufluss- oder wasserstandsabhängig sind oder auf die Einhaltung gewissen Schwankungsbreiten des Abflusses ausgerichtet sind.

Eine Umsetzung dieser Vielzahl verschiedener Möglichkeiten in Module, die über eine Bibliothek sofort verfügbar sind, kann nur im Laufe der Zeit erfolgen.

Vorrangiges Ziel bei der Einführung von Gewässerpunkten als zusätzliche Option gegenüber den bisherigen Möglichkeiten von ArcEGMO war es deshalb, die softwaremäßigen Möglichkeiten zur Integration derartiger Module in die Abflusssimulation zu schaffen.

Wie dies zu erfolgen hat, wird im Weiteren anhand der Einbindung eines Moduls zur Beschreibung der Seeretention erläutert.

Die dabei verwendeten Algorithmen beruhen auf dem Vorhandensein einer Stauinhaltslinie zur Umsetzung der Zuflüsse in Volumenänderungen und letztlich Wasserstände. Für die Abflussermittlung wird eine Wasserstand-Abfluss-Beziehungen genutzt. Damit ist dieses Seeretentionsmodul ziemlich universell einsetzbar, da sich bei wasserstandsabhängigen Steuerungen meist statt der hydraulischen Kennwerte der Steuerungseinrichtungen wie Grundablass oder Überfall auch direkt eine Wasserstand-Abfluss-Beziehung angeben lässt.

Abbildung B.1‑2 zeigt die Steuertabelle gwp.sdf, die analog den anderen Strukturdefinitionsfiles z.B. für die Elementarflächen, den Aufbau der GWP-Tabelle und der zugeordneten RELATE-Tabellen zeigt.

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###### Attribut-Tabellen ######################################################
GWP_PAT                               ASCII gwp_node.tab
GWP_IDENTIFIKATION                    GWP-ID
NODE_IDENTIFIKATION                   NODE-ID /* Zuordnung zu Gewaesserknoten
X_WERT                                X-COORD /*ueber NODE_IDENTIFIKATION
Y_WERT                                Y-COORD /*(s. FGW) oder X,Y-Koordinaten
BEZUGSHOEHE                           HOEHE
ANFANGSWASSERSTAND                    W_START
MODUL_ZUR_ABFLUSSTRANSFORMATION       MOD_TYP
Kennwert1                             ken1
Kennwert2                             ken2
Kennwert3                             ken3
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###### Relate-Tabellen ########################################################
HAV_BEZIEHUNGEN                       ASCII hav /* hav ist DateiTyp-Bezeichnung */
RELATIVE_HOEHE                        HOEHE /* in [m] bezogen auf BEZUGSHOEHE, s.o.*/
OBERFLAECHE                           AREA /* in [m**2] */
VOLUMEN                               VOL /* in [m**3] */
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WQ_BEZIEHUNGEN                        ASCII wq /* wq ist DateiTyp-Bezeichnung */
WASSERSTAND                           W /* in [cm], bezogen auf Bezugshoehe */
ABFLUSS_MINIMUM                       Qmin /* in [m**3/s] */
ABFLUSS_ MAXIMUM                      Qmax /* in [m**3/s] */
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Abbildung B.1‑2: Datei gwp.sdf – Strukturdefinition der Gewässerpunkttabelle

Abbildung B.1‑3 zeigt beispielhaft eine GWP-Tabelle. Die GWP-ID ist eine frei wählbare, aber eindeutige Nummer zur Identifizierung des GWP’s.

GWP-ID NODE-ID X-COORD Y-COORD HOEHE W_START ken1 ken2 ken3 MOD_TYP
23     33      551749  5983791 5.00  3.00    3000 0.0  1.5  1

Abbildung B.1‑3: Beispiel für eine Gewässerpunkttabelle

Soll für Testzwecke ein Gewässerpunkt mal deaktiviert werden, ohne dass die entsprechende Zeile komplett gelöscht wird, kann dass leicht geschehen, indem ihm der Modultyp 0 zugeordnet wird.

Die Angabe der Lagekoordinaten des GWP’s (X- und Y-COORD) dient ebenso wie die Angabe der NODE-ID des zugeordneten Gewässerknotens der Verknüpfung des GWP mit dem zugeordneten FGW (TG oder REG). Bei der Auswertung der Attribute wird folgende Rangfolge abgearbeitet. Wenn die NODE-ID belegt ist, wird diese verwendet. Wenn nicht, wie in Abbildung B.1‑4, wird versucht, über die X- und Y-Koordinaten eine Referenz zum nächstgelegenen Raumelement (Gewässerknoten, TG oder REG) der Abflussebene herzustellen.

GWP-ID X-COORD Y-COORD HOEHE W_START ken1 ken2 ken3 MOD_TYP
23     551749  5983791 5.00  3.00    3000 0.0  1.5  1

Abbildung B.1‑4: Beispiel für eine Gewässerpunkttabelle ohne NODE-ID

Die ersten beiden Möglichkeiten sollten dann Verwendung finden, wenn sich die zu beschreibenden Gewässerpunkte in guter Näherung auf wirkliche Punkte reduzieren lassen und die Abflusssimulation unter Nutzung eines Covers FGW erfolgt.

Eine dritte Möglichkeit zur Integration von Gewässerpunkten bzw. Sonderbauwerken gestattet über eine weitere Datei die Angabe einer beliebigen Anzahl von zufließenden Gewässerabschnitten bzw. Teileinzugsgebieten oder Regionen.

Diese dritte Möglichkeit wird dann aktiviert, wenn auch keine Koordinaten gegeben sind (s. Abbildung B.1‑5).

GWP-ID HOEHE W_START ken1 ken2 ken3 MOD_TYP
23     5.00  3.00    3000 0.0  1.5  1

Abbildung B.1‑5: Beispiel für eine Gewässerpunkttabelle ohne Koordinaten

Dann werden im Verzeichnis …GISRELATE für jeden Gewässerpunkt die Dateien GWP_<GWP-ID>.<Raumbezug(Q)> gesucht und sofern vorhanden zur Ermittlung der Zuflüsse zu diesem Gewässerpunkt verwendet. Innerhalb dieser Dateien (s. Abbildung B.1‑6) werden über das Steuerwort INPUT für den über die GWP-ID zugeordneten Gewässerpunkt die zufließenden Gewässerabschnitte bzw. (TGs oder REGionen) über ihre ID angegeben. Hinter dem Steuerwort INPUT ist noch die Anzahl der folgenden ID’s anzugeben.

Weiterhin ist es über diese dritte Möglichkeit auch die Beschreibung verzweigter Gewässerstrukturen und damit von komplexen Flussgebietsstrukturen im Tiefland möglich, indem über die Angabe eines ABZWEIGs eine Abflussaufteilung vorgenommen wird. Für einen Abzweig kann über eine WQ-Beziehung festgelegt werden, wieviel der zufließenden Wassermenge dem Unterlieger des Knotens (definiert über die Unterlieger-Zuordnung der zufließenden Gewässerstränge) und welcher Abfluss in einen Seitenstrang abgezweigt wird.
INPUT 3 Bitte beachten Sie, dass die Möglichkeit von Abflussverzweigungen nur unterstützt wird, wenn die Verknüpfungsmöglichkeit über die Node-ID und über die Lagekoordinaten nicht gegeben ist, in der gwp.sdf (s. Abbildung B.1‑2) NODE_IDENTIFIKATION und X_WERT, Y_WERT deaktiviert bzw. auskommentiert sind.

INPUT
25
26
27
ABZWEIG 34

Abbildung B.1‑6: Beispiel die Zuordnung GWP – FGW über eine separate Datei

Die weiteren Angaben in der Strukturdefinitionstabelle der Gewässerpunkte (s. Abbildung B.1‑2) enthält vorrangig Angaben, die auf das Grundmodul Seeretention zugeschnitten sind. So können z.B. die W-Q-Beziehungen, deren Wasserstandsangaben sich normaler Weise auf den Pegelnullpunkt beziehen, über die Angabe einer BEZUGSHOEHE in einen auf Meereshöhe bezogenen Höhenbereich gebracht werden. Außerdem kann als Startwert für die Retentionsberechnungen ein ANFANGSWASSERSTAND vorgegeben werden.

Weiterhin enthält die Strukturdefinitionstabelle der Gewässerpunkte (s. Abbildung B.1‑2) Angaben zu den RELATE-Tabellen im Verzeichnis …GISRELATE, derzeit die W-Q-Beziehungen und die Höhen-Oberflächen-Volumen-Beziehungen (HAV). Da bei diesen Tabellen von einer eineindeutigen Beziehung (1,1) zwischen GWP’s und Tabellen ausgegangen werden kann, wurde jede der W-Q- bzw. HAV-Beziehungen in einer getrennten Datei abgelegt, deren Dateinamen sich aus der GWP-ID (über die auch die Referenzierung erfolgt) und „.hav“ bzw. „.wq“ als Dateityp zusammensetzt. Abbildung B.1‑7 und Abbildung B.1‑8 zeigen beispielhaft Auszüge aus solchen Tabellen. Zu beachten ist hierbei, dass die Wasserstände in der WQ-Tabelle als auf den Pegelnullpunkt bezogene Höhen angegeben werden können (s. oben), vor allem aber wie in der Wasserwirtschaft üblich, in [cm] erwartet werden.

HOEHE AREA   VOL
1.00  43.00  12345.
2.00  131.00 14567.
...

Abbildung B.1‑7: Beispiel einer HAV-Tabelle

W   Qmin Qmax
70  0.83 1.16
75  1.05 1.50
...

Abbildung B.1‑8: Beispiel einer WQ-Tabelle

Weiterhin enthält die Gewässerpunkttabelle (s. Abbildung B.1‑3) Angaben zum Algorithmus und Kennwerte der Abflusstransformation (MOD_TYP, ken1, ken2 und ken3 – Attributbezeichnungen definiert über <MODUL_ZUR_ABFLUSS-TRANSFORMATION>, <Kennwert1>, <Kennwert2> und <Kennwert3> in der Datei GWP.SDF, s. Abbildung B.1‑2).

Wie Abbildung B.1‑8 zeigt, können in der WQ-Tabelle auch zwei Abflüsse angegeben werden, die je nach MOD_TYP entweder als möglicher Abflussbereich bei Anlagen interpretiert werden, die eine gesteuerte Abflussabgabe zulassen oder eine Abflussaufteilung bei einer Gewässerverzweigung (MOD_TYP 7 und 9) gestatten.

Derzeit sind die in Tabelle B.2‑1 angegebenen Teilmodelle in ArcEGMO integriert.

Tabelle B.2‑1: Module zur Beschreibung der Abflusstransformation

* Modul nicht aktiv

Die für jedes Modul anzugebenden Parameter sind alle in der Tabelle GWP.tab enthalten. Ihre Bedeutung kann von Modul zu Modul verschieden sein.

GWP.tab

Das folgende Beispiel demonstriert die Integration des künftigen Salzigen Sees in das hydrologische Modell Salza, das für Grundlagenuntersuchungen im Einzugsgebiet der Salza zur Wiederentstehung des Salzigen Sees aufgebaut wurde. Außerdem ist dargestellt, wie für Analysen der Seeretention das Gewässernetz auf den unmittelbaren Seebereich beschränkt wurde.

Räumliche Integration des Seemodells in die GIS-Datenbasis

Datei GWP_NODE.TAB GWP-ID HOEHE W_START dh Qmin 23  84.15 +0.00 0.5 0.3 Datei GWP_23.fgw INPUT 3 65 101 104

Reduzierung des Modellgewässernetzes auf das Notwendige

Datei ARC_EGMO.STE

BERECHNUNGEN_BIS 64

Datei OR_FGW.SEL

ID
65
101
104

Abbildung: Beispiel zur Integration eines GWP

01. Einführung und Anwendungsbereich
02. Beschriebene Prozesse
03. Programmtechnische Umsetzung
04. Abkürzungen und Symbole
05. Weiterführende Literatur