In einem Untersuchungsgebiet werden entsprechend der gewünschten räumlichen Diffe­ren­zierung der Ergebnisse zunächst im allgemeinen Teileinzugsgebiete für ausgewählte Gewässer­strecken, Fluss- oder Geländeprofile (problemadäquate Diskretisierung) und für verfüg­bare Pegel (in­formationsadäquate Diskretisie­rung) ausgegliedert. Unter Verwendung geeigneter Modellansätze kann die Abflusskonzentration integral für einzelne Teileinzugsgebiete beschrieben werden.

Im klassischen EGMO werden die Abflusskonzentrationsprozesse getrennt nach Abflusskomponenten je Teilgebiet beschrieben. Der Landoberflächenabfluss, einschließlich der Abflussprozesse im Gewässersystem wird dabei über eine Systemantwortfunktion (Faltung mit Impulsantwort) beschrieben, die unterirdischen Abflusskonzentrationsprozesse über Einzellinearspeicher- und ggf. Translationsansätze.

Für eine Vielzahl von Problemstellungen ist diese Vorgehensweise ausreichend und effizient.

Sind differenziertere Probleme zu lösen, die detaillierte und flächenbezogene Aussagen zu Einzelprozessen erfordern (z.B. Erosion), bietet es sich an, die landoberflächen-, gewässer- und grundwassergebundenen Abflusskonzentrationsprozesse getrennt zu modellieren und die entsprechenden Konzentrationsräume adäquat zu untergliedern (Diskretisierung von Flussstrecken in Teilabschnitte, Gebietsflächen in Teilflächen wie Hydrotope, Hydrotopklassen o.ä.).

Abflusskonzentration im Gewässersystem

Für detaillierte hydrologische oder hydraulische Abflussberechnungen im Gewässernetz wird dieses in Gewässerabschnitte untergliedert. Die Untergliederung erfolgt so, dass Systemknoten als Begrenzun­gen eines Gewässerabschnittes durch die Verzweigungen des Gewässernetzes (informations- und prozessadäquat), durch Aussageprofile (problemadäquat) und Pegel (informationsadäquat) gebildet werden. Eine Verfeinerung dieser Untergliederung erfolgt dann, wenn signifikante Wechsel der Systemeigenschaften (Gefälle, Rauhigkeit[1]) innerhalb eines Abschnittes zu verzeichnen sind (prozessadäquat).

Mit dieser Untergliederung wird erreicht, dass

1. die prinzipielle Struktur des Gewässersystems erhalten bleibt,
2. Aussagen für festzulegende Gewässerprofile möglich sind,
3. ein Vergleich mit gegebenen Abflussbeobachtungen gewährleistet ist,

Eine angemessene Untergliederung impliziert, dass von einer hinreichenden Homogenität der Charakteristiken ausgegangen werden kann.

Abflusskonzentration auf der Landoberfläche

Den ausgegliederten Gewässerabschnitten sind ihre jeweiligen Eigeneinzugsgebiete zuzuordnen, die im allgemeinen aus zwei Abflusskaskaden gebildet werden – einer linken und einer rechten, bei Quellgebieten zusätzlich einer oberen. Diese Kaskaden sind dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Kaskaden keine Massenflüsse existieren (analog Stromröhre) und dass sie an einer Kammlinie beginnen und an einer Tallinie (i.d.R. Flusslauf) enden.

Eine Kaskade kann weiter in Segmente untergliedert werden, wenn teilflächenbezogene Unterschiede im Wasserhaushalt, speziell im Landoberflächenabfluss und durch diesen bedingte Wechselwirkungen von Flächen innerhalb einer Kaskade detaillierter erfasst werden sollen. Die Segmentgrenzen sind so zu wählen, dass jedes Segment genau ein unterliegendes Segment besitzt oder in den entsprechenden Flussabschnitt entwässert. Die Gliederung in Segmente ist insbesondere notwendig, wenn

1. Aussagen über Abflussprozesse innerhalb von Kaskaden gemacht werden sollen, z.B. über Ab­trags- und Ablagerungsprozesse, und wenn die Beschreibung von Eintragspfaden im Vordergrund der Untersuchungen steht (pro­blemadäquat),
2. Kaskaden durch signifikante „Störungen“ (z.B. Straßen u.ä) unterteilt werden (prozessadäquat),
3. durch eine Segmentierung eine exaktere Beschreibung lateraler Abflussprozesse möglich wird. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn in einer Kaskade „geordnete“ Eigenschaftsmuster erkennbar sind und sich eindeutige Wechselwirkungen (laterale Abflussprozesse) zwischen ihnen determiniert erfassen lassen – wie z.B. beim klassischen Zonenkonzept (Hochflächen, Hänge, Talauen) (prozess­adäquat).

Sofern in der Vertikalprozess-Domäne eine Gliederung in Hydrotope erfolgt (s.u.), können auch diese zur Segmentierung genutzt werden, was dann die modelltechnische Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Hydrotopen gestattet. In der Regel wird eine Kaskade aus einer Talaue, einem Hang und einer Hochfläche bestehen, deren Unterschiede im hydrologischen Regime (s. Tabelle 2.3‑1) ortsbezogen im Rahmen der Gebietsgliederung berücksichtigt werden können. Diese Unterschiede werden i.a. in erster Linie durch das Gefälle und den Grundwas­serflurabstand geprägt.

Tabelle 2.3‑1: Allgemeine Kennzeichnung von Unterschieden im hydrologischen Regime einer Talaue, eines Hanges und einer Hochfläche

Abflusskonzentration im Untergrund – Grundwasserabfluss

Die räumliche Gliederung zur Beschreibung der Abflussprozesse im Untergrund erfolgt wiederum problem- und prozessadäquat. Stehen reine Mengenbetrachtungen im Vordergrund, so ist vielfach aufgrund der geringen Abflussdynamik eine Beschreibung mit Linearspeicheransätzen mög­lich, was eine relativ grobe räumliche Strukturierung ermöglicht, aber auch erfordert. Hier bietet sich eine Modellierung auf Basis von Teileinzugsgebieten an, weil nur für beobachtete Teil­ein­zugs­gebieten die Einzellinearspeicherkonstanten abgeleitet werden können.

Sollen auch Stofftransportprobleme be­schrieben werden, ist bei der Grundwassermodellierung aus problemtechnischen und aus Stabilitätsgründen oft eine sehr feine­ Dis­kretisierung, z.B. in finite Elemente, notwendig.

[1] Fließquerschnitt, wie z.B. an Wehren, Stromschnellen, Flussseen o.ä.

Mit dem Modellsystem ArcEGMO ist es somit möglich, bei der Modellierung unterschiedliche Diskretisierungsprinzipien zur Flächenuntergliederung anzuwenden. Dabei kann bedarfsgerecht zwischen einer groben und einer feinen ortsabhängigen Gliederung (Einzugs- bzw. Teileinzugs­gebiete bis zu kleinen Kaskaden und Segmenten) und einer mehr oder minder detaillierten ortsunabhängigen Gliederung (variabel unter­setzte Hydrotopgliederung mit oder ohne statistische Vertei­lungsfunktionen) gewählt werden. Tabelle 2.5‑1 gibt eine Zusammenfassung der unterstützten Raumeinheiten und Abbildung 2.5‑1 eine grafische Darstellung raumbezogener Gliederungseinheiten.

Tabelle 2.5‑1: Definitionen der von EGMO unterstützten Raumeinheiten

Welche Raumdiskretisierung und damit verbunden welche Modellstrukturierung gewählt wird, hängt letztlich von den konkreten Gegebenheiten ab und ist, wie eingangs diskutiert, in Abhängigkeit von der zu lösenden Aufgabenstellung und den zur Verfügung stehenden Eingangsinformationen zu entscheiden. Die Diskretisierung sollte demgemäß problem-, prozess- und informationsadäquat sein.

Abbildung 2.5‑1: Flächengliederung und Bezeichnungen wichtiger Gliederungs­einheiten

Wie beschrieben wurde, ist es formal möglich, für jede Modellebene eine eigene Flächendiskretisierung zu wählen, ohne die Diskretisierung vor- oder nachgeschalteter Ebenen zu betrachten. Dies gilt speziell für die drei Ebenen bzw. Domänen Hydrometeorologische Prozesse, Vertikalprozesse und Laterale Flüsse, wobei die bereits angesprochenen „übergreifenden“ Gliederungen nach Abflusskaskaden, Segmenten usw. beachtet werden müssen. In jedem Fall ist es möglich, in der Modellebene Hydrometeorologie die meteorologischen Eingangsgrößen auf Elementarflächen, Kaskadensegmente oder Teileinzugsgebiete zu übertragen oder einen gegebenen Blockinput für das gesamte Untersuchungsgebiet zu verwalten.

Eine Bearbeitung von Elementarflächen macht allerdings wenig Sinn, wenn anschließend die Abflussbildung hydrotopklassenbezogen beschrieben wird oder nur eine Eingangszeitreihe (Blockinput) für das betrachtete (Teil-)Einzugsgebiet vorliegt. Genauso wenig Sinn macht es, Hydrotopklassen auf Teileinzugsgebietsebene zu bilden, dann aber die Abflusskonzentration des Landoberflächenabflusses auf der Basis von Kaskadensegmenten zu beschreiben.

Letztlich bestimmen:

• die Informationsverfügbarkeit der meteorologischen Daten und
• die zur Beschreibung der Abflusskonzentration erforderliche Flächengliederung,

bis zu welchen Raumeinheiten die Abflussbildung ortsbezogen erfasst werden sollte und damit die Flächengliederung in dieser Modellebene.

Tabelle 2.5‑2 zeigt einige sinnvolle Möglichkeiten für die Flächenuntergliederung bei einer Gesamtwasserhaushaltsmodellierung unter Berücksichtigung der verschiedenen Modellebenen.

Tabelle 2.5‑2: Möglichkeiten der Flächengliederung innerhalb eines Gesamtmodells

Somit kann die Modellierung der Abflussbildung für jede Elementarfläche durch­ge­führt werden. Die flächengewichteten Summen aller elementarflächenbezogenen Modellergeb­nisse eines Teilein­zugs­gebie­tes (bzw. Kaskade oder Segments) werden dann für jeden Zeitschritt an die nach­geord­neten Modell­ebe­nen übergeben (Direktabfluss an das Fließgewässermodell des zuge­ord­neten Flussab­schnit­tes und Grund­wasserneubildung an das Grundwassermodell – vgl. Abbildung 2.2‑1)

Es ist aber auch möglich, die Abflussbildung räumlich höher aggregiert zu beschreiben, indem Elementarflächen zu Hydrotopen zusammengefasst werden, die dann Segmente einer Abflusskaskade bilden, oder Hydrotopklassen innerhalb der Teileinzugsgebiete gebildet und Kaskadensegmenten zugeordnet werden.

Für die räum­liche Diskretisierung des Untersuchungsgebietes in Teileinzugsgebiete ist das Digitale Höhenmodell (DHM) nutzbar. Eine Reihe von GIS bieten Routinen, die eine automatische Ermittlung von Einzugsgebietsgrenzen gestatten. Allerdings sind dabei hohe Anforderungen an die Detailliertheit des DHM zu stellen, insbesondere bei wenig strukturierten Gebieten im Tiefland. Das Cover mit den Einzugsgebietsgeometrien kann dann um weitere Attribute ergänzt werden, um z.B. Nachbarschaftsbeziehungen zwischen Teileinzugsgebieten be­rücksichtigen zu können. Im Zuge der Modellierung wird auf Basis der Nachbarschaftsbeziehungen (Unterlieger) die „Baum­struk­tur“ für die Modellabarbeitung aufgebaut. Der oder die „Wurzeln“ in dieser Baumstruktur, d.h. die Teileinzugsgebiete, die den Gebietsauslass bilden, werden mit dem Unterlieger -1 kodiert. Ist der Verweis auf den Unterlieger nicht vorgegeben, wird dieser programmintern aus den Unterliegerbeziehungen des Fließgewässersystems ermittelt. Ein weiteres Attribut, das den Einzugsgebietsgeometrien zugeordnet werden kann, ist ein Verweis auf geologische Einheiten, deren Informationen für die Parametrisierung des Grundwassermodells genutzt werden können. Tabelle 4.2‑1 zeigt ein Beispiel für eine dem Coverage TG zugeordnete Attribut-Tabelle.

Tabelle 4.2‑1: Struktur der Tabelle TG.DB

In dieser wie auch in allen weiteren Tabellen sind die obligatorischen Attribute, die in jedem Fall für eine Modellierung benötigt werden, normal dargestellt, während die nur bei bestimmten Modellkonfigurationen erforderlichen Attribute kursiv gekennzeichnet sind. So können z.B. den Teilgebieten Lagekoordinaten zugeordnet werden, die z.B. für eine teilgebietsbezogene Flächenübertragung der Klimagrößen benötigt werden.

Hier wie auch bei einer Reihe weiterer Parameter wird bei fehlenden Angaben programmintern versucht, diese aus Informationen anderer Cover abzuleiten. So werden fehlende Koordinatenangaben für die TG’s durch den flächengewichteten Mittelwert aller TG-internen Elementarflächen ersetzt.

In der Tabelle GEO.TAB sind geologischen Einheiten hydraulische Leitfähigkeiten zugeordnet, die zur Parametrisierung des Abflusskonzentrationsmodells für die unterirdischen Abflusskomponenten genutzt werden können.

Tabelle 4.2‑2: Struktur der Tabelle GEO.TAB

Als Schnittstelle zwischen Modell und den teileinzugsgebietsbezogenen GIS-Daten steht die Beschreibungsdatei DESCRIBETG (s. Abbildung 4.2‑1) zur Verfügung.

###### Attribut-Tabelle #################################################
TG_PAT DBASE tg.dbf
TG_FLAECHE              AREA
TG_IDENTIFIKATION       TG_ID
TG_UNTERLIEGER          Ulieger
TG_NAME                 NAME
FLIESSGEWAESSERLAENGE   FGW_L
GEOLOGIE                GEO-ID
X_WERT_TG               X_COORD
Y_WERT_TG               Y_COORD
MITTLERE_HOEHE          HOEHE
MODELL_REGION           Tgid_mod
REGION_ULIEGER          Uli_mod
GW_UNTERLIEGER          Gw_unterl
++++++ Relate-Tabellen ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
GEOLOGIE_TABELLE ASCII  geo.tab
GEOLOGIE_IDENTIFIKATION GEO-ID
HYDR_LEITFAEHIGKEIT     KF_WERT /* [mm/h] */
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Abbildung 4.2‑1: Steuerdatei TG.SDF

4.2.1 Behandlung „abflussloser“ Gebiete

Abflusslose Gebiete sind Teileinzugsgebiete ohne Gewässeranschluss, die sich gemäß der Orographie ergeben.

Zur modellmäßigen Beschreibung in ArcEGMO existieren hinsichtlich der Gebietsgliederungen in den einzelnen Ebenen die im Folgenden angegebenen Möglichkeiten:

ABFLUSSKONZENTRATION_RD     tg
ABFLUSSKONZENTRATION_GW     tg  | reg
GESAMTABFLUSS               fgw | tg

Abbildung 4.2‑2: Gliederungsmöglichkeiten

Bei der Hierarchisierung der Gebietsgliederung haben diese Teilgebiete keinen Unterlieger (Kodierung –1) hinsichtlich des Landoberflächenabflusses RO. Da die RD-Schleife über die Raumgliederung Q läuft, wird in abflusslosen Gebieten der dort eventuell gebildete RO nicht ‚abgeholt‘ und wird somit im nächsten Zeitschritt wieder versickern.

Für den Grundwasserabfluss ist über die Zuordnung der abflusslosen Teilgebiete zu (übergeordneten) Grundwasser-Regionen (Gliederung reg für ABFLUSSKONZENTRATION_GW) der in der Realität gegebene grundwasserseitige Anschluss an das Entwässerungssystem sicherzustellen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die abflusslosen Teilgebiete an ein tiefes Grundwassersystem anzuschließen, d.h. das Teilgebiet, in das die Grundwasserkomponente entwässern soll, direkt vorzugeben (s. tiefes Grundwasser).

[1]Angabe erforderlich, wenn keine Unterliegerzuordnung aus FGW ableitbar ist.

[2] Angabe für NA-Modellierung erforderlich, wenn kein FGW-Cover vorliegt.