Anwendungen

Eine der wesentlichen Intentionen bei der Entwicklung von ArcEGMO war es, ein möglichst breites Spektrum verschiedener Anwendungsfälle abzudecken. Neben Aussagen in allen Abfluss- und Maßstabsbereichen sollte vor allem erreicht werden, dass ein Einsatz für wissenschaftliche Fragestellungen, aber auch Ingenieuranwendungen möglich ist. Die folgende Aufstellung zeigt das breite Spektrum möglicher Anwendungen, dass durch eine umfangreiche Modulbibliothek und eine Vielzahl offener Schnittstellen (zu Datenbanken, zur Einbindung eigener Module etc.) erreicht wird.

Einsatzbereiche von ArcEGMO:

Wasserhaushalts-modellierungHochwasser-simulationGanglinienanalyseNiedrigwasseranalyseBewirtschaftungs-szenarienGrundwasser- & Oberflächenge-wässeraustausch

Neben den verschiedenen Anwendungsbereichen, die im weiteren Verlauf genauer beleuchtet werden, stellt speziell die variable Anwendung verschiedener Bewirtschaftungsformen wasserwirtschaftlicher Anlagen und deren Kombination in einem Einzugsgebietsmodell eine besondere Fähigkeit ArcEGMO’s dar. Generell lassen sich wasserwirtschaftliche bzw. hydrologische/hydraulische Strukturen in zwei Kategorien einteilen:

  1. Natürliche Seen oder künstliche geschaffene Speicher, d.h. retendierende Strukturen unterschiedlicher Komplexität. Dazu zählen Seen, Talsperren, Hochwasserrückhaltebecken mit variablen Möglichkeiten zur Vorgabe von Bewirtschaftungsregeln (jahreszeit- oder situationsabhängige Zielwasserstände und Nutzerabgaben).
  2. Natürliche Bifurkationen im Gewässer und/oder künstlich angelegte durchflussverteilende Bauwerke in bewirtschafteten Systemen mit
    • einer hydraulischen Ermittlung von Abschlägen in Abhängigkeit vom Wasserstand, wie Streichwehre oder
    • regelbasierten Vorgaben der Abschläge über Beziehungen in Abhängigkeit vom Wasserstand, dem Zufluss zum Verteilerbauwerk, dem Durchfluss an einem beliebigen Kontrollpegel oder (jahres)zeitabhängigen Abschlägen unter Berücksichtigung weiterer Randbedingungen, wie einem im Hauptgewässer zu verbleibender Mindestabfluss.

Am Beispiel des Spreemodells lassen sich die Möglichkeiten der Einbindung dieser verschiedenen Bewirtschaftungsformen hervorragend veranschaulichen. Den dazugehörigen Artikel finden Sie hier.

Anwender

Art der Modellanwendung

Je nach der Art der Modellanwendung sind zahlreiche Unterscheidungen der Modellanwendung möglich. So kann hinsichtlich der Simulationsmethodik unterschieden werden, ob es sich um Einzelereignissimulationen oder Langzeitsimulationen handelt, zwei alternative Ansätze zur Ermittlung von Bemessungshochwasserwerten. Beide Ansätze werden von ArcEGMO unterstützt und in einer Reihe von Projekten (Bemessungshochwasserermittlung für die Schwarze Elster, die Große Röder und das Löbauer Wasser) sogar parallel angewendet. Weiterhin kann unterschieden werden, ob ArcEGMO als geschlossenes System, d.h. allein angewendet wird, was in den meisten der bisherigen Modellanwendungen der Fall war. In den letzten Jahren sind leistungsfähige Modellfamilien entwickelt worden, die den Fokus bei der Abbildung der Realität auf bestimmte Teilprozesse setzen, während andere nur vereinfacht abgebildet oder als Randbedingung berücksichtigt werden. So unterscheidet man zwischen:

  • Niederschlag-Abfluss-Modellen für die Simulation der Abflussbildungs- und Abflusskonzentrationsprozesse, die in verschiedenen räumlichen Skalen arbeiten und durch die Nutzung des GIS eine breite Anwendung gefunden haben;
  • Niederschlagbezogene Ertrags- und Düngungsmodellen, die das Pflanzenwachstum, den damit verbundenen Wasserbedarf und die Stoffumsetzungsprozesse beschreiben;
  • Grundwassermodellen, die mit Hilfe von Finite-Differenzen bzw. Finite-Elemente-Lösungen die Grundwasserströmung hinreichend genau beschreiben. Die Grundwasserneubildung als auch die Wasserstände in den Gewässern gehen statisch bzw. zeitlich stark aggregiert in diese Modellen als Randbedingungen ein;
  • Hydrologischen oder hydraulischen Flusslaufmodellen für die Simulation der Konzentrations- und Retentionsprozesse in den Gewässern;
  • Bewirtschaftungsmodellen, die in der Regel auf der Basis stochastischer Simulationen Wasserdargebot und Wasserbedarf bilanzieren und Bereitstellungssicherheiten mit Wahrscheinlichkeitsaussage liefern.

Für komplexe Fragestellungen wie z.B. zu den Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsänderungen oder zu den Auswirkungen von großräumigen Grundwasserwiederanstiegen in ehemaligen Bergbauregionen ist es angemessen, diese Modelle zu koppeln bzw. Modellkampagnen zu kreieren und damit die Stärken der einzelnen Modellfamilien zu verbinden, zumal die wesentlichen technischen Voraussetzungen für diese Vorgehensweise in Form leistungsstarker Rechentechnik nunmehr gegeben sind. Softwareseitig unterstützt ArcEGMO Modellkopplungen einmal durch sehr flexible Datenschnittstellen, die für offline-Kopplungen genutzt werden können. Zum anderen erlaubt das modulare Konzept von ArcEGMO, ganze Teilmodelle wie den internen Grundwasseransatz zu deaktivieren und dafür mit externen Modellen wie MODFLOW oder FEFLOW einen Datenaustausch durchzuführen und damit Rückkopplungsmechanismen zwischen Grund- und Oberflächenwasser abzubilden. Eine Modellkopplung mit FEFLOW zur Abbildung komplexer Grundwasserströmungsverhältnisse wurde für die Projekte in der Bergtheimer Mulde und dem südlichen Randowbruch angewendet. Verschiedene Modellkopplumgen (NA-Modell  Vegetationsmodell, NA-Modell  Bewirtschaftungsmodell und NA-Modell  Grundwassermodell) fanden im Unstrut-Projekt Anwendung. Für Gebietswasserhaushaltsuntersuchungen im Lietzengraben wurden ArcEGMO und ASM (Kinzelbach 1995) verknüpft. 

Verfahren

Die Anwendung von ArcEGMO erstreckt sich sowohl auf den wissenschaftlichen Bereich, als auch auf ingenieurstechnische Problemstellungen. Zwei typische Verfahren, in denen ArcEGMO Anwendung findet sind Szenarioanalysen und die Ermittlung von Bemessungswerten.

Vor allem im Rahmen wissenschaftlicher Anwendungen wurde in verschiedenen Projekten untersucht, welche Auswirkungen Änderungen der Randbedingungen wie Klima oder Landnutzung/Vegetation auf die hydrologischen Verhältnisse haben können/werden. Voraussetzung für derartige Untersuchungen ist, dass das eingesetzte Modell prognosefähig ist, d.h. über eine physikalisch basierte Prozessabbildung verfügt.

Beispiele für derartige Untersuchungen sind:

  • Analysen zum Klimawandel in Brandenburg, mit Analysen zum Einfluss des Klimawandels auf den Gebietswasserhaushalt Brandenburgs auf Grundlage verschiedener Kliamszenarien
  • Entwicklung eines Bewirtschaftungskonzepts für das südliche Randowbruch, mit Szenarioanalysen verschiedener Stauvarianten für das derzeitige und zukünftige Klima
  • Elbe-Ökologie, in dem u.a. die Folgen von Landnutzungsänderungen auf die Flusslandschaft Elbe beschrieben wurden,
  • GLOWA Elbe, in dem der Fokus auf einer Ermittlung der Auswirkung von Klimaänderungen auf die hydrologisch/wasserwirtschaftlichen Gegebenheiten, auf die Landwirtschaft (Erträge) bis hin zu sozio-ökonomischen Aspekten gelegt wurde,
  • Lietzengraben, in dem verschiedene Bewirtschaftungsstrategien zur Stabilisierung des Gebietswasserhaushaltes von Landnutzungsänderungen über Bodenveränderungen, verschiedene Wehrsteuerungen bis hin zur Einleitung von Zusatzwasser untersucht wurden.

In einer Reihe von Untersuchungen wurde ArcEGMO für Bemessungsfragen eingesetzt. Zu nennen sind hier vor allem:

Abflussbereiche

Eine Reihe von Modellen sind für die Simulation einzelner Ereignisse konzipiert und damit für Bemessungsfragen im Hochwasserfall gut geeignet. Die langsamen Abflusskomponenten werden hier nicht oder sehr vereinfacht beschrieben. Andere Modelle sind besonders für Kontinuumsbetrachtungen geeignet, zeigen aber oft im Hochwasserbereich Schwächen, weil die Retentionsprozesse im Gewässer unzureichend beschrieben werden. ArcEGMO ist ein Wasserbilanzmodell, das alle Abflusskomponenten und damit den gesamten Abflussbereich abdeckt.

Als Beispiele für Untersuchungen, bei denen der Fokus auf den Mittel- bis Niedrigwasserbereich gelegt war, seien genannt:

Als Beispiele für Modelluntersuchungen im Hochwasserbereich bzw. bei extremen Niederschlagsereignissen wären zu nennen:

  • Hochwasserforschungen in Mulde und Bode im Rahmen des BMBF-Projektes RIMAX,
  • Ermittlung von Bemessungshochwasserwerten als Grundlage für die Hochwasserschutzkonzepte der Schwarzen Elster, der Großen Röder und des Löbauer Wassers,
  • Ermittlung von Bemessungshochwasserwerten als Grundlage für die wasserbauliche Planung der natürlichen Vorflut in der renaturierten Bergbaufolgelandschaft des ehemaligen Tagebaues Delitzsch-Südwest und Breitenfeld,
  • Studie zur modell- und GIS-gestützten Standortsuche für Rückhaltebecken zur Sedimentreduzierung in den Einzugsgebieten der Bösen Sieben und der Querne/Weida und vergleichende Bewertung alternativer Standorte.

Weitere Modellanwendungen wurden im Rahmen von diversen Hochwassergutachten für verschiedene Gewässer in Brandenburg, Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen durchgeführt (s. Referenzen).

Maßstabsbereiche

Hinsichtlich des Maßstabsbereichs sind die Einsatzmöglichkeiten von ArcEGMO aufgrund der Flexibilität der Modulbibliothek sehr breit gefächert. Es können unterschiedlichste räumliche Diskretisierungen und Bezugssysteme (Elementarflächen, Hydrotopklassen, Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete, Regionen oder das Gesamtgebiet) umgesetzt werden.

So können für großräumige Anwendungen, wie bei der flächendeckenden Modellierung des deutschen Elbeeinzugsgebietes oder bei den landesweiten Modellanwendungen für Brandenburg und Sachsen-Anhalt die klassischen EGMO-Ansätze angewendet werden, die sehr effektiv räumliche Heterogenitäten über Flächenverteilungsfunktionen wichtiger Parameter beschreiben.

Für kleinräumige Anwendungen kommt zunehmend das numerisch zwar aufwendige, physikalisch aber besser fundierte PSCN-Modul zur Anwendung, in dem die Wirkung der Vegetation pflanzenphysiologisch fundiert beschrieben wird. Als Beispiel für kleinräumige Anwendungen von ArcEGMO sind Modelluntersuchungen im Lietzengraben und in der Parthe zu nennen. Weitere Modellanwendungen finden sich in einer Reihe von Hochwassergutachten für Kleinsteinzugsgebiete (< 5 km²).

Eine skalenübergreifende Anwendung erfolgte im Unstrut-Projekt  über einen genesteten Ansatz. In diesem wurde die Modellierungsgüte des PSCN-Moduls im Vergleich mit Lysimetermessungen, d.h. am Standort nachgewiesen und das PSCN-Modul dann für ein größeres Einzugsgebiet (750 km²) genutzt, um Ertragseinschränkungen auf landwirtschaftlichen Nutzflächen infolge geänderter Klimabedingungen abzuschätzen. Der numerisch sehr effektive EGMO-Ansatz wurde parallel dazu genutzt, um über Langzeitsimulationen (5.000 Jahre) die statistische Sicherheit bzw. die Bandbreite möglicher Wasserdargebotsänderungen infolge des globalen Wandels zu ermitteln.

Prozessorientierung - Zielgrößen

ArcEGMO kann wie bereits beschrieben je nach Problemstellung unterschiedliche Teilprozesse eines Gesamtsystems modular abbilden, daher bietet ArcEGMO für unterschiedliche Anforderungen von Fragestellungen die Möglichkeit prozessorientiert zu arbeiten. Dabei können Prozesse des Wasser- und Stoffhaushalts, wie auch Gerinneabflüsse oder Grundwasserströmungsdynamiken im Vordergrund stehen. Nachfolgend werden drei Zielgrößenarten kurz beleuchtet.

Reine Wasserhaushaltsmodelle fokussieren sich auf die Abbildung der Abflussbildungsprozesse in der Fläche. Die Abflusskonzentration zum Gewässer und die Gewässerretention sind von nachrangiger Bedeutung oder werden vernachlässigt. Eingesetzt werden solche Modelle vor allem zur Beschreibung des Gebietswasserhaushaltes im Rahmen von Bilanzbetrachtungen oder zur Ermittlung der Grundwasserneubildung als Planungsgröße von Wasserfassungen oder Randbedingung für Grundwasserströmungsmodellierungen. Niederschlags-Abfluss-Modelle sind meist auf die Ermittlung von Abflüssen im Gewässer gerichtet, um daraus Bemessungswerte wie Gewässerkundliche Hauptzahlen oder Hochwasserwerte abzuleiten. Die Beschreibung der Abflussbildung ist integraler Bestandteil solcher Modelle, wird aber je nach Zielstellung und Datenverfügbarkeit unterschiedlich genau modelliert. ArcEGMO kann einmal als reines Wasserhaushaltsmodell betrieben werden, was den Aufwand für die Datenerfassung und Modellerstellung beträchtlich reduziert. Zum anderen ist auch die Abbildung des kompletten Niederschlag-Abfluss-Prozesses möglich, sofern der Gewässerabfluss gefragt ist. Je nach Zielstellung, dem Anwendungsmaßstab und den verfügbaren Daten können aufgrund des modularen Charakters unterschiedliche Teilmodelle aktiviert werden. In den meisten bisherigen Anwendungen stand die Wassermenge im Vordergrund, die in Form von Wasserhaushaltsgrößen flächenbezogen und/oder Abflüssen gewässerbezogen ermittelt worden sind. Durch die Integration von pflanzenphysiologisch basierten Modellen können zudem Modelluntersuchungen durchgeführt werden, in denen eine verbesserte Beschreibung des Bodenwasserhaushaltes möglich ist. Auf die Transpiration wirken hierbei neben dem Energie- und Feuchteangebot auch die Nährstoffverfügbarkeit und u.U. die Bewirtschaftung (Dünge- und Erntetermine). Letztlich wird damit die Wirkung der Vegetation von einer wenn auch zeitlich variablen, aber doch vorgegebenen Randbedingung für die Verdunstung zu einer treibenden und rückgekoppelten Kraft. Neben der Wassermenge werden bei derartigen Modellierungen auch Stoffumsätze und letztlich der Stoffaustrag, aber auch die Biomasseentwicklung bis hin zu den Erträgen simuliert. Beispiele für solche komplexen Untersuchungen sind das

  • BMBF-Projekt zur Abschätzung der regionalen Kohlenstoffbilanz von mitteleuropäischen Wäldern unter dem Aspekt des Globalen Wandels, Detailuntersuchungen im Parthe-Einzugsgebiet (1999)
  • BMBF-Projekt „GLOWA Elbe“ zur integrierten Analyse der Auswirkungen des Globalen Wandels auf die Umwelt und die Gesellschaft im Elbegebiet, Teilprojekt Unstrut (Klöcking, 2002; Klöcking et al, 2003, 2005; Pfützner & Klöcking, 2004)

Weitere Untersuchungen gingen noch einen Schritt weiter und bezogen die Wirkung von Schädlingen über Störfunktionen auf die Vegetationsentwicklung ein. Im Flussgebietsmanagement-Projekt für die Unstrut wurde eine Salzlaststeuerung für die Wipper entwickelt und dabei der Salztransport im Gewässer und die Steuerung von Salzstapelbecken in Abhängigkeit von der Salzkonzentration in der Wipper beschrieben.

Als Beispiele für Untersuchungen, bei denen der Fokus auf reine Wasserhaushaltsbetrachtungen gelegt wurde, sind die:

Mit ArcEGMO sind weiterhin eine Reihe von kompletten Niederschlag-Abfluss-Modellen erstellt worden. Als Beispiele können hier nur einige wenige genannt werden:

  • flächendeckende Modelle für die Bundesländer Brandenburg, Sachsen und Sachsen-Anhalt,
  • Modell für den deutschen Teil des Elbe-Einzugsgebietes,
  • Modelle für die Spree, die Havel, die Nuthe, die Unstrut, die Bode, die Mulde, die Schwarze Elster, die Spree, den Selchower Flutgraben, die Böse Sieben, die Querne-Weida u.a.