Gemäß dem Kaskadenkonzept können jedem Flussabschnitt mindestens 2 Abflusskas­kaden zugeordnet werden – jeweils eine rechte und eine linke. Jede Abflusskaskade als Analogon zu den Stromröhren in der Hydraulik wird begrenzt von den Tallinien, die vom unteren und vom oberen Knoten eines Gewässerabschnitts zu den Einzugsgebietsgrenzen verlaufen. Für „Quell“flussabschnitte ergibt sich demzufolge ein zwickelförmiges Restgebiet bzw. eine dritte Kaskade. Alle Abflusskaskaden eines Gewässerabschnittes bilden dessen Eigeneinzugsgebiet. Sie können unter Nutzung von GIS-Funktionalitäten und dem DHM ausgegrenzt werden, indem jeweils für den unteren und oberen Knoten eines Gewässerabschnittes das zugehörige Einzugsgebiet ermittelt wird. Das sich als Flächendifferenz ergebene Eigeneinzugsgebiet ist dann noch mit dem Gewässerabschnitt selbst zu verschneiden, so dass sich im Ergebnis die erforderliche linke und rechte Kaskade ergeben.

Diese Kaskaden sind bzgl. der Flächeneigenschaften, die maßgeblich die Direktabflussbildung und die Grundwasserneubildung beeinflussen, weiterhin äußerst inhomogen. Entsprechend den Ausführungen in Kapitel 2.2.1 kann deshalb eine weitere Untergliederung der Kaskaden in Segmente erfolgen. Dabei können signifikante Störungen wie Straßen, Wechsel in den Eigenschaften wie Grundwasserflurabstände, Gefälle- oder Nutzungsverhältnisse etc. zur Unterteilung verwendet werden. Sicherzustellen ist, dass jedes Segment genau einen Unterliegersegment besitzt oder ins Gewässer entwässert.

Tabelle 4.4‑1 zeigt den Aufbau der Attribut-Tabelle des Polygoncoverages der Kaskaden­segmente KASEG. Den Kaskadensegmenten sind keine Relate-Tabellen zugeordnet, da alle für die Modellierung benötigten Nachbarschaftsbeziehungen redundanzfrei direkt in der Attributtabelle ablegt werden können und weitere, relevante Eigenschaften wie mittleres Gefälle oder Rauhigkeit innerhalb eines Segmentes aus den Eigenschaften der internen Elementarflächen abgeleitet werden können.

Als Schnittstelle zwischen Modell und den kaskadensegmentbezogenen GIS-Daten steht die Beschreibungsdatei DESCRIBEKAS.SDF (s. Abbildung 4.4‑1) zur Verfügung.

Tabelle 4.4‑1: Struktur der Tabelle KASEG.DB

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###### Attribut-Tabellen ################################################
KASEG_PAT              DBASE kaseg.dbf
KASEG_FLAECHE          AREA
KASEG_IDENTIFIKATION   KASEG-ID
UNTERLIEGER_KASEG      ULIEGER /* bezieht sich auf KASEG_ID */
TG_ZUORDNUNG           TG-ID
FGW_ZUORDNUNG          FGW-ID
FGW_SEITE              SEITE /* 0 Links, 1 Rechts oder 2 oben */
X_WERT_KASEG           X_COORD
Y_WERT_KASEG           Y_COORD
MITTLERE_HOEHE         HOEHE

Abbildung 4.4‑1: Steuerdatei KAS

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 */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

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