Hydrotopklassen bilden ähnlich wie die im Kapitel 4.8 beschriebenen Regionen keine gesonderten Geometrien und sind somit auch kein eigenes Modellierungscoverage. Hydrotopklassen sind eine Zusammenfassung von Elementarflächen nach Ähnlichkeitskriterien und übernehmen deren Eigenschaften und Verweise auf die Relate-Tabellen des Elementarflächen-Covers. Hydrotopklassen bilden alternativ zu Elementarflächen die Modellierungsebene für die Abflussbildungsprozesse.

Die Programmkomponente HYD ermöglicht eine variable Zusammenfassung von Kombinationen der Elementarflächeneigenschaften zu Hydrotopklassen.

Die Steuerung erfolgt über die beiden Beschreibungsdateien EFL_HYD und HYD (Verzeichnis DESCRIBE).

Die Klassifizierung erfolgt in zwei Teilschritten:

– Vorklassifizierung der Elementarflächen,

– Zuordnung der Elementarflächen zu Hydrotopklassen.

Dabei werden die im Cover EFL abgelegten GIS-Informationen analysiert.

4.7.1 Vorklassifizierung der Elementarflächen

Die Elementarflächen können in der GIS-Datenbasis, je nach verwendeter Ausgangsdatenbasis, unterschiedliche Differenzierungen in den einzelnen Eigenschaften besitzen. So kann die verwendete Bodenkarte wie auch die Landnutzungskarte unterschiedlich differenziert in Boden- bzw. Landnutzungsklassen sein. Während eine Karte den Wald differenziert in Laub-, Misch- und Nadelwald, kann in einer anderen keine oder eine noch feinere Untergliederung erfolgen. Mit diesen unterschiedlichen Differenzierungen sind naturgemäß auch unterschiedliche Attributierungen verbunden.

Die Vorklassifizierung der Elementarflächen dient einer gewissen Vereinheitlichung der Datenbasis. Diese Vorklassifizierung hätte auch bei der Erstellung der GIS-Datenbasis durch die Einführung zusätzlicher Attribute berücksichtigt werden können. Da eine Vereinheitlichung nur dann benötigt wird, wenn auf der Basis von Hydrotopklassen gearbeitet werden soll, wurde diese direkt ins Programm integriert.

In welcher Form diese Vorklassifizierung abläuft, kann projektspezifisch über die Steuerdatei GIS\DESCRIBE\EFL_HYD.SDF festgelegt werden. In Abbildung 4.7‑1 ist ein Beispiel dieser Steuerdatei gegeben.

Nach der Kopfzeile mit dem Schlüsselwort ELEMENTARFLAECHEN-KLASSIFI­ZIERUNG werden die Anweisungen zur Klassifizierung in n Zeilen gegeben.

Jede Anweisungszeile beginnt mit einem frei wählbaren Klassenbezeichner.

Es folgt ein Schlüsselwort zur Kennzeichnung des zu betrachtenden Attributs innerhalb der GIS-Datenbasis. Die in Tabelle 4.7‑1 aufgeführten Schlüsselwörter stehen dafür zur Verfügung.

Tabelle 4.7‑1: Schlüsselwörter zur Attributbezeichnung

Im Rahmen der Elementarflächenklassifizierung folgen nun Angaben über die Realisierungen für das jeweilige Attribut. Verwendet werden können zur Festlegung des Wertevorrats der Attributrealisierungen innerhalb einer Zeile jeweils genau eines der folgenden Zeichen

= gleich,

! ungleich bzw. nicht,

< kleiner > größer.

Reicht dies nicht aus zur Festlegung des Wertevorrats eines Attributs, können weitere Zeilen eingeführt werden, die dann natürlich mit einem anderen Klassenbezeichner beginnen müssen.

Abbildung 4.7‑1: Steuerdatei EFL_HYD.SDF

Sollen verschiedene Elementarflächenattribute zur Bildung einer Klasse verwendet werden, so erfolgt dies analog, also in verschiedenen Zeilen. In obigem Beispiel wurde z.B. als Bodenkarte die MMK verwendet, so dass für Waldstandorte keine Bodeninformationen vorlagen. Da unterschiedliche Karten bzgl. der gleichen Informationen selten passfähig sind, im Rahmen der Flächenverschneidung deshalb mit Problemen wie Splitterpolygonen oder Attributwidersprüchen (Landnutzungs-ID ist Wald, aber Bodeninformationen vorhanden, obwohl Wald in der Bodenkarte ausgespart wurde) erfolgt hier eine zusätzliche Anweisung, die entsprechende Elementarfläche der Klasse Wald zuzuordnen.

Sehr wichtig für die nachfolgend beschriebene Hydrotopklassenbildung ist die Reihenfolge, in der die Klassenbezeichner angegeben werden. Wie noch erläutert werden wird, sollte der zuletzt angegebene Klassenbezeichner immer die Wasserflächen erfassen.

Im folgenden Auszug aus einer efl_hyd.sdf sind rot die Einträge gekennzeichnet, die bei der Hydrotopzuordnung zu Problemen führen können, da Einträge doppelt vergeben sind.

Abbildung 4.7‑2: Auszug aus der EFL_HYD.SDF

Günstiger ist es hier z.B. die über die Nutzung 12 kodierten Feuchtstandorte auch einen separaten Bezeichner FEUCHT zu kennzeichnen. Außerdem besteht keine Notwendigkeit, verschiedene Nutzungstypen, die Verkehrsflächen beinhalten, in verschiedenen Zeilen zu halten. Die bessere efl_hyd.sdf ist im folgenden Beispiel dokumentiert.

Abbildung 4.7‑3: verbesserter Auszug aus der Steuerdatei EFL_HYD.SDF

4.7.2 Zuordnung der Elementarflächen zu Hydrotopklassen

4.7.2.1 Programminterne Hydrotopklassenzuordnung

Auf der Basis der Vorklassifizierung erfolgt die Bildung der Hydrotopklassen, die über die Steuerdatei HYD beeinflusst werden kann.

Diese Datei (vgl. Abbildung 4.7‑4) beginnt mit dem Schlüsselwort HYDROTOP­KLASSEN­ZUORDNUNG. Jede der nachfolgenden Zeilen definiert die Eigenschaftskombination genau einer Hydrotopklasse.

HYDROTOPKLASSENZUORDNUNG /* nur 'und'-Verknuepfungen !!!*/
Agw  WALD !HANG !GW_NAH
Agl  !WALD !HANG !GW_NAH
AHw  WALD HANG !GW_NAH
AHl  !WALD HANG !GW_NAH
Anw  WALD !HANG GW_NAH
Anl  !WALD !HANG GW_NAH
AM   MELIO
AIMP BEBAUT
AHAL HALDE
AEW  EW_TG
AW   WASSER
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 4.7‑4: Hydrotopklassenzuordnung in der Steuerdatei HYD

Jede Klasse beginnt wieder mit einer frei wählbaren Hydrotopklassenbezeichnung. Einzige Ausnahme ist die Vorschrift, dass ‘N’als zweiter Buchstabe grundwassernaher Hydrotope kennzeichnet. Anschließend erfolgt die Angabe der einzubeziehenden oder auszuschließenden (ausgedrückt über „!“ für nicht) Elementarflächenklassen. So bedeutet beispielsweise der erste Eintrag, dass die Hydrotopklasse Agw aus allen Waldstandorten gebildet werden soll, wenn diese eben bzw. nicht Hang und grundwasserfern bzw. nicht grundwassernah sind.

Als eigene Hydrotopklasse sind Wasserflächen auszuweisen, weil diese aufgrund ihres besonderen Verdunstungsregimes modelltechnisch separat behandelt werden.

In früheren EGMO-Versionen waren die (voll) versiegelten Flächen AIMP eine weitere Hydrotopklasse, die immer separat auszugliedern war. In ArcEGMO wird jetzt prinzipiell für jede Hydrotopklasse ein Versieglungsgrad gemäß den Angaben zur Versieglung in der Landnutzungstabelle (s. Tabelle 4.5‑2) ermittelt. Damit ist eine sehr große Variabilität gegeben, weil die zu derselben Landnutzung gehörenden Vegetationsparameter sich dementsprechend auf den nicht versiegelten Anteil dieser Landnutzungseinheit beziehen. Nachteilig wirkt sich bei dieser Vorgehensweise insbesondere in großräumigen Modellanwendungen aus, dass so nur noch schwer die räumliche Verteilung der Direktabflussbildung adäquat ausgewiesen werden kann. Dies lässt sich mit der Einführung einer gesonderten Hydrotopklasse für bebaute bzw. teilversiegelte Flächen (Bezeichnung hier wieder ‘AIMP’) umgehen.

Die Anzahl der Hydrotopklassen, die so festgelegt werden können, ist beliebig. Sie wird über die Anzahl der Anweisungszeilen bzw. Einträge festgelegt.

Es ist wichtig, sich im Vorfeld Gedanken über die möglichen Eigenschafts­kombinationen zu machen. So kann im unteren Beispiel eine meliorierte Fläche (AM – MELIO) durchaus gleichzeitig grundwassernah, eben und landwirtschaftlich genutzt sein, also auch der Hydrotopklasse ANl zugeordnet werden.

Wie die Zuordnung erfolgen soll, wird über die Reihenfolge der Anweisungszeilen gesteuert. Nachfolgende Anweisungen überschreiben Zuordnungen, die in vorangegangenen Anweisungen getroffen worden sind. Deshalb ist die Reihenfolge der Anweisungen und die Art der Zuordnungsdefinition entscheidend. Ist im vorangegangenen Beispiel in Abbildung 4.7‑4 nicht AW (Wasser), sondern AH (Hang) der letzte Eintrag, können Wasserflächen, denen im Zuge der Verschneidung mit dem Höhenmodell formal ein Gefälle zugeordnet wurde, den Hangflächen zugewiesen. Dies führt dann zu Problemen bei der Ermittlung der Parameterparameter für die Hydrotopklasse Hang.

So erscheint auf den ersten Blick die in Abbildung 4.7‑5 gegebene Zuordnungen des obigen Beispiels besser gerecht zu werden und vor allem eindeutiger formuliert zu sein. Allerdings werden hiermit z.B. meliorierte Waldflächen nicht eindeutig zugeordnet. Ob diese real existieren oder nur im Zuge der Flächenverschneidung als Attributierungsfehler entstanden sind, sei dahin gestellt. Deshalb ist die in Abbildung 4.7‑4 angeführte Zuordnung besser geeignet, eine Hydrotopklasse melioriertzu selektieren, weil sie unabhängig von allen vorangegangenen Klassifikationen diese überschreibt, sowie das Meliorationskriterium erfüllt ist.

ANl  !WALD !HANG GW_NAH !MELIO
AM   !WALD !HANG GW_NAH MELIO

Abbildung 4.7‑5 : Alternative Hydrotopklassenzuordnung

Alle Elementarflächen, für die keine der angegebenen Eigenschaftskombinationen zutrifft, verbleiben automatisch in der ‘ranguntersten’Hydrotopklasse. Deshalb ist es wichtig, mögliche Informationslücken in der Datenbasis (z.B. Bereiche unbekannter Flächennutzung) zu kennen, weil für solche Flächen keine gesteuerte Zuordnung erfolgen kann. Es kann lediglich erreicht werden, dass die wahrscheinlichste Hydrotopklasse für diese Fälle als erste angegeben wird und so letztlich doch eine plausible Zuordnung erreicht wird.

Näherer Erläuterung bedarf der Begriff Rang im Zusammenhang mit der Hydrotopklassenfestlegung.

Programmintern wird jede Hydrotopklassendefinition über eine Integer-Zahl beschrieben, in der jeder Elementarflächenklasse (Wald, Wasser … s. Abbildung 4.7‑1) genau ein Bit zugewiesen wird. Die Reihenfolge der Bits wird gemäß dem ersten[2] Auftreten jedes Klassenbezeichners vergeben und zur Kontrolle in der Datei ARC_EGMO.TXT unter dem Eintrag Rangfolge der definierten Elementarflaechenklassifizierungenprotokolliert. Jede Hydrotopklassendefinition ergibt sich dann als Eigenschaftskombination (Wald, !Hang … s. Abbildung 4.7‑4) und damit als Folge von gesetzten oder nicht gesetzten Bits, die letztlich eine eineindeutige Beschreibung in Form die erwähnte Integer-Zahl ergeben. Die Größe dieser Zahl wird damit vorrangig durch die Reihenfolge bei der Angabe der Klassenbezeichner für die Elementarflächenklassifizierung bestimmt. Über die Größe dieser Zahl wird der Rang bei der Abarbeitung bestimmt, d.h. bei der Prüfung, ob eine Elementarfläche zu einer Hydrotopklasse gehört, wird die Prüfung bei den rangniedrigsten Klassen begonnen und hin zu den höheren fortgesetzt. Es erfolgt kein Abbruch, wenn eine Zuordnung erfolgreich war. Daraus resultiert, dass Elementarflächen, die zu verschiedenen Hydrotopen passen, der letzten bzw. ranghöchsten Klasse zugewiesen werden. Elementarflächen, die keiner Hydrotopklasse zugewiesen werden konnten, verbleiben in der niedrigsten Hydrotopklasse.

In Abbildung 4.7‑6 wird ein sehr einfaches und deshalb anschauliches Beispiel für eine Hydrotopklassendefinition gegeben. Im Rahmen der Vorklassifizierung werden die Elementarflächen durch das Setzen des 0.- bzw. 1. Bits gekennzeichnet, die gemäß ihrer Landnutzung Acker- oder Wasserflächen sind. Bei der Hydrotopeinteilung werden alle Ackerflächen der Klasse Afa, alle nicht landwirtschaftlich genutzten Flächen der Klasse Afw zugeordnet. Sofern eine Fläche als Wasserfläche gekennzeichnet wurde, wird sie dem Hydrotop AW zugeordnet, wobei eventuell vorher vorgenommene Zuordnungen überschrieben werden.

Sofern Elementarflächen keiner der vorgegebenen Hydrotopklassen zugeordnet werden konnten, werden sie der Klasse Afw mit dem Rang ‘0’ zugewiesen. Der Rang ergibt sich aus der Reihenfolge der Festlegungen bei der Elementarflächenklassifizierung (Acker – Bit 1, Wasser – Bit 2) und aus dem Setzen oder Nichtsetzen der einzelnen Bits (Nicht-Wald – Bit 1 nicht gesetzt à Rang 0).

Da in umfangreicheren Hydrotopklassendefinitionen die Vorabschätzung der rangniedrigsten Hydrotopklasse und damit des „Sammlers“ für nicht zuordenbare Elementarflächen schwierig sein kann, wird die Rangfolge der Hydrotopklassen in der Protokolldatei ARC_EGMO.STE ausgedruckt.

Inhalt     Efl_Hyd.sdf
ACKER      NUTZUNG = 3
WASSER     NUTZUNG = 5
Inhalt     Hyd.sdf
AFa        ACKER
AFw        !ACKER
AW         WASSER
 
Protokollausdruck in ARC_EGMO.TXT
 
Rangfolge der definierten Elementarflaechenklassifizierungen
 
0 ACKER
1 WASSER
 
Rangfolge der definierten Hydrotopklassen
 
AFw 0
AFa 1
AW 2

Abbildung 4.7‑6 : Beispiel zur programminternen Hydrotopzuordnung

Die Zuordnung der Elementarflächen zu ihrem Raumbezug (Kaskadensegment, Teilgebiet, Region, Gesamtgebiet) und zu einer Hydrotopklasse wird in der Datei EFL_<RB>.HYD im RESULTS-Verzeichnis gespeichert und kann unter Nutzung von ArcView visualisiert werden. Diese Datei ist außerdem notwendig, wenn hydrotopklassenbezogene Wasserhaushaltsergebnisse in ihrer räumlichen Verteilung visualisiert werden sollen.

Die folgende Abbildung zeigt einen Auszug aus einer solchen Datei. Die Raumbezüge für die Hydrotopklassen sind Teilgebiete, die über ihre tg-id referenzierbar sind. Die Zuordnung zu den Elementarflächen erfolgt ebenfalls über ihre ID. Jeder Elementarfläche ist der Name des Hydrotopklasse hyd_name und die Hydrotopklassenidentifikation hyd-id zugeordnet. Die hyd-id beruht auf einer fortlaufenden Nummerierung der belegten Hydrotopklassen aller Raumbezüge. Der Wertebereich dieser ID’s ist damit kleiner bis max. gleich der Anzahl der Raumbezüge (hier Anzahl der Teileinzugsgebiete) * Anzahl der Hydrotopklassendefinitionen. Über die hyd-id ist die Verknüpfung der hydrotopklassenbezogenen Wasserhaushaltsergebnisse mit der Elementarflächengeometrien möglich.

efl-id,hyd_name,tg-id,hyd-id
1,     AFw,     56,   1
2,     AFw,     56,   1 
...
7987,  AFa,     40,   29
7988,  AFa,     42,   26

Abbildung 4.7‑7 : Auszug aus einer Datei EFL_<RB>.HYD

Die Datei ant_<RB>.hyd (s. Abbildung 4.7‑8 ) enthält die Flächenanteile der einzelnen Hydrotopklassen an der Fläche ihres übergeordneten Raumbezuges (z.B. Teileinzugsgebietes) und ist damit vor allem für die Plausibilitätskontrolle der Hydrotopklassifizierung und die Ergebnisbewertung hilfreich.

tg AFw   AFa   AW
56 0,276 0,719 0,004
9  0,483 0,517 0,000
11 0,530 0,465 0,005
...

Abbildung 4.7‑8 : Auszug aus einer Datei ant_<RB>.HYD

4.7.2.2 Hydrotopdirektzuweisung

Alternativ dazu sind die Hydrotopklassifizierungen auch im GIS per Hand möglich. Diese Vorgehensweise bewährt sich, wenn eine Vielzahl von Hydrotopklassen entstehen, wie es bei einer Hydrotopklassenzuordnung mit Berücksichtigung von Höhenstufen meist nicht zu umgehen ist.

Hier werden folgende Spalten in der EFL-Attributdatei angelegt und bei entsprechendem Kriterium z.B. GW_nah der entsprechende Buchstabe als Zellenwert eingetragen.

Danach werden die Spalten Hang, GW_fern, GW_nah, Wasser und Siedlung zu einer Spalte (Spalte 1) zusammengefügt. Hier liegt das Ausschlussprinzip vor, d.h. es dürfen keine Flächen doppelt belegt sein. Die Spalten Wald und Freiland werden zur Spalte 2 zusammengefasst. Die Spalte 3 gibt die Höhenklassen vor.

Die Hydrotopklassen(bezeichner) werden nun durch das Verknüpfen der Spalten gebildet, und Buchstabe A vorangestellt.

Hydrotopklasse = A + Spalte 1 + Spalte 2 + Spalte 3

Bsp. ANw950 = A + N + w + 950

Somit charakterisiert die Hydrotopklasse ANw950 grundwassernahe Waldflächen in der Höhenklasse 950 m.

In der Hyd.sdf werden im Block HYDROTOPDIREKTZUWEISUNG sämtliche Hydrotoptypen mit ihrem Namen (dieser wird z.B. zur Festlegung der Abflusskomponenten benötigt) und dem zugeordneten Wert des Schlüsselattributes (eindeutige ID als Nummer) aufgelistet. Diese Liste kann mehr Hydrotoptypen enthalten, als im konkreten Untersuchungsgebiet vorkommen, aber nicht weniger. Zur Ermittlung der real vorkommenden Hydrotoptypen und ihrer Kennzeichnung mit einer eindeutigen Nummer erweisen sich gerade bei sehr komplexen Hydrotopdefinitionen mit vielen Kombinationen verschiedener Eigenschaftsklassen die Xtools (kostenlose ArcView-Extension) als sehr hilfreich (für Tabellen mit dem Menü-Punkt „Summarize multiple fields“).

Bei Verwendung der Hydrotopdirektzuweisung wird die efl_hyd.sdf nicht mehr benötigt. Ebenso kann der Block HYDROTOPKLASSENZUORDNUNG in der hyd.sdf entfallen.

Wie immer ist auch hier nicht zu vergessen, dass in der modul.ste die Hydrotopklassen den einzelnen Abflusskomponenten zuzuweisen sind.

###########################################################################
TESTDRUCK
HYDROTOPDIREKTZUWEISUNG
AFf100  12
AFf1000 199
AFf1050 184
AFf1100 215
AFf1150 213
....
AW950 178

Abbildung 4.7‑9: hyd.sdf

Die so erstellten Hydrotopklassen müssen jetzt den Elementarflächen über das Schlüsselattribut HYDROTOPE (Integer-Wert) zugewiesen werden. Über die Efl.sdf wird dem Programm der Name des Schlüsselattributs mitgeteilt.

HYDROTOP_ZUORDNUNG Hyd

Abbildung 4.7‑10: Efl.sdf

Beispiel

In Abbildung 4.7‑11 ist am Beispiel des Einzugsgebietes der Oberen Stör eine mögliche Aggregierung von Elementarflächen zu 3, 4 und 7 Hydrotopklassen dargestellt. Das Beispiel verdeutlicht die unterschiedlichen Möglichkeiten für eine Zusammenfassung (Aggregierung) von Teilflächen zu Hydrotopklassen unter ArcEGMO, entsprechend den ausgewählten, unterschiedlich kombinierten Elementar­flächen­eigen­schaften.

Im Rahmen einer Sensitivitätsstudie wurde untersucht, wie sich unterschiedliche Hydrotopklasseneinteilungen (Art und Anzahl) auf den Gesamtabfluss auswirken. Die Simulationsrechnungen wurden auf der Basis der in der folgenden Tabelle angegebenen Klassifizierungen in 2 bis 9 Hydrotopklassen durchgeführt. Bei den mit den zwei Hydrotopklassen „grundwasserfern“ und „grundwassernah“ durchgeführten Simulationen zeigte sich sofort, dass die Nichtberücksichtigung der Klasse Siedlungen, Straßen etc.“ (teilversiegelte Flächen) zu erheblichen Abweichungen in der Abflusssimulation führt. Grund dafür ist der Wegfall des Direktabflusses von diesen Flächen, die immerhin 7.3% der Gesamtfläche ausmachen.

Deshalb wurde eine Basis-Unter­teilung in die drei Klassen „grund­wasserferne Flächen“, „grund­was­ser­nahe Flächen“ und „teilver­siegelte Flächen“ (wie Siedlungen, Straßen etc.) vorgenommen. Das Untersuchungs­gebiet wurde dann durch weitere Unterteilungen dieser Klassen oder durch das Hinzufügen neuer Klassen in bis zu 9 Hydrotopklassen untergliedert. Durch den Vergleich der beobachteten mit den berechneten Abflusszeitreihen konnte dann beurteilt werden, welche Untergliederungen akzeptabel sind bzw. welche Zusammenfassungen zu keinen unvertretbaren Genauig­keitseinbußen bei der Abflusssimulation führen.

Abbildung 4.7‑11: Aggregation von Elementarflächen zu 3, 4 und 7 Hydrotopklassen am Beispiel des Einzugsgebietes der Oberen Stör.

Tabelle 4.7‑2: Räumliche Aggregierung des Einzugs­gebietes der Oberen Stör in 2 bis 9 Hydrotopklassen.

Abbildung 4.7‑12 : Räumliche Verteilung von Wasserhaushalts­kompo­nenten im Einzugsgebiet der Oberen Stör (Simulationsrechnungen auf der Basis von 4 Hydrotopklassen)

[1]wird derzeit nicht ausgewertet

[2] Für Klassenbezeichner waren Mehrfachnennungen möglich.