ArcEGMO

ArcEGMO - Das hydrologische Modellierungssystem
28. Februar 2022

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

Das neue Datenformat 6 wurde für die bei der Klimaszenariensimulation vorhandenen Rasterdatensätzen der Klimadaten entwickelt. Bei Nutzung räumlich sehr hoch aufgelöster Klimadatensätze im Rasterdatenformat (à alle Teildatenbestände müssen die gleiche Struktur, d.h. die gleiche Zeilen- und Spaltenanzahl besitzen) erfolgt eine direkte Zuordnung der Elementarflächen zu den Rasterzellen. Jeder Elementarfläche werden demnach die Klimadaten der Rasterzelle zugewiesen, in welcher sie bzw. ihr Mittelpunkt liegt. Auf komplexere Interpolationen unter Einbeziehung der Höhenabhängigkeit der meteorologischen Daten oder die Berücksichtigung der Daten weiterer Nachbarzellen wird verzichtet. Dies führt zu beträchtlichen Geschwindigkeitsvorteilen bei der Modellinitialisierung, da die Ermittlung der räumlichen Übertragungsfunktionen für die Klimadaten entfällt.

Für die Nutzung dieses Datenformates muss jede Station in der Datei <MET_STAT> bzw. jede Rasterzelle eine eindeutige Stationskennung (Integerzahl) besitzen, die zur Bindung der entsprechenden Tabellenspalte in der Datendatei dient. Diese Kennung ist über einen „spatial join“ auch den Elementarflächen als Attribut zuzuordnen.

Beim ersten Modelllauf wird daraufhin automatisiert eine Datei angelegt, in der die Rekordnummern der für das Modellierungsgebiet relevanten Rasterzellen gespeichert sind. Bei nachfolgenden Modellläufen werden somit nur noch die in dieser Datei angegebenen Raster genutzt.

Ergänzung:

Die Datenformate 6 und 2 in meteorologischen Steuerdatei (Meteor.ste) können durch die Anzahl der Stellen (Ausgabeformat) der Stations-IDs ergänzte werden. Wenn statt 6 nun 5 stellige ID’s eingegeben werden, werden die Stationsnummern in einer Breite von 5 Ziffern herausgeschrieben, d.h. die 4-stelligen IDs werden mit führenden Nullen erwartet. Bleibt das Format bei 6 oder wird 60 angegeben, werden die Zahlen in ihrer benötigten Breite (4-Steller 4stellig, 5 Steller 5 stellig etc., also wie bisher) herausgeschrieben.

ArcEGMO |Datenformat |Meteorologie

Das Bewässerungsmodul dient dazu, die zur Verfügung stehenden Bewässerungswassermengen auf die Flächen landwirtschaftlicher Kulturen zu verteilen, auf denen ein zusätzlichen Wasserbedarf existiert. Die notwendigen Steuerinstruktionen für dies Modul befinden sich in der Modulsteuerdatei (modul.ste) im Block „Bewaesserung“.

Der Zusatzwasserbedarf kann über zwei Tabellen regelbasiert vorgegeben werden.

  • Tabelle 1 beinhaltet als Teilmenge der Landnutzungstabelle die Landnutzungen, die einen zusätzlichen Wasserbedarf aufweisen und ordnet sie einer Bedarfsklasse zu. Außerdem kann für jede Landnutzung die angestrebte Bodenfeuchte (Zielfeuchte ZF) im Wurzelraum in Prozent der nutzbaren Feldkapazitaet vorgegeben werden. Aus dieser Zielgröße wird dann das Defizit in der Bodenwasserversorgung und der daraus resultierende Bewässerungsbedarf ermittelt. Ist keine Zielfeuchte angegeben, wird auch kein Bewässerungsdefizit berechnet und die Bewässerung ergibt sich aus den vorgegebenen Beregnungsmengen bzw. Fördermengen der Brunnen.
  • Tabelle 2 wiederum weist den einzelnen Bedarfsklassen Anteile zu, die sie von dem zur Verfügung stehenden Zusatzwasserangebot erhalten.

Die Bedarfsdeckung erfolgt über Brunnen, die in einem separaten Punkt-Cover verwaltet werden. Dieses Cover wird über den Block Brunnen in der Modulsteuerdatei (modul.ste) angesteuert. Jedem Brunnen wird eine tägliche Förderrate [m3/Tag] zugewiesen, die dann für jeden Tag des Berechnungszeitraumes angesetzt wird, sofern nicht zusätzlich über eine Bewirtschaftungsdatei ein differenzierter zeitlicher Verlauf der Fördermengen vorgegeben wird. Möglich sind zeitliche Verläufe, wie Monats- oder Jahreswerte oder mittlere Jahresgänge.

Für die Verteilung des Brunnenwassers auf die bewässerten Kulturen muss den betreffenden Elementarflächen ein Bewässerungsbrunnen zugeordnet werden. Im Elementarflächen-Cover ist dementsprechend ein Attribut mit der ID des zugeordneten Brunnens anzulegen. Die Ansteuerung dieses Attributes wird ebenfalls im Block Bewaesserung innerhalb der Modulsteuerdatei (modul.ste) organisiert.

Die Verteilung des über die Brunnen geförderten Bewässerungswassers erfolgt von jedem Brunnen auf die angeschlossenen bzw. dem Brunnen zugeordneten Elementarflächen, sofern die landwirtschaftliche Nutzung der Elementarflächen einen Bewässerungsbedarf ausweist. Die Fördermenge wird zuerst gemäß den Anteilen, die den einzelnen Bedarfsklassen zugewiesen wurden, aufgeteilt. Die Aufteilung auf die einzelnen Elementarflächen erfolgt im zweiten Schritt gemäß des Flächenanteils der Elementarflächen an der Gesamtfläche aller von diesem Brunnen gespeisten Elementarflächen dieser Bedarfsklasse.

ArcEGMO |Bewässerung |Bewirtschaftung

Bei der Bearbeitung von kleineren Teilbereichen eines sehr großräumigen Modells ist das Herausfiltern der relevanten Teildatensätze (Spalten in den Rasterdatendateien) zeitlich sehr aufwendig. Insbesondere, wenn mit diesen Teilbereichen sehr häufig gearbeitet werden soll, z.B. im Zuge der Parameterermittlung, lohnt es sich die relevanten Teildatensätze separat abzuspeichern und damit wiederkehrende Zugriffe auf diese Daten zu beschleunigen. Für diesen Zweck wurde eine Routine geschrieben, die im Rasterdatenformat vorliegende Klimadaten aufsplittet, so dass z.B. eine Modelloptimierung für Parameterregionen zeiteffizient durchgeführt werden kann. Es wird davon ausgegangen, dass im Vorfeld den Einzugsgebieten ID’s zugewiesen wurden, in welcher Parameter- bzw. Modellregion sie liegen.

Diese Modellregion wird programmintern auf die Elementarflächen übertragen. Für die Elementarflächen wird vorausgesetzt, dass ihnen über das Attribut „METEOROLOGISCHES_TEILGEB“ die jeweilige Zelle des Klimadatenrasters zugeordnet ist, in der sie bzw. ihr Mittelpunkt liegt. Die Routine wird über den Eintrag Rasterdaten4Regionen in der Hauptsteuerdatei (Arc_EGMO.ste) aktiviert. Folgt diesem Steuerwort eine Zahl, wird diese als ID der zu bearbeitenden Region interpretiert. Wird keine Region angegeben, werden alle Regionen, die sich aus der Teileinzugsgebietsdatenbasis ableiten lassen, bearbeitet.

Im Ergebnis wird im aktuellen Resultsverzeichnis für jede bearbeitete Region ein Unterverzeichnis mit Namen ParaReg_<RegionsID> angelegt, welches die jeweiligen Teilbestände der Rasterdatenbasis, die selektierten Elementarflächen und eine MetstatSelect.txt für die Region beinhaltet.

ArcEGMO |Klimadaten

Das neue Modul gibt für einen Gewässerpunktden einen maximalen seitlichen Zufluss (Q_Rand) in Abhängigkeit vom Zufluss (Qzu) zu diesem Gewässerpunkt an. Dies kann durch die Vorgabe eines festen Grenzwertes (Qgrenz) erfolgen (vorzugeben über K3 in der GWP-Tab). Der max. seitliche Zufluss ergibt sich dann zu Qrand = Max(0.,(Qgrenz – Qzu)).

Alternativ kann auch über eine Wasserstands-Abfluss-Beziehung der Zufluss vorgeben werden, wobei Q_max den aktuellen Durchfluss Qzu im Hauptgerinne, Q_min den max. seitlichen Zufluss Qrand definiert.

Der zusätzliche Zufluss kann dann einer Talsperre als weiterer Wert zu Begrenzung der maximalen Abgabe vorgegeben werden. Dazu ist in der Fließgewässerdefinitionsdatei dieser Talsperre über das Schlüsselwort UntererRand die ID des Gewässerpunktes vorzugeben, über den diese Begrenzung vorgeben wird.

ArcEGMO |Gewässerpunkt