ArcEGMO

ArcEGMO - Das hydrologische Modellierungssystem

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.

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