Das Sub-Modul Transferzone ist in ArcEGMO im Modul ABI integriert und beschreibt die Auftrennung des Sickerwassers in einen lateralen Fluss RG1 (zum nächstgelegenen Gewässerabschnitt) und einen vertikalen Fluss RG2 (zur Grundwasseroberfläche, d.h. der GWN) in der ungesättigten bzw. teilgesättigten Bodenzone. Die Aufteilung erfolgt dabei in enger Anlehnung an die im SlowComp Ansatz (Schwarze, et. Al 1999) verwendete Auftrennung in eine vertikale und eine laterale Abflusskomponente. Die vertikale Komponente RG2 wird zusätzlich für grundwasserferne Standorte durch den Perkolationsansatz von GLUGLA (1969) in Abhängigkeit vom Flurabstand zeitlich und mengenmäßig retendiert.

Die Transferzone wird als Einzellinearspeicher behandelt. Ihr Speichervolumen ist abhängig von der maximal möglichen Speicherfüllung (Smax), sowie der Speicherkonstante (K_RG1). Parametrisiert wird diese Modellvorstellung entweder über die Ergebnisse von Ganglinienanalysen, z.B. durch DIFGA (Schwarze 2000), für beobachtete Einzugsgebiete. Hier wird dann letztlich die überlagerte Wirkung der im Gebiet enthaltenen geologischen Formationen bzw. Lithofazieseinheiten abgebildet. Liegen aber ausreichend Pegelanalysen vor, ist es möglich, auf die Eigenschaften der einzelnen Lithofazieseinheiten im Gebiet zu schließen und damit eine Regionalisierung vorzunehmen und damit letztlich den Lithofazieseinheiten selbst Kennwerte zuzuweisen (Hennig & Schwarze 2001).

Neuere Analysen haben ergeben, dass die maximal mögliche Speicherfüllung einem Jahresgang unterliegt, der sich wie folgt beschreiben lässt:

Gl. 1

mit

akttag – aktueller Tag im Kalenderjahr (bei 1 beginnend),

t als zeitliche Verschiebung (defaultwert ist t=15) und

c und d als Formparameter (defaultwerte sind c=-0.5, d=55)

Bei der Berechnung der Aufteilung in vertikale und horizontale Versickerung werden zwei Fälle unterschieden: (1) die Befeuchtung bei positiven Sickerwasserraten und (2) die Zehrung bei negativen Sickerwasserraten.

2.1.1 Der Fall der Befeuchtung

Die Auftrennung des in den Boden einsickernden Wassers in den lateralen, hypodermischen Abfluss (RG1) und den vertikalen Fluss zum Grundwasser (RG2) geschieht in Abhängigkeit von der Speicherfähigkeit des jeweiligen Standortes. Dazu wird für jeden Zeitschritt mit der Länge (dt) das verfügbare Speichervolumen (P1pot) des Standortes als Differenz zwischen aktueller Anfangsspeicherfüllung (Sanf) und maximal möglicher Speicherfüllung (Smax) des Einzellinearspeichers berechnet:

Gl. 2

Aus der versickernden Wassermenge (P) wird dann der Anteil bestimmten, der zusätzlich zur Anfangsspeicherfüllung in der Transferzone gespeichert werden kann:

Gl. 3

Gl. 4

Die so am Ende des Zeitschrittes entstandene Endspeicherfüllung (Send) wird wie folgt berechnet:

Gl. 5

Zu Beginn eines neuen Zeitschrittes wird die Endspeicherfüllung des vorhergegangenen Zeitschrittes als Anfangsspeicherfüllung verwendet.

Der laterale, hypodermische Fluss RG1, der dem Vorfluter wieder zukommt, wird aus der Differenz der Anfangspeicherfüllung und der Endspeicherfüllung, sowie der Zusickerung während jedes Zeitschrittes ermittelt:

Gl. 6

Liegt das tatsächliche Wasserangebot P1 über dem potenziell möglichen Aufnahmevolumen (P1pot), wird der Wasserüberschuss in Richtung Grundwasser weitertransportiert. Da der laterale Abfluss im Weiteren mengen- und zeitmäßig verzögert wird, ist hier vorläufig von der potenziellen Wassermenge (RG2pot) die Rede, die das Grundwasser möglicherweise erreichen kann:

Gl. 7

2.1.2 Der Fall der Zehrung

Für den Fall der Zehrung wurde die in SlowComp benutzte Aufteilung abgeändert. Während in SlowComp jede Zehrung aus dem Grundwasser verhindert wird, wird hier eine Zehrung auf grundwassernahen Flächen zugelassen. Die Entscheidung, ob eine Fläche grundwassernah oder grundwasserfern ist, wird bereits im Modul ABI getroffen: Eine Fläche wird als grundwassernah bezeichnet, sobald die effektive Wurzelzone mindestens genauso groß ist wie der Flurabstand. Die Zehrung (negative Sickerwasserrate) wird außerdem schon im Modul ABI auf die mögliche Menge des kapillaren Aufstiegs begrenzt, so dass die an das Submodul Transferzone weitergegebene Zehrungsmenge nicht weiter eingeschränkt werden muss, sondern vollständig in der Transferzone berücksichtigt wird. Entsprechend dem Fall der Befeuchtung wird hier als erstes das potenziell für die Zehrung zur Verfügung stehende Wasservolumen im Einzellinearspeicher berechnet:

Gl. 8

Die Begrenzung auf das tatsächlich aufgezehrte Wasservolumen erfolgt mit einer Umkehr der Gl. 6 und 7:

Gl. 9

Gl. 10

Da diese Form nur für negative Werte verwendet wird, kann die Gleichung allgemein für beide Fälle wie folgt geschrieben werden:

Gl. 11

Gl. 12

Die Endspeicherfüllung wird dann wie im Fall der Befeuchtung mit Gl. 4 berechnet. Das in Gl. 4 eingehende negative P1 bewirkt, dass die Endspeicherfüllung geringer ist als die Anfangsspeicherfüllung. Für RG1 ergeben sich aus der Differenz von End- und Anfangsspeicherfüllung negative Werte, die jedoch durch die Addition von P1 in Gl. 5 wieder ausgeglichen werden, so dass die Komponente RG1 immer positiv ist.

RG2pot wird dagegen nach Gl. 6 negativ, sobald die gezehrte Wassermenge größer ist als der Speicherinhalt. Die Zehrung wird dann ohne eine Retention durch den Perkolationsansatz nach Glugla (1969) direkt an das Grundwassermodell weitergegeben. Da die Retention bei der Tiefenversickerung nur auf grundwasserferne Standorte angewendet wird und die Zehrung nur grundwassernahe Standorte betrifft, schließt sich eine gemeinsame Anwendung der Zehrung und der Retention aus.

Der Wasseranteil, der dem Grundwasser zuströmt, wird mit dem Perkolationsansatz nach Glugla (1969) zeitlich und mengenmäßig verzögert. Die Retention nimmt mit zunehmender Profiltiefe zu. Die Profile werden in k Schichten unterteilt, dabei wird die Schichtdicke so festgelegt, dass jede Schicht innerhalb eines Tages durchsickert wird, d.h. die Schichtdicke (Mx) ist abhängig vom kF-Wert. Ebenso wie bei der Berechnung des Aufteilungsoperators werden auch hier wieder Anfangs- (WSA) und Endwassergehalt (WSE) für jeden Zeitschritt benötigt, wobei der Endwassergehalt einer Schicht dem Anfangswassergehalt dieser Schicht im Folgezeitschritt entspricht. Im ersten Zeitschritt wird der Anfangswassergehalt festgesetzt, indem der für das gesamte Profil geltende Anfangswassergehalt (Sanf) auf die Schichten aufgeteilt wird. In den k Schichten spielen sich dann immer wieder (je nach Zusickerungsmenge aus der darüber liegenden Schicht (RG2pot_(k-1)) die gleichen Verzögerungsvorgänge ab. Der Endwassergehalt der jeweiligen Schicht k wird bei einer Zusickerung (RG2pot_(k-1) > 0) wie folgt berechnet:

Gl. 13

mit

Gibt es keine Zusickerung aus der darüber liegenden Schicht (RG2pot_(k-1) = 0), berechnet sich der Endwassergehalt nur in Abhängigkeit vom Anfangswassergehalt und dem bodenspezifischen Parameter (C) nach GLUGLA (1969):

Gl. 14

Der Anteil des Versickerungswassers, der eine Schicht vertikal durchsickert (RG2) berechnet sich aus der Differenz zwischen Anfangs- und Endwasserhaushalt zuzüglich der aus der darüber liegenden Schicht zusickernden Wassermenge:

Gl. 15

Für die folgende Schicht k wird der so berechnete Wert für RG2 wieder als Zusickerung (RG2pot_(k-1)) verwendet. Das Sickerwasser, das die letzte Schicht durchsickert, ist dann letztendlich das Wasser, das die Grundwasseroberfläche erreicht (RG2=GWN).