++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ EGMO_GW TESTDRUCK *ANFANGSABFLUSS 13.00 AFMN 0.9 *GW_Tief RG /* funktioniert noch nicht im 2-Schicht Modus */ SPEICHERUNG_DER_ELS_KONSTANTEN? JA ABFLUSSKOMPONENTEN RG 365 AFae AFge AFmwe AFnwe AFlwe AErhol AHalde ADepon AAuff ASond AMoor RH 20 AFah AFgh AFmwh AFnwh AFlwh ANam ANgm RN 10 ANae ANah ANge ANgh ANmwe ANmwh ANnwe ANnwh ANlwe ANlwh RI 1 AIMPG AIMPO AW +2.Schicht /* Komponente, cg1, Smax_p RG 8 60 0 RH 1 50 0 RN 1 1 0 +HypodermischeKomponente /* Komponente ch Smax_H RG 7 2 RH 4 1 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
01. Anwendungsbereich
Die im Folgenden vorgestellten Ansätze beschreiben die Konzentration des Basisabflusses über Einzellinearspeicheransätze. Sie können prinzipiell auf beliebige Flächeneinheiten (Raster, Polygone) angewendet werden. Als Modul innerhalb von ArcEGMO ist ihre Anwendung auf Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete, Regionen oder das Gesamtgebiet vorgesehen.
Bei einer gekoppelten Anwendung mit Stofftransportmodellen ist zu beachten, dass das Einzellinearspeicherkonzept von einer vollständigen Durchmischung innerhalb des Speichers ausgeht.
02.1 Prinzipielles
EGMO_GW beschreibt die Konzentration des Basisabflusses. Eingangsgröße ist die in der Modellebene Abflussbildung berechnete Grundwasserneubildung, Ausgangsgröße der Basisabfluss und der hypodermische Abfluss, die an die Modellebene Gesamtabfluss übergeben werden.
Der Leerlauf eines Einzellinearspeichers wird im Regelfall über eine Einzellinearspeicherkonstante gesteuert, was vielfach ausreichend genau die Realität beschreibt.
Es kann jedoch auch vorkommen, dass ab bestimmten Grundwasserständen sich ein anderes Abflussregime einstellt, weil z.B. besser durchlässige Schichten eingestaut werden. Zur Beschreibung dieser Phänomene kann ein zusätzlicher 2.Schichtansatz aktiviert werden, über den bei Erreichen einer Grenzspeicherfüllung eine andere Auslaufcharakteristik, beschrieben über einen weiteren Einzellinearspeicher, wirksam wird.
Innerhalb einer Modellierungseinheit (z.B. Teileinzugsgebiet) können Flächentypen als Kombination verschiedener Hydrotopklassen festgelegt werden, denen jeweils ein Einzellinearspeicher zugeordnet ist, der über die Grundwasserneubildung der zugeordneten Hydrotopklassen gespeist wird.
Durch eine teilweise Reihenschaltung unterschiedlicher Einzellinearspeicher können Kopplungsmechanismen zwischen verschiedenen Hydrotopklassen berücksichtigt werden. So simuliert REFIL die „Anzapfung“ bzw. Reduktion der unterirdischen Abflusskomponenten der grundwasserfernen Flächen bei Passage der grundwassernahen Flächen durch die Transpiration der dortigen Vegetation.
Eine Modellierung derartiger Wechselwirkungen scheint im Widerspruch zum Modellkonzept von EGMO zu stehen, dass ein Gebiet ortsunabhängig in Hydrotopklassen gliedert. Deshalb ist die Berücksichtigung von Wechselwirkungen im Allgemeinen nur über eine statistische Berücksichtigung der Lageverhältnisse der Hydrotopflächen einer Klasse zu den Flächen einer anderen möglich und erfordert umfangreiche Analysen der Flächenverteilungen im konkreten Bearbeitungsgebiet, die effektiv nur mit einem Geographischen Informationssystem durchgeführt werden können.
Für die Hauptuntergliederung in der Grundversion von EGMO in grundwassernahe, ebene und grundwasserferne, hängige und ebene Hydrotopklassen (AN, AH, AG) kann aber in der Regel davon ausgegangen werden, dass die Hydrotope einer Klasse eine zusammenhängende Fläche bilden und bzgl. des Vorfluters einen festen Ortsbezug haben. Speziell im Gebirgsbereich wird AN die Talaue, AH die Hangfläche und AG die Hochfläche sein, die sich in der Regel wie Gürtel um den Flusslauf legen.
02.2 Abflussprozesse in der gesättigten Bodenzone
Zur Modellierung der Abflussprozesse in der gesättigten Bodenzone wird die Anwendbarkeit des Einzellinearspeicheransatzes ELS angenommen.
Input für den Einzellinearspeicher ist die Grundwasserneubildung PSO oder PS als Output eines eventuell dazwischengeschalteten Translationsmodells. Mit PS und der Speicheränderungsbeziehung für ein Zeitintervall DT kann die Speicherung S am Ende eines Berechnungszeitschrittes aus der am Zeitintervallanfang S1 wie folgt berechnet werden:
Gl. 2-1
mit
Gl. 2-2
und
Gl. 2-3
C ist hier die Einzellinearspeicherkonstante [Tage].
Durch einfache Bilanzrechnung ergibt sich dann der unterirdische Abfluss R für Ax als den Flächenanteil an der übergeordneten Modellierungseinheit, dem dieser Einzellinearspeicher zugeordnet wurde:
Gl. 2-4
Wurde der 2.Schichtenansatz aktiviert, wird nun überprüft, ob die Speicherfüllung S einen vorgegebenen Grenzwert SG übersteigt. Ist dies der Fall, wird eine 2. Abflusskomponente
Gl. 2-5
ermittelt und die Speicherfüllung um diesen Abfluss korrigiert.
Gl. 2-6
Die Einzellinearspeicherkonstanten können durch Analyse gemessener Durchflussganglinien abgeleitet werden. Sofern für das Bearbeitungsgebiet keine Abflussmessreihen zur Verfügung stehen, muss auf die für hydrologisch ähnliche Nachbargebiete ermittelten Parameter zurückgegriffen werden.
Bei der Analyse dieser Messreihen sollte als erstes geklärt werden, wie viele Abflusskomponenten erkennbar bzw. separierbar sind, wie ihre Genese erklärt werden kann und wie sie Flächentypen bzw. Hydrotopklassen zugeordnet werden können.
Anschließend kann dann z.B. nach den von Becker (1983) dargelegten Prinzipien zur Ganglinienseparation vorgegangen werden.
Im Flachland sollten diese Ganglinienanalysen nach Möglichkeit für Abflussbildungsperioden in der vegetationsfreien Periode (Oktober – April) durchgeführt werden, da im Sommer die im Kapitel 2.3 beschriebenen „Anzapfungen“ die Rückgänge beeinflussen.
02.3 Modellierung von Abflussreduktionen durch die Vegetation
In vielen Pegelaufzeichnungen sind ein starkes Absinken des Durchflusses im Frühjahr (und Ansteigen im Herbst) und in sommerlichen Trockenperioden interne Sprünge zu beobachteten, die mit den Durchflussrückgangsgesetzen nicht erklärbar sind (Becker & Pfützner 1986).
Zur Interpretation: In niederschlagsarmen und verdunstungsintensiven Perioden können die grundwassernahen Flächen AN soweit austrocknen, dass sie eigentlich nicht mehr grundwassernah sind. Zur Realisierung der potentiellen Verdunstung auf diesen Flächen werden der hypodermische Abfluss RH und der Grundwasserabfluss RG, beginnend mit der Entwicklung der Vegetation im Frühjahr, durch deren Transpiration, speziell von Tiefwurzlern, angezapft und damit reduziert.
Das ist möglich, weil meist zumindest ein Teil dieser Komponenten die grundwassernahen Flächen auf ihrem Weg zum Vorfluter passieren muss, während der restliche Teil des Basis- und hypodermischen Abflusses unreduziert im Vorfluter zum Abfluss kommt.
Zur Modellierung: Man kann sich im Untergrund der grundwassernahen Flächen AN einen Bezugswasservorrat SAN und ein entsprechendes „Normalniveau“ des Grundwasserspiegels vorstellen, bei dessen Unterschreitung die unterirdischen Durchflüsse von den umliegenden grundwasserfernen Flächen (AG und evtl. AH) oder erreichbare Oberflächengewässer durch die Pflanzentranspiration angezapft werden.
Als erstes wird der Transpirationsbedarf SAND der Fläche AN berechnet:
Gl. 2-7
PSO als negativer Output des Abflussbildungsmodells ist hier der noch nicht befriedigte Verdunstungsanspruch oder das schon reduzierte Verdunstungsdefizit. Der Koeffizient VEG spiegelt das Transpirationsvermögen, d.h. den Entwicklungsstand der Vegetation wider. Er wird in den Vegetationsmonaten Mai bis September in erster Näherung gleich der positiven Halbwelle einer Cosinusfunktion gesetzt.
Dem Transpirationsbedarf SAND steht eine „ausschöpfbare“, durch die AN-Fläche hindurchfließende Abflussmenge WAV gegenüber:
Gl. 2-8
AFMN ist ein gedachter Anteil der Flächen AG und AH, von denen der unterirdische Abfluss nicht durch AN hindurch fließt bzw. nicht durch die Verdunstung von AN erreichbar ist.
Bei negativem SAN werden SAND und WAV in jedem Berechnungszeitschritt verglichen, und in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs werden folgende Berechnungen durchgeführt:
1. Wenn SAND kleiner ist als WAV, kann SAND aus den unterirdischen Abflüssen gedeckt werden, SAN bleibt unverändert und ein Verdunstungsdefizit EDN tritt nicht ein. Der reduzierte Abfluss RHG der Flächen AG und AH ergibt sich zu
Gl. 2-9
Gl. 2-10
Gl. 2-11
2. Wenn SAND größer ist als WAV, wird der volle ausschöpfbare (RG+RH)-Anteil WAV für die Verdunstung in Anspruch genommen, d.h. es gelangt nur der garantierte Mindestabfluss in die Oberflächengewässer. Daraus folgt:
Gl. 2-12
Gl. 2-13
Der sich in diesem Fall ergebende, noch nicht befriedigte Teil des Verdunstungsbedarfs (SAND-WAV) kann nur aus SAN gedeckt werden, das auf diese Weise weiter und über längere Zeiträume unbegrenzt ins Negative absinken würde, wenn immer noch potentielle Verdunstung wirken würde. Deshalb ist es notwendig, die SAN-Ausschöpfung mit sinkendem SAN abnehmen zu lassen, was äquivalent mit einer Flächenverringerung ist. Damit können also auch auf den Feuchtflächen bei abnehmenden Wasservorräten Verdunstungsdefizite EDN entstehen.
Besonders für die Modellierung großer Flussgebiete müssen auch „Zwischeneinzugsgebiete“ modelliert werden. Das sind Gebiete zwischen zwei Pegeln, die Eigenabfluss liefern, der in Abflussbildungsperioden den Zufluss vom Oberpegel erhöht. Dieser Effekt lässt sich mit den bisher beschriebenen Ansätzen nachbilden.
Besondere Probleme treten in Trockenperioden auf, in denen der Zufluss vom Oberpegel größer als der Abfluss des Unterpegels ist. Das ist erklärbar durch ein zum Gebiet hin bestehendes Gefälle des Grundwasserleiters, das bedingt, dass das Gebiet, insbesondere die Niederungsflächen, den Gewässerabfluss zehren bzw. reduzieren.
Modelltechnisch wird das stark vereinfacht wie folgt realisiert:
- Per Definition wird für Zwischengebiete AFMN=0 gesetzt. Damit können die gesamten unterirdischen Abflusskomponenten des Zwischengebietes angezapft werden, d.h., es wird kein minimaler Restabfluss garantiert bzw. ein „Null“-Abfluss des Gebietes als möglich angesehen.
- Von der grundwassernahen Fläche werden auch negative Abflüsse zugelassen, d.h. es wird der Abfluss von AN bei negativer Speicherfüllung SAN berechnet, der sich bei gleichgroßen, positiven SAN ergeben würde, also im Prinzip ein Zufluss von Vorfluter ins Gebiet. Damit sind nun auch in Abhängigkeit von der Gebietsfeuchte „negative“ Abflüsse bzw. Zehrungen möglich, die durch Superposition mit dem Oberpegelzufluss einen verminderten Unterpegelabfluss ermöglichen.
Der Parameter AFMN, also der Flächenanteil der grundwasserfernen Flächen AF, dessen unterirdischer Abfluss unreduziert das Abflussprofil des Einzugsgebietes erreicht, ist schwer abschätzbar. Er kommt dem Wert 0 umso näher, je größer AN im Vergleich zu AF ist und je mehr AN-Flächenanteile im unteren Einzugsgebietsteil (nahe dem Abflussprofil) liegen.
Über negative AFMN können bei negativen Speicherfüllungen auf den grundwassernahen Flächen auch negative Zuflüsse aus den Auenbereichen zum Vorfluter realisiert werden. Werden diese mit den Gewässerabflüssen überlagert, können so Reinfiltrationseffekte aus dem Gewässer ins Grundwasser abgebildet werden. Da das Grundwassermodell aber keine Information darüber besitzt, ob im Gewässer genug Wasser fließt, um diesen Reinfiltrationsanspruch zu befriedigen, sollte das oberliegende Einzugsgebiet eine gewisse Mindestgröße besitzen, weil sich sonst negative Gewässerabflüsse ergeben können.
02.4 Hypodermischer Abfluss
Modelluntersuchungen im Mulde- und Bodeeinzugsgebiet haben gezeigt, dass die derzeit im EGMO-Konzept realisierte Abbildung der verschiedenen Abflusskomponenten für den Festgesteinsbereich nicht ausreichend ist.
Deshalb wurde das Grundwassermodul EGMO_GW um einen Algorithmus zur Genese einer schnellen Abflusskomponente ergänzt, der ähnlich dem für elementarflächenbezogene Abflussbildungsansätze verfügbaren SlowComp-Modul arbeitet.
Die prinzipielle Wirkungsweise des jetzt erweiterten EGMO_GW-Moduls ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Abbildung ?: Wirkungsweise des um eine hypodermische Abflusskomponente Erweiterten EGMO-GW-Ansatzes
Die summarische Sickerwassermenge Sic, die auf den Hydrotopen gebildet wird, die diese Abflusskomponente speisen, wird (jetzt) in einem hypodermischen Speicher zwischengespeichert. Die Leerung dieses Speichers erfolgt nach dem Einzellinearspeicheransatz mit der Einzellinearspeicherkonstanten ch. Übersteigt die Speicherfüllung SH die Speicherkapazität Smax_h, geht der Überlauf als Grundwasserneubildung GWN ins Grundwasser und erhöht hier die Speicherfüllung SG. Liegt SG über einem Grenzwert Smax_p, so wird eine (i.d.R.) schnelle Grundwasserkomponente er-zeugt, indem die diesen Grenzwert übersteigende Speicherfüllung (SG – Smax_p) entsprechend dem Einzellinearspeicheransatz mit der Speicherkonstanten cg1 entleert wird. Eine zweite, meist wesentlich langsamere Komponente wird wiederum unter Nutzung des Einzellinearspeicheransatzes mit der Speicherkonstanten cg2 erzeugt, wobei hier die maßgebende Speicherfüllung aus MIN(SG,Smax_p) ermittelt wird.
Hinsichtlich der Parametrisierung wird empfohlen, dass das folgende Größenverhältnis eingehalten wird:
In der programmtechnischen Umsetzung wurde in der modul.ste im Abschnitt EGMO_GW ein weiteres Steuerwort +HypodermischeKomponente eingeführt, über das der zusätzliche hypodermische Speicher aktiviert wird.
Dieses Steuerwort wird allerdings nur gefunden, wenn die 2. Schicht des Basismodells aktiviert ist, d.h. das Steuerwort +2.Schicht existiert.
Soll die hypodermische Komponente berechnet werden, ohne das 2-schichtige Grundwassermodul zu nutzen, so kann dieses sehr einfach ausgeschaltet werden, indem der Grenzwert Smax_p so groß gesetzt wird, dass er nie durch SG überschritten wird (default-Wert im Programm 10 000).
Genauso kann der hypodermische Ansatz ausgeschaltet werden, wenn der Grenzwert Smax_h auf 0 gesetzt wird.
Über diese Grenzwerte kann für große Modellgebiete erreicht werden, dass z.B. im Tiefland nur das bisherige Basismodell, d.h. der 2-Schicht-Grundwasseransatz gerechnet wird, im Festgesteinsbereich zusätzlich der hypodermische Ansatz aktiviert wird und u.U. die 2. Schicht im Grundwasseransatz, d.h. die Komponente RG1, deaktiviert wird.
modul.ste
Die Schnittstellen zu den Parametern und Systemgrößen dieser Modellergänzung sind folgende Routinen:
| static double * Els_HypoKonstante (inti_rb, int i_els )static double * Els_HypoGrenzwert (int i_rb, int i_els )static double * Els_HypoInhalt (int i_rb, int i_els ) |
Diese Erweiterung von EGMO_GW hat es erforderlich gemacht, dass jetzt 2 Speicherinhalte pro Komponente in die Anfangswertdatei geschrieben werden, wenn die hypodermische Komponente aktiviert ist. Es ist also darauf zu achten, dass die Anfangswertdatei kompatibel zur aktivierten Modellkonfiguration ist.
In die Parameterdatei von EGMO_GW werden jetzt prinzipiell alle (möglichen) Parameter pro Komponente geschrieben. D.h. wenn nur das Basismodell aktiviert ist, werden die Grenzwerte für die 2. Schicht mit 10 000 und die für die hypodermische Komponente mit 0 rausgeschrieben.
03.1 Räumliche und zeitliche Diskretisierung
Das Modul EGMO_GW ist an eine räumliche Diskretisierung für die Beschreibung der Grundwasserprozesse in Kaskadensegmenten KAS, Teileinzugsgebiete TG, Regionen REG oder im Gesamtgebiet GEB gebunden (s. Basisdokumentation, Kapitel 3 und 7). Die zeitliche Auflösung der Modellrechnungen innerhalb von EGMO_GW ist gleich der Auflösung der meteorologischen Eingangsdaten bzw. der Abflussbildungsmodellierung.
03.2 Ein- und Ausgangsgröße
Eingangsgröße für jeden Einzellinearspeicher ist die summarische, flächengewichtete Grundwasserneubildung aller zugeordneten Hydrotopklassen, Ausgangsgröße und Input für die Gesamtabflussermittlung in der Modellebenen Q ist der summarische Grundwasserabfluss aller Einzellinearspeicher innerhalb eines Raumbezuges KAS, TG, REG bzw. GEB.
03.3 Modellinitialisierung
Die Modellinitialisierung erfolgt innerhalb des Rahmenprogramms ArcEGMO (s. Basisdokumentation, Kapitel 7). Dabei wird Speicherplatz für die Modellparameter und Systemzustandsvariablen bereitgestellt. Außerdem erfolgt eine Anfangswertschätzung für die Einzellinearspeicherfüllungen unter Einbeziehung vorliegender Beobachtungswerte des Abflusses.
03.4 Parameterermittlung
Da derzeit nur unzureichende Möglichkeiten existieren, die Einzellinearspeicherkonstanten direkt aus GIS-Informationen abzuleiten, müssen diese wie auch der Parameter AFMN als einzulesende Kennwerte vorgegeben werden.
Teilgebietsbezogene Verwaltung der Grundwasserparameter über die GIS-Datenbasis
Werden die Abflusskomponenten an die GIS-Datenbasis z.B. an die Teileinzuggebiete geschrieben, können diese auch wieder ausgelesen werden. Bedingung ist, dass die Namensvergabe der Spalten für die Abflusskomponenten gleich der in den results ausgegeben Parameterdatei tg_egmo-gw.par ist. Am einfachsten ist es, eine erste Rechnung durchzuführen und dann diese Parameterdatei an die GIS-Datenbasis fest anzubinden (siehe Auszug aus Tg.dbf). Danach können diese Parameter regionsspezifisch geändert werden.
Zuerst wird geprüft, ob die Abflusskomponenten an der GIS-Datenbasis stehen. Ist das nicht der Fall wird geprüft, ob es im Ergebnisverzeichnis schon eine entsprechende Parameterdatei gibt. Liegt keine vor werden die angegebnen Abflusskomponenten aus der modul.ste eingelesen. Soll eine Parametervariation der Abflusskomponenten mit dem Zusatzprogramm ae_var.exe durchgeführt werden, muss in der modul.ste das Steuerwort SPEICHERUNG_DER_ELS_KONSTANTEN deaktiviert werden.
Auszug aus Tg.dbf
03.5 Schnittstellen
Die Anzahl der Abflusskomponenten und ihre jeweiligen Einzellinearspeicher werden in der Steuerdatei MODUL.STE festgelegt. Programmintern werden dann verschiedene Hydrotopklassen zusammengefasst und ihre Grundwasserneubildung in den jeweils zugeordneten, gemeinsamen Einzellinearspeicher konzentriert. Die vorgeschaltete Modellierung der Abflussbildung muss dabei nicht unbedingt für Hydrotopklassen erfolgen. Es ist auch möglich, die Abflussbildungsberechnung elementarflächenbezogen durchzuführen. Dann erfolgt für die Elementarflächen lediglich eine Hydrotopklassenzuordnung innerhalb der Programmkomponente HYD (s. Basisdokumentation, Kapitel 4).
Die Anweisungszeilen in der Steuerdatei beginnen mit der Modulbezeichnung EGMO_GW. Anschließend wird AFMN festgelegt als der Anteil grundwasserferner Flächen (Parameter im EGMO-Modell), dessen Basisabfluss nicht auf grundwassernahen Flächen reduziert werden kann. Dies ist in der derzeitigen Modellversion ein Parameter, der z.Z. noch nicht physikalisch fundiert, beispielsweise aus GIS-Informationen, abgeleitet werden kann. Weil die Festlegung solcher Parameter schwierig und unsicher ist, gehen sie in die Modellierung global ein, d.h. es erfolgt weder eine Differenzierung nach Teileinzugsgebieten noch nach Hydrotopklassen.
Nun werden, beginnend mit dem Schlüsselwort ABFLUSSKOMPONENTEN diese definiert. Jeder Eintrag für eine Abflusskomponente beginnt mit einer freiwählbaren Bezeichnung. Anschließend wird die Einzellinearspeicherkonstante [in Tagen] vorgegeben. Es folgen die Hydrotopklassen, deren Grundwasserneubildungen in diesen Einzellinearspeicher geleitet werden sollen. Die Bezeichnungen der Hydrotopklassen müssen mit den bei der Hydrotopklassenfestlegung gewählten Bezeichnungen (s. Basisdokumentation, Kapitel 4) übereinstimmen. Kommentare sind hier innerhalb dieser Zeilen nicht erlaubt! Die Anzahl der Komponenten und damit die Anzahl der Einzellinearspeicher wird durch die Anzahl der Anweisungszeilen bis zur Endzeile (mit ‘+’ beginnend) festgelegt. In stark meliorierten Einzugsgebieten wäre so z.B. durchaus die Betrachtung einer zusätzlichen Komponente für diesen Flächentyp sinnvoll. Insgesamt darf die Anzahl der Abflusskomponenten die Anzahl der Hydrotopklassen nicht überschreiten, weil eine Aufteilung der Grundwasserneubildung einer Hydrotopklasse auf mehrere Speicher nicht vorgesehen ist.
Diese komponentenbezogene Vorgabe von Einzellinearspeicherkonstanten ist in kleinen bis mittelmaßstäbigen Untersuchungsgebieten mit geringer hydrogeologischer Differenzierung meist ausreichend. In heterogenen Gebieten oder bei großräumigen Modellierungen ist jedoch vielfach eine weitere Differenzierung notwendig.
In ArcEGMO wird dazu eine flächendifferenzierte Vorgabe der Einzellinearspeicherkonstanten angeboten, die über das Schlüsselwort SPEICHERUNG_-DER_ELS_KONSTANTEN? JA im Block EGMO_GW in der Steuerdatei MODUL.STE aktiviert werden kann. Dann werden die Einzellinearspeicherkonstanten und der Parameter AFMN in der Datei results\< VARIANTE>\para\<rb>_gw.par mit ihren Raumbezügen gemäß des gewählten Raumbezugs für die Modellierung (KAS, TG, REG oder GEB) gespeichert. Zu beachten ist, dass dieses Schlüsselwort vor dem Eintrag ABFLUSSKOMPONENTEN stehen muss!
Existiert diese Datei beim Simulationsstart bereits, wird sie eingelesen und überschreibt die sonst in der MODUL.STE global gesetzten Einzellinearspeicherkonstanten. Damit ist eine Möglichkeit gegeben, die Einzellinearspeicherkonstanten für alle oder nur für einzelne Modellierungseinheiten (z.B. Regionen oder Teileinzugsgebiete gemäß dem für die Grundwassermodellierung gewählten Raumbezug) gezielt zu verändern.
############################################################################### EGMO_GW AFMN 0.0 SPEICHERUNG_DER_ELS_KONSTANTEN? JA GW_Tief RG ABFLUSSKOMPONENTEN RG 365 AGw AGl AHAL RH 50 AHw AHl AM RN 3 ANw Anl +2.Schicht /* eintragen: Komponente, K2 und SGrenz, EntwaesserungsZuordnung */ RG 36 1000 RH RH 0.5 20 RN RN 1 5 +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ ###############################################################################
Abbildung 3-1: Modulsteuerung EGMO_GW
Über das Schlüsselwort „+2.Schicht“ kann jedem dieser Einzellinearspeicher eine 2. Konstante und ein Grenzwert, ab welcher Speicherfüllung diese 2. Einzellinearspeicherkonstante wirksam werden soll, zugeordnet werden.
Eine weitere Möglichkeit, die insbesondere im Tiefland eine Rolle spielt, kann über die Option GW_Tief aktiviert werden.
Über diese Option sind Abflussvorgänge abbildbar, bei denen die Versickerung in einem Einzugsgebiet einen Grundwasserleiter gespeist, der erst außerhalb des Speisungsgebietes ins Gewässersystem entwässert.
Zur modellmäßigen Berücksichtigung dieser Verlagerungsprozesse wurde das Grundwassermodul EGMO-GW um eine tiefe Grundwasserkomponente erweitert.
Wird diese über das Schlüsselwort GW_Tief im Block EGMO_GW der Steuerdatei ARC_EGMO\modul.ste aktiviert, so kann nachfolgend angegeben werden, welche Komponenten (im oberen Beispiel RG) im zugeordneten Grundwasserunterlieger entwässert. Die „Entwässerung„ erfolgt prinzipiell nicht direkt in das dortige Gewässer, sondern in den dortigen Feuchtflächenspeicher SN, führt also zur Erhöhung der RN-Komponente.
Bei der räumlichen Zuordnung der Grundwasserunterlieger ist demzufolge sicherzustellen, dass der jeweilige Grundwasserunterlieger grundwassernahe Flächen besitzt (großräumige Grundwasserleiter entwässern i.d.R. ins Urstromtal).
Die räumliche Zuordnung der Grundwasserunterlieger erfolgt über die Teilgebietsgeometrien. Dazu ist für die Teileinzugsgebiete TG ein Attribut anzugeben, das auf die TG-ID des Teilgebietes verweist, an das das aktuelle Gebiet gebunden werden soll. Für Teilgebiete, in denen der Grundwasserleiter in das teilgebietsinterne Gewässernetz entwässert, ist die eigene TG-ID anzugeben.
Der Attributname für die GW-Unterliegerzuordnung ist dem Programm über das Schlüsselwort GW_UNTERLIEGER in der Datei GIS\DESCRIBE\tg.sdf mitzuteilen.
Hier kann auch über das Attribut GW_Verlust {0 … 1} angegeben werden, welcher Anteil dieser Abflusskomponente das Gebiet verlässt, was einen Bilanzverlust für das Teilgebiet bedeutet.
GW_UNTERLIEGER Gw_unterl GW_Verlust GW_verlust
Abbildung 3-2: Datei tg.sdf
Wird das über die Grundwasserverlagerung zu speisende Gebiet nicht in der Datenbasis gefunden, wird dieser Grundwasserexport in ein fiktives, externes Gebiet realisiert. Grundwasserverluste in einem Gebiet können also modelliert werden, in dem bewusst ein nicht existierendes Einzugsgebiet als Unterlieger angegeben wird.
Sollen dagegen Grundwassereinspeisungen in das Untersuchungsgebiet berücksichtigt werden, ohne das Modellgebiet auf das unterirdische Einzugsgebiet zu erweitern, so kann dies erfolgen, in dem der Grundwasserunterlieger die mit negativem Vorzeichen versehene TG-ID erhält. Der GW_Verlust ist auch als negativer Wert (< -1) anzugeben. Wird z.B. eine 20%iger Erhöhung des Grundwasserabflusses z.B. aus Isohypsen-Analysen als realistisch angesehen, so ist GW_Verlust auf -1.2 zu setzen.
Abflusskonzentration im Grundwasser, Kopplung an das Gewässernetz
Anbindung des Moduls EGMO_GW an geodätische Höhen das reale Gewässernetz
Zur besseren Abbildung der Wechselwirkung zwischen Grund- und Oberflächenwasser im Modell werden die bisher über „frei im Raum schwebenden Einzellinearspeicher“ realisierte Grundwassermodell jetzt an reale Höhenbezüge angepasst.
Als Basismodul wird dazu das 2-Schicht-Modell verwendet, bei dem beim Überschreiten eines Schwellenwertes die diesen Grenzwert übersteigende Speicherfüllung einer anderen Auslaufcharakteristik gehorcht (=andere Einzellinearspeicherkonstante).
Bisher verhinderte das Fehlen einer deterministisch untersetzten Schätzmethodik für diesen Grenzwert eine erfolgreiche Anwendung des 2-Schicht-Modells.
Die nun erfolgte Anbindung des Grundwasserspeichers an reale Höhen geht von folgender Überlegung aus:
Bei einer hinreichend detaillierten Gebietsgliederung für die Modellierung des Grundwasser (TG-Basis, kleine TG’s) wird von einer ebenen Grundwasseroberfläche ausgegangen, die je nach Höhe vom Gewässernetz des Teileinzugsgebietes nicht, teilweise oder komplett angeschnitten wird.
- Gliederung in 3 oder mehr ELS innerhalb einer GW-Modellierungseinheit würde hier entfallen
- Modellierung mit hydrotopklassenbezogenen (EGMO-)ansätzen ist nicht mehr bzw. zumindest nicht mehr effektiv möglich, da die Grundwasserstände nun zeitvariabel und damit auch die bisherige Hauptuntergliederung in grundwassernahe und grundwasserferne Flächen zeitvariabel und damit nach jedem Berechnungsschritt neu festzulegen wäre
- Abflussbildungsmodellierung muss demzufolge auf der Basis von Elementarflächen erfolgen
Anbindung des Moduls EGMO_GW an das Gewässernetz
Insbesondere im Tiefland werden über die Versickerung in einem Einzugsgebiet Grundwasserleiter gespeist, die erst außerhalb des Speisungsgebietes ins Gewässersystem entwässern.
Zur modellmäßigen Berücksichtigung dieser Verlagerungsprozesse wurde das Grundwassermodul EGMO-GW erweitert um eine tiefe Grundwasserkomponente.
Wird diese über das Schlüsselwort GW_Tief im Block EGMO_GW der Steuerdatei ARC_EGMO\modul.ste aktiviert, so kann nachfolgend angegeben werden, welche Komponenten (im unteren Beispiel RG) im zugeordneten Grundwasserunterlieger entwässert. Die „Entwässerung„ erfolgt prinzipiell nicht direkt in das dortige Gewässer, sondern in den dortigen Feuchtflächenspeicher SN, führt also zur Erhöhung der RN-Komponente.
############################################################################### EGMO_GW AFMN -0.010 SPEICHERUNG_DER_ELS_KONSTANTEN? JA GW_Tief RG ABFLUSSKOMPONENTEN RG 365 AGw AGl AHAL RH 50 AHw AHl AM RN 3 ANw Anl +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ ###############################################################################
Modulsteuerung EGMO_GW
Bei der räumlichen Zuordnung der Grundwasserunterlieger ist demzufolge sicherzustellen, dass der jeweilige Grundwasserunterlieger grundwassernahe Flächen besitzt (großräumige Grundwasserleiter entwässern i.d.R. ins Urstromtal).
Die räumlichen Zuordnung der Grundwasserunterlieger erfolgt über die Teilgebietsgeometrien. Dazu ist für die Teileinzugsgebiete TG ein Attribut anzugeben, das auf die TG-ID des Teilgebietes verweist, an das das aktuelle Gebiet gebunden werden soll. Für Teilgebiete, in denen der Grundwasserleiter in das teilgebietsinterne Gewässernetz entwässert, ist die eigene TG-ID anzugeben.
Der Attributname für die GW-Unterliegerzuordnung ist dem Programm über das Schlüsselwort GW_UNTERLIEGER in der Datei GIS\DESCRIBE\tg.sdf mitzuteilen.
GW_UNTERLIEGER Gw_unterl