Seen

ArcEGMO - Das hydrologische Modellierungssystem

Berechnung der Gewässerverdunstung in ArcEGMO

1. März 2023

Bisher wurde die Verdunstung über freien Wasserflächen in ArcEGMO in vereinfachter Form mit einem Faktor der potenziellen Verdunstung berechnet. Diese Ansätze beruhten auf meteorologischen Standardverfahren (z. B. Turc-Ivanov, Haude, Penman-Monteith) und ermöglichten eine hinreichend gute Abbildung der Wasserbilanz, berücksichtigten jedoch nicht explizit den Austausch zwischen Wasseroberfläche und der Luft.

Mit dem neuen See-Modell (Stand 01.03.2023) wurde in ArcEGMO ein physikalisch fundierter Ansatz zur Berechnung der Gewässerverdunstung nach dem Dalton-Prinzip integriert. Grundlage bildet das in DWA-M 504-1 (Gl. 91) beschriebene Verfahren nach Richter [1984], bei dem die Verdunstungsrate aus dem Temperatur- und Feuchtegradienten zwischen Wasseroberfläche und der Luft in 2 m Höhe bestimmt wird.

Dieser neue Ansatz ermöglicht:

  • die Berücksichtigung von Temperaturunterschieden zwischen Wasseroberfläche und Luft,

  • sowie eine verbesserte saisonale Dynamik der Seeverdunstung insbesondere bei tiefen Gewässern.

Damit erweitert das See-Modul die Prozessabbildung in ArcEGMO und schafft eine Grundlage für präzisere Wasserbilanz- und Klimawirkungsanalysen in Einzugsgebieten mit größeren Wasserflächen.

ArcEGMO |Meteorologie |Seen |Talsperre
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Umsetzung verschiedener Bewirtschaftungsmöglichkeiten in ArcEGMO am Beispiel des Spreemodells

14. April 2022

Das Einzugsgebietsmodell der Spree beruht auf dem im Büro für Angewandte Hydrologie entwickelten Landesmodell Brandenburg. Zur physikalisch fundierten Berücksichtigung der flächenhaften Heterogenität hydrologisch relevanter Gebietseigenschaften (Landnutzung, Boden, Gefälle) wurde das Einzugsgebiet entsprechend dem Gewässernetz und den zu untersuchenden Abflussquerschnitten in Teileinzugsgebiete untergliedert. Diese meist sehr kleinen, weitgehend natürlichen Teilgebiete (im Mittel ca. 1 bis max. 10 km2) wurden weiter in Teilflächen unterteilt, die hinsichtlich der Hauptflächennutzungen (Wald, Freiland, Bebauung) und der Böden (Bodentypen mit charakteristisch unterschiedlichem Infiltrationsverhalten – Kf-Wert, Staubeeinflussung) weitgehend homogen sind. Das GIS-Datenmodell als Grundlage für die NA-Modellierung besteht aus Flächendaten (Boden, Landnutzung, Oberflächenmorphologie und Grundwasserflurabstände), Liniendaten (Gewässerabschnitte) und Punktdaten (Klima- und Niederschlagsstationen, Abflussmessstellen und besondere Gewässerpunkte wie Bauwerke, Steuereinrichtungen, Einleitungen und Entnahmen).

Anbei das gesamte Einzugsgebiet der Spree, landesübergreifend mit den Zuflüssen aus dem Freistaat Sachsen.

Die Datenbasis beschreibt das komplette Modellgebiet der Spree und Dahme (ca. 7264 km2) mit folgenden digitalen Raumelementen:

  • 361 957 Elementarflächen (EFL) als Verschneidung/Kombination von Boden- und Landnutzungsinformationen mit Gefälleklassen, sowie den hydrologischen Teileinzugsgebieten, denen topographische Informationen wie mittlere Höhe, mittleres Gefälle und Exposition anhand des DGMs zugeordnet wurden,
  • 920 oberirdische Teileinzugsgebiete (TG),
  • 9494 Fließgewässerabschnitte (FGW) inklusive Gewässerknoten zur Abbildung von Bauwerken etc. wie der Talsperre Spremberg und weiteren.

Hinsichtlich der Bewirtschaftungen wurde das Modell auf einen aktuellen Stand gebracht. Hierzu wurde für das Modell ein definierter Zustand der wasserwirtschaftlichen Verhältnisse der Spree und somit aller wasserwirtschaftlich relevanten Bauwerke und Strukturen erfasst und ins Modell übertragen. Zu den wesentlichen im Modell abgebildeten Gewässerelemente zur Charakterisierung der derzeitigen Abflussverhältnisse in der Spree zählen 17 Seen, 1 Speicher, 27 Abflussaufteilungen, sowie 3 Talsperre. Alle Anlagen wurden mit ihren speziellen Eigenschaften, d.h. zufluss- oder wasserstandsabhängigen Abgaberegeln, im Modell integriert.

Links sehen Sie die Seen entlang des Verlaufs der Spree bis an die Landesgrenze zu Berlin.

Für die Talsperren, bei denen es sich um die Talsperren Bautzen und Quitzdorf in Sachsen sowie die Talsperre Spremberg in Brandenburg handelt,  wurden die entsprechende Wasserstands-Abflussbeziehung, die Wasserstands-Volumen-Beziehung und die (jahres-)zeitlichen Abflussregeln in in das Modell übertragen. Für die Seen und den Speicher wurden die entsprechende Retentionswirkung und das spezielle Speicherverhalten definiert.

Bei den Abflussaufteilungen wurde zwischen zwei Varianten der Abschlagsermittlung unterschieden. Einerseits wurden die Abflussaufteilungen an Verzweigungen so gesetzt, dass in Abhängigkeit vom Zufluss ein Abschlag in die Verzweigung erfolgt und der Rest im Hauptgewässer verbleibt. Hier wurde mithilfe einer Wasserstands-Abfluss-Beziehung die spezifische Charakteristik der entsprechenden Verzweigung berücksichtigt. Für die zweite Methode wurden programmintern aus Messwerten an einem Pegel am Unterlieger die Abschläge ermittelt, die in den Abzweig fließen. Bei dieser Methode erfolgte die Abgabe somit direkt aus Realdaten.

In den nachfolgend dargestellten Abbildung sind die Abflussaufteilungen im gesamten Spreemodell zu erkennen. Insbesondere der Spreewald bildet mit seinen kleinen Kanälen eine komplexe Struktur aus Verzweigungenen und Zusammenflüssen. Sowohl die komplexen Grabenstrukturen, als auch die Seen und Talsperren beeinflussen den Wasserhaushalt des Einzugsgebiets der Spree maßgeblich und sind daher nicht zu vernachlässigen.

Das im Büro für Angewandte Hydrologie entwicklte Spreemodell konnte bisher für verschiedene Problemstellungen, wie beispielsweise der Niedrig- oder Hochwasserbemessung oder Analysen zum Landschaftswasserhaushalt, erfolgreich genutzt werden.  ArcEGMO bietet mit seiner umfangreichen Bibliothek an Bewirtschaftungswerkzeugen und Teilmodulen folglich ein hervorragendes System zur Simulation und Modellierung komplexer Bewirtschaftungsstrukturen in Einzugsgebieten und Fließgewässersystemen unterschiedlichster Größenordnung.

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