Meteorologische Teilgebiete

Für die flächendetaillierte Modellierung der Vertikalprozesse ist es erforderlich, die meteorologischen Eingangsgrößen wie Niederschlag, Temperatur, Strahlung, die i.d.R. punktuell, d.h. an Stationen gemessen werden, auf die zu modellierenden Flächeneinheiten zu übertragen. Diese Übertragung kann direkt erfolgen, ohne für diese Modellebene eine gesonderte räumliche Diskretisierung einzuführen. Dazu werden für jede Modellierungseinheit die relevanten Stationen, z.B. nach dem Quadrantenverfahren ausgewählt und entsprechend ihrer Entfernung berücksichtigt. Des Weiteren fließen in die Übertragung die Eigenschaften der Fläche selbst und ihre Höhendifferenz zu den Stationen ein, wobei folgende Abhängigkeiten einbezogen werden können:

• die Höhenabhängigkeit des Niederschlages, der Lufttemperatur und des Dampf­druckes,
• die Abhängigkeit der Strahlungsintensität von Exposition und Geländeneigung und
• der Einfluss der Flächennutzung auf die Albedo.

Bei großräumigen Modellierungen bietet sich an, eine Untergliederung in meteo­rologische Teilgebiete entsprechend der Repräsentativität der meteorologischen Stationen vorzunehmen. Damit kann über eine Gruppenbildung von Stationen verhindert werden, dass bei der Flächenübertragung Extrapolationen z.B. über Wetterscheiden, Gebirgskämme etc. hinweggehen.

Elementarflächen, Hydrotope und Hydrotopklassen

Maßgeblichen Einfluss auf die Abflussbildungsprozesse haben die Bodeneigenschaften, die Landnutzung bzw. die Vegetation und der Grundwasserflurabstand. Bei einer Untergliederung des Untersuchungsgebietes in Flächen, die bzgl. dieser Eigenschaften sowie der Systemeingänge, -parameter und -ausgänge als homogen angesehen werden können, entstehen Elementarflächen.

Sie stellen die kleinsten Informationseinheiten im Rahmen dieses Modellierungskonzeptes dar und gewährleisten in allen Modellebenen eine kongruente Informationsdiskretisierung für alle Teilprozesse. Elementarflächenbezogene Prozessmodellierungen sind allerdings insbesondere in größeren Maßstabsbereichen (Meso-, Makroskala) schon aus Aufwandsgründen problematisch. Für eine Reihe von Anwendungsfällen ist es effektiver, Elementarflächen zu Hydrotopen und Hydrotopklassen zusammenzufassen (vgl. Tabelle 2.3-1).

Ein Hydrotop wird durch zusammenhängende Elementareinheiten mit einem charakteristischen hydrologischen Regime (vgl. Becker 1975, Pfützner 1990) gebildet. Es ist durch ähnliche Systemeingänge und -eigenschaften gekennzeichnet und rea­giert „einheitlich“ (quasi homo­gen) bezüglich der maßgebenden Systemausgänge. Unter einer Hydrotopklasse wird die ortsunabhängige Zu­sammenfassung gleicher oder ähnlich wirkender Hydrotope innerhalb einer größeren Flä­cheneinheit ver­standen. Bei der Gliederung in Hydrotope und Hydro­topklassen kön­nen je nach Maßstabsbereich und zu lösender Aufgabenstellung unterschiedli­che Eigen­schaften ver­wendet werden.

Zur Verdeutlichung ein Beispiel: Elementarflächen werden entspre­chend ihrer Hauptflächennutzung Wald und Freiland zusammengefasst, weil die Vegetation einen wichtigen Einfluss auf die reale Verdunstung besitzt. Örtlich zusammenliegende Elementarflächen bilden ein Hydrotop. Die Zusammenfassung erfolgt damit aufgrund eines ähnlichen Verdunstungsregimes, obwohl durchaus noch Unterschiede aufgrund weiterer Inhomogenitäten bezüglich der Landnutzung und des Bodens exi­stieren kön­nen. Die Lage eines Hydrotops findet bei der weite­ren Mo­del­lie­rung keine Berück­sich­ti­gung. In die Modellie­rung geht nur der Flächen­anteil einer Hydro­topklasse als Zusammenfassung aller gleich­artigen bzw. ähnlich wirkenden Hydro­tope im betrachteten Untersuchungsgebiet, Teilgebiet (Kaskade o.ä.) ein.

Innerhalb eines Hydrotops oder einer Hydrotopklasse können flächenhafte Unterschiede in weiteren Eigenschaften, die nicht zur Hydrotopgliederung genutzt wurden (z.B. Bodenkenn­werte), statistisch über Verteilungsfunktionen ihrer Flächenanteile berücksichtigt werden (vgl. Becker 1975).

Über den Block STEUERDATEIEN in die Datei ARC_EGMO.STE besteht die Möglichkeit, verschiedene Modellvarianten (Daten, Steuerparameter etc.) zentral über Änderungen in einer Datei zu aktivieren. Der folgende Dateiauszug zeigt diesen Steuerblock mit den möglichen Schlüsselwörtern. Die Einträge ELEMENTARFLAECHEN bis ZEITFUNKTIONEN verweisen auf die Definitionsdateien im Verzeichnis GIS\DESCRIBE (.sdf wird programmintern ergänzt), während die Einträge METEOROLOGIE_DATEN bis ERGEBNISSE auf Steuerdateien im Verzeichnis ARC_EGMO verweisen (.ste wird programmintern ergänzt). Wird ein Schlüsselwort nicht gefunden, weil es nicht angegeben ist oder auskommentiert wurde, wird auf die bisherigen Standarddateien (sdf bzw. ste) zugegriffen.

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STEUERDATEIEN
ELEMENTARFLAECHEN                 EFL_glowa /* */
*KASKADENSEGMENTE
TEILEINZUGSGEBIETE                TG_glowa /* oberirdisches Einzugsgebiet */
FLIESSGEWAESSER                  FGW_glowa /* FGW des oberird. Einzugsgebietes */
*GEWAESSERPUNKTE                  GWP_eich /* Flughafen ueber Bauernsee */
*ELEMENTARFLAECHENKLASSIFIZIERUNG  EFL_HYD
*HYDROTOPKLASSENZUORDNUNG              HYD
*ZEITFUNKTIONEN                    ZF_ohne /* ohne Zeitfunktionen */
*METEOROLOGIE_DATEN               met_test /* Test-Stationsreihen */
*METEOROLOGIE_DATEN                 meteor /* Stationsreihen */
*HYDROLOGIE_DATEN
BEWIRTSCHAFTUNGSDATEN          bw_data_mit /* mit Nutzungseinfluessen */
MODULSTEUERUNG                       modul /* */
ERGEBNISSE                         results /* Festlegung der Ergebnisausgabe */
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Abbildung 3.8‑1: Auszug aus der Steuerdatei

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

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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 */
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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