01. Anwendungsbereich
02. Prozessbeschreibung
03. Programmtechnische Umsetzung
04. Weitere Modellansätze im Modul KalMil
05. Literatur

Das Modul Q_KalMil ist der Modellebene Q zugeordnet und beschreibt die Konzentrationsprozesse im Fließgewässersystem über eine Linearspeicherkaskade. In jedem Einzelspeicher wird dabei die Retentionswirkung in Abhängigkeit vom aktuellen Abfluss über den Ansatz von Kalinin-Miljukov beschrieben.

Zur Beschreibung der Gewässerretention wurde ein Modul in ArcEGMO integriert, das auf Basis des Ansatzes von Kalinin-Miljukov (Beschreibung s. Rosemann & Vedral 1971) arbeitet.

Wird mit Kalinin-Miljukov gerechnet, so kann die Retention in Abhängigkeit vom aktuellen Gewässerabfluss wie folgt beschrieben werden:

mit

,

 und

.

Voraussetzung für die Ermittlung der Retentionskonstante KTau in Abhängigkeit vom Durchfluss Q sind vermessene Gewässerprofile, die den (auch im Hochwasserfall) durchflossenen Bereich beschreiben.

Wird der Gültigkeitsbereich der so abgeleiteten KTau-Funktion verlassen, d.h. der aktuelle Durchfluss ist größer als der max. Durchfluss der KTau-Tabelle, kann

1. mit dem KTau-Wert des letzten Intervalls der Tabelle gerechnet oder
2. ein Vorlandspeicher aktiviert werden, in dem das über die Ableitungskapazität des Gerinnes hinausgehende Abflussvolumen zwischengespeichert wird, bis das Gerinne dieses Volumen wieder abführen kann oder
3. wie bei überströmten Deichen das im Vorland gespeicherte Abflussvolumen sehr stark verzögert dem Gerinne wieder zugeführt wird. Dieser Rückfluss ins Gerinne ist damit unabhängig davon, ob zwischenzeitlich schon wieder Ableitungskapazität im Gerinne vorhanden ist.

Da insbesondere bei großräumigen Modellanwendungen in der Regel nicht das gesamte Gewässersystem vermessen vorliegt, kann Kalinin-Miljukov beliebig mit der Speicherkaskade Q_ELS kombiniert werden, d.h. nicht vermessene Gewässerabschnitte können mit der Speicherkaskade, vermessene nach Kalinin-Miljukov berechnet werden.

Bei der Anwendung von Kalinin-Miljukov kann dann noch entschieden werden, ob mit oder ohne Berücksichtigung eventueller Rückstaue gerechnet werden soll.

Auf die Berücksichtigung des Rückstaues kann verzichtet werden, wenn die Gefälleverhältnisse im Gebiet keinen Rückstau oder nur einen lokal eng begrenzten Rückstau erwarten lassen und wenn die korrekte Abbildung des Wasserstandes im Gewässerlängsschnitt nicht relevant ist.

In diesem Fall wird der klassische Kalinin-Miljukov-Ansatz angewendet, bei dem die KTau-Werte über das Sohlgefälle parametrisiert werden. Für jeden Gewässerabschnitt wird in Abhängigkeit vom aktuellen Zufluss ein KTau-Wert abgeleitet und daraus der aktuelle Abfluss, d.h. die Weitergabe an den Unterlieger ermittelt. Dabei wird nicht, wie das nachfolgende Schema verdeutlicht, geprüft, wie der aktuelle Wasserstand im Unterlieger ist und ob überhaupt ein Abfluss möglich ist.

Vor allem im Tiefland sollte der Rückstau in den meist gefällearmen Gewässern berücksichtigt werden. Dies ist besonders dann wichtig, wenn eine korrekte Abbildung der Wasserstände als Randbedingung für die Grundwassermodellierung erforderlich wird.

Eine inhaltlich fundierte Beschreibung von Rückstaueffekten ist nur über numerisch sehr aufwendige, hydraulische Modellansätze möglich, die aber meist für die mit ArcEGMO angestrebten Langzeitsimulationen für größere Einzugsgebiete zu nicht mehr handhabbaren Rechenzeiten führen.

Deshalb wurde eine Programmlösung entwickelt, die das Wasserspiegelgefälle nutzt, um die KTau-Werte für den Kalinin-Miljukov-Ansatz zu ermittelt. Verwendet wird dafür die Wasserstandsdifferenz zwischen Unterlieger und dem aktuellen Gewässerabschnitt, wobei der Unterlieger ein Gewässerabschnitt im Gewässersystem oder ein Bauwerk (GWP) sein kann.

Ist der Wasserstand geringer als der Wasserstand des Unterliegers, wird die Abflussmenge nicht weitergegeben, sondern im Gewässerabschnitt zur Anhebung der Wasserstände gespeichert.

NORMAL

WS FGW < WS Unterlieger

mit Wehr

Abbildung 2‑1: Rückstau im Gewässer

Das Modul Q_KalMil wird über die Steuerdatei arc_egmo.ste aktiviert. Voraussetzung ist, dass der Gesamtabfluss auf Basis des Gewässernetzes FGW berechnet wird.

GESAMTABFLUSS             fgw     
...
MODUL_Q                   Q_KalMil

Abbildung 3 1: Steuerdatei arc_egmo.ste

Als Nutzerschnittstelle für die Modellparametrisierung exis-tiert in der Datei Arc_EGMO\modul.ste ein Block Q_ KalMil.

Hier kann über den ModellTyp (0|1|2|3|4) angegeben werden, ob in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit von Profildaten oder retentionsbeschreibenden Kennwerten wie KTau-Werten, Volumen oder Fließgeschwindigkeiten für verschiedene Abflussstufen der Kalinin-Miljukov-Ansatz (ModellTyp=1, 4) gerechnet werden soll oder aber lediglich die Spei-cherkaskade (ModellTyp = 0).
Für verrohrte Gewässerabschnitte steht ein weiterer Ansatz zur Verfügung, der gemeinsam mit der Speicherkaskade im Kapitel 4 beschrieben wird.

Q_KalMil                 
ModellTyp                1    /* 0 - komplett mit Speicherkaskade analog Q_ELS   */
			      /* 1 - Kalinin-Miljukov für Gewaesser mit          */
                              /*     Profilinformationen, sonst Speicherkaskade  */
                              /* 2 - Q_RetW					 */
                              /* 3 - Q_Muskingum				 */
                              /* 4 - Q_RetKTauRS				 */
RUECKGANGSFAKTOR         0.10 /* Dient der Skalierung der modellintern           */
                              /* ermittelten Rückgangskonstanten, je größer      */
                              /* der Wert, desto höher die Dämpfung              */
RUECKGANGSEXPONENT       1.0  /* Dient der Skalierung der modellintern           */
                              /* ermittelten Rückgangskonstanten, je größer      */
                              /* der Wert, desto höher die Dämpfung              */
*Ausuferungsabfluss        3  /* Ausuferungsabfluss                              */
Ausuferungsabflussspende   9  /* wenn angegeben, wird diese Spende in Abfluesse  */
                              /* umgerechnet. Bei Ueberschreitung des            */
                              /* Ausuferungsabflusses wird die Speicherkonstante */      
                              /* mit steigender Ueberschreitung reduziert        */
VorlandRetentionsfaktor  0.5  /* größer 1, verstärkt  Retention,                 */
                              /* kleiner 1, verringert Retention, default 1.0    */
Zwei-Stufen-ELS           0   /* {0|1}, default 0                                */
*Grenzabflussspende	  6   /* wenn angegeben, wird diese Spende in Abfluesse  */
                              /* umgerechnet                                     */
                              /* Bei Rohrduchlaesse wird sichergestellt, dass    */
                              /* zumindest dieser Abfluss den Durchlass          */
                              /* passieren kann */
Q_KalMil_Parameter_speichern?  Y
-----------------------------------------------------------------------------------
*KTAU_Tabelle		 DBASE  KTau_profil.dbf      /* Profilbezogen */
FGW_KTAU_Tabelle         DBASE  KTau_fgw.dbf         /* fgw-Abschnittsbezogen */
Prof_IDENTIFIKATION      ProfID
FGW_IDENTIFIKATION       FgwID
PROFILABSTAND            Laenge 
ABFLUSSWERT              Q_
KTAUWERT                 Ktau_               /* [s/m] KTau-Werte normiert auf die */
                                             /* Fliessgewaesserabschnittslaenge,  */    
                                             /* wird programmintern mit Laenge    */
                                             /* multipl. um [s] zu erhalten       */ 
*GESCHWINDIGKEIT         v_                  /* [m/s] */
*VOLUMEN		 Vol_                /* [m³]  */
-----------------------------------------------------------------------------------
WSP_Pfad                 e:\Unstrut\Modelle\Glowa\WSP\
WSP_KTAU_Werte           ktau-tab.txt
------------------------------------------------------
STAT2FGW_TABELLE         ASCII stat2fgw.txt
FGW_IDENTIFIKATION       FgwID 
STATION_von              Start
STATION_bis              Ende
Strangzuordnung          Strang
------------------------------------------------------
*PROF2FGWID_TABELLE       DBASE prof2fgw.dbf
*FGW_IDENTIFIKATION       FgwID
*STATION_von              stat1 
------------------------------------------------------
*UferHoehen               Ufer_H.txt
*Ausuferungsabfluesse     QBordVoll.txt
------------------------------------------------------
*RegimeAbfluesse          ASCII RegimeQ.tab
*FGW_IDENTIFIKATION       FgwID 
*RegimeAbflussBett        Qb
*RegimeAbflussVorland     Qv

Abbildung 3 2:    Auszug aus der Datei modul.ste – Modulsteuerung Q_KalMil

Wird das Verfahren nach Kalinin-Miljukov gewählt, unterstützt ArcEGMO

1. die Nutzung extern (1) ermittelter KTau-Funktionen, Volumen oder Fließgeschwindigkeiten
2. die programminterne Ermittlung von KTau-Funktionen
   1. aus vermessenen Querprofilen oder
   2. aus repräsentativen Regelprofilen.

Stehen zur Modellparametrisierung unterschiedliche Informationen für die einzelnen Gewässerabschnitte zur Ver-fügung, werden diese wie folgt genutzt:

1. Parametrisierung gemäß (1),
2. die verbleibende gemäß (2),
3. die restlichen über Q_ELS.

Der KalMil-Geschwindigkeitsfaktor dient der Verkürzung (< 1) oder der Verlängerung (> 1) der über die ktau-Werte angegeben Retentionszeiten. Wenn der Geschwindigkeitsfaktor auf 0 gesetzt oder nicht gegeben ist, wird der dummy-Wert 1 verwendet.

GESCHWINDIGKEITS_FAKTOR var_ktau   /* dient der Verkuerzung (größer 1) oder der
                                      Verlaengerung (kleiner 1) der Retentionszeiten */

Abbildung 3 3:    Auszug aus der Datei fgw.sdf
Die folgende Tabelle stellt die verschiedenen Datenarten gegenüber, die programmintern (intern) oder programmextern (extern) eingelesen werden können.  In den angegeben Kapiteln sind weitere Erläuterungen dazu finden.

Tabelle 3 1: Datenformate für die Ermittlung/Einlesen der KTau-Werte

(1) in Wasserspiegellagenprogrammen wie z.B. WSPWIN/WSP-ASS (Knauf 2000)

Weiterentwicklung der Parametrisierung des Kalinin-Miljukow-Ansatzes

• Interpolation von Werten für nicht über Profile belegte Gewässerabschnitte innerhalb eines Stranges
• Ausgabe der Anzahl von Ausuferungen pro Gewässerabschnitt (z.Z. in der arc_egmo.txt)

Modul.ste

ModellTyp              1      /* 0 - komplett mit Speicherkaskade analog Q_ELS*/
                              /* 1 - Kalinin-Miljukov fuer Gewaesser mit      */
                              /*     Profilinformationen, sonst Speicherkaskade/
RUECKGANGSFAKTOR       0.001  /* Dient der Skalierung der modellintern        */
                              /* ermittelten Rueckgangskonstanten im Gewaesser*/
*Ausuferungsabflussspende  9  /* wenn angegeben, wird diese Spende in Abfluesse */
                              /* umgerechnet. Bei Ueberschreitung des Ausuferungs-/*
                              /* abflusses wird die Speicherkonstante 0.0003 */  
-----------------------------------------------
WSP_Pfad                   e:\Unstrut\Modelle\Glowa\WSP\
WSP_KTAU_Werte             ktau-tab.txt
-----------------------------------------------
STAT2FGW_TABELLE           ASCII stat2fgw.txt
FGW_IDENTIFIKATION         FgwID
STATION_von                Start
STATION_bis                Ende
Strangzuordnung            Strang
----------------------------------------------
UferHoehen                 Ufer_H.txt
Ausuferungsabfluesse       QBordVoll.txt
-----------------------------------------------
RegimeAbfluesse            ASCII RegimeQ.tab
FGW_IDENTIFIKATION         FgwID
RegimeAbflussBett          Qb
RegimeAbflussVorland       Q
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

FGW_AAT                     DBASE fgw.dbf
FGW_TYP                     FGW_TYP
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
FGW_TYP_TABELLE               ASCII fgw_typ.tab
FGW_TYP_IDENTIFIKATION        TYP_ID
MANNING_WERT_MAX              M_MAX
*MANNING_WERT_MIN              M_MIN

Gewässerabschnittsbezogene Verwaltung von Abflusskonzentrationsparametern

Neben den in der modul.ste gegebenen Möglichkeiten, die Abflusskonzentration im Gewässer global, d.h. für alle Gewässerabschnitte einheitlich im Rahmen der Modellanpassung zu modifizieren, wurden neue Möglichkeiten geschaffen, dies auch räumlich differenziert für einzelne Gewässerabschnitte zu tun. Wenn Kal_Mil als Gewässermodell ausgewählt wurde, wird bei der Parametrisierung des Modells geprüft, ob dem Gewässernetz die folgenden Attribute zugeordnet wurden:

Fgw.sdf

GESCHWINDIGKEITS_FAKTOR    vFak
RUECKGANGSFAKTOR_FGW       rFak
Ausuferungsabfluss         Qaus

Diese oder eins dieser sind direkt der Gewässerdatenbasis zuzuordnen und über die fgw.sdf ist wiederum dem Programm mitzuteilen, welche Attributnamen konkret gewählt wurden.

Mit dem Geschwindigkeitsfaktor werden alle KTAU-Werte einer dem Gewässerabschnitt zugeordneten KTau-Tabelle multipliziert, d.h. der Faktor wirkt über alle Abflussbereiche, aber nur dann, wenn für diesen FGW eine KTau-Tabelle vorliegt.

Liegen keine KTau-Werte vor, d.h. es wird QELS angewendet, so kann mit dem Rückgangsfaktor bestimmt werden, wie schnell der den Gewässerabschnitt beschreibende Einzellinearspeicher entleert wird. Die Wirkungsweise ist also analog zum RUECKGANGSFAKTOR, der in der modul.ste global, d.h. für alle Gewässerabschnitte einheitlich vorgegeben werden kann. Dieser sollte auf 1. gesetzt werden, wenn mit räumlich differenzierten Faktoren gearbeitet wird. Der Ausuferungsabfluss stellt einen Grenzwert dar, bei dessen Überschreibung der Rückgang bzw. das Auslaufen des Einzellinearspeichers verlangsamt wird. Im Gegensatz zur in der modul.ste global vorzugebenden Ausuferungsabflussspende ist hier den Gewässerabschnitten ein Abfluss in [m³/s] vorzugeben. Ist dieser Abfluss nur für einige Gewässer bekannt, kann dieser Wert für die anderen FGW unwirksam gemacht werden, indem er auf 0. oder einen negativen Wert gesetzt wird.

Für Gewässerabschnitte, die nicht über extern ermittelte KTau-Tabellen parametrisiert wurden, besteht die Möglichkeit, dies mit programminternen Verfahren durchzuführen.

Benötigt werden dazu für jeden so zu parametrisierenden Gewässerabschnitt ein repräsentatives Querprofil zur Beschreibung der Gewässergeometrie und die Rauhigkeitsverhältnisse im Gewässer selbst und im Ausuferungsbereich/Vorland. Durch eine adäquate Untergliederung des Gewässernetzes ist sicherzustellen, dass jeder Gewässerabschnitt hinsichtlich Morphologie und Rauhigkeit als homogen angesehen werden kann und damit über ein repräsentatives Querprofil beschrieben werden kann.

Die Profilgeometrien und zugeordneten Rauhigkeiten können dem Programm wie folgt zur Verfügung gestellt werden:

1. als Regelprofil wie in Kapitel 4.3, Basisdokumenation beschrieben,
2. aus vorgegebenen, gewässerbettbildenden Abflüssen Kapitel 3.1.2 oder
3. als Polygonzug (x, y, kst-Tripel à wird noch implementiert).

3.1.1 Vorgabe von Regelprofilen

Über Gebietsbegehungen, Auswertungen von Bildflugmaterialien o.ä. sind den zu modellierenden Gewässern repräsentative Profilgeometrien zuzuordnen. Im Einzelnen sind das die in Abbildung 3‑4 aufgeführten Angaben zur Sohlbreite sb, zur Profiltiefe pt, zu den Böschungsneigungen sn, den Vorlandbreiten vb und der max. Überflutungshöhe vt auf dem Vorland. Die Integration dieser Profile ins Programm wird in der ArcEGMO-Dokumentation, Basisdokumenation, Kapitel 4.3 beschrieben.

Abbildung 3‑4: Regelprofile zur Beschreibung der Gewässergeometrie

3.1.2 Abschätzung von Regelprofilen aus Abflüssen

Diese Parametrisierung geht von der Überlegung aus, dass bestimmte Abflüsse flussbettbildend sind. So kann nach der Regime-Theorie (Zeller 1965, s. Dyck II, S. 157) angenommen werden, dass die Flussquerschnitte in einem Flussbett etwa ein Durchflussvermögen anstreben, das dem HQ (2.33) entspricht.

Der hydraulisch günstige Querschnitt – für diese Abschätzung erfolgt eine Beschränkung auf das Rechteckprofil – ist wie folgt definiert:

sb (Sohlbreite) = 2 ^. pt (Profiltiefe)

A (Querschnitt) = sb ^. pt = 2 ^. pt²

r_hy (hyd. Radius) = pt / 2

Unter Nutzung des bekannten Manning-Strickler-Ansatzes

und Q = v ^. A lässt sich die folgende Beziehung für die Profiltiefe in Abhängigkeit vom Durchfluss Q, der Manning-Strickler-Rauhigkeit k_ST und dem Energieliniengefälle I_E ableiten, die in Abbildung 3‑5 für einige Parameterkombinationen visualisiert ist:

Abbildung 3‑5: Abflusstiefe in Abhängigkeit von Rauhigkeit und Gefälle

Setzt man das Sohlgefälle gleich dem Energieliniengefälle, so lässt sich dieses aus dem DGM ableiten bzw. wird ohnehin über die Höhen der Gewässerknoten (GIS-Datenmodell, s. ArcEGMO-Dokumentation, Basisdokumentation, Kap. 4) jedem Gewässerabschnitt zugeordnet. Die Manning-Strickler-Rauhigkeit k_ST kann aus dem anstehenden Boden für die Gewässersohle grob geschätzt werden (s. auch Bollrich 1996).

Die flussbettbildenden Abflüsse können aus einer ersten Rechnung unter Verwendung des Ansatzes Q-ELS heraus abgeschätzt werden und dann über eine wie folgt strukturierte Tabelle (s. Abbildung 3‑6) dem Modell für die Ableitung des zugeordneten Rechteckgerinnes zugewiesen werden. Insgesamt können max. 2 Abflüsse für die Ableitung eines gegliederten Profils berücksichtigt werden (z.B. MQ und MHQ). Die Ermittlung dieser Profile erfolgt nur temporär, d.h. die Profilgeometrien werden nicht gespeichert, sondern gehen nur in die Ermittlung der KTau-Tabelle ein, die analog der Verfahrensweise für vorgegebene Regelprofile (Kap. 3.1.1) erfolgt und in der Parametertabelle gemäß Abbildung 3‑18 abgelegt werden.

FGWID	Q1	Q2
1	0.5	2.5
2	0.6	2.8
...

Abbildung 3‑6: Auszug aus der Datei <FBP-Q_TABELLE >

KTau-Funktionen können auch extern mittels hydraulischer Programme berechnet werden, was eigentlich die Vorzugsvariante ist, da die hydraulischen Ansätze die Retentionsprozesse physikalisch fundierter betrachten als hydrologische.

Eine KTau-Funktion ist eine Abfluss [m³/s] – KTau-Wert [s] Beziehung. Da verschiedene Abflussbereiche durch unterschiedliche Retentionscharakteristika gekennzeichnet sind, sind für verschiedene Abflüsse/Abflussstufen die entsprechenden KTau-Werte zu ermitteln.

Für die Übergabe an ArcEGMO können die KTau-Werte auf Profile/Stationen oder schon auf die Fließgewässerabschnitte des ArcEGMO-Gisdatenmodells bezogen sein.

Im Laufe der Zeit haben sich durch die Verwendung verschiedener hydraulischer Programme verschiedene Formate zum Einlesen von KTau-Tabellen entwickelt.

Das klassische Format beruht auf dem Ausgabeformat des Hydraulikprogramms WSPWIN (Rechenkern Knauf).

Um aus verschiedenen Hydraulikprogrammen, besonders 2-D Hydraulikprogrammen, KTau-Werte nutzen zu können wurde das flexible Format geschaffen. Das flexible Format kann auch Fließgeschwindigkeiten [m/s] und Volumen [m³] verarbeiten, welche programmintern in KTau-Werte umgerechnet werden.

Die folgende Tabelle stellt die zwei Formen den zwei Formaten gegenüber. Sie enthält das jeweils zu aktivierende Hauptsteuerwort der modul.ste Block KalMil (siehe Abbildung 3‑2) und die jeweiligen einlesbaren Größen.

Tabelle 3‑2: Datenformate für externe KTau-Funktionen

3.2.1 Nutzung von KTau-Tabellen im WSPWIN-Format

3.2.1.1 Profilbezogene Zuordnung

Für die Zuordnung der extern ermittelten KTau-Funktionen zu Gewässerabschnitten besteht die Möglichkeit, das Gewässernetz an die Profile anzupassen, was i.d.R. mit einer Zerlegung von Gewässerabschnitten in Teilstücke verbunden ist. Damit kann dann jedem Gewässerabschnitt genau ein Profil zugeordnet werden.

Diese Option wird aktiviert, wenn das Steuerwort PROF2FGWID_TABELLE gefunden wird. Mit diesem Steuerwort wird eine Zuordnungstabelle vorgegeben, die den Gewässerabschnitten genau eine Station und damit genau ein Profil zuweist.

FGWID	STAT1		PROFIL
1	168280.000	Profilkoordinaten
2	168374.000	Profilkoordinaten
2	168427.000	Profilkoordinaten
2	168590.000	Profilkoordinaten
3	168711.000	Profilkoordinaten

Abbildung 3‑7: Auszug aus der Datei <PROF2FGWID_TABELLE >

3.2.1.2 Fgw-bezogene Zuordnung

Die Zuordnung mehrerer Profile zu einem Gewässerabschnitte erfolgt über das Steuerwort STAT2FGWID_TABELLE. Hier wird jedem Abschnitt ein Stationsbereich zugeordnet.

Jedes Profil innerhalb dieses Bereichs wird dann gemäß seines Abstandes zum nächsten Profil bei der Ermittlung der gewässerabschnittsbezogenen KTau-Werte berücksichtigt, d.h. i.d.R. eine Aggregierung auf die Längen der Gewässerabschnitte.

FGW	STAT_VON	STAT_BIS	STRANG
216	0		547		1
104	547		1012.1		1
225	0		57.5		2
73	57.5		879		2
...

Abbildung 3‑8: Auszug aus der Datei <Stat2Fgw_TABELLE >

Über die Angabe einer STRANGZUORDNUNG können verschiedene, u.U. gleiche Stationierungen für verschiedene Gewässerstränge (Nuthe, Nieplitz, …) konfliktfrei benutzt werden. Gewässerabschnitte innerhalb eines Stranges, denen kein Profil zugeordnet werden konnte (meist sehr kurze Abschnitte, die zwischen 2 Profilen liegen), werden mit dem nächstliegenden Profil parametrisiert. Die den Strängen zugeordneten KTau-Tabellen sind in der KTau-tab.txt (Abbildung 3‑9) anzugeben.

KTAU_Nuthe.TXT	Strang 1
KTAU_Nieplitz.TXT	Strang 2
...

Abbildung 3‑9: Auszug aus der Datei <ktau-tab.txt>

Bei Nutzung extern ermittelter KTau-Funktionen wird erwartet, dass diese und weitere Informationen, die aus Wasserspiegellagenanalysen abgeleitet wurden, in einem gemeinsamen WSP-Verzeichnis stehen. Dieses Verzeichnis ist inklusive seines kompletten Pfades anzugeben (siehe Abbildung 3‑2, Steuerwort WSP_Pfad).

3.2.1.3 Format und Inhalt der KTau-Tabelle

Die Abbildung 3‑10 zeigt die eigentliche KTau-Tabelle, die aus dem Wasserspiegellagenprogramm WSPWIN ausgegeben werden kann. Aus dieser Tabelle werden die Spalten Q, KTAU, WSP (=(WSPU+WSPO)/2), VOLUMEN sowie die Angabe der Stationierung und die Entfernung zur nächsten Station (LAENGE) verwendet. Innerhalb eines Stranges müssen immer die gleichen Abflussstufen gegeben sein. Dies wird im Ausgabeformat dieses Hydraulikprogramms automatisch unterstützt.

Jede dieser Dateien beinhaltet letztlich die Ergebnisse der Wasserspiegellagenberechnungen für einen größeren Gewässerbereich. WSPWIN beschränkt die Wertetabelle auf max. 99 Intervalle und äquidistante dQ. ArcEGMO gestattet auch die Verarbeitung beliebig komplexer KTau-Tabellen mit nicht äquidistanten dQ, so dass z.B. mit kleinen dQ-Werten im Niedrigwasser- und größeren dQ-Werten im Hochwasserbereich gearbeitet werden kann. Für diesen Fall können verschiedene KTau-Tabellen mit WSPWIN erstellt und dann (per Hand) zusammengeführt werden. Durch die Zusammenfassung der profilbezogenen KTau-Tabellen für größere Gewässerabschnitte ist es möglich, die KTau-Tabellen auch räumlich differenziert den vorkommenden Abflussspannen (Qmin bis Qmax) anzupassen.

Abbildung 3‑10: Auszug aus der Datei <ktau_Nuthe.txt>

Auf eine wesentliche Bedingung muss allerdings noch hingewiesen werden. Ein Gewässerabschnitt (im GIS-Datenmodell) darf entweder nur durch genau eine Wertetabelle beschrieben werden (à eventuell zusätzliche Knoten setzen) oder die beiden Wertetabellen müssen identisch dimensioniert sein (Qmin, Qmax, dQ).

Die Profile können den Gewässerabschnitten GIS-gestützt zugeordnet werden (z.B. mit den RiverTools). Im Ergebnis dieser Zuordnung ist eine der oben genannten Dateien vorzugeben, in der die Stationierung der Profile [m], die ID des zugeordneten Gewässerabschnittes (FGWID), die Strangnummer (Strang) und der Typ des Profils (PROFIL, z.Z. nicht verwendet) enthalten sind. Beispiele für solche Zuordnungstabellen zeigen Abbildung 3‑8 und Abbildung 3‑7.

3.1.2 Nutzung von KTau-Tabellen im flexiblen Format

Um hydraulisch ermittelte KTau-Werte, Volumen oder Fließgeschwindigkeiten in verschiedenen Abflussstufen auch von anderen Wasserspiegellagenprogrammen als WSPWIN nutzen zu können, wurden folgende weitere Möglichkeiten geschaffen, solche Werte flexibel einlesen zu könnente flexibel eiten in verschiedenen Abflussstufen auch von .

Bei diesem Eingabeformat werden die Abflüsse und die dazu gehörenden KTau-Werte bzw. Fließgeschwindigkeiten oder Volumen entweder für Profile, die eine FGW-Zuordnung aufweisen müssen oder schon aggregiert für Gewässerabschnitte vorgegeben. In beiden Formaten müssen die Spaltenbezeichner für die Abflusswerte und die KTau-Werte numerisch fortlaufend vorgegeben werden. Die Zeichen vor der fortlaufenden Nummerierung sind frei wählbar und werden über die Steuerwörter ABFLUSSWERT und KTAUWERT bzw. GESCHWINDIGKEIT, VOLUMEN in der modul.ste im Block Q_KalMil festgelegt.

3.1.2.1 Profilbezogene Zuordnung

Die folgende Tabelle 3‑3 KTau_profil.dbf dient als Beispiel für das profilbezogene Format, bei dem es i.d.R. mehrere Profilpunkte für einen Fließgewässerabschnitt (fgwid) gibt. Programmintern werden alle KTau-Werte des jeweiligen Abflusses innerhalb eines Fließgewässerabschnitts summiert. Bedingung dafür ist, dass die zugeordneten Abflüsse Q_1, Q_2, Q_3 … innerhalb eines Fließgewässerabschnitts (fgwid) gleich sind.

KTAU_Tabelle             DBASE KTau_profil.dbf
Prof_IDENTIFIKATION      ProfID
FGW_IDENTIFIKATION       FgwID 
ABFLUSSWERT              Q_
KTAUWERT                 KTau_

Abbildung 3‑11: Auszug aus der modul.ste im Block Q_KalMil

Tabelle 3‑3: Tabelle KTau_profil.dbf (Q [m³/s], KTAU [s])

Sollen profilbezogene Geschwindigkeiten in gewässerabschnittsbezogene KTau-Werte umgewandelt werden, ist die Angabe der Fließstrecke erforderlich, die über das jeweilige Profil repräsentiert wird, im einfachsten Fall der Profilabstand.

KTAU_Tabelle         DBASE KTau_profil_v.dbf
Prof_IDENTIFIKATION  Prof_ID
FGW_IDENTIFIKATION   FgwID 
PROFILABSTAND        Laenge
ABFLUSSWERT          Q_
GESCHWINDIGKEIT      v_

Abbildung 3‑12: Auszug aus der modul.ste im Block Q_KalMil

Tabelle 3‑4: Tabelle ktau_profil_v.dbf (Q [m³/s], v [m/s])

3.1.2.2 Fgw-bezogene Zuordnung

Im Fgw-bezogenen Format liegen die Abflussstufen und die zugeordneten KTau-Werte bzw. Fließgeschwindigkeiten schon aggregiert für Fließgewässerabschnitte (fgwid) vor. Die Datentabelle sieht ähnlich der profilbezogenen aus. Unterschiedlich ist aber, dass pro Fließgewässerabschnitt nur eine Zeile mit Werten existieren darf. Um Zuordnungsfehler zu vermeiden, wird empfohlen, die Daten direkt in das FGW-Cover zu integrieren. Ist ein KTau-Wert als Fehlwert (-9999) gekennzeichnet oder gleich Null, so wird dies als Ende der KTau-Tabelle für diesen Gewässerabschnitt interpretiert. Über diese Endkennzeichung kann erreicht werden, dass den Gewässerabschnitten unterschiedlich dimensionierte KTau-Tabellen zugeordnet werden können. Gewässerabschnitte ohne KTau-Werte haben dann schon als ersten Wert eine Null oder einen Fehlwert.

Dem Programm wird dieses Format über den Eintrag FGW_KTAU_Tabelle statt KTAU_Tabelle mitgeteilt.

FGW_KTAU_Tabelle         DBASE KTau_fgw.dbf
FGW_IDENTIFIKATION       FgwID 
ABFLUSSWERT              Q_
KTAUWERT                 KTau_

Abbildung 3‑13: Auszug aus der modul.ste im Block Q_KalMil

Tabelle 3‑5: Tabelle Ktau_fgw.dbf (Q [m³/s], KTAU [s/m])

In diesem Format ist es auch möglich, die Fließlängen pro KTau-Wert [m/s analog einer Geschwindigkeit] einzulesen. D.h. über die Vorgabe von Fließgeschwindigkeiten werden KTau-Werte ermittelt, die zur Parametrisierung des Kalinin-Miljukov-Verfahrens dienen.

Damit soll auch für Gewässer mit unbekannter Profilgeometrie die Anwendung dieses sehr effektiven Verfahrens ermöglicht werden. Programmintern werden aus den Geschwindigkeiten und den Längen der Gewässerabschnitte wieder Zeiten ermittelt, die ein Wasserteilchen im Mittel für das Durchfließen dieses Abschnittes benötigt. Diese Zeit wird dann im Weiteren wie ein KTau-Wert behandelt.

Die Aktivierung dieser Option erfolgt in der modul.ste Steuerwort „GESCHWINDIGKEIT“, sowie durch die Angabe der Geschwindigkeiten und der zugeordneten Abflussgrenzwerte, bis zu denen die Geschwindigkeiten gelten, in der ktau_fgw_v.dbf.

FGW_KTAU_Tabelle       DBASE ktau_fgw_v.dbf
FGW_IDENTIFIKATION     FgwID 
ABFLUSSWERT            Q_
GESCHWINDIGKEIT        v_

Abbildung 3‑14: Auszug aus der modul.ste im Block Q_KalMil

Tabelle 3‑6: Tabelle ktau_fgw_v.dbf (Q [m³/s], v [m/s])

Beim Einsatz von Wasserspiegellagenprogrammen z.B. zur Ermittlung von Überflutungsflächen wird i.d.R. auch die hydraulische Leistungsfähigkeit der Gewässer untersucht. Dabei wird über eine sukzessive Erhöhung der Durchflüsse der Abfluss ermittelt, bei dem das Gewässer gerade ausufert bzw. sich Wasserstände einstellen, die höher als die Uferhöhen sind.

Über Zuordnungstabellen können Gewässerabschnitten die so (oder anders) ermittelten bordvollen Abflüsse (Steuerwort Ausuferungsabfluesse) und/oder die Ausuferungshöhen (Steuerwort UferHoehen) zugewiesen werden. Maßgebliche Größe sind die Ausuferungsabflüsse. Sind nur Uferhöhen angegeben, werden programmintern die zugeordneten Durchflüsse ermittelt.

Zusätzlich kann auch die Sohlhöhe für jedes Profil angegeben werden. Damit wird die Ermittlung des Wasserstandes bei sehr kleinen Abflüssen verbessert.

Station	        Sohlhoehe	Ufer	Strang
148680.00	167.67		170.17	1
148880.00	165.88		168.19	1
149083.00	166.89		168.19	1
149200.00	167.58		168.15	1
...

Abbildung 3‑15: Auszug aus der <UferHoehen_TABELLE >

Da die bordvollen Abflüsse sich auf das Gewässerbett beziehen, die KTau-Tabellen aber (günstigenfalls) auch die Abflussretention in den Vorländern charakterisieren, ist der bordvolle Abfluss meist kleiner als der größte Abfluss innerhalb der KTau-Tabelle.

Bei der Modellierung mit Kalinin-Miljukov wird der bordvolle Abfluss nur genutzt, um während der Simulationsrechnung für jeden Gewässerabschnitt die Anzahl der Überschreitungen des bordvollen Abflusses und damit der Ausuferungen zu registrieren. Im Ergebnisverzeichnis wird dazu die Datei …\para\<Raumbezug Q>_ausu.txt ausgegeben.

VorlandRetentionsfaktor     K_vorl
Ausuferungsabfluss          aus_q
*Ausuferungsabflussspende    aus_qs
MaximalerDurchfluss         Qmax

Abbildung 3‑16: Auszug aus der Datei fgw.sdf

KEN	AnzAus
1	54
2	55
3	8
4	32
...

Abbildung 3‑17: Auszug aus der …\para\fgw_ausu.txt

Eine weitere Größe, die im Rahmen von Hochwasseranalyse von Interesse ist, ist der Maximalabfluss Qmax. In vielen Tieflandeinzugsgebieten werden bei Überschreiten eines Qmax vor allem weitere Flächen geflutet, ohne dass die Wasserstände und Abflüsse nennenswert weiter steigen. Das Wasser wird nun vor allem in solchen Bereichen des Vorlandes gespeichert, die nicht durchflossen werden.

Ein weiteres Beispiel, in dem Qmax eine Rolle spielt, sind eingedeichte Gewässerabschnitte. Hier charakterisiert Qmax den Durchfluss, bei dem ein Überströmen der Deiche beginnt.

Der maximale Durchfluss Qmax ist gleich oder größer als der letzte Q-Wert in der KTau-Tabelle und ist als Attribut eines Gewässerabschnittes in der FGW-Datenbasis bereitzustellen.

Liegen keine profilbezogenen, hydraulisch ermittelten Maximalabflüsse vor, so kann der letzte bzw. größte Q-Wert in der profilbezogenen KTau-Tabelle als Näherung für den profilbezogenen Maximalabfluss verwendet werden. Der fgw-bezogene Qmax ist dann der kleinste profilbezogene Maximalabfluss innerhalb des Gewässerabschnittes.

Für die Modellierung von Zuflüssen, die größer sind als Qmax werden demnach folgende Fälle unterschieden:

1. Es werden Flächen geflutet, die nicht aktiv ab Abfluss teilnehmen bzw. nicht durchströmt werden. Der Abfluss aus dem Gewässerabschnitt überschreitet nie Qmax. Auch im Rückgang der Hochwasserwelle, wenn die Zuflüsse sich wieder im Bereich der KTau-Tabelle befinden, geben die gefluteten Flächen wieder Wasser ab, und zwar soviel, dass insgesamt nicht mehr als Qmax abfließt.
2. Es werden Deiche überflutet. Der Abfluss aus dem Gewässerabschnitt überschreitet nicht Qmax. Ein Rückfluss aus den Deichhinterländern ist nur sehr stark verzögert (letztlich nur über das Grundwasser) möglich. Modelliert wird dieser Rückfluss über einen Einzellinearspeicher mit einer sehr langsamen Auslaufkonstante, die über das Attribut VorlandRetentionsfaktor in der Gewässerdatenbasis für die betreffenden Gewässerabschnitte vorgegeben werden kann.
3. Es wird angenommen, dass die KTau-Tabelle für größere Abflüsse weiter gilt. Es wird der KTau-Wert des letzten (größten) Abflusses Qmax auch für größere Abflüsse verwendet.

Ein Sonderfall, der ebenfalls zu beachten ist, liegt vor, wenn mit einer 1D-Hydraulik nicht der gesamte Durchflussbereich erfasst werden konnte. Der Maximalabfluss liegt dann u.U. beträchtlich über dem letzten Wert der KTau-Tabelle, weil bei Ausuferungen weite Teile des Vorlandes am Abfluss teilnehmen, d.h. überströmt werden. Hier wäre der Qmax als zusätzliche Stützstelle in die KTau-Tabelle zu übernehmen. Das zugeordnete Volumen wäre aus Analysen des DGMs abzuleiten, z. B. unter Nutzung von historischen (max.) Überschwemmungen, Qmax selbst aus den extremen Hochwasserscheiteln am nächsten, unterliegenden Pegel.

Sämtliche Modellparameter werden in der Datei fgw_kami.par gespeichert und können hier wiederum modifiziert werden.

Im nachfolgenden Beispiel wird für fgw 1 Kalinin-Miljukov ohne Aktivierung eines Vorlandspeichers, für fgw 49 mit Vorlandspeicher und für fgw 39 der Q_ELS-Ansatz gerechnet.

Abbildung 3‑18: Auszug aus der Datei fgw_kami.par

4.1 Q_ELS
4.2 Verrohrte Gewässerabschnitte

Über den RUECKGANGSFAKTOR, den RUECKGANGSEXPONENT und die Ausuferungsabflussspende wird die Arbeitsweise des Speicherkaskadenansatzes gesteuert. Nähere Informationen dazu finden sich in der Beschreibung des Moduls Q_ELS.

Für die Implementierung des Q_ELS-Ansatzes im KalMil-Modul wurden einige Ergänzungen vorgenommen, um diesen Ansatz flexibler zu machen. So kann über den VorlandRetentionsfaktor die Gewässerretention verstärkt (Faktor > 1) oder verringert (Faktor < 1) werden, wenn der Durchfluss nicht im Gewässerbett abgeführt werden kann, d.h. der bordvolle Abfluss überschritten wird. Dieser wird programmintern für jeden Gewässerabschnitt aus der Ausuferungsabflussspende ermittelt. Dabei kann einmal die bei Ausuferung veränderte Retention für den gesamten Gewässerabfluss angesetzt werden (default bzw. ZWEI-STUFEN-ELS = 0). Dies ist bei kleineren Gewässern sicherlich sinnvoll, weil hier davon ausgegangen werden kann, dass das veränderte Abflussverhalten im Vorland auf den Abfluss im Flussbett zurückwirkt und dieser durch lokale Verluste (Verwirbelungen) bremst. Es können aber auch zwei Einzellinearspeicher (ZWEI-STUFEN-ELS = 1) gerechnet werden, einer wie bisher für das Flussbett und einer für den über den bordvollen Abfluss hinausgehenden Abflussanteil. Die Parameter des Q_ELS-Ansatzes RUECKGANGSFAKTOR_FGW, AUSUFERUNGS-ABFLUSS bzw. AUSUFERUNGSABFLUSSSPENDE und VORLANDRETENTIONSFAKTOR können über die GIS-Datenbasis des Gewässernetzes lokal präzisiert werden, um regionale Unterschiede in der Gewässerretention abbilden zu können. Dazu müssen in der Attributtabelle des Gewässernetzes entsprechende Attribute angegeben werden, die über die FGW.sdf und die in der folgenden Abbildung aufgelisteten Schlüsselwörter dem Programm bekannt gemacht werden.

Der globale RUECKGANGSFAKTOR sollte global auf 1 gesetzt werden, wenn mit räumlich differenzierten Faktoren gearbeitet wird, da der globale Wert mit dem lokalen (wenn > 0) multipliziert wird. Günstig für die Interpretation der Wertebelegung durch Dritte ist es, wenn statt 0 eine -9999 zur Wertebelegung der Abschnitte verwendet wird, für die die globalen Werte beibehalten werden sollen. Der bordvolle Abfluss kann über eine lokale Ausuferungsabflussspende festgelegt werden oder gleich über den Ausuferungsabfluss, wenn dieser bekannt ist. Ausuferungsabflüsse oder Spenden ≤ 0 führen zur Beibehaltung des global vorgegeben Wertes. Ist der bordvolle Abfluss eines Gewässerabschnittes > 0, wird bei Überschreiten dieses Abflusses der VorlandRetentionsfaktor verwendet, um die Abflussretention entweder zu erhöhen (Werte > 1), oder abzumindern (Werte < 1).

RUECKGANGSFAKTOR_FGW        r_fak
*Ausuferungsabfluss          aus_q
Ausuferungsabflussspende    aus_q
VorlandRetentionsfaktor     K_vorl

Abbildung 4‑1: Auszug aus der Datei fgw.sdf

Verrohrte Gewässerabschnitte werden nicht, sofern sie dicht sind, durch das Grundwasser oder eventuelle Direktabflüsse gespeist, haben also kein zugeordnetes Einzugsgebiet. Um dies abzubilden, ist ihnen die TG-ID = 0 oder eine andere, im TG-Cover nicht vorhandene TG-ID zuzuordnen.

Solche Gewässerabschnitte, meist Durchlässe oder Düker, haben eine durch ihren Durchmesser begrenzte Ableitungskapazität Qmax und wirken deshalb oft für die oberliegenden Gewässerabschnitte als Durchflussbegrenzung.

Diese Durchfluss begrenzende Wirkung kann in ArcEGMO abgebildet werden, indem vor dem verrohrten Gewässerabschnitt ein Gewässerpunkt als „Grünes Becken“ mit einer Kapazität des Grundablasses von Qmax eingefügt wird. Je nach Geländemorphologie kann diesem „Becken“ dann ein quasi unbegrenztes Volumen zugewiesen werden, was dazu führt, dass die Durchflüsse in jedem Fall auf Qmax begrenzt werden. Sofern beschrieben werden soll, dass in bestimmten Abflusssituationen beispielsweise eine Straße auch überschwemmt werden kann, weil die Speicherkapazität des Geländes oberhalb eines Straßendurchlasses begrenzt ist, kann dies über die Angabe eines über die Morphologie definierten Volumens im Modell abgebildet werden.

Eine zusätzliche Möglichkeit zur Abbildung verrohrter Gewässerabschnitte wurde in ArcEGMO als Ergänzung des Kalinin-Miljukov-Ansatzes integriert. Hierbei werden diese über einen Gewässertyp > 100 gekennzeichnet, d.h. in der fgw.sdf muss der Gewässertyp als Attribut der Gewässerabschnitte und die FGW_TYP_TABELLE angegeben sein.

######  Attribut-Tabellen  ###################################################
FGW_AAT                   DBASE  fgw.dbf    /* INFO fgw.aat  */
…
FGW_Breite         BreiteOk
FGW_GEFAELLE       Gefaelle 
FGW_TYP            TYP_id
…
######  Relate-Tabellen  #####################################################
FGW_TYP_TABELLE               ASCII fgw_typ.tab
FGW_TYP_IDENTIFIKATION        TYP_ID
MANNING_WERT_MAX              M_MAX
*MANNING_WERT_MIN             M_MIN

Abbildung 4‑2: Auszug aus der Datei fgw.sdf

Über die FGW_TYP_TABELLE werden dann die Rauhigkeiten der verrohrten Abschnitte angegeben. Da für Rohre der standardmäßige Manningwert K in [mm] ist (und nicht wie bei offenen Gewässern der Manningwert Kst), wird dieser über ein negatives Vorzeichen kenntlich gemacht.

TYP_ID	FGW_TYP	MATERIAL	M_MAX
1	"Erdkanal in festem Sand mit etwas Ton oder Schotter"	"xxx"	40
2	"natürliche Flussbetten mit mäßigem Geschiebe"	"xxx"	35
3	"natürliche Flussbetten, verkrautet"	"xxx"	30
5	"Abflussbahn über Landoberfläche"	"xxx"	10
101	"glattes Rohr"	"xxx"	-1
102	"rauhes Rohr"	"xxx"	-4

Abbildung 4‑3: Auszug aus der Datei fgw_typ.tab

Die Berechnung des maximalen Rohrdurchlasses erfolgt programmintern (Modelltyp mod=9) nach der universellen Fliessformel für Druckrohrleitungen (s. Bollrich, Technische Hydromechanik, Band 1, Formel 5.39, Seite 183).

Neben der Rauhigkeit ist hier der Rohrdurchmesser und das Gefälle anzugeben. Diese werden direkt aus der Attributtabelle des Gewässers über die FGW_Breite und das FGW_Gefaelle definiert.

Die so ermittelten maximalen Durchlassmengen Qvoll werden im Ergebnisverzeichnis unter Para\fgw_kami.par abgelegt und können hier auf Plausibilität überprüft werden und verändert werden, oder vorgegeben werden, falls die Inputwerte für die Berechnung nicht vorhanden sind.

fgw 240 mod= 9 anz_q=0 K= 0.00 Qvoll= 0.319 Ufer_H= 0

Knauf (2000): Anwenderbeschreibung HYDRA-WSP – Wasserspiegellagenberechnung für gegliederte Flussprofile unter besonderer Berücksichtigung von Bewuchs- und Bauwerkseinflüssen; Programm-Service-Wasserwirtschaft Knauf

Rosemann,H.J., Vedral,J. (1971): Das Kalinin-Miljukov-Verfahren zur Berechnung des Ablaufs von Hochwasserwellen. Schriftenreihe der Bayerischen Landesstelle für Gewässerkunde, München, H. 6, 1971

Bollrich, G. (1996): Technische Hydromechanik, Teil 1, Verlag für Bauwesen, Berlin, 4. Auflage, ISBN 3-345-00608-1

Zeller, J. (1965): Die Regime-Theorie – eine Methode zur Bemessung stabiler Flussgerinne. Schweizerische Bauz. (1965) H. 5/6