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

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.

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:

mit

und

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:

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

ermittelt und die Speicherfüllung um diesen Abfluss korrigiert.

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.

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:

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:

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

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

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

Modelltechnisch wird das stark vereinfacht wie folgt realisiert:

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

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

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

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

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

Die Schnittstellen zu den Parametern und Systemgrößen dieser Modellergänzung sind folgende Routinen:

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.