ArcEGMO

ArcEGMO - Das hydrologische Modellierungssystem

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

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

  1. mit dem KTau-Wert des letzten Intervalls der Tabelle gerechnet oder
  2. ein Vorlandspeicher aktiviert werden, in dem das über die Ableitungskapazität des Gerinnes hinausgehende Abflussvolumen zwischengespeichert wird, bis das Gerinne dieses Volumen wieder abführen kann oder
  3. wie bei überströmten Deichen das im Vorland gespeicherte Abflussvolumen sehr stark verzögert dem Gerinne wieder zugeführt wird. Dieser Rückfluss ins Gerinne ist damit unabhängig davon, ob zwischenzeitlich schon wieder Ableitungskapazität im Gerinne vorhanden ist.

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.

Rückstau wird nicht berücksichtigt

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.

Abflusskaskade ohne Rückstau (Normalfall)
Abflusskaskade mit Rückstau
1. Natürlicher Rückstau​
2. Rückstau durch ein Bauwerk
Abfluss |Abflusskonzentration |ArcEGMO |Gerinne |Gerinneabfluss

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.

ArcEGMO |Basisabfluss |Einzellinearspeicher |Grundwasser |Stofftransport

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.

ArcEGMO |Siedlingswasserwirtschaft |Stoffhaushalt |Stofftransport |Vegetation

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

  • der Stoffausträge mit dem Oberflächen-, dem Drainage- bzw. dem hypodermischen Abfluss
  • der Stoffeinträge in den Grundwasserkörper
  • des landwirtschaftlichen Ertragsrisikos bedingt durch Wassermangel.

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:

  • Aktuelle Verdunstung,
  • Oberflächenabflussbildung,
  • Zufluss zum Kanalisationsnetz (unterteilt in Misch- und Trennkanalisation) bzw. in lokale Versickerungsmulden (Pfützner, 2002),
  • Hypodermischer Abfluss,
  • Zufluss ins Drainagesystem
  • Perkolation aus der Wurzelzone unter Einbeziehung des Makroporenflusses,
  • Pflanzenentzug, bei grundwasserbeeinflussten Standorten unter Berücksichtigung des kapillaren Aufstiegs.

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.

ArcEGMO |Bodenwasserhaushalt |Stoffhaushalt |Vegetation

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.

ArcEGMO |Bilanz |Bilanzgebiet

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.

Potenzielle Verdunstung:

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.

 

Schneedynamik:

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.

ArcEGMO |Meteorologie |Meteorologische Modellebene

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.