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
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
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
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

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 Konzentration des Direktabflusses kann mit den Raumdiskretisierungen Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete oder Gesamtgebiet beschrieben werden.

Zur Beschreibung der Prozesse können derzeit eingesetzt werden

1. der Ansatz der kinematischen Welle oder
2. die vollständige Translation innerhalb des Berechnungszeitschrittes DT.

Die integrierten Modelle werden ausführlicher im Teil II der Programmdokumentation beschrieben.

Bei der vollständigen Translation werden lediglich sämtliche Direktabflüsse, die in der Modellebene ABI ermittelt wurden, an die Modellebene Q weitergegeben, ohne dass Verzögerungseffekte berücksichtigt werden. Da dies letztlich auf die Verwendung einer Systemantwort mit einer Ordinate, die den Wert 1 besitzt, hinaus läuft, was die einfachste aller denkbaren Modellvorstellungen ist, kann auf eine weitere Beschreibung verzichtet werden.

Für spätere Versionen des Systems ArcEGMO ist vorgesehen, den Direktabfluss unter Verwendung verbesserter Systemantworten zu konzentrieren, die unter Nutzung relevanter Flächeneigenschaften ermittelt werden. Denkbar ist auch die Bildung von Direktabflusskomponenten, also die Zusammenfassung der Direktabflüsse von Flächentypen mit ähnlichen Eigenschaften bzgl. der Fließgeschwindigkeiten. Diese können z.B.

• über komponentenbezogene Systemantworten, die z.B. in Abhängigkeit von der Oberflächenrauhigkeit als Funktion der Flächennutzung und des Geländegefälles ermittelt werden und/oder
• bei geeigneten Hydrotopklassendefinitionen trotz der dabei zugrunde liegenden Ortsunabhängigkeit mittlere Nachbarschaftsbeziehungen und damit laterale Flüsse zwischen den Hydrotopklassen berücksichtigen.

RD_MODELL
ABFLUSSBILDUNG_ITERATIV       0  /* 1 Abflussbildung innerhalb oder */
                                 /* 0 ausserhalb der internen Zeitschleife */

Abbildung 7.5‑1: Steuerdatei MODUL.STE – Block RD_MODELL

Über die Steuerdatei MODUL.STE (s. Abbildung 7.4-1) kann festgelegt werden, wie die Abflussbildung behandelt wird. So ist bei Anwendung dynamischer Konzentrationsansätze wie der kinematischen Welle eine variable Zeitschrittsteuerung integriert, die in Abflussbildungsperioden den Abflusskonzentrationsprozess in hoher zeitlicher Auflösung berechnet. Die Abflussbildung wird dagegen i.d.R. entsprechend der zeitlichen Auflösung der meteorologischen Daten simuliert. Es besteht nun über die Option ABFLUSSBILDUNG_ITERATIV die Möglichkeit, in Niederschlagsperioden die Abflussbildung in derselben Zeitauflösung wie die Konzentration zu beschreiben. Diese sehr rechenzeitintensive Modellierung erlaubt eine gute Wiedergabe der Wiederversickerung des Landoberflächenabflusses auf seinem Weg zum Vorfluter.

Steuerung des gewässerwirksam werdenden Anteils des Direktabflusses

Die für die Modellebene Direktabfluss (RD) umgesetzte Modellvorstellung über die Konzentration des oberflächig oder oberflächennah fließenden Wassers zum Vorfluter ging von einem Schichtabfluss aus, der am Ende eines Zeitschrittes wieder zur Versickerung angeboten wurde. Damit war eine gewisse Zeitschrittabhängigkeit hinsichtlich der Gewässerwirksamkeit des Oberflächenabflusses verbunden, da bei kurzen Berechnungszeitschrittweiten der erneut versickernde Anteil höher als bei geringen Zeitschrittweiten war. Auf der anderen Seite wurden natürlich in der Modellebene ABI bei geringer zeitlicher Auflösung die Niederschlagsintensitäten geglättet und somit ein geringerer Oberflächenabfluss ermittelt. Inwiefern beide Effekte sich ausgleichen, wurde bisher von uns nicht untersucht.

Über einen neuen empirischen Parameter soll jetzt der Tatsache Rechnung getragen werden, dass die Modellvorstellung von einem Schichtabfluss nur für kurze Fließstrecken anwendbar ist, da der Oberflächenabfluss sich meist nach kurzen Fließwegen innerhalb des Mikroreliefs in Vertiefungen sammelt und vorgefundene „microchannels“ nutzt oder diese schafft. Ein Fließen, in wenn auch kleinen Gerinnen, findet also lange bevor das im Modell abgebildete Gewässersystem erreicht wird statt. Hat sich der Abfluss aber in diesen Mikrogerinnen konzentriert, fließt er dort zum einen mit höherer Geschwindigkeit ab und zum anderen ist die Wahrscheinlichkeit für eine erneute Versickerung wesentlich geringer, da die Kontaktfläche zum Boden geringer ist.

Ein einfacher Modellansatz, um festzulegen, welcher Anteil im Gerinne und welcher flächig abfließt, die Vorgabe eines Anteils des Direktabflusses, der das Mikrogerinne erreicht und nicht mehr zur Wiederversickerung angeboten wird. Dieser Anteil kann global, d.h. im gesamten Gebiet einheitlich wie folgt in der modul.ste vorgegeben werden.

RD_MODELL
UEBERTRITTSANTEIL_MIKROGERINNE 0.0 /* Anteil des Direktabflusses, der das Mikrogerinne*/
                                   /* erreicht und nicht mehr zur Wiederversickerung  */
                                   /* angeboten wird */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

UEBERTRITTSANTEIL_MIKROGERINNE AntMik /* Anteil des Direktabflusses, der das */
                                      /* Mikrogerinne erreicht und nicht mehr zur */
                                      /* Wiederversickerung  angeboten wird */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

RD_MODELL
RH_GW Zuordnung             0.1   /* gibt den Anteil des RH an, der nicht den    */
                               /* Vorfluter erreicht und ins GW versickert.   */
                               /* {0...1, default=0}                          */

RH_GW_Zuordnung         RH2GW /* ist ein Attribut im ModellierungsCover für  */
                              /* RD (meist TGs), das  den Anteil des RH an-  */
                              /* gibt, der nicht den Vorfluter erreicht und  */
                             /* ins GW versickert. {0...1,default=0         */

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