Hydro

ArcEGMO - Das hydrologische Modellierungssystem

Bei Wehren handelt es sich allgemein um Staubauwerke, die in erster Linie dem Rückhalt bzw. Stau eines Gewässerabschnitts bis zu einem bestimmten Wasserstand dienen. Es lassen sich dabei Überfallwehre und Streichwehre unterscheiden. Das Überfallwehr staut ein Gerinne im Oberlauf und gibt je nach Wehrhöhe und Wasserstand im Oberlieger eine bestimmte Menge Wasser über die Wehrkrone an den Unterlauf ab. Streichwehre sind hingegen wasserbauliche Überlaufschwellen an einem Hauptgerinne, die in erster Linie zur Entlastung dienen. Bei Erreichen der vorgegebenen Wasserhöhe springt das Streichwehr an und führt die Wassermengen in ein Nebengerinne oder Rückhaltebecken ab. Neben der Funktion Hochwasserspitzen im Hauptgerinne zu kappen, können Streichwehre auch zur Bewirtschaftung des Einzugsgebiets bzw. des Fließgewässernetztes genutzt werden.

Umsetzung in ArcEGMO

Die Umsetzung von Staubauwerken in ArcEGMO beruht grundsätzlich auf der Berechnung der Wasserstände in den Fließgewässerabschnitten. Der potenzielle Abfluss ergibt sich gemäß der Wehrformel nach Poleni aus der Überfallhöhe (akt. Wasserstand – Wehrhöhe), der Wehrbreite und dem Überfallbeiwert. Wenn der potenzielle Abfluss den Zufluss zum Wehr überschreitet entspricht der Wehrabfluss dem Wehrzufluss. Falls andererseits der Zufluss den potenziellen Abfluss überschreitet, ergibt sich ein Rückstau und die Differenz des Zuflusses und des potenziellen Abflusses wird dem Oberlieger zugeschlagen. Darüber hinaus wird falls der Wasserstand des Unterliegers über der Wehrhöhe liegt, dieser zur Berechnung der Überfallhöhe verwendet.

Bei Streichwehren erfolgt die Aufteilung  grundsätzlich ebenfalls über die Wehrformel nach Poleni unter der Bedingung, dass sich der Wasserstand am Gewässerpunkt über der eingestellten Wehrhöhe befindet. Für diesen Fall wird mit der Überfallhöhe ein Wehrabfluss berechnet. Des Weiteren wird der Inhalt des Oberliegers als potentieller Gesamtabfluss  ermittelt. Für eine Überfallhöhe größer 0 wird der Wehrabfluss zum potentiellen Abfluss hinzugerechnet, somit ergibt sich durch das zusätzliche Gerinne ein größerer möglicher Abfluss für diesen Zeitschritt. Zuletzt wird der Inhalt des Oberliegers entsprechend des Wehrabflusses korrigiert und der Wasserstand im Unterlieger angepasst.

Streichwehr |Überfallwehr |Wasserwirtschaft |Wehre

Die Abflussaufteilung oder Fließgewässergablung beschreibt die Aufteilung des Abflusses an einer Verzweigung des Fließgewässernetzes. Programmtechnisch lässt sich die Aufteilung unter verschiedenen Gesichtspunkten betrachten, je nachdem von welcher Bedingung die Abgabe abhängig gemacht wird. In ArcEGMO werden folgende Fälle unterschieden:

  • Wasserstandsabhängige Aufteilung
  • Abflussabhängige Aufteilung
  • Zeitabhängige Aufteilung

Umsetzung in ArcEGMO

Die abflussabhängige Aufteilung erfolgt hier über Abfluss-Abfluss-Beziehung, die vorab zu definieren ist. Dabei wird der Zufluss, der aus dem Oberlieger kommend auf zwei Fließgewässerabschnitte aufgeteilt werden soll, sowie der im Hauptgerinne verbleibende Abfluss festgelegt. Der Abfluss des Abzweigs ergibt sich aus der Differenz der beiden definierten Größen.

Bei der vom Wasserstand abhängigen Aufteilung, wird im Gegensatz zu der vom Abfluss abhängigen Aufteilung der Wasserstand für die Aufteilung betrachtet. Es wird wie gehabt ein Abfluss festgelegt, der im Hauptgerinne verbleibt. Dieser wird abhängig vom Wasserstand des Unterliegers definiert. Somit ist hier eine Wasserstands-Abfluss-Beziehung zu definieren.

Bei der zeitabhängigen Aufteilung wird ein Abschlag festgelegt, der wasserstands- und abflussunabhängig beispielsweise über das Jahr veränderbar ist.

Abfluss |Abflussaufteilung |Gabelung |Wasserwirtschaft

Beim grünen Becken oder Hochwasserrückhaltebecken handelt es sich um einen Zwischenspeicher, der überschüssigen Zufluss zurückhält und verzögert wieder abgibt. Somit dämpft das grüne Becken abfließende Hochwasserwellen. Im grünen Becken befindet sich im Noormalfall kein Wasser. Konstruktiv setzt sich das grüne Becken aus einem Retentionsbereich, dem Grund- oder Betriebsablass und dem Absperrbauwerk (Staudamm /-mauer) zusammen. Zudem kann beim grünen Becken zwischen dem Hauptschluss und Nebenschluss unterschieden werden. Beim grünen Becken im „Hauptschluss“ durchfließt die Vorflut den Retentionsbereich oberhalb der Staueinrichtung und das Absperrbauwerk. Infolge einer Überschreitung der Abgabemenge, die der Grundablass leisten kann, erfolgt der Einstau entlang des Vorluters flussaufwärts. Beim grünen Becken im „Nebenschluss“ befindet sich die Staueinrichtung und der Staubereich seitlich des Hauptvorfluters. Im Normalfall durchfließt das Wasser somit nicht das Bauwerk. Im Hochwasserfall wird eine Teilmenge des anfallenden Abflusses in den Staubereich geleitet. Durch eine Überleitung erfolgt nach dem Ereignis eine regulierte Abgabe des gestauten Wassers an die Hauptvorflut.

Umsetzung in ArcEGMO

Die programmtechnische Umsetzung des grünen Beckens in ArcEGMO erfolgt durch die Definition der Kapazität des Grundablasses, sowie der Speicherkapazität des Retentionsbereichs. Zudem wird der Abfluss aus dem Becken über eine W-Q-Beziehung und eine Speicherinhaltslinie beschrieben. Überschreitet der Zufluss die Kapazität des Grundablasses, wird solange Wasser gespeichert, bis der Zufluss wieder kleiner als Qmax ist. Überschreitet ferner der Speicherinhalt die Speicherkapazität des Beckens, wird dieser Überschuss Qmax zugeschlagen. Darüber hinaus kann ein Abzweig definiert werden, in dem der vorhandene Überschuss abgeführt wird.

Die Umsetzung des grünen Beckens im „Nebenschluss“ in ArcEGMO beruht auf der Bedingung, dass ein Grenzabfluss im Hauptvorfluter nicht überschritten werden darf. Das überschüssige Wasser der Hochwasserwelle wird, wie in der Definition, abgezweigt und in ein weiteres Fließgewässer abgeführt. In dem als „Abzweig“ definierten Fließgewässerstrang existiert kein Grenzabfluss. Zudem wird ein Parameter als maximale Überleitungsmenge pro Zeitschritt festgelegt, um die Retention des überschwemmten Gebietes abzubilden.

Grünes Becken |Hochwasser |Hochwasserrückhalt |Hochwasserrückhaltebecken |Wasserwirtschaft

Die Seeretention beschreibt die Dämpfung einer Hochwasserwelle aus einem Vorfluter in einen See oder eine Wasserfläche. Bei der Seeretention verteilt sich die im Vorfluter dem See zufließende Wassermenge auf die gesamte Fläche. Durch die Vergrößerung des durchflossenen Querschnitts kommt es im See im Gegensatz zum Vorfluter, in dem die Hochwasserwelle einen starken Anstieg des Wasserstands bewirkt, nur zu einem geringen Anstieg des Wasserspiegels. In der Konsequenz verringert sich der Abfluss aus dem See im Vergleich zum Zufluss und es kommt zur Dämpfung der Hochwasserwelle. Darüber hinaus sorgt die Retention für eine Verzögerung der Abflussspitze. Allgemein gilt:

  • Je größer die Oberfläche des Sees im Vergleich zum Einzugsgebiet, desto größer die Retentionswirkung.
  • Je schmaler und höher der Ablauf/Überlauf, desto höher die Retentionswirkung.

Umsetzung in ArcEGMO

Die Umsetzung der ungesteuerten Seeretention in ArcEGMO erfolgt über die Definition des Anfangswasserstands, der unteren Lamellemhöhe, sowie der oberen Lamellemhöhe und des minimalen Abflusses. Die Abflusstransformation erfolgt regelbasiert in Abhängigkeit vom Wasserstand unter Berücksichtigung der Zuflüsse, Verdunstungsverluste und der Abflüsse, die fortlaufend berechnet werden. Befindet sich der Wasserstand unter der unteren Lemelle, wird kein Abfluss abgegeben. Befindet sich der Wasserstand innerhalb der bewirtschaftbaren Lamelle, erfolgt die Abgabe des minimalen Abflusses.  Ist der Wasserstand höher als die obere Lamellemhöhe entspricht die Abgabe dem Zufluss. Alternativ kann die ungesteuerte Seeretention ebenfalls mit der Vorgabe einer Wasserstands-Abfluss-Beziehung genutzt werden.

Bei der gesteuerten Seeretention erfolgt die Abflusstransformation über eine vorzugebene Wasserstand-Abfluss-Beziehung, ansonsten analog zur ungesteuerten Retention. Weiterhin existiert in ArcEGMO die Möglichkeit die Seeretention für zwei Abläufe zu definieren.

Retention |See |Seeretention |Talsperre |Wasserwirtschaft

Für die Berücksichtigung zeitabhängiger Aufteilungsregeln im Gewässernetz wurde ein neues Modul geschaffen. Der Abschlag Q_ab in das Nebengewässer kann dafür als Zeitfunktion über die Bewirtschaftungsdaten als Wasserbedarf Unterlieger eingelesen werden.

Ein Beispiel für eine solche Zeitfunktion zeigt die nebenstehende Abbildung mit einem über mittlere Monatswerte vorgegebenen Jahresgang der Abschläge Q_ab. Über einen weiteren Kennwert kann zusätzlich ein im Hauptgewässer verbleibender Mindestabfluss vorgegeben werden.

Für die Berücksichtigung von Aufteilungsregeln in Abhängigkeit vom Durchfluss an einem anderen Gewässerabschnitt, also nicht in unmittelbarer Nähe zum Abschlag selbst wurde ein neues Modul Q_Aufteilung_fU geschaffen. Der Abschlag Q_ab in das Nebengewässer erfolgt nicht abhängig vom aktuellen Zufluss am Abschlagsbauwerk, sondern abhängig vom Durchfluss an einem Kontrollpegel an einer (beliebigen) anderen Ortspunkt im Gewässernetz. Dieses Kontrollpegel ist als dementsprechend ebenfalls ins Modell einzubinden.

Der Abschlag in den Abzweig erfolgt über eine WQ-Beziehung, wie im nebenstehenden Beispiel. Über Q_max werden Durchflussintervalle definiert. Der aktuelle Durchfluss am Kontrollpegel wird zur Ermittlung des aktuell anzusetzenden Intervalls genutzt. Liegt der Durchfluss am Kontrollpegel unter dem Minimalwert von Q_max, erfolgt kein Abschlag, liegt er, wie im Beispiel, zwischen 1,5 und 2,5 qm/s, werden 0,1 qm/s, liegt er über 4,5 qm/s werden 0,5 qm/s abgeschlagen. Der letzte Q_max-Wert ist dementsprechend so zu wählen, dass der unter Normalwasserbedingungen zu realisierende Abschlag den restlichen Durchflussbereich umfasst.

Zudem kann der im Hauptgewässer einzuhaltende Mindestabfluss vorgegeben werden. Sollte dieser bei dem vorzunehmenden Abschlag unterschritten werden, wird der Abschlag so weit reduziert, dass der Mindestabfluss im Hauptgewässer eingehalten wird.

Für Sensitivitätsanalysen kann es hilfreich sein, wenn wichtige Randbedingungen effizient geändert werden können. Für die meteorologische Eingangsdaten wurde daher eine Möglichkeit geschaffen, während des Einlesens den Daten ein Änderungssignal aufzuprägen.

Dazu ist in der Steuerdatei dfür meteorologische Daten nach dem Namen der zu ändernden Datenart die Art und Weise dieser Änderung anzugeben. Das Schlüsselwort „calc“ führt dazu, dass das der zu setzende mathematische Operator interpretiert wird, gefolgt von einem Operanden. Es sind die klassischen Operatorenzu verwenden.

Neben der allgemeinen Vorgabe der genutzten Randbedingung für den Wasseraustausch zwischen Grundwasser und Gewässersystem in der Schnittstelle zwischen ArcEGMO und FEFLOW über die allgemeine Randbedingung 3. Art oder die Randbedingung 3. Art mit variabler Austauschfläche (nach Monninkhoff & Hartnack), kann von jetzt an für einzelnen Gewässerabschnitte eine differenzierte Zuordnung der Randbedingung erfolgen. Für diese Funktion ist in der Attributtabele des Fließgewässers eine entsprechende Spalte mit dem Namen „VARIABEL“ vorzugeben. In dieser kann zwischen 0 (Allgemeine Randbedingung 3. Art) und 1 (Randbedingung 3. Art mit variable Austauschfläche) unterschieden werden.

Monninkhoff, L. and J. N. Hartnack (2009), Improvements in the coupling interface between FEFLOW and MIKE11, In: Proceedings of the 2nd International FEFLOW User Conference, Sept. 14-16, Potsdam, Paper Nr. 29

ArcEGMO |FEFLOW |Kopplung

Im Rahmen der Modellierung des Wasserhaushalts für das Land Berlin wurde eine Erweiterungen der Kanalisationstypen und deren Änderungen in ihrer Handhabung für ArcEGMO entwickelt. Der Typ 3 wurde um die Typen 31 und 32 ergänzt, bei denen der angeschlossene Anteil wie bisher in die Misch- oder Trennkanalisation geht.

Bei den Typen 51 und 52 wurde die Zuordnung in soweit geändert, als dass der angeschlossene Anteil nun auch wieder in die Misch- oder Trennkanalisation geht und der nicht angeschlossene Anteil Versickerungsmulden zugeordnet wird und somit punktuell gezielt versickert wird. Die Typen 51 und 52 sind auschließlich für kleinräumige Anwendungen geeignet.

ArcEGMO |Siedlungswasserwirtschaft

Dieses neue Modul dient der Berechnung einer Abflussaufteilung in einem Speicher (Teich, See o.ä.), der über 2 Auslässe zwei verschiedene Gewässer speist.  In der Gewässerpunkttabelle sind die Bezugshöhe und der Anfangswasserstand bereitzustellen. Weitere Parameter werden nicht benötigt.

Wie beim herkömlichen Modul zur Seeretention wird eine Speicherinhaltslinie benötigt. Es wird wie bisher die in der Tabelle als erste Spalte (Q_min) angegebene Wasserstands-Abfluss-Beziehung dem Auslass bzw. Fließgewässerabschnitt zugeordnet, der  als Unterlieger des zufließenden Fließgewässerabschnitts definiert ist. Die Wasserstands-Abfluss-Beziehung für den zweiten Auslass wird über die dritte Spalte (Q_max) vorgegeben. Weiterhin ist der zweite gespeiste Fließgewässerabschnitt als Abzweig (asci.rel) vorzugeben.

Für die Berechnung der Seeretention werden beide Wasserstands-Abfluss-Beziehung zusammengefasst (addiert). Der sich ergebende Abfluss wird entsprechend des Verhältnisses von Q_min und Q_max beim aktuellen Wasserstand auf die beiden Auslässe aufgeteilt.

ArcEGMO |Seeretention