MOD_TYP |
Ken1 |
Ken2 |
Ken3 |
Kennlinien |
Name |
Beschreibung |
13/18 |
– |
Hüber |
Qmax |
|
Talsperre |
Die Abflusstransformation erfolgt regelbasiert in Abhängigkeit vom Wasserstand, der fortlaufend unter Berücksichtigung der Zuflüsse, Verdunstungsverluste, Nutzungsentnahmen und der Abflüsse berechnet wird.Die Module 13 und 18 sind im Prinzip gleich. Bei kleineren Talsperren / längeren Zeitschritten ist das Modul 18 zu verwenden, weil programmintern eine dynamische Zeitschrittverringerung (z.B. Hochwasserfall) erfolgt. |
Zur modellmäßigen Abbildung der Wirkung von Talsperren in Flussgebieten wurde in ArcEGMO eine variable Lösung integriert, die eine (jahres)zeitabhängige Regelung mit einer Regelung in Extremsituationen (NW, HW) kombiniert.
Über die in Tabelle B.4‑1 angegebenen Kennwerte kann eine Talsperre und ihr Bewirtschaftungsregime im Modell charakterisiert werden:
Tabelle B.4‑1: Charakterisierung von Talsperren in ArcEGMO
Kennwert |
Erläuterung
|
Hoehe |
Zeitlich konstant
|
Untere Grenze der bewirtschaftbaren Lamelle = Höhe Grundauslass (s. Abbildung B.4‑1) |
K1 |
Obere Grenze der bewirtschaftbaren Lamelle = Beginn des HW-Rückhalteraumes (s. Abbildung B.4‑1) |
Hüber (k2) |
Vollstauziel bzw. Höhe des HW-Überlaufes (s. Abbildung B.4‑1) |
Qmax (k3) |
max. Abfluss, der schadlos abgeleitet werden kann |
wqb |
WQ-Beziehung, die den max. und min. Abfluss bei einem bestimmten Wasserstand angibt (Tabellenfunktion) |
hav |
Beziehung zwischen Wasserstand-Wasseroberfläche des Stausees-Speicherinhalt (Tabellenfunktion) |
fgw |
Gibt die Zuflüsse zum Stausee an und integriert damit die TS in das Gewässersystem |
wep [mm/d] |
Zeitlich variabel, vorzugeben über Zeitfunktionen
|
(positive) Korrekturgröße zur Reduzierung des Wasserstandes um die aktuelle Wasserflächenverdunstung bzw. um einen Differenzbetrag zur eventuell schon angesetzten Landverdunstung für den erst entstehenden Stausee (-> Sicherstellen, dass Verdunstung nicht doppelt abgezogen wird -> BilanzIst wep ≤ 0, wird programmintern die Gewässerverdunstung berechnet |
ql [m3/s] |
Nutzeranforderung 1 mit höchster Priorität (Rang 1): z.B. landschaftlich notwendiger Kleinstabfluss bzw. Wildbettabgabe |
qnu [m3/s] |
Nutzeranforderung 2 (Rang 2): weitere (nachrangige Anforderungen an Wasserführung im Unterlauf |
qnd [m3/s] |
Nutzeranforderung 3 (Rang 3): weitere (nachrangige Anforderungen zur Entnahme direkt aus dem Stausee z.B. zur Bewässerung, d.h. diese Entnahmen werden vom Abfluss aus der TS abgezogen |
sw [m üNN] |
Aktuell anzusteuernder Sollwasserstand in der Talsperre |
Abbildung B.4‑1: Wichtige Kennwerte einer Talsperre (stark vereinfacht)
B.1.1.1 Nutzeransprüche
Die zeitlich veränderlichen Randbedingungen wie Nutzeransprüche an den Abfluss im Unterlauf, an Entnahmen aus der Talsperre oder an den Wasserstand in der Talsperre können sehr variabel über Zeitfunktionen vorgegeben werden.
Unterstützt werden z.Z. (s. Teil 1, Kapitel 8) folgende Zeitreihendarstellungen:
- Mittlere Jahresgänge, definiert über mittlere Monatswerte,
- Mittlere Jahresgänge, definiert über Stützstellen, zwischen denen dann linear interpoliert wird (Beispiel s. Abbildung B.4‑2),
- Tageswerte, die intern auf eventuell kleinere Berechnungszeitschritte aufgeteilt werden,
- Monatswerte, die intern auf kleinere Berechnungszeitschritte aufgeteilt werden,
- Jahreswerte, die intern auf kleinere Berechnungszeitschritte aufgeteilt werden,
- Mittelwert, gleichmäßig auf den gesamten Simulationszeitraum aufgeteilt wird.
Abbildung B.4‑2: Über Stützstellen definierte Sollwasserstände in einer Talsperre
B.1.1.2 Gewässerverdunstung, Niederschlag
Ist der Stausee schon vorhanden, geht die (mittlere) Wasserfläche, so wie sie im Landnutzungskartierung ausgewiesen ist, in die Abflussbildungsberechnung für das betreffende Teileinzugsgebiet ein, d.h. die Wasserflächenverdunstung ist wie auch der Niederschlag auf die Wasserfläche berücksichtigt.
Ist ein zu planender Stausee in der Landnutzungskartierung noch nicht ausgewiesen, so kann für die Modellierung des Plan-Zustandes eine Korrekturreihe vorgegeben werden, die die Differenz zwischen Landflächenverdunstung (die ja schon berücksichtigt ist) und die Gewässerverdunstung beinhaltet.
Da die Werte in dieser Korrekturreihe unabhängig vom aktuellen Wasserstand als Verlustgröße für diesen verwendet werden, können (im Prinzip) über diese Reihe auch Nutzeransprüche allerhöchster Priorität vorgegeben werden.
Zu Beginn eines jeden Zeitschrittes wird aus der aktuellen Speicherfüllung, dem aktuellen Zufluss und eventuellen Verdunstungsverlusten in Abhängigkeit von der Staufläche der Wasserstand geschätzt. Dabei können sich die 3 Zustände <leer, Normal, HW> ergeben.
B.1.1.3 Zustand Leer
Liegt dieser Wasserstand unterhalb der Höhe des Grundauslasses und damit außerhalb der bewirtschaftbaren Lamelle, so ist der Abfluss aus der Talsperre 0 und es können keinerlei Nutzeransprüche berücksichtigt werden.
B.1.1.4 Zustand Hochwasser
Liegt dieser Wasserstand oberhalb des Vollstauzieles und der Hochwasserüberlauf springt an, wird davon ausgegangen, dass die Abgabe aus der Talsperre in einem gewissen Bereich zwischen Q1min und Q1max gesteuert werden kann (s. Abbildung B.4‑3).
Es wird nun zuerst der minimale Abfluss berechnet, der sich unter Berücksichtigung der Seeretention ergeben würde (z.B. Grund- und Betriebsauslass geschlossen – untere Kurve in Abbildung B.4‑3). Liegt dieser Abfluss schon über dem schadlos abführbaren Abfluss Qmax, so bestehen keine Regelungsmöglichkeiten zur Abflussminderung.
Liegt der Abfluss aber darunter, ist es das Ziel einer Hochwassersteuerung, möglichst Qmax abzuführen, um den Speicherinhalt zu mindern. Es wird deshalb als nächstes der Abfluss berechnet, der sich aus der oberen Kurve in Abbildung B.4‑3 ergeben würde, z.B. bei Öffnung der Grund- und Betriebsauslässe. Liegt der Abfluss nun über Qmax, wird davon ausgegangen, dass genau Qmax abgegeben werden kann, da Qmax im regelbaren Bereich liegt.
Liegt der berechnete Abfluss kleiner als Qmax, wird nur dieser kleinere Wert abgegeben, wobei hier dann allerdings von einer Fehlbemessung der Grund- und Betriebsauslässe auszugehen wäre.
Im Hochwasserfall können alle Nutzeransprüche berücksichtigt werden.
Abbildung B.4‑3: Steuerbarer Abflussbereich
B.1.1.5 Normalbetrieb
Wenn der Wasserstand innerhalb der bewirtschaftbaren Lamelle liegt, ist die Rangfolge der Nutzeransprüche entscheidend für die Berechnung der Abgabe aus der Talsperre. Im Modell wird wie folgt vorgegangen:
Liegt der Wasserstand unter dem aktuellen Sollwasserstand, wird lediglich der Mindestabfluss ql(t) abgegeben.
Ist der Wasserstand oberhalb dem Sollwasserstand, so wird versucht, diesen Sollwasserstand (s. Abbildung B.4‑2) möglichst schnell wieder zu erreichen, wobei die Abgabe auf Qmax begrenzt.
Gewährleistet die daraus resultierende Abgabe, dass neben dem Mindestabfluss auch weitere Nutzerinteresse im Unterlauf befriedigt werden können, erhalten diese Wasser gemäß ihrer akt. Anforderung qnu(t).
Anschließend wird geprüft, ob auch die angeforderten Entnahmen aus der Talsperre qnd(t) selbst realisiert werden können.
Es wird letztlich permanent versucht, den vorgegebenen Sollwasserstand zu erreichen. Über diesen Sollwasserstand, der ebenfalls eine Zeitfunktion ist (s. Abbildung B.4‑2), werden weitere Nutzeransprüche abgebildet. So kann darüber angegeben werden, dass der Hochwasserrückhalteraum freigehalten wird, bei jahreszeitlich unterschiedliche Rückhalteräume berücksichtigt werden können. Wasserstände können gemäß Anforderungen des Naturschutzes, der Fischerei und der Erholung z.B. im Sommer weitgehend konstant gehalten werden, Übergänge von einem Stauziel zum anderen möglichst kontinuierlich gefahren werden.
B.1.1.6 Beispielhafte Steuerdateien zur Charakterisierung von Talsperren
GWP_ID HOEHE W_START k1 k2 k3 MODUL_TYP Beschreibung Name
1 178.12 182.22 0.0 185.36 0.90 13 Talsperre V-Stadt
4 185.23 187.98 0.0 190.34 0.76 13 Talsperre A-Dorf
3 187.23 189.98 0.0 192.34 0.56 13 Talsperre B-Hausen
Abbildung B.4‑4: Festlegung wichtiger Kenngrößen über ..\gis\ascii.pat\gwp.tab
INPUT 2
11
9
Abbildung B.4‑5: Integration ins Gewässernetz über ..\gis\ ascii.rel \gwp_3.fgw
Hoehe FLAECHE VOLUMEN
0 0 0
1 270 90
2 5835 2543
4 24565 33695
7 52365 148494
Abbildung B.4‑6: Angabe der Höhen-Oberflächen-Volumen-Beziehung über ..\gis\ ascii.rel \gwp_3.hav
W Qmin Qmax
0 0.00 0.00
36 0.13 0.13
69 0.75 0.75
Abbildung B.4‑7: Angabe der Höhen-Oberflächen-Volumen-Beziehung über ..\gis\ ascii.rel \gwp_3.wqb
B.1.1.7 Beispielhafte Steuerdateien zur Vorgabe von Zeitfunktionen
DATEI TYP DATZ FORM RBT RB X-COORD Y-COORD DTD
salza kli wep E gwp 0 0 0 -1440
MindestQ ql ql E gwp 0 0 0 1440
Bedarf_UL qnu qnu E gwp 0 0 0 1440
Bedarf_TS qnd qnd E gwp 0 0 0 1440
SollW sw sw E gwp 0 0 0 1440
Abbildung B.4‑8: Vorgabe von Zeitfunktionen ..\gis\ascii.pat\bw_file.tab
Termin 1 4
...
06.07.1990 1.9000 2.0000
07.07.1990 1.8000 2.0000
08.07.1990 2.5000 2.0000
09.07.1990 3.4000 3.0000
10.07.1990 3.9000 3.0000
11.07.1990 3.5000 4.0000
12.07.1990 3.7000 4.0000
Abbildung B.4‑9: Vorgabe von Verdunstungsverlusten über Tageswerte [mm/d]
MM 2
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0.002378
6 0.006342
7 0.004756
....
Abbildung B.4‑10: Vorgabe von Entnahmen über mittl. Monatswerte [m3/s]
B.1.1.8 Überleitungen aus Talsperren
Eine weitere Möglichkeit zur Abbildung der Wirkungsweise von Talsperren im Modell besteht in der Berücksichtigung von Überleitungen. Hierbei wird in Abhängigkeit vom Abfluss in einem Bezugsquerschnitt (FGW oder GWP) oder von der Wasserstandsdifferenz zwischen dem Wasserstand in einem Bezugsquerschnitt (FGW oder GWP) und dem Wasserstand im betrachteten Gewässerpunkt ein potenzieller Abfluss aus dem betrachteten Gewässerpunkt berechnet. Dieser Abfluss wird einem anzugebenden Gewässerabschnitt als externer Zufluss zugeführt. Gleichzeitig wird die während DT abgegebene Abflussmenge zur Korrektur des Speicherinhalts des betrachteten Gewässerpunktes verwendet.
Aktiviert wird die Berechnung von Überleitungen für den Gewässerpunkt i durch den Eintrag UEBERLEITUNG in der Datei GWP_<i>.fgw. Diesem Steuerwort folgen dann die Art der Bezugsgeometrie <FGW|GWP> und deren ID.
Anschließend ist die Tabelle mit den Wasserstandsdifferenzen dW zum Bezugsquerschnitt oder den Abflüssen (Kennung beliebig) im Bezugsquerschnitt und den daraus resultierenden Überleitungen Q anzugeben. Die Anzahl der Einträge in dieser Tabelle ergibt sich wiederum aus der Anzahl der Zeilen bis zum Dateiende oder bis zum nächsten + Zeichen.
Der Einleitungsquerschnitt ist als ID des Gewässerabschnittes über die Kennung ABZWEIG anzugeben.
Damit sind Überleitungen auch zu „entfernten“ Gewässerabschnitten möglich. Sofern die Überleitung direkt in den Unterlieger des Gewässerpunktes, der sich aus der im Gewässernetz kodierten Unterliegerzuordnung ergibt, erfolgen soll, ist dennoch die ID dieses Gewässerabschnittes anzugeben.
Im Folgenden ist beispielhaft eine um Überleitungen erweiterte GWP_<i>.fgw angegeben.
INPUT 1
23090
ABZWEIG 23310
UEBERLEITUNG GWP 1
dW Q
0 0
1 4
2 5.66
3 6.93
4 8
5 8.95
6 9.95
7 10.58
8 11.3
9 12.03
10 12.75
++++++++++++++++
ACHTUNG: Der Gewässerpunkt, in den die Einleitung erfolgt, muss in der Gewässerpunkttabelle VOR dem Gewässerpunkt stehen, aus dem übergleitet wird.
Für die Auswertung der so berechneten Überleitung wurde in der results.ste unter GEWAESSERPUNKTE die Ergebnisgröße Ueberleitung hinzugefügt.
Ueberleitung uel