ArcEGMO

ArcEGMO - Das hydrologische Modellierungssystem
10. Februar 2024

In der neuesten Version von ArcEGMO wurde eine  Erweiterung eingeführt, die es ermöglicht, Meteorologiedaten direkt aus NetCDF-Dateien  für die EFL-Direktzuordnung einzulesen. Diese neue Funktion bietet eine effiziente Möglichkeit, auf große Datensätze zuzugreifen und sie zu verarbeiten. Im Gegensatz zur früheren sequentiellen Methode, bei der Gitterpunkte je Elementarfläche nacheinander gelesen wurden, werden die Daten jetzt einmalig komplett in den Arbeitsspeicher geladen, was die Verarbeitung erheblich beschleunigt.

Um den Bedürfnissen der Nutzer besser gerecht zu werden, wurden neue Einlese-Modi zur Zeitersparnis und zur Reduzierung des Arbeitsspeicherverbrauchs eingeführt. Diese Modi können über das Steuerwort LESEMODUS aktiviert werden und bieten verschiedene Optionen, darunter das Lesen einer Unterregion für jeden Zeitschritt oder das Lesen aller Zeitschritte einer Unterregion auf einmal. Zudem ist es nun möglich, ein Daten-Subset je Zeitschritt einzulesen, was zuvor nicht möglich war.

Die Anpassungen in der Meteo.dbf beinhalten die Erstellung eines Grid-Layers basierend auf den Gitter-Koordinaten aus der DBF und die direkte Zuordnung der Grid-ID zu den Elementarflächen (EFL). Dadurch wird eine präzise Zuordnung der meteorologischen Daten zu den entsprechenden Elementarflächen sichergestellt.

Es wird empfohlen, vor der Verwendung dieser neuen Funktion die Dokumentation auf mögliche Kompatibilitätsbrüche und andere potenzielle Abweichungen zu überprüfen. Dies ist wichtig, um sicherzustellen, dass das Projekt reibungslos funktioniert und die gewünschten Ergebnisse erzielt werden.

ArcEGMO |Klimadaten |Meteorologie

**Änderungen im Modellierungssystem ArcEGMO-PSCN**

In letzter Zeit wurden tiefgreifende Änderungen im Modellierungssystem ArcEGMO-PSCN vorgenommen, die zu Inkompatibilitäten mit älteren Projekten führen können. Um mögliche Probleme zu minimieren, wird nun ein Abgleich zwischen der aktuellen ArcEGMO-Version (Softwareversion) und der Version des Projekts erzwungen, für die es angepasst wurde. Dieser Abgleich basiert auf Semantic Versioning (https://semver.org/), wobei die Softwareversion nach dem Schema MAJOR.MINOR.PATCH nummeriert ist:

– **MAJOR**: Brüche mit älteren Konfigurationsdateien/Projektstrukturen, z.B. Änderungen in der Struktur der modul.ste für das GW1-Modell, PSCN Min-Max Verdunstung.
– **MINOR**: Weiterentwicklungen an einzelnen Modellen, Einführung neuer Modelle.
– **PATCH**: Behebung von Fehlern.

Die Umsetzung erfolgt über das Schlüsselwort **PROJEKT_VERSION**, das mit der aktuell verwendeten Exe abgeglichen wird. Dabei gelten folgende Regeln:

  • 1. Ist das Projekt ohne **PROJEKT_VERSION**, wird ein Hinweis angezeigt, die Dokumentation auf Kompatibilitätsbrüche und andere potenzielle Gründe für Abweichungen zu überprüfen. Das Programm wird abgebrochen. Nach dem nutzerseitigen Abgleich muss PROJEKT_VERSION mit der Major-Projektversion der aktuellen Softwareversion eingetragen werden.

    2. Ist die Major-Projektversion kleiner als die Major-Softwareversion, wird ein Hinweis angezeigt, die aktuelle Dokumentation auf Kompatibilitätsbrüche und andere potenzielle Gründe für Abweichungen zu überprüfen. Das Programm wird abgebrochen. Nach dem nutzerseitigen Abgleich muss die Major-Projektversion in **PROJEKT_VERSION** auf die der Softwareversion angehoben werden.

    3. Ist die Major-Projektversion größer als die Major-Softwareversion, wird ein Hinweis darauf gegeben, dass Probleme auftreten können. Die Dokumentation sollte auf Kompatibilitätsbrüche und andere potenzielle Gründe für Abweichungen überprüft werden. Entweder kann die **PROJEKT_VERSION** heruntergesetzt werden (Achtung!) oder das Schlüsselwort **ALTE_EXE_ERLAUBEN?** muss gesetzt werden.

Dynamische Abbildung von Grundwasserverlagerungen in ArcEGMO

Das beobachtete Absinken der Grundwasserstände in Brandenburg, insbesondere auf den Hochflächen, führt zu Trockenfallen von Fließgewässern aufgrund fehlender Grundwasseranbindung. Dies führt dazu, dass die Einzugsgebiete der betroffenen Gewässer zu Binneneinzugsgebieten werden, bei denen die Grundwasserneubildung erst in unterliegenden Gebieten abflusswirksam wird. In ArcEGMO können diese Effekte durch Grundwasserverlagerungen dargestellt werden.

Um diesem dynamischen Prozess gerecht zu werden, wurde die Möglichkeit geschaffen, den bisher fest vorgebbaren Kennwert GW_Verlust für Einzugsgebiete über Zeitfunktionen abzubilden. Dafür wird der neue Datentyp GWW genutzt, und die entsprechende Datentabelle ist in der Datei mit den Bewirtschaftungsdaten BW_File.tab anzugeben.

Da diese Grundwasserverlagerungen nur in EGMO_GW1 genutzt werden, müssen sich die Angaben zwingend auf Teileinzugsgebiete (TG) beziehen. Es können alle von ArcEGMO unterstützten zeitlichen Auflösungen genutzt werden.

Es ist von entscheidender Bedeutung, zu beachten, dass in der GWW-Datei der Anteil des Grundwasserabflusses angegeben wird, der im Entstehungsgebiet abflusswirksam wird, und nicht der im TG-Cover als GW_Verlust angegebene Anteil, der das Gebiet verlässt.

Dieser Unterschied ist essenziell, um eine korrekte Modellierung der Grundwasserverlagerungen zu gewährleisten und mögliche Missinterpretationen zu vermeiden. Daher sollten die Angaben in der GWW-Datei entsprechend präzise und korrekt erfolgen, um die Genauigkeit der Ergebnisse nicht zu beeinträchtigen.

ArcEGMO |Bodenwasserhaushalt |Grundwasser

**Verbesserter Ansatz für die ReInfiltration von Flusswasser in Gewässerauen**

Frühere Modelle bis etwa 2016 stießen bei kleinen Gewässern mit geringem Zufluss von Oberliegern oft auf Probleme, da sie in trockenen Sommerperioden zu negativen Gewässerabflüssen führten. Im aktuellen Ansatz wird die Reinfiltration nun auf das im Gewässerabschnitt gespeicherte Wasservolumen begrenzt. Allerdings kann diese Begrenzung zu starken Einschränkungen der Reinfiltration führen, da das gespeicherte Volumen oft deutlich kleiner ist als das Volumen, das den Gewässerabschnitt während eines Zeitschritts passiert und reinfiltrieren könnte.

Deshalb wurde ein neuer Ansatz entwickelt, der die Reinfiltration auf den aktuellen Durchfluss begrenzt und negative Durchflüsse verhindert. Dieser Ansatz wird durch den neuen Eintrag `potLeakage 1` im Block `GW_Modell` der `modul.ste` aktiviert.

Die Aufteilung der reinfiltrierenden Wassermengen eines Teileinzugsgebiets erfolgt bei `potLeakage 0` basierend auf dem Längenanteil der Fließgewässer (FGWs) im Teilgebiet und bei `potLeakage 1` gemäß der speisenden Einzugsgebietsfläche.

Die Größe der ReInfiltration wird in beiden Ansätzen durch einen Einzellinearspeicher beschrieben, dessen Speicherkonstante durch den Eintrag `kLeakage` im Block `EGMO_GW1` angegeben wird. Ein Wert von 1 bedeutet eine starke Kopplung zwischen Grund- und Gewässerwasser, wobei etwa 65% des verfügbaren Flusswassers ins Grundwasser infiltrieren können. Ein Wert von 100 hingegen bedeutet, dass nur etwa 2% reinfiltrieren können, was einer sehr geringen Kopplung entspricht.

Die globale Kopplung zwischen Grund- und Gewässerwasser wird durch `kLeakage` festgelegt und kann lokal durch ein entsprechendes Attribut in der Attributtabelle des Teilgebiets präzisiert werden.

ArcEGMO |Bodenwasserhaushalt |Grundwasser

**Erweiterung der Grundwassermodelle EGMO_GW und EGMO_GW1 für zusätzliche Abflussanteile in der Vertikalen**

Im Rahmen der Weiterentwicklung der Grundwassermodelle EGMO_GW und EGMO_GW1 wurde eine Funktion implementiert, um zusätzliche Abflussanteile in der Vertikalen zu berücksichtigen. Bisher wurde dies durch Markierung weiterer Abflussanteile mit einem speziellen Schlüsselwort („+2.Schicht“ bzw. „+HypodermischeKomponente“) ermöglicht. Diese Methode stieß jedoch an Grenzen, da sie nur das Hinzufügen eines weiteren Abflussanteils erlaubte.

Um diese Limitierung zu überwinden, wurde speziell für EGMO_GW1 eine Anpassung vorgenommen. Dabei wurden zwei neue Unterblöcke eingeführt: **EGMO_GW1_2.Schicht** und **EGMO_GW1_HypodermischeKomponente**. In diesen Unterblöcken folgen nach den entsprechenden Steuerwörtern die Namen der Komponenten, denen ein hypodermischer Abfluss gemäß dem SlowComp-Ansatz oder ein zweites Auslaufverhalten bei Überschreiten einer Grenzspeicherfüllung zugewiesen werden soll.

Die Zuordnung zu den unter **ABFLUSSKOMPONENTEN** definierten Komponenten erfolgt über den Namen. Dadurch ist es möglich, einem einzelnen Abflusskomponenten weitere Zeitverhalten zuzuweisen. Jeder Unterblock muss mit einer entsprechenden Trennzeile von „+“ abgeschlossen werden.

Es ist zu beachten, dass dem Abfluss von grundwassernahen Flächen RN kein weiteres Zeitverhalten zugewiesen werden kann. Falls RN in den neuen Unterblöcken auftaucht, wird dies entsprechend ignoriert.

ArcEGMO |Bodenwasserhaushalt |Grundwasser

**Bias-Korrekturmodul für Grundwasserneubildung**

ArcEGMO hat ein neues Bias-Korrekturmodul erhalten, das über den Anweisungsblock **BIAS_KORREKTUR** in der `modul.ste` Datei gesteuert wird. Diese Funktion ermöglicht Korrekturen für raster- oder EFL-basierte Ansätze, jedoch nicht für den EGMO-Ansatz.

Mit dem neuen Modul können Abweichungen zwischen Modellvarianten analysiert und zur Bias-Korrektur verwendet werden. Über das Steuerwort `ZIELGROESSE` wird die zu korrigierende Größe ausgewählt, derzeit ist dies nur die Grundwasserneubildung (`GWN`). Das Steuerwort `BIAS_KorrekturTyp` legt fest, ob eine mittlere Korrektur (-1) oder Korrekturen basierend auf monatlichen Abweichungen vorgenommen werden. Die relevante Datentabelle wird durch `BIAS_TABELLE` angegeben.

Die IDs der EFLs und die Namen der Attributspalten werden über `OBJEKTID` und `KorrekturAttribute` definiert. Standardmäßig lauten diese `ID` und `bk_` (wobei `bk_` intern mit `y` für Jahreswerte und `1` bis `12` für monatliche Korrekturen ergänzt wird). Alternativ können Struktur und Namen der Korrekturdatei fest vorgegeben werden.

Die Tabelle, die für die Korrektur verwendet wird und mit `CalcBiasTab` erstellt wurde, sollte im Verzeichnis `..\GIS\ascii.pat` unter dem Namen `efl_bk.gwn` gespeichert sein. Das neue Modul optimiert so die Anpassung der Grundwasserneubildung und verbessert die Modellgenauigkeit erheblich.

**Neue Funktion zur Analyse von Modellunterschieden in ArcEGMO**

Um Unterschiede zwischen zwei Modellvarianten besser zu verstehen, wurde eine neue Funktion in die Tabellenkomponente des Grundwassermodells integriert. Diese Funktion ermöglicht es, Differenzen zwischen zwei Ergebnisdateien zu ermitteln und unterstützt so die Bias-Korrektur in ArcEGMO. Dabei werden die mittleren Abweichungen der Ergebnisse (Datei2 – Datei1)
für die Modellgeometrien und für jeden Monat berechnet. Diese
monatlichen Abweichungen können für eine Bias-Korrektur verwendet
werden, um den Jahresgang anzupassen oder zu korrigieren.

Die Analyse setzt voraus, dass beide zu vergleichenden Dateien binär im Excelformat vorliegen und Monatswerte in Millimetern pro Tag (mm/d) enthalten. Wichtig ist, dass beide Dateien denselben Zeitraum abdecken und Ergebnisse für dieselben Modellgeometrien in der gleichen Reihenfolge enthalten.

Diese neue Funktion bietet eine präzise und effiziente Möglichkeit, Modellunterschiede zu identifizieren und zu analysieren, was die Qualität der Modellergebnisse weiter verbessert.

**Grundwassermodell: Neue Funktion zur verbesserten Abflussaggregation**

Das Grundwassermodell hat ein nützliches Update erhalten. Bislang wurden die Abflüsse aus den Einzellinearspeichern (ELS) für jede Abflusskomponente einzeln in Tabellen gespeichert. Mit der Erweiterung für **EGMO_GW1** wird nun zusätzlich eine Datei erzeugt, die den Flächenanteil jeder Abflusskomponente an den Teilgebieten (TGs) angibt.

Dieses Update erleichtert die Datenanalyse, indem es die Ergebnisse für die Komponenten, die in der ersten Zeile der Datei `tg_ELS-Area.txt` aufgelistet sind, aggregiert. Die Datei- und Komponentennamen werden automatisch angepasst, um den Abflussdaten eine klare Struktur zu geben.

Neu ist auch, dass bei Angabe des Zeitbezugs der Abflüsse in Sekunden als vierter Parameter, die Abflusswerte direkt in Kubikmeter pro Sekunde (m³/s) umgerechnet werden.

Diese Verbesserungen sind darauf ausgelegt, die Datenbearbeitung effizienter zu gestalten. Das System kann bis zu 50.000 TGs verarbeiten, was große Flexibilität bietet.

**Bleiben Sie informiert über die neuesten Entwicklungen im Bereich der Grundwassermodellierung!**

ArcEGMO |Bodenwasserhaushalt |Grundwasser

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.

ArcEGMO |Potenzielle Verdunstung |Results

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.

Eingangsdaten

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.

Interzeption (INTZEP)

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.

Sättigungsflächenbildung (ANSAT)

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.

Abflussbildung an der Bodenoberfläche (INFILT)

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.

Bodenkapillarwasserhaushalt (BOKA)

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:

  1. Die Einsickerung erfolgt in bevorzugten Sickerbahnen, was dazu führt, dass unterhalb der ersten Schicht ein bestimmter Flächen­an­teil vom Sickerwasser schwerer erreicht wird.
  2. Tiefwurzelnde Pflanzen schöpfen auch aus größerer Tiefe Was­ser, selbst wenn in höher gelegenen Schichten noch Wasservorräte vor­handen sind.

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.

Verdunstungsreduktion auf grundwassernahen Flächen

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.

Abflussbildung |ArcEGMO |Bodenwasserhaushalt |Evapotranspiration |Infiltration |Interzeption |Kapillaraufstieg |Vegetation |Verdunstung