Zur Beschreibung der hydrologischen und hydrometeorologischen Prozesse werden diese zu Domänen und Ebenen zusammengefasst. Folgende Modellebenen werden in ArcEGMO unterschieden:

1. METEOR zur Ermittlung der meteorologischen Modelleingangsgrößen und ihre Übertragung auf die im Rahmen der Abflussbildungsberechnung zu modellierenden Flächen,
2. ABI zur Beschreibung der Abflussbildung,
3. RD zur Beschreibung der Abflusskonzentration auf der Landoberfläche,
4. GW zur Beschreibung der Abflusskonzentration im Grundwasser und
5. Q zur Beschreibung der Abflusskonzentration im Gewässernetz.

Die Modellebenen METEOR und ABI bilden gemeinsam die Vertikalprozess-Domäne, RD, GW und Q die Lateralprozess-Domäne.

Wie Tabelle 7.1‑1 zeigt, können je nach Aufgabenstellung und zur Verfügung stehender Datenbasis die Modellierungen in den einzelnen Ebenen unterschiedlich detailliert bzgl. der Prozessbeschreibung und der Raumgliederung vorgenommen werden. Welche Raumauflösung für die einzelnen Ebenen gewählt wird, ist innerhalb der Steuerdatei ARC_EGMO.STE (s. Kapitel 3) festzulegen.

Tabelle 7.1‑1: Übersicht über die einzelnen Modellebenen

Abbildung 7.1‑1 zeigt im Sinne einer Übersichtsdarstellung mögliche Raumdiskretisierungen in den einzelnen Modellebenen.

Abbildung 7.1‑1: Mögliche Raumdiskretisierungen in den Modellebenen

Jede Modellebene

• besteht aus verschiedenen Modulen zur Beschreibung hydrologisch relevanter Teilprozesse,
• nutzt die in den Programmkomponenten bereitgestellten Schnittstellen zu den raum- und zeitbezogenen Ein- und Ausgangsdaten und
• übernimmt bzw. übergibt Werte von bzw. nach anderen Modellebenen.

Die (vorrangig) vertikalen Prozesse werden von den Modellebenen MET und ABI beschrieben, die lateralen Abflusskonzentrationsprozesse in den Ebenen RD, GW und Q behandelt.

Abbildung 7.1‑2 zeigt die Funktionalitäten der in der Standardmodulbibliothek eingebundenen Module mit ihrer Zuordnung zu den Modellebenen.

Im Allgemeinen ist eine Modellebene wie folgt aufgebaut:

• Über einen Eintrag in der Steuerdatei MODUL.STE (s. Abbildung 7.1‑3) sind Parameter vorgebbar, die die prinzipielle Abarbeitung steuern.
• Ein Initialisierungsteil allokiert die notwendigen Speicherbereiche und ermittelt die Modellparameter und Startwerte.
• Das eigentliche Modell organisiert die Simulation der Prozesse der jeweiligen Modellebene und ruft jeweils für den aktuellen Zeitschritt und das aktuelle Raumelement das in der Bibliothek abgelegte prozessbeschreibende Modul auf.
• Eine weitere Routine gibt die eingangs belegten Speicherbereiche bei Bedarf wieder frei.

Abbildung 7.1‑2: Übersicht über die einzelnen Modellebenen

.

#################################################################################
MET_MOD1
VERDUNSTUNGS_BERECHNUNG      1  /* 0 GEGEBEN; 1 PENMAN, 2 TURC_IV, 3 HAUDE */
SCHNEEMODELL                 0  /* 0 Niederschlagsdargebote gegeben, */
                                /* 1 Taggradverfahren */
VERDUNSTUNGSKORREKTUR       1.0 /* Faktor zur Korrektur der berechneten bzw. */
                                /* gegebenen potentiellen Verdunstung */
NIEDERSCHLAGSKORREKTUR     1.05 /* Korrekturfaktoren zum Ausgleich von Wind- */
SCHNEEKORREKTUR            1.2  /* fehlern und Benetzungsverlusten */
GRENZTEMPERATUR            0.5  /* Grenzwert der Tagesmitteltemperatur, unter */
                                /* der Schneefall angenommen wird */
TESTDRUCK
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ABI_MODELL
ZEITFAKTOR_NIEDERSCHLAG     1. /* Eichgroesse, dient zur Anpassung des kf-Wertes*/   
                               /* < 1. : Reduktion bei geringer Zeitaufloesung */
                               /* zum Ausgleich von Informationsverlusten*/
                               /* ueber die "wahren" Niederschlagsinten- */
                               /* sitaeten */
                               /* > 1. : Erhoehung zur Beruecksichtigung von */
                               /* Makroporen etc. */
MET_VORGESCHICHTE          0.9 /* 0. fuer trocken bis 1.0 fuer feucht */
PARAMETER_TAB_SPEICHERN?     Ja
VERTEILUNGS_FUNKT_SPEICHERN? Ja
#################################################################################
RD_MODELL
ABFLUSSBILDUNG_ITERATIV      0     /* 1 Abflussbildung innerhalb oder */
                                   /* 0 ausserhalb der internen Zeitschleife */
#################################################################################
KINWAVE
FAK_FLIESSWEGVERLAENGERUNG   1.1
################################################################################
Q_MODELL
ZEITSCHRITTWEITE             1440.         /* in Minuten */
################################################################################
Q_ELS
RUECKGANGSFAKTOR          0.0002        /* Dient der Skalierung der modellintern */
                                        /* ermittelten Rueckgangskonstanten */
################################################################################
EGMO_GW
AFMN .50
SPEICHERUNG_DER_ELS_KONSTANTEN? JA
ABFLUSSKOMPONENTEN
RG 730 AFw AFa AFs AFB AIMP
RH 20 AH
RN 10 AW ANw ANa ANs ANB
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Abbildung 7.1‑3: Beispiel für eine Steuerdatei Modul.Ste

Tabelle 7.2‑1 gibt eine Übersicht über die von ArcEGMO bereitgestellten Systemgrößen. Diese Größen – programmtechnisch sind dies Routinen, die auf Speicheradressen verweisen – haben 3 Funktionen.

1. Sie ermöglichen den Modulen, zeitlich variable Größen zu verwalten (z.B. Speicherfüllungen).
2. Diese Größen können gleichzeitig Ergebnisgrößen und damit Input in die Ergebnisauswertung sein.
3. Außerdem werden über einen Teil dieser Funktionen die einzelnen Modellebenen miteinander verbunden bzw. die räumlich verknüpften Datenflüsse organisiert.

So liefert MET das Niederschlagsdargebot und die potentielle Verdunstung für ABI, die wiederum neben der realen Verdunstung als Ergebnisgröße den Landoberflächenabfluss und die Grundwasserneubildung als Eingang für RD und GW bereitstellt. Über den Anteil von RO, der in der Ebene RD nicht dem Gesamtabfluss Q zugeordnet wird, weil er beispielsweise nicht das Gewässersystem erreicht, existiert eine Rückkopplung zu ABI, weil dieser Anteil wieder zur Versickerung angeboten wird. Letztlich liefern RD und GW die Inputgrößen für die Modellebene Q, die den Gesamtabfluss ermittelt.

Die Modellebene METEOR dient neben der Ermittlung und Flächenübertragung meteorologischer Daten gleichzeitig zur Verwaltung der Zeitreihen und wurde deshalb bereits ausführlich im Kapitel 5.2 beschrieben.

Die ermittelten Parameter werden im aktuellen Ergebnisverzeichnis ..RESULTS<VAR1>PARA gemeinsam mit ihrem Raumbezug in der Datei <Räumliche Bezugsebene>_<Modellebene>.par (z.B. TG_ABI.PAR) gespeichert. Über den Raumbezug ist eine Georeferenzierung der ermittelten Parameter und damit eine visuelle Plausibilitätsprüfung im GIS möglich. Beim nächsten Simulationslauf wird vom Programm geprüft, ob die entsprechende Parameterdatei gefunden wird und dann eingelesen. Somit kann die aus GIS-Daten abgeleitete Erstschätzung der Modellparameter für die weiteren Modellanwendungen geändert werden.

Während des Simulationslaufes wird innerhalb der Modellorganisation jeder Ebene sichergestellt, dass insbesondere für die Abflusskonzentrationsberechnungen eine Abarbeitung der einzelnen Raumelemente von „oben nach unten“, also hierarchisch, stattfindet.

Im folgenden wird also nur noch ausführlich auf die Modellebenen ABI, RD, GW und Q eingegangen und ihre Verknüpfungsmöglichkeiten miteinander erläutert, während die prozessbeschreibenden Module im Teil II dieser Dokumentation behandelt werden.

Tabelle 7.2‑1: Wichtige Systemgrößen in ArcEGMO

Die Abflussbildung kann je nach gewünschter räumlicher Auflösung

1. für Elementarflächen oder
2. für Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete bzw. das Gesamtgebiet

berechnet werden.

Liegt die räumliche Auflösung über der der Elementarflächen, so kann i.d.R. nicht mehr von quasi homogenen Flächen ausgegangen werden. Diese inhomogenen Flächen können modelliert werden, indem sie in Hydrotopklassen untergliedert und weitere Inhomogenitäten über Flächenverteilungsfunktionen berücksichtigt werden.

Im Zuge der Modellrechnungen werden die folgenden Wasserhaushaltsgrößen ermittelt:

1. Effektivniederschlag PEF als Infiltrationsüberschuss,
2. (pot.) Landoberflächenabfluss RO als Überlauf aus einem Muldenspeicher,
3. reale Verdunstung ER und
4. Sickerwassermenge bzw. Grundwasserneubildung GWN.

Je nach Aufgabenstellung kann das Abflussbildungsmodell innerhalb eines Niederschlag-Abfluss-Modells eingesetzt werden, wobei dann der Landoberflächenabfluss und die Grundwasserneubildung an die nachgeordneten Modellebenen zur Beschreibung der lateralen Abflussprozesse weitergegeben werden.

Für die Übergabe an nachgeordnete Modellebenen zur Beschreibung der lateralen Abflussprozesse werden der Landoberflächenabfluss und die Grundwasserneubildung räumlich aggregiert für die Bezugsgeometrien bereitgestellt.

Über die Steuerdatei MODUL.STE (s. Abbildung 7.4‑1) kann festgelegt werden, ob die Abflussbildungsparameter mit ihrem Raumbezug in der ASCII-Tabelle <RB>_abi.par (RB für Raumbezug, z.B. Elementarflächen oder Teileinzugsgebiete) gespeichert werden sollen. Im GIS können die Parameter dann visualisiert und auf Plausibilität geprüft werden.

Für Analyse- und Auswertezwecke wird die Speicherung von Flächenverteilungsfunktionen unterstützt. Gespeichert werden dabei nicht die kompletten Flächenverteilungsfunktionen, sondern nur die Punkte der Funktion mit einem neuen Parameterwert. Zieldatei ist die ASCII-Tabelle Flvf_par.xlx im Resultverzeichnis.

Ebenso können globale Parameter festgelegt werden. Globale Parameter sind empirischer Natur, so dass eine einheitliche bzw. globale Festlegung einheitlich für alle Elementarflächen bzw. Hydrotopklassen gewählt wurde.

In der jetzigen Modellversion sind dies die folgenden Einträge:

• ZEITFAKTOR_NIEDERSCHLAG ist ein empirischer Faktor zur Skalierung der Kf-Werte. Er liegt im Bereich 0 < ZEITFAKTOR ≤ 1. Dieser Faktor kann aktiviert werden, wenn eine prozessadäquate Beschreibung des Infiltrationsprozesses nicht möglich ist. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn die zur Verfügung stehenden meteorologischen Daten eine geringe zeitliche Auflösung besitzen und deshalb mit großen Zeitschritten gearbeitet werden muss. In diesem Fall werden Direktabfluss auslösende Spitzenintensitäten des Niederschlages zu stark vergleichmäßigt, gleichzeitig erreichen die hydraulischen Leitfähigkeiten der Böden, da diese zeitintervallbezogene Werte sind, Größenordnungen, die die Niederschlagshöhen bei weitem überschreiten, so dass vom Modell ohne diese Skalierung kein Direktabfluss berechnet wird. Wird ein Zeitfaktor > 1 gewählt, so werden damit die über die Bodendatenbasis vorgegebenen Kf-Werte vergrößert, was letztlich eine (wenn auch keine sehr elegante) Möglichkeit ist, die Wirkung von Makroporen abzubilden.

• MET_VORGESCHICHTE erlaubt bei der programminternen Festlegung der Startwerte eine Berücksichtigung der meteorologischen Vorgeschichte.
• Über die Festlegung der VERDUNSTUNGSREDUKTION ist es möglich, die Verdunstungsberechnung innerhalb des Abflussbildungsmoduls zu beeinflussen.
• Über die Vorgabe einer Korrekturfunktion kann in den hinterlegten Modellen der Abflussbildungsebene die zeitliche Veränderung der Bodenkapillarwasserspeicherkapazitäten infolge der Wurzelentwicklung vereinfacht abgebildet werden. Verwendet wird hier eine Cosinusfunktion, deren Minimum durch den Parameter MIN_VEGETATIONS-FUNKTION definiert ist und deren Maximum 1 am Tag 182 zeitlich über den Kennwert MAX_VERSCHIEBUNG_VEGFUNKT gesteuert werden kann.

• Der Frostfaktor und der SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR werden nur im EGMO-Ansatz genutzt und werden demzufolge im Modul EGMO der Dokumentation beschrieben.

ABI_MODELL
ZEITFAKTOR_NIEDERSCHLAG   1.   /* Eichgroesse, dient zur Anpassung des kf-Wertes*/
                               /* kleiner 1. : Reduktion bei geringer Zeitaufloesung */
                               /* zum Ausgleich von Informationsverlusten*/
                               /* ueber die "wahren" Niederschlagsinten- */
                               /* sitaeten */
                               /* größer 1. : Erhoehung zur Beruecksichtigung von */
                               /* Makroporen etc. */
MET_VORGESCHICHTE          0.5 /* 0. fuer trocken bis 1.0 fuer feucht */
VERDUNSTUNGSREDUKTION      0.3 /* 0. fuer stark bis 1.0 fuer schwach */
MIN_VEGETATIONSFUNKTION    0.4 /* 1 bzw. keine Angabe --> so wie bisher */
MAX_VERSCHIEBUNG_VEGFUNKT  -45 /* Verschiebung des Veg.Maximums [Tage] */
FROSTFAKTOR                0.3 /* s. EGMO-Dokumentation
SAETTIGUNGSABFLUSSFAKTOR   0.5 /* s. EGMO-Dokumentation
Bilanzausdruck               2 /* {0|1|2|3} mit 0=kein, 1=m3/s, 2=mm/DT, 3=l/s*km2*/
*GW-FLURABSTAND_vom_GW-Modell? Ja
*HYDROTOPANTEILE_LESEN? Ja
PARAMETER_TAB_SPEICHERN? Ja
VERTEILUNGS_FUNKT_SPEICHERN? Ja

Abbildung 7.4‑1: Steuerdatei MODUL.STE – Block ABI_MODELL

TG-EFL-AREA

Unterschiedliche Flächengrößen zwischen Elementarflächen und Teileinzugsgebieten können zu Problemen führen. Eine unterschiedliche Flächengröße bedeutet, dass die Flächensumme aller Elementarflächen innerhalb eines Teileinzugsgebietes ungleich der Größe des Teileinzugsgebietes ist. Das kann zum Beispiel in Landesmodellen in Randbereichen vorkommen, indem die Elementarflächen nicht mehr die gesamte Größe des Teileinzugsgebietes abdecken (siehe untenstehende Abbildung a). Auf der anderen Seite kann es vorkommen, dass bei sehr kleinen ausgewiesen Teileinzugsgebieten keine Elementarfläche zugewiesen werden kann (siehe u. Abb. b). Es kann auch vorkommen, dass die die Flächengröße aller Elementarflächen kleiner als die Fläche des Teileinzugsgebietes ist (siehe u. Abb. c).

a) TG > EFL Verhältnis = 0.24	b) TG ohne EFL Verhältnis = 0	c) TG < EFL Verhältnis = 1.6

In ArcEGMO kann dafür in der modul.ste unter ABI_MODELL das Steuerwort FLAECHENKORREKTUR aktiviert werden. Damit werden entweder die EFL-Flaechen oder TG-Flächen aufeinander abgeglichen. Im Resultsverzeichnis wird die Datei TG-EFL-AREA.txt ausgegeben. Je nachdem welche Flächenkorrektur eingestellt wurde, wird dann mit der korrigierten Flächengröße (entweder EFL oder TG) gerechnet.

Modul.ste

#################################################################################
ABI_MODELL
FLAECHENKORREKTUR  1  /*  0 - keine Flaechenkorrektur (default) */
                      /* -1 - EFL-Flaechen werden auf die TG-Flaeche abgeglichen */
                      /*  1 - TG-Flaechen werden auf die EFL-Flaechensumme abgeglichen */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

TgID   TgArea              EflSumArea                 Verhaeltnis
3624   18710322.21         4545625.000000             0.242947
6386   381.875450          0.000000                   0.000000
5423   2338.08703          3750.000000                1.603875

Die folgende Tabelle beinhaltet die Module der Standardbibliothek und eine Kurzcharakteristik ihrer Funktion. Ausführlich werden diese Module im Teil Module dieser Dokumentation beschrieben.

Tabelle 8.6‑1: Module der einzelnen Modellebenen