Modelleigenschaften
ArcEGMO ist kein Modell im klassischen Sinne, sondern ein variables Modellierungssystem,
- das über definierte Schnittstellen die Einbindung hydrologischer Teilprozessmodelle ermöglicht ,
- das variable Verknüpfungsmöglichkeiten dieser Teilprozessmodelle in Abhängigkeit von der Problemstellung, dem Maßstabsbereich und der verfügbaren Datenbasis bietet,
- das über Schnittstellen den Zugriff auf externe Datenbanken gestattet (vorrangig zu raumbezogenen (GIS-)Daten) und
- dessen Modellparameter in definierter Beziehung zu Rauminformationen stehen und aus diesen abgeleitet werden können.
ArcEGMO gestattet
- hydrologische Modellanwendungen in unterschiedlichen Raum- und Zeitmaßstäben mit unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Diskretisierungen.
- die Modellierung in unterschiedlichen Regionen (Mittelgebirge, Tiefland) und unterschiedlichen Maßstabsbereichen unter Berücksichtigung der jeweils dominanten Prozesse,
- Modelluntersuchungen mit den gemäß den verfügbaren Daten und der gegebenen Zielstellung angepassten Genauigkeitsanforderungen,
- eine sehr effektive Nutzung unterschiedlich strukturierter Grundlagen,
- eine effektive Verarbeitung großer Datenmengen bei hoher räumlicher Auflösung.
ArcEGMO ist unter Windows und Unix nutzbar, es besitzt keine eigene grafische Nutzeroberfläche, aber vielfältige Schnittstellen zu Office- und GIS-Programmen. Dabei ist es an keine GIS-Software gebunden, da nur Attribute von GIS-Geometrien verwendet werden. Nachfolgend sind die mit ArcEGMO abbildbaren Teilprozesse aufgeführt, die je nach hydrologischer Frage-/Problemstellung modelliert werden können.
Abbildbare Teilprozesse in ArcEGMO:
| Evapo-transpiration | Phänologie | Interzeption | Gerinne-abfluss | Oberflächen-abfluss | Kanalisations-abfluss | Drainage-abfluss | Schnee-schmelze | Mulden-speicher-simulation | Speicher-simulation |
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| Boden-temperatur | Infiltration | Perkolation | Hypo-dermischer Abfluss | Makroporen-abfluss | Kapillar-aufstieg | Gesättigte Bodenzone | Ungesättigte Bodenzone (Speicher-ansatz) | Grundwas-serströmung |
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Modellstruktur
ArcEGMO ist ein öko-hydrologisches Modellierungssystem, das es gestattet, je nach Zielstellung der Modellierung (Problemstellung), der Größe des Untersuchungsgebietes (Maßstabsbereich), des Landschaftstyps (Tiefland, Gebirge) und der verfügbaren Daten die Teilmodelle einzubinden, die für die gegebene Problemstellung erforderlich sind. ArcEGMO ist also kein “festverdrahtetes” Modell, sondern ein Baukasten, der es gestattet, aus verschiedenen Modellbibliotheken ein individuell geeignetes Gebietsmodell zu kreieren und/oder über Schnittstellen gekoppelt mit anderen Programmen/Modellen zu arbeiten. Auf der rechten Seite ist die allgemeine Modellstruktur ArcEGMO’s mit den verschiedenen Modellebenen zu erkennen. Weitere Informationen zur Modellstruktur enthält die Programmdokumentation. Im folgenden Abschnitt sind zudem die Module der einzelnen Modellebenen aufgeführt.
Modellebenen
ArcEGMO ist in die 5 Modellebenen Meteorologie (MET), Abflussbildung (ABI), Direktabfluss (RD), Grundwasserabfluss (GW) und Gewässerabfluss (Q) gegliedert. Jede Modellebene besitzt, abhängig von den Raumeigenschaften, eine Diskretisierung in Raumelemente, denen Teilprozessmodelle zugeordnet sind. Über die GIS – Datenbasis erfolgt die Organisation der Datenflüsse zwischen und innerhalb der Ebenen. Raumelemente können Punkte (z. B. Niederschlagsstationen), Linien (z. B. Fließgewässer) und Flächen (z. B. Bodenkarte) sein. Alle Modellflächen werden in der GIS – Datenbasis zu Elementarflächen verschnitten. Die Elementarflächen können auch ein Raster sein, wie es zur Kopplung mit dem ArcEGMO internen Grundwassermodell GW-ASM benötigt wird. Bei den zur Teilprozessbeschreibung einsetzbaren Modulen handelt es sich um physikalisch begründete konzeptionelle Modellansätze, mit deren Hilfe aus vorgegebenen Systeminputs (meteorologische Größen) und vorgegebenen Systemeigenschaften (z. B. Boden- und Vegetationskennwerte) bzw. Systemzuständen (wie Speicherfüllungen) alle den Gesamtwasserhaushalt einer Landschaft bzw. eines Flussgebietes bestimmenden Zustandsveränderungen und die resultierenden Systemausgänge ermittelt werden können.
METMOD → Ermittlung des Niederschlagsdargebots und der potentiellen Verdunstung, sowie Berechnung der Schneedynamik
EGMO → Abflussbildung auf grundwasserfernen & -nahen Flächen unter Berücksichtigung der Interzeption, der Infiltration und Muldenspeicherung, sowie des Bodenwasserhaushalts
PSCN → Modellierung der Wasserdynamik im System Vegetation-Boden unter besonderer Berücksichtigung des Kohlen- & Stickstoffhaushalts
URBAN → Zeitlich und räumlich hochaufgelöste Modellierung des urbanen Wasserabflusses und der daran gebundenen Stoffströme auf der Ebene der Flussgebiete mit besonderem Fokus auf die innerjährliche Dynamik des Eintragsgeschehens zur Quantifizierung lokaler Belastungschwerpunkte für den Stoffhaushalt in Oberflächengewässern
KinWave → Detaillierte Abbildung der Konzentration des Landoberflächenabflusses
RD_SIMP → Einfache Abbildung der Konzentration des Landoberflächenabflusses
QLS → Modellierung der Konzentration im Fließgewässersystem über Linearspeicherkaskaden
KalMil → Modellierung der Konzentrationsprozesse im Fließgewässersystem über Linearspeicherkaskaden mit Betrachtung der Retentionswirkung in Abhängigkeit vom aktuellen Abfluss auf Grundlage des Ansatzes nach Kalinin-Miljukov
EGMO_GW →Modellierung der Konzentration des Basisabflusses über Einzellinearspeicheransätze
Transferzone → Sub-Modul zur Betrachtung der Aufteilung des Sickerwassers in lateral und vertikal versickerndes Bodenwasser auf der Fließstrecke zwischen der durchwurzelten Bodenzone und der Grundwasseroberfläche (un-/teilgesättigte Bodenzone)
Kopplungen → Modellierung der Grundwasserströmung durch die Kopplung externer Grundwassermodelle an ArcEGMO
Modellierung von Bewirtschaftungsmaßnahmen mithilfe einer umfassenden Bibliothek von wasserwirtschaftlichen Anlagen und zeitlich variablen Steuerungsoptionen
Umgebung
ArcEGMO bietet verschiedene Möglichkeiten zur Aufbereitung und Verwaltung meteorologischer Eingangsdaten, dabei existieren mehrere Methoden zur räumlichen Interpolation, Lückenschließung für verschiedene Datenformate (stations- oder rasterbezogen). Weiterhin lässt sich in Abhängigkeit von der zeitlichen Auflösung der meteorologischen Daten, die Zeitschrittweite variabel einstellen (5 Minuten bis 1 Tag). Die interne Schrittweite kann zudem automatisch entsprechend der Prozessdynamik angepasst werden. Es besteht keine Bindung an eine GIS-Software, benötigt werden lediglich Raumbezüge in den Attributen. ArcEGMO bietet ferner die Möglichkeit der Kopplung mit externen Modellen, um komplexe hydrologische Prozesse in Einzugsgebieten adäquat abzubilden. Es bestehen bereits Schnittstellen zu verschiedenen Grundwassermodellen (PCGEOFIM, FEFLOW und MODFLOW), sowie zu hydraulischen Programmen.
Ein weiterer Aspekt ist die Möglichkeit der Abbildung verschiedener anthropogener Einflüsse auf das hydrologische Regime, beispielsweise die Gewässerbewirtschaftung mit verschiedenen Bauwerkstypen (Talsperren, HRB, Staue, etc.) und ihren Steuerregeln (Entnahmen, Ein- und Überleitungen), sowie die Flächenbewirtschaftung (Land- und Forstwirtschaft). Dabei können externe Randbedingungen variabel über Zeitfunktionen vorgegeben werden. Die effektive Datenverwaltung erlaubt ferner den Aufbau sehr großer, komplexer Modelle, wie Landesmodellen. So umfassen die NA-Modelle für Sachsen-Anhalt und Brandenburg mehr als 1 Mio. Elementarflächen und 20.000 Gewässerabschnitte. Es existiert zudem eine Restart-Option, sodass bestimmte Gebietszustände als Anfangsbedingung übernommen werden können. Damit bietet ArcEGMO die Option der operationellen Anwendung für eine effektive Ensemble-Vorhersage.
Eingangsdaten
Die Eingangsdaten für ArcEGMO unterteilen sich in vorrangig raum- und zeitbezogene Daten. Welche Daten konkret benötigt werden, hängt von der Zielstellung der Modellierung und den dafür benötigten Teilmodellen ab. So werden für die Modellierung des Bodenwasserhaushalts meteorologische Zeitreihen (Niederschlag, potenzielle Verdunstung bzw. die Angaben zur Strahlung, Lufttemperatur, Luftfeuchte und Wind zur Berechnung der potenziellen Verdunstung), Boden- und Landnutzungsdaten, sowie Informationen zur Grundwasserbeeinflussung (z.B. Grundwasserstand) benötigt.
Ein digitales Geländemodell ist erforderlich für die Übertragung der meteorologischen Größen von der Messstation auf die zu modellierenden Flächen in Abhängigkeit von der Höhenlage und zur Berechnung des Strahlungshaushalts in Abhängigkeit von Gefälle und Hangausrichtung. Sollen Abflüsse im Gewässer simuliert werden, werden Informationen zu Geometrien des Gewässernetzes benötigt, inklusive wasserbaulicher Anlagen zur Steuerung der Abflussverhältnisse. Für die Modellierung von Prozessen, wie den Grundwasserströmungsverhältnissen oder Nährstoffausträgen sind weitere Datengrundlagen erforderlich. Die verschiedenen Grundlagendaten werden ins GIS-Datenmodell von ArcEGMO integriert und so für die Modellierung verfügbar gemacht. Weitere Informationen zum Datenbedarf enthält die Programmdokumentation.
Simulation
Die Initialisierung dient der Generierung des hydrologischen Modells, inklusive
- Integration der raum- und zeitbezogenen Daten
- Einlesen der Klima- und Niederschlagsstationen und der meteorologischen Zeitreihen
- Einlesen der GIS-Datenbasis
- Aufbau des internen Geo-Datenmodells (Bilden von Verknüpfungen zwischen den
GIS-Daten untereinander und zu den Kennwerttabellen, Binden der meteorologischen Zeitreihen an die Bezugsgeometrien)
- Initialisierung der Modellebenen
- Speicherbereitstellung für Parameter und Systemvariablen
- Parameterermittlung und Startwertbelegung für Abflussbildungsmodell, Gesamtabflussmodell, Direktabflusskonzentrationsmodell, Grundwassermodell
- Initialisierung der Ergebnisauswertung.
Im Run-Modus erfolgt die eigentliche Modellabarbeitung, d.h.
- die Übertragung der punkt- oder rasterbezogenen vorliegenden meteorologischen Daten auf die Modellierungseinheiten des Abflussbildungsmodells
- Simulation der hydrometeorologischen Prozesse (Strahlungsbilanzierung, Schneeschmelze, Verdunstungsberechnung)
- Simulation der Abflussbildung (Effektivniederschlag, Grundwasserneubildung, reale Verdunstung)
- Konzentration des Direktabflusses zum Vorfluter
- Konzentration des Grundwasserabflusses zum Vorfluter
- Abflusskonzentration und -retention im Vorfluter
und die Ergebnisauswertung.
Zu Beginn der Modellabarbeitung können
- im Zuge der Optimierung modifizierte Parameter nachgeladen werden,
- hydrologische und meteorologische Zeitreihen neu eingelesen werden (Optimierung von Parametern für mehrere Ereignisse)
- Systemzustände (ereignisbezogen) nachgeladen werden.
Der End-Modus dient der Freigabe der allokierten Speicherbereiche, der Speicherung der Ergebnisse, dem Schließen noch geöffneter Dateien.
Simulationsergebnisse:
Je nach Modellkonfiguration besteht ein unterschiedlicher Bedarf an Umfang und Aggregation der räumlichen und zeitlichen Simulationsergebnisse. Deshalb bietet ArcEGMO eine Vielzahl an Ergebnisgrößen, aus denen die erforderlichen Zielgrößen selektiert und bedarfsangepasst ausgegeben werden können. Alle Ergebnisdateien werden im ASCII-Format ausgegeben, so dass sie schnittstellengerecht weiterverarbeitet werden können.
- Relate-Tabellen, die GIS-gestützt direkt mit den Bezugsgeometrien verknüpft werden können.
- Raumaggregation: für Fließgewässerabschnitte, Elementarflächen/Raster, Hydrotope, Kaskaden, Teileinzugsgebiete, Regionen, Gesamtgebiet
- Selektion: z.B. ausgewählte Fließgewässerabschnitte, an denen Pegel liegen
- Zeitreihen, die direkt in Excel geladen werden können
- Zeitaggregation: Minuten, Stunden, Tag, Monat, Jahr, Gesamtzeitraum
- Datenmodus: Summe, Mittelwert, Minimum, Maximum innerhalb des Auswerteintervalls entsprechend der Zeitaggregation