Bei der Ausgabe der Wasserhaushaltsgrößen wurde als die vegetationskorrigierte, potenzielle Verdunstung [EPV] als Ergebnisgröße ergänzt. Sie kann in der Ergebnissteuerdatei (results.ste) im Block „WASSERHAUSHALT“ aktiviert werden.
Als zusätzliche Größe wird die EPV ebenfalls in allen Ergebnisbilanzen mit ausgegeben.
Das EGMO-Modul bildet das grundlegende Modellmodul in ArcEGMO. Zum überwiegenden Teil handelt es sich bei den im EGMO-Modul genutzten Teilmodellen um konzeptionelle Modelle (z.B. Speichermodelle, Translationsmodelle, Speicherkaskaden u.ä.), deren Parameter physikalisch begründet sind und GIS-gestützt unter Nutzung von ArcEGMO aus allgemein verfügbaren Landoberflächenkennwerten (u.ä.) bestimmt werden können.
Die nachfolgend beschriebenen Modellkomponenten beschreiben die Abflussbildung auf grundwasserfernen und -nahen Flächen unter Berücksichtigung der Interzeption, der Infiltration und Muldenspeicherung, sowie des Bodenwasserhaushalts. Dementsprechend vereint das EGMO-Modul eine Reihe von Modellkomponenten in sich.
Zunächst wird hier kurz auf die Eingangsdaten für ArcEGMO eingegangen, bevor die einzelnen Komponenten beleuchtet werden.
Modelleingangsdaten sind Zeitreihen des Niederschlagsdargebots und der potentiellen Verdunstung. Berechnet werden grundsätzlich die reale Verdunstung, der Effektivniederschlag, der Landoberflächenabfluss und die Grundwasserneubildung (bei Einhaltung bestimmter Randbedingungen für beliebige Zeitschrittweiten). Die nachfolgend beschriebenen Routinen zur Erfassung von Teilprozessen der Abflussbildung werden beginnend mit der Interzeption nacheinander abgearbeitet. Ausgangsgrößen des zeitlich vorgeschalteten Teilmodells sind wiederum Eingangsgrößen für das nachgeschaltete Teilmodell. Zu Beginn eines jeden Berechnungszeitschritts wird das Interzeptionsmodul vorgeschaltet und die Eingangsgrößen für dieses Teilmodell ermittelt. In den nachfolgend beschriebenen Teilmodellen werden in Abhängigkeit von der Differenz aus Niederschlag und potenzieller Verdunstung Ansätze aktiviert, die entweder das Auffüllungs- oder Ausschöpfungsverhalten beschreiben.
Die Vegetation hält einen Teil des Niederschlages zurück. Dieser Niederschlagsanteil kann durch die Verdunstung wieder ausgeschöpft werden und stellt einen Anfangsverlust dar, dessen Größe durch die Art der Flächennutzung bzw. der Vegetation bestimmt wird. Dieser Prozess wird auch als Interzeption bezeichnet. Wenn der Niederschlag das Rückhaltevermögen bzw. die Kapazität der Interzeptionsspeicherung überschreitet, kann ein Niederschlagsanteil die Bodenoberfläche erreichen.
Die hier ablaufenden hydrologischen Prozesse werden mit dem einfachen Ansatz „abflussloser Einzelspeicher mit Überlauf“ modelliert, da mit umfangreichen Sensitivitätsanalysen nachgewiesen werden konnte, dass ihre Bedeutung im hydrologischen Gesamtregime relativ gering ist. Wenn die Modellierung des Verdunstungsprozesses im Vordergrund steht, sind detailliertere Ansätze angebracht. Mögliche Fehler durch die vereinfachte Modellierung werden jedoch bei weitem durch andere Fehler, z.B. durch die ungenaue Erfassung der flächenhaften Niederschlagsverteilung, überwogen.
Im EGMO-Ansatz wird die Sättigungsflächenbildung über einen Ansatz gesteuert, der eine aktuelle Speicherfüllung ins Verhältnis zu einer maximalen und einer minimalen Sickerwasserspeicherkapazität setzt. Die maximale Speicherkapazität ergibt sich aus dem Grundwasserflurabstand, bezogen auf die Differenz zwischen Gesamtporenraum und Feldkapazität, die minimale Speicherkapazität beträgt Null. Zudem wird ein Faktor festgelegt der mit der Speicherkapazität multipliziert wird. Dieser dient einer flexibleren Gestaltung der Speicherkapazität und insbesondere der Kalibrierfähigkeit des Sättigungsabfluss-bildungsprozesses.
Übersteigt das Wasserangebot an der Bodenoberfläche das aktuelle Infiltrationsvermögen Fpot des Bodens, so entsteht Effektivniederschlag. Der Effektivniederschlag wird in einem Muldenspeicher zwischengespeichert und im nächsten Berechnungszeitschritt erneut zur Infiltration angeboten. Beim Überlaufen dieses Speichers entsteht Landoberflächenabfluss. Die Kapazität dieses Speichers ist insbesondere abhängig vom Geländegefälle. Bei geeigneten Abflussbedingungen (merkliches Geländegefälle und „micro-channels“) und geringer Vorfluterentfernung der Entstehungsflächen erreicht dieser Landoberflächenabfluss schnell den Vorfluter und wird abflusswirksam. Er kann dann dem Direktabfluss, also der schnellsten, meist oberflächlich fließenden Abflusskomponente in einem Einzugsgebiet, zugeordnet werden.
Die Infiltration spielt zusammen mit dem Bodenwasserhaushalt eine zentrale Rolle innerhalb des hydrologischen Regimes. Auf Grund der hohen Dynamik des Infiltrationsprozesses und seiner starken Abhängigkeit von sehr ortsvariablen Standorteigenschaften wie Bodenart (Leitfähigkeit, aber auch Porosität, Makroporenanteil und Saugspannung) und zeitvariablen Einflüssen wie Bodenfeuchte und Bearbeitungszustand bei landwirtschaftlichen Nutzflächen ist eine exakte Prozessbeschreibung nur mit sehr detaillierten, standortbezogenen Ansätzen hoher zeitlicher Auflösung (Minuten bis Stunden) möglich. Diese Ansätze versagen in der Regel bei der Modellierung größerer Flächeneinheiten, weil weder die notwendige örtliche noch die zeitliche Auflösung der Eingangsdaten (Niederschlag), der Systemzustände (Bodenfeuchte) und der Systemeigenschaften (Bodenart) gegeben ist.
Es wurden deshalb Ansätze entwickelt, die für größere Zeit- und Raum-Dimensionen den Effektivniederschlag als Zielgröße richtig berechnen, wobei toleriert wurde, dass Teilprozesse wie das Fortschreiten der Feuchtefront im Boden vernachlässigt werden. Unter der Voraussetzung, dass der „zeitliche Verlauf von Infiltrationsvermögen und -intensität in befriedigender Weise als Funktion des im Boden gespeicherten Wassers berechnet werden kann“ (Peschke 1980), wurde das Konzept INFILT zur Modellierung des Infiltrationsprozesses entwickelt. Es berücksichtigt vereinfacht linear die flächenhafte Verteilung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit innerhalb der jeweiligen Bezugsfläche. Der Vorteil dieser Vorgehensweise wird in der Abbildung rechts verdeutlicht. Während Ansätze, die nur das mittlere Infiltrationsvermögen Fmit betrachten, im angegebenen Fall keinen Effektivniederschlag berechnen, ermittelt INFILT für Standorte mit geringem Infiltrationsvermögen einen Effektivniederschlag (hellgraues Dreieck).
Ausgegangen wurde bei der Ableitung der Berechnungsgleichung für das aktuelle Infiltrationsvermögen eines Standortes von der Infiltrationsgleichung nach HOLTAN. Das Infiltrationsvermögen ist also bestimmt durch die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit und die aktuelle Bodenfeuchte. „Die sukzessive Auffeuchtung bei fortschreitender Infiltration reduziert … die Infiltrationsintensität. Erreicht sie schließlich vernachlässigbar kleine Werte, stellt sich die Infiltrationsintensität auf den konstanten Wert der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit in der Oberfläche ein. Für die hohen Infiltrationsintensitäten im Anfangsstadium der Infiltration sind also die Adsorptions- und Kapillarkräfte erforderlich, während der Prozess im Spätstadium mit geringen Intensitäten durch die Schwerkraft … aufrechterhalten wird.“ (Dyck/Peschke 1983)
Der beschriebene Ansatz wird in Kombination mit einem einfachen Ansatz zur Berücksichtigung der Muldenspeicherung (analog der Interzeptionsspeicherung) abgearbeitet. Der berechnete Effektivniederschlag bildet den Input in diesen Speicher, dessen Überlauf abflusswirksam wird und eine Komponente des Landoberflächenabfluss bildet. Zu Beginn jeden Berechnungszeitschritts wird der aktuelle Inhalt des Muldenspeichers gemeinsam mit dem Output des Interzeptionsspeichers zur Infiltration angeboten. Beide Ansätze können auf beliebige, heterogene Flächen angewendet werden, um die Aufteilung des bodenwirksamen Niederschlages in Effektivniederschlag bzw. Landoberflächenabfluss und Einsickerung in den Boden zu berechnen. Diese bildet wiederum den Input für das nachfolgend beschriebene Bodenwasserhaushaltsmodell.
Im Bodenwasserhaushalt lässt sich zwischen dem Sickerwasser, welchen dem Grundwasser zufließt und dem Bodenkapillarwasser unterscheiden. Als Bodenkapillarwasser wird der Teil des Bodenwassers verstanden, der durch die Kapillarkräfte gegen die Schwerkraft gehalten werden kann, also der Feuchtegehalt bis Feldkapazität. Dieses Wasser kann nur durch Transpiration und Evaporation ausgeschöpft werden. Die Ausschöpfungstiefe bzw. die Mächtigkeit der wechselfeuchten Bodenzone wird dementsprechend durch die „Einflusstiefe“ der Vegetation (i.A. die Wurzeltiefe) und auf vegetationsfreien Standorten oder vegetationsfreien Perioden durch die „Einflusstiefe“ der Evaporation, also im Wesentlichen durch die Bodeneigenschaften (kapillare Saugspannung) bestimmt. Damit kann der Wassergehalt eines ungesättigten Standortes zwischen der Feldkapazität FK und permanentem Welkepunkt PWP bzw. im Bereich des pflanzenverfügbaren Wassers (FK-PWP) schwanken. Die Speicherkapazität der wechselfeuchten Bodenzone HS ergibt sich damit aus der Differenz zwischen Feldkapazität und permanentem Welkepunkt, bezogen auf die Mächtigkeit der verdunstungsbeeinflussten Bodenschicht (i.A. die Wurzeltiefe).
Innerhalb eines hydrologischen Modells besitzt die Modellierung des Bodenkapillarwasserhaushaltes dieser wechselfeuchten Bodenzone entscheidende Bedeutung, weil hier wichtige Abflussbildungsprozesse wie die Infiltration über die Feuchte und die Sickerwasserbildung gesteuert werden. Eingangsgröße für die Modellierung des Bodenkapillarwasserhaushaltes in ArcEGMO ist der infiltrierende Niederschlagsanteil aus dem INFILT-Modul (s.o.).
Bei der Abbildung des Bodenkapillarwasserhaushalts liegt ein Hauptaugenmerk auf der Berücksichtigung der Unterschiede in der flächenhaften Verteilung der Bodenspeicherkapazitäten. Selbst bei der Betrachtung relativ kleiner, „homogen“ erscheinender Teilflächen existieren im Boden bevorzugte Sickerwege (Makroporen), längs derer einsickernde Niederschläge schneller in tiefere Bodenschichten gelangen können als bei völlig homogenen Bodenverhältnissen. Sobald das Bodenkapillarwasserdefizit in der Umgebung dieser Sickerwege aufgefüllt ist kann bereits Sickerwasser anfallen. Die anfallende Sickerwassermenge steigt mit zunehmenden Bodenkapillarwasservorrat kontinuierlich und kann die Größe des Gesamtwasserangebotes erreichen. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Unterschied zwischen der auf einen Einzelstandort (ein Bodenprofil) bezogenen Speicherkapazität des Bodens für Kapillarwasser (als profilbezogene Speicherhöhe) und dem entsprechenden, auf eine größere Fläche bezogenen Speichervorrat zu betrachten. Beide haben formal nur dann die gleiche Dimension (mm), wenn die Bezugsfläche gleich 1 gesetzt wird, daher muss dieser Unterschied bei der Ermittlung dieser Modellparameter aus Standortkennwerten berücksichtigt werden.
Nachfolgend wird die speichervolumenbezogene Betrachtung zugrunde gelegt. Dabei ergibt sich der Flächenanteil, auf dem noch freier Speicherraum für Bodenkapillarwasser vorhanden ist, aus dem aktuellen Bodenkapillarwasservorrat. Auf diesem Anteil trägt die gesamte Infiltration zur Auffüllung des Bodenkapillarwasservorrats bei, während sich auf dem restlichen Anteil Sickerwasser bildet. Solange der Bodenkapillarwasservorrat kleiner ist als die Bodenkapillarwasserkapazität, wird die Infiltration auf der gesamten Fläche zu Bodenkapillarwasserrückhalt, d.h. sie trägt insgesamt zur Erhöhung der Bodenkapillarwasserspeichermenge bei. Die momentane Auffüllungsintensität der Bodenkapillarwasserspeichermenge ist dann gleich der aktuellen Infiltrationsrate.
Neben der flächenhaften Betrachtung des Bodenwasserkapillarhaushalts spielt jedoch auch die vertikale Verteilung der Bodenkapillarwasserspeichermenge eine Rolle. Aus diesem Grund wurde ein Zweischichtkonzept entwickelt, dass die Auffüllungs- und Ausschöpfungsberechnungen in einen oberen und eine unteren Speicher aufteilen. Die Speicherkapazität des unteren Speichers beträgt die Hälfte der oberen Schicht, auf diese Weise bleibt die Berücksichtigung der flächenhaften Verteilung der Kapillarwasserspeicherkapazität auch in der unteren Schicht bestehen.
Der obere Speicher ist gleichmäßig über die gesamte Bezugsfläche verteilt. In Niederschlagsperioden wird er bis Kapillarwasserspeicherkapazität aufgefüllt. Weiteres ankommende Niederschlagswasser sickert in den unteren Speicher. Analog erfolgt in niederschlagsfreien bzw. -armen Perioden zunächst eine Ausschöpfung des oberen Speichers, erst dann beginnt die Ausschöpfung des unteren Speichers. Ausschöpfung und Auffüllung des unteren Speichers finden also nur statt, wenn der Output des oberen Speichers ungleich Null ist, d.h. wenn die erste Schicht entweder völlig leer oder voll gefüllt ist. Damit wird berücksichtigt, dass alle Speicheränderungsprozesse von der Bodenoberfläche her erfolgen.
Im unteren Speicher werden weiterhin maximal zwei Bodenkapillarwasserschichten betrachtet. Entsprechend dem genannten Grundsatz wird stets zuerst die obere Teilschicht ausgeschöpft bzw. aufgefüllt, danach die untere. Durch diesen Ansatz wird das Modell zwei grundlegenden Umständen gerecht:
Weiterhin wird berücksichtigt, dass eine Auffüllung der Bodenfeuchte auf grundwasserbeeinflussten bzw. -nahen Standorten auch durch Kapillaraufstieg, also von „unten“ erfolgen kann. Für diesen Fall vereinfachen sich die bisher beschriebenen Modellalgorithmen. Als grundwassernah wird definitionsgemäß ein Standort oder eine Fläche dann bezeichnet, wenn der Grundwasserspiegel die wechselfeuchte Bodenzone erreicht oder innerhalb dieser liegt.
Diese wird durch den Ausschöpfungsbereich der Evapotranspiration bzw. die durchwurzelte Bodenzone begrenzt. Für grundwassernahe Standorte wird ein auftretendes Bodenfeuchtedefizit durch den Kapillaraufstieg aufgefüllt, der als negative Grundwasserneubildung berechnet wird.
In Bezug auf den zuletzt behandelten Aspekt im Bodenwasserkapillarhaushalt spielt die Verdunstungsreduktion auf grundwassernahen Flächen eine Rolle. Die reale Verdunstung auf grundwassernahen Flächen ist in der Regel gleich der potentiell möglichen, weil das oberflächennah anstehende Grundwasser für ein ausreichendes Feuchteangebot sorgt. In langanhaltenden, sommerlichen Trockenperioden kann aber der Eigenwasservorrat der Fläche soweit gemindert werden, dass seine Oberfläche in Tiefen absinkt, in denen der Bezugswasservorrat nur noch bedingt durch die Transpiration der Vegetation reduziert werden kann. Mit absinkendem Grundwasserspiegel kommt es also zu einer Minderung der Verdunstung bzw. es ergibt sich ein Verdunstungsdefizit, bis Grundwasserlagen erreicht werden, die nicht mehr ausschöpfbar sind und die reale Verdunstung gegen „Null“ geht. Für diesen Zusammenhang wird in ArcEGMO ein linearer Ansatz genutzt, der den Infiltrationsinput, den Bezugswasservorrat und dias Verdunstungsdefizit betrachtet.
Das Modul Q_KalMil ist der Modellebene Q zugeordnet und beschreibt die Konzentrationsprozesse im Fließgewässersystem über eine Linearspeicherkaskade. In jedem Einzelspeicher wird dabei die Retentionswirkung in Abhängigkeit vom aktuellen Abfluss über den Ansatz von Kalinin-Miljukov beschrieben. Voraussetzung für die Ermittlung der Retentionskonstante KTau in Abhängigkeit vom Durchfluss Q sind vermessene Gewässerprofile, die den (auch im Hochwasserfall) durchflossenen Bereich beschreiben.
Wird der Gültigkeitsbereich der so abgeleiteten KTau-Funktion verlassen, d.h. der aktuelle Durchfluss ist größer als der max. Durchfluss der KTau-Tabelle, kann
Da insbesondere bei großräumigen Modellanwendungen in der Regel nicht das gesamte Gewässersystem vermessen vorliegt, kann Kalinin-Miljukov beliebig mit der Speicherkaskade Q_ELS kombiniert werden, d.h. nicht vermessene Gewässerabschnitte können mit der Speicherkaskade, vermessene nach Kalinin-Miljukov berechnet werden. Bei der Anwendung von Kalinin-Miljukov kann zudem entschieden werden, ob mit oder ohne Berücksichtigung eventueller Rückstaueffekte gerechnet werden soll. Auf die Berücksichtigung des Rückstaues kann verzichtet werden, wenn die Gefälleverhältnisse im Gebiet keinen Rückstau oder nur einen lokal eng begrenzten Rückstau erwarten lassen und die korrekte Abbildung des Wasserstandes im Gewässerlängsschnitt zweitrangig ist.
In diesem Fall wird der klassische Kalinin-Miljukov-Ansatz angewendet, bei dem die KTau-Werte über das Sohlgefälle parametrisiert werden. Für jeden Gewässerabschnitt wird in Abhängigkeit vom aktuellen Zufluss ein KTau-Wert abgeleitet und daraus der aktuelle Abfluss, d.h. die Weitergabe an den Unterlieger ermittelt. Dabei wird nicht geprüft, wie der aktuelle Wasserstand im Unterlieger ist und ob überhaupt ein Abfluss möglich ist. Im Schema links wird der Sachverhalt verdeutlicht.
Vor allem im Tiefland sollte der Rückstau in den meist gefällearmen Gewässern berücksichtigt werden. Dies ist besonders dann wichtig, wenn eine korrekte Abbildung der Wasserstände als Randbedingung für die Grundwassermodellierung erforderlich wird. Eine inhaltlich fundierte Beschreibung von Rückstaueffekten ist nur über numerisch sehr aufwendige, hydraulische Modellansätze möglich, die aber meist für die mit ArcEGMO angestrebten Langzeitsimulationen für größere Einzugsgebiete zu nicht mehr handhabbaren Rechenzeiten führen. Deshalb wurde eine Programmlösung entwickelt, die das Wasserspiegelgefälle nutzt, um die KTau-Werte für den Kalinin-Miljukov-Ansatz zu ermittelt. Verwendet wird dafür die Wasserstandsdifferenz zwischen Unterlieger und dem aktuellen Gewässerabschnitt, wobei der Unterlieger ein Gewässerabschnitt im Gewässersystem oder ein Bauwerk (GWP) sein kann.
Ist der Wasserstand geringer als der Wasserstand des Unterliegers, wird die Abflussmenge nicht weitergegeben, sondern im Gewässerabschnitt zur Anhebung der Wasserstände gespeichert. Nachfolgende Grafik verdeutlicht die Handhabung des Rückstaueffekts.
EGMO_GW beschreibt die Konzentration des Basisabflusses. Die im Folgenden vorgestellten Ansätze beschreiben die Konzentration des Basisabflusses über Einzellinearspeicheransätze. Sie können prinzipiell auf beliebige Flächeneinheiten (Raster, Polygone) angewendet werden. Als Modul innerhalb von ArcEGMO ist ihre Anwendung auf Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete, Regionen oder das Gesamtgebiet vorgesehen. Eingangsgröße ist die in der Modellebene Abflussbildung berechnete Grundwasserneubildung, Ausgabegröße der Basisabfluss und der hypodermische Abfluss, die an die Modellebene Gesamtabfluss übergeben werden.
Der Leerlauf eines Einzellinearspeichers wird im Regelfall über eine Einzellinearspeicherkonstante gesteuert, was vielfach ausreichend genau die Realität beschreibt. Es kann jedoch auch vorkommen, dass ab bestimmten Grundwasserständen sich ein anderes Abflussregime einstellt, weil z.B. besser durchlässige Schichten eingestaut werden. Zur Beschreibung dieser Phänomene kann ein zusätzlicher 2.Schichtansatz aktiviert werden, über den bei Erreichen einer Grenzspeicherfüllung eine andere Auslaufcharakteristik, beschrieben über einen weiteren Einzellinearspeicher, wirksam wird.
Innerhalb einer Modellierungseinheit (z.B. Teileinzugsgebiet) können Flächentypen als Kombination verschiedener Hydrotopklassen festgelegt werden, denen jeweils ein Einzellinearspeicher zugeordnet ist, der über die Grundwasserneubildung der zugeordneten Hydrotopklassen gespeist wird. Durch eine teilweise Reihenschaltung unterschiedlicher Einzellinearspeicher können Kopplungsmechanismen zwischen verschiedenen Hydrotopklassen berücksichtigt werden. So simuliert das Untermodul REFIL die „Anzapfung“ bzw. Reduktion der unterirdischen Abflusskomponenten der grundwasserfernen Flächen bei Passage der grundwassernahen Flächen durch die Transpiration der dortigen Vegetation. Eine Modellierung derartiger Wechselwirkungen scheint im Widerspruch zum Modellkonzept von EGMO zu stehen, dass ein Gebiet ortsunabhängig in Hydrotopklassen gliedert. Deshalb ist die Berücksichtigung von Wechselwirkungen im Allgemeinen nur über eine statistische Berücksichtigung der Lageverhältnisse der Hydrotopflächen einer Klasse zu den Flächen einer anderen möglich und erfordert umfangreiche Analysen der Flächenverteilungen im konkreten Bearbeitungsgebiet, die effektiv nur mit einem Geographischen Informationssystem durchgeführt werden können.
Für die Hauptuntergliederung in der Grundversion von EGMO in grundwassernahe, ebene und grundwasserferne, hängige und ebene Hydrotopklassen (AN, AH, AG) kann aber in der Regel davon ausgegangen werden, dass die Hydrotope einer Klasse eine zusammenhängende Fläche bilden und bzgl. des Vorfluters einen festen Ortsbezug haben. Speziell im Gebirgsbereich wird AN die Talaue, AH die Hangfläche und AG die Hochfläche sein, die sich in der Regel wie Gürtel um den Flusslauf legen.
URBAN wurde im Rahmen des Projektes Havelmanagement entwickelt (Biegel et al., 2005, Biegel 2006). Es ermöglicht die gezielte Untersuchung von Fragestellungen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft für größere Einzugsgebiete. Darüber hinaus ist in Verbindung mit dem vorhandenen Modul PSCN, welches die Stoffströme in unbebauten Räumen erfasst, eine komplexe Analyse aller wichtigen Wasser- und Stoffströme im Einzugsgebiet möglich.
Das Modell bildet die Wasser- und Stoffströme der Niederschlags-Abfluss- und der Schmutzwasser-Abfluss-Prozesse von urbanen Räumen ab. Dabei erfolgt auch eine an die Mesoskala angepasste Kanalnetz- und Kläranlagenmodellierung, welche vor allem die Stofftransport- und Umsetzungsprozesse in diesen Systemen beschreibt. Für diese Algorithmen wurden die Erkenntnisse vorangegangener Forschungsprojekte (z.B. Hahn 2000, Fuchs und Hahn 1999, Beichert et al 1996) weiterentwickelt. Gegenwärtig ist URBAN auf die Beschreibung der Nährstoffe Phosphor und Stickstoff ausgerichtet, eine Erweiterung auf CSB ist geplant.
Bezogen auf den Niederschlags-Abfluss-Prozess werden Abflussbildung und -konzentration auf versiegelten Flächen, die durch die Atmosphäre und spezifische Nutzungen bedingten Stoffeinträge sowie der durch die Beschaffenheit der abflusswirksamen Oberflächen und die Kanalisation bestimmte Wasser- und Stofftransport berechnet.
Zur Beschreibung des Schmutzwasser-Abfluss-Prozesses finden teilflächendifferenzierte, einwohnerspezifische Ansätze Verwendung. Dadurch können unterschiedliche Wasserver- und -entsorgungstechnologien und die durch sie induzierte Stoffströme berücksichtigt werden. Die Berechnung des Stofftransports erfolgt wiederum differenziert nach Kanalisationsverfahren. Die Grafik links verdeutlicht die Struktur des URBAN-Moduls im Programmaufbau von ArcEGMO.
Für die Teilströme des Abwassers erfolgt anschließend eine Zuordnung zu konkreten Abwasserbehandlungsanlagen und -einrichtungen bzw. direkt zu Versickerungsflächen oder Einleitungsgewässern. Bezüglich der Abwasserbehandlung können je nach Datenlage zeitlich differenzierte Reinigungsleistungen berücksichtigt werden.
Eingangsgrößen sind meteorologische und terrestrische Daten mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung. Ihre Diskretisierung kann je nach Bedarf oder Datenverfügbarkeit variiert werden. Als treibende klimatische Größen werden Lufttemperatur, Niederschlag, Luftfeuchte und Globalstrahlung in hoher Auflösung benötigt, die durch ArcEGMO für jedes simulierte Raumelement bereitgestellt werden. Die räumliche Auflösung erfolgt entsprechend des Aggregationsschemas von ArcEGMO (Becker et al. 2002, Pfützner 2002) auf Elementarflächen. Jede Elementarfläche ist durch eine bestimmte Landnutzung (Versiegelung) und den spezifischen siedlungswasserwirtschaftlichen Verhältnissen charakterisiert. Die GIS-basierte Verwaltung der Daten in ArcEGMO ermöglicht es, die siedlungswasserwirtschaftlichen Verhältnisse raumkonkret zu erfassen. Die Verarbeitung dieser zusätzlichen Eingangsparameter erfolgt im Rahmen des URBAN-Moduls. Neben den terrestrischen Daten werden statistische Daten über Einwohnerzahlen, Anschlussgrad, Kanalisationsart, Reinigungsleistung der Kläranlagen, Industrielle Direkteinleiter etc. verwendet. Die Eingangsdaten beziehen sich je nach vorliegender Detailliertheit und notwendiger Genauigkeit auf Gemeindeebene, Stadtbezirksebene oder Stadtteilebene.
Die Eingangsdaten werden je nach Bedarf und Datenverfügbarkeit in unterschiedlichen zeitlichen Diskretitionen verwendet. Intern ermöglicht das Modell eine Auflösung entsprechend den Zeitreihen des Niederschlags. Die Ergebnisse können für verschiedene Zeitspannen aggregiert ausgegeben werden.
BIEGEL, M.; J. SCHANZE & P. KREBS (2005): ArcEGMO-URBAN – Hydrological Model for point sources in River Basins. Water, Science and Technology. 52(5). S. 249-256
BIEGEL, M. & J. SCHANZE (2005): Mesoskalige Quantifizierung der urbanen Nährstoffeinträgen in das Flussgebiet der Havel mit dem GIS-gestützten hydrologischem Modell ArcEGMO-URBAN. In: Wittmann, J. & Thinh, N. X. (Hrsg.): Simulation in Umwelt- und Geowissenschaften. Umweltinformatik, Shaker Verlag Aachen, S. 149-158
BIEGEL, M. (2006): Entwicklung eines GIS-gestützten Modells zur Quantifizierung urbaner Nährstoffeinträge in Gewässer auf Flussgebietsebene. Dissertation, Dresdner Berichte 26, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft der TU Dresden.
Die moderne Flussgebietsbewirtschaftung erfordert neben der Betrachtung der Wasserflüsse auch die Berücksichtigung von Wasserinhaltsstoffen, wie z.B. gelöste Stickstoffkomponenten. Dazu wurde im Rahmen von ArcEGMO (Pfützner, 2002; Becker et al., 2002) das Abflussbildungsmodul PSCN entwickelt, welches neben der Wasserdynamik im System „Vegetation – Boden“ auch den Phosphor-, Kohlen- und Stickstoffhaushalt simuliert. PSCN (Plant-Soil-Carbon-Nitrogen Model) entstand durch die Kopplung komplexer Wachstumsmodelle für Wald- und landwirtschaftliche Flächen mit einem detaillierten Bodenmodell. Durch die Implementierung eines Fruchtfolgengenerators kann die landwirtschaftliche Anbaustruktur einer Region genau wiedergegeben werden. Einsatzbereich ist die mittelmaßstäbige (1 bis 1000 km²) Simulation des Wasser- und Stoffhaushaltes einer Region bei Berücksichtigung der Vegetations- und Ertragsentwicklung.
Als treibende klimatische Größen werden Lufttemperatur, Niederschlag, Luftfeuchte und Globalstrahlung in täglicher Auflösung benötigt, die durch ArcEGMO für jedes simulierte Raumelement bereitgestellt werden. Die räumliche Auflösung erfolgt entsprechend des Aggregationsschemas von ArcEGMO (Becker et al., 2002; Pfützner, 2002) auf Hydrotopebene (Elementarfläche). Jedes Hydrotop ist durch eine bestimmte Landnutzung und einen Bodentyp charakterisiert und hat einen festen Raumbezug innerhalb des Untersuchungsgebietes
Vorteile dieser prozessbeschreibenden, räumlich und zeitlich hochauflösenden Modellierung gegenüber konzeptionellen Bilanzierungsansätzen wie z.B. MONERIS (Behrendt et al., 2002) werden vor allem hinsichtlich folgender Aspekte gesehen:
a. Die Simulation der Prozesse auf der Basis räumlich determinierter Hydrotope ermöglicht die Ausweisung von Risikoflächen hinsichtlich
b. Die deterministische Abbildung der Vegetationsentwicklung land- und forstwirtschaftlicher Kulturen und Bestände erlaubt die Abbildung der inner- und mehrjährigen Dynamik der untersuchten Zustandsgrößen des Gebietswasser- und Stoffhaushaltes.
c. Das Modell ist szenariotauglich hinsichtlich kurz- und langjähriger Veränderungen des Klimas und der Landnutzung.
Wie die beigefügte Grafik verdeutlicht, lässt sich das PSCN-Modul in die drei Hauptkomponenten Bodenmodell, Vegetationsmodell und Schneemodell untergliedern. Das Vegetationsmodell enthält Wachstumsmodelle für Wald- und landwirtschaftliche Flächen. Das Bodenmodell besteht aus einem Bodenfeuchtemodell, einem Bodenwärmemodell, einem Kohlenstoff-/Stickstoffmodell und einem Phosphormodell (neu seit 2009). Die einzelnen Teilmodelle sind streng gekapselt. Der Datenaustausch zwischen ihnen erfolgt über spezifische Schnittstellen. Somit ist es möglich, einzelne Teilmodelle auszutauschen bzw. auf verteilten Systemen zu führen. Diese können dabei in unterschiedlichen Sprachen programmiert sein.
Die Vegetationsdynamik wird in Abhängigkeit von der Landnutzung für die einzelnen Hydrotopen simuliert. Je nach Zielstellung der Simulation und der vorhandenen Eingangsdatenbasis kann auch mit einem vereinfachenden Landnutzungsmodell ohne Berücksichtigung der C/N-Dynamik im Boden und im Bestand gerechnet werden.
Die Modellierung der Bodenprozesse erfolgt unter Berücksichtigung der horizontalen Schichtung des Bodens bis hinunter zum Ausgangssubstrat. Dabei werden bei grundwasserbeeinflussten Standorten auch temporär gesättigte Bodenschichten einbezogen. Einen Überblick über die berücksichtigten Teilprozesse des Wasserhaushaltes gibt Abbildung rechts. Neben den Zustandsgrößen zur Beschreibung der Vegetationsdynamik und der Bodenprozesse werden für jedes Raumelement folgende Wasserhaushaltsgrößen in täglicher Auflösung berechnet und zur Weiterverarbeitung an die Lateraldomäne von ArcEGMO übergeben:
Ist ein Hydrotop teilversiegelt (z.B. Siedlungsbereiche), so erfolgt eine getrennte Simulation für die versiegelten und unversiegelten Flächenanteile. Entsprechend des Anschlussgrades des versiegelten Flächenanteils wird der darauf auftreffende Niederschlag dem Trenn- oder Mischkanalisationsnetz zugeführt bzw. dem Oberflächenabfluss zugeordnet, der für eine Wiederversickerung in den benachbarten Flächen zur Verfügung steht.
Die Ablage der Dateien mit den Gebietswasserbilanzen erfolgt nun im Verzeichnis Bilanz des jeweiligen Results-Ordners. Die bisherige Vorgehensweise, Bilanzgrößen für das gesamte Modellgebiet oder für eine Region zu ermitteln, wurde wie folgt präzisiert und erweitert:
Es können nun mehrere Bilanzgebiete parallel ausgewertet werden. Diese sind über unterschiedliche IDs vorzugeben bzw. zu kennzeichnen. Für diese IDs steht der Wertebereich 1 bis n zur Verfügung, so dass im Extremfall für jedes TG eine Bilanz erstellt wird. Größere IDs als n sind nicht zulässig und führen zum definierten Programmabbruch. Zusätzlich wird das gesamte Bilanzgebiet bilanziert, also alle TGs mit einer Bilanzgebiets-ID größer 0. Weiterhin werden zu Kontrollzwecken ebenfalls Bilanzen für alle TGs mit der Bilanzgebiets-ID 0 erstellt. Über diese Bilanzgebiets-ID 0 können für die Grundwasserbilanzierung unter Einbeziehung der Verluste und Gewinne auns/aus dem Grundwasser über den Bilanzgebietsrand die außerhalb des Bilanzgebietes liegenden Flächen definiert werden. Bei dieser Auswertung werden alle Teileinzugsgebiete mit einer Bilanzgebiets-ID größer 0 gemeinsam betrachtet. Im Falle des nicht vorgegebenen Schlüsselworts „BILANZGEBIET“ in der Steuerdatei der Teileinzugsgebiete wird wie gehabt das gesamte Modellgebiet bilanziert.
Die Ansteuerung erfolgt gesammelt in einem neu geschaffenen Block namens „Bilanzen“. Über das Schlüsselwort Bilanzausdruck kann die Bilanzierung komplett unterdrückt werden oder die Ausgabeeinheit einheitlich für alle Teilbilanzen der Modellebenen festgelegt werden.
Das Modul „MET_MOD1“ entspricht der meteorologischen Modellebene ArcEGMOs und enthält alle Teilmodelle, die der Meteorologie zugeordnet sind. Innerhalb des Rahmenprogramms ArcEGMO erfolgt in der Modellebene METEOR die Ermittlung allgemeiner meteorologischer Eingangsgrößen, die von den einzelnen Modellen im Modul „MET_MOD1“ benötigt werden, wie der astronomisch möglichen Sonnenscheindauer und der extraterrestrischen Strahlung gemäß der geographischen Breite des Untersuchungsgebietes, der Jahreszeit, des Gefälles und der Exposition, die gemeinsam mit der Lufttemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit (alternativ dem Dampfdruck), der Windgeschwindigkeit und der Globalstrahlung für die zu modellierenden Flächeneinheiten bereitgestellt werden, sofern die entsprechenden Stationsmesswerte gegeben sind. Somit dient diese Modellebene zunächst der Verwaltung stationsbezogener, meteorologischer Zeitreihen und deren Übertragung auf meteorologiche Modellflächen gemäß der dafür gewählten Raumdiskretisierung. Im Folgenden wird kurz auf zwei umfassendere Teilmodelle eingegangen.
Die potenzielle Verdunstung ETp ergibt sich aus ausschließlich aus der meteorologischen Situation. Dementsprechend wird sie zunächst aus den vorhandenen meteorologischen Eingangsgrößen errechnet und dient daraufhin als Basis für weitere Modellierung und beispielsweise für die Berechnung der realen Verdunstung. Für die Berechnung der potenziellen Verdunstung stehen verschiedenen Ansätze zur Verfügung. Je nach Datenlage wird die Methode gewählt, die mit den vorhandenen Daten kompatibel ist. Die geringsten Anforderungen an die Datenbasis stellen die empirisch-statistischen Verfahren (z.B. Haude-Verfahren, Oudin). Die aus Energiebilanz- und aerodynamischen Verfahren abgeleiteten Kombinationsgleichungen (Penman, Grasreferenzverdunstung GRV) benötigen zusätzliche Eingangsgrößen, wie die Windgeschwindigkeit. Insgesamt kann die potenzielle Verdunstung auf Basis von bis zu 7 (plus Varianten) verschiedenen Methoden ermittelt werden, je nach Datenbasis und Anforderung der Problemstellung.
Das Modul „MET_MOD1“ enthält vier Schneemodelle, mit denen die Schneedynamik entweder empirisch in Abhängigkeit von der Lufttemperatur (Modelle 2, 3/6) oder auf der Basis der vereinfachten Energiebilanzgleichung (Koitzsch & Günther, 1990) beschrieben werden kann. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Abbildung der in der Schneedecke gespeicherten Wassermenge (Wasseräquivalent) und der korrekten Abbildung der Freisetzung von Schmelzwasser hinsichtlich Menge und Zeitpunkt. Die Schneehöhe wird in zwei Modellen (Modell 3 und 4) simuliert, da die Abbildung der aktuellen Schneehöhe die Berücksichtigung der Dichte der einzelnen Schneeschichten erfordert. Da diese durch Metamorphose (aufbauende-, abbauende-, und Schmelzmetamorphose, s. u. a. Gray & Male 1981) einer ständigen Veränderung unterliegen, wäre für ihre Modellierung die geschlossene Abbildung der Energiebilanz des Systems Atmosphäre – Vegetation – Schneedecke – Boden erforderlich. Entsprechende Modellansätze gibt es zwar (z. B. Flerchinger 2000), diese stellen jedoch hohe Anforderungen an die Eingangsdaten (Strahlung, Temperaturen an den Grenzschichten, Bestandseigenschaften, etc.
Eine Talsperre ist zunächst ein Gewässer mit einem Absperrbauwerk, bei dem das Absperrbauwerk dem Einstau eines Fließgewässers zu einem Stausee dient. Die dem Absperrbauwerk gegenüberliegenden Talflanken entsprechen der sonstigen Eingrenzung des Stauraums. Wie auch Hochwasserrückhaltebecken, verfügen Talsperren über einen Grundablass. Im weiteren Vergleich sind Talsperren jedoch ganzjährig mit Wasser gefüllt. Dabei werden wasserwirtschaftlich verschiebliche Bewirtschaftungslamellen (Wasserstände) unterschieden, die das Speicherbecken unterteilen. Dazu gehören der Totraum, unterhalb des Grundablasses, der Reserveraum, der Betriebsraum für den Normalbetrieb, sowie der Hochwasserrückhalteraum. Zudem existiert oberhalb des Grundablasses ein Bewirtschaftungsausalass zur allgemeinen Regulierung, sowie an der Absperrbauwerkskrone ein Hochwasserüberlauf. Dieser wird automatisch aktiviert, wenn der Wasserstand im Speicherbecken die Höhe des Absperrbauwerks überschreitet.
Die Umsetzung von Talsperren in ArcEGMO beruht grundsätzlich auf der Annahme der Retentionswirkung für den Abfluss aus dem Oberlieger. Die Abflusstransformation erfolgt regelbasiert in Abhängigkeit vom Wasserstand, der fortlaufend unter Berücksichtigung der Zuflüsse, Verdunstungsverluste, Nutzungsentnahmen und der Abflüsse berechnet wird. Dies entspricht demnach der Funktion der Seeretention. Weiterhin wurde zur modellmäßigen Abbildung der wasserwirtschaftlichen Wirkung von Talsperren in Flussgebieten in ArcEGMO eine variable Lösung integriert, die eine (jahres)zeitabhängige Regelung mit einer Regelung in Extremsituationen (NW, HW) kombiniert. Somit können zeitlich veränderliche Randbedingungen wie Nutzeransprüche an den Abfluss im Unterlauf, an Entnahmen aus der Talsperre oder an den Wasserstand in der Talsperre variabel über Zeitfunktionen vorgegeben werden. Bei der Abflussbildungsberechnung für das betreffende Teileinzugsgebiet werden zudem die Wasserflächenverdunstung, wie auch der Niederschlag auf die Wasserfläche berücksichtigt.
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.
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.
