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

Die GIS-Datenbasis und ihre prinzipielle Struktur

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

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

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

Tabelle 4.1‑1: Informationsebenen der GIS-Datenbasis

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

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

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

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

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

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

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

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

TG.SDF

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

Abbildung 4.1‑2: Strukturdefinitionsdatei TG.sdf

Tabelle 4.1‑3: Übersicht über die Strukturdefinitionsformate

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Auszug aus der ArcEGMO.ste

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

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

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

In den folgenden Kapiteln werden die verschiedenen Raumgliederungen ausführlich beschrieben.

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

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

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

Tabelle 4.2‑1: Struktur der Tabelle TG.DB

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

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

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

Tabelle 4.2‑2: Struktur der Tabelle GEO.TAB

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

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

Abbildung 4.2‑1: Steuerdatei TG.SDF

4.2.1 Behandlung „abflussloser“ Gebiete

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

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

ABFLUSSKONZENTRATION_RD     tg
ABFLUSSKONZENTRATION_GW     tg  | reg
GESAMTABFLUSS               fgw | tg

Abbildung 4.2‑2: Gliederungsmöglichkeiten

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Tabelle 4.3‑1: Struktur der Tabelle FGW.DB

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

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

Tabelle 4.3‑2: Struktur der Tabelle FGW_N.DB

Zuordnung der Einzugsgebietsflächen zum Gewässernetz

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

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

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

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

FGW_extZuflussgebiet        f_area

4.3.1 Relate-Tabelle PROFIL.TAB

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

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

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

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

Abbildung 4.3‑1: Schematische Darstellung des unterstützten Regelprofils

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

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

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

4.3.2 Relate-Tabelle FGW_TYP.TAB

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

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

4.3.3 Relate-Tabelle VORL_TYP.TAB

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

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

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

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

Abbildung 4.3‑2: Steuerdatei FGW.SDF

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

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

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

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

Tabelle 4.4‑1: Struktur der Tabelle KASEG.DB

.

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

Abbildung 4.4‑1: Steuerdatei KAS

EFL.DB

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

Die folgenden digitalen Informationen können zusätzlich einbezogen werden:

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

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

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

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

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

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

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

Abbildung 4.5‑1: Übersichtsschema zur EFL-Erzeugung

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

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

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

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

Tabelle 4.5‑1: Struktur der Tabelle EFL.DB

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

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

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

Direkte Zuordnung von Versiegelungsgraden zu den Elementarflächen

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

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

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

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

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

Klassifizierung von Elementarflächen nach ihrer Höhenstufe

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

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

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

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

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

Abbildung 4.5‑3: Höhenverteilung innerhalb der Elementarflächen

4.5.2 Relate-Tabelle LNTZ.TAB

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

4.5.3 Relate-Tabellen für die BODEN-Parametrisierung

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. KA4-Format, KA5-Format

3. KA3-Format,

4. MIN-MAX-Format,

5. Formate für die direkte Kennwertzuordnung.

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

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

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

Abbildung 4.5‑6: Auszug aus der Bodentabelle im Messwertformat

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. zur kapillaren Aufstiegshöhe KRH [dm]

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Diese Rückführung erfolgt über eine Bodenformentabelle.

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

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

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

Abbildung 4.5‑11: Struktur der Bodenformentabelle

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

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

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

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

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

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

alternativ

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

oder

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

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

4.5.4 Relate-Tabelle GEF.TAB

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

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

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

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

4.5.5 Relate-Tabelle FLURAB.TAB

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

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

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

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

4.5.5.1 Vorgabe von Grundwasserständen pro Elementarfläche

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

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

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

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

Abbildung 4.5‑15: Modul.ste

4.5.6 Relate-Tabelle Halden.TAB

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

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

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

Tabelle 4.5‑6: Struktur der Tabelle HALDEN.TAB

..

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

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

4.5.7 Meliorierte Flächen

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

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

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

4.5.8 Muldenspeicherkapazität

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

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

4.5.9 Wasserflächenanteil

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

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

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

Efl_Wasserflaechenanteil     aw_ant

4.5.10 FLAECHENSTATISTIK

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

efl.sdf

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

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

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

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

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

4.9.12 Erweiterung der Anschlussarten an die Kanalisation

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

  (1)

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

 (2)

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

Der Niederschlagsüberschuss auf den versiegelten, aber nicht angeschlossenen Flächenanteil

 (3)

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

  (4)

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

 (5)

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

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

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

noch nicht realisiert

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

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

  (6)

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

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

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

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

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

  (7)

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

4.5.12 Kapillaraufstieg

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

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

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

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

[3] nur für die Formate KA3 und KA4 notwendig

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

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

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

Für die programmtechnische Umsetzung wurden folgende Fälle unterschieden:

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

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

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

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

Die Größen der beiden Kanalisationsabflusskomponenten können über die Einträge

MISCHKANALISATIONSABFLUSS
 
TRENNKANALISATIONSABFLUSS

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

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

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

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

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

Die Klassifizierung erfolgt in zwei Teilschritten:

– Vorklassifizierung der Elementarflächen,

– Zuordnung der Elementarflächen zu Hydrotopklassen.

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

4.7.1 Vorklassifizierung der Elementarflächen

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

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

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

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

Jede Anweisungszeile beginnt mit einem frei wählbaren Klassenbezeichner.

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

Tabelle 4.7‑1: Schlüsselwörter zur Attributbezeichnung

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

= gleich,

! ungleich bzw. nicht,

< kleiner > größer.

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

Abbildung 4.7‑1: Steuerdatei EFL_HYD.SDF

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

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

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

Abbildung 4.7‑2: Auszug aus der EFL_HYD.SDF

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

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

4.7.2 Zuordnung der Elementarflächen zu Hydrotopklassen

4.7.2.1 Programminterne Hydrotopklassenzuordnung

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

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

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

Abbildung 4.7‑4: Hydrotopklassenzuordnung in der Steuerdatei HYD

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

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

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

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

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

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

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

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

Abbildung 4.7‑5 : Alternative Hydrotopklassenzuordnung

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

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

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

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

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

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

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

Abbildung 4.7‑6 : Beispiel zur programminternen Hydrotopzuordnung

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

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

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

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

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

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

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

4.7.2.2 Hydrotopdirektzuweisung

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

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

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

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

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

Bsp. ANw950 = A + N + w + 950

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

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

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

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

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

Abbildung 4.7‑9: hyd.sdf

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

HYDROTOP_ZUORDNUNG Hyd

Abbildung 4.7‑10: Efl.sdf

Beispiel

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

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

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

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

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

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

[1]wird derzeit nicht ausgewertet

[2] Für Klassenbezeichner waren Mehrfachnennungen möglich.

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

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

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

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

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

Abbildung 4.8‑1 : Auszug aus der Steuerdatei TG

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

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

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

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

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

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

Mit diesem Ansatz sollen vorrangig folgende Ziele verfolgt werden:

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

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

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

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

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

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

Beispiel

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

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

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

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

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

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