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