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0. Inhaltsverzeichnis

Einführung in die Problematik
Modellierungskonzeption
Programmtechnische Grundprinzipien
Raumbezogene Eingangsinformationen
Raum- und zeitbezogene Eingangsdaten
Modellergebnisse
Modellebenen
Modulbibliothek
Bibliotheksfunktionen
10 Abkürzungen und Symbole

Literatur


01. Einführung

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

 

 

 


01.1 Geographische Informationssysteme und hydrologische Modellierung

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.


01.2 Anforderungen an hydrologische Modelle

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.


01.3 Anforderungen an die hydrologische Software

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.


02. Modellierungskonzeption

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


02.1 Zielstellung

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.


02.2 Räumliche Diskretisierung und grundlegendes Herangehen bei der Modellstrukturierung

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

Beispiele für Rauminformationen Domäne Teilprozess Ebene
Höhe, Exposition, Gefälle Abflussbildung
(vertikal)
Hydrometeorologie MET
Landnutzung, Boden, Grundwasserflurabstand Interzeption, Infiltration,Perkolation, Verdunstung ABI
Fließlänge, Geländegefälle, Land­nut­zung (Rau­hig­keit) Abfluss-konzentration (lateral) – auf der Land­ober­fläche RD
Fließlänge, Gerinnegefälle, Ger­innerauhig­keit  – im Gewässer  Q
Fließlänge, Geologie – im Untergrund (Grundwasserströmung) RW

 

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.

 

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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.


02.3 Räumliche Diskretisierungsvarianten für die Betrachtung der Abflusskonzentration

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

  Talaue Hang Hochfläche
Gewässerabstand gering talformabhängig groß
Grundwasserflurabstand gering mittel bis groß groß
Gefälle gering mittel bis groß groß
Direktabflussbildung von Sättigungsflächen bei Starkregen gering
Direktabflusswirksamkeit groß bei hohem Grundwasserstand groß gering
Verdunstung i.d.R. potentiell feuchteabhängig feuchteabhängig
Grundwasserneubildung gering mittel bis groß mittel bis groß

 

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.


02.4 Räumliche Diskretisierungsvarianten für die Betrachtung der Vertikalprozess innerhalb der Abflussbildung

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).


02.5 Schlussfolgerungen

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

Raumeinheit Definition
Elementarfläche gekennzeichnet durch homogene Systemein- und -ausgänge und Systemeigenschaften
Hydrotop zusammenhängende Elementareinheiten mit ähnlichem hydrologischen Regime, deren Systemeingänge und Systemparameter ähnlich sind und die bzgl. der maßge­benden Systemausgänge quasi homogen reagieren
Hydrotopklasse ortsunabhängige Zusammenfassung gleicher Hydrotope
Teileinzugsgebiet Einzugsgebiet eines Punktes im Untersuchungsgebiet, i.d.R. im Gewässersystem
Zwischengebiet Eigeneinzugsgebiet eines Gewässerabschnitts
Gewässerabschnitt Gewässerstrecke oder Teil einer Tallinie mit hinreichender Homogenität der Charakteristika (z.B. Gefälle, Rauhigkeit)
Abflusskaskade linker bzw. rechter Teil eines Zwischengebietes und Quellgebiete besitzen zusätzlich eine obere Kaskade.
Kaskadensegment Teil einer Abflusskaskade (z.B. nach dem Zonenkonzept) oder Hydrotop innerhalb einer Abflusskaskade

 

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.

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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

Vertikalprozess-Domäne Lateralprozess-Domäne
Abflusskonzentration 
Hydrometeorologie Abflussbildung und Verdunstung auf der Landoberflä­che im Gewässernetz unterirdisch
Datenübertragung auf Modellierung für
TG HK innerhalb TG mit Ff TG HK innerhalb TG
TG HK innerhalb TG mit Ff KAS FGW TG
EFL EFL mit M KAS FGW TG
EFL EFL mit M KAS FGW FEM
KAS HK innerhalb KAS mit Ff KAS FGW TG
KAS KAS als H mit Ff KAS FGW TG
KAS KAS als H mit M KAS FGW TG
EFL – Elementarflächen, TG – Teileinzugsgebiete, KAS – Kaskadensegmente, FGW – Gewässerabschnitte, H – Hydrotope, HK – Hydrotopklassen, FEM – finite Elemente (bei Kopplung mit einem Grundwassermodell), Ff – Unterlegung von Flächenverteilungsfunktionen, M – Mittelwert

 

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.


03. Programmtechnische Grundprinzipien

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


03.1 Einführung

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.


03.2 Programmstrukturierung

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.

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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:

MET_MOD Modell zur Flächenübertragung stationsbezogener Klimagrößen, Schließen von Beobachtungslücken etc.
WH_MOD Modell zur flächendifferenzierten Berechnung des Wasserhaushalts unter Nutzung stations- oder flächenbezogener Klimagrößen (analog MET_MOD)
NA_MOD Niederschlag-Abfluss-Modell – WH_MOD zzgl. Berechnung der lateralen Mengenströme auf der Erdoberfläche, im Untergrund und im Gewässernetz
BW_MOD Bewirtschaftungsmodell – erlaubt effektive Betrachtung von interessierenden Ausschnitten des Untersuchungsgebietes, z.B. Variantenrechnungen für Bewirtschaftungsmaßnahmen, betrachtet wird nur noch die Abflusskonzentration im Gewässernetz, Vorgabe von Randbedingungen (mit NA_MOD berechnete Zuflüsse zum Gebietsausschnitt) möglich

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


03.3 Programmsteuerung

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).

 

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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.


03.4 Verzeichnisstruktur

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).

 

image

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)
 

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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.


03.5 Programmname und Programmstart

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.

 

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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.


03.6 Pfade

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.


03.7 Programmtestung

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).


03.8 Modellvarianten

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


03.9 Zeitschrittwahl für die Kontrollanzeige

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


04. Raumbezogene Informationen

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


04.1 Die GIS-Datenbasis und ihre prinzipielle Struktur

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

Bezeichnung Geometrie Inhalt Bemerkungen
METSTAT Punkt Lagekoordinaten der meteorol. Stationen obligatorisch für Übertragung der Werte auf die Modellierungsflächen
METGEB Fläche meteorol. Teilgebiete fakultativ (noch nicht integriert)
EFL Fläche Elementarflächen obligatorisch
TG Fläche Teilgebiete obligatorisch nur für NA-Modellierung
KASEG Fläche Kaskadensegmente fakultativ
FGW Linien Gewässerabschnitte fakultativ
GWP Punkte besondere Gewässerknoten (Sonderbauwerke) Fakultativ (s. Kapitel Bauwerke)
HYD_STAT Punkte Lage von Pegeln, Einleitungen und Entnahmen fakultativ

 

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

Coverage Inhalt Verweis auf
Coverage Relate-Tab. Inhalt
TG Teileinzugsgebiete
FGW Fließgewässerabschnitte TG
PROFIL Gewässerprofile[1]
FGW_TYP Gewässertyp und Ausbaugrad
Gewässerknoten x,y,z-Koordinaten
KASEG Kaskadensegmente TG
FGW
EFL Elementarflächen TG
KASEG
BODEN Bodeninformationen
LNTZ Landnutzungsdaten
FLURAB Grundwasserflurabstände
GEF Geländegefälle

 

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.

 

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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

Format Programm Speicherort Datenbasis
DBASE ArcVIEW / ArcGIS D:\Projekt\GIS EFL.dbf
ASCII Alle D:\Projekt\GIS\ascii.rel EFL.tab / EFL.Txt
INFO ARC/INFO D:\Projekt\GIS\ascii.rel EFL.pat

 

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.

 

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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.

 

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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.

 

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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.

 

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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.


04.2 Teileinzugsgebiete TG

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

Attribut Inhalt Einheit
AREA Fläche des Teileinzugsgebietes [m2]
TG-ID ARC/INFO-interne Schlüsselnummer
TG_ULIEGER[1] Verweis auf den Unterlieger (über TG-ID)
NAME Bezeichnung des Teileinzugsgebietes
GEO-ID Geologische Einheit
Modell_Region Zuordnung des Teilgebietes zu einer übergeordneten Modellregion
Region_ULIEGER ID der unterliegenden Modellregion
GW_Verlust Anteil GW, der in die Tiefe versickert, nicht im Bildungsgebiet abflusswirksam wird
GW_Unterlieger Verweis auf die TG-ID eines Teilgebietes, dem diese Grundwasserabflüsse zugeordnet werden sollen, die nicht mehr im akt. Gebiet abflusswirksam werden
FLIESSGEWAESSERLAENGE[2] summarische Länge aller Fließgewässer innerhalb des TG’s [m] [m]
X-COORD X-Koordinate des Flächenschwerpunktes [m]
Y-COORD Y-Koordinate des Flächenschwerpunktes [m]
HOEHE mittlere Höhe [m]

 

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

Attribut Inhalt Einheit
GEO-ID Geologische Einheit
KF_WERT hydraulische Leitfähigkeit [mm/h]
LEAKAGE Leakage_Verlust [l/(s*m)]

 

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.


04.3 Fließgewässersystem FGW

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

Attribut Inhalt Bemerkung
FNODE# Verweis auf FGW.NAT obligatorisch
TFNODE# Verweis auf FGW.NAT obligatorisch
Lenght Länge des Arcs obligatorisch
FGW-ID ARC/INFO-interne Schlüsselnummer obligatorisch
ULIEGER Zeiger auf FGW-ID des Unterliegergewässerabschnittes,kein Unterlieger ist mit -1 zu kodieren obligatorisch
BASEFLOW-ID Zeiger auf Zeitreihe von extern berechneten Grundwasserzuflüs­sen bzw. -1 für zeitweilig wasserführende Abschnitte fakultativ
TG-ID Zeiger auf Teilgebiet, in dem sich der Gewässerabschnitt befindet obligatorisch
Geo_ID Zeiger auf Geologietabelle (Tabelle 4.2‑2) zur Festlegung von Leakage-Verlusten
TYP-ID Zeiger auf Relate-Tabelle FGW_TYP.TAB (Tabelle 4.3‑4) fakultativ
VTYP-ID-l Zeiger auf Relate-Tabelle FGW_VTYP.TAB (Tabelle 4.3‑5) (links) fakultativ
VTYP-ID-r Zeiger auf Relate-Tabelle FGW_VTYP.TAB (Tabelle 4.3‑5) (rechts) fakultativ
PROFIL-ID Zeiger auf Relate-Tabelle PROFIL.TAB (Tabelle 4.3‑3) fakultativ
Modell_Typ Zuweisung des zu rechnenden Modells für diesen Abschnitt (s. KalMil in Teil II) fakultativ
ZX_WERT X-Koordinate des Mittelpunktes bzw. des Zentrums (Center-Point) fakultativ , sofern nicht PROFIL-ID angegeben ist, benötigt
für Modul KalMil
ZY_WERT
SohlHoehe Höhe der Gewässersohle [m ü NN]
Interpol_
Wasserstand
Startwert des Wasserstandes [m ü NN]
SohlBreite [m]
FGW_Breite [m]
Profiltiefe [m]
Gefälle ΔHöhe [m] /Länge [m]

 

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

Attribut Inhalt Bemerkung
NodeID Identifikation des Knotens fakultativ
X-COORD X_Koordinate des Knoten obligatorisch
Y-COORD Y_Koordinate des Knoten obligatorisch
Z-COORD Höhe des Knoten (Sohlhöhe) obligatorisch
X,Y planimetrische Koordinaten (z.B. Gauß-Krüger) in [m] Höhe in [m] üNN

 

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:

e_area Eigeneinzugsgebiet, das sich durch längengewichtete Aufteilung der zugeordneten Teileinzugsgebietsfläche auf sämtliche Gewässerabschnitte in diesem Einzugsgebiet ergibt
k_area kumulatives Einzugsgebiet, das sich aus der Summe des aktuellen Eigeneinzugsgebietes und der Einzugsgebiete aller oberliegenden Gewässerabschnitte ergibt,
g_area Grundwassereinzugsgebiet, das sich durch Auswertung der Kennungen für den Grundwasseranschluss ergibt (nur für detaillierte Grundwassermodellierung interessant)

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

PROFIL-ID Bezeichnung sb pt sn vb vt
1 Dreieck 0
3 Trapez
Kasten (Rechteck) > 100

 

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

 

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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

TYP-ID FGW_TYP MATERIAL M_MAX M_MIN
1 Natürliche Wasserläufe feste Sohle, ohne Unregel­mäßigkeiten 40 40
2 Erdkanäle mäßiges Geschiebe 35 33
M_MIN, M_MAX Rauhigkeit nach Manning

 

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

VTYP-ID BEWUCHS_TYP BEWUCHS_ART M_MAX M_MIN
1 Überströmter Bewuchs Gras 30 28
2 Durchströmter Bewuchs Röhricht 35 33
Sträucher
M_MIN, M_MAX Rauhigkeit nach Manning

 

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


04.4 Kaskadensegmente KAS

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 Inhalt Bemerkung
Area Fläche des Segmentes obligatorisch
KASEG-ID ARC/INFO-interne Schlüsselnummer obligatorisch
ULIEGER KASEG-ID des Unterliegersegments bzw. „-1“ bei Entwässerung in den zugeordneten Gewässerabschnitt obligatorisch
TG-ID Zeiger auf das übergeordnete Teileinzugsgebiet obligatorisch
FGW-ID Zeiger auf den zugeordneten Gewässerabschnitt obligatorisch
SEITE Zuordnung zur rechten (0), linken (1) oder oberen (2) Kaskade obligatorisch
X-COORD X-Koordinate des Flächenschwerpunktes obligatorisch
Y-COORD Y-Koordinate des Flächenschwerpunktes obligatorisch
HOEHE mittlere Höhe obligatorisch
X,Y Koordinaten im Gauß-Krüger-System in [m] Z Höhe ü NN in [m]

.

###### 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


04.5 Elementarflächen EFL

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.

image

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

Attribut Inhalt Bemerkung
EFL-ID ARC/INFO-interne Schlüsselnummer obligatorisch
AREA Fläche der EFL obligatorisch
TG-ID Kennung des zugeordneten Teileinzugsgebietes obligatorisch
KASEG-ID Kennung des zugeordneten Kaskadensegments fakultativ
RAS-ID Kennung der zugeordneten Rasterzelle Fakultativ
HYD-ID Kennung des zugeordneten Hydrotops Fakultativ
BODEN-ID Zeiger auf Bodenformentabelle BODEN (Abbildung 4.5‑11) obligatorisch
GEO-ID Zeiger auf Geologie-Tabelle Fakultativ
LNTZ-ID Zeiger auf Landnutzungstabelle LNTZ (Tabelle 4.5‑2) obligatorisch
GEF Gefälle [%] Fakultativ
Aspekt Ausrichtung der Fläche [in 0 bis 360 °] Fakultativ
FLURAB-ID Zeiger auf die Grundwasserflurabstandsklassen (Tabelle 4.5‑5) Fakultativ
GWH Mittlerer Grundwasserstand Fakultativ
HALDEN-ID Zeiger auf Sonderstrukturen (Tabelle 4.5‑6) Fakultativ
MELIO-ID Meliorationstyp Fakultativ
F-NR Zeiger auf kanalisierte Teilgebiete (noch nicht implementiert) Fakultativ
X_COORD X-Koordinate des Flächenschwerpunktes obligatorisch
Y_COORD Y-Koordinate des Flächenschwerpunktes obligatorisch
HOEHE mittlere Höhe Fakultativ
VersGrad Versiegelungsgrad [0 … 1] Fakultativ
KanArt Art der Kanalisation [1 – Misch, 2 – Trenn, default – nicht] Fakultativ
AnGrad Kanalisationsgrad [0 … 1] Fakultativ
X,Y planimetrische Koordinaten (z.B. Gauß-Krüger) in [m] HOEHE Höhe ü NN in [m]

 

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.

 

ohne Höhenstufen

image

mit Höhenstufen

image

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

LNTZ‑ID LNTZ_K VERS in [%] WE in [m] INTC in [mm] BED in [%] RAUH in
[s/m1/3]
1 Was­ser 0 0 10000 0 0
3 Ac­ker 0 0,4 3 40 0.02
mit VERS (_MIN, _MAX) minimaler und maximaler Versieg­lungsgradWE (_MIN, _MAX) minimale und maximale WurzeltiefeINTC (_MIN, _MAX) min. und max. Interzeptionsspeicher­kapazi­tät­

 

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:

  • kf-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)

 

Parameter/Bezeichnung Dimension Bemerkung
Profil-Nummer Schlüsselattribut zur Verknüpfung mit der Hydrotopkarte
Horizontnummer + muss mit 1 beginnen und fortlaufend nummeriert sein
Horizontmächtigkeit mm +
Bodenart + Kurzbezeichnung nach KA4
Skelettanteil Vol.%
Humusanteil Masse%
Tongehalt Masse%
Schluffgehalt Masse%
Sandgehalt Masse%
Durchwurzelungsintensität – Klasse 0 bis 6 nach KA5
Lagerungsdichte g/cm² nur PSCN
Welkepunkt Vol.% + alternativ: nutzbare Feldkapazität
Feldkapazität Vol.% +
Gesamtporenvolumen Vol.% + alternativ: Luftkapazität
Gesättigte Leitfähigkeit mm/h +
pH-Wert nur PSCN
Gesamtkohlenstoffgehalt Ct % nur PSCN
Gesamtstickstoffgehalt Nt % nur PSCN

 

Wenn Speicherkapazitäten und/oder Kf-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.

SCHICHTTIEFE               Tiefe
Humuskorrektur             Humuskorrektur     /* 0 – Werte sind nicht korrigiert –> Korrektur durchfuehren */
/*                                                             /* 1 – Werte sind korrigiert */
Humusklasse                  Humus
SKELETTKORREKTUR       skel_kor              /* 0 – Werte sind nicht korrigiert –> Korrektur durchfuehren */
/*                                                             /* 1 – Werte sind korrigiert */
SKELETTANTEIL              Skelett                 /* [Vol.%] */
MAKROPOROSITAET       Makroporositaet     /* [Vol.%] */
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

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 Kf[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 Kf[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 Kf[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 Kf[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 Kf-Wert einer Elementarfläche der Kf-Wert der obersten und damit für die Infiltration maßgeblichen Schicht verwendet werden soll (SELECT_KF=0, default) oder das Minimum der Kf-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

GEF-ID GRENZ_GEF WMM
1 1 2,0
2 4 1,5
3 10 1,0
4 20 0,5
WMM Muldenspeicherkapazität in [mm], GRENZ_GEF max. Gefälle in [%] innerhalb der Gefälleklasse bzw. Grenzwert für die Zuordnung

+++++++ 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

FLURAB-ID FLURAB_MAX FLURAB_REP
1 0.0 0.0
2 2.0 0.4
FLURAB_MAX max. Flurabstand in [m] innerhalb der Klasse bzw. Grenzwert für die Zuordnung,FLURAB_REP repräsentativer Grundwasserflurabstand innerhalb der Klasse
+++++++ 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

HALDEN-ID BEZ BODEN-ID GEF LNTZ-ID
1 H127 9 -9999 7
2

..

 

+++++++ 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
################################################################################

 

4.5.11 Gruppierung der Landnutzung zu Nutzungstypen

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:

A Acker, landwirtschaftliche Nutzfläche
F Wald, forstliche Nutzung
G Grünland, Wiesen, Weiden
S Siedlungsflächen, teilweise oder komplett versiegelt, u.U. mit Angaben zur Kanalisation
W Wasserflächen mit Anschluss an das Fließgewässersystem
B Binnengewässer ohne Gewässeranschluss
D devastierte Flächen wie Tagebaue, Kippen, Halden

 

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

\boldsymbol{PP = PI - EP}  (1)

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

\boldsymbol{RKan = PP \cdot aipm \cdot agrad}

 (2)

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

Der Niederschlagsüberschuss auf den versiegelten, aber nicht angeschlossenen Flächenanteil

\boldsymbol{RKan = PP \cdot aipm \cdot 1 - agrad}

 (3)

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

 \boldsymbol{RO = ROnat + RnKan} (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.

\boldsymbol{ROeff \leq RO} (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 ROAnl wie folgt:

 \boldsymbol{ROAnl = PP \cdot aimp \cdot agrad} (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 ROAnl 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 Ages bezogen wird, die sich aus der Fläche der Versickerungsanlage AAnl selbst und der Summe der angeschlossenen Flächen AS ergibt. Der Flächenfaktor FakA, mit dem PP zu multiplizieren ist, ergibt sich zu:

 \boldsymbol{FakA = (AAnl + AS) / AAnl = 1. + AS/AAnl} (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


04.6 Abfluss von urbanen Flächen

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.


04.7 Hydrotopklassen HYD

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

Schlüsselwort Erläuterung Verweis
NUTZUNG Landnutzungs-ID, d.h. Verweis auf die Landnutzungstabelle Tabelle 4.5‑2
BODEN Boden-ID, d.h. Verweis auf die Bodenformtabelle Abbildung 4.5‑11
LITHOFAZIESEINHEIT ID der Lithofazieseinheit Modul SlowComp
GRUNDWASSER-FLURABSTAND Grundwasserflurabstands-ID, d.h. Verweis auf die Grundwasserflurabstandstabelle Tabelle 4.5‑5
MELIORATION[1] Meliorations-ID, d.h. Verweis auf die Meliorationsstabelle
HALDEN Halden-ID, d.h. Verweis auf die Haldentabelle Tabelle 4.5‑6
TOPOGRAFISCHER_INDEX6 Topographischer Index
GEFAELLE (ganzzahliger) Gefällewert
ENTWAESSERUNGS_TG6 Zuordnung zu einem kanalisierten Teilgebiet
MITTLERE_HOEHE (ganzzahliger) Höhenwert
EXPOSITION (ganzzahliger) Wert der Hangexposition

 

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.

ELEMENTARFLAECHENKLASSIFIZIERUNG /* ‚oder‘-Verknuepfungen */
WALD          NUTZUNG = 2
Wald1           BODEN = 15
HANG          GEFAELLE > 4
GW_NAH    GRUNDWASSERFLURABSTAND < 4
MELIO         MELIORATION ! 0
BEBAUT      NUTZUNG = 6 7 8
HALDE        HALDEN ! 0
WASSER     NUTZUNG = 1
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

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.

GW_NAH     NUTZUNG = 12
GW_NAH     GRUNDWASSERFLURABSTAND < 3
WALD            NUTZUNG = 9   610
HANG            GEFAELLE > 5
GEBIRGE      NUTZUNG = 50   51
AUE                BODEN = 5122   5123   8   9
DORF             NUTZUNG = 3   911   912   5003   5911   5912
VERKEHR    NUTZUNG = 4   5004   5005   5006   5007   5008
VERKEHR    NUTZUNG = 5093   5420   5430   5610

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.

FEUCHT        NUTZUNG = 12
GW_NAH      GRUNDWASSERFLURABSTAND < 3
WALD             NUTZUNG = 9 610
HANG             GEFAELLE > 5
GEBIRGE       NUTZUNG = 50   51
AUE                 BODEN = 5122   5123   8   9
DORF              NUTZUNG = 3   911   912   5003   5911   5912
VERKEHR     NUTZUNG = 4   5004   5005   5006   5007   5008   5093   5420   5430   5610

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.

image

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.

image

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.

AnzahlKlassen Hydrotop­klassifizierung Flächen­anteil [%]
2 gw-fern
gw-nah
82.0
18.0
3 gw-fern
gw-nah
Siedlungen, Straßen etc.
74.7
18.0
7.3
4 Nicht-Wald, gw-fern
Wald, gw-fern
gw-nah
Siedlungen, Straßen etc.
58.8
15.9
18.0
7.3
7 Nicht-Wald, gw-fern, eben
Nicht-Wald, gw-fern, hängig
Nicht-Wald, gw-nah
Wald, gw-fern, eben
Wald, gw-fern, hängig
Wald, gw-nah
Siedlungen, Straßen etc.
58.6
0.3
16.6
15.7
0.3
1.3
7.2
9 Nicht-Wald, gw-fern, eben
Nicht-Wald, gw-fern, hängig
Nicht-Wald, gw-nah
Wald, gw-fern, eben
Wald, gw-fern, hängig
Wald, gw-nah
Moore
Siedlungen, Straßen etc.
Freie Wasserflächen
58.3
0.2
15.2
15.7
0.3
1.3
1.4
7.3
0.3

 

image

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.


04.8 Regionen

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.

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

 


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


05. Raum- und Zeitbezogene Eingangsdaten

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


05.1 Einführung

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

Zeitfunktionen METEOR HYD_DATA BW_DATA Z_Relate GW
Termin x x x x x
TerminHM x
JAHR x x x x x
MONAT x x x x x
TAG x x x x x
STUNDE x x x x
MINUTE x x x x
MITTLERE_MONATSWERTE x x
MITTELWERT x x
MITTLERER_JAHRESGANG x x x

 

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

 

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Abbildung 5.1‑1: Zeitvariable Kennwerte – Jahreswerte

 

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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.

 

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Abbildung 5.1‑3: (Zeitvariable) Kennwerte – Mittelwerte

 

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


05.2 Klimadaten

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

Eingangsdaten Symbol Haude Turc/Ivanov Penman GrassReferenz
Lufttemperatur T + * * * *
Dampfdruck e *[1] + * *
relative Feuchte RH *[1] * + +
Windgeschwindigkeit u * *
Windstärke Um +
relat. Sonnenscheindauer n + + +
extraterrestrische Strahlung Ra + +
Globalstrahlung Rs * + *
Strahlungsbilanz Rn *
* notwendige bzw. bevorzugte Größe, + Ersatzgröße zur Berechnung der mit * gekennzeichneten Größe

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.
    image
    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.

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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

Datenart Einheit Default Bemerkung
Lufttemperatur °C 8
Dampfdruck hPa 10
relative Feuchte % oder Anteile von 1. Alternativ zum Dampfdruck
Windstärke Bf 0,5 nur für Penman
Sonnenscheindauer h/d 0
pot. Verdunstung mm/DT 0
Niederschlag mm/DT 0

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.

image

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. 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[2] (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

X_GEO Y_GEO X_BRB Y_BRB ELV_SRTM CELLCODE DTD TYP
12.252 52.561 3313714 5826939 40.9 4147528625 24 m
12.877 52.780 3356788 5849919 32.5 4187528875 24 m
12.981 53.196 3365137 5896017 70.5 4192529325 24 m

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
…

In den bereitgestellten Originaldateien im HYRAS-Format waren in den Zeilen 1 bis 4 die

  1. Bezeichnung der Variablen (Precipitation, Temperature,…)
  2. mittlere Höhe der Rasterzelle
  3. X-Koordinate des Rastermittelpunktes (Lambert-Projektion, Datum ETRS89)
  4. Y-Koordinate des Rastermittelpunktes (Lambert-Projektion, Datum ETRS89)

angegeben. Diese Zeilen wurden gelöscht.

Um zum Massendatenformat von ArcEGMO kompatibel zu sein, war es nun noch erforderlich, die Datendateien mit einem einheitlichen Namen zu versehen, während über den Dateityp die Art der meteorologischen Daten vorzugeben war.

Tabelle 5.2‑5: Bezeichnungen der Datendateien im Massendatenformat von ArcEGMO

Datei Datenart Einheit
KLIWAS_05km_d_Brb_Spree_1951_2006.N Unkorrigierter Niederschlag [mm/Tag]
KLIWAS_05km_d_Brb_Spree_1951_2006.RG Globalstrahlung [J/cm2]
KLIWAS_05km_d_Brb_Spree_1951_2006.RH Relativer Luftfeuchte [%]
KLIWAS_05km_d_Brb_Spree_1951_2006.T Lufttemperatur [°C]

HYRASmix, um REGNIE-Daten in Kombination mit klassischen stationsbezogenen Klimadaten nutzen zu können

Auszug aus der meteor.ste

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    */

In der Stationstabelle enthält die Spalte mit der STATIONSKENNUNG (hier Name) die Nummern der Rasterzellen in den Zeilen, die die Daten im Massenformat (‚m‘ in Spalte TYP) enthalten und die Dateinamen der Klimadateien für die Klimastationen (‚kli‘ in Spalte TYP).

Auszug aus der met_stat.dbf

In der met_data.sdf wird analog zum HYRAS-Format angegeben, wie die Niederschlagsdatei heißt (hier \Raster\dummy.N). Die Klimareihen befinden sich im Verzeichnis \Raster\dummy unter den Namen, die in der met_stat.dbf angegeben sind (z.B. st_3934.kli).

######  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]
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

ACHTUNG: Es muss darauf geachtet werden, dass die Spaltenbezeichnung für die meteorologischen Daten der Stationsdateien (N, RH, RG und T) und der Dateityp der jeweiligen HYRAS-Massendaten identisch sind.

Datenformat 5: REGNIEmix

Das Datenformat REGNIEmix funktioniert entsprechend dem HYRASmix Datenformat. Es wurde aber für eine sehr hohe Rasterauflösung (z.B. 1 km-Raster) zur Verringerung der Rechenzeit entwickelt. Die Flächenübertragung erfolgt hierbei nur für die Klimastationen und nicht für das Niederschlagsraster, da davon ausgegangen wird, dass das Raster hoch genug aufgelöst ist. Ein weiterer Unterschied zu dem HYRASmix Datenformat besteht in der Sortierung der Stationstabelle: hier müssen zuerst die Klimadateien und danach die Daten im Massendatenformat enthalten sein.

5.2.10 Regionale Verdunstungskorrektur

Über die Stationsdatei können regionale Verdunstungskorrekturfaktoren angegeben werden (hier Spalte „Kor_EP“). Die regionale Verdunstungskorrektur ist über das Steuerwort „VERDUNSTUNGSKORREKTUR“ in der met_stat.sdf anzugeben.

Stationsdatei.dbf

met_stat.sdf

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

5.2.11 Gewässerverdunstung

Die Verdunstung freier Wasserflächen (selektiert über den Landnutzungstyp „W“) wird in der Regel im Rahmen der Abflussbildung aus der potenziellen bzw. aktuelle Verdunstung berechnet. Über einen Korrekturfaktor im Modul met_mod1 kann die Wasserflächenverdunstung korrigiert werden. Der Eintrag in der modul.ste lautet:

EP_KORREKTUR_WASSER    "Korrekturfaktor"

wobei der Default_wert für den Korrekturfaktor 1.2 ist.Für eine korrekte Abbildung der Gewässerverdunstung im Rahmen detaillierter Bilanzuntersuchungen kann es notwendig sein, diese in Abhängigkeit vom Wasserstand und der davon abhängigen Wasseroberfläche zu erfassen. Dazu stehen in ArcEGMO Möglichkeiten zur Einbindung von Ansätzen zur Verfügung, die die Verdunstung freier Wasserflächen in Abhängigkeit von der Wassertiefe (-temperatur) und weiteren meteorologischen Größen wie Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, relative Luftfeuchte und Globalstrahlung berechnen. Diese Ansätze können an die „besonderen Gewässerpunkte“ wie Talsperren und Seen gebunden werden. Über die für einige GWP-Typen verwalteten Höhen-Volumen-Oberflächen-Beziehungen kann dann in Abhängigkeit vom Wasserstand der jeweilige Verdunstungsverlust als Speicherinhaltsänderung ermittelt werden.

Mit dem Faktor EP_KORREKTUR_WASSER wird die sich für den Standort ergebende potenzielle Verdunstung der meteorologischen Modellierungseinheit (EFL, HYD, TG, KAS), in der sich der Gewässerpunkt befindet, multipliziert, um so die Gewässerverdunstung dieses Gewässerpunktes zu erhalten. Mit dem gleichen Korrekturfaktor wird auch die Wasserflächenverdunstung im Abflussbildungsmodell (Landnutzung W) ermittelt.

Wenn in der gwp.tab keine Koordinaten vorhanden oder für einzelne GWPs die Koordinaten mit 0 oder -9999 angegeben sind, kann keine Zuordnung der EP und PI-Werte der „übergeordneten“ met. Fläche erfolgen, EP und PI sind dann demzufolge 0.

Neben der programminternen Berechnung der Verdunstung kann aber auch eine Zeitreihe vorgegeben werden, die gemeinsam mit den Bewirtschaftungsgrößen eingelesen wird. Das vorzugebende Datenformat ist wep (für Gewässerverdunstung), als Raumbezug (RBT) muss GWP angegeben werden. Bei der Vorgabe einer Zeitreihe wird der Korrekturfaktor nicht ausgewertet, da davon ausgegangen wird, dass die vorgegebene Zeitreihe bereits korrigiert und modifiziert ist.

Weist diese Reihe Fehlstellen auf (=0. oder -9999., d.h. ein Verdunstungswert von 0. wird auch nicht als realistisch angesehen), wird auf die in berechnete Verdunstung der „übergeordneten“ met. Fläche zurückgegriffen.

Bw_file.tab

DATEI TYP DATZ FORM RBT RB X-COORD Y-COORD DTD
 Evaposee  txt  wep  E  gwp 0  0  0  0

Um zu verhindern, dass der meteorologische Input in solche Wasserflächen im Rahmen der Abflussbildungsberechnung und bei der Modellierung der Gewässerpunkte und damit doppelt berücksichtigt wird, ist es notwendig, im Abflussbildungsmodell solche Gewässerflächen zu kennzeichnen, für die als Gewässerpunkt eine detailliertere Verdunstungsbetrachtung erfolgt.

Diese Gewässerflächen erhalten als Landnutzungstyp ein „P“ und werden damit im Abflussbildungsmodell nicht weiter betrachtet, d.h. sie erhalten für die Übergabe-/Ausgabegrößen einen Nullwert, was allerdings in Kartendarstellungen zu Problemen führt.

Es kann auch sinnvoll sein, extern ermittelte Gewässerverdunstungen bei der Modellierung der Wasserflächenverdunstung im Abflussbildungsteil von ArcEGMO zu nutzen.

Dazu muss den Elementarflächen, die innerhalb einer Wasserfläche bzw. einer infolge des Grundwasseranstiegs potenziellen Wasserfläche liegen, die ID des zugeordneten Gewässerpunktes zugewiesen werden. Dieser Gewässerpunkt muss natürlich auch innerhalb des Gewässernetzes als Geometrieelement vorhanden sein.

Diese Zuordnung erfolgt über das neue Attribut GewaesserpunktZuordnung im ElementarflächenCover, das in der efl.sdf dem Programm mitzuteilen ist.

Auszug aus der efl.sdf

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

Es ist sicherzustellen, dass Elementarflächen, die keinem Gewässerpunkt zugeordnet werden sollen, als Attribut für die Gewässerpunktzuordnung eine 0 oder einen Wert kleiner als Null aufweisen, so dass keine Verknüpfung mit dem GWP-Cover erfolgen kann. Fehlt der Eintrag  GewaesserpunktZuordnung, so erfolgt auch keine Verknüpfung mit dem GWP-Cover und die Berechnungen der Wasserflächen verlaufen programmintern wie beschrieben.

Während der Abflussbildungssimulation wird für die EFL mit einer GWP-Zuordnung geprüft, ob für diesen GWP eine externe Verdunstungsreihe vorliegt. Wenn ja, werden die hier angegebenen Verdunstungswerte verwendet, sofern sie größer als Null sind. Sind sie kleiner oder gleich Null, werden diese als Lücke in der Zeitreihe interpretiert und dafür der interne Berechnungsansatz genutzt.

Da jetzt für die Gewässerpunkte nicht bekannt ist, ob die Gewässerverdunstung schon für die Elementarflächen berechnet wurde oder nicht, ist es notwendig, diesen einen Kennwert zuzuordnen, über den gesteuert werden kann, ob und wie die Meteorologie in der Volumenbilanzierung der Gewässerpunkte berücksichtigt werden soll.

In der gwp.sdf wurde dazu das Schlüsselwort Ansatz_metInput integriert, über das verschiedene Ansätze gewählt werden können, die die Wasserstandsänderung [m] als Differenz zwischen dem Niederschlag auf den Seekörper und die Verdunstung aus dem Seekörper für den aktuellen Zeitschritt liefern. Gewählt werden kann derzeit zwischen zwei Ansätzen:

  1. liefert immer 0 und ist dann auszuwählen, wenn der meteorologische Eingang auf die Wasserflächen, die auch über die GWP erfasst werden, im Abflussbildungsteil berücksichtigt wird,
  2. hier wird für die Gewässerverdunstung eine externe Zeitreihe verwendet, sofern diese vorliegt, ansonsten die Verdunstung aus der potenziellen Verdunstung (Erhöhung um einen festen Faktor) abgeleitet,
  3. …3,4,5, … sind für weitere Ansätze vorgesehen, die z.B. in Abhängigkeit von der Wassertiefe, der Windexposition und/oder der Wassertemperatur die Gewässerverdunstung berechnen.

Der zu verwendende Ansatz kann global, d.h. einheitlich für alle Seen und Talsperren im Modellgebiet vorgegeben werden, indem der anzuwendende Ansatz (derzeit 0 oder 1) direkt über das Schlüsselwort Ansatz_metInput vorgegeben wird. Beginnt der Eintrag hinter dem Schlüsselwort mit dem Buchstaben a, wird der Eintrag als Name eines Attributes in der Attributtabelle des GewässerpunktCovers interpretiert. Darüber sind dann also auch differenzierte Vorgaben für jeden Gewässerpunkt möglich. Wird das Attribut in der Gewässertabelle nicht gefunden oder besitzt es nicht interpretierbare Einträge (derzeit nur 0 oder 1) oder das Schlüsselwort Ansatz_metInput selbst wird in der Einträge wird in der gwp.sdf nicht gefunden, wird für die betreffenden Gewässerpunkte mit dem Ansatz 0 gearbeitet.

Auszug aus der gwp.sdf

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*/

Neben den freien Wasserflächenflächen, für angenommen wird, dass sie innerhalb eines Simulationszeitraumes existieren, ergeben sich im Rahmen der gekoppelten Modellierung mit Grundwasserströmungsmodellen auch Flächen, die nur temporär unter Wasser stehen und deshalb keine Landnutzungskennung W aufweisen. Auch diese Flächen werden dann, wenn sie überstaut sind, hinsichtlich ihrer Verdunstung wie Wasserflächen behandelt. Detailliertere Informationen dazu erfolgen im Rahmen der Dokumentationen zu den Modellkopplungen.


[1] Wert der Messung um 14 Uhr

[2] HYRAS: Erstellung hydrologisch relevanter Raster- und Gitterpunktdatensätze für internationale Flussgebiete mit deutschem Gebietsanteil (ohne Oder und Maas, Donau teilweise) auf der Basis qualitätsbewerteter meteorologischer Beobachtungsdaten. Zugang über AG. Jede Rasterzelle bedeckt eine Fläche von ca. 25 km².


05.3 Hydrologische Daten

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

e_area Eigeneinzugsgebiet, das sich durch längengewichtete Aufteilung der zugeordneten Teileinzugsgebietsfläche auf sämtliche Gewässerabschnitte in diesem Einzugsgebiet ergibt
k_area kumulatives Einzugsgebiet, das sich aus der Summe des aktuellen Eigeneinzugsgebietes und der Einzugsgebiete aller oberliegenden Gewässerabschnitte ergibt,
g_area Grundwassereinzugsgebiet, das sich durch Auswertung der Kennungen für den Grundwasseranschluss ergibt (nur für detaillierte Grundwassermodellierung interessant)

 

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.

 


05.4 Zeitfunktionen in ArcEGMO zur Bewirtschaftung

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

Kodierung Erläuterung Einheit
q_ex, gw Gewässernutzungen im Oberflächengewässer und im Grundwasser, die als Einleitungen (+) oder Entnahmen (-) ins Modell eingespeist werden m3/s
qex_Cl,qex_P,qex_N analog für Chlorid, Phosphor und Stickstoff g/s
qo, qc, qd, qg gemessene und/oder extern berechnete Zuflüsse ins Modellgebiet, mit denen die angegebene Systemgröße (qo – Oberliegerzufluss, qc – Abfluss, qd – Direktzufluss, qg – Basisabfluss) überschrieben werden können, d.h. einsetzbar beispielsweise:- Einspeisung von Pegelreihen als Fremdzuflüsse ins Gebiet am „Modellrand“à qo,- Messreihe einer Talsperrenabgabe ersetzt modellierten Abfluss im Sinne einer Nachführung à qc- Einspeisung simulierter Grundwasserzuflüsse eines externen Grundwassermodells à qg m3/s
Wc Wasserstände im Gewässer als Randbedingung für internes Grundwassermodell m üNN
Wep Gewässerverdunstung (GWP zugeordnet) (positive Werte) mm
ql, qnu,qndqzb Mindestabgabe, Nutzungsbedarf der Unterlieger und Nutzungsbedarf direkt aus der TalsperreZwischengebietszufluss zu einem Kontrollpegel, m3/s
Sw aktuell anzusteuernder Wasserstand in der TS m üNN
k1 Aktueller Wert des Parameters K1 (s. Teil 1, Kap. 4, Tab. 4.18), vor allem zur zeitveränderlichen Vorgabe von Stauhöhen an Wehren gedacht – aktuelle Wehrhöhe m üNN
Intz Intz_Input als Beregnung- Zuordnung auf die InterzeptionsSpeicherfuellung mm/DT
bru Grundwasserentnahmen oder Einleitungen in ASM m3/s
rnd Randzufluesse in ASM m3/s
qero_N, qero_P akt. partikulärer Stoffeinleitung (N oder P) ins Gewässer über RO (Erosion) g/s

image

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.


05.5 Externe Grundwasserzuflüsse

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


05.6 Zeitvariante Daten -> relate Zeitfunktionen

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.

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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.

image

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.

image

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.

 

image

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.

 

image

Abbildung 5.6-6: Zeitvariable Kennwerte – Monatswerte

 

image

Abbildung 5.6-7: Zeitvariable Kennwerte – Jahreswerte

 


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


06. Modellergebnisse

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



06.1 Ausgabe von gebietsbezogenen Bilanzgrößen

 

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*km²)] 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:

image

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*km²)]) ausgegeben.

 

PI korrigierter Niederschlag
ER reale Verdunstung
RO Landoberflächenabfluss von natürlichen Flächen
RKT Abflussabgabe in die Trennkanalisation
RKM Abflussabgabe in die Mischkanalisation
RH hypodermischer Abfluss (PSCN)
RGS schneller Grundwasserabfluss (SlowComp)
GWN Grundwasserneubildung (Input ins Grundwassersystem)
D_S Speicherinhaltsänderung über alle Speicher im Abflussbildungsmodul
Err Bilanzfehler

 

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.

 

Rout Abfluss aus dem Gebiet (Summe aller Abflusse für Gewässerelemente mit Uli=-1)
RO Landoberflächenabfluss von natürlichen Flächen
RKT Abfluss aus der Trennkanalisation
RH hypodermischer Abfluss (PSCN)
RGS schneller Grundwasserabfluss (SlowComp)
RG Grundwasserzufluss (Input aus dem Grundwassersystem)
REX Fremdzufluss (z.B. aus Kläranlagen)
D_S Speicherinhaltsänderung über alle Speicher im Gewässerabflussmodul
Err Bilanzfehler

 

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.

 

image


06.2 Möglichkeiten der Ergebnisausgabe mit RESULTS

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

Raumbezug Code
Untersuchungsgebiet GEB
Gewässerabschnitte FGW
Regionen REG
Teileinzugsgebiete TG
Kaskadensegmente KAS
Hydrotopklassen[1] HYD
Rasterzellen RAS
Elementarflächen EFL


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

Datenarten Mögliche Auswahloptionen Zweck
PI, EP, ER, PEF, RO, GWN, RBF, ABF einzelne Elementarflächen Vergleich mit punktbezogenen Messdaten
Eigenschaftskombinationen Modelleichung
Teilzeiträume flächendeckend Prozessstudium, Visualisierung
(Auffeuchtung während Hochwasser)
QDZ, QDA
WC, QC einzelne Gewässerabschnitte Bemessung

 

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

Datenart Raumbezug der Berechnungen unterstützte räumliche Aggregierungen Zeitbezug der Berechnungen unterstützte zeitliche Aggregierungen
ER EFL, KASEG, TG, REG, GEB, HYD  KASEG, TG,REG, GEB Zeitintervall der meteorologischen Daten 1, 2, 3, 6, 12 Stunden, 1 Tag, 1 Monat, 1 Jahr
PEF
RO
GWN
RBF keine keine
ABF
WC FGW abhängig von Prozessdynamik 1, 2, 3, 6, 12 Stunden, 1 Tag, 1 Monat, 1 Jahr
QGA
QGZ
QC
QDZ
QDZ KASEG
QDA


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

Datengruppe Datenart/Schlüsselwort Einheit Symbol [2]
Meteorologie korrigierter Niederschlag mm/DT PI
potentielle Verdunstung (gegeben) mm/DT EPM
Wasserhaushalt potentielle Verdunstung (berechnet) mm/DT EP
reale (aktuelle) Verdunstung mm/DT ER
Landoberflächenabfluss mm/DT RO
Direktabflüsse RD-Inhalt mm RDI
Direktabfluss (aus Kaskade) mm/DT RDA
Direktzufluss (Oberliegerzufluss) mm/DT RDZ
Grundwasser Speicherinhalt mm GS_
Speicher_Output mm/DT GO_
Gesamtabfluss
(Gewässersystem)
Gesamtabfluss (kumulativ) m3/s QC
Wasserstand m wc
Direktzufluss m3/s QD
Bauwerke (Speicher)(GWP) WASSERSTAND m wp
SPEICHERINHALT m3 s

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&lt;RB&gt;.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

Schlüsselwort Symbol [3] Einheit Erläuterung/Beschreibung
KOR_NIEDERSCHLAG PI mm/DT korrigierter Niederschlag
POT_VERDUNSTUNG EPM mm/DT potentielle Verdunstung (gegeben)
LUFTTEMPERATUR LT °C Lufttemperatur
rel_SONNENSCHEINDAUER N_rel / Relative Sonnenscheindauer
GLOBALSTRAHLUNG GLO mm/DT Globalstrahlung (als Wasseräquivalent)
rel_LUFTFEUCHTE relF / Relative Luftfeuchte
DAMPFDRUCK E hPa Dampfdruck
WINDGESCHWINDIGKEIT U m/s Windgeschwindigkeit

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

Schlüsselwort Symbol Einheit Erläuterung/Beschreibung
ATMOSPHAERISCHE_ DEPOSITION _N atmo_N g/( m2 * DT )
ATMOSPHAERISCHE_ DEPOSITION _P atmo_P g/( m2 * DT )


6.2.7.2 Ergebnisgrößen im Block WASSERHAUSHALT

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

Schlüsselwort Symbol Einheit Erläuterung/Beschreibung
Niederschlagsdargebot ND mm/DT
POT_VERDUNSTUNG EP mm/DT
REL_VERDUNSTUNG ER mm/DT
SICKERWASSER SIC Mm/DT Versickerung aus der wechselfeuchten Bodenzone
GRUNDWASSERNEUBILDUNG GWN mm/DT
EFFEKTIVNIEDERSCHLAG PEF mm/DT
LANDOBERFLAECHENABFLUSS RO mm/DT
MISCHKANALISATIONSABFLUSS MKR mm/DT
TRENNKANALISATIONSABFLUSS TKR mm/DT
ZulaufVersickerungsmulde zuV mm/DT
HYPODERMISCHERABFLUSS RH mm/DT
Drainabfluss RDrain mm/DT
SchnellerGrundwasserAbfluss RG1 mm/DT
KAPILLARWASSERAUSTAUSCH AU / Perkolationsrate, bezogen auf die Kapillarwasserspeicherkapazität
BODENFEUCHTE BF mm/DT
SCHMELZWASSERABGABE SWA mm/DT
SCHNEEMENGE SM mm
SCHNEEHOEHE SH mm
MULDENSPEICHERINHALT Mulde mm
GRUNDWASSERFLURABSTAND gwa mm

 

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

Schlüsselwort Symbol Einheit Erläuterung/Beschreibung
N_Ausgasung cover
Ro_N ro_N g N/m² Stickstoffabtrag mit Oberflächenabfluss
Ro_P ro_P g P/m² Phosphorabtrag mit Oberflächenabfluss
Rh_N rh_N g N/m² Stickstoffauswaschung mit Interflow
Rh_P rh_P g P/m² Phosphorauswaschung mit Interflow
RDrain_N
RDrain_P
Rg_N rg_N g N/m² Stickstoffauswaschung ins Grundwasser
Rg_P rg_P g P/m² Phosphorauswaschung ins Grundwasser


6.2.7.3 Ergebnisgrößen für den Block DIREKTABFLUSS

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

Schlüsselwort Symbol Einheit Beschreibung
RD_INHALT rdi mm/DT
RD_ZUFLUSS rdz mm/DT Direktzufluss (Oberliegerzufluss)
RD_ABFLUSS rda mm/DT Direktabfluss (aus Kaskade)
RD_MISCHKANALISATIONSABFLUSS rdmk mm/DT
RD_TRENNKANALISATIONSABFLUSS rstk mm/DT
RD_Hypodermischer_ABFLUSS rdhy mm/DT

 

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

Schlüsselwort Symbol Einheit Beschreibung
RD_Inhalt_N_RO rd_INro g/m²*DTs N im Oberflächenabfluss im Gebiet
RD_Inhalt_N_RH rd_INrh g/m²*DTs N im Zwischenabfluss im Gebiet
RD_Inhalt_N_RDrain rd_INdr g/m²*DTs N aus Drain im Gebiet
RD_Inhalt_N_Ero rd_INero g/m²*DTs N aus Erosion im Gebiet
RD_Abfluss_N_RO rd_QNro g/m²*DTs N im Oberflächenabfluss im Abfluss
RD_Abfluss_N_RH rd_QNrh g/m²*DTs N im Zwischenabfluss im Abfluss
RD_Abfluss_N_RDrain rd_QNdr g/m²*DTs N aus Drain im Abfluss
RD_Abfluss_N_Ero rd_QNero g/m²*DTs N aus Erosion im Abfluss
RD_Inhalt_P_RO rd_IPro g/m²*DTs P im Oberflächenabfluss im Gebiet
RD_Inhalt_P_RH rd_IPrh g/m²*DTs P im Zwischenabfluss im Gebiet
RD_Inhalt_P_RDrain rd_IPdr g/m²*DTs P aus Drain im Gebiet
RD_Inhalt_P_Ero rd_IPero g/m²*DTs P aus Erosion im Gebiet
RD_Abfluss_P_RO rd_QPro g/m²*DTs P im Oberflächenabfluss im Abfluss
RD_Abfluss_P_RH rd_QPrh g/m²*DTs P im Zwischenabfluss im Abfluss
RD_Abfluss_P_RDrain rd_QPdr g/m²*DTs P aus Drain im Abfluss
RD_Abfluss_P_Ero rd_QPero g/m²*DTs P aus Erosion im Abfluss


6.2.7.4 Ergebnisgrößen für den Block GRUNDWASSER

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

Schlüsselwort Symbol Einheit Erläuterung/Beschreibung
SPEICHER_INHALT gs_ mm
SPEICHER_INPUT gi_ mm/DT
SPEICHER_OUTPUT go_ mm/Dt
HYPODERMISCHER_OUTPUT zw
GRUNDWASSERSTAND GWH

 

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

Schlüsselwort Symbol Einheit Erläuterung/Beschreibung
SPEICHER_INHALT_N Gw_iN g/m2 Stoffinhalt im Grundwasser
GW_KONZ_N Gw_cN g/m3 Stoffkonzentration in Grundwasser
SPEICHER_INHALT_P Gw_iP g/m2 Stoffinhalt im Grundwasser
GW_KONZ_P Gw_cP g/m3 Stoffkonzentration in Grundwasser
SPEICHER_INHALT_Cl Gw_iCl g/m2 Stoffinhalt im Grundwasser
GW_KONZ_Cl Gw_cCl g/m3 Stoffkonzentration in Grundwasser


6.2.7.5 Ergebnisgrößen für den Block GEWÄSSERABFLÜSSE

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

Schlüsselwort Symbol Einheit Erläuterung/Beschreibung
GESAMTABFLUSS qc m3/s
OBERLIEGERZUFLUSS qzu m3/s
DIREKTZUFLUSS qd m3/s Landoberflächenabfluss
HYPODERMISCHERZUFLUSS_RD qint m3/s aus ABI_MOD, d.h. PSCN
HYPODERMISCHERZUFLUSS_GW qh m3/s EGMO_GW 2. Schicht oder von SlowComp im TG-Modus
GRUNDWASSERZUFLUSS qg m3/s
EIGENGEBIETZUFLUSS qei m3/s
Q_Inhalt_H2O qvol m3 Abflussvolumen
WASSERSTAND ws m
Q_Verzweigungsfluss qz m3/s
Q_UnterliegerRueckfluss qrueck m3/s
Q_Externzufluss qex m3/s
Q_Wassertiefe wtiefe m
Q_ MISCHKANALISATIONSABFLUSS qmk m3/s
Q_TRENNKANALISATIONSABFLUSS qtk m3/s
Q_DRAINAGEZUFLUSS qdr m3/s
SCHNELLERGRUNDWASSERZUFLUSS qgws m3/s Von SlowComp (im EFL-Modus)
LEAKAGEVERLUSTE qleak m3/s
WASSERSTANDSAENDERUNG dws m
WASSERSPIEGELBREITE br m


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

Schlüsselwort Symbol Einheit Erläuterung/Beschreibung
Q_RD_Chlorideintrag qrd_cl g/s Eintrag in gelöster Form mit dem Oberflächenabfluss
Q_RD_Phosphoreintrag qrd_p g/s
Q_RD_Stickstoffeintrag qrd_n g/s
Q_GW_Chlorideintrag qgw_cl g/s Eintrag mit dem Grundwasser
Q_GW_Phosphoreintrag qgw_p g/s
Q_GW_Stickstoffeintrag qgw_n g/s
Q_Hyp_Chlorideintrag qqhy_cl g/s Eintrag mit HYPODERMISCHERZUFLUSS_GW
Q_Hyp_Phosphoreintrag qqhy_p g/s
Q_Hyp_Stickstoffeintrag qqhy_n g/s
Q_Externzufluss_Cl qex_cl Eintrag über externe Quellen, z.B. Kläranlagen
Q_Externzufluss_P qex_p
Q_Externzufluss_N qex_n
Q_KlaerwerksZufluss_P qklz_p Sim. Klärwerkseintrag (z.B. in URBAN)
Q_KlaerwerksZufluss_N qklz_n
Q_ErosionPartikulaer_Cl qpart_cl
Q_ErosionPartikulaer_P qpart_p
Q_ErosionPartikulaer_N qpart_n
Schmutzfrachteinträge aus der Trennkanalisation
Q_Trennkanalisationsabfluss_P qtk_P
Q_Trennkanalisationsabfluss_N qtk_N
Schmutzfrachteinträge aus der Mischkanalisation (noch nicht implementiert)
Q_Mischkanalisationsabfluss_P qmk_P
Q_Mischkanalisationsabfluss_N qmk_N
Q_DRAIN_P qrdrain_p g/s P-Eintrag aus Drainagen
Q_DRAIN_N qrdrain_n g/s N-Eintrag aus Drainagen
Q_RH_P qrh_p g/s Eintrag HYPODERMISCHERZUFLUSS_RD
Q_RH_N qrh_n g/s
Q_Eigengebietszufluss_N qei_N g/s Summe aller seitlichen Zuflüsse
Q_Eigengebietszufluss_P qei_P g/s
Q_Eigengebietszufluss_Cl qei_Cl g/s
Q_Abbau_Cl Qabb_cl g/s
Q_Abbau_P Qqabb_p g/s
Q_Abbau_N Qqabb_n g/s
Q_Konzentration_Cl qconz_cl g/m3 Konzentration
Q_Konzentration_P qconz_p
Q_Konzentration_N qconz_n
Q_Abfluss_Cl qq_cl g/s Abgabe (Fracht) aus dem Gewässerabschnitt
Q_Abfluss_P qq_p g/s
Q_Abfluss_N qq_n g/s


6.2.7.6 Ergebnisgrößen für den Block GEWAESSERPUNKTE

Tabelle 6.2‑15: Ergebnisdatenarten MENGE in der results.ste

Schlüsselwort Symbol Einheit Erläuterung/Beschreibung
WASSERSTAND wp m Aktueller Wasserstand
SPEICHERINHALT s m3 Aktuelle Speicherfüllung
Abfluss qc m3/s
Überleitung uel m3/s
SollWasserstand sw m aktuell anzusteuernder Wasserstand
Verdunstung wep mm aktuelle Gewässerverdunstung
Mindestabgabe ql m3/s aktuell notwendige Mindestabgabe
DefMindestabgabe qld m3/s Defizit zur aktuell notwendigen Mindestabgabe
Nutzerbedarf_UL qnu m3/s aktuelle Nutzeranforderungen Unterlieger
DefNutzerbedarf_UL qnur m3/s Defizit zur aktuellen Nutzeranforderung UL
Nutzerbedarf_TS qnd m3/s aktuelle Nutzeranforderungen direkt aus TS
Nutzerabgabe_TS qndr m3/s aktuell realisierte Nutzerabgabe direkt aus TS
DefizitTage_TSSqndr xxx
Zufluss qzu m3/s

 

Tabelle 6.2‑16: Ergebnisdatenarten STOFF in der results-s.ste

Schlüsselwort Symbol Einheit Erläuterung/Beschreibung
Gwp_Inhalt_N s_n g Inhalt N im Gewässerpunkt
Gwp_Fracht_N fracht_n g/s Abgabe N aus dem Gewässerpunkt
Gwp_Konz_N conz_n g/m3 Konzentration N im Gewässerpunkt
Gwp_Abbau_N abbau_n g Abbau von N im Gewässerpunkt
Gwp_Inhalt_P s_p g Inhalt P im Gewässerpunkt
Gwp_Fracht_P fracht_p g/s Abgabe P aus dem Gewässerpunkt
Gwp_Konz_P conz_p g/m3 Konzentration P im Gewässerpunkt
Gwp_Abbau_P abbau_p g/s Abbau von P im Gewässerpunkt
Gwp_Inhalt_Cl s_cl g Inhalt Cl im Gewässerpunkt
Gwp_Fracht_Cl fracht_cl g/s Abgabe Cl aus dem Gewässerpunkt
Gwp_Konz_Cl conz_cl g/m3 Konzentration Cl im Gewässerpunkt
Gwp_Abbau_Cl abbau_cl g/s Abbau von Cl im Gewässerpunkt

[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.


07. Modellebenen

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


07.1 Modellstrukturen und Raumdiskretisierungen

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

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

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

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


Tabelle 7.1‑1: Übersicht über die einzelnen Modellebenen

Ebene Raumauflösung interne Untergliederung Prozessbeschreibung

METEOR

EFL, KAS, TG oder GEB

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

ABI

EFL

Speicheransätze für homogene Standorte

KAS, TG oder GEB

Hydrotopklassen

Speicheransätze mit Flächenverteilungsfunktionen

RD

KAS

kinematische Welle

TG oder GEB

Abflusskomponenten nach Hydrotopen

Speicherkaskaden

GW

TG

Abflusskomponenten nach Teileinzugsgebieten

Einzellinearspeicher

GEB

Abflusskomponenten nach Hydrotopen

Q

FGW, TG, GEB

kinematische Welle oder Speicherkaskaden

TG oder GEB

Systemantwortfunktionen

 

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

 

image

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.
image

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


07.2 Datenflüsse

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

Name der Funktion Bedeutung
Met_KorNiederschlag Ergebnis MET, Input für ABI
Met_PotVerdunstung Ergebnis MET, Input für ABI
Met_KlimaWasserbilanz Ergebnis MET
Met_Lufttemperatur Ergebnis MET
Met_Globalstrahlung Ergebnis MET
Met_RelSonnenscheindauer Ergebnis MET
Met_Dampfdruck Ergebnis MET
Met_Schmelzwasserabgabe Ergebnis MET
Met_Windstaerke Ergebnis MET
Met_SchneespeicherFest Ergebnis MET
Met_SchneespeicherFluessig Ergebnis MET
Met_Bodenwaerme Ergebnis MET
Abi_Effektivniederschlag Ergebnis ABI
Abi_Grundwasserneubildung Ergebnis ABI, Input GW
Abi_HypodermischerAbfluss Ergebnis ABI
Abi_Landoberflaechenabfluss Ergebnis ABI, Input RD
Abi_RealeVerdunstung Ergebnis ABI
Abi_BodenfeuchteAbs Ergebnis ABI
Abi_BodenfeuchteDef Ergebnis ABI
Abi_Interzeptionsfuellung Systemgröße ABI
Abi_KapillarwasserAustausch Ergebnis ABI
Abi_Muldenspeicherfuellung Systemgröße ABI, Input für RD
Abi_Bodenspeicherfuellung Systemgröße ABI
Rd_Abfluss Ergebnis RD, Input Q
Rd_Inhalt Ergebnis RD, Input für ABI
Rd_Oberliegerzufluss Ergebnis RD
Els_Input Systemgröße GW
Gw_Output Systemgröße GW, Input für Q
Q_Abfluss Ergebnis Q
Q_Direktzufluss Ergebnis Q, Input für RD
Q_Eigengebietszufluss Ergebnis Q
Q_Externzufluss Ergebnis Q
Q_Grundwasserzufluss Ergebnis Q, Input für GW
Q_Inhalt Ergebnis Q
Q_Input Ergebnis Q
Q_Oberliegerzufluss Ergebnis Q
Q_VorlandInhalt Ergebnis Q
Q_Wasserstand Ergebnis Q

07.3 Modellebene Meteorologie – MET

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.

07.4 Modellebene Abflussbildung – ABI

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.

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  • 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.

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  • 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 --&gt; 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 */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

 

TG-EFL-AREA.txt

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

 

Es wird empfohlen die TG ohne EFL mit einem Verhältnis = 0 zu entfernen, denn die Teileinzugsgebiete würden keine Ergebnisse, bzw. 0-Werte enthalten.

Beim Rechnen mit gekoppelten Grundwassermodellen muss darauf geachtet werde, dass nur die TG-Fläche auf die EFL-Fläche abgeglichen werden darf, da es sonst zu Bilanzproblemen führt.

 

 


07.5 Modellebene Direktabflusskonzentration – RD

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 */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

 

Sofern für das RD-Modell als Raumauflösung TG gewählt wurde, wird außerdem eine räumlich differenzierte Vorgabe des Übertrittanteils unterstützt, indem im TG-Cover dazu ein Attribut vorgegeben werden kann.

 

UEBERTRITTSANTEIL_MIKROGERINNE AntMik /* Anteil des Direktabflusses, der das */
                                      /* Mikrogerinne erreicht und nicht mehr zur */
                                      /* Wiederversickerung  angeboten wird */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

 

Zuordnung des hypodermischen Abflusses

Der hypodermische Abfluss, der auf eine Fläche bei entsprechenden Bodeneigenschaften und ausreichendem Gefälle gebildet wird, erreicht nach dem bisherigen Modellkonzept unverzögert und in voller Höhe den nächsten Vorfluter (schnelle Komponente in SLOWCOMP) bzw. den letzten Gewässerabschnitt des Einzugsgebietes (RH aus dem BWHM), in dem die Bildungsfläche liegt.

Dieses Konzept stößt spätestens in abflusslosen Binneneinzugebieten (TG ohne entwässernden FGW) an seine Grenzen, ist aber auch normalen Einzugsgebieten problematisch, weil in der Realität Fenster in den schlecht durchlässiger Schichten zu einer Versickerung ins Grundwasser, ein Auslaufen dieser Schichten am Hangfuß diesen hypodermischen Abfluss wieder zu einem Oberflächenabfluss mit der Möglichkeit zur erneuten Infiltration werden lässt.

Eine physikalisch belastbare Lösung dieser Problematik ist nur möglich, wenn der hypodermische Abfluss auf seinem Weg zum Vorfluter modelliert wird, was eine Berücksichtigung der Nachbarschaftsbeziehungen der Modellierungseinheiten (meist EFL) erfordert, die in ArcEGMO derzeit nicht unterstützt wird.

Folgende pragmatische Lösung wurde geschaffen:

Für die Raumelemente, die für die Modellierung des Direktabflusses genutzt werden (meist TGs oder KASKADENSEGMENTE), kann in der modul.ste über den  Eintrag  RH_GW Zuordnung der Anteil von RH angegeben werden, der ins Grundwasser versickern soll.

Eintrag in der modul.ste

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}                          */

 

Dieser globale Parameter kann räumlich differenziert untersetzt werden, wenn dem Cover, das für die RD-Modellierung genutzt, ein Attribut zugewiesen wird, das diesen Anteil für jedes Raumelement (hier TG) beinhaltet.

Fehlt die Angabe dieses Anteils, wird der default-Wert von Null verwendet.

Eintrag in tg.sdf

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         */

 

In abflusslosen Gebieten wird für den (verbleibende) RH (sofern RH2GW < 1.) angenommen, dass er wieder oberflächlich austritt. Gemeinsam mit RO wird dieser RH-Anteil dem Muldenspeicher zugewiesen und über diesen erneut zur Versickerung angeboten.

Problematisch hierbei ist, dass dieses Wasser mehrfach, d.h. in mehreren Zeitschritten bilanziert wird, so dass hier die programminterne Erstellung der Gebietswasserbilanz nicht funktioniert.

 

Einschränkungen bei der Anwendung:

Nur für TG als Raumgliederung für Modellebene RD (lässt sich aber leicht auch auf KASKADEN übertragen)

 


07.6 Modellebene Basisabflusskonzentration – GW

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.

07.7 Modellebene Gesamtabfluss – Q

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.

 

###############################################################################
Q_MODELL
ZEITSCHRITTWEITE       1440.   /* in Minuten */
###############################################################################

Abbildung 7.7‑1: Steuerdatei MODUL.STE – Block Q_MODELL


08.1 Eingangsbemerkungen

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.


08.2 Struktur der Modulbibliothek

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.

 

image

Abbildung 8.2‑1: Verzeichnisstruktur der Modulbibliothek

 

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08.4 Routinen zur Modulsteuerung

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

Name der Funktion Übergabewerte Bedeutung
FdModul (void) FILE-Pointer auf die Datei MODUL.STE
FdPara (int rb, char* access, char* fname) FILE-Pointer auf eine Parameterdatei <RB><fname> im para-Verzeichnis der akt. Berechnungsvariante, access <wt|rt>, rb <EFL|KAS|TG|GEB|REG|FGW>
ZModulSteuerInfo (modulname, key, zeile) gibt komplette Zeile aus dem über modulname definierten Block zur eigenen Weiterverwendung
ModulAnswer (modulname, key) Wertet Ja/Nein-Anworten in der Modulsteuerdatei aus
IModulSteuerInfo (modulname, key, val, default) Gibt INT-Wert aus Steuerdatei zurück, Blockdefinition über Modulname,
Zeilendefinition über key
DModulSteuerInfo (modulname, key, val, default) Gibt Double-Wert aus Steuerdatei zurück, Blockdefinition über Modulname,
Zeilendefinition über key
CmodulSteuerInfo (modulname, key, val, default) Gibt Zeichenkette aus Steuerdatei zurück, Blockdefinition über Modulname,
Zeilendefinition über key
ModulTestDruck (modulname) Rueckgabe 1, wenn Testdruck aktiviert wurde, d.h. Zeichenkette „Testdruck“ in der MODUL.STE gefunden wurde

 

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.

DModulSteuerInfo(„q_els“,“RUECKGANGSFAKTOR“,&kfak, 0.1);

Abbildung 8.4‑2: Auszug aus der Programmdatei Q_ELS.C


08.5 Datenhandling auf Modulebene

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

Name der Funktion Übergabewerte Bedeutung
double * Alloc_Double (double**,int n,char *cf) allokiert DoubleFeld der Dimension n, bei Fehler wird die Zeichenkette cf als Mitteilung ausgegeben
int * Alloc_Int (int**,int n,char *cf) allokiert IntegerFeld i_array der Dimension n, bei Fehler wird die Zeichenkette cf als Mitteilung ausgegeben
Char * xsprints (char* buffer, char *format, …) analog fprintf, allerdings Ausgabe nicht auf File, sondern auf Zeichenkette buffer
int TB_OpenTable (char *db_typ, char *ws, char *fn, char *id_name, DB_Tab **tab) Öffnet die Tabelle fn (=Dateiname) vom Typ db_typ („ASCII“) im Verzeichnis ws, liest die Schlüsselspalte (über id_name gekennzeichnet ein und liefert die Tabellenstruktur *tab zurück, Rückgabewert = anz_rec (Anzahl der Zeilen)
int TB_OpenRelateTable (**tab, char *modname, char *tabname, char *id_name, char *err Öffnet die RelateTabelle tabname (=Dateiname) im GIS-RELATE-Verzeichnis, liest die Schlüsselspalte (über id_name gekennzeichnet ein und liefert die Tabellenstruktur *tab zurück, Rückgabewert = anz_rec (Anzahl der Zeilen), modname gibt den Modulnamen bzw. den Block an, unter dem die Einträge in der modul.ste stehen, err ist eine Zeichenkette, über die eine Fehlerbeschreibung definiert werden kann
int TB_TableAnzRec (DB_Tab *tab) gibt die Anzahl der Zeilen bzw. der Datenrecords der Tabelle zurück
void TB_BindIAttribut (DB_Tab *tab, char *attributname, int **values) allokiert das Feld values und liest die Werte des Attributs attributname aus der Tabelle tab
int TB_GetIAttribut4Id (DB_Tab *tab, int id, int *values) liefert aus dem Feld values den der ID id zugeordneten Wert zurück
Int TB_ReadAttribut (DB_Tab *tab, char *modname, char *attributname, double **values, char *err) allokiert das Feld values und liest die Werte des Attributs attributname aus der Tabelle tab, modname gibt den Modulnamen bzw. den Block an, unter dem die Einträge in der modul.ste stehen, err ist eine Zeichenkette, über die eine Fehlerbeschreibung definiert werden kann
void TB_BindDAttributdouble TB_GetDAttribut4Id analog TB_BindIAttribut und TB_GetIAttribut4Id für Double
void TB_CloseTable (DB_Tab *tab) schließt die Datei fn
void TB_Close (DB_Tab *tab) schließt die Datei fn und gibt die Struktur tab frei


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

Name der Funktion Übergabewerte Bedeutung
ZRel_tab * ReadZRelTab () Liest Zeitreihentabellen ein
void GetZRelTab (ZRel_tab *ht) Speichert die Werte der Zeitreihendateien gemäß des Simulationszeitpunktes auf die dafür vorgesehen Speicherplätze
void FreeZRelTab (ZRel_tab *ht) Gibt den in ReadZRelTab allokierten Speicherplatz wieder frei

 

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.


08.6 Module in der Standardbibliothek

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

Ebene bzw. Verzeichnis Modul Raumauflösung Prozessbeschreibung
ABI SiWaE EFL Speicheransätze für homogene Standorte
EGMO KAS, TG, REG oder GEB Speicheransätze mit Flächenverteilungsfunktionen für Hydrotopklassen
RD KinWave kinematische Welle
RD_SIMP gebildeter Abfluss = abgeflossener Abfluss
GW EGMO_GW Einzellinearspeicher nach Abflusskomponenten
Q  Q_ELS  Speicherkaskaden
FGW, TG, REG oder GEB


10. Abkürzungen und Symbole

WOM [mm] flächenbezogener Mittelwert der Interzep­tions­spei­cher­kapazität
WMM [mm] Kapazität des Muldenspeichers
KFH [mm/h] standortbezogene gesättigten hydraulischen Leitfähig­keit der obe­ren Bo­den­schicht
GLX, GLN [mm/h] Maximum und Minimum der Flächenverteilungs­funk­tion der gesät­tigten hydrauli­schen Leitfähig­keit der oberen Boden­schicht
HSM [mm] Boden­kapil­lar­wasser­spei­cher­ka­pa­zi­tät eines qua­si-ho­mogenen Standortes
HSX, HSC [mm] Maximum und Minimum der Flächenverteilungs­funk­tion aller stand­ortbezogenen Boden­kapil­lar­wasser­spei­cher­ka­pa­zi­täten
WSX [mm] Generalisierter Maximalwert der Boden­kapil­lar­wasser­spei­cher­ka­pa­zi­tät
WSC [mm] Grenzwert des Bodenkapillarwassergehal­tes, bei des­sen Unter­schrei­tung alles ein­gesickerte Was­ser als Kapillar­wasser ge­bunden wird.
WSG [mm] Grenzwert des Bodenkapillarwassergehal­tes, bei des­sen Über­schrei­tung WS ent­spre­chend der vollen Ver­dun­stungsanfor­de­rung EP aus­ge­schöpft wird.
SMM [mm] Speicherkapazität des Porenraumes zwischen Feldkapazität und Gesamtporenvolu­men auf grundwassernahen Standorten
EP [mm/DT] potentielle Verdunstung
ER [mm/DT] reale Verdunstung
PI [mm/DT] Niederschlagsdargebot als korrigierter (z.B. Wind­feh­ler) und flä­chenbezogener flüs­siger Nieder­schlag bzw. Schneeschmelze
PO [mm/DT] Wasserangebot an der Bodenoberfläche (nach Passage des In­terzeptionsspeichers)
PB [mm/DT] um eventuelle Effektivniederschläge geminderter, bo­denwirk­samer Input
PSO [mm/DT] Sickerwassermenge bzw. Grundwasserneubil­dung
RO [mm/DT] Landoberflächenabfluss durch Effek­tiv­nieder­schlags­bildung in­folge Infil­trations­überschuss
RJ [mm/DT] RO und Abfluss von versiegelten Flä­chen

B.1 Integration ins GIS-Datenmodell

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.

image

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.

 

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
###### 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
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
###### 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] */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
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] */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

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.


B.2 Übersicht über die verfügbaren Module

Derzeit sind die in Tabelle B.2‑1 angegebenen Teilmodelle in ArcEGMO integriert.

Tabelle B.2‑1: Module zur Beschreibung der Abflusstransformation

MOD_TYP Ken1 Ken2 Ken3 Kennlinien Name
0 keine Transformation
1 Lam Qgr Grünes Becken
11 Qgr HAV + WQB Grünes Becken WQ mit Qgr
31 HAV + WQB GrünesBecken WQ ohne Qgr
39 HAV + WQB Grünes Becken – sehr kleine Teiche
32 Q_neben Qmax Grünes Becken Nebenschluss
33  Q_neben (Grenzvolumen) Qgrenz Gesteuerter Polder Nebenschluss
2 Dh Qmin HAV SeeRetention ungesteuert
3 Dh Qmin WQB SeeRetention gesteuert
12 Dh HAV + WBQ SeeRetention ungesteuert WQ
40 HAV + WBQ SeeRetention ungesteuert WQ_2U (2 Ausläufe)
10 Grenzvolumen Qmin SeeRetention_ELS
37 SeeRetention_ELS_Leak
34 Grenzvolumen Qmin WQB SeeRetention_ELS_HAV
4 Wh Wb My WQB Wehr
6 * W_Q_Beziehung
7 WQB Q_Aufteilung_fQ
8 Q_Aufteilung_fW
9 Wh Wb My WQB Q_Aufteilung_Streichwehr
14 Wh GWP_Stau
13/18 Hüber Qmax Talsperre
16 q_max
_abzweig
q_min
_hauptstrang
q_max
_hauptstrang
Talsperrenzufluss
15 Q-Salzstapelbecken
17 Kontrollpegel
19 Nachführung
29 Nachführung Vorhersage
22 Qgr Regenüberlauf
23 Lam Qgr Regenüberlaufbecken
27 Qmin Qmax GrenzwertKontrolle
35  HAV Speichermodell_VQ
36  Vn Bewässerungsteich
38 Rückgangs-
konstante
Abfluss-
verlust
Exponent Verklausung und
Dammbruch

* 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

GWP_ID HOEHE W_START k1 k2 k3 MODUL_TYP X_COORD Y_COORD
1 50.75 0.002 1.25 1 0.7 4 4599519 5835875
2 47.6 1.4 1.4 1 0.003 9 4599142 5833434
3 49.5 1.9 1.9 0.1 0 12 4599054 5834460
4 47.25 1.3 1.5 0.002 0 2 4599000 5833000
5 49.4 0.3 0.3 0.002 0 7 4598650 5835681
6 0 0 0 0 0 19 4599643 5838077

B.3 Beispiel Salziger See

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. image

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
 image

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

 


00. EGMO

01. Einführung und Anwendungsbereich
02. Beschriebene Prozesse
03. Programmtechnische Umsetzung
04. Abkürzungen und Symbole
05. Weiterführende Literatur


01. Einführung und Anwendungsbereich

Ein wichtiges Grundprinzip von ArcEGMO ist der modulare Aufbau, der die Möglichkeit bietet, unterschiedlich detaillierte Modelle für die zu modellierenden Teilprozesse gemäß Abbildung 4-1 umzusetzen. In der vorliegenden Grundversion dieser Dokumentation sind zunächst die einfachsten, verfügbaren Teilmodelle, die sich bei vielen praktischen Anwendungen gut bewährt haben, beschrieben. Zum überwiegenden Teil handelt es sich um konzeptionelle Modelle (z.B. Speichermodelle, Translationsmodelle, Speicherkaskaden u.ä.), deren Parameter physikalisch begründet sind und GIS-gestützt unter Nutzung von ArcEGMO aus allgemein verfügbaren Landoberflächenkennwerten (u.ä.) bestimmt werden können. Das heißt, alle Modelle können auch in Gebieten und Landschaftseinheiten angewendet werden, für die keine hydrologischen Messreihen zur Verfügung stehen. Sind solche Messreihen vorhanden, so werden sie zur Validierung der Modelle und ggf. zur „Nacheichung“ bestimmter Parameter verwendet.

Entsprechend dem Aufbau der Dokumentation als Ringbuch werden die Beschreibungen für detaillierte und komplexe Modelle schrittweise nachbereitet und integriert. Dabei können die Anforderungen von ArcEGMO Nutzern selbstverständlich berücksichtigt werden. Insbesondere können auch Modelle, die im Zusammenwirken mit diesen Nutzern in ArcEGMO integriert werden, aufgenommen werden.

Die nachfolgend beschriebenen Modellkomponenten beschreiben die Ab­flussbil­dung auf grundwasserfernen und -nahen Flächen ­unter Berücksich­ti­gung der Interzeption, der Infiltration und Mulden­speiche­rung und des Boden­was­serhaus­halts. Sie beruhen auf Ansätzen des kon­zeptionellen Modell­systems EGMO (Becker 1975, Pfützner 1989). Jede der nachfolgend beschriebenen Modellkomponenten ist mit und ohne verteilten Parame­tern anwendbar. Konkret beschrieben werden allerdings nur die Vorzugs­varianten (Interzeption und Muldenspeicherung ohne und Infiltration und Boden­wasserhaus­halt mit Berücksich­tigung der Verteilungsfunktionen).

Das Modell kann für Teil­flächen beliebiger Größe und Form (Ra­ster, Polygon u.ä.) eingesetzt werden, solange zwei Bedingungen erfüllt sind:

  1. Die Modellparameter bzw. ihre Verteilungsfunktionen müssen die flächen­internen Heterogenitäten der hydrologisch relevanten Eigenschaften angemessen repräsentieren.
  2. Innerhalb dieser Teilfläche muss von quasi homogenen meteorologischen Verhältnissen ausgegangen werden können, da keine weiteren ortsbezogenen Unterteilungen erfolgen.

Das bedeutet, dass adäquate Modellierungseinheiten für die Anwendung dieses Modells Elementarflächen oder Hydrotopklassen sind.

Modell­eingangs­daten sind Zeitreihen des Nieder­schlags­dargebots und der potentiellen Ver­dun­stung. Berech­net werden die reale Verdun­stung, der Effektivniederschlag, der Landoberflächenabfluss und die Grundwasserneubil­dung (bei Einhaltung bestimmter Randbedin­gungen für be­lie­bige Zeit­schritt­weiten).


02. Beschriebene Prozesse

2.1 Eingangsgrößen
2.2 Interzeption – INTZEP
2.3 Sättigungsflächenbildung – ANSAT
2.4 Abflussbildung an der Bodenoberfläche – INFILT
2.5 Bodenkapillarwasserhaushalt – BOKA
2.6 Verdunstungsreduktion auf grundwassernahen Flächen


02.1 Eingangsgrößen

Die nachfolgend beschriebenen Routinen zur Erfassung von Teilprozessen der Abflussbildung werden beginnend mit der Interzeption nacheinander abgearbeitet. Ausgangsgrößen des zeitlich vorgeschalteten Teilmodells sind wiederum Eingangsgrößen für das nachgeschaltete. Zu Beginn eines jeden Berechnungszeitschrittes werden Interzeptionsmodul vorgeschaltet die Eingangsgrößen für dieses Teilmodell ermittelt. Diese sind P = PI – EP (PI – Niederschlag, EP – pot. Verdunstung) und als Anfangsschätzung der realen Verdunstung ERI wird diese gleich der potentiellen gesetzt ERI = EP. In den nachfolgend beschriebenen Teilmodellen werden in Abhängigkeit von P Ansätzen aktiviert, die entweder das Auffüllungs- (P > 0) oder Ausschöpfungsverhalten beschreiben (P < 0). Sofern P > 0 ist, wird die Anfangsschätzung für ERI beibehalten, für P < 0 findet eine Reduktion dieser Verdunstung entsprechend den aktuellen Feuchtebedingungen statt.


02.2 Interzeption – INTZEP

Die Vegetation hält einen Teil des Nieder­schla­ges zurück. Dieser Niederschlagsan­teil kann durch die Verdun­stung wieder ausgeschöpft werden und stellt einen Anfangsverlust dar, dessen Größe durch die Art der Flächennutzung bzw. der Vegetation bestimmt wird. Wenn der Nie­der­schlag das Rück­haltevermögen bzw. die Kapazität der Inter­zep­tionsspeicherung überschreitet, kann ein Nieder­schlags­anteil PO die Bodenober­fläche erreichen.

Die hier ablaufenden hydrologischen Prozesse werden mit dem ein­fachen Ansatz „abflussloser Einzel­spei­cher mit Überlauf“ model­liert, da mit um­fangreichen Sensitivitäts­ana­ly­sen nachgewiesen wer­den konnte, dass ihre Bedeutung im hydro­lo­gischen Ge­samtregime re­lativ gering ist.

Bei der Modellierung wird zuerst die aktuelle Spei­cherfüllung

\fn_jvn W := W + P
Gl. 2-1

 

ermittelt, wobei P=PI-EP der Modellinput ist. In Auffüllungs­perio­den, also positivem P, gilt

\fn_jvn PO = MAX (0.,W-WOMx)
Gl. 2-2

 

und \fn_jvn W = MIN (W,WOMx)

mit WOMx als Interzeptionsspeicherkapazität, in Ausschöpfungsperioden

\fn_jvn PO = MIN (0.,W)
Gl. 2-3

 

und \fn_jvn W = MAX (W,0.)

PO kann also in Ausschöpfungsperioden auch negative Werte annehmen und stellt dann ein Ver­dun­stungs­defizit dar.

Wenn die Modellierung des Verdunstungsprozesses im Vordergrund steht, sind detai­lliertere Ansätze angebracht. Mögliche Fehler durch die ver­ein­fachte Modellie­rung werden aber bei weitem durch andere Fehler, z.B. durch die ungenaue Erfas­sung der flächenhaften Nieder­schlags­ver­tei­lung, überwogen.


02.3 Sättigungsflächenbildung – ANSAT

Man kann sich, wie in Abbildung 2-1 dar­ge­stellt, im Untergrund dieser Feucht­flächen AN einen Be­zugs­was­servorrat SAN und ein ent­spre­chen­des „Normal­niveau“ des Grund­was­serspiegels vor­stellen, bei des­sen Unterschreitung kein „Eigen­abfluss“ der Fläche AN ent­steht (wie er bei über dem „Nor­mal­niveau“ liegendem Grund­was­ser­spie­gel auf­tritt).

Es bietet sich an, einen „Eigenwasservorrat SAN“ für die Feuchtflä­chen AN zu de­fi­nieren, der bei Eintreten des zu­vor erklär­ten „Normalniveaus“ gleich Null ist.

Bei positiven SAN sind gesättigte Flä­chenanteile AS vorhanden und es wird unterirdischer Abfluss RN gebildet.

 

image

Abbildung 2-1: Schematische Darstellung der grundwassernahen Flächen

 

In dem zur Beschreibung dieser Zusammenhänge entwickelten, spe­ziel­len Feuchtflächenmo­dell ANSAT wird zu­nächst geprüft, welche System­be­din­gungen vorliegen. Dazu wird SAN vorübergehend um den gesamten Input PO erhöht (später wieder um den oberflächlich von Sätti­gungsflächenanteilen und durch Infiltrationsüberschuss gebil­deten Effektivniederschlag reduziert) :

\fn_jvn SAN := SAN + PO
Gl. 2-4

 

mit PO als Nie­der­schlags­angebot an der Oberfläche (in der Regel Output des Inter­zeptionsmodells).

Bei der Ermittlung der wasser­ge­sät­tigten Flä­chenanteile AS wird von folgender Überlegung aus­ge­gangen.

Analog dem oben definierten „Normalniveau“ des Grundwasser­spie­gels auf der Fläche AN, für das SAN=0 gesetzt wurde, gibt es ein denk­ba­res „Maximalniveau“ für die Füllung der Nassflä­chen SMXN, das durch Erreichen der Wassersätti­gung im gesamten Po­renraum der Flä­che AN ge­kennzeichnet ist. Die Fläche AN wirkt dann insgesamt als Sät­ti­gungsfläche (AS=AN) und erzeugt bei PO > 0 oberirdi­schen Landabfluss RO.

Geht man nun davon aus, dass die Sät­ti­gungs­fläche AS zwischen den bei­den Extremen (AS=0 für SAN < 0 und AS=AN für SAN=SMXN) linear von SAN abhängt (vgl. Abbildung 2-2), so er­gibt sich als Nähe­rung fol­gender Be­rech­nungs­an­satz für AS :

 

\fn_jvn AS = SAN/SMXN
Gl. 2-5

 

 

image

Abbildung 2-2: Sättigungsflächen auf AN

 

Auf diesen Flächenanteilen AS kann max. die Wassermenge einsic­kern, die zum gleichen Zeitpunkt unter­ir­disch wieder ausfließt und die sich er­gibt zu :

 

\fn_jvn Fpot = SAN \cdot DN = SAN \cdot DT/(CN\cdot 24.)
Gl. 2-6

 

mit CN als Einzellinearspeicherkonstante für die Fläche AN. Damit lässt sich der auf AS an­fal­lende Effektivniederschlag ermit­teln mit

 

\fn_jvn PES = MAX(0.,PO-Fpot)\cdot AS
Gl. 2-7

 

und die einsickernde Wassermenge PSOsat als Zugang zu SAN auf AS ergibt sich zu

 

\fn_jvn PSOsat = PO\cdot AS - PESN
Gl. 2-8

 

Die tatsächlichen Berechnungsformeln in ANSAT beziehen sich auf die Mitte des Be­rech­nungs­zeit­schrit­tes DT und sehen somit etwas komplizierter als die oben an­geführten aus.

 

Steuerung der Sättigungsflächenbildung im EGMO-Ansatz

Im EGMO-Ansatz wird die Sättigungsflächenbildung über einen Ansatz gesteuert, der eine aktuelle Speicherfüllung ins Verhältnis setzt zu einer max. und einer min. Sickerwasserspeicherkapazität. Die max. Speicherkapazität Smax ergibt sich aus dem Grundwasserflurabstand, bezogen auf die Differenz zwischen Gesamtporenraum und Feldkapazität, die minimale Smin zu 0. (s. Abb. 2.2 in der Dokumentation EGMO). Die Speicherkapazität auf den grundwassernahen Flächen ergibt sich somit zu

\small \fn_jvn Skap = FAK x (Smax + Smin)

In der bisherigen Modellversion war FAK = 0.5, d.h. gemäß Doku, Teil 2 – Modell EGMO Abb. 2.2. fest im ProgrammCode integriert. Um dies flexibler zu gestalten und um eine Möglichkeit zu haben, den Sättigungsabflussbildungsprozess zu kalibrieren, wurde der FAK als Eichparameter SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR in der der modul.ste im Block ABI_MODELL integriert.

 

modul.ste

#################################################################################
ABI_MODELL
WASSERHAUSHALTSMODELL      WH_ZR   /* WH_RZ, WH_ZR - wird nur ausgewertet, wenn   */
                                  /* Wasserhaushaltsmodell separat gerechnet wird*/
ZEITFAKTOR_NIEDERSCHLAG    1.0     /* fuehrt zur Reduktion des kf-Wertes          */
                                  /* bei geringer Zeitaufloesung                 */
*MET_VORGESCHICHTE         0.7    /* 0. fuer trocken bis 1.0 fuer feucht         */
VERDUNSTUNGSREDUKTION      0.9    /* 0. fuer stark   bis 1.0 fuer schwach        */
                                 /* je groesser die Reduktion, desto groesser ER*/
                                 /* je groesser die Reduktion, desto geringer GWN*/
SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR 1.0     /* wachsender Faktor bewirkt eine Reduzierung   */
                                 /* des Saettigungsflaechenabflusses (0.5 Standard)*/
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

 

Der SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR kann auch über die GIS-Datenbasis eingelesen werden. Dazu ist der tg.sdf das Steuerwort SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR angegeben werden. Wenn das Steuerwort aktiviert ist wird der globale Faktor in der modul.ste nicht eingelesen, sondern die in der tg.sdf angegebenen Werte verwendet.

 

tg.sdf

SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR   Satt_Fak

 

 


02.4 Abflussbildung an der Bodenoberfläche – INFILT

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

 

\fn_jvn PEF = MAX(0.,PO-Fpot)
Gl. 2-9

 

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

 

\fn_jvn PB = PO-PEF
Gl. 2-10

 

Dieser Prozess kann mit Infiltrationsansätzen beschrieben werden.

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

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

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

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

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

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

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

 

image

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

 

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

 

\fn_jvn Fv = A\cdot BD^{n} + Fc
Gl. 2-11

mit

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

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

 

\fn_jvn Fpot = K_{f}\cdot (EXH\cdot BD^{2}+1)
Gl. 2-12

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

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

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

 

\fn_jvn FPOT = 0.5\cdot (Fmax+Fmin) für \fn_jvn PO > Fmax
Gl. 2-13

 

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

\fn_jvn FPOT = PO für \fn_jvn PO < Fmin

 

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

 

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

Gl. 2-14

und PB als Infiltration bzw. Modelleingang für das Bodenwasser­haus­haltsmodell zu

 

\fn_jvn PB= PO - PEF
Gl. 2-15

 

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

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

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

}
}
}
Ermittlung der Bodenwärme
if(*ss3 < 0.)
*ss3 = *ss3;

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


02.5 Bodenkapillarwasserhaushalt – BOKA

Als Bodenkapillarwasser wird das Bodenwasser verstanden, das durch die Kapillarkräfte ge­gen die Schwerkraft gehalten werden kann, al­so der Feuchtegehalt bis Feldkapazität. Dieses Wasser kann nur durch Transpiration und Evaporation aus­ge­schöpft werden. Die Aus­schöp­fungstiefe bzw. die Mächtigkeit der wechsel­feuchten Bodenzone wird dementsprechend durch die „Einflusstiefe“ der Ve­ge­ta­tion (i.A. die Wurzeltiefe) und auf vegetationsfreien Stand­orten oder vegetationsfreien Perioden durch die „Einflusstiefe“ der Evapo­ra­tion, also im Wesent­lichen durch die Boden­eigenschaften (kapillare Saugspannung) be­stimmt. Damit kann der Wasser­gehalt eines ungesättigten Standortes zwi­schen Feldkapazität FK und permanentem Welkepunkt PWP bzw. im Be­reich des pflanzenverfügbaren Wassers (FK-PWP) schwanken. Die Spei­cherkapazität der wechselfeuchten Bodenzone HS ergibt sich da­mit zu (FK-PWP), bezogen auf die Mächtigkeit der verdunstungsbe­ein­flussten Bodenschicht (i.A. die Wurzeltiefe).

Innerhalb eines hydrologischen Modells besitzt die Modellierung des Bodenkapillar­wasser­haushaltes dieser wechselfeuchten Bodenzone entscheidende Bedeu­tung, weil hier wich­tige Abflussbildungs­pro­zes­se wie die Infiltration über die Feuchte und die Sicker­was­ser­bil­dung gesteuert werden.

Eingangsgröße für die Modellierung des Bodenkapillar­wasser­haus­hal­tes ist der infiltrierende Niederschlagsanteil PB.

Da die flächenhaf­ten Unterschiede der Bodenspeicherkapazitäten meist erheblich sind, soll­ten sie berücksichtigt werden, selbst bei der Betrachtung relativ kleiner, „homogen“ erschei­nender Teil­flä­chen. Dies lässt sich wie folgt begrün­den :

Im Boden sind allgemein bevorzugte Sickerwege vorhanden (Makropo­ren), längs derer ein­sickernde Niederschläge schneller in tie­fere Boden­schichten gelangen können als bei völlig homoge­nen Boden­ver­hält­nissen. Sobald das Bodenkapillar­wasserdefizit in der Umgebung dieser Sic­kerwege aufgefüllt ist (sobald also der Bodenkapillar­was­ser­vorrat des gesamten Bodenpro­fils WSA größer ist als ein vor­ge­gebener unterer Grenzwert HSMmin – der deutlich unter der mitt­le­ren Kapillarwasser­speicherkapazität der be­trachteten Flächenein­heit liegen kann – kann be­reits Sickerwas­ser PSO im Boden anfal­len.

Die anfal­lende Sickerwassermenge PSO wird mit zu­nehmenden WSA kontinu­ierlich größer und sie kann (bei Annähe­rung von WSA an den teilflä­chenbezogenen Maximalwert HSMmax, vergl. Abbildung 2-4) die Größe des Gesamtwasser­angebotes PB errei­chen.

An dieser Stelle ist es notwendig, den Unter­schied zwischen der auf einen Einzelstandort (ein Bodenprofil) bezo­genen Speicherka­pa­zi­tät des Bodens für Kapillarwasser HSM (als profilbezo­gene Spei­cher­höhe) und dem ent­spre­chenden, auf eine größere Fläche bezoge­nen Speicher­vorrat (-volumen) zu be­trachten. Beide haben formal nur dann die gleiche Di­mension (mm), wenn die Bezugsfläche gleich 1 ge­setzt wird und alle Teilflächen in Bruchteilen von 1 und damit ebenfalls di­mensionslos angegeben werden. Der zuvor er­läuterte Unter­schied muss unbedingt beachtet werden bei der Er­mitt­lung dieser Modellpa­rameter aus Standortkennwerten.

Nachfolgend wird die speicher­vo­lu­men­be­zo­ge­ne Betrachtung zugrun­de ge­legt (WSA usw.). Hierbei er­gibt sich der Flächen­an­teil x von AF, auf dem noch freier Spei­cher­raum für Bodenka­pil­lar­wasser vor­handen ist, aus dem aktuellen Boden­ka­pil­larwasser­vor­rat WSA der Fläche AF an Hand der ge­ne­ra­li­sier­ten HSM-Linie in Abbildung 2-4 (jeweils als rechts von dieser Linie lie­gen­der Flächen­an­teil). Auf diesem An­teil trägt die ge­samte Infiltration PB zur Auf­füllung des Boden­ka­pil­lar­wasser­vorrats bei, während sich auf dem restlichen Anteil (1-x) Sicker­wasser bildet.

 

image

Abbildung 2-4: Reale und ver­all­ge­meiner­te Ver­teilung der Boden­kapil­lar­was­ser­speicher­kapazität

 

Solange WSA kleiner ist als WSC, wird die Infiltration auf der ge­samten Fläche zu Bo­den­kapillarwasserrückhalt, d.h. sie trägt insgesamt zur Erhöhung der Bodenkapillarwasser­spei­cher­men­ge WSA bei. Die mo­mentane Auf­füllungs­intensität von WSA ist dann gleich der aktuellen Infiltrations­rate PB/DT (Flä­chen­mittelwert der Infiltra­tionsrate, bezogen auf das Zeit­in­ter­vall DT) :

 

\fn_jvn dWSA/dt= (PB/DT)
Gl. 2-16

 

Es sei erwähnt, dass sich diese Gleichung aus dWSA/dt = X * (PB/DT) Gl. 2-18 mit x=AFP/AF=1 ergibt. Durch Integration über DT erhält man den Ge­samt­feuchtezuwachs DWSA=WSA-WSA1 (mit WSA1 als Speicherfüllung zu Beginn von DT) :

 

\fn_jvn DWSA= PB
Gl. 2-17

 

Ist WSA größer als WSC, so ist dWSA/dt= (PB/DT) Gl. 2-16 nur noch auf dem An­teil X der Fläche AF gültig, wo WSA noch kleiner als das lo­kale WSM ist (rechtes oberes Dreieck in Abbildung 2-4) :

 

\fn_jvn dWSA/dt = X\cdot (PB/DT)
Gl. 2-18

 

Hier kann X durch WSA ausge­drückt werden :

 

\fn_jvn X/1 = (WSX-WSA)/(WSX-WSC)

Gl. 2-19

Durch Einsetzen von X in Gl. 2-18 ergibt sich

 

\fn_jvn dWSA/dt = PB/DT \cdot (WSX-WSA)/(WSX-WSC)
Gl. 2-20
 

Hier repräsentiert D= (WSX-WSA) ein Bodenfeuchtedefizit, mit dem Gl. 2-20 umgeschrieben werden kann :

 

\fn_jvn dD/dt = PB/DT \cdot  D/(WSX-WSC)
Gl. 2-21

 

Unter der Annahme, dass wäh­rend des Zeitschrittes DT PB = const. ist und das Defizit von D1 auf D abnimmt, wird folgende Lösung er­halten :

 

\fn_jvn ln \; D -ln \; D1 = -PB/(WSX-WSC)
 Gl. 2-22

 

\fn_jvn D = D1 \cdot exp(-PB/(WSX-WSC))
Gl. 2-23

 

Der Bodenkapillarwasserrückhalt DWSA = D1-D = WSA-WSA1 ergibt sich da­nach mit D1 = (WSX-WSA1) zu :

\fn_jvn DWSA = \left (WSX-WSA1 \right )\cdot \left ( 1-exp\left ( -PB/\left ( WSX-WSC \right ) \right ) \right ) Gl. 2-24

 

 

Für WSA folgt daraus :

 

\fn_jvn WSA = WSA1+DWSA
Gl. 2-25

 

Die interessierende Bodensickerwas­serbildung PSO der Teilfläche AF im Zeitintervall DT, die als Hauptein­gangsgröße der nachfolgen­den Ab­flusskonzentrationsmodelle benötigt wird (hypodermischer Abfluss und Grund­wasserabfluss), erhält man wie folgt :

 

\fn_jvn PSO = PB - DWSA
Gl. 2-26

 

Alle diese Gleichungen gelten für Zeitintervalle beliebiger Länge, so­fern für sie in ausrei­chender Näherung PB = const. gesetzt wer­den kann. Diese Bedingung erfordert, dass beim Rechnen mit Zeitschritten größer als ein Tag eine Unterteilung des Zeitschrittes in minde­stens zwei Teilzeitintervalle erfolgen muss (eine Nieder­schlagsperiode und eine niederschlags­freie Periode).

Analoge Ansätze und Ableitungen ergeben sich für den Prozess der Bodenkapillar­wasseraus­schöpfung durch Evapotranspiration in nie­der­schlagsfreien oder -armen Perioden. Auf ihre Wiedergabe wird hier verzichtet, da die gleichen Arbeitsschritte wie oben voll­zo­gen werden. Bemerkenswerte Unterschiede sind nur, dass die Ein­gangs­größe PB = PO (als Verdunstungs­anspruch) negativ ist und auf Grund des bekannten Hystereseeffekts im Bodenfeuchteregime mit der in Abbildung 2-4 gepunktet eingetragenen Funktion gerech­net werden muss. Die resultie­renden Berechnungs­gleichungen lauten:

Wenn WSA größer als WSG ist, gilt gemäß DWSA= PB Gl. 2-17 :

 

\fn_jvn DWSA = PB
Gl. 2-27

 

Wenn WSA kleiner als WSG ist, gilt analog DWSA = (WSX-WSA1)*(1-exp(-PB/(WSX-WSC))) Gl. 2-24:

 

\fn_jvn DWSA = -WSA1\cdot (1-exp(PB/WSG))
Gl. 2-28

 

DWSA repräsentiert hier den aus dem Bodenkapillarwasservorrat aus­ge­schöpften Verdun­stungsanteil der Fläche AF, wobei nach Gl. (2-25) WSA = WSA1+DWSA gilt. Aus Gl. (2-28) ergibt sich DWSA dem Be­trag nach kleiner als PB, d.h. es entsteht eine Verdun­stungs­re­duk­tion ED (als positive Größe), um die die reale Gebietsverdunstung zu reduzieren ist :

 

\fn_jvn ED = -(PO-DWSA)
Gl. 2-29

 

Die bisher diskutierten Überlegun­gen be­rück­sichtigen flächenhafte Un­ter­schiede der Spei­cherkapazität des Bo­dens für Kapillar­wasser, nicht jedoch die vertikale Vertei­lung der jewei­ligen aktuellen Spei­che­rung. Dies entspricht teilweise nur sehr unzu­reichend den re­alen Ver­hältnis­sen, die dadurch gekenn­zeich­net sind, dass die Neu­auffül­lung des Bo­dens mit Wasser wie auch die Wieder­aus­schöp­fung stets von der Bodenober­fläche her er­folgt, d.h. zu­nächst im­mer die betrachte­te Gesamt­fläche betrifft. Ausgehend davon wurde ein Zwei­schichtkon­zept entwi­ckelt, nach wel­chem die Auf­fül­lungs- und Aus­schöp­fungs­berechnungen wie folgt ablaufen.

Es gibt einen oberen Speicher (erste Schicht) mit der Speicher­ka­pa­zität HSC, während ein unterer Speicher (zweite Schicht) durch den Parameter HSX ge­kenn­zeich­net ist (Abbildung 2-4 und Abbildung 2-5a).

Die Spei­cher­kapa­zi­tät des unter­en Spei­chers be­trägt 0.5* (HSX-HSC) bzw. WSX-WSC. Auf diese Weise erfolgt die Be­rück­sichti­gung der flä­chenhaf­ten Verteilung der Kapillar­wasser­spei­cherka­pazität.

Der obere Speicher ist gleichmä­ßig über die gesamte Bezugs­fläche verteilt. In Nieder­schlag­sperioden wird er bis HSC aufge­füllt. Weite­res ankommende Nie­der­schlags­was­ser sic­kert in den unteren Spei­cher (Abbildung 2-5b).

Analog erfolgt in niederschlags­freien bzw. -ar­men Pe­rio­den zu­nächst eine Aus­schöp­fung bis HS=0, erst dann be­ginnt die Aus­schöpfung des unteren Spei­chers (Abbildung 2-5c). Ausschöp­fung und Auf­fül­lung des unteren Spei­chers fin­den also nur statt, wenn der Out­put des obe­ren Spei­chers ungleich Null ist, d.h. wenn die erste Schicht ent­weder völlig leer oder voll gefüllt ist. Damit wird berück­sich­tigt, dass alle Spei­cher­ände­rungsprozesse von der Bo­den­ober­fläche her erfolgen.

Im unteren Speicher werden maxi­mal zwei Bodenkapillarwas­ser­schich­ten betrachtet. Ent­spre­chend dem genann­ten Grundsatz wird stets zuerst die obere Teil­schicht ausgeschöpft bzw. aufge­füllt, danach die untere.

Zur Beschreibung der Lage dieser Teil­schichten werden die Varia­blen HLA, HLE und HLF ver­wen­det (Tabelle 2‑1, vgl. Abbildung 2-5).

Grundsätzlich gilt: HLA < HLE < HLF

Fall 1: ein Feuchteblock von 0 bis HLA „oben“

Fall 2: ein Feuchteblock von HLE bis HLF „schwebend“

Fall 3: zwei Feuchteblöcke, einer von 0 bis HLA „oben“, ein wei­te­rer von HLE bis HLF „schwebend“

Wenn 2 Feuchteblöcke ausgebildet sind, und es tritt ein Ausschöp­fungs­intervall ein, so erfolgt zu Beginn desselben eine Zusammen­legung der beiden Teilschichten bei der mittleren Be­zugsordinate. Diese Maßnahme, die den Berechnungsgang bemerkenswert verein­facht, kann damit gerechtfertigt werden, dass das Gesamt­volumen des ge­spei­cher­ten Bodenkapillarwassers nicht verändert wird und dass die Feuch­teumlagerung folgenden zwei Umständen gerecht wird:

 

image

Abbildung 2-5: Prinzipskizzen zum Zwei­schichtkonzept

 

Tabelle 2‑1: Variablen zur Be­schrei­bung des unte­ren Spei­chers

Variable zulässiger Bereich mögliche Fälle
  1 2 3
HLA 0 bis HLE 0 0 > 0
HLE HLA bis HLF 0 > 0 > 0
HLF 0 bis HSX-HSC > 0 > 0 > 0

a) die Einsickerung erfolgt in bevorzugten Sickerbahnen, was dazu führt, dass unterhalb der ersten Schicht ein bestimmter Flächen­an­teil vom Sickerwasser schwerer erreicht wird;

b) tiefwurzelnde Pflanzen schöpfen auch aus größerer Tiefe Was­ser, selbst wenn in höher gelegenen Schichten noch Wasservorräte vor­handen sind.

In nicht durch Ausschöpfungs­intervalle unter­brochenen Auf­fül­lungs­pe­rioden oder bei gro­ßem positiven Input wächst der Kapil­lar­was­ser­vorrat der zwei­ten Schicht zunächst von HLA bis HLE. Dann ent­steht ein einheitlicher Feuchteblock von 0 bis HLA=HLF und HLA kann wei­ter an­steigen.

Der obere Speicher ist direkt durch Verdunstung ausschöpf­bar. Kann der Bedarf durch den oberen Speicher nicht abge­deckt werden, kommt es zu einer Aus­schöpfung des unteren Spei­chers. Hier findet al­ler­dings eine Redu­zierung der potentiel­len Verdunstung um einen An­teil ED statt, der aus dem ver­fügbaren Bodenwasservorrat nicht ab­ge­deckt werden kann.

Für ED gelten folgende Berech­nungsformeln:

\fn_jvn \small eine \; Teilschicht \; {}''oben{}'':\; ED = FL^{2}/(2\cdot (HSX-HSC)) Gl. 2-30

 

\fn_jvn \small eine \; Teilschicht \; {}''schwebend{}'':\; ED = FL\cdot \left (0.5\cdot FL-HLE \right )/\left (HSX-HSC \right ) Gl. 2-31

Die in Auffüllungsintervallen des unteren Speichers entstehende Sicker­wasser­menge PSO wird berechnet mit:

 

\fn_jvn PSO = FL\cdot (0.5\cdot FL+HL)/(HSX-HSC)
Gl. 2-32

 

FL Output des oberen Spei­chers
HL Füllung des unteren Spei­chers am Ende des Berech­nungs­zeitschrittes

 

Bei den bisherigen Ausführungen zum Bodenwasserhaushalt wurde immer davon ausgegangen, dass eine Auffüllung der Bodenfeuchte nur von „oben“, also letztlich durch den Niederschlag erfolgt. Auf grundwasserbeeinflussten bzw. -nahen Standorten kann allerdings auch eine Auffüllung der wechselfeuchten Bodenzone durch Kapillaraufstieg, also von „unten“ erfolgen. Für diesen Fall vereinfachen sich die bisher beschriebenen Modellalgorithmen. Als grundwassernah wird definitions­gemäß ein Standort oder eine Fläche dann bezeichnet, wenn der Grund­wasser­spiegel die wechselfeuchte Bodenzone erreicht oder innerhalb dieser liegt.

Diese wird durch den Ausschöp­fungsbereich der Evapotran­spiration bzw. die durchwur­zelte Bodenzone begrenzt.

Für grundwassernahe Standorte wird ein auftretendes Bodenfeuchtedefizit durch den Kapillaraufstieg aufgefüllt, der als negative Grundwasserneubildung PSO nach Gl. (2-26) berechnet wird. Die reale Verdun­stung ist gleich der potentiel­len.

Das bedeutet letztlich, im stationären Zustand bzw. für als grundwassernah klassifizierte Flächen ist der Kapillaraufstieg gleich der potentiel­len Verdun­stung. Im instationären Zustand, wenn zeitlich veränderliche Grundwasserflurabstände berücksichtigt werden oder das Bodenwas­serhaus­halts­modell mit einem Grund­wasser­modell gekoppelt ist, wird auch der Wechsel einer Fläche von grund­wasserfern zu -nah und umgekehrt berücksichtigt. Erreicht der zeitlich variable Grund­wasser­stand den Bereich der Wurzelzone, wird das aktuelle Bodenfeuchtede­fizit aufgefüllt.


02.6 Verdunstungsreduktion auf grundwassernahen Flächen

Die reale Verdunstung der grundwassernahen Flächen AN ist in der Re­gel gleich der poten­tiell möglichen, weil das oberflächennah an­ste­hende Grundwasser für ein ausreichendes Feuchteangebot sorgt. In lang anhaltenden, sommerlichen Trockenperioden kann aber der Eigenwasservorrat SAN der Fläche AN soweit gemindert werden, dass seine Oberfläche in Tie­fen absinkt, in denen SAN nur noch bedingt durch die Transpiration der Vegetation redu­ziert werden kann. Mit absinkendem Grundwasserspiegel kommt es also zu einer Minderung der Verdunstung bzw. es ergibt sich ein Verdunstungsdefizit EDN, bis Grundwasserlagen er­reicht werden, die nicht mehr ausschöpfbar sind und die reale Verdunstung gegen „Null“ geht.

Wenn für die Modellierung dieses Prozesses eine lineare Zunahme der Verdunstungsreduk­tion zwischen EDN=0 bei SAN=0. und EDN = PSON bei SAN = SNmin angenom­men wird, dann ergibt sich

 

\fn_jvn EDN := MAX(0.,EDN\cdot SAN/SN_{min})
 Gl. 2-33

 

PSON=PSO (als negativer Output des Bodenwasserhaushaltsmodells) ist hier der noch nicht befriedigte Verdunstungsanspruch. Als Grenzwert kann in erster Näherung SNmin = -SMXN ange­nommen werden.

Damit ergeben sich

 

\fn_jvn ERI := ERI - EDN\cdot A
Gl. 2-34

 

\fn_jvn SAN := SAN + EDN
Gl. 2-35

 

Für EDN = 0 bzw. SAN=0. wird also der volle Verdunstungsanspruch befriedigt, während für SAN= -SMXN bzw. EDN=PB die reale Ver­dunstung um diesen Betrag reduziert und SAN um diesen Betrag wie­der er­höht wird und damit nicht weiter absinkt. Zum besseren Ver­ständ­nis sei an dieser Stelle daran erinnert, dass SAN im Sättigungs­flä­chen­modell (s. Kapitel 2.3, Gl. (2-4)) um PO redu­ziert wurde und zum Berechnungsbeginn ERI = EPI gesetzt wurde, hier also nur eine Korrek­tur er­folgt.


03. Programmtechnische Umsetzung

3.1 Räumliche und zeitliche Diskretisierung
3.2 Ein- und Ausgangsgrößen
3.3 Modellinitialisierung
3.4 Parameterermittlung
3.5 Schnittstellen


03.1 Räumliche und zeitliche Diskretisierung

Die Abflussbildung kann je nach gewünschter räumlicher Auflösung

  1. für Elementarflächen oder
  2. für Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete bzw. das Gesamtgebiet

berechnet werden.

Liegt die gewählte räumliche Auflösung über der der Elementarflächen, so kann i.d.R. nicht mehr von quasi homogenen Flächen ausgegangen werden. Diese inhomogenen Flächen werden modelliert, indem sie in Hydrotopklassen untergliedert und weitere Inhomogenitäten über Flächenverteilungsfunktionen berücksichtigt werden.

Da sich zwischen der elementarflächen- und der hydrotopklassenbezogenen Abflussbildungsmodellierung neben vielen Gemeinsamkeiten auch eine Reihe von Unterschieden ergeben, werden dafür zwei verschiedene Modellkomponenten eingesetzt, und zwar

  1. ein Elementarflächenmodell oder
  2. ein Hydrotopklassenmodell.

Die zeitliche Diskretisierung bestimmt wesentlich die erreichbare Genauigkeit bei der Wiedergabe der zu beschreibenden Prozesse. In welcher zeitlichen Diskretisierung gearbeitet wird, ist letztlich durch die zeitliche Auflösung der meteorologischen Eingangsdaten vorgegeben. Simulationsrechnungen in geringerer Zeitauflösung bedeuten einen Informationsverlust, höhere Zeitauflösungen sind möglich, insbesondere im Zusammenspiel mit Teilmodellen der Abflusskonzentration aus numerischen Gründen sogar teilweise notwendig, bringen aber keinen Informationsgewinn bzgl. der zu beschreibenden Abflussbildungsprozesse.

Liegen die meteorologischen Daten in geringer Zeitauflösung vor, wird zum einen die Intensitätsverteilung des Niederschlages innerhalb eines Zeitintervalls nicht wiedergegeben, was sich insbesondere auf die Simulationsgüte des Infiltrationsprozesses auswirkt. Zum anderen wird der Wechsel von niederschlagshaltigen und -freien Perioden nicht erfasst, was die Beschreibung der Abflussbildung insgesamt verschlechtert.

Die in den folgenden Kapiteln beschriebenen Ansätze zur Parameterermittlung aus GIS-Informationen gehen von einer Modellierung in einer prozessadäquaten Zeitauflösung (max. 1 Stunde) aus. Da die dafür notwendigen Eingangsdaten oft nicht zur Verfügung stehen, sind empirische oder statistisch abgesicherte Transformationen notwendig, welche die „zeitliche Ungleichförmigkeit“ z.B. des Niederschlages innerhalb eines Berechnungszeitschrittes berücksichtigen.


03.2 Ein- und Ausgangsgrößen

Eingangsgrößen in die Modellierung der Abflussbildung sind das Niederschlagsdargebot und die potentielle Verdunstung, die vom System ArcEGMO bereitzustellen sind. Unter Niederschlagsdargebot ist das auf die zu modellierende Fläche bezogene, korrigierte (Windfehler, Benutzungsverluste etc.) flüssige Niederschlagsangebot zu verstehen, also Regenniederschlag oder Schmelzwasserabgabe der Schneedecke.

Im Zuge der Modellrechnungen werden für den zu modellierende Raumbezug (Elementarfläche oder Hydrotopklasse) die folgenden Wasserhaushaltsgrößen ermittelt:

  1. Effektivniederschlag PEF als Infiltrationsüberschuss,
  2. (potentieller) 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.


03.3 Modellinitialisierung

Im Zuge der Modellinitialisierung werden die folgenden Schritte abgearbeitet, wobei die dem Cover EFL (s. Basisdokumentation, Kapitel 4.5) zugeordneten GIS-Informationen genutzt werden:

  • Dimensionierung des Modells entsprechend der Anzahl der zu modellierenden Raumeinheiten (Elementarflächen oder Hydrotopklassen) im Untersuchungsgebiet, wobei der benötigte Speicherplatz für die Modellparameter, die Ergebnisdaten und die Systemzustandsvariablen bereitgestellt wird,
  • Ermittlung der Modellparameter,
  • Festsetzung einer Anfangsbelegung der Systemzustandsvariablen entsprechend der meteorologischen Vorgeschichte (s. Basisdokumentation, Kapitel 3).

03.4 Parameterermittlung

3.4.1 Elementarflächenmodell

Die Ermittlung der elementarflächenbezogenen Abflussbildungsparameter (Tabelle 3‑1) erfolgt unter Einbeziehung der GIS-Informationen des Coverage EFL und der diesem Cover zugeordneten Relate-Tabellen (s. Basisdokumentation, Kapitel 4). Da die Werte in den Relate-Tabellen in Form einer Spannweite (im Sinne eines Fehlerbereichs) angegeben sind, können die Modellparameter unter Nutzung der Minimal- und der Maximalwerte ermittelt werden. Damit kann im Zuge der Modellrechnungen eine Spannweite für die Ergebnisse erhalten werden, womit unter anderem Rückschlüsse auf die Auswirkungen falsch geschätzter Parameter und Sensitivitätsanalysen möglich sind.

 

Tabelle 3‑1: Parameter des Elementarflächenmodells

Parameter Bedeutung Ableitung
Bemerkung
WOM Interzeptions-
­spei­cher­­ka­pa­zi­tät
INTC * BED
WMM Muldenspeicher­-
kapazität
f(Gefälle, Nutzung)
HSM Kapillar­wasser­-
spei­cherka­pa­zi­tät
Σ[(FK-WP) * DICKE] Summe der schicht-
bezogenen Speicher-
kapazitäten
betrachtet wird Bodenprofil bis:
• Wurzeltiefe
• Grundwasser-flurabstand
• Fels bzw. Festgestein anstehend
SMM Spei­cher­kapazi­tät
des Luftpo­ren­raumes
Σ[(GVP-FK) * DICKE]
KFH gesättig­te hydrau­li­sche Leitfähigkeit MIN(KF) * DT Minimum der KF-Werte

 

3.4.2 Hydrotopklassenmodell

Hydrotopklassen sind eine Zusammenfassung von ähnlichen Elementarflächen innerhalb einer übergeordneten Raumeinheit. Diese Bezugsgeometrien können sein:

  • das Untersuchungsgebiet (GEB) insgesamt,
  • die Teileinzugsgebiete in TG oder
  • die Kaskadensegmente in KAS.

Im Zuge der Modellinitialisierung werden die folgenden Schritte abgearbeitet, wobei die im Cover EFL abgelegten Informationen der GIS-Datenbasis und die im Elementarflächenmodell (s. Kapitel 3.1) ermittelten Parameter genutzt werden:

  • Ermittlung der Anzahl der belegten Hydrotopklassen innerhalb der auszuwertenden Bezugsgeometrien als Grundlage für die Dimensionierung des Modells (s. Kapitel 3.3)
  • Ermittlung der hydrotopklassenbezogenen Abflussbildungsparameter (s. Tabelle 3‑2: Parameter des Hydrotopklassenmodells
  • unter Einbeziehung der zuvor ermittelten Elementarflächenparameter (s. Tabelle 3‑1).

 

Tabelle 3‑2: Parameter des Hydrotopklassenmodells

Parameter Bedeutung Bemerkung
AREA Fläche jeweils bezogenauf die übergeordnete Bezugsgeometrie (GEB, TG oder KAS)
GEF mittleres Gefälle
AIMP versiegelter Flächenanteil
AW Wasserflächenanteil
AeHy Flächenanteil der Hydrotopklasse für jede belegte Hydrotopklasse innerhalb der übergeordneten Bezugsgeometrie
WMM Mittelwert der Muldenspeicherkapazität WMM(*)
WOM Mittelwert der Interzeptionsspeicherkapazitäten WOM(*)
HSC Minimum der Flächenverteilungsfunktion der HSM(*)-Werte
HMX Maximum der Flächenverteilungsfunktion der HSM(*)-Werte
GMN Minimum der Flächenverteilungsfunktion der KFH(*)-Werte
GMX Maximum der Flächenverteilungsfunktion der KFH(*)-Werte
SNM Spei­cher­kapazi­täten des Luftpo­ren­raumes auf AN, Fak * SMXN, entspricht ca. SMM-Werte(*)
(*) – s. Tabelle 3‑1

 

Zur Ermittlung der hydrotopklassenbezogenen Abflussbildungsparameter werden die Flächen­ver­teilungsfunk­tio­nen der Elementar­flächen­parameter abgeleitet, die nicht zur Hydrotopklassifizierung genutzt wurden und die deshalb innerhalb einer Hydrotopklasse nicht einheitlich sind. Dabei werden die folgenden Arbeitsschritte durchlaufen:

 

  • a) Selektion aller Elementarflächen eines Teileinzugsgebietes und einer Hydro­top­klasse,
  • b) Berechnung der Gesamtfläche aller mit Parametern wertmäßig belegten[1] Ele­mentar­flächen einer Hydro­top­klasse innerhalb der übergeordneten Bezugsgeometrie,
  • c) Ermittlung der Wasserflächenanteile AW,
  • d) Ermittlung der versiegelten Flächenanteile AIMP,
  • e) Ordnen der selektierten Elementarflächen entsprechend der Werte der Ele­mentar­flächenpa­rameter, mit dem kleinsten beginnend,
  • f) Bildung kumulativer, auf die Flächengröße 1 normierter Flächenanteile x, indem die Flächen ent­spre­chend der Reihen­fol­ge (nach b) fortlaufend auf­summiert und durch die Gesamtfläche dividiert ­wer­den,
  • g) Berechnung der Parameter a und b der linearen Regression in der Form y=a*x+b zwi­schen den Ele­men­tar­flächenparametern y und der aufsum­mier­ten Fläche x,
  • h) Berechnung des flächenbezogenen Mittelwertes und des Minimums und Maxi­mums der Flä­chen­ver­tei­lungs­funktio­n der Elementarflächen­para­me­ter,
  • i) Ermittlung der Flächenanteile AeHy der Hydrotopklassen am der übergeordneten Bezugsgeometrie, indem die Gesamtfläche auf die Fläche dieser Bezugsgeometrie bezogen wird,
  • j) Abgleich der Flächenanteile AeHy unter Einbeziehung von AW und AIMP auf 1.

Bei der Ermittlung der Flächen­ver­teilungsfunk­tio­nen wird also davon ausgegangen, dass diese li­near verlaufen. Ist dies nicht der Fall, sollte die Hydrotopklasseneinteilung entsprechend verfeinert werden. Ein Beispiel dafür wird in Abbildung 3-6 gegeben.

 

image

Abbildung 3-6: Ausgliederung von Hydrotopklassen

 

Die Schritte a) und b) werden programmintern für jedes Teileinzugsgebiet und alle Hydro­top­klassen durchgeführt, e) bis h) außerdem für jeden Abflussbil­dungsparame­ter.

Folgende Besonderheiten bilden die Ausnahmen bei obiger Vorgehensweise:

SMXN wird nur für die grundwassernahen Flächen als Maximum der Flä­chen­ver­tei­lungs­funktio­n der elementarflächenbezogenen Spei­cher­kapazi­täten des Luftpo­ren­raumes ermittelt. Geht man davon aus, dass es auch Flächen gibt, deren Speicherraum Null ist, weil das Grundwasser an der Geländeoberkante ansteht, so ergibt sich der flächenbezogene Speicherraum zu

 

\fn_jvn SNM = Fak \cdot SMXN
Gl. 2-36

 

wobei Fak = 0.5 wäre, wenn sich für die Flächenverteilung der EFL-Speicherkapazitäten ein Dreieck (s. Abbildung 2-2) ergäbe.

Für die Regressionsanalysen der hydraulischen Leitfähigkeiten KFH wird auf Grund des großen Schwankungsbereichs dieser Werte eine logarithmi­sche Trans­formation durch­geführt.

 

Teilgebietsbezogene Verwaltung von Abflussbildungsparametern in der GIS-Datenbasis

Sofern in einem großräumigen, z.B. länderübergreifenden Modell unterschiedliche Bodendatenbasen verwendet werden, kann es sich als notwendig erweisen, bestimmte Abflussbildungsparameter, die bisher einheitlich für das Gesamtgebiet vorgegeben wurden, räumlich differenziert zu belegen.

Diese räumlich differenzierte Vorgabe von Modellparametern wurde bisher integriert für die

VERDUNSTUNGSREDUKTION und den SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR. Beide Parameter sind empirisch und können global innerhalb der modul.ste belegt werden.

Sollen sie räumlich differenziert angegeben werden, so ist das dann möglich, wenn mit EGMO auf der Basis von Teileinzugsgebieten gearbeitet werden soll. Den Teilgebieten sind dann als Attribute Werte für die Verdunstungsreduktion und/oder die Sättigungsflächenbildung zuzuweisen, deren Namen über die tg.sdf dem Programm bekanntgemacht werden müssen.

######  Attribut-Tabelle  ####################################################
TG_PAT                 DBASE tg3.dbf
TG_FLAECHE             AREA
TG_IDENTIFIKATION      Tg_dis
GW_Unterlieger         GW_uli1
GW_Verlust             GW_out1
X_WERT_TG              X_Coord
Y_WERT_TG              Y_Coord
MITTLERE_HOEHE         Hoehe
GEFAELLE               Gef
EXPOSITION             Aspect
VERDUNSTUNGSREDUKTION    Verd_Red  /* 0. fuer stark   bis 1.0 fuer schwach        */
SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR Satt_Fak /* wachsender Faktor bewirkt eine Reduzierung   */
                                  /* des Saettigungsflaechenabflusses (0.5 default*/
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

 

Die beiden Parameter wirken erst im Zuge der Modellrechnung, d.h. die Speicherkapazitäten werden ohne die Korrekturfaktoren abgespeichert.

 


[1] Wertmäßig nicht be­legt bedeu­te­t, dass kein Wert für die Elementar­flächen­parameter berech­net werden kann, weil entweder in den Ausgangskarten zur Erzeugung der Elementarflächen Informationslücken vorhanden sind (z.B. sind in den meisten Boden­karten Ortschaften und größere Standgewässer ausgespart) oder im Zuge der Flächenverschneidung Splitterpolygone erzeugt wurden. Ein Vorteil dieses Konzeptes ist es also, dass auch bei Informationsdefiziten ohne größere Fehler flächendeckend gearbeitet werden kann, da für die nicht belegten Flächen indirekt mittlere Eigenschaften angesetzt werden.


03.5 Schnittstellen

Sämtliche Systemgrößen werden im Modul ABI_MOD verwaltet und über die in Abbildung 3-7 und Tabelle 3‑3 angegebenen Bibliotheksfunktionen dem Modell zur Verfügung gestellt.

 

int AbiModIni ();
int AbiModRun (void);
float * Abi_Muldenspeicherfuellung (int);
float * Abi_Interzeptionsfuellung (int);
float * Abi_Bodenspeicherfuellung_1 (int);
float * Abi_Bodenspeicherfuellung_2 (int);
float * Abi_Bodenspeicherfuellung_3 (int);
float * Abi_Bodenspeicherfuellung_4 (int);
float * Efl_Muldenspeicherkapazitaet (int);
float * Efl_KfRepraesentativ (int);
float * Efl_NutzbareFeldkapazitaetRep (int);
float * Efl_SickerwasserkapazitaetRep (int);
float * Efl_Bodenmaechtigkeit (int);
float * Hyd_VersiegelterAnteil (int);
float * Hyd_Muldenspeicherkapazitaet (int);
float * Hyd_Interzeptionsspeicherkap (int);
float * Hyd_Hsc (int);
float * Hyd_Hmx (int);
float * Hyd_Gmn (int);
float * Hyd_Gmx (int);
float * Hyd_Snm (int);
float * Hyd_Hlff ();

Abbildung 3-7: Prototypen der Bibliotheksfunktionen in EFL_MOD

Innerhalb des Anweisungsblocks ABI_MODELL in der Steuerdatei MODUL.STE (s. Abbildung 3-7) kann festgelegt werden, ob die Modellparameter in einer Tabelle gespeichert werden sollen. Im GIS können die Parameter dann visualisiert und auf Plausibilität geprüft werden.

Weiterhin können für die hydrotopbezogene Modellierung globale Parameter festgelegt werden. Globale Parameter sind empirischer Natur, so dass eine einheitliche bzw. globale Festlegung für alle Hydrotopklassen gewählt wurde. In der jetzigen Modellversion ist hier lediglich HLFF zur Steuerung der Verdunstung innerhalb des Bodenwasserhaushaltsmodells BOKA2 zu definieren.


Tabelle 3‑3: Kurzbeschreibung der Bibliotheksfunktionen in EFL_MOD

Name Übergabe Rückgabe Aufgabe
AbiModIni n_area Initialisierung des Modells, Rückgabe n_area als Anzahl der zu modellierenden Geometrien
AbiModRun k Abarbeitung des Modells für aktuellen Zeitschritt, k>0 zeigt an, dass Direktabfluss gebildet wurde
Abi_<xxx> i Referenz Systemzustandsgröße <xxx> für Geometrie i
Efl_<xxx> i_efl Referenz gibt Referenz auf angegebenen Wert der Elementarfläche i_efl
Hyd_<xxx> i_hyd Referenz gibt Referenz auf angegebenen Wert der Hydrotopklasse i_hyd

 

Als empirische Transformation wird ebenfalls ein „Niederschlagsfaktor“ genutzt. Dieser dient bei langen und damit für die Beschreibung der Infiltration nicht mehr prozessadäquaten Berechnungszeitschritten[1] zur Verringerung der Kf-Werte, wodurch im Infiltrationsmodell die Effektivniederschlagsbildung erhöht wird.

Der SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR bietet eine Möglichkeit, den Sättigungsflächenabfluss zu variieren. Er entspricht dem Faktor in Gl. 2-36.

 

ABI_MODELL
WASSERHAUSHALTSMODELL   WH_ZR   /* WH_RZ, WH_ZR - wird nur ausgewertet, wenn   */
                                /* Wasserhaushaltsmodell separat gerechnet wird*/
                                /* modell separat gerechnet wird               */
ZEITFAKTOR_NIEDERSCHLAG    1.   /* führt zur Reduktion des kf-Wertes          */
                                /* bei geringer Zeitauflösung                 */
MET_VORGESCHICHTE          0.5  /* 0. für trocken bis 1.0 für feucht         */
VERDUNSTUNGSREDUKTION      0.3  /* 0. für stark   bis 1.0 für schwach        */
SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR   0.5  /* wachsender Faktor bewirkt eine Reduzierung   */ 
                                /* des Saettigungsflaechenabflusses (0.5 Standard)*/
 
PARAMETER_TAB_SPEICHERN?   Ja

Abbildung 3-7: Steuerdatei MODUL.STE – Block ABI_MODELL


[1] Informationen über die Intensitätsverteilung während eines kurzzeitigen Konvektivniederschlages gehen bei Verwendung von Tagessummen des Niederschlages völlig verloren.


04. Abkürzungen und Symbole

Tabelle 4‑1: Abkürzungen und Symbole

WOM [mm] flächenbezogener Mittelwert der Interzep­tions­spei­cher­kapazität
WMM [mm] Kapazität des Muldenspeichers
KFH [mm/h] standortbezogene gesättigten hydraulischen Leitfähig­keit der obe­ren Bo­den­schicht
GLX, GLN [mm/h] Maximum und Minimum der Flächenverteilungs­funk­tion der gesät­tigten hydrauli­schen Leitfähig­keit der oberen Boden­schicht
HSM [mm] Boden­kapil­lar­wasser­spei­cher­ka­pa­zi­tät eines qua­si-ho­mogenen Standortes
HSX, HSC [mm] Maximum und Minimum der Flächenverteilungs­funk­tion aller stand­ortbezogenen Boden­kapil­lar­wasser­spei­cher­ka­pa­zi­täten
WSX [mm] Generalisierter Maximalwert der Boden­kapil­lar­wasser­spei­cher­ka­pa­zi­tät
WSC [mm] Grenzwert des Bodenkapillarwassergehal­tes, bei des­sen Unter­schrei­tung alles ein­gesickerte Was­ser als Kapillar­wasser ge­bunden wird.
WSG [mm] Grenzwert des Bodenkapillarwassergehal­tes, bei des­sen Über­schrei­tung WS ent­spre­chend der vollen Ver­dun­stungsanfor­de­rung EP aus­ge­schöpft wird.
SMM [mm] Speicherkapazität des Porenraumes zwischen Feldkapazität und Gesamtporenvolu­men auf grundwassernahen Standorten
EP [mm/DT] potentielle Verdunstung
ER [mm/DT] reale Verdunstung
PI [mm/DT] Niederschlagsdargebot als korrigierter (z.B. Wind­feh­ler) und flä­chenbezo­gener flüs­siger Nieder­schlag bzw. Schneeschmelze
PO [mm/DT] Wasserangebot an der Bodenoberfläche (nach Passage des In­terzeptions­speichers)
PB [mm/DT] um eventuelle Effektivniederschläge geminderter, bo­denwirk­samer Input
PSO [mm/DT] Sickerwassermenge bzw. Grundwasserneubil­dung
PEF [mm/DT] Effek­tiv­nieder­schlag in­folge Infil­trations­überschuss
RO [mm/DT] Landoberflächenabfluss

05. Weiterführende Literatur

Becker, A. (1975): EGMO-Ein­zugs­ge­biets­mo­del­le zur Ab­flussbe­rech­nung, -vor­her­sa­ge und -si­mu­la­tion; WWT 25(1975) 9, S. 316-322

Becker, A. (1983b): Grundla­gen, Ein­zugsge­biets­mo­delle und Ar­beits­tech­ni­ken zur Berech­nung von Durch­fluss­mess­rei­hen aus me­teo­rolo­gi­schen Grö­ßen; In : Mitt. des In­stitu­tes für Was­ser­wirt­schaft, Heft 46, Ber­lin, VEB Ver­lag für Bau­we­sen

Becker, A.; Pfützner, B. (1987): EGMO – Sytem Apro­ach and Sub­routi­nes for River Ba­sin Mo­deling; Acta hy­dro­phys., Berlin 31 (1987) 3/4

Pfützner, B., (1990) : Verallgemeinerungsfähige Techniken zur rechnergestütz­ten Entwicklung, Anpassung und Praxis­anwendung von Einzugsgebietsmo­dellen. Diss. A, TU Dresden, Sektion Wasserwesen, Bereich Hydrologie und Meteorologie. In: Mitteilungen des IfW, Heft 49, Verl. f. Bauwe­sen.


00. EGMO GW

01. Anwendungsbereich
02. Beschriebene Prozesse
03. Programmtechnische Umsetzung
04. Weiterführende Literatur


01. Anwendungsbereich

Die im Folgenden vorgestellten Ansätze beschreiben die Konzentration des Basisabflusses über Einzellinearspeicheransätze. Sie können prinzipiell auf beliebige Flächeneinheiten (Raster, Polygone) angewendet werden. Als Modul innerhalb von ArcEGMO ist ihre Anwendung auf Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete, Regionen oder das Gesamtgebiet vorgesehen.

Bei einer gekoppelten Anwendung mit Stofftransportmodellen ist zu beachten, dass das Einzellinearspeicherkonzept von einer vollständigen Durchmischung innerhalb des Speichers ausgeht.


02. Beschriebene Prozesse

2.1 Prinzipielles
2.2 Abflussprozesse in der gesättigten Bodenzone
2.3 Modellierung von Abflussreduktionen durch die Vegetation
2.4 Hypodermischer Abfluss


02.1 Prinzipielles

EGMO_GW beschreibt die Konzentration des Basisabflusses. Eingangsgröße ist die in der Modellebene Abflussbildung berechnete Grundwasserneubildung, Ausgangsgröße der Basisabfluss und der hypodermische Abfluss, die an die Modellebene Gesamtabfluss übergeben werden.

Der Leerlauf eines Einzellinearspeichers wird im Regelfall über eine Einzellinearspeicherkonstante gesteuert, was vielfach ausreichend genau die Realität beschreibt.

Es kann jedoch auch vorkommen, dass ab bestimmten Grundwasserständen sich ein anderes Abflussregime einstellt, weil z.B. besser durchlässige Schichten eingestaut werden. Zur Beschreibung dieser Phänomene kann ein zusätzlicher 2.Schichtansatz aktiviert werden, über den bei Erreichen einer Grenzspeicherfüllung eine andere Auslaufcharakteristik, beschrieben über einen weiteren Einzellinearspeicher, wirksam wird.

Innerhalb einer Modellierungseinheit (z.B. Teileinzugsgebiet) können Flächentypen als Kombination verschiedener Hydrotopklassen festgelegt werden, denen jeweils ein Einzellinearspeicher zugeordnet ist, der über die Grundwasserneubildung der zugeordneten Hydrotopklassen gespeist wird.

Durch eine teilweise Reihenschaltung unterschiedlicher Einzellinearspeicher können Kopplungsmecha­nis­men zwischen verschiedenen Hydrotopklassen berücksichtigt werden. So simuliert REFIL die „Anzapfung“ bzw. Reduktion der unter­ir­dischen Abflusskomponenten der grund­wasser­fer­nen Flächen bei Pas­sage der grundwassernahen Flächen durch die Tran­spiration der dortigen Vegetation.

Eine Modellierung derartiger Wechselwirkungen scheint im Widerspruch zum Modellkonzept von EGMO zu stehen, dass ein Gebiet ortsunabhängig in Hydrotopklassen glie­dert. Deshalb ist die Berück­sichtigung von Wechselwirkungen im Allgemeinen nur über eine stati­stische Berücksichtigung der Lageverhältnisse der Hydrotopflächen einer Klasse zu den Flächen einer anderen möglich und erfordert umfangreiche Analysen der Flächenverteilungen im konkreten Bearbeitungsgebiet, die effektiv nur mit einem Geographischen Informationssystem durchgeführt wer­den können.

Für die Hauptuntergliederung in der Grundversion von EGMO in grundwasser­nahe, ebene und grundwasserferne, hängige und ebene Hydrotopklassen (AN, AH, AG) kann aber in der Regel davon ausge­gangen werden, dass die Hydrotope einer Klasse eine zusammenhän­gende Fläche bilden und bzgl. des Vorfluters einen festen Ortsbezug haben. Speziell im Ge­birgsbereich wird AN die Talaue, AH die Hangfläche und AG die Hoch­fläche sein, die sich in der Regel wie Gürtel um den Flusslauf le­gen.


02.2 Abflussprozesse in der gesättigten Bodenzone

Zur Modellierung der Abflussprozesse in der gesättigten Bodenzone wird die Anwendbarkeit des Einzellinearspei­cheransatzes ELS ange­nommen.

Input für den Einzellinearspeicher ist die Grundwasserneubildung PSO oder PS als Output eines eventuell dazwischengeschalteten Transla­tionsmodells. Mit PS und der Speicheränderungsbeziehung für ein Zeit­in­ter­vall DT kann die Speicherung S am Ende eines Berech­nungs­zeit­schrittes aus der am Zeitintervallanfang S1 wie folgt berech­net werden:

 

\fn_jvn S=S1\cdot CSE+PS\cdot (1.-CSE)/D
  Gl. 2-1

 

mit

 

\fn_jvn CSE=EXP(-D)
 Gl. 2-2

 

und

 

\fn_jvn D=DT/(C\cdot 24.)
Gl. 2-3

C ist hier die Einzellinearspeicherkonstante [Tage].

 

Durch einfache Bilanzrechnung ergibt sich dann der unterirdische Ab­fluss R für Ax als den Flächenanteil an der übergeordneten Modellierungseinheit, dem dieser Einzellinearspeicher zugeordnet wurde:

 

\fn_jvn R=(PS+S1-S)\cdot Ax
Gl. 2-4

 

Wurde der 2.Schichtenansatz aktiviert, wird nun überprüft, ob die Speicherfüllung S einen vorgegebenen Grenzwert SG übersteigt. Ist dies der Fall, wird eine 2. Abflusskomponente

 

\fn_jvn R2=(S-SG)\cdot (1.-CSE)
Gl. 2-5

 

ermittelt und die Speicherfüllung um diesen Abfluss korrigiert.

 

\fn_jvn S=S-R2
Gl. 2-6

 

Die Einzellinearspeicherkonstanten können durch Analyse gemes­sener Durchfluss­gang­linien abgeleitet wer­den. Sofern für das Bearbei­tungsgebiet keine Abflussmessreihen zur Verfügung stehen, muss auf die für hydrologisch ähnliche Nachbargebiete ermittelten Parame­ter zurückgegriffen wer­den.

Bei der Analyse dieser Mess­reihen sollte als erstes geklärt werden, wie viele Abflusskomponen­ten erkennbar bzw. separierbar sind, wie ihre Genese erklärt werden kann und wie sie Flächentypen bzw. Hydrotopklassen zugeordnet werden können.

Anschließend kann dann z.B. nach den von Becker (1983) darge­legten Prinzipien zur Ganglinienseparation vorgegan­gen werden.

Im Flachland sollten diese Ganglinienanalysen nach Möglichkeit für Abflussbildungsperioden in der vegetationsfreien Periode (Oktober – April) durchgeführt werden, da im Sommer die im Kapitel 2.3 be­schrie­be­nen „Anzapfungen“ die Rückgänge beeinflussen.


02.3 Modellierung von Abflussreduktionen durch die Vegetation

In vielen Pegelaufzeichnungen sind ein starkes Absinken des Durchflusses im Frühjahr (und An­steigen im Herbst) und in sommer­li­chen Trockenperioden interne Sprünge zu beobach­teten, die mit den Durchflussrück­gangsgesetzen nicht erklärbar sind (Becker & Pfützner 1986).

Zur Interpretation: In niederschlagsarmen und verdunstungsinten­si­ven Perioden können die grundwassernahen Flächen AN soweit aus­trocknen, dass sie eigentlich nicht mehr grundwas­sernah sind. Zur Realisierung der potentiellen Verdunstung auf diesen Flächen wer­den der hypodermische Abfluss RH und der Grundwasserabfluss RG, be­ginnend mit der Entwicklung der Vegetation im Frühjahr, durch de­ren Transpiration, speziell von Tiefwurzlern, ange­zapft und damit redu­ziert.

Das ist mög­lich, weil meist zumindest ein Teil dieser Komponenten die grund­wassernahen Flächen auf ihrem Weg zum Vor­fluter passieren muss, während der restli­che Teil des Basis- und hypoder­mischen Ab­flusses unreduziert im Vorfluter zum Abfluss kommt.

Zur Modellierung: Man kann sich im Untergrund der grund­wassernahen Flächen AN einen Bezugs­wasser­vor­rat SAN und ein ent­sprechendes „Normalniveau“ des Grundwasser­spie­gels vorstellen, bei dessen Unterschreitung die unterir­dischen Durch­flüsse von den umliegenden grundwasserfernen Flächen (AG und evtl. AH) oder er­reich­bare Oberflächengewässer durch die Pflanzen­trans­piration an­gezapft werden.

Als erstes wird der Transpirationsbedarf SAND der Fläche AN be­rechnet:

 

\fn_jvn SAND=PSO\cdot VEG
Gl. 2-7

 

PSO als negativer Output des Abflussbildungsmodells ist hier der noch nicht befriedigte Verdunstungsanspruch oder das schon reduzierte Verdunstungsdefizit. Der Koeffi­zient VEG spiegelt das Transpirationsvermögen, d.h. den Entwicklungsstand der Vegetation wider. Er wird in den Vegeta­tions­monaten Mai bis September in erster Näherung gleich der posi­tiven Halbwelle einer Cosinusfunktion gesetzt.

Dem Transpirationsbedarf SAND steht eine „ausschöpfbare“, durch die AN-Fläche hindurch­fließende Abflussmenge WAV gegenüber:

 

\fn_jvn WAV=(RG+RH)\cdot (1.-AFMN)
Gl. 2-8

 

AFMN ist ein gedachter An­teil der Flächen AG und AH, von denen der unterirdische Abfluss nicht durch AN hindurch fließt bzw. nicht durch die Verdunstung von AN erreichbar ist.

Bei negativem SAN werden SAND und WAV in jedem Berechnungszeitschritt verglichen, und in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Ver­gleichs werden folgende Berechnungen durchge­führt:

1. Wenn SAND kleiner ist als WAV, kann SAND aus den unterirdischen Ab­flüssen ge­deckt werden, SAN bleibt unverändert und ein Ver­dunstungs­defizit EDN tritt nicht ein. Der reduzierte Abfluss RHG der Flächen AG und AH ergibt sich zu

 

\fn_jvn RHG = RHG - SAND

Gl. 2-9

\fn_jvn SAN = SAN1

Gl. 2-10

\fn_jvn EDN = 0.  Gl. 2-11

 

2. Wenn SAND größer ist als WAV, wird der volle ausschöpfbare (RG+RH)-Anteil WAV für die Verdunstung in Anspruch genommen, d.h. es gelangt nur der garantierte Min­destabfluss in die Ober­flä­chengewässer. Daraus folgt:

 

\fn_jvn RHG = RHG - WAV Gl. 2-12

\fn_jvn SAN = SAN + WAV / AN Gl. 2-13

 

Der sich in diesem Fall ergebende, noch nicht befriedigte Teil des Verdunstungsbedarfs (SAND-WAV) kann nur aus SAN gedeckt wer­den, das auf diese Weise weiter und über län­gere Zeiträume un­begrenzt ins Ne­gative absinken würde, wenn immer noch po­ten­tiel­le Verdun­stung wir­ken würde. Deshalb ist es notwendig, die SAN-Ausschöpfung mit sin­kendem SAN ab­nehmen zu lassen, was äqui­va­lent mit einer Flächen­ver­ringerung ist. Damit können also auch auf den Feuchtflächen bei ab­nehmenden Wasservorräten Ver­dun­stungsdefizite EDN entste­hen.

Besonders für die Modellierung großer Flussgebiete müssen auch „Zwi­scheneinzugsgebiete“ modelliert wer­den. Das sind Gebiete zwi­schen zwei Pegeln, die Eigenabfluss liefern, der in Abflussbil­dungs­perioden den Zufluss vom Ober­pegel erhöht. Dieser Effekt lässt sich mit den bisher beschriebenen Ansätzen nachbilden.

Besondere Probleme treten in Trockenperioden auf, in denen der Zu­fluss vom Oberpegel größer als der Abfluss des Unterpegels ist. Das ist erklärbar durch ein zum Gebiet hin beste­hendes Gefälle des Grund­wasserleiters, das bedingt, dass das Gebiet, ins­besondere die Niederungsflächen, den Gewässerabfluss zehren bzw. re­duzieren.

Modelltechnisch wird das stark vereinfacht wie folgt realisiert:

  1. Per Definition wird für Zwischengebiete AFMN=0 gesetzt. Damit können die gesamten unterirdischen Abflusskomponenten des Zwi­schen­gebietes angezapft werden, d.h., es wird kein minima­ler Rest­abfluss garantiert bzw. ein „Null“-Abfluss des Gebietes als möglich an­gesehen.
  2. Von der grundwassernahen Fläche werden auch negative Abflüsse zugelassen, d.h. es wird der Abfluss von AN bei negativer Spei­cherfüllung SAN berechnet, der sich bei gleich­großen, posi­tiven SAN ergeben würde, also im Prinzip ein Zufluss von Vorflu­ter ins Gebiet. Damit sind nun auch in Ab­hängigkeit von der Gebiets­feuchte „negative“ Abflüs­se bzw. Zehrungen mög­lich, die durch Superposi­tion mit dem Oberpe­gelzufluss einen vermin­derten Unterpegelab­fluss ermöglichen.

Der Parameter AFMN, also der Flächenanteil der grundwasserfernen Flächen AF, dessen unter­ir­di­scher Abfluss unredu­ziert das Abflussprofil des Ein­zugsgebietes er­reicht, ist schwer abschätz­bar. Er kommt dem Wert 0 umso näher, je größer AN im Ver­gleich zu AF ist und je mehr AN-Flächenanteile im unteren Einzugsgebietsteil (nahe dem Abflussprofil) liegen.

Über negative AFMN können bei negativen Speicherfüllungen auf den grundwassernahen Flächen auch negative Zuflüsse aus den Auenbereichen zum Vorfluter realisiert werden. Werden diese mit den Gewässerabflüssen überlagert, können so Reinfiltrationseffekte aus dem Gewässer ins Grundwasser abgebildet werden. Da das Grundwassermodell aber keine Information darüber besitzt, ob im Gewässer genug Wasser fließt, um diesen Reinfiltrationsanspruch zu befriedigen, sollte das oberliegende Einzugsgebiet eine gewisse Mindestgröße besitzen, weil sich sonst negative Gewässerabflüsse ergeben können.


03.1 Räumliche und zeitliche Diskretisierung

Das Modul EGMO_GW ist an eine räumliche Diskretisierung für die Beschreibung der Grundwasserprozesse in Kaskadensegmenten KAS, Teileinzugsgebiete TG, Regionen REG oder im Gesamtgebiet GEB gebunden (s. Basisdokumentation, Kapitel 3 und 7). Die zeitliche Auflösung der Modellrechnungen innerhalb von EGMO_GW ist gleich der Auflösung der meteorologischen Eingangsdaten bzw. der Abflussbildungsmodellierung.


03.2 Ein- und Ausgangsgröße

Eingangsgröße für jeden Einzellinearspeicher ist die summarische, flächengewichtete Grundwasserneubildung aller zugeordneten Hydrotopklassen, Ausgangsgröße und Input für die Gesamtabflussermittlung in der Modellebenen Q ist der summarische Grundwasserabfluss aller Einzellinearspeicher innerhalb eines Raumbezuges KAS, TG, REG bzw. GEB.


03.3 Modellinitialisierung

Die Modellinitialisierung erfolgt innerhalb des Rahmenprogramms ArcEGMO (s. Basisdokumentation, Kapitel 7). Dabei wird Speicherplatz für die Modellparameter und Systemzustandsvariablen bereitgestellt. Außerdem erfolgt eine Anfangswertschätzung für die Einzellinearspeicherfüllungen unter Einbeziehung vorliegender Beobachtungswerte des Abflusses.


03.4 Parameterermittlung

Da derzeit nur unzureichende Möglichkeiten existieren, die Einzellinearspeicherkonstanten direkt aus GIS-Informationen abzuleiten, müssen diese wie auch der Parameter AFMN als einzulesende Kennwerte vorgegeben werden.

 

Teilgebietsbezogene Verwaltung der Grundwasserparameter über die GIS-Datenbasis

Werden die Abflusskomponenten an die GIS-Datenbasis z.B. an die Teileinzuggebiete geschrieben, können diese auch wieder ausgelesen werden. Bedingung ist, dass die Namensvergabe der Spalten für die Abflusskomponenten gleich der in den results ausgegeben Parameterdatei tg_egmo-gw.par ist. Am einfachsten ist es, eine erste Rechnung durchzuführen und dann diese Parameterdatei an die GIS-Datenbasis fest anzubinden (siehe Auszug aus Tg.dbf). Danach können diese Parameter regionsspezifisch geändert werden.

Zuerst wird geprüft, ob die Abflusskomponenten an der GIS-Datenbasis stehen. Ist das nicht der Fall wird geprüft, ob es im Ergebnisverzeichnis schon eine entsprechende Parameterdatei gibt. Liegt keine vor werden die angegebnen Abflusskomponenten aus der modul.ste eingelesen. Soll eine Parametervariation der Abflusskomponenten mit dem Zusatzprogramm ae_var.exe durchgeführt werden, muss in der modul.ste das Steuerwort SPEICHERUNG_DER_ELS_KONSTANTEN deaktiviert werden.

Auszug aus Tg.dbf

 


03.5 Schnittstellen

Die Anzahl der Abflusskomponenten und ihre jeweiligen Einzellinearspeicher werden in der Steuerdatei MODUL.STE festgelegt. Programmintern werden dann verschiedene Hydrotopklassen zusammengefasst und ihre Grundwasserneubildung in den jeweils zugeordneten, gemeinsamen Einzellinearspeicher konzentriert. Die vorgeschaltete Modellierung der Abflussbildung muss dabei nicht unbedingt für Hydrotopklassen erfolgen. Es ist auch möglich, die Abflussbildungsberechnung elementarflächenbezogen durchzuführen. Dann erfolgt für die Elementarflächen lediglich eine Hydrotopklassenzuordnung innerhalb der Programmkomponente HYD (s. Basisdokumentation, Kapitel 4).

Die Anweisungszeilen in der Steuerdatei beginnen mit der Modulbezeichnung EGMO_GW. Anschließend wird AFMN festgelegt als der Anteil grundwasserferner Flächen (Parameter im EGMO-Modell), dessen Basisabfluss nicht auf grundwassernahen Flächen reduziert werden kann. Dies ist in der derzeitigen Modellversion ein Parameter, der z.Z. noch nicht physikalisch fundiert, beispielsweise aus GIS-Infor­matio­nen, abgeleitet werden kann. Weil die Festlegung solcher Parameter schwierig und unsicher ist, gehen sie in die Modellierung global ein, d.h. es erfolgt weder eine Differenzierung nach Teileinzugsgebieten noch nach Hydrotopklassen.

Nun werden, beginnend mit dem Schlüsselwort ABFLUSSKOMPONENTEN diese definiert. Jeder Eintrag für eine Abflusskomponente beginnt mit einer freiwählbaren Bezeichnung. Anschließend wird die Einzellinearspeicherkonstante [in Tagen] vorgegeben. Es folgen die Hydrotopklassen, deren Grundwasserneubildungen in diesen Einzellinearspeicher geleitet werden sollen. Die Bezeichnungen der Hydrotopklassen müssen mit den bei der Hydrotopklassenfestlegung gewählten Bezeichnungen (s. Basisdokumentation, Kapitel 4) übereinstimmen. Kommentare sind hier innerhalb dieser Zeilen nicht erlaubt! Die Anzahl der Komponenten und damit die Anzahl der Einzellinearspeicher wird durch die Anzahl der Anweisungszeilen bis zur Endzeile (mit ‘+’ beginnend) festgelegt. In stark meliorierten Einzugsgebieten wäre so z.B. durchaus die Betrachtung einer zusätzlichen Komponente für diesen Flächentyp sinnvoll. Insgesamt darf die Anzahl der Abflusskomponenten die Anzahl der Hydrotopklassen nicht überschreiten, weil eine Aufteilung der Grundwasserneubildung einer Hydrotopklasse auf mehrere Speicher nicht vorgesehen ist.

Diese komponentenbezogene Vorgabe von Einzellinearspeicherkonstanten ist in kleinen bis mittelmaßstäbigen Untersuchungsgebieten mit geringer hydrogeologischer Differenzierung meist ausreichend. In heterogenen Gebieten oder bei großräumigen Modellierungen ist jedoch vielfach eine weitere Differenzierung notwendig.

In ArcEGMO wird dazu eine flächendifferenzierte Vorgabe der Einzellinearspeicherkonstanten angeboten, die über das Schlüsselwort SPEICHERUNG_-DER_ELS_KONSTANTEN? JA im Block EGMO_GW in der Steuerdatei MODUL.STE aktiviert werden kann. Dann werden die Einzellinearspeicherkonstanten und der Parameter AFMN in der Datei results\< VARIANTE>\para\<rb>_gw.par mit ihren Raumbezügen gemäß des gewählten Raumbezugs für die Modellierung (KAS, TG, REG oder GEB) gespeichert. Zu beachten ist, dass dieses Schlüsselwort vor dem Eintrag ABFLUSSKOMPONENTEN stehen muss!

Existiert diese Datei beim Simulationsstart bereits, wird sie eingelesen und überschreibt die sonst in der MODUL.STE global gesetzten Einzellinearspeicherkonstanten. Damit ist eine Möglichkeit gegeben, die Einzellinearspeicherkonstanten für alle oder nur für einzelne Modellierungseinheiten (z.B. Regionen oder Teileinzugsgebiete gemäß dem für die Grundwassermodellierung gewählten Raumbezug) gezielt zu verändern.

###############################################################################
EGMO_GW
AFMN   0.0
SPEICHERUNG_DER_ELS_KONSTANTEN?  JA
GW_Tief  RG
ABFLUSSKOMPONENTEN
RG  365 AGw AGl AHAL        
RH   50 AHw AHl AM
RN    3 ANw Anl
+2.Schicht  /* eintragen: Komponente, K2 und SGrenz, EntwaesserungsZuordnung */
RG  36  1000   RH
RH   0.5  20   RN
RN   1     5
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
###############################################################################

Abbildung 3-1: Modulsteuerung EGMO_GW

Über das Schlüsselwort „+2.Schicht“ kann jedem dieser Einzellinearspeicher eine 2. Konstante und ein Grenzwert, ab welcher Speicherfüllung diese 2. Einzellinearspeicherkonstante wirksam werden soll, zugeordnet werden.

Eine weitere Möglichkeit, die insbesondere im Tiefland eine Rolle spielt, kann über die Option GW_Tief aktiviert werden.

Über diese Option sind Abflussvorgänge abbildbar, bei denen die Versickerung in einem Einzugsgebiet einen Grundwasserleiter gespeist, der erst außerhalb des Speisungsgebietes ins Gewässersystem entwässert.

Zur modellmäßigen Berücksichtigung dieser Verlagerungsprozesse wurde das Grundwassermodul EGMO-GW um eine tiefe Grundwasserkomponente erweitert.

Wird diese über das Schlüsselwort GW_Tief im Block EGMO_GW der Steuerdatei ARC_EGMO\modul.ste aktiviert, so kann nachfolgend angegeben werden, welche Komponenten (im oberen Beispiel RG) im zugeordneten Grundwasserunterlieger entwässert. Die „Entwässerung„ erfolgt prinzipiell nicht direkt in das dortige Gewässer, sondern in den dortigen Feuchtflächenspeicher SN, führt also zur Erhöhung der RN-Komponente.

Bei der räumlichen Zuordnung der Grundwasserunterlieger ist demzufolge sicherzustellen, dass der jeweilige Grundwasserunterlieger grundwassernahe Flächen besitzt (großräumige Grundwasserleiter entwässern i.d.R. ins Urstromtal).

Die räumliche Zuordnung der Grundwasserunterlieger erfolgt über die Teilgebietsgeometrien. Dazu ist für die Teileinzugsgebiete TG ein Attribut anzugeben, das auf die TG-ID des Teilgebietes verweist, an das das aktuelle Gebiet gebunden werden soll. Für Teilgebiete, in denen der Grundwasserleiter in das teilgebietsinterne Gewässernetz entwässert, ist die eigene TG-ID anzugeben.

Der Attributname für die GW-Unterliegerzuordnung ist dem Programm über das Schlüsselwort GW_UNTERLIEGER in der Datei GIS\DESCRIBE\tg.sdf mitzuteilen.

Hier kann auch über das Attribut GW_Verlust {0 … 1} angegeben werden, welcher Anteil dieser Abflusskomponente das Gebiet verlässt, was einen Bilanzverlust für das Teilgebiet bedeutet.

GW_UNTERLIEGER            Gw_unterl
GW_Verlust                GW_verlust

Abbildung 3-2: Datei tg.sdf

Wird das über die Grundwasserverlagerung zu speisende Gebiet nicht in der Datenbasis gefunden, wird dieser Grundwasserexport in ein fiktives, externes Gebiet realisiert. Grundwasserverluste in einem Gebiet können also modelliert werden, in dem bewusst ein nicht existierendes Einzugsgebiet als Unterlieger angegeben wird.

Sollen dagegen Grundwassereinspeisungen in das Untersuchungsgebiet berücksichtigt werden, ohne das Modellgebiet auf das unterirdische Einzugsgebiet zu erweitern, so kann dies erfolgen, in dem der Grundwasserunterlieger die mit negativem Vorzeichen versehene TG-ID erhält. Der GW_Verlust ist auch als negativer Wert (< -1) anzugeben. Wird z.B. eine 20%iger Erhöhung des Grundwasserabflusses z.B. aus Isohypsen-Analysen als realistisch angesehen, so ist GW_Verlust auf -1.2 zu setzen.

 

Abflusskonzentration im Grundwasser, Kopplung an das Gewässernetz

Anbindung des Moduls EGMO_GW an geodätische Höhen das reale Gewässernetz

Zur besseren Abbildung der Wechselwirkung zwischen Grund- und Oberflächenwasser im Modell werden die bisher über „frei im Raum schwebenden Einzellinearspeicher“ realisierte Grundwassermodell jetzt an reale Höhenbezüge angepasst.

Als Basismodul wird dazu das 2-Schicht-Modell verwendet, bei dem beim Überschreiten eines Schwellenwertes die diesen Grenzwert übersteigende Speicherfüllung einer anderen Auslaufcharakteristik gehorcht (=andere Einzellinearspeicherkonstante).

Bisher verhinderte das Fehlen einer deterministisch untersetzten Schätzmethodik für diesen Grenzwert eine erfolgreiche Anwendung des 2-Schicht-Modells.

Die nun erfolgte Anbindung des Grundwasserspeichers an reale Höhen geht von folgender Überlegung aus:

Bei einer hinreichend detaillierten Gebietsgliederung für die Modellierung des Grundwasser (TG-Basis, kleine TG’s) wird von einer ebenen Grundwasseroberfläche ausgegangen, die je nach Höhe vom Gewässernetz des Teileinzugsgebietes nicht, teilweise oder komplett angeschnitten wird.

  • Gliederung in 3 oder mehr ELS innerhalb einer GW-Modellierungseinheit würde hier entfallen
  • Modellierung mit hydrotopklassenbezogenen (EGMO-)ansätzen ist nicht mehr bzw. zumindest nicht mehr effektiv möglich, da die Grundwasserstände nun zeitvariabel und damit auch die bisherige Hauptuntergliederung in grundwassernahe und grundwasserferne Flächen zeitvariabel und damit nach jedem Berechnungsschritt neu festzulegen wäre
  • Abflussbildungsmodellierung muss demzufolge auf der Basis von Elementarflächen erfolgen

Anbindung des Moduls EGMO_GW an das Gewässernetz

Insbesondere im Tiefland werden über die Versickerung in einem Einzugsgebiet Grundwasserleiter gespeist, die erst außerhalb des Speisungsgebietes ins Gewässersystem entwässern.

Zur modellmäßigen Berücksichtigung dieser Verlagerungsprozesse wurde das Grundwassermodul EGMO-GW erweitert um eine tiefe Grundwasserkomponente.

Wird diese über das Schlüsselwort GW_Tief im Block EGMO_GW der Steuerdatei ARC_EGMO\modul.ste aktiviert, so kann nachfolgend angegeben werden, welche Komponenten (im unteren Beispiel RG) im zugeordneten Grundwasserunterlieger entwässert. Die „Entwässerung„ erfolgt prinzipiell nicht direkt in das dortige Gewässer, sondern in den dortigen Feuchtflächenspeicher SN, führt also zur Erhöhung der RN-Komponente.

###############################################################################
EGMO_GW
AFMN   -0.010
SPEICHERUNG_DER_ELS_KONSTANTEN?  JA GW_Tief  RG
ABFLUSSKOMPONENTEN
RG  365 AGw AGl AHAL             
RH   50 AHw AHl AM
RN    3 ANw Anl
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
###############################################################################

Modulsteuerung EGMO_GW

 

Bei der räumlichen Zuordnung der Grundwasserunterlieger ist demzufolge sicherzustellen, dass der jeweilige Grundwasserunterlieger grundwassernahe Flächen besitzt (großräumige Grundwasserleiter entwässern i.d.R. ins Urstromtal).

Die räumlichen Zuordnung der Grundwasserunterlieger erfolgt über die Teilgebietsgeometrien. Dazu ist für die Teileinzugsgebiete TG ein Attribut anzugeben, das auf die TG-ID des Teilgebietes verweist, an das das aktuelle Gebiet gebunden werden soll. Für Teilgebiete, in denen der Grundwasserleiter in das teilgebietsinterne Gewässernetz entwässert, ist die eigene TG-ID anzugeben.

Der Attributname für die GW-Unterliegerzuordnung ist dem Programm über das Schlüsselwort GW_UNTERLIEGER in der Datei GIS\DESCRIBE\tg.sdf mitzuteilen.

GW_UNTERLIEGER            Gw_unterl

00. KinWave

01. Anwendungsbereich
02. Prozessbeschreibung
03. Programmtechnische Umsetzung
04. Weiterführende Literatur


01. Anwendungsbereich

Die Anwendung der kinematischen Welle wird dann empfohlen, wenn die Konzentration des Landoberflächenabflusses detailliert beschrieben werden soll.

Eine Anwendung ist für alle Raumbezüge außer Elementarflächen möglich, allerdings nur für Kaskadensegmente KASEG (s. Basisdokumentation,  Kapitel 4) sinnvoll.


02. Prozessbeschreibung

Der Landoberflächenabfluss wird nach folgenden Vorstellungen über seine Genese modelliert.

Wenn im Zuge der Abflussbildung Effektivniederschlag ge­bildet wurde, d.h. die Nieder­schlags­intensität die Infiltrationsintensität über­schrei­tet oder Wasser exfiltriert, wird dieses Wasser entsprechend dem örtlich vor­handenen Mikro­relief[1] in Mulden gespeichert. Sind diese gefüllt, kann das „über­laufende“ Wasser entsprechend dem Gefälle abfließen. Dieses Wasser fließt zu­erst als Schichtenabfluss ab und infiltriert wieder, wenn sich dafür die Be­din­gungen verbessern (zeitlich oder örtlich sinkende Nieder­schlags­intensität und/oder örtlich steigende Infiltrationsintensität). Wenn diese Bedingungen nicht ein­tre­ten, sammelt es sich zuerst entsprechend des örtlich vorhanden Mikro­reliefs in sogenannten „micro channels“ und fließt in diesen weiter entsprechend dem Re­lief. Die Fließgeschwindigkeit wird bestimmt durch das Gefälle, die Ober­flä­chen­rauhigkeit, die abfließende Wassermenge und die benetzte Oberfläche (hydrau­lischer Radius).

Wie schon angedeutet, besitzt das Mikrorelief einen entscheidenden und sehr differen­zierten Einfluss auf die Bildung und die Geschwindigkeit des Landober­flächen­abflusses, und zwar auf

  • a) die Kapazität des Muldenspeichers,
  • b) den Übergang vom Schichten- zum Gerinneabfluss,
  • c) die Gerinneform (hydraulischer Radius) und die Rauhigkeit.

Gleiche Oberflächenstrukturen (z.B. Fahrzeugspuren, Ackerfurchen) können je nach ihrer Ausrichtung als Muldenspeicher oder als Gerinne fungieren.

Andererseits liegt das Microrelief unter dem Auflösungsvermögen der für die Model­lierung nutzbaren Informationsträger. Die Größen a) bis c) können nur unter Verwen­dung plausibler Annahmen geschätzt werden, so dass eine streng deter­minierte Modellie­rung des Landoberflächenabflusses praktisch nicht möglich ist.

Für die Berechnung der Fließgeschwindigkeit des Landoberflächenabflusses kom­men Ansätze zur Anwendung, die auf der vielfach für diese Problemstellung an­gewendeten Potenzgleichung von MANNING-STRICKLER beruhen. Sie lautet:

 

\fn_jvn v=R^{2/3}\cdot S^{1/2}/n 
Gl. 2-1

 

wobei n [s/m1/3] ein Rauhigkeitsbeiwert (Manningbeiwert), S das Gefälle und R der hydraulische Radius ist. R ist definiert als der Quotient aus durchflossener Fläche A und benetztem Umfang U.

Diese Gleichung wird für den Schichtenabfluss unter der Annahme, dass die Brei­te von A sehr groß ist im Vergleich zur Höhe h (width channel approximation) zu

 

\fn_jvn vs=h^{2/3}\cdot S^{1/2} /ns
Gl. 2-2

mit ns als Rauhigkeit der Landoberfläche.

 

Nach Integration über den Fließweg als Schichtenabfluss ergibt sich die Fließ­zeit Ts mit h = RO * T zu (vgl. z.B. GUPTA & SINCLAIR 1976, WILLGOOSE et. al 1991)

 

\fn_jvn Ts=\mu\cdot (Ls\cdot ns)^{3/5}/RO^{2/5}\cdot S^{3/10}
Gl. 2-3

mit µ als Faktor zur Berücksichtigung unterschiedlicher Einheiten, µ=1 für RO in [m/s] und Ls in [m].

 

Konzentriert sich der Schichtenabfluss in einem Mikrogerinne, so lässt sich die Gerinne­form i.d.R. durch ein Dreieck beschreiben, wobei dessen Seitenneigung stark durch das Geländegefälle geprägt wird. Für ein Dreiecksgerinne gilt nach WILLGOOSE et. al (1991)

 

\fn_jvn vg=(\ss \cdot Q)^{1/4}\cdot S^{3/10}/ng^{3/4} 
Gl. 2-4

 

wobei Q der Abfluss, ng die Gerinnerauhigkeit, ß =  / (4 * (1 + ²)) und  die Seiten­neigung der Gerinnekanten ist.

Die Fließzeit Tg durch ein Gerinne der Länge Lg ergibt sich für Q=RO * Ae zu

 

\fn_jvn Tg=\mu\cdot Lg\cdot ng^{3/4}/[(\ss\cdot RO\cdot Ae)^{1/4}\cdot S^{3/10}]
Gl. 2-5

µ=1 für RO in [m/s] und Lg in [m] und mit Ae in [m²] als Einzugsgebiet des Gerinnes.

 

Die Abschätzung der Fließlängen Ls und Lg hängt eng mit der Fragestellung zusammen, wann der anfängliche Schichtenabfluss in Rinnenabfluss übergeht bzw. wie dicht das Rinnennetz in der betrachteten Flächeneinheit ist.

Die Dichte des Gerinnenetzes wird in der klassischen Hydrologie durch die Fluss­dichte D beschrieben. Sie ist die Länge sämtlicher Flussabschnitte eines Ein­zugs­ge­bietes, bezogen auf dessen Fläche. Die Flussdichte ist ein Maß für die relativen An­teile von Landoberflä­chen- und Gerinneabfluss. Sie wird be­stimmt durch die Nieder­schlags­verhältnisse, das Gelände­gefälle, die Durch­lässig­keit der Böden und die Vegetationsverhältnisse.

WILLGOOSE et. al (1991) gingen im Rahmen einer Modellierung der Genese von Ge­rinne­netzen u.a. von der Überlegung aus, dass Gerinnenetze prinzipiell raum­fül­lend sind. Raumfüllend bedeutet aber, dass Gerinnenetze sich in allen Maß­stabs­ebenen ausbilden und nicht nur das eigentliche Flussnetz, sondern auch das potentielle Gerinnesystem, das nur während Abfluss­bil­dungs­pe­rioden Wasser führen kann, betrachtet werden muss. Dieses potenzielle Ge­rinne­system wird ent­sprechend den Gefälleverhältnissen gebildet durch Erosionsprozesse bzw. durch die Tallinien entsprechend der Ober­flächen­struktur nachgebildet. Mit kleiner werdendem Maßstab nimmt die Wahr­schein­lich­keit zu, dass anthropogene Einflüsse wie Fahrzeugspuren und Acker­furchen bevorzugte Fließwege darstellen und den Gefälleeinfluss überlagern.

Bei beliebiger Verfeinerung der Auflösung und unter Berücksichtigung seiner raum­füllenden Eigenschaft geht die Länge des Gerinnenetzes gegen un­endlich, der Fließweg des Wassers als Schichtenabfluss gegen Null. Gleichzeitig wird aber die Tiefe des Gerinnes immer geringer, so dass es leicht ausufern kann. In diesem Fall ist die Abfluss­tiefe größer als die Gerinnetiefe und es ist wieder von einem Schichtenabfluss auszuge­hen.

Eine eindeutige Festlegung, wie lange Schichtenabfluss stattfindet, ist also nicht möglich, da

  • dieser Übergang ereignisabhängig vom Effektiv­nieder­schlag abhängt,
  • das Mikrorelief unterhalb der Auflösung des GIS liegt und damit auch nicht modell­mäßig berücksichtigt werden kann,
  • der anthropogene Einfluss auf das Mikrorelief nicht determiniert erfassbar ist.

Der Rauhigkeitsbeiwert nach MANNING ist nur experimentell bestimmbar. In der Literatur sind unterschiedlichste Angaben zur Größe von n zu finden. ROSS et al (1979) setzen für Wald 0.4, Acker 0.35, Weide 0.3, Ortschaften 0.25 und ver­sie­gelte Flächen 0.02 an, während PREIßLER (1978) eine Größenordnung tiefer liegt und für Wald 0.08, für verschiedene landwirtschaftliche Nutzungen zwischen 0.033 und 0.026 und für versiegelte Flächen 0.01 empfiehlt.

Auf Grund der großen Unsicherheiten bei der Festlegung der Rauhigkeitsbeiwerte, die für die Modellierung als zu optimierender Parameter angesehen werden müssen, wurde in der vorliegenden Modellversion auf eine Unterscheidung zwischen Schichtabfluss und Abfluss im Mikrogerinne verzichtet, weil dies letztlich mindestens einen weiteren freien Parameter bedeutet. Der Landoberflächenabfluss wird deshalb prinzipiell als Schichtenabfluss beschrieben.


[1] Unter Mikrorelief werden Oberflächenstrukturen wie Erosionsrinnen, Ackerfurchen, Hufeindrücke u.ä. verstanden. Es ist einerseits natürlich gegeben (z.B. kleinsträumige Deformationen der Oberfläche wie Mulden) und zeitlich stabil, zum anderen auch durch die Nutzung und den Bearbeitungszustand zeitlich sehr variabel beeinflusst.


03. Programmtechnische Umsetzung

3.1 Räumliche und zeitliche Diskretisierung
3.2 Ein- und Ausgangsgrößen
3.3 Modellinitialisierung und Parameterermittlung
3.4 Modellrechnung
3.5 Schnittstellen 


03.1 Räumliche und zeitliche Diskretisierung

Das Modul Kinematische Welle wird über die Hauptsteuerdatei ARC_EGMO.STE aktiviert. Als Raumauflösungen können Kaskadensegmente (s. Basisdokumentation, Kapitel 4), Teileinzugsgebiete, Regionen oder das Gesamtgebiet gewählt werden.

Die zeitliche Diskretisierung bzw. die Berechnungszeitschrittweite DTb wird programmintern im Bereich zwischen 1 Sekunden und einem Tag variabel festgelegt (s. Basisdokumentation, Kapitel 3.4).


03.2 Ein- und Ausgangsgrößen

Eingangsgröße ist der potentielle Landoberflächenabfluss als Überlauf des Muldenspeichers (s. Modellebene Abflussbildung). Ausgangsgrößen sind der Landoberflächenzufluss in das Gewässersystem als Inputgröße für die nachgeschaltete Modellebene Gesamtabfluss und der Anteil des Landoberflächenabflusses, der innerhalb des Berechnungszeitschrittes nicht das Fließgewässersystem erreicht hat. Letzterer wird der Abflussbildung erneut zur Infiltration angeboten.


03.3 Modellinitialisierung und Parameterermittlung

Vor den eigentlichen Berechnungen erfolgt im Sinne eines „preprocessings“ die Ermittlung der Modellparameter und von zeitkonstanten Hilfsgrößen, deren Berechnung aus numerischen Gründen aus den zeitzyklischen Simulationsrechnungen herausgezogen worden sind. Neben der Festlegung der Berechnungshierarchie, die sicherstellt, dass der Abfluss aus einem Segment im aktuellen Zeitschritt den Unterlieger erreicht (Berechnung also von „oben“ nach „unten“) wird für jedes Kaskadensegment unter Nutzung der Informationen der im Basisdokumentation, Kapitel 4 beschriebenen GIS-Datenbasis ermittelt:

  • das mittlere Geländegefälle S,
  • die mittlere Oberflächenrauhigkeit (s. Tabelle 9) n = 1 / M,
  • der Flächenanteil ant_kas jeder Elementarfläche oder Hydrotopklasse an ihrem Kaskadensegment,
  • der Fließweg L zum Unterlieger (Kaskadensegment oder Gewässerabschnitt) und
  • der zeitkonstante Anteil der Gleichung (4-3) als Abflussfaktor \tiny \fn_jvn afak\_s=(L*n)^{3/5}/S^{3/10}.

03.4 Modellrechnung

Innerhalb des Simulationszyklus wird das Abflusskonzentrationsmodell nur dann aktiv, wenn im Zuge der Abflussbildungsberechnungen auf mindestens Elementarfläche oder Hydrotopklasse Direktabfluss gebildet wurde.

Ist dies der Fall, wird für jedes Raumelement die flächenbezogene Summe aller internen (hydrotop- oder elementarflächenbezogenen) Direktabflüsse ermittelt. Basierend auf dem Ansatz der kinematischen Welle wird für jedes Element die Fließzeit Ts ermittelt, die der Landoberflächenabfluss RO zum vollständigen Verlassen benötigen würde.

Das Minimum aller Fließzeiten Ts (aller Raumelemente) bildet die Grundlage für die Abschätzung der aktuellen Berechnungszeitschrittweite DTb. Diese wird also bestimmt durch das Element mit den „günstigsten“ Fließbedingungen (größtes Gefälle, geringste Rauhigkeit, kürzester Fließweg) und ist ereignisabhängig über die Abflusshöhe.

In Abflussbildungsperioden wird also ereignisabhängig die Standardberechnungszeitschrittweite DTd, die der Zeitauflösung der meteorologischen Daten entspricht, aus Stabilitätsgründen bis in den Minuten- und Sekundenbereich herunter gesetzt.

Aus dem Verhältnis von Fließzeit Ts und Berechnungszeitschrittweite DTb ergibt sich dann für jedes Raumelement der Abflussanteil, der das Segment verlässt und dem Unterlieger (Segment oder Gewässerabschnitt) zugeordnet wird. Der restliche Abfluss verbleibt im Segment, wird durch eventuelle Oberliegerzuflüsse erhöht und im Abflussbil­dungsmodell wieder zur Infiltration angeboten.


03.5 Schnittstellen

Die Anwendung der kinematischen Welle ist mit einer Reihe von schon diskutierten Unsicherheiten bei der Parametrisierung verbunden (Wahl der Rauhigkeiten, Übergang vom Schicht- zum Gerinneabfluss). Eine weitere liegt in der Ermittlung des Fließweges Fl des Landoberflächenabflusses zum Unterlieger. Programmintern wird dieser Fließweg aus der Entfernung zwischen den Flächenschwerpunkten der Teileinzugsgebiete bzw. der Entfernung zum unteren Gewässerknoten ermittelt. Diese Luftlinienentfernung berücksichtigt nicht das Relief, über das der wahre Fließweg ein Vielfaches der Luftlinienentfernung betragen kann. Letztlich wird damit die Konzentrationsgeschwindigkeit über- und die Konzentrationszeit unterschätzt.

Eine Verringerung der Konzentrationsgeschwindigkeit ist über eine Verlängerung des Fließweges möglich.

Dazu kann in der Steuerdatei MODUL.STE im Anweisungsblock KINWAVE ein Faktor zur Fließwegverlängerung angegeben werden (s. Abbildung 3-1).

Mit diesem Faktor wird der GIS-gestützt ermittelte Fließweg Fl multipliziert.

 

###############################################################################
KINWAVE
FAK_FLIESSWEGVERLAENGERUNG  1. 
###############################################################################

Abbildung 3-1: Modulsteuerung KIN_WAVE


04. Weiterführende Literatur

Dooge, J.C. (1985): Hydrological Modelling and the Parametric Formulation of Hydrological Processes on a Large Scale. WCP- Publ. Ser. No. 96, WMO/TD-No. 43, Geneva

Gupta, V.; Sinclair,P. (1976): Time of concentration of over­land flow; Journal of Hydraulics Division, ASCE, Jg. 102, HY 4

Preißler, G. (1978) : Grundlagen der Hydraulik für Bauingenieure. 2. Lehrbrief für das Hochschulstudium, VEB Verlag Technik Berlin

Ross, B.; Contractor, D.; Shanholth, V. (1979): A finite-ele­ment model of overland and channel flow for assessing the hydro­logy impact of landuse change; Journal of Hy­drology, Amsterdam Jg. 41 H 1 und 2

Willgoose, G.; Bras, R.F.; Rodriguez-Iturbe, I. (1991): A coup­led channel network growth and hillslope evolution model. Water Resources Research, Vol. 27, No 7, pp 1671 – 1684


0. Inhaltsverzeichnis

1 Überblick
2 Verdunstung
3 Schneedynamik
4 Vegetationsdynamik
5 Bodenwasserdynamik
6 Bodenwärmedynamik
7 Kohlenstoff-/Stickstoffdynamik
8 Phosphorkreislauf
9 Eingangsdaten und Modellparameter
10 Programmtechnische Umsetzung
11 Anwendungsbeispiele
12 Literatur

13 Symbole und Abkürzungen


01. Überblick

Die moderne Flussgebietsbewirtschaftung erfordert neben der Betrachtung der Wasserflüsse auch die Berücksichtigung von Wasserinhaltsstoffen, wie z.B. gelöste Stickstoffkomponenten. Dazu wurde im Rahmen von ArcEGMO (Pfützner, 2002; Becker et al., 2002) das Abflussbildungsmodul PSCN entwickelt, welches neben der Wasserdynamik im System „Vegetation – Boden“ auch den Phosphor-, Kohlen- und Stickstoffhaushalt simuliert (Abb. 1‑2). PSCN (Plant-Soil-Carbon-Nitrogen Model) entstand durch die Kopplung komplexer Wachstumsmodelle für Wald- und landwirtschaftliche Flächen mit einem detaillierten Bodenmodell. Durch die Implementierung eines Fruchtfolgen­generators kann die landwirtschaftliche Anbaustruktur einer Region genau wiedergegeben werden. Einsatzbereich ist die mittelmaßstäbige (1 bis 1000 km²) Simulation des Wasser- und Stoffhaushaltes einer Region bei Berücksichtigung der Vegetations- und Ertragsentwicklung.

Als treibende klimatische Größen werden Lufttemperatur, Niederschlag, Luftfeuchte und Globalstrahlung in täglicher Auflösung benötigt, die durch ArcEGMO für jedes simulierte Raumelement bereitgestellt werden. Die räumliche Auflösung erfolgt entsprechend des Aggregations­schemas von ArcEGMO (Becker et al., 2002; Pfützner, 2002) auf Hydrotopebene (Elementarfläche). Jedes Hydrotop ist durch eine bestimmte Landnutzung und einen Bodentyp charakterisiert und hat einen festen Raumbezug innerhalb des Untersuchungsgebietes (s. Abb. 1‑1).

 

image

 

Abb. 1‑1: Aggregationsschema von ArcEGMO – linke Bildseite: Erzeugung von Hydrotopen durch Verschneidung der Basiskarten, rechte Bildseite: Erstellen des finalen Raummodells durch Zuordnung dieser Hydrotope zu den Teileinzugsgebieten des Untersuchungsraumes

 

Vorteile dieser prozessbeschreibenden, räumlich und zeitlich hochauflösenden Modellierung gegenüber konzeptionellen Bilanzierungsansätzen wie z.B. MONERIS (Behrendt et al., 2002) werden vor allem hinsichtlich folgender Aspekte gesehen:

a. Die Simulation der Prozesse auf der Basis räumlich determinierter Hydrotope ermöglicht die Ausweisung von Risikoflächen hinsichtlich

  • der Stoffausträge mit dem Oberflächen-, dem Drainage- bzw. dem hypodermischen Abfluss
  • der Stoffeinträge in den Grundwasserkörper
  • des landwirtschaftlichen Ertragsrisikos bedingt durch Wassermangel.

b. Die deterministische Abbildung der Vegetationsentwicklung land- und forstwirtschaftlicher Kulturen und Bestände erlaubt die Abbildung der inner- und mehrjährigen Dynamik der untersuchten Zustandsgrößen des Gebietswasser- und Stoffhaushaltes.

c. Das Modell ist szenariotauglich hinsichtlich kurz- und langjähriger Veränderungen des Klimas und der Landnutzung.

Wie Abb. 1‑2 verdeutlicht, lässt sich das PSCN-Modul in die drei Hauptkomponenten Bodenmodell, Vegetationsmodell und Schneemodell untergliedern. Das Vegetationsmodell (Kap. 4) enthält Wachstumsmodelle für Wald- und landwirtschaftliche Flächen. Das Bodenmodell besteht aus einem Bodenfeuchtemodell (Kap. 5), einem Bodenwärmemodell (Kap. 6), einem Kohlenstoff-/Stickstoffmodell (Kap. 7) und einem Phosphormodell (neu seit 2009, Kap. 8). Die einzelnen Teil­modelle sind streng gekapselt. Der Datenaustausch zwischen ihnen erfolgt über spezifische Schnittstellen. Somit ist es möglich, einzelne Teilmodelle auszutauschen bzw. auf verteilten Systemen zu führen. Diese können dabei in unterschiedlichen Sprachen programmiert sein.

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Abb. 1‑2: Das PSCN-Modul im Rahmen des hydrologischen Einzugsgebietsmodells ArcEGMO – Überblick über die simulierten Teilprozesse

 

Die Vegetationsdynamik wird in Abhängigkeit von der Landnutzung für die einzelnen Hydrotopen simuliert. Je nach Zielstellung der Simulation und der vorhandenen Eingangsdatenbasis kann auch mit einem vereinfachenden Landnutzungsmodell ohne Berücksichtigung der C/N-Dynamik im Boden und im Bestand gerechnet werden.

Die Modellierung der Bodenprozesse erfolgt unter Berücksichtigung der horizontalen Schichtung des Bodens bis hinunter zum Ausgangssubstrat. Dabei werden bei grundwasserbeeinflussten Standorten auch temporär gesättigte Bodenschichten einbezogen. Einen Überblick über die berücksichtigten Teilprozesse des Wasserhaushaltes gibt Abb. 1‑3.

 

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Abb. 1‑3: Simulierte Teilprozesse des Bodenwasserhaushaltes eines Hydrotops

 

Neben den Zustandsgrößen zur Beschreibung der Vegetationsdynamik und der Bodenprozesse werden für jedes Raumelement folgende Wasserhaushaltsgrößen in täglicher Auflösung berechnet und zur Weiterverarbeitung an die Lateraldomäne von ArcEGMO übergeben:

  • Aktuelle Verdunstung,
  • Oberflächenabflussbildung,
  • Zufluss zum Kanalisationsnetz (unterteilt in Misch- und Trennkanalisation) bzw. in lokale Versickerungsmulden (s. Modelldokumentation ArcEGMO – Teil 1, Kapitel 4.5.1 (Pfützner, 2002)),
  • Hypodermischer Abfluss,
  • Zufluss ins Drainagesystem
  • Perkolation aus der Wurzelzone unter Einbeziehung des Makroporenflusses,
  • Pflanzenentzug, bei grundwasserbeeinflussten Standorten unter Berücksichtigung des kapillaren Aufstiegs.

Ist ein Hydrotop teilversiegelt (z.B. Siedlungsbereiche), so erfolgt eine getrennte Simulation für die versiegelten und unversiegelten Flächenanteile. Entsprechend des Anschlussgrades des versiegelten Flächenanteils wird der darauf auftreffende Niederschlag dem Trenn- oder Mischkanalisationsnetz zugeführt bzw. dem Oberflächenabfluss zugeordnet, der für eine Wiederversickerung in den benachbarten Flächen zur Verfügung steht.


02. Verdunstung

Die Verdunstung wird als Summe aus Interzeptionsverdunstung Ei, Sublimation der Schneedecke Esnow, Verdunstung des Oberflächenwassers Ew und des unbedeckten Bodens Es sowie der Transpiration der Vegetation ETR auf der Basis der potenziellen Evapotranspiration ETP berechnet. Die einzelnen Verdunstungsanteile sind Bestandteil der Schnittstellen zu den spezifischen Teilmodellen Schneemodell, Interzeptionsmodell, Vegetationsmodell sowie Bodenfeuchtemodell. Die Aufteilung des Verdunstungsbedarfs auf Bodenevaporation und Transpiration erfolgt auf der Basis des Bedeckungsgrades des Bestandes (s. Kapitel 4).

Die potenzielle Evapotranspiration ETP ergibt sich allein aus der meteorologischen Situation. Die Berücksichtigung des Einflusses der aktuellen Bodenbedeckung/Vegetation erfolgt in PSCN durch einen landnutzungsspezifischen Korrekturfaktor fLN(t). Dieser liegt im Bereich 0,6 (Schnee) bis 1,35 in Abhängigkeit von der aktuellen Vegetationsentwicklung und den spezifischen Bestandesparametern. Der aktuelle Wert von fLN(t) wird im Pflanzenmodell berechnet (s. Kapitel 4).

 

\fn_jvn ET_{p}^{LN}=fLN(t)*ET_{p})
(1)

 

ETP kann je nach Verfügbarkeit der notwendigen Eingangsdaten nach verschiedenen Verfahren der Standardbibliothek von ArcEGMO ermittelt werden. Bei vorhandenen Strahlungs- und Wind-Messwerten wird die Nutzung der Gras-Referenzverdunstung (ATV-DVWK, 2002) nach der Penman-Monteith-Beziehung empfohlen („VERDUNSTUNGS_BERECHNUNG 8“ in der Steuerdatei modul.ste).

 

\fn_jvn ET_{p}=\frac{\delta *Rn^{*}}{\delta +\gamma^{*}}+\frac{90 *\gamma }{\delta +\gamma^{*}}*v_{2}*\frac{e_{s}(LT)}{LT+273}*(1-\frac{U}{100})
(2)

 

ETP potenzielle Evapotranspiration
δ Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve
Rn* Verdunstungsäquivalent der Nettostrahlung [mm/d]
γ* modifizierte Psychrometerkonstante γ *= γ (1 + 0,34 v2)
γ Psychrometerkonstante γ = 0,65 hPa/K
v2 Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe [m/s]
es Sättigungsdampfdruck [h/Pa]
U relative Luftfeuchte [%]
LT Tagesmittel der Lufttemperatur [°C]

 

ETp nach Gleichung (2) entspricht der potenziellen Verdunstung eines Grasbestandes von 12 cm Höhe ohne Trockenstress (Annahmen: Albedo = 0,23, aerodynamischer Verdunstungswiderstand = 208/v2, minimaler Bestandeswiderstand=70 s/m).

Liegen keine Messwerte der Windgeschwindigkeit vor, kann alternativ das Verfahren nach Turc/Ivanov (DVWK, 1996) genutzt werden („VERDUNSTUNGS_BERECHNUNG 5“ in der Steuerdatei modul.ste).

 

\fn_jvn ET_{p}=\begin{cases} & \text{ } ak_{U} (R_{g}+b)LT/(LT+15)\Leftrightarrow LT\geq 5^{\circ}C \\ & \text{ } 0,000036(25+LT)^{2(100-U)}\Leftrightarrow LT <5^{\circ}C \end{cases}
(3)

 

\small \fn_jvn k_{U}=\begin{cases} & \text{ } 1+\frac{50-U}{70}\Leftrightarrow U< 50\text{\%} \\ & \text{ } 1 \: \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \! \Leftrightarrow U\geq 50\text{\%} \end{cases}
(4)

 

Rg Globalstrahlung [J/(cm2*d)]
a, b Parameter; a = 0,0031 und b = 209,4 für Dt = 1 d
kU Trockenheitsparameter [-]

 

Die Interzeption wird mittels eines abflusslosen Einzelspeichers mit Überlauf abgebildet. Der Interzeptionsspeicher fängt entsprechend seiner aktuellen Speicherkapazität einen Teil des Niederschlages (P0) ab und wird im gleichen Zeitschritt durch Interzeptionsverdunstung geleert. Die Kapazität des Interzeptionsspeichers hängt vom aktuellen Vegetationszustand ab und wird deshalb innerhalb des Vegetationsmodells berechnet. Die nicht innerhalb des Berechnungszeitschrittes interzeptierte Niederschlagsmenge erreicht die Bodenoberfläche als Niederschlagsdar­gebot.

Nach Abzug der bereits realisierten Verdunstung aus dem Interzeptions-, Schnee- und Muldenspeicher von der potenziellen Evapotranspiration wird der verbleibende Bedarf in potenzielle Bodenevaporation und potenzielle Transpiration aufgeteilt. Das erfolgt in Abhängigkeit vom aktuellen Entwicklungszustand der Vegetation, charakterisiert durch den Bedeckungsgrad B (s. Kapitel 4).

Die potenzielle Evaporation des unbedeckten Bodens Esp berechnet sich dementsprechend zu:

 

\fn_jvn \small E_{sp}=(ET_{p}-E_{i}-E_{snow}-E_{w})(1-B)
(5)

 

B Bedeckungsgrad (0, 1)

 

Die Berechnung der aktuellen Evaporation und Transpiration erfolgt in Abhängigkeit von der aktuellen Bodenfeuchte und der pflanzen- und entwicklungsspezifischen Wurzelverteilung (s. dazu Kapitel 4, 4.4.3 und 5.4).


03. Schneedynamik

Die Modellierung der Schneedynamik kann mit empirischen Verfahren in Abhängigkeit von der Lufttemperatur

  • wie im Bodenmodell BAMO (AdL, 1983); (Schneemodell 2 in modul.ste),
  • nach Knauf (1980) in Kombination mit einem Schmelzsetzungsverfahren nach Bertle (1966); (Schneemodell 3 und 6 in modul.ste)

bzw. auf der Basis der vereinfachten Energiebilanzgleichung mit dem Ansatz nach

  • Koitzsch & Günther (1990); (Schneemodell 1 in modul.ste) oder
  • Klöcking & Heurich (2012) auf der Basis von Koitzsch & Günther (1990) und Bertle (1966); (Schneemodell 4 in modul.ste)

erfolgen. Diese Ansätze genügen den meisten hydrologischen Fragestellungen im Rahmen der Einzugsgebietsmodellierung. Werden neben Informationen zum Wasseräquivalent der Schneedecke auch Simulationsergebnisse zur Schneehöhe benötigt, wird das letzte Verfahren empfohlen.

Außerdem erlaubt ein Modul zur technischen Beschneiung den Einsatz des Modells auch für Wintersportgebiete mit beschneiten Pistenabschnitten.

Eine detaillierte Beschreibung findet sich in den angegebenen Quellen bzw. in der Modellbeschreibung ArcEGMO (Pfützner, 2002).


04. Vegetationsmodell

4.1 Vegetationsmodelle zur Auswahl

4.2 Statisches Landnutzungsmodell

4.3 Dynamischer Ansatz auf der Basis von Tabellenfunktionen

4.4 Das Modell für land- und forstwirtschaftliche Kulturen VEGEN

4.4.1 Grundlagen
4.4.2 Phänologie und Wachstum
4.4.3 Wasseraufnahme
4.4.4 Nährstoffaufnahme
4.4.5 Ertragssimulation
4.4.6 Management

4.5 Das Waldwachstumsmodell 4C

4.5.1 Grundlagen
4.5.2 Wasser- und Nährstoffbilanzierung
4.5.3 Assimilation und Allokation
4.5.4 Phänologie und Mortalität
4.5.5 Regeneration, Management und Störungen
4.5.6 Parameter, Initialisierung und Triebkräfte
4.5.7 Validierung und Anwendung


04.1 Vegetationsmodelle zur Auswahl

PSCN enthält vier unterschiedliche Vegetationsmodelle, die sich den zwei Gruppen „gesteuerte Modelle“ und „Feedback-Modelle“ zuordnen lassen (s. Abb. 4‑1). Für makroskalige Wasserhaushaltssimulationen bzw. Modellanwendungen für bekannte Vegetationsverläufe haben sich die beiden, über zeitvariable Randbedingungen (vorgegebene Zeitfunktionen der Entwicklung phänologischer Kennwerte) gesteuerten Modellansätze bewährt. Sind jedoch Szenariosimulationen oder die Abbildung nicht so gut beobachteter Standorte das Ziel der Modellanwendung, muss die Dynamik der Vegetationsdecke explizit in Abhängigkeit von der Witterung und den übrigen Standortbedingungen simuliert werden. Dafür stehen die beiden „Feedback-Modelle“ zur Verfügung. Neben dem Einsatz des Waldwachstumsmodell 4C (Kapitel 4.5) hat sich ein generisches Wachstumsmodell auf der Basis eines Wärmesummenansatzes zur Simulation der phänologischen Entwicklung bewährt (Kapitel 4.4). Mit diesem Modell lassen sich auch die Erträge in Abhängigkeit von den aktuellen Standortbedingungen und somit auch die Ertragsauswirkungen des Klimawandels für verschiedene Böden berechnen.

 

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Abb. 4‑1: Landnutzungsmodelle in ArcEGMO-PSCN

 

Fruchtartenspezifische Modelle, wie z.B. für Grünland, Winterweizen, Mais oder Kartoffeln, sollen im weiteren Entwicklungsverlauf dazu kommen. Die Komplexität (und damit auch der Anspruch an die Eingangsdaten) nimmt vom ersten bis hin zum letzten Modell zu. Sind die verfügbaren Eingangsdaten für eine Simulation mit dem gewählten Pflanzenmodell nicht ausreichend, so wird modellintern automatisch das nächsteinfachere Modell aktiviert. Prinzipiell werden die beiden allgemeinen Vegetationsansätze für alle Flächen initialisiert, so dass auch bei fehlenden Eingangsdaten für die Wachstumsmodelle 4C und VEGEN eine flächendeckende Simulation des Gebietswasserhaushaltes ohne detaillierte Vegetationsmodellierung erfolgen kann.


04.2 Statisches Landnutzungsmodell

Dieser Ansatz dient insbesondere zur Beschreibung von Flächen, die nicht primär durch ihre Vegetation bestimmt sind, wie z.B. Siedlungen, Gewerbegebiete, Halden, Brachflächen. Er kann jedoch auch für Vegetationsflächen ohne große innerjährliche Dynamik (z.B. Wiesen, Nadelwald) bzw. für Flächen, zu denen kaum Informationen vorliegen, genutzt werden.

Für die jeweiligen Landnutzungen werden mittlere Kennwerte wie Oberflächenrauigkeit (Strickler-Wert nach Bollrich & Preißler, 1992), Versiegelungsgrad, maximale Wurzeltiefe, Interzeptionsspeicherkapazität, Bedeckungsgrad, maximaler Blattflächenindex und landnutzungsspezifischer minimaler und maximaler Korrekturfaktor der potenziellen Verdunstung fLN eingelesen. Die Zuordnung erfolgt anhand von Erfahrungswerten und Literaturangaben (z.B. ATV-DVWK, 2002). In den Wintermonaten (November bis März) wird zur Korrektur der Grasreferenzverdunstung der minimale Wert von fLN und in der Vegetationsperiode (April bis Oktober) der Maximalwert genutzt (vgl. Kapitel 2). Dabei wird jedoch modellintern sichergestellt, dass fLN ≥ 0.73 (Korrekturwert für Brache nach ATV-DVWK, 2002) ist.

Ist für einen Landnutzungstyp ein maximaler Bedeckungsgrad Bmax von weniger als 1 (100 %) – bzw. in räumlicher Untersetzung für eine Elementarfläche eine Bestandesdichte von Bd < 1 – angegeben, so wird der Blattflächenindex entsprechend reduziert:

 

\small \fn_jvn LAI=LAI_{max}Bd (=konstant)
(6)

 

LAImax Blattflächenindex bei Bmax=1 bzw. Bd=1
Bd Bestandesdichte (0, 1)

 

Die Interzeptionskapazität SI land- und forstwirtschaftlicher Flächen wird für LAI>0 nach Hoyningen-Huene (1983) berechnet:

 

\small \fn_jvn S_{I}=\begin{cases} & k_{S}(0,935+0,498*LAI-0,00575*LAI^{2})\Leftrightarrow LAI> 0 \\ & 0 \Leftrightarro\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \Leftrightarrow LAI=0,\text{\ kein Wald}\\ & k_{s}*S_{I}^{min}*Bd \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \! \! \; \; \Leftrightarrow LAI=0,\text{\ Wald} \end{cases}
(7)


SImin minimale Interzeptionskapazität [mm/d]
kS Korrekturfaktor für Schnee- und Regeninterzeption in Forstbeständen (Standard: kS=1)

Der Bedeckungsgrad B des Bodens zur Aufteilung des Verdunstungsbedarfs auf Bodenevaporation und Transpiration wird in Abhängigkeit vom Blattflächenindex LAI wie folgt berechnet:

 

\fn_jvn B=1-e^{(-0,5*LAI)}
(8)

 

Die Berechnung des Bodenwasserentzuges durch Transpiration erfolgt in Abhängigkeit von der Durchwurzelungstiefe und der aktuellen Bodenfeuchte. Die landnutzungsspezifische Wurzeltiefe wird dabei entsprechend des Ertragspotenzials des Standortes korrigiert (s. Kapitel 4.3).


04.3 Dynamischer Ansatz auf der Basis von Tabellenfunktionen

Grundprinzip dieses Ansatzes ist die Verarbeitung von Zeitfunktionen zur Beschreibung der innerjährlichen bzw. mehrjährigen Dynamik der beiden, für den Gebietswasserhaushalt wichtigen, vegetationsspezifischen Parameter Wurzeltiefe und Blattflächenindex LAI. Diese Funktionen werden für die einzelnen Vegetationstypen entweder über äqui- bzw. nichtäquidistante Stützstellen oder als Jahres- bzw. Monatsmittelwerte eingelesen. Bei der Vorgabe von Stützstellen werden die benötigten Tageswerte über eine lineare Interpolation ermittelt. Ist für einen Landnutzungstyp ein maximaler Bedeckungsgrad Bmax von weniger als 100 % (bzw. für eine Elementarfläche eine Bestandesdichte von Bd < 1) angegeben, so wird der über die Zeitfunktion eingelesenen Blattflächenindex entsprechend reduziert.

Die Landnutzungskennwerte Versiegelungsgrad und Oberflächenrauigkeit werden wie im statischen Ansatz (Kap. 4.2) betrachtet. Wie auch für die allgemeinen Landnutzungsparameter bietet das Modell für die meisten dynamischen Landnutzungstypen auf Literaturwerten (z.B. LfZ, 2011) basierende Standard-Zeitfunktionen zu Wurzeltiefe und Blattflächenindex.

Die aktuelle Interzeptionskapazität und der aktuelle Bodenbedeckungsgrad B werden wie im statischen Modell in Abhängigkeit vom Blattflächenindex LAI nach den Gleichungen (7) und (8) berechnet.

Der vegetationsabhängige Korrekturfaktor fLN der potenziellen Verdunstung berechnet sich in Abhängigkeit vom aktuellen Bedeckungsgrad B zu:

\fn_jvn fLN=MAX(fLN_{min},fsoil*fLN_{max}*B)
(9)

 

fLNmin/max landnutzungsspezifischer minimaler und maximaler Korrekturfaktor der potenziellen Verdunstung

 

Über den Faktor fsoil wird das Ertragspotenzial EP eines Standortes berücksichtigt. Es wird zwischen drei Klassen unterschieden (vgl. Tab. 2 im Dokument „Eingangsdaten für das Abflussbildungsmodul PSCN“):

– Geringes Ertragsniveau (EP=1): fsoil = 0,8

– Mittleres Ertragsniveau (EP=2): fsoil = 1

– Hohes Ertragsniveau (EP=3): fsoil = 1,2

Die potentielle Transpiration (Kapitel 2) steuert den täglichen Transpirationsentzug bis zur aktuellen Durchwurzelungstiefe. Limitiert wird er durch die nutzbare Feldkapazität der durchwurzelten Bodenschichten. In Abhängigkeit von der aktuellen Bodenfeuchte wird hierfür die Reduktionsfunktion RTR nach Chen (1993) genutzt (Gleichung 32 in Kapitel 4.4.3).

Eine Berücksichtigung der Adaption der Vegetation an die Standortbedingungen, die u.a. zu unterschiedlichen Durchwurzelungstiefen ein und derselben Vegetationsart führt, erfolgt über das Ertragspotenzial des Standortes.

 

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Abb. 4‑2: Tabellenfunktion zur Beschreibung des mittleren innerjährlichen Ganges der Wurzelentwicklung auf Ackerflächen und interne Umsetzung im Modell bei Berücksichtigung des Ertragspotentials des Bodens


04.4. Das Modell für land- und forstwirtschaftliche Kulturen VEGEN

4.4.1 Grundlagen
4.4.2 Phänologie und Wachstum
4.4.3 Wasseraufnahme
4.4.4 Nährstoffaufnahme
4.4.5 Ertragssimulation
4.4.6 Management


04.4.1 Grundlagen

Für die Simulation des Wachstums und der Ertragsbildung landwirtschaftlicher Kulturen wurde das in SWAT2000/2005 (Neitsch et al., 2005) enthaltene Pflanzenmodell mit geringen Modifikationen übernommen. Dieses Modell ist eine vereinfachte Version des EPIC-Wachstumsmodells (Williams et al., 1989; Engel et al., 1993), basierend auf dem Temperatursummenansatz zur Beschreibung der phänologischen Entwicklung der Pflanze. Durch den breiten weltweiten Einsatz dieses Vegetationsmodells stehen für fast alle Kulturarten geprüfte pflanzenspezifische Parametersätze zur Verfügung. Die vom USDA publizierte Parametersammlung (http://www.brc.tamus.edu) enthält u.a. die Daten für Winterweizen, Silomais, Winterroggen, Wintergerste und Sommergerste. Winterraps ist nicht enthalten.

Insgesamt wird zwischen acht Pflanzentypen (IDC) unterschieden:

  • einjährige Sommer- und Winterfrüchte,
  • einjährige Sommer- und Winterleguminosen,
  • Brache und Grünland innerhalb der Fruchtfolge (Erweiterung gegenüber SWAT),
  • Dauerfruchtarten (Dauergrünland etc.),
  • Dauerleguminosen,
  • Bäume.

Wurzelwachstum wird nur für die einjährigen Fruchtarten simuliert. Bei allen anderen wird als Wurzeltiefe die maximal mögliche pflanzen- und bodenspezifische Tiefe angenommen. Für Leguminosen wird die Stickstoffbindung modelliert.

Bei den mehrjährigen bzw. den Winterfruchtarten erfolgt die Berücksichtigung der Vegetationspause im Winter bei Unterschreitung einer minimalen (sortenunabhängigen) Tageslänge TD, die sich aus der kürzesten Tageslänge im Jahr für einen Standort plus einem vom Längengrad abhängigen Summanden (= 1 h für Längengrad > 40 ° Nord oder Süd) ergibt.

Neben fruchtartspezifischen Parametern entsprechend Neitsch et al. (2005) benötigt das Modell Informationen zum Management der landwirtschaftlichen Flächen (s. Kapitel 4.4.6).


04.4.2 Phänologie und Wachstum

Die phänologische Modellierung folgt der „Heat Unit Theory“. Dieser Temperatursummenansatz beruht auf der Annahme, dass das Wachstum der Vegetation vor allem von der Temperatur gesteuert wird (Boswell, 1926). Bei jeder Pflanze muss eine festgelegte Basistemperatur erreicht werden, bevor das Wachstum beginnt. Über dieser Schwellentemperatur beschleunigt sich das Wachstum mit steigenden Temperaturen bis zu einer Optimaltemperatur. Steigt die Tagesmitteltemperatur über die Optimaltemperatur, verlangsamt sich das Wachstum wieder. Jedoch wird z. Z. noch keine Maximaltemperatur, oberhalb derer es zu Pflanzenschäden kommt, berücksichtigt. Eine „Heat Unit“ (HU) ist dabei die Differenz aus der Mitteltemperatur eines bestimmten Tages und der pflanzenspezifischen Minimaltemperatur. Die Ausbildung bestimmter phänologischer Stadien erfolgt anhand pflanzenspezifischer kumulierter HU.

Das Pflanzenwachstum erfolgt direkt proportional zur zugehörigen HU, begrenzt durch Stressbedingungen (Temperatur, Wasser-, Nährstoffmangel). Eine zentrale Stellung kommt dabei der Entwicklung des Blattflächenindex zu. Abb. 4‑3 zeigt die „optimal leaf area development curve“ in Abhängigkeit von den akkumulierten Wärmeeinheiten und sortenspezifischen Parametern. Alle übrigen Vegetationsgrößen (Biomasse, Ertrag, Wurzeltiefe, etc.) sowie die potenzielle Nährstoff- und Wasseraufnahme werden direkt oder indirekt in Abhängigkeit vom LAI berechnet.

 

image

Abb. 4‑3: Entwicklung des Blattflächenindexes LAI entsprechend der akkumulierten Wärmesummen frPHU

 

Blattflächenindex

Für ein- und mehrjährige Pflanzen wird die am Tag i potenziell hinzugekommene Blattfläche wie folgt berechnet:

\small \fn_jvn \Delta LAI_{i}=(fr_{LAImax,i}-fr_{LAImax,i-1})*LAI_{max}*(1-exp(5*(LAI_{i-1}-LAI_{max})))
(10)

 

mit

\fn_jvn fr_{LAIm\: ax}=\frac{LAI}{LAI_{max}}=\frac{fr_{PHU}}{fr_{PHU}+exp(l_{1}-l_{2}*fr_{PHU})}
(11)

 

\fn_jvn fr_{PHU}=\frac{\sum_{i=1}^{d}HU_{i}}{PHU}
(12)

 

\fn_jvn l_{1}=ln\left [ \frac{fr_{PHU}^{1}}{fr_{LAI}^{1}}-fr_{PHU}^{1} \right ]+l_{2}*fr_{PHU}^{1}
(13)

 

\fn_jvn l_{2}=\frac{ln\left [ \frac{fr_{PHU}^{1}}{fr_{LAI}^{1}}-fr_{PHU}^{1} \right ]-ln\left [ \frac{fr_{PHU}^{2}}{fr_{LAI}^{2}}-fr_{PHU}^{2} \right ]}{fr_{PHU}^{2}-fr_{PHU}^{1}}
(14)

 

 

HU heat unit [K]
PHU potential heat units = benötigte Wärmesummen bis zum Erreichen der Reife (pflanzenspezifisch) [K]
frPHU Anteil der potenziell akkumulierbaren Wärmeeinheiten PHU
frLAImax Anteil des maximalen Blattflächenindexes, der zu der aktuellen HU dieser Pflanze korrespondiert
LAImax maximal erreichbarer Blattflächenindex (Pflanzenartspezifisch)
frPHU1 Anteil der potenziell akkumulierbaren Wärmeeinheiten bei frLAImax1 (erster Formparameter der optimalen LAI-Entwicklungskurve)
frPHU2 Anteil der potenziell akkumulierbaren Wärmeeinheiten bei frLAImax2 (zweiter Formparameter der optimalen LAI-Entwicklungskurve)
frLAImax1 Anteil des maximalen Blattflächenindexes, bei frPHU1
frLAImax2 Anteil des maximalen Blattflächenindexes bei frPHU2
l1,l2 Formfaktoren der optimalen LAI-Entwicklungskurve

Für Bäume gilt[1]:

\fn_jvn \Delta LAI_{i}=(fr_{LAImax,i}-fr_{LAImax,i-1})*\left ( \frac{yr_{_{cur}}}{yr_{_{fulldev}}} \right )*LAI_{max}*\left ( 1-exp\left ( 5*\left ( LAI_{i-1}-\left ( \frac{yr_{_{cur}}}{yr_{_{fulldev}}} \right )*LAI_{max} \right ) \right ) \right )
(15)

 

γrcur aktuelles Baumalter [a]
γrfulldev Baumalter bei voller Entwicklung [a]

Das potenzielle Wachstum wird durch ungünstige Lufttemperaturen, Wasser- und Nährstoffmangel reduziert. Der Stressfaktor γreg (0, 1) wird wie folgt täglich berechnet:

\fn_jvn \gamma _{reg}=1-max(\gamma _{w},\gamma _{LT},\gamma _{N},\gamma _{P})
(16)

γW Trockenstress [-]
γLT Temperaturstress [-]
γN Stress durch Stickstoffmangel [-]
γP Stress durch Phosphormangel [-]

\fn_jvn \gamma _{w}=1-\frac{E_{TR}}{E_{TRp}}
(17)

 

ETRp potenzielle Transpiration [mm/d] (s. Kapitel 2)
ETR aktuelle Transpiration [mm/d]

\fn_jvn \gamma _{LT}=\begin{cases} & \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; 1 \: \! \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \Leftrightarrow LT\leq T_{base} \\ & 1-exp\left [ \frac{-0,1054*(T_{opt}-LT)^{2}}{(LT-T_{base})^{2}} \right ]\Leftrightarrow T_{base}< LT\leq T_{opt} \\ & 1-exp\left [ \frac{-0,1054*(T_{opt}-LT)^{2}}{(2*T_{opt}-LT-T_{base})^{2}} \right ]\Leftrightarrow T_{opt}< LT\leq 2*T_{opt}-T_{base} \\ &\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; 1\: \! \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \;\Leftrightarrow LT> 2*T_{opt}-T_{base} \end{cases}
(18)

 

 

 

LT Lufttemperatur (Tagesmittel) [°C]
Tbase Basistemperatur für das Pflanzenwachstum [°C]
Topt Optimaltemperatur für das Pflanzenwachstum [°C]

\fn_jvn \gamma _{N}=1-\frac{\varphi _{n}}{\varphi _{n}+exp\left [ 3,535-0,02597*\varphi _{n} \right ]}
(19)

 

\fn_jvn \varphi _{n}=200-\left ( \frac{bio _{N}}{bio _{N,opt}}-0,5 \right )
(20)

 

φn Skalierungsfaktor für N-Mangelstress [-]
bioN Stickstoffmenge in der Pflanzenbiomasse [kg N/ha]
bioN,opt optimaleStickstoffmenge in der Pflanzenbiomasse für den aktuellen Entwicklungszustand [kg N/ha], s. Kapitel 4.4.4

Der Phosphormangelstress γP wird analog mit dem Parameter bioP,opt berechnet.

Da VEGEN auch allein zur Wasserhaushaltssimulation ohne Simulation des C/N- und des Phosphorhaushaltes genutzt werden kann, werden in diesem Anwendungsfall die beiden Nährstoffstressterme modellintern auf Null gesetzt.

Der aktuelle Blattflächenindex berechnet sich somit unter Berücksichtigung des Stressfaktors zu

\fn_jvn LAI_{i}=LAI_{i-1}+\Delta Lai_{i}\sqrt{\gamma _{reg}}
(21)

 

γreg – täglicher Stressfaktor (0,1)

Mit Erreichen einer Entwicklungsstufe, ab der die Seneszenz der dominierende Wachstumsprozess wird (frPHU,sen), beginnt die Blattalterung. Die Abnahme des Blattflächenindex wird nun wie folgt berechnet:

Annuelle und mehrjährige Pflanzen:

\fn_jvn LAI=LAI_{max}*\frac{(1-fr_{PHU})}{(1-fr_{PHU,\: sen})}
(22)

 

Bäume:

\fn_jvn LAI=\left ( \frac{yr_{cur}}{yr_{fulldev}} \right )*LAI_{max}*\frac{(1-fr_{PHU})}{(1-fr_{PHU,\: sen})}
(23)

 

 

Vegetationshöhe

Die Vegetationshöhe hc von landwirtschaftlichen Pflanzen wird dann über folgende Gleichung bestimmt:

\fn_jvn h_{c}=h_{c,max}*\sqrt{fr_{LAI_{max}}}
(24)

 

hc – Vegetationshöhe [m]
hc,max – maximale Vegetationshöhe (sortenspezifisch) [m]

Die Vegetationshöhe von Bäumen wird nach folgendem Verfahren ermittelt:

\fn_jvn h_{c}= h_{c,max}*\left ( \frac{yr_{cur}}{yr_{fulldev}} \right )
(25)

 

 

Wurzelentwicklung

Die Wurzelentwicklung basiert ebenfalls auf dem Konzept der „Heat Units“. Der Biomasseanteil der Wurzeln an der gesamten Biomasse frroot variiert zwischen 0,4 bei Wachstumsbeginn und 0,2 bei voller Entwicklung (Neitsch et al., 2005):

\fn_jvn fr_{root}=0,4-0,2*fr_{PHU}clip_image036
(26)

 

Die Berechnung der Wurzeltiefe zroot variiert mit den verschiedenen Pflanzenarten. Es wird angenommen, dass mehrjährige Pflanzen und Bäume Wurzeln besitzen, die bis zur sortenspezifischen maximalen Tiefe zroot,max reichen, wenn der Boden soweit durchwurzelbar ist. Ansonsten wird die Wurzeltiefe vom Boden vorgegeben. Für annuelle Pflanzen wird die Wurzeltiefe wie folgt berechnet:

\fn_jvn z_{root}=\begin{cases} & 2,5*fr_{root}*z_{root,max}\Leftrightarrow fr_{PHU}\leq 0,4 \\ & z_{root,max}\: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \! \Leftrightarrow fr_{PHU}> 0,4 \end{cases}
(27)

 

 

Biomassezuwachs

Die Zunahme der Biomasse Δbio pro Tag hängt von der spezifischen „radiation-use-efficiency“ RUE einer Pflanze und der aktuell aufgenommenen photosynthetisch aktiven Strahlung Rphosyn ab (Monteith, 1977). Sie wird über den Stressfaktor γreg (Gleichung 16) begrenzt.

\fn_jvn \Delta bio=RUE*R_{phosyn}\gamma_{reg}
(28)

 

bio Biomasse [kg/ha]
RUE „radiation-use-efficiency“ [kg/ha (MJ/m²)-1]
Rphosyn photosynthetisch aktive Strahlung [MJ/m²]

Die durch die Pflanze aufgenommene photosynthetisch aktive Strahlung wird nach dem Beer-Gesetz (Monsi & Saeki, 1953) berechnet:

\fn_jvn R_{phosyn}=0,5R_{g}(1-exp(k_{I}LAI))
(29)

 

Rg Globalstrahlung [MJ/m²]
kl Lichtextinktionskoeffizient (-0,65 für alle Pflanzentypen)
LAI Blattflächenindex

Entsprechend Stockle und Kiniry (1990) wird die RUE durch das Dampfdruckdefizit vpd gesteuert:

\fn_jvn RUE=\begin{cases} & RUE_{vpd=1}-\Delta rue_{dcl}(vpd-vpd_{thr})\Leftrightarrow vpd>vpd_{thr} \\ & \; \; \; \; \; \; RUE-{vpd=1}\; \;\; \; \; \; \; \! \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \Leftrightarrow vpd\leq vpd_{thr} \end{cases}
(30)

 

RUEvpd=1 „radiation-use-efficiency“ einer Fruchtart bei einem Dampfdruckdefizit von 1 kPa [kg/ha (MJ/m²)-1]
vpdthr Schwellenwert für das Dampfdruckdefizit (=1 kPA für alle Pflanzen)
Δruedcl Abnahme der RUE mit Anstieg des Dampfdruckdefizits [kg/ha (MJ/m²)-1kPa-1]


[1] Mehrjährige LAI-Berechnung für Bäume z.Z. noch nicht implementiert


04.4.3 Wasseraufnahme

Der tägliche Bodenwasserentzug wird durch den Transpirationsbedarf der Pflanze, das pflanzenverfügbare Bodenwasser und die Wurzelverteilung bestimmt.

Es kann gewählt werden, ob dieser über eine exponentielle Entzugsverteilungsfunktion (Gl. 31) oder beginnend von der Bodenoberfläche bis zur Bedarfsbefriedigung bzw. dem Erreichen der aktuellen Durchwurzelungstiefe realisiert wird. Bei Wahl des exponentiellen Ansatzes ist der Entzug aus den einzelnen Schichten die Differenz der Lösung der Gleichung 31 für den oberen und unteren Rand der Schicht.

\fn_jvn E_{TR}(z,t)=E_{TRp}(t)*R_{TR}(z,t)*\frac{\left [ 1-exp\left ( -\beta \frac{z}{z_{root}} \right ) \right ]}{\left [ 1-exp(-\beta ) \right ]}
(31)

 

ETRp potenzielle Transpiration [mm/d] (s. Kapitel 2)
β Parameter
RTR Reduktionsfunktion der Transpiration
z Tiefe [mm]
zroot Wurzeltiefe [mm]

 

image

Abb. 4‑4: Tiefenverteilung der Wasser- und Nährstoffaufnahme durch die Pflanze

 

In Abhängigkeit von der aktuellen Bodenfeuchte erfolgt eine Reduktion des Entzuges aus der Schicht entsprechend einer Reduktionsfunktion RTR nach Chen (1993):

\fn_jvn R_{TR}(\Theta )=\begin{cases} & \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \;\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; 0 \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \Leftrightarrow \Theta \leq \Theta _{WP} \\ & 1-(0,9\: \Theta _{FK}-\Theta)/(0,9\:\; \Theta _{FK}-\Theta_{WP})\Leftrightarrow \Theta _{WP}< \Theta \leq 0,9\Theta _{FK} \\ & \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \! \! \! \! \! \! 1 \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \!\! \Leftrightarrow 0,9\Theta _{FK}\leq \Theta \leq 0,9\Theta _{FK} \\ & 0,3 +0,7(\Theta _{PV}-\Theta )/(\Theta _{PV}-0,9\Theta _{WP}) \Leftrightarrow \Theta > 0,9\Theta _{FK} \end{cases}
(32)



q Wassergehalt [mm]
qWP Wassergehalt am Permanentwelkepunkt [mm]
qFK Wassergehalt bei Feldkapazität [mm]


04.4.4 Nährstoffaufnahme

Es wird die Aufnahme von Stickstoff und Phosphor in Abhängigkeit vom aktuellen Nährstoffbedarf und der Verfügbarkeit im Boden simuliert.

Der Nährstoffbedarf pro Tag Npup wird in Abhängigkeit von der Pflanzenbiomasse und deren optimalen N- bzw. P-Gehalt berechnet:

\fn_jvn N_{up}^{p}=fr_{N/P}(fr_{PHU})*bio-bio_{N/P}
(33)

 

bio Pflanzenbiomasse (Trockenmasse) [kg/ha]
bioN/P Stickstoff- bzw. Phosphormenge in der Pflanzenbiomasse [kg P/ha bzw. kg N/ha]
frN/P optimale Stickstoff- bzw. Phosphormenge in der Pflanzenbiomasse für das aktuelle Wachstumsstadium
frPHU Fraktion der potenziell akkumulierbaren Wärmeeinheiten

Der optimale Nährstoffgehalt in der Pflanzenbiomasse wird analog der optimalen LAI-Funktion (Abb. 4‑3) in Abhängigkeit vom bereits vorhandenen Anteil der potenziell akkumulierbaren Wärmeeinheiten frPHU durch eine über drei Stützstellen (bioN,1,bioN,2, bioN,3) definierte Funktion beschrieben (vgl. Neitzsch, 2005).

Die Nährstoffaufnahme aus den einzelnen Bodenschichten erfolgt gekoppelt an die Wasseraufnahme (s. Kap. 4.4.3). Eine Unterscheidung in Nitrat- und Ammonium-Stickstoff erfolgt bei der Pflanzenaufnahme nicht. An Phosphor kann nur die gelöste mineralische Phosphorfraktion entzogen werden (s. Kap. 8.5).


04.4.5 Ertragssimulation

Der Anteil der oberirdischen Trockenbiomasse, der den Ernteertrag darstellt, wird als Ernteindex HI bezeichnet. Für die Mehrzahl der Fruchtarten liegt er zwischen 0 und 1. Nur bei Fruchtarten, deren Wurzeln geerntet werden (z.B. Kartoffeln, Rüben), kann er über 1 liegen. Dieser Ernteindex wird täglich in der Wachstumssaison nach folgender Gleichung berechnet:

\fn_jvn HI_{act}=HI_{opt}\frac{100fr_{PHU}}{(100fr_{PHU}+exp\left [ 11,1-10fr_{PHU} \right ])}
(34)

 

HIopt potenzieller Ernteindex der Pflanze bei Reife unter idealen Wachstumsbedingungen [-]
frPHU Fraktion der potenziell akkumulierbaren Wärmeeinheiten [-]

Der aktuelle Ernteindex HI am Tag der Ernte wird durch den kumulativen Wasserstress γkw, Hitzestress[1] γkLTund einem zu großen Dampfdruckdefizit2 γkvpd in der Entwicklungsphase der generativen Organe (0,5 <= frPHU <= frPHU,sen) negativ beeinflusst.

\fn_jvn HI=\gamma _{LT}^{k}\gamma _{vpd}^{k}\left ( (HI_{act}-HI_{min})\frac{\gamma _{w}^{k}}{\gamma _{w}^{k}+exp\left [ 6,13-0,883\gamma _{w}^{k} \right ]}+HI_{min} \right )
(35)

 

mit

\fn_jvn \gamma _{w}^{k}=100\frac{\sum_{i=1}^{m}E_{TR}^{i}}{\sum_{i=1}^{m}E_{TRp}^{i}}
(36)

 

HImin minimaler Ernteindex (pflanzenspezifisch) [-]
ETR aktuelle Transpiration [mm/d]
ETRp potenzielle Transpiration [mm/d]
i Tagesnummer zwischen Saat (i=0) und Ernte bzw. Reife (i=m)

Der simulierte Ertrag yld am Tag der Ernte ergibt sich entsprechend des aktuellen Ernteindex und der Trockenmasse bio zu

 

\fn_jvn yld=\begin{cases} & bio_{ag}HI\: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \Leftrightarrow HI\leq 1 \\ & bio\left ( 1-\frac{1}{(1+HI))} \right )\Leftrightarrow HI> 1 \end{cases}
(37)

 

mit

\fn_jvn bio_{ag}=(1-fr_{root})bio
(38)

 

yld Ertrag [kg/ha]
bioag oberirdische Biomasse [kg/ha]
HI aktueller Ernteindex [-]

Im Unterschied zum Pflanzenmodell in SWAT erfolgt die Aufteilung der in der Pflanze gespeicherten Nährstoffe in den mit der Erntemenge abgeführten Teil und in die mit den Ernte- und Wurzelresten wieder dem System zugeführten Anteile primär durch den Nährstoffanteil in den oberirdischen Ernteresten (z.B. Stroh). Der Nährstoffanteil in den oberirdischen Ernteresten ist für die einzelnen Fruchtarten wesentlich stabiler als der im Ertrag (z.B. Korn) beobachtete Anteil.


[1] Modelländerung im Vergleich zu Neitsch et al. (2005)


04.4.6 Management

4.4.6.1 Modellkonzept

Die Erfassung des realen Managements auf den landwirtschaftlichen Flächen des Untersuchungsgebietes ist von entscheidender Bedeutung für die Simulationsgüte.

Benötigt werden Informationen

  • zum Fruchtartenspektrum (Fruchtfolgen),
  • zu den Bearbeitungsterminen (Saat, Düngung, Grünschnitt, Ernte) und
  • den Düngermengen und -formen.

In der Regel kann nicht davon ausgegangen werden, dass diese Angaben für jeden Einzelschlag verfügbar sind. Außerdem wäre diese Datenflut für meso- bis makroskalige Modellanwendungen nicht mehr handhabbar. Andererseits kann für kleinskalige Anwendungen z.B. auf Betriebsebene eine möglichst exakte Verarbeitung aller vorhandenen Informationen erforderlich werden. Deshalb wurde ein Managementmodell für VEGEN entwickelt, das entsprechend der Aufgabenstellung und Datenverfügbarkeit eine flexible Verarbeitung erlaubt. Alle Verfahren zur Erfassung der Bewirtschaftung der landwirtschaftlich genutzten Flächen greifen auf dieselben Basisdaten zu, die um weitere Informationen ergänzt werden können.

4.4.6.2 Basisdaten

Die Basisdaten (Stammdaten) stellen eine Sammlung von durchschnittlichen Eigenschaften der gebräuchlichsten Fruchtarten und Wirtschaftsdünger in Deutschland dar. Als Grundlage wurden dafür die von den Ländern veröffentlichten Richtwerte für die Umsetzung der Düngeverordnung und die Empfehlungen des Verbandes Deutscher Landwirtschaftlicher Untersuchungs- und Forschungsanstalten (VDLUFA) herangezogen (LVLF/LFBMV/LLFG 2008; TLL 2007; LfL Bayern 2007). Weitere Parameter, wie z.B. die Umsatz- und Humusreproduktionskoeffizienten der organischen Düngertypen und der Ernte- und Wurzelreste (EWR), wurden der Literatur entnommen (z.B. Franko, 1990).

Im Einzelnen werden folgende Datentabellen benötigt, die über Schlüsselwörter miteinander verknüpft sind:

Tabelle Inhalt
Management Fruchtart (Schlüssel zu den Tabellen ‚Pflanzenparameter’, ‚Nährstoffbedarf’),
benötigte Wärmesummen bis zur Reife,
mittlere Saat- und Erntetermine als Terminangabe und in Anteilen der akkumulierten Wärmesummen frPHU,
Pflanzenparameter Fruchtart (Schlüssel zur Tabelle ‚Management’),
Parameter für Simulation der Phänologie und des Wachstums (s. Kap. 4.4.2),
Zuordnung der Fruchtart zu einem Pflanzentyp (EWR-Typ)
Ernte- und Wurzelreste (EWR) Pflanzentyp (Schlüssel zur Tabelle “Pflanzenparameter’), C/N-Verhältnisse und Umsatzkoeffizienten, unterteilt für die oberirdischen Erntereste und die Wurzelreste
Nährstoffbedarf Fruchtart (Schlüssel zur Tabelle ‚Management’),
Gesamt-N-Bedarf für mittleres Ertragspotenzial,
Gesamt-P-Bedarf für mittleres Ertragspotenzial,
Ab- bzw. Zuschlag für geringere bzw. höhere Ertragserwartung,
Anzahl und Aufteilung der Düngergaben,
mittlere Düngetermine
Wirtschaftsdünger Typ,
C/N-Verhältnisse und Umsatzkoeffizienten,
Ausbringungstermine und Anteil der Mengen

Die Vorhaltung der Basisparametrisierung in fünf unterschiedlich dimensionierten Tabellen erlaubt eine flexible Anpassung der Datenbasis. So kann die Anzahl der in der Tabelle ‚Management’ vorgehaltenen Fruchtarten auf die im Simulationszeitraum im Gebiet angebauten begrenzt werden, ohne den Informationsumfang der übrigen Tabellen einschränken zu müssen. Alle Tabellen können bei Bedarf jederzeit erweitert werden, wenn die Basisinitialisierung den aktuellen Anforderungen hinsichtlich EWR-, Frucht- und Wirtschaftsdüngerarten nicht genügt, bzw. weitere Nährstoffe bei der Simulation berücksichtigt werden sollen.

Die Zuordnung der einzelnen Fruchtarten zu Pflanzentypen hinsichtlich ihrer Ernte- und Wurzelreste (Getreide, Rüben, Laubbäume, Nadelbäume, etc.) dient einerseits der Minimierung der benötigten Eingangsdaten, und ist andererseits der Unschärfe dieser Stoffumsatzparameter geschuldet.

4.4.6.3 Standardmanagement (Basisversion)

Die Standardinitialisierung des Bewirtschaftungsregimes erfolgt auf der Basis der Landnutzungstypen. Diesen wird, sofern auf ihnen ein Fruchtwechsel stattfindet, eine regional typische Fruchtfolge zugewiesen. Für die jeweiligen Einzelflächen werden dann die Bewirtschaftungstermine sowie die ausgebrachten Düngermengen aus den Basisdaten berechnet. Dabei wird neben dem Ertragspotenzial auch der aktuelle Nmin-Gehalt des Bodens (NO3– und NH4-Stickstoff in 0-90 cm Tiefe) berücksichtigt.

Düngergaben werden ausschließlich als mineralisch betrachtet. Es wird davon ausgegangen, dass die Hälfte des aufgebrachten Düngers (Stickstoff und/oder Phosphor) auf der Bodenoberfläche verbleibt. Die übrige Menge wird den entsprechenden Pools der ersten Bodenschicht zugeordnet. Bei der mineralischen Stickstoffdüngung erfolgt keine Unterteilung in die unterschiedlichen Bindungsformen, da sie aus dem Gesamt-N-Bedarf der Fruchtart abgeleitet wird. Pro Düngergabe erfolgt eine Aufteilung der applizierten N-Menge in Nitrat- und Ammonium-Stickstoff im Verhältnis Zwei zu Drei.

Die Abschätzung der Ertragspotenziale erfolgt anhand der Bodenkarte bei Berücksichtigung von sechs Bodenartengruppen nach VDLUFA, die vorerst drei Ertragspotenzialen (niedrig/mittel/hoch) zugeordnet werden.

Problematisch ist die feste Vorgabe von Saat- und Düngeterminen als langjährige Mittelwerte. Je nach Witterung und Befahrbarkeit des Bodens können die tatsächlichen Saattermine deutlich von diesen Mittelwerten abweichen. Das kann bislang im Modell nicht abgebildet werden. Die vorgegebenen Erntetermine werden jedoch entsprechend des durch die Pflanze aufgenommenen Anteils der potenziell akkumulierbaren Wärmeeinheiten frPHU in einem begrenzten Zeitrahmen (± 10 d) korrigiert.

Die in den auf der Fläche verbliebenen oberirdischen Ernteresten enthaltenen Phosphor-, Kohlenstoff- und Stickstoffmengen werden den jeweiligen PPOM-, NPOM– and CPOM-Pools der ersten Bodenschicht zugeordnet. Die in den Wurzelresten enthaltenen C-, N- und P-Mengen werden entsprechend der Wurzelverteilung den OPS-Pools der jeweiligen Bodenschicht hinzugefügt (s. Kap. 7.2 und 8.3).

4.4.6.4 Geostatistisches Verfahren für Anbauregionen

Liegen räumlich detailliertere Informationen zur Fruchtartenverteilung (z.B. jährliche Anbaustatistik auf Kreisebene oder Bewirtschaftungsszenarien) vor, so können den einzelnen Flächen eines Landnutzungstyps mittels eines geostatistischen Verfahrens („Fruchtfolgengenerator“) unterschiedliche Fruchtfolgen zugeordnet werden. Die Berechnung des Managements der einzelnen Fruchtarten erfolgt wie beim Standardmanagement. Dieses Verfahren eignet sich besonders für mesoskalige Modellanwendungen. Ein Anwendungsbeispiel für Thüringen geben Klöcking et al. (2003).

4.4.6.5 Schnittstelle zu Raumdatenbanken

Für die Verarbeitung von regional vorhandenen räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Informationen zur Bewirtschaftung der landwirtschaftlichen Flächen (z.B. aus dem Datenspeicher InVeKoS) wurde eine Schnittstelle geschaffen. Über diese werden jährliche Angaben zur Hauptfruchtart und den ausgebrachten Düngermengen und –formen pro Einzelfläche berücksichtigt. Bei den Einzelflächen kann es sich um die jeweiligen Schläge oder um eine Zelle eines landesweiten Rasters handeln. Liegen diese Informationen nicht für alle landwirtschaftlichen Flächen vor, so wird hier auf das Standardmanagement oder auf die mit dem Fruchtfolgengenerator erzeugten und verteilten Fruchtfolgen zurückgegriffen.

Die Informationen aus dem Datenspeicher werden in Form externer Dateien im ASCII- oder dBase-Format verwaltet, die über den Raumbezug mit den Modellflächen von ArcEGMO verknüpft sind (s. Kapitel „Externe Daten – Schnittstellen“ in der ArcEGMO-Dokumentation). Pro Jahr liegt eine Datei vor, die folgende Angaben enthält:

  • Raumbezug (ID/Schlüssel zur ArcEGMO-Hydrotopkarte für das Untersuchungsgebiet),
  • angebaute Hauptfruchtart (Schlüssel zur Tabelle ‚Management’),
  • N-Sollwert Nsoll entsprechend der Ertragserwartung [kg N/ha],
  • über Wirtschaftsdünger ausgebrachte Stickstoffmenge Nforg [kg N/ha],
  • Typ des Wirtschaftsdüngers (Schlüssel zur Tabelle ‚Wirtschaftsdünger’).

Zusätzlich können Angaben zu gemessenen Boden-Nmin-Werten Nmin als Startwerte eingelesen werden.

Die tatsächlich als Mineraldünger ausgebrachte Stickstoffmenge Nfmin wird dann wie folgt berechnet:

\fn_jvn N^{f}_{min}=max(o,N_{soll}-0,6N^{f}_{org}-N_{min})
(39)

 

Zu Simulationsbeginn wird dabei der Nmin-Startwert genutzt. In den Folgejahren wird der simulierte aktuelle Nmin-Gehalt des Bodens (NO3– und NH4-Stickstoff in 0-90 cm Tiefe) verwendet.

Die Simulation der Aufteilung der Düngermengen auf die einzelnen Ausbringungstermine sowie Saat und Ernte erfolgt dann wie im Standardmanagement entsprechend der Basisvorgaben. Die im ausgebrachten organischen Dünger enthaltenen Phosphor-[1], Kohlenstoff- und Stickstoffmengen werden den jeweiligen POM-Pools der ersten Bodenschicht zugeordnet (s. Kap. 7.2 und 8.3).

4.4.6.6 REPRO-Schnittstelle

Das Modell REPRO (Hülsbergen, 2003) ist ein Instrument zur Abbildung eines landwirtschaftlichen Betriebes als Gesamtsystem und zur Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit der landwirtschaftlichen Produktion in Bezug auf die Schutzgüter Boden, Wasser und Luft. Im Mittelpunkt der Software REPRO steht die detaillierte Abbildung betrieblicher Stoff- und Energieflüsse auf verschiedenen Ebenen.

Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten am Prognoseinstrument ReArMo (gekoppeltes Modell REPRO-ArcEGMO-MODFLOW-MT3D) wird derzeit diese Schnittstelle realisiert, die die Erfassung der realen Bewirtschaftung auf Teilschlagebene erlaubt (Pfützner et al., 2011).


[1] organische Phosphordüngung z.Z. (2012) noch nicht untersetzt


04.5. Das Waldwachstumsmodell 4C

4.5.1 Grundlagen
4.5.2 Wasser- und Nährstoffbilanzierung
4.5.3 Assimilation und Allokation
4.5.4 Phänologie und Mortalität
4.5.5 Regeneration, Management und Störungen
4.5.6 Parameter, Initialisierung und Triebkräfte
4.5.7 Validierung und Anwendung


04.5.1 Grundlagen

Das Modell ist eine Entwicklung des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung. Eine ausführliche Modellbeschreibung findet sich auf www.pik-potsdam.de/research/climate-impacts-and-vulnerabilities/models/4c.

 

image

Abb. 4‑5: Modellschema 4C

 

Das Waldwachstumsmodell 4C (FORESEE – FORESt Ecosystems in a changing Environment) beschreibt die Sukzessionsdynamik von Waldbeständen, die entweder auf Basis von simulierter natürlicher Regeneration oder ausgehend von einem durch eine Forstinventur definierten Anfangszustand aufwachsen (Schaber et al., 1999, Suckow et al., 2001).

Die Baumindividuen einer Art, die gleiches Alter und identische Baum­dimensionen besitzen, sind in Kohorten zusammengefasst. Produktion und Wachstum werden für jede Kohorte berechnet. Die Konkurrenz der Kohorten um Licht, Wasser und Nährstoffe beeinflusst ihr Wachstum, ihre Mortalität und die Ver­jüngung im Bestand. Die Positionen der Individuen der Kohorten im Bestand sind nicht bekannt; es wird angenommen, dass die Bäume gleichmäßig auf der Bestandesfläche verteilt sind. Es werden keine Unterschiede in den Wachstums­bedingungen einzelner Individuen derselben Kohorte berücksichtigt. Der Kronenraum des Bestandes ist in 0.5 m hohe Schichten eingeteilt. Das Blattwerk ist auf die Kronen­schichten zwischen Kronenansatzhöhe und Baumhöhe verteilt. Abb. 4‑5 beschreibt das prinzipielle Zusammenwirken der Teilmodelle zur Vege­tations- und Bodendynamik in 4C.

Die Berechnung der Flüsse und die Änderung der Zustandsvariablen erfolgt prozess­abhängig mit unterschiedlichen zeitlichen Schrittweiten:

  • Wasser- und Nährstoffflüsse sowie Phänologie: im Tagestakt,
  • Photosynthetische Produktion: Schrittweiten zwischen wahlweise einem Tag bis zu einer Woche,
  • Allokation, Wachstum, Mortalität und Regeneration: im Jahrestakt.

04.5.2 Wasser- und Nährstoffbilanzierung

Das Wasser- und Nährstoffangebot (Stickstoff, Kohlenstoff) wird in Abhängigkeit von Boden, Bestand und Wetter bilanziert (Einzelmodell 4C: Grote et al., 1999; 4C im Modellverbund ArcEGMO-PSCN: Kap. 5 und 7). 4C berechnet zunächst für jede Kohorte einen aktuellen Transpirationsentzug in Abhängigkeit von der durch die Interzeptionsverdunstung reduzierten potenziellen Evapotranspiration und der aktuellen Bodenfeuchte der durchwurzelten Schichten, der als Wasserentzug pro Schicht an das Bodenwassermodell übergeben wird.

Durch den täglichen Entzug von Wasser und Nährstoffen einerseits sowie die jährliche Bilanzierung des Streufalls und die Zufuhr zum Bodenkompartiment andererseits wird der Nährstoffkreislauf im System Pflanze – Boden geschlossen. Zusätzlichen Eintrag erhält das System durch Deposition, Verluste treten durch Auswaschung auf.


04.5.3 Assimilation und Allokation

Die photosynthetische Nettoassimilationsleistung wird nach einem Ansatz von Haxeltine & Prentice (1996) als Funktion von absorbierter photosynthetisch aktiver Strahlung, Lufttemperatur sowie Bodenwasser- und Nährstoffverfügbarkeit berechnet. Die Produktion der einzelnen Kohorten ist artenspezifisch und abhängig vom Anteil der Kohorte an der vom Bestand absorbierten Strahlung. Aus der jähr­lichen Bruttoassimilationsleistung wird nach Abzug der Respiration das Wachstum der Kompartimente Feinwurzeln, Stamm, Blattwerk, sowie Äste und Grobwurzeln berechnet. Die Allokationskoeffizienten für die einzelnen Kompartimente werden dabei so bestimmt, dass sie einem vorgeschriebenen Verhältnis des Querschnitts der leitenden Gewebe im Holz zu den zu versorgenden Blattmassen und einer aus­gewogenen Leistung des Aufnahmevermögens der Feinwurzeln und der Produk­tionskapazität der Blätter entsprechen (functional balance und pipe model theory, siehe z.B. Mäkelä, 1986). Zusätzlich gehen in die Bestimmung der Allokations­koeffizienten eine Höhenwachstums­funktion ein, die vom relativen Lichtgenuss und dem Blattmassenzuwachs abhängig ist, sowie die zu ersetzenden Streuproduktions­flüsse. Die Kronenansatzhöhe wächst, wenn die Nettoproduktion der untersten Kronenschicht negativ wird. Damit sind die Baumdimensionen Höhe, Brusthöhen­durchmesser und Kronenansatzhöhe im Modell berechenbar.


04.5.4 Phänologie und Mortalität

Das Modell enthält ein Modul zur Simulation des Blattaustriebstages der Buche, das mit dem phänologischen Datensatz des Deutschen Wetterdienstes parametrisiert wurde (Schaber & Badeck, 2003). Bei der Berechnung des Blattaustriebs wird davon ausgegangen, dass die Regulation der ontogenetischen Entwicklung durch die Interaktion von wachstumsfördernden (Promotoren) und wachstumshemmenden (Inhibitoren) Verbindungen (Phytohormone) erfolgt und die Balance zwischen Promotoren und Inhibitoren den physiologischen Entwicklungszustand der Pflanze und ihre Reaktion auf externe Bedingungen bestimmt (Schaber, 2002). Wesentliche Einflussfaktoren sind dabei die Lufttemperatur und Tageslänge.

Der Blattwurf wird anhand eines festen durchschnittlichen Datums bestimmt. Für die Laubbaumarten wurden die erforderlichen Parameter an Daten des DWD angepasst. Für die immergrünen Baumarten werden gegenwärtig im Modell noch keine phänologischen Stadien unterschieden.

Die Mortalität der Individuen innerhalb der Kohorten wird aus der Kohlenstoffbilanz bestimmt (stressbedingte Mortalität) oder nach einer vorgegebenen altersbedingten Mortalitätsrate. Beide Ansätze können auch kombiniert werden. Stressbedingte Mortalität tritt auf, wenn die Kohlenstoffbilanz über einen bestimmten Zeitraum negativ wird und daher z.B. die Blattmasse der Individuen einer Kohorte eines Jahres geringer ist als die des Vorjahres. Sie führt damit zur Verringerung der Individuenzahl bzw. zum vollständigen Absterben der Kohorte. Die intrinsische artenspezifische Mortalität wird über ein maximales Alter der Baumart definiert (Botkin & Nisbet, 1992).


04.5.5 Regeneration, Management und Störungen

Auf Bestandesebene können Verjüngungs- und Bewirtschaftungsmaßnahmen simuliert werden. Die Verjüngung beschreibt das Aufwachsen von gepflanzten Setzlingen oder von Sämlingen, die jährlich in Abhängigkeit von Umweltbedingungen im Bestand aufkeimen können.

Das Modell erlaubt die Simulation einer Vielzahl von Bewirtschaftungsvarianten, die durch die Kombination verschiedener implementierter Methoden möglich sind. Ein Bewirtschaftungsplan steuert die verschiedenen Eingriffe. In Abhängigkeit von der Bestandeshöhe werden Jungwuchspflege, Läuterung und Jungbestandespflege simuliert. Für die anschließenden Bestandeseingriffe kann Hoch- oder Nieder­durchforstung gewählt werden. Die Durchforstung wird durch Durchforstungsstärke und Durchforstungsintervall beschrieben. Zur Ernte des Bestandes, gesteuert über die Umtriebszeit, ermöglicht das Modell den Kahlschlag mit anschließender Neu­anpflanzung oder natürlicher Verjüngung oder einen Schirmschlag, ebenfalls kombiniert mit einer Unterpflanzung. Für die Pflanzung kann eine Artenspezifikation und Pflanzdichte vorgegeben werden. Die Generierung von Mischbeständen ist möglich. Der Bewirtschaftungsplan erlaubt damit auch langfristige Simulationen über mehrere Umtriebszeiten.

Störungen wie Windwurf oder Borkenkäferbefall im Bestand können im Modell durch Verarbeitung einer Störungszeitreihe simuliert werden. Diese Störungen wirken insbesondere durch eine zusätzliche Mortalität in den Baumkohorten auf die Bestandesdynamik.

Die Störungsdynamik durch Borkenkäferbefall wird durch eine Zeitreihe der Störungsereignisse mit Information über befallene Fläche (Koordinaten), Störungstyp, Störungsjahr, Anteil der befallenen Fläche an der Gesamtfläche des Bestandes und Typ des Bestandes (bewirtschaftet oder unbewirtschaftet) beschrieben. Im Fall von Borkenkäferbefall wird die Mortalität der Fichten, die älter als 50 sind, angenommen. Bei den bewirtschafteten Beständen werden alle befallenen und damit gestorbenen Fichten vollständig geerntet, Wurzeln und Benadlung verbleiben im Ökosystem. Bei den unbewirtschafteten Beständen werden diese Bäume komplett in die Zersetzungspools des Bodens überführt, für die Stämme, wird eine verzögerte Über­führung in den Zersetzungspool für Stammholz angenommen, da die toten Bäume noch einige Jahre im Bestand stehen. Sowohl im bewirtschafteten als auch im unbewirtschafteten Fall, wird bei einem Anteil der Störungsfläche, akkumuliert über mehrere aneinanderfolgende Störungsjahre, von über 30% der Bestandesfläche, eine natürliche Verjüngung der vorkommenden Baumarten simuliert.


04.5.6 Parameter, Initialisierung und Triebkräfte

Die Artenzusammensetzung und Bestandesstruktur können auf der Basis von Inventurdaten initialisiert werden. Die Kohorten werden dann entsprechend der gemessenen Verteilungen von Brusthöhendurchmesser sowie, falls vorhanden, Baumhöhe und Kronenansatzhöhe definiert.

Als treibende klimatische Größen werden Tagesmittel bzw. -summen der Tempe­ratur, des Niederschlags, der Luftfeuchte und der Strahlung benötigt, die wahlweise aus Messreihen eingelesen oder aus Monatswerten mit Hilfe eines Wettergenerators hergeleitet werden können. Außerdem wird eine Zeitreihe der atmosphärischen CO2-Konzentration und Stickstoff-Deposition vorgegeben.


04.5.7 Validierung und Anwendung

Das Modell liegt in einer ersten, hier umrissenen Ausbaustufe vor und wird an langen Zeitreihen von Dauerbeobachtungsflächen hinsichtlich der Bestandesdynamik getestet (Schaber 2002, Schaber et al. 1999; Mäkelä et al., 2000). Es ist gegenwärtig für die Baum­arten Buche (Fagus sylvatica L.), Fichte (Picea abies L.), Kiefer (Pinus sylvestris L.), Eiche (Quercus robur L.) und Birke (Betula pendula Roth) parametrisiert. Einzelne Komponenten des Waldwachstumsmodells 4C wurden für mehrere Baumarten an verschiedenen Standorten (v.a. an Level II Standorten in Brandenburg, Sachsen und Thüringen) validiert.

Im Rahmen des BMBF-Projektes „Wälder und Forstwirtschaft im Globalen Wandel: Strategien für eine integrierte Wirkungsanalyse und –bewertung“ (LK9528-9533) und des EU-Projektes SilviStrat“: Silvicultural Response Strategies to Climatic Change in Management of European Forests” (EVK2-2000-00723) wurde das Modell für Analysen eingesetzt (Lasch et al., 2002; Lasch et al., 2005).


05. Bodenwasserdynamik

5.1 Überblick
5.2 Makroporenfluss
5.3 Matrixfluss
5.4 Bodenwasserentzug durch Verdunstung
5.5 Hypodermischer Abfluss
5.6 Drainabfluss
5.7 Kapillarer Aufstieg


05.1 Überblick

Die Modellierung der Bodenwasserdynamik erfolgt mit einem Mehrschicht-Kapazitätsmodell nach Koitzsch (1977) und Glugla (1969), welches die Bodenwasserdynamik mittels abgeleiteter bodenspezifischer Kennwerte wie Feldkapazität und Permanenter Welkepunkt zur Charakterisierung der Wasserspeicherung unter bestimmten Spannungsverhältnissen beschreibt. Das Originalmodell wurde jedoch insbesondere hinsichtlich der Terme zur Abbildung der Verdunstungsintensität überarbeitet, da im Rahmen des PSCN-Moduls der aktuelle Transpirationsbedarf durch vegetationsspezifische Pflanzenmodelle berechnet wird. Außerdem wurde das Modell um einen Ansatz zur Beschreibung der hypodermischen Abflussbildung, um ein Makroporenflussmodell, einen Ansatz zur Abbildung des kapillaren Aufstiegs und um ein Drainagemodell erweitert.


05.2 Makroporenfluss

Grundannahme des empirischen Makroporenflussmodells ist, dass die Bildung von Makroporen von den Bodeneigenschaften, der Landnutzung und der aktuellen Bodenfeuchte beeinflusst wird. Liegen keine Eingangsinformation zu den Makroporen der einzelnen Bodenhorizonte vor, so werden diese modellintern anhand der Trockenrohdichte, dem Skelett- und dem Tonanteil abgeschätzt. Dabei wird angenommen, dass Makroporen nur bei einer Lagerungsdichte von kleiner als 2 g/cm³ und erst ab einen Tonanteil von 20 % auftreten (kt=0 für Ton(z) < 20 %).

Bezüglich der Landnutzung wird vorausgesetzt, dass Makroporen vor allem unter Wald, unter Wiesen und bei konservierender Bodenbearbeitung auftreten.

Für jede Bodenschicht zj wird eine Makroporosität MP (0 ≤ MP ≤ 0.9) wie folgt berechnet:

\fn_jvn MP(z_{j},t)=r_{\Theta }(z_{j},t)\left [ k_{s}Skelett(z_{j})+k_{t}Ton(z_{j})+k_{v}\left ( \frac{z_{max}-z}{z_{max}} \right ) \right ]
(40)



mit

\fn_jvn r_{\Theta }(z_{j},t)\begin{cases} & \left ( 1+\frac{\Theta _{FK}(z_{j})-\Theta (z_{j},t)}{\Theta _{WP}(z_{j})} \right )\Leftrightarrow \Theta (z_{j},t)< \Theta _{FK}(z_{j}) \\ & \; \; \; \; \; \; \; \;\;\;\;\;\;\;\;\; 1 \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\! \Leftrightarrow \Theta (z_{j},t)\geq \Theta _{FK}(z_{j}) \end{cases}
(41)

 

rq Schrumpfterm bei Dürre
zmax maximale Tiefe der landnutzungsgebundenen Makroporen [mm]
z aktuelle Tiefe [mm]
t Zeit
q Wassergehalt [mm]
qWP Wassergehalt am Permanentwelkepunkt [mm]
qFK Wassergehalt bei Feldkapazität [mm]
ks,kt,kv Parameter (kv=0, wenn z>zmax)

In der obersten Bodenschicht ist MP der Anteil des infiltrierenden Niederschlags, der sofort in die darunter liegende Schicht weitergeleitet wird. Je nach Makroporosität der weiteren Schichten wird dieser weiter geleitet, bzw. kann anteilig in die Bodenmatrix infiltrieren.

Erreicht in den unteren Bodenhorizonten der Schichtwassergehalt die Sättigungsgrenze, so kann zusätzlich zur Perkolation durch die Bodenmatrix der Anteil MP(zj,t) des mobilen Wassers in die darunter liegende Schicht transportiert werden. Dieser Makroporenfluss spielt insbesondere in Böden mit hohem Skelettgehalt im Unterboden eine Rolle.

Aufgrund der hohen Sensitivität der Bodenwasserhaushaltsmodellierung gegenüber der Makroporosität wird anstelle dieser internen Abschätzung empfohlen, die Makroporosität bei den Bodeneingangsdaten mit anzugeben.


05.3 Matrixfluss

Dem Mehrschicht-Kapazitätsmodell zur Beschreibung der Feuchtedynamik in der Bodenmatrix liegt die Annahme zugrunde, dass es erst nach Überschreiten der Feldkapazität zu einem Abfluss (vertikal und horizontal) aus der betrachteten Bodenschicht kommt. Anstelle der Kenntnis der hydraulischen Eigenschaften des Bodens wird nur noch der von der Bodenart abhängige Leitfähigkeitsparameter λ benötigt.

Die Änderung des Wassergehaltes q(zj,t) der Schicht zj in der Zeit t ergibt sich zu:

\fn_jvn \frac{\Delta \theta (z_{j},t)}{\Delta t}=P^g(z_{j-1},t)+P^m(z_{j-1},t)-P^g(z_{j},t)-P^h(z_{j},t)-P^d(z_{j},t)-P^m(z_{j},t)+P^k(z_{j+1},t)-E(z_{j},t)
(42)



Nebenbedingungen:
\fn_jvn \Theta_{Wp}(zj)\leq\Theta(z_{j},t)\leq PV(z_{j})
\fn_jvn P^{g}(z_{j-1},t) = I(t) für \fn_jvn j=1

Anfangswerte:

\fn_jvn \Theta (z_{j},0) = \Theta_{FK}(z_{j})
I Infiltrationsrate [mm/d]
Pd Abfluss über das Drainagesystem [mm/d]
Pg Perkolationsrate (Gravitationsabfluss) [mm/d]
Ph horizontaler (hypodermischer) Abfluss [mm/d]
Pk Kapillaraufstieg [mm/d]
Pm Makroporenfluss [mm/d]
E Wasserentzug durch Bodenevaporation und Transpiration [mm/d]  Θ Wassergehalt [mm]
ΘWP Wassergehalt am Permanentwelkepunkt [mm]
ΘPV Porenvolumen [mm]
ΘFK Wassergehalt bei Feldkapazität [mm]

Die aktuelle Perkolationsrate Pg(zj,t) aus der Schicht zj ergibt sich zu:

\fn_jvn P^{g}(z_{j},t)=\begin{cases} & \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; 0\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\! \Leftrightarrow \theta (z_{j},t)\leq \theta _{FK}(z_{j})\vee BT(z_{j},t)< 0^\circ C \\ & \lambda (max(0,\theta (z_{j},t)-\theta_{FK}(z_{j}) )^2 \Leftrightarrow \theta (z_{j},t)> \theta _{FK}(z_{j})\wedge BT(z_{j},t)\geq 0^\circ C \end{cases}
(43)

 

BT(zj,t) – Bodentemperatur der Schicht zj [mm]

Die Wahl der Feldkapazität qFK hat einen großen Einfluss auf das Simulationsergebnis. Der Leitfähigkeitsparameter λ lässt sich entweder aus dem Gehalt an abschlämmbaren Teilchen oder aus der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit ableiten (Glugla, 1969). Vereinfachend kann nach Koitzsch (1977) bodenartspezifisch ein Wert zwischen 0 und 1,3 mm-1d-1 bei Schichtmächtigkeiten von 10 cm angesetzt werden. Erfolgt keine Angabe zu diesem Parameter, so wird er modellintern aus der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit k [mm/h] berechnet.

\fn_jvn \lambda= \begin{cases} & \sqrt{0,58tanh(k/220)}\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \Leftrightarrow k<150mm/h \\ & min(1,3,0,3)+\sqrt_{0,0005k} \Leftrightarrow k\geq 150mm/h \end{cases}
(44)

 

λ – Leitfähigkeitsparameter nach Koitzsch
k – gesättigte hydraulische Leitfähigkeit [mm/h]


05.4 Bodenwasserentzug durch Verdunstung

Der aktuelle Entzug E(t) setzt sich aus dem Bodenevaporationsanteil Es und dem Transpirationsanteil ETR zusammen.

\fn_jvn E(t)=E_{s}(t)+E_{TR}(t)
(45)

Der Evaporationsentzug wird durch die potenzielle Bodenevaporation (Kapitel 2, Gl. 5) gesteuert und erfolgt bis zu einer bodenspezifischen Tiefe zE. Standard für zE in Nichtwaldböden ist 30 cm. Dieser Standardwert gilt nur für Böden ohne organische Auflage mit einer gesättigten Leitfähigkeit von weniger als 360 cm/d im Oberboden. Bei Auftreten von Schichten höherer Leitfähigkeit wird davon ausgegangen, dass diese die kapillare Nachlieferung aus den darunter liegenden Schichten unterbinden und somit als Sperrschicht für die Bodenevaporation wirken.

Es wird angenommen, dass aus der obersten Rechenschicht ein nur vom aktuellen Bodenwassergehalt limitierter Verdunstungsentzug stattfinden kann. Reicht dieser nicht zur Deckung des Bedarfs aus, so erfolgt ein Entzug aus tieferen Schichten. Bei Vorhandensein einer organischen Auflage (Waldböden, konservierende Bodenbearbeitung) kann nur aus dieser evaporiert werden.

Die evaporierte Wassermenge aus den einzelnen Schichten zj oberhalb der maximalen Tiefe ZE wird durch das Minimum aus dem verbleibenden Evaporationsbedarf und dem verfügbaren Bodenwasser oberhalb des Welkepunktes limitiert. Letzteres wird durch die Reduktionsfunktion RSE(z) realisiert:

\fn_jvn E_{s}(z,t)=E_{Sp}(t)*R_{SE}(z,t)
(46)

 

\fn_jvn R_{SE}(\theta)=\begin{cases} & 1\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \Leftrightarrow \theta\geq \theta_{FK} \\ & (\theta-\theta_{WP})/(\theta_{FK}-\theta_{WP})\Leftrightarrow \theta_{WP}\leq \theta< \theta_{FK} \\ & 0\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \Leftrightarrow \theta<\theta_{WP} \end{cases}
(47)

 

 

Esp potenzielle Bodenevaporation [mm]
RSE Reduktionsfunktion
ΘWassergehalt [mm]
ΘWP Wassergehalt am Permanentwelkepunkt [mm]
ΘFK Wassergehalt bei Feldkapazität [mm]

Der Transpirationsanteil ETR(t) wird in seiner Menge und vertikalen Verteilung durch das Vegetationsmodell in Abhängigkeit vom pflanzenverfügbaren Wasser berechnet. Im generischen Vegetationsmodell erfolgt die Berechnung von ETR(t) nach Gleichung 31 (Kapitel 4.4.3).


05.5 Hypodermischer Abfluss

Liegt der aktuelle Bodenwassergehalt nach Realisierung von Entzug und Perkolation immer noch oberhalb der Feldkapazität, so kann auch ein horizontal gerichteter Abfluss Ph in Abhängigkeit von der Schichtneigung erfolgen, wenn die hydraulische Leitfähigkeit der unterliegenden Schicht kleiner als in der betrachteten Schicht ist, deren Matrix-Porenvolumen sehr klein ist (z.B. bei hohem Skelettanteil) bzw. deren gesamter Porenraum wassergesättigt ist.

\fn_jvn P^h(z_{j},t)=\begin{cases} & \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; 0\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \Leftrightarrow \theta(z_{j},t)\leq \theta_{FK}(z_{j})\vee BT(z_{j},t)<0^\circ C \\ & k^h sin(arctan\alpha)\lambda (max(0,\theta(z_{j},t)-\theta_{FK}(z_{j})))^2\Leftrightarrow \theta(z_{j},t)> \theta_{FK}(z_{j})\wedge BT(z_{j},t)\geq 0^\circ C \end{cases}
(48)

 

α Neigung der Bodenschicht [°]
λ Leitfähigkeitsparameter nach Koitzsch [-]
BT Bodentemperatur [° C]
kh Korrekturfaktor für den hypodermischen Abfluss [-]


05.6 Drainabfluss

Melioration hat einen wesentlichen Einfluss auf den Gebietswasserhaushalt, aber auch auf den Stoffaustrag (insbesondere Stickstoff und Phosphor) aus landwirtschaftlich genutzten Flächen. Genaue Informationen zu meliorierten Flächen, Art und Dauer der Meliorationsmaßnahmen liegen jedoch zumeist nicht flächendeckend vor. Alternativ zu einer genauen Kartierung der entwässerten Flächen können potenziell drainierte Flächen berücksichtigt werden. Voraussetzung ist eine Zuordnung der einzelnen Standorte zu einem Drainagetyp (Graben oder Rohrdrainage) und der Entwässerungswahrscheinlichkeit (Anschlussgrad). Entscheidend bei der Modellierung ist die Drainagetiefe. Entsprechend den Literaturangaben wird allgemein von einer Tiefe von 1 m bzw. 40 cm bei landwirtschaftlich genutzten Niedermoorstandorten ausgegangen (s. Möller et al., 2009).

Bei Sättigung (Feldkapazität) der Bodenschicht in dieser Tiefe wird jedes Zusatzwasser sofort dem Drainagesystem zugeführt und im gleichen Zeitschritt abflusswirksam. Liegt die Entwässerungswahrscheinlichkeit unter 100 %, so wird nur der entsprechende Anteil der Bodenlösung über Feldkapazität dem Vorfluter zugeführt. Der Rest steht weiterhin für die Verdunstung und Tiefenversickerung zur Verfügung.

Wichtig für die Abbildung der Entwässerung ist die Konsistenz der Eingangsdatenbasis zur Landnutzung, den Meliorationsinformationen und den mittleren Grundwasserflurabständen.


05.7 Kapillarer Aufstieg

Der kapillare Aufstieg aus gesättigten tieferen Bodenschichten in den Wurzelraum kann für die Wasserversorgung der Vegetation von Bedeutung sein. Entsprechend des Kapazitätsansatzes zur Beschreibung der Bodenwasserdynamik kann zur Simulation dieses Phänomens nur ein empirischer Ansatz über Tabellenfunktionen, wie sie in der Bodenkundlichen Kartieranleitung (Ad-hoc-AG Boden, 2005) angegeben sind, genutzt werden. Kapillaraufstieg in die aktuelle Rechenschicht wird berechnet, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind:

  • Der aktuelle Bodenwassergehalt der Rechenschicht liegt unterhalb eines Schwellenwertes, der mit (ΘWP FK)/2 angenommen wird.
  • Die Schicht liegt im Bereich der für dieses Bodenprofil nach der Bodenkundlichen Kartieranleitung berechneten Distanz, die das Grundwasser bei gegebener Wasserspannung im Boden gegen die Schwerkraft überwinden kann (kapillare Aufstiegshöhe).

Sind diese Bedingungen erfüllt, so wird eine Auffüllung des Schichtwassergehaltes maximal bis zu diesem Grenzwert entsprechend der kapillaren Aufstiegsrate simuliert. Die kapillaren Aufstiegsraten und -höhen werden in der Bodenkundlichen Kartieranleitung bodenartspezifisch angegeben. Für die Übertragung dieser Angaben auf geschichtete Böden wird für die kapillare Aufstiegshöhe die Bodenart der an den Grundwasserspiegel angrenzenden Bodenschicht berücksichtigt. Die kapillare Aufstiegsrate ergibt sich als das Minimum der jeweiligen Aufstiegsraten der Bodenschichten zwischen der Zehrschicht und dem Grundwasserspiegel.


06. Bodenwärmedynamik

Die Simulation der Wärmedynamik basiert auf dem Modell von Suckow (1985). Die Bodenwärmeänderung wird dabei mittels der vereinfachten eindimensionalen Wärmeleitungsgleichung

\fn_jvn C_{h}(z,t)\frac{\delta T(z,t)}{\delta t}=\frac{\delta }{\delta z} \left [ \lambda _{h}(z,t)\frac{\delta T(z,t)}{\delta z} \right ]
(49)

 

mit der Zeit t Î (0, te) und der Tiefe z Î (0, ∞) für veränderliche Wärmekapazität Ch(z,t) und Wärmeleitfähigkeit λh(z,t) beschrieben. Die Lösung der Gleichung 49 er­folgt numerisch (Suckow, 1985). Der Beitrag des Bodeneises an der Wärmeleitung und der Phasenübergang der Bodenflüssigkeit werden nicht betrachtet.

Die Wärmekapazität des Bodens Ch(z,t) wird als Summe der Wärmekapazitäten der festen Boden­bestandteile und des Bodenwassers beschrieben:

\fn_jvn C_{h}(z,t)=\rho_{s}c_{s}\theta_{s}(z)+\rho_{w}c_{w}\theta*(z,t)
(50)

 

ρs Dichte der festen Bestandteile [g/cm³]
θs Volumenanteil der festen Bestandteile [Vol.%]
cs spezifische Wärmekapazität der Festsubstanz [kJ·kg−1·K−1]
cw spezifische Wärmekapazität des Wassers [kJ·kg−1·K−1]
ρw Dichte des Wassers [g/cm³]
θ* volumetrische Feuchte [Vol.%]

Die Wärmeleitfähigkeit kann nach einem Ansatz von Neusypina (1979):

\fn_jvn \lambda_{h} =\frac{(3\rho _{t}-1,7)10^{-3}}{1+(11,5-5\rho _{t})exp(-50\left [ \theta^*/\rho _{t} \right ]^{1,5})} 
(51)

 

λh Wärmeleitfähigkeit [kJcm-1s-1K-1]
ρt  Trockenrohdichte [g/cm³]

bzw. nach de Vries (1963) in Analogie zur elektrischen Leitfähigkeit eines körnigen Materials aus verschiedenen Komponenten berechnet werden.

Die obere Randbedingung für die Lösung der Wärmeleitgleichung (Gleichung 49) ist durch die Bodenoberflächentemperatur gegeben. Für deren Berechnung werden zwei konzeptionelle Algorithmen angeboten, die für eine Simulation auf Tageszeitschrittbasis entwickelt und kalibriert wurden.

Der Williams-Algorithmus wurde im Rahmen der Entwicklungsarbeiten am “Erosion-Productivity Impact Calculator” (EPIC) durch Williams et al. (1984) erarbeitet. Dieses Bodentemperatur-Modell fand in Original- oder bearbeiteter Form Eingang in weitere Bestandes- und Gebietsmodelle wie z.B. CERES (Jones & Kiniry, 1986) und SPASS (Wang, 1997). Die tägliche Bodenoberflächentemperatur BT0 wird als Funktion der Globalstrahlung Rg [MJ/m²], der Albedo A und der minimalen bzw. maximalen Lufttemperatur (LTmin, LTmax) eines Tages berechnet:

\dpi{100} \fn_jvn BT_{o}(t)=(1-A(t))[LT_{min}(t)+(LT_{max}(t))(0,03R_{g}(t))^{0,5}]+A(t)BT_{o}(t-Dt)
(52)

 

Die Albedo A als Kombination aus Boden- und Pflanzenalbedo wird unter der Annahme, dass die Pflanzenalbedo im Mittel 0.25 beträgt, und der mittlere Extinktionskoeffizient der Pflanzendecke für kurzwellige Strahlung 0.5 ist, wie folgt berechnet:

\dpi{100} \fn_jvn A(t)=A_{soil}exp(-0,5LAI)+0,25[1-exp(-0,5LAI)]
(53)

 

Asoil Bodenalbedo (0,25) [-]
LAI Blattflächenindex [-]

Alternativ dazu kann die Bodenoberflächentemperatur BT0 mittels eines empirischen Ansatzes durch näherungsweise Berechnung des Faltungsintegrals über die Lufttemperatur T der letzten drei Tage (Suckow, 1985) berechnet werden.

\fn_jvn BT_{0}(t)=\left [ a+bK(t) \right ]\sum_{i=0}^{2}\left [ F_{i}LT(t-i\Delta t) \right ]
(54)

 

K mittlerer Korrekturfaktor (fest vorgegeben) [-]
Fi Faltungskoeffizient (fest vorgegeben) [-]
LT Lufttemperatur [°C]
a,b Bestandeskoeffizienten (Brache: a=0, b=1) [-]

Bei Vorhandensein einer Schneedecke wird die Bodenoberflächentemperatur mit einem empirischen Ansatz, der die Schneemenge berücksichtigt (Klöcking, 1991), berechnet:

\fn_jvn BT_{o}(t)=1BT_{1}(t-Dt)+\alpha LT8(t)/(\beta +\gamma (t))
(55)

 

BT1 Temperatur der obersten Bodenschicht [°C]
s Schneemenge [mm Wasseräquivalent]
LT Tagesmittel der Lufttemperatur [°C]
l,α,β,γ Parameter (fest vorgegeben)


07. Kohlenstoff-/Stickstoffdynamik

7.1 Das C/N-Modell im Überblick
7.2 Kohlenstoff- und Stickstoffeintrag
7.3 Kohlenstoff- und Stickstoffumsatz im Boden
7.4 Stickstofftransport im Boden
7.5 Stickstoffaufnahme durch die Vegetation


07.1 Das C/N-Modell im Überblick

Die Simulation der Kohlenstoff-/Stickstoffdynamik des Bodens umfasst den biochemischen Umsatz im Boden und die Verlagerung der löslichen Komponenten mit der Bodenlösung. Sie ist eng an die Vegetationsmodellierung (Kap. 4) gekoppelt, welche die Stickstoffaufnahme und die Nachlieferungen toter organischer Substanz durch die Vegetation simuliert.

Im PSCN-Modul wird hierfür das ursprünglich für Waldstandorte entwickelte und in 4C implementierte Bodenmodell des Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalts (Suckow et al., 2001) aufgerufen, wobei sowohl auf Seiten des Vegetationsmodells für landwirtschaftliche Kulturen (VEGEN, Kap. 4.4) als auch auf Seiten des Bodenmodells entsprechende Anpassungen vorgenommen werden mussten, um dieses C/N-Modell auch für Nichtwaldflächen nutzen zu können.

Im Modell wird zwischen primärer organischer Substanz (POM) in mehreren Fraktionen, dem Humus (aktive organische Substanz AOM) und dem mineralisierten Stickstoff in Form von Ammonium und Nitrat unterschieden. Mineralisierung, Nitrifizierung, Pflanzenaufnahme und Transport werden für jede einzelne Bodenschicht in Abhängigkeit von Bodenfeuchte, Bodentemperatur, pH-Wert und den Entzugsansprüchen durch die Vegetation berechnet (s. Abb. 7‑1).

 

image

Abb. 7‑1: Modellierung des Stickstoffkreislaufes innerhalb des Bodenmodells


07.2 Kohlenstoff- und Stickstoffeintrag

Die in der Streu (Nadeln, Blätter, Zweige) und den abgestorbenen Stämmen enthaltenen Kohlenstoff- und Stickstoffmengen werden den jeweiligen NPOM– and CPOM-Pools der ersten Bodenschicht zugeordnet. In der gleichen Weise werden die in den abgestorbenen Fein- und Grobwurzeln enthaltenen C/N-Mengen den POM-Pools der jeweiligen Bodenschicht hinzugefügt. Es wird ein konstanter Kohlenstoffgehalt in der toten Biomasse von 50% angenommen. Jeder dieser POM-Pools ist durch einen (Frucht-/Baum-)artspezifischen Parametersatz charakterisiert (Stickstoffanteil, Umsatzkoeffizient kPOM und Synthesekoeffizient ksyn).

Als atmosphärischer Eintrag wird die Nassdeposition von Nitrat und Ammonium berücksichtigt, die zu einer Erhöhung der mineralischen Pools NNH4 and NNO3 auf der Bodenoberfläche führt.

Bei landwirtschaftlich genutzten Standorten werden Düngergaben in Form von mineralischem Stickstoff berücksichtigt. Diese werden zu gleichen Teilen in die oberste Schicht bzw. auf die Oberfläche aufgebracht.

Stickstoff auf der Bodenoberfläche wird mit dem Niederschlag in den Boden eingewaschen. Dabei werden sowohl Makroporen- als auch Matrixinfiltration berücksichtigt (Kapitel 5.2 und 5.3). Tritt Oberflächenabfluss auf, so erfolgt eine proportionale Abwaschung des noch auf der Oberfläche befindlichen Stickstoffs und ein Eintrag in den nächsten Vorfluter.


07.3 Kohlenstoff- und Stickstoffumsatz im Boden

Der Umsatz zwischen den einzelnen C/N-Bindungsformen (Abb. 7‑2) wird durch eine Kinetik erster Ordnung beschrieben (Chertov and Komarov, 1997; Franko, 1990; Parton et al., 1987). Die Umsatzgeschwindigkeit wird durch reaktionsspezifische Umsatzkoeffizienten bestimmt.

 

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Abb. 7‑2: Modell des Kohlenstoff-Stickstoff-Umsatzes mit den Reaktionskoeffizienten k1+k2 = k*1+k*2 = kPOM für die Primärsubstanz, kAOM für die aktive organische Substanz, den entsprechenden C/N-Verhält­nissen QPOM bzw. QAOM und der Nitrifikationskonstante knit

 

Der dominante Prozess ist die C-Mineralisierung, welcher die Energie für den gesamten Umsatz der organischen Substanz liefert. Entsprechend des obigen Konzeptes ergibt sich die Änderung der Kohlenstoffmenge in der organischen Primärsubstanz POM wie folgt:

\fn_jvn \frac{d}{dt}C_{POM}(t)=-k_{POM}\cdot R_{min}(t)\cdot C_{POM}(t) 
(56)

 

mit dem Reaktionskoeffizienten kPOM = k*1+k*2 (s. Abb. 7‑2). Die Reduktionsfunktion Rmin repräsentiert den Einfluss von Wassergehalt, Bodentemperatur und pH-Wert auf den Mineralisierungsprozess (Franko, 1990; Kartschall et al., 1990).

Die Transformation der organischen Primärsubstanz CPOM(z,t) in aktive organische Substanz CAOM(z,t) wird durch den Reaktionskoeffizienten k*1 = ksyn · kPOM beschrieben, der als Produkt aus dem substratabhängigen Humussynthesekoeffizienten ksyn und dem Zersetzungskoeffizienten der POM berechnet wird. Der Übergang von Kohlenstoff in aktive organische Substanz wird bestimmt vom neu synthetisierten Anteil und der Menge, die zur Mineralisierung benötigt wird:

\fn_jvn \frac{d}{dt}C_{AOM}(t)=k_{syn}\cdot k_{POM}\cdot R_{min}(t)\cdot C_{POM}(t)-k_{AOM}\cdot R_{min}(t)\cdot C_{AOM}(t)
(57)

 

Wie viel Stickstoff in die aktive organische Substanz eingelagert wird, und wie viel mineralisiert wird, hängt vom C/N-Verhältnis der beiden organischen Fraktionen und dem Kohlenstoffbedarf der Humussynthese ab. Die Nettomineralisierung von Stickstoff aus der organischen Primärsubstanz ist analog zu Gl. (56). Der Stickstoffumsatz in der aktiven organischen Substanz verläuft ähnlich wie der Kohlenstoffumsatz, wobei das C/N-Verhältnis beider organischen Fraktionen QPOM und QAOM den Synthesekoeffizient ksyn zu kQsyn modifiziert (Kartschall et al., 1990).

\fn_jvn k_{syn}^{Q}=k_{syn}\cdot \frac{Q_{POM}}{Q_{AOM}}
(58)

 

Außerdem wird die Veränderung des Ammonium- (NNH4) und Nitrat-Stickstoffs (NNO3) betrachtet. Somit wird der Stickstoff-Nettoumsatz durch das folgende System von Differentialgleichungen (Klöcking, 1991) für jede Bodenschicht beschrieben.

\fn_jvn \frac{d}{dt}N_{POM}(t)=-k_{POM}\cdot R_{min}(t)\cdot N_{POM}(t)
(59)

 

\fn_jvn \frac{d}{dt}N_{AOM}(t)=k_{syn}^{Q}\cdot k_{POM}\cdot R_{min}(t)\cdot N_{POM}(t)-k_{AOM}\cdot R_{min}(t)\cdot N_{AOM}(t)
(60)

 

\fn_jvn \frac{d}{dt}N_{NH4}(t)=(1-k_{syn}^{Q})k_{POM}\cdot R_{min}(t)\cdot N_{POM}(t)+k_{AOM}(t)\cdot R_{min}(t\cdot N_{AOM}(t)-k_{nit}\cdot R_{nit}(t)\cdot N_{NH4}(t)
(61)

 

 

\fn_jvn \frac{d}{dt}N_{NO3}(t)=k_{nit}\cdot R_{nit}(t)\cdot N_{NH4}(t) 
(62)

 

Das Differentialgleichungssystem (59)-(62) mit den entsprechenden Anfangswerten wird mittels der Laplace-Transformation gelöst. Die optimalen Reaktionskoeffizienten dieser Prozesse können auf der Basis von Literaturangaben (s. Klöcking et al., 2007) durch Parameteroptimierung angepasst werden.

Analog zum Kohlenstoffumsatz erfolgt auch hier eine Reduktion der Mineralisierung und Nitrifizierung durch die Reduktionsfunktionen Rmin(z,t) bzw. Rnit(z,t). Durch sie wird der Einfluss von Umweltbedingungen (Feuchte, Temperatur, pH-Wert) auf die Mineralisierung und die Nitrifizierung (Franko, 1990; Kartschall et al., 1990) beschrieben. Jede Einflusskomponente wird durch eine Einzelfunktion beschrieben, deren Produkt die gesamte Reduktionsfunktion ergibt:

\fn_jvn R_{min/nit}=R_{min/nit}^{\Theta}(\Theta)\cdot R_{min/nit}^{BT}\cdot R_{min/nit}^{pH}(pH)
(63)


Rθmin/nit(θ) Feuchte-Reduktionsfunktionen der Mineralisierung bzw. der Nitrifizierung
RBTmin/nit(BT) Bodentemperatur-Reduktionsfunktionen der Mineralisierung bzw. der Nitrifizierung
RpHmin/nit(pH) pH-Wert-Reduktionsfunktionen der Mineralisierung bzw. der Nitrifizierung

Die Mineralisierung wird verzögert, wenn die Bodenfeuchte Werte von weniger als der Hälfte des Wassergehaltes bei Feldkapazität annimmt. Die Reduzierung der Nitrifizierung durch Trockenheit erfolgt ähnlich wie für die Mineralisierung, wobei jedoch auch eine Verminderung bei hohen Wassergehalten durch Sauerstoffmangel berücksichtigt wird (Abb. 7‑3).

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Abb. 7‑3: Feuchte-Reduktionsfunktionen der Mineralisierung Rθmin(θ) und der Nitrifizierung Rθnit(θ) in Abhängigkeit vom Verhältnis der aktuellen Bodenfeuchte zum Gesamtporenvolumen GPV

 

Der Einfluss der Bodentemperatur (BT) auf die Umsatzgeschwindigkeit wird nach Stanford et al. (1973) beschrieben. Dabei wird als optimale Temperatur für die Mineralisierung 35 °C und für die Nitrifizierung 25 °C angenommen (Abb. 7‑4).

 

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Abb. 7‑4: Temperatur-Reduktionsfunktionen der Mineralisierung RBTmin(BT) und der Nitrifizierung RBTnit(BT) in Abhängigkeit von der aktuellen Bodentemperatur BT

 

Außerdem werden Mineralisierung und Nitrifizierung durch ein saures Bodenmilieu gehemmt. Der Einfluss des pH-Wertes wird durch Stufenfunktionen (Abb. 7‑5) beschrieben. Der pH-Wert wirkt sich besonders stark auf die Nitrifizierung aus. Unterhalb eines pH-Wertes von 3 kommt die Nitrifizierung zum Erliegen. Optimale Nitrifizierungsbedingungen werden oberhalb eines pH-Wertes von 6 angenommen.

 

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Abb. 7‑5: Säure-Reduktionsfunktionen der Mineralisierung und der Nitrifizierung in Abhängigkeit vom pH-Wert


07.4 Stickstofftransport im Boden

Der Transport und die Pflanzenaufnahme UN von löslichen chemischen Substanzen erfolgen gekoppelt an die Bodenwasserbewegung und werden für jede Bodenschicht betrachtet. Der Transport von organischen Verbindungen wird nicht berücksichtigt, da ihr Flux vernachlässigbar klein im Vergleich zu ihrer Gesamtmenge im Boden ist. Da Ammonium und Nitrat z.T. eng an die Bodenmatrix gebunden sind, wird nicht die gesamte Menge als frei beweglich angesehen. Die Mengen des mit den einzelnen Abflusskomponenten Pi aus der jeweiligen Bodenschicht transportierten Ammonium- bzw. Nitrat-Stickstoffs Nj werden wie folgt berechnet:

\fn_jvn N^j(P^i)=n^jN^j\frac{P^i}{\theta+E_{TR}+\sum_{i}^{ }P^i}\: \: \: \: \: j=Nitrat \vee Ammonium
(64)

 

nj Fraktion des mobilen Ammonium-N bzw. Nitrat-N
Pi Wasserabflusskomponente i aus der Schicht (Pg, Ph, Pd) [mm]
ETR Transpirationsentzug [mm]
ΘWassergehalt [mm]

Als Abflusskomponenten Pi werden die Perkolation Pg, der hypodermische Abfluss Ph und der Drain­abfluss Pd berücksichtigt.


07.5 Stickstoffaufnahme durch die Vegetation

Ähnlich wie beim Stickstofftransport ist die Stickstoffaufnahme an den Wasserstrom gekoppelt. Im Gegensatz zum Transport steht aber der gesamte, als Ammonium oder Nitrat vorliegende Stickstoff N zur Verfügung, da die Pflanzen auch den an die Bodenmatrix gebundenen Stickstoff aktiv aufnehmen können. Es wird angenommen, dass keine der Verbindungen bevorzugt durch die Pflanzen aufgenommen wird. Die Stickstoffaufnahme UN aus den durchwurzelten Bodenschichten wird wie folgt berechnet:

\fn_jvn U_{Nj}=N^j\frac{E_{TR}}{\theta}\: \: \: \: k=Nitrat \vee Ammonium
(65)


UN Stickstoffaufnahme [kg/ha]
ETR Transpirationsentzug [mm]
Θ Wassergehalt [mm]


08. Phosphorkreislauf

8.1 Überblick Phosphormodell-Boden
8.2 Initialisierung der Phosphorfraktionen im Boden
8.3 Phosphoreintrag

8.4 Sorption des anorganischen Phosphors

8.5 Phosphoraufnahme durch die Vegetation und Transport im Boden


08.1 Überblick Phosphormodell-Boden

Der Phosphorkreislauf wird in PSCN ähnlich wie in SWAT2005 (Neitsch et al., 2005) beschrieben. Wie auch das Kohlenstoff-/Stickstoffmodell lässt sich das Phosphormodell je nach Simulationsziel aktivieren oder deaktivieren. Voraussetzung für die Aktivierung ist die Simulation der Vegetationsdynamik mit dem generischen Modell VEGEN (s. Kap. 4.4).

Im Bodenmodell wird zwischen gelöstem, aktivem und stabilem mineralischem Phosphor (Phosphatbindungen) sowie organisch gebundenem Phosphor im Bodenhumus sowie in mehreren Fraktionen organischer Primärsubstanz unterschieden (Abb. 8‑1).

 

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Abb. 8‑1: Elemente des Phosphormodells in PSCN

 

Phosphorquellen sind organische und anorganische Düngung, Deposition und der Eintrag über Pflanzenreste. Als Phosphorsenken werden die Aufnahme durch die Vegetation sowie die Ab- und Ausschwemmung des gelösten mineralischen Phosphors mit den Abflusskomponenten des Wasserhaushaltes berücksichtigt.

Die Mineralisierung der organisch gebundenen Phosphorfraktionen wird über eine Kinetik 1. Ordnung in Kopplung an den C/N-Umsatz (s. Kap. 7.3) beschrieben.

Als Bodeneingangsdaten werden der Gehalt an anorganisch (mineralisch) und organisch gebundenem Phosphor in den einzelnen Bodenhorizonten sowie der Index „Phosphorverfügbarkeit“, der die Phosphat-Bindungskapazität des Bodens beschreibt, benötigt. Liegen diese Werte nicht vor, so erfolgt eine Initialisierung analog Neitsch et al. (2005).


08.2 Initialisierung der Phosphorfraktionen im Boden

Die Konzentration des gelösten Phosphors Psol („Pmin in Lösung“ in Abb. 8‑1) wird in allen Schichten auf 5 mg P/kg Boden gesetzt. Dieser Wert ist repräsentativ für unbewirtschaftete Böden. Für die Pflugzone ackerbaulich genutzter Böden wird nach Cope et al. (1981) eine Konzentration von 25 mg P/kg Boden angenommen.

Die aktiven und stabilen (passiven) mineralische Phosphormengen werden nach Jones et al. (1984) wie folgt initialisiert:


\fn_jvn P_{act}=P_{sol}\frac{1-pai}{pai}
(66)

\fn_jvn P_{st}=4P_{act}
(67)

 

Pact in der aktiven anorganischen Fraktion gebundener Phosphor („Pmin aktiv“ in Abb. 8‑1) [kg P/ha]
Pst in der stabilen anorganischen Fraktion gebundener Phosphor („Pmin stabil“ in Abb. 8‑1) [kg P/ha]
Psol gelöster anorganischen Phosphor („Pmin in Lösung“ in Abb. 8‑1) [kg P/ha]
pai Phosphorverfügbarkeitsindex

Für die Initialisierung der organischen P-Fraktionen wird ein N:P-Verhältnis von 8:1 im Humus angenommen. Somit ergibt sich:

\fn_jvn P_{AOM} = 0,125 N_{AOM}
(68)



NAOM Stickstoff in der aktiven organischen Substanz (Humus) [kg N/ha]
PAOM Phosphor in der aktiven organischen Substanz („P im Humus“ in Abb. 8‑1) [kg P/ha]


08.3 Phosphoreintrag

Die in den Ernteresten bzw. bei Wäldern in der Streu (Nadeln, Blätter, Zweige) und den abgestorbenen Stämmen enthaltenen Phosphormengen werden den jeweiligen PPOM-Pools der ersten Bodenschicht zugeordnet. In der gleichen Weise werden die in den abgestorbenen Fein- und Grobwurzeln enthaltenen P-Mengen den OPS-Pools der jeweiligen Bodenschicht hinzugefügt. Jeder dieser POM-Pools ist durch einen (Frucht-/Baum-)artspezifischen Parametersatz charakterisiert (Umsatzkoeffizient kPOM und Synthesekoeffizient ksyn).

Als atmosphärischer Eintrag wird eine Gesamtdeposition (Nass- und Trockendeposition) von Phosphor berücksichtigt, die zu einer Erhöhung der mineralischen P-Pools auf der Bodenoberfläche führt.

Bei landwirtschaftlich genutzten Standorten werden Düngergaben in Form von mineralischem Phosphor berücksichtigt. Diese werden zu gleichen Teilen in die oberste Schicht bzw. auf die Oberfläche aufgebracht.

Phosphor auf der Bodenoberfläche wird mit dem Niederschlag in den Boden eingewaschen. Dabei werden sowohl Makroporen- als auch Matrixinfiltration berücksichtigt (Kapitel 5.2 und 5.3). Tritt Oberflächenabfluss auf, so erfolgen eine proportionale Abwaschung des noch auf der Oberfläche befindlichen Phosphors und ein Eintrag in den nächsten Vorfluter.


08.4 Sorption des anorganischen Phosphors

Der Übergang des Phosphors zwischen gelöster und aktiver anorganischer Bindungsform wird durch folgende Gleichung beschrieben:

\fn_jvn P_{sol \to act }=\begin{cases} & P_{sol} -P_{act} \Big( \frac{pai}{1-pai} \Big) \; \; \; \Leftrightarrow P_{sol}>P_{act}\Big( \frac{pai}{1-pai} \Big) \\ & 0,1\bigg(P_{sol}-P_{act}\Big ( \frac{pai}{1-pai} \Big)\bigg) \Leftrightarrow P_{sol}<P_{act}\Big( \frac{pai}{1-pai} \Big) \end{cases}
(69)

 

 

Der Übergang zwischen aktiven und stabilen Bindungsformen wird wie folgt beschrieben:

\fn_jvn P_{act \to st }=\begin{cases} & \beta (4P_{act}-P{st})n \; \; \; \Leftrightarrow P_{st}<4P_{act} \\ & 0,1 \beta(4P_{act}-P{st}) \Leftrightarrow P_{st}>4P_{act} \end{cases}
(70)

08.5 Phosphoraufnahme durch die Vegetation und Transport im Boden

Der Transport und die Pflanzenaufnahme des gelösten Phosphors erfolgen gekoppelt an die Bodenwasserbewegung und werden für jede Bodenschicht betrachtet. Alle übrigen P-Fraktionen werden als immobil angesehen. Pro Zeitschritt wird die Phosphoraufnahme durch die Vegetation vor der Simulation des Transportes mit dem Bodenwasser simuliert. Voraussetzung ist ein aktueller Phosphor-Bedarf der Vegetation (s. Kap. 4.4.4) und die Wasseraufnahme aus der jeweiligen Bodenschicht sowie das Vorhandensein von gelöstem Phosphor.

Die Mengen des mit den einzelnen Abflusskomponenten Pi aus der jeweiligen Bodenschicht transportierten Phosphors werden wie folgt berechnet:

\fn_jvn P(P^i)=P_{sol}\frac{P^i}{\theta+E_{TR}+\sum_{i}^{ }P^i}
(71)

 

Pi Wassermenge, die mit der Abflusskomponente i die Schicht verlässt [mm]
ETR Transpiration [mm]
Θ Wassergehalt [mm]

Dabei werden die Abflusskomponenten Perkolation Pg, hypodermischer Abfluss (Interflow) Ph und Drainabfluss Pd berücksichtigt (Kapitel 5.3, 5.5 und 5.6).


09. Eingangsdaten und Modellparameter

Für die Simulation des Gebietswasserhaushaltes mit ArcEGMO-PSCN werden die üblichen Eingangsgrößen des Modells ArcEGMO benötigt. Die Simulation der Abflussbildungsdynamik bei Berücksichtigung der Vegetationsdynamik und des C/N-Haushaltes erfolgt auf Hydrotopbasis. Die Hydrotope (Elementarflächen) wurden durch Verschneidung der Basiskarten Vegetation, Bodentyp, Morphologie und Hydrogeologie erzeugt und haben einen festen Raumbezug innerhalb des Untersuchungsgebietes. Sie werden somit als in sich homogen betrachtet. Mittels geostatistischer Verfahren werden die meteorologischen Bedingungen der einzelnen Hydrotope entsprechend der an den Messstandorten beobachteten Witterung berechnet. Eine ausführliche Beschreibung der Struktur und Inhalte der GIS-Eingangsdaten von ArcEGMO ist in der Modellbeschreibung von ArcEGMO enthalten (s. Pfützner, 2002).

Die folgenden Tabellen geben thematisch geordnet einen Überblick über die Eingangsdaten und Modellparameter mit Schwerpunkt auf die primär für PSCN benötigten Größen. Neben der Parameterbezeichnung im Text sind die Steuerwörter in den entsprechenden Arc­EGMO-Steuerdateien angegeben. Bei unterschiedlicher räumlicher Eingabemöglichkeit findet sich ein entsprechender Hinweis. Für eine umfassende Beschreibung der Verwaltung der allgemeinen Eingangsdaten für die Abflussbildungssimulation von ArcEGMO (z.B. Muldenspeicherkapazität) wird auf die Modelldokumentation ArcEGMO -Teil 1 (Pfützner, 2002) verwiesen.

Tabelle 1 enthält die erforderlichen meteorologischen Eingangsdaten. Eine detaillierte Beschreibung ist in Kapitel 5.2 der Modelldokumentation ArcEGMO (Teil 1) enthalten.

 

Tabelle 1: Meteorologische Eingangsdaten für PSCN

Parameter Bezeichnung Dimension Steuerwort* Minimal ersetzbar durch:
P0 Niederschlag [mm/d] NIEDERSCHLAG +  
LT Lufttemperatur
(Tagesmittel)
[°C ] LUFTTEMPERATUR +  
LTmin Lufttemperatur
(Tagesminimum)
[°C ] minLUFTTEMPERATUR    
LTmax Lufttemperatur
(Tagesmaximum)
[°C ] maxLUFTTEMPERATUR    
U relative Luftfeuchte [%] RELATIVE_FEUCHTE + Dampfdruck [hPa]
Rg Globalstrahlung [J/(cm2*d)] GLOBALSTRAHLUNG + Sonnenscheindauer [h]
v2 Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe [m/s] WINDGESCHWINDIGKEIT    

*Steuerwort in ..\zeit.dat\describe\met_data.sdf

 

Tabelle 2 enthält alle benötigten Bodenparameter. Eine ausführliche Beschreibung findet sich ebenfalls in der Modelldokumentation ArcEGMO (Teil 1, Kapitel 4.5.3, Messwertformat).

 

Tabelle 2: Bodenparameter für PSCN

Parameter Bezeichnung Zuordnung Dimension Steuerwort Minimal Standard
EP Ertragspotential EFL [-] ERTRAGSPOTENTIAL** 2
  Horizontnummer Bodentyp HORIZONTNUMMER* +  
  Horizontmächtigkeit Bodentyp mm SCHICHTMAECHTIGKEIT* +  
  Durchwurzelungsintensität Bodentyp WURZELINTENSITAET*   1
  Bodenart Bodentyp BODENART* +  
ρt Trockenrohdichte Bodentyp g/cm³ LAGERUNGSDICHTE * +  
Skelett Skelettanteil Bodentyp Vol.% SKELETTANTEIL*   0
Ton Tongehalt Bodentyp Masse% TON*   KA4/KA5
  Schluffgehalt Bodentyp Masse% SCHLUFF*   KA4/KA5
  Schluffgehalt Bodentyp Masse% SAND*   KA4/KA5
qPW Welkepunkt Bodentyp Vol.% WELKEPUNKT*   KA4/KA5
qKF Feldkapazität Bodentyp Vol.% FELDKAPAZITAET*   KA4/KA5
  Gesamtporenvolumen Bodentyp Vol.% PORENVOLUMEN*   KA4/KA5
MP Makroporen Bodentyp % MAKROPOROSITAET*   f(Skelett, Ton, Vegetation)
k Gesättigte Leitfähigkeit Bodentyp mm/h HYD_LEITFAEHIGKEIT*   KA4/KA5
λ Leitfähigkeitsparameter nach Koitzsch Bodentyp KOITZSCH_LAMBDA*   f(k)
pH-Wert pH-Wert Bodentyp PH_WERT*   7
CAOM organischer Gesamtkohlenstoffgehalt Bodentyp % KOHLENSTOFF* + -9999
NAOM organischer Gesamtstickstoffgehalt Bodentyp % STICKSTOFF* + -9999

 * in …\GIS\describe\efl.sdf / BODEN_TABELLE
** in …\arc_egmo\pscn\pscn.ste/ EFL-Karte

Tabelle 3: Parameter für die Verdunstungs- und Schneemodellierung

Parameter Bezeichnung Zuordnung Dimension Steuerwort Steuerdatei
Grenzwert der Tagesmitteltemperatur, unter dem Schneefall angenommen wird global [°C ] GRENZTEMPERATUR meteor.ste
  Grenzwert der Tagesmitteltemperatur, über dem Schneeschmelze angenommen wird global [°C ] GRENZTEMPERATUR_S modul.ste / MET_MOD1
  kritische Lagerungsdichte für das Abtauen der Schneedecke (nur Schneemodell 3 und 4) global [-] RHO_DKRIT modul.ste / MET_MOD1
  Speicherfaktor für flüssiges Wasser in der Schneedecke (nur Schneemodell 1) global [%] SpFakt modul.ste / MET_MOD1
fLNmin Vegetations-Korrekturfaktor der potenziellen Evapotranspiration (Minimalwert) Landnutzung [-] MIN_VERDUNSTUNGSKORREKTUR pscn.ste / NUTZUNG_TABELLE
fLNmax Vegetations-Landnutzungsspezifischer Korrekturfaktor der potenziellen Evapotranspiration (Maximalwert) Landnutzung [-] MAX_VERDUNSTUNGSKORREKTUR pscn.ste / NUTZUNG_TABELLE
  Vegetations-Korrekturfaktor der potenziellen Evapotranspiration (Maximalwert) Fruchtart [-] PET_kor* vegen.ste /
CROPPARAMETER_VEGEN
SImin minimale Interzeptionskapazität Landnutzung [mm/d] INTERZEPZIONSSPEICHER_MIN INTC_MIN efl.sdf / NUTZUNG_TABELLE
SImax maximale Interzeptionskapazität Landnutzung [mm/d] INTERZEPZIONSSPEICHER_MAX INTC_MAX efl.sdf / NUTZUNG_TABELLE
kS Korrekturfaktor für Regen­interzeption in Forstbeständen global [-] K_Interzeption_Regen modul.ste / PSCN
kS Korrekturfaktor für Schneeinterzeption in Forstbeständen   [-] K_Interzeption_Schnee

modul.ste / PSCN

*Attribut in …\vegen.ste / CROPPARAMETER_VEGEN


Tabelle 4: Parameter für die Vegetationsmodellierung

Parameter

Bezeichnung Zuordnung Dimension Steuerwort / *Attribut in Vegetationsmodell
zroot,max maximale Wurzeltiefe Landnutzung [m] WURZELTIEFE_MAX efl.sdf / NUTZUNG_TABELLE statisch
    Fruchtart [m] RDMX* vegen.ste / CROPPARAMETER_VEGEN VEGEN
LAImax maximal erreichbarer Blattflächenindex Landnutzung [-] MAX_BLATTFLAECHENINDEX pscn.ste / NUTZUNG_TABELLE statisch
    Fruchtart [-] BLAI* vegen.ste / CROPPARAMETER_VEGEN VEGEN
SImin minimale Interzeptionskapazität Landnutzung [mm/d] INTERZEPZIONSSPEICHER_MIN pscn.ste & efl.sdf / NUTZUNG_TABELLE alle außer 4C
Bmax maximaler Bedeckungsgrad Landnutzung [%] BEDECKUNGSGRAD_MAX pscn.ste & efl.sdf / NUTZUNG_TABELLE alle außer 4C
Bd Dichte von Forstbeständen EFL [-] BESTANDESDICHTE pscn.ste / EFL-Karte alle außer 4C
             
β Parameter zur Steuerung der Tiefenverteilung der Wasser- und Nährstoffaufnahme durch die Pflanze global [-] WURZELAUFNAHME vegen.ste VEGEN
β1 Parameter zur Wurzelverteilung global [-] WURZELVERTEILUNG vegen.ste VEGEN
Bd Dichte von Forstbeständen EFL [-] BESTANDESDICHTE pscn.ste / EFL-Karte alle
  Nummer der Forstabteilung EFL [-] FORSTABTEILUNG pscn.ste / EFL-Karte 4C
  ID eines Bewirtschaftungseinheit EFL [-] SCHLAG pscn.ste / EFL-Karte VEGEN
  Fruchtfolgeglied (Nummer) EFL [-] FRUCHTFOLGEGLIED pscn.ste / EFL-Karte

VEGEN

 

Weitere Informationen zu den allgemeinen Landnutzungsparametern im Modell ArcEGMO gibt Kapitel 4.5.2 der Modelldokumentation ArcEGMO (Teil 1).

Die Eingangsdaten und Parameter, die allein für das generische Vegetationsmodell VEGEN benötigt werden, sind in der Nutzungsbeschreibung von PSCN und der Parameterübersicht für VEGEN „VEGEN_Parameter.xls“ beschrieben. Die Inputdaten für das Waldmodell 4C sind der Nutzerdokumentation dieses Modells zu entnehmen.

 

Tabelle 5: Parameter für die Modellierung des Bodenwasser- und -wärmehaushaltes

Parameter

Bezeichnung Zuordnung Dimension Steuerwort in Standard
AIMP Versiegelungsgrad Landnutzung [-] VERSIEGLUNGS_MAX efl.sdf /NUTZUNG_TABELLE 0
    EFL [-] Efl_Versiegelungsgrad efl.sdf  
AGrad repräsentativer Anschlussgrad an die Kanalisation EFL [-] AnSchlussGRAD efl.sdf 0
Kanaltyp Art der Entwässerung (Misch- oder Trennkanalisation) EFL [-] Kanalisationsart efl.sdf 0
α Neigung der Bodenschicht EFL [%] GEFAELLE efl.sdf 0
kh Korrekturfaktor für den hypodermischen Abfluss global [-] INTERFLOWPARAMETER modul.ste / PSCN 1
kt Parameter zur Eichung des Terms f(Tongehalt) der Makroporosität global [-] K_MAKRO_TON modul.ste / PSCN 1
ks Parameter zur Eichung des Terms f(Skelettgehalt) der Makroporosität global [-] K_MAKRO_SKELETT modul.ste / PSCN 1
kv Parameter zur Eichung des vegetationsbestimmten Terms der Makroporosität global [-] K_MAKRO_VEGETATION modul.ste / PSCN 1
cs spezifische Wärmekapazität der Bodenfestsubstanz global [kJ/(kg K)] WAERME_KAPAZITAET modul.ste / PSCN

0,8

 

Tabelle 6: Parameter für die Modellierung des Bodenwassernährstoffhaushaltes

Parameter

Bezeichnung Zuordnung Dimension Steuerwort in
kAOM,o Humusumsatzkoeffizient organische Auflage global [1/d] K_HUMUS modul.ste / PSCN
    EFL   K_HUMUS_O pscn.ste / EFL-Karte
kAOM,m Humusumsatzkoeffizient Mineralboden global</