1. Anwendungsbereich
2. Prozessbeschreibung
3. Programmtechnische Umsetzung
4. Weitere Modellansätze im Modul KalMil
5. Literatur
1. Anwendungsbereich
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.
2. Prozessbeschreibung
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
- mit dem KTau-Wert des letzten Intervalls der Tabelle gerechnet oder
- 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
- 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
3. Programmtechnische Umsetzung
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.
| ModellTyp | Beschreibung |
| 0 | analog Q_ELS |
| 1 | für alle Gewässerabschnitte mit Profil oder KTau Information wird Kalinin-Miljukov angewandt, sonst Speicherkaskade analog Q_ELS |
| 2 | derzeit nicht belegt |
| 3 | Q_Muskingum (wird derzeit nicht unterstützt) |
| 4 | Q_RetKTauRS (Kalinin-Miljukov mit Rückstau) |
| 9 | Verrohrte Gewässerabschnitte |
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
- die Nutzung extern (1) ermittelter KTau-Funktionen, Volumen oder Fließgeschwindigkeiten
- die programminterne Ermittlung von KTau-Funktionen
- aus vermessenen Querprofilen oder
- aus repräsentativen Regelprofilen.
Stehen zur Modellparametrisierung unterschiedliche Informationen für die einzelnen Gewässerabschnitte zur Ver-fügung, werden diese wie folgt genutzt:
- Parametrisierung gemäß (1),
- die verbleibende gemäß (2),
- 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
| intern Kapitel 3.1 | extern Kapitel 3.2 | |||||
|
Gewässer- | WSP_KTAU – Werte | KTAU_Tabelle (profilbe- zogen) | FGW_KTAU_Tabelle (fgw-bezogen) | |||
| Ktau- Tabelle | Ktau-Tabelle wird programm- intern aus Profilen ermittelt | ABFLUSS-WERT [m3/s] + | ||||
| KTAUWERT [s] | KTAUWERT [s] | KTAUWERT [s/m] | VOLUMEN [m3] | GESCHWINDIGKEIT [m/s] | ||
(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 +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
Rauhigkeitsbeiwerte bei Q_KalMil
Im Modul Q_KalMil wird der Modelltyp 0 (Speicherkaskade analog Q_ELS, wenn keine Profilinformationen vorliegen) ab sofort unter Einbeziehung des Rauhigkeitsbeiwerte nach Manning-Strickler gerechnet. Der Rauhigkeitsbeiwert wird dazu aus der fwg_typ.tab eingelesen. Im FließgewässerCover ist dazu den Gewässerabschnitten das Attribut FGW_TYP zuzuordnen. Damit können nun räumlich differenzierten Rauhigkeitsverhältnissen berücksichtigt werden.
Fgw.sdf
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:
GESCHWINDIGKEITS_FAKTOR vFak RUECKGANGSFAKTOR_FGW rFak Ausuferungsabfluss Qaus
Fgw.sdf
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.
3.1 Programminterne Ermittlung von KTau-Funktionen
3.2 Nutzung extern ermittelter KTau-Funktionen
3.3 Bordvolle Abflüsse und Ausuferungen
4. Weitere Modellansätze im Modul KalMil
4.1 Q_ELS
4.2 Verrohrte Gewässerabschnitte
5. Literatur
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