1.4 Raumbezogene Eingangsinformationen

1.4.1 Die GIS-Datenbasis und ihre prinzipielle Struktur

1.4.2 Teileinzugsgebiete TG

1.4.3 Fließgewässersystem FGW

1.4.4 Kaskadensegmente KAS

1.4.5 Elementarflächen EFL

	1.4.5.1 EFL.PAT
	1.4.5.2 Relate-Tabelle LNTZ.TAB
	1.4.5.3 Relate-Tabellen für die BODEN-Parametrisierung
	1.4.5.4 Relate-Tabelle GEF.TAB
	1.4.5.5 Relate-Tabelle FLURAB.TAB
	1.4.5.6 Relate-Tabelle HALDEN.TAB

1.4.6 Hydrotopklassen HYD

	1.4.6.1 Vorklassifizierung der Elementarflächen
	1.4.6.2 Zuordnung der Elementarflächen zu Hydrotopklassen

1.4.7 Regionen

1.4.1 Die GIS-Datenbasis und ihre prinzipielle Struktur

Die Organisation der Datenflüsse zwischen den einzelnen Modellkomponenten, die Modellparameterermittlung aus raumbezogenen Informationen wie auch die Verwaltung der raumbezogenen Modellergebnisse erfolgen GIS-gestützt.

Grundlage für die Anwendung der beschriebenen Modellierungskonzeption ist die GIS-gestützte Aufbereitung der raumbezogenen Eingangsinformationen. In deren Ergebnis entsteht eine definierte Datenstruktur, die alle raumbezogenen Informationen für die hydrologische Modellierung enthält.

Zur Beschreibung der Mengenflüsse zwischen diesen Modellierungsebenen werden die räumlichen Zuordnungen der einzelnen Modellierungseinheiten zueinander ermittelt. Eine Übersicht über den gegenwärtigen Stand der je nach Anwendung zu erstellenden GIS-Datenbasis gibt Tabelle 4-1.

Die GIS-Datenbasis besteht aus Geometrien, die in Coverages verwaltet werden. Flächengeometrien sind vorzugsweise Polygone, es können aber auch Raster bzw. Grids sein. Den Geometrien sind Attribute über Zeiger bzw. Verweise zugeordnet. Diese Attribute werden in Attribut-Tabellen (PAT für Punkt- und Polygon-Attribute, AAT für Arc-Attribute) oder Relate-Tabellen verwaltet.

Tabelle 4-2 gibt einen Überblick über die Modellierungs-Coverages, ihre Verweise aufeinander und auf Relate-Tabellen. Diese Coverages werden durch verschiedene GIS-Operationen, in erster Linie Verschneidungen, erzeugt. Für alle Punkt-Coverages und die Elementarflächen werden die X/Y-Koordinaten der Geometrien auf Basis eines planimetrischen Koordinatensystems (z.B. Gauss-Krüger, UTM) benötigt. Diese werden für die Polygongeometrien als Koordinaten des Flächenschwerpunktes den Attribut-Tabellen angefügt.

Zeiger auf Relate-Tabellen, die nicht im Zuge der Verschneidung von den Ausgangskarten übernommen werden können, müssen manuell angefügt werden.

Die Relate-Tabellen beinhalten, nach inhaltlichen Gesichtspunkten geordnet, Eigenschaften bzw. Attribute der Geometrien der Coverage, auf die über Verweise oder Schlüssel zugegriffen werden kann. Rein formal hätten die in den Relate-Tabellen verwalteten Eigenschaften auch direkt in den Attribut-Tabellen des Coverage gespeichert werden können. Da aber zwischen vielen Attributen und den Coverages "one to many"-Beziehungen existieren, sind Relate-Tabellen zur Vermeidung von Redundanz eine effektivere Form der Verwaltung. Welches Attribut in welchem hydrologischen Modul verwendet wird, ist in den einzelnen Moduldokumentationen  (siehe Kapitel 2. der Dokumentation) verzeichnet.

Die Vorgehensweise zur Erzeugung und die Form der Datenschnittstelle ist in Abbildung 4‑1 schematisch dargestellt.

Abbildung 4‑1: GIS-gestützte Datenaufbereitung und hydrologisches Programmsystem

Die Datenbasis kann je nach vorliegenden Datengrundlagen in verschiedenen Formaten eingelesen werden. Möglich sind ASCII-, DBASE- oder INFO- Dateien. Es muss lediglich beachtet werden, dass das Format in der entsprechenden Strukturdefinitionsdatei (Bsp. TG.sdf) angegeben wird und der entsprechende Speicherort verwendet wird (siehe Abbildung 4-2 und Tabelle 4-3).

Abbildung 4‑2: Strukturdefinitionsdatei TG.sdf

Im Folgenden wird allgemein von Datenbasis (.DB) gesprochen, gemeint ist damit die Datenbasis unabhängig vom Datenformat. Für die Beispieldateien wird das derzeit gängigste Format (.dbf) verwendet, es könnte hier aber auch jedes andere der oben beschriebenen Formate eingesetzt werden.

Die beiden Modellierungs-Cover TG und EFL stellen das notwendige Minimum geometriebezogener Informationen für die Niederschlag-Abfluss-Modellierung dar. Für eine reine Wasserhaushaltsmodellierung wird lediglich das Elementarflächen-Cover benötigt. Allen Modellierungs-Covern sind, wie in Tabelle 4-2 und Abbildung 4‑3 dargestellt, Attributtabellen zugeordnet, welche die eigentlichen, für die Modellierung relevanten Informationen beinhalten.

Abbildung 4‑3: Geometriebezüge der Attributdaten in der GIS-Schnittstelle

Welche Informationen in den Attribut- und Relate-Tabellen benötigt werden, ist abhängig vom Informationsbedarf der aktivierten Module der Modellbibliothek. In den folgenden Beschreibungen dieser Tabellen werden die obligatorischen Attribute, die das Informationsminimum darstellen, gesondert gekennzeichnet.

Das hydrologische Modell nutzt nur die Informationen dieser Attributtabellen und kann deshalb geometriefrei und somit sehr effektiv abgearbeitet werden. Werden die Modellergebnisse wiederum in Attributtabellen oder Relate-Tabellen gespeichert, stehen sie nach der Modellrechnung sofort im GIS für die Visualisierung und analytische Auswertung zur Verfügung. Abbildung 4‑4 skizziert das Datenmodell.

Abbildung 4‑4: Ausschnitt aus dem Datenmodell der GIS-Schnittstelle

Für die Verarbeitung der Informationen in den Attribut- und Relate-Tabellen der GIS-Datenbasis wurde eine Schnittstelle geschaffen, in der eine Programmkomponente für jedes Coverage zur Verfügung steht. Einen Überblick über die Struktur der GIS-Schnittstelle gibt Abbildung 4‑5. Diesen Komponenten ist gemeinsam, dass sie den Zugriff auf Tabellen im INFO- oder ASCII-Format gestatten.

Abbildung 4‑5: Struktur und Komponenten der GIS-Schnittstelle

Die Tabellen können variabel strukturiert sein bzgl. Spaltenanzahl, Spalten- bzw. Attributbezeichner, Zahlenformaten und Zeilenanzahl.

Die jeweils aktuelle Tabellenstruktur wird den Modulen über beschreibende Steuerdateien mitgeteilt, da sie sich immer auf konkrete Datenstrukturen beziehen. Es ist erforderlich, dass alle GIS-Daten eines Projektes gemeinsam mit den Steuerdateien im GIS-Verzeichnis des aktuellen Projektes gespeichert sind, wobei sich die Steuerdateien im Verzeichnis DESCRIBE befinden.

Alle Anweisungsblöcke innerhalb dieser Steuerdateien beziehen sich jeweils auf genau eine Attribut- bzw. Relate-Tabelle. Jeder Block beginnt mit einem Schlüsselwort als Kennung der Tabelle, gefolgt vom Tabellenformat (ASCII oder INFO) und der Dateibezeichnung. Die folgenden Zeilen beinhalten i.d.R. Angaben zu den Attributen innerhalb der Tabelle bzw. den Spaltenbezeichnern. Nach einem Schlüsselwort zur verbalen Kennzeichnung der Art des Attributes erfolgt die in der konkreten Tabelle verwendete Attributbezeichnung. Datentyp und Speicherformat sind ohne Belang, da programmintern eine sehr variable Zuweisung der Tabellendaten auf Programmvariablen erfolgt.

Durch Anpassung der Steuerdateien auf die konkreten Tabellen kann mit unterschiedlichsten Tabellenstrukturen gearbeitet werden. Es kann aber auch schon während der Erstellung der GIS-Datenbasis gewährleistet werden, dass die Tabellenstrukturen den im Weiteren angegebenen Beispielen entsprechen, so dass die Steuerdateien ohne Änderungen genutzt werden können.

Das Modellierungsgebiet kann räumlich unterschiedlich stark unterteilt werden. Dabei gliedert sich das Gesamtgebiet (GEB) in Teileinzugsgebiete (TG) die wiederum in Kaskaden aufgeteilt werden können (KAS). Teileinzugsgebiet und Kaskaden sind aus Hydrotopen zusammengesetzt, die ihrerseits aus Elementarflächen mit ähnlichen Eigenschaften gebildet werden. Sowohl für die Berechnungen als auch für die Ergebnisausgabe können unterschiedliche Raumbezügen gewählt werden, die in der Hauptsteuerdatei ArcEGMO.ste festgelegt werden (siehe Abbildung 4-6) Durch die Wahlmöglichkeit des Raumbezuges und damit der benötigten räumlichen Differenziertheit der Ergebnisse einerseits und der Zusammenfassung ähnlicher Gebiete zur Verringerungen des numerischen Aufwands andererseits, eignet sich das Modell für die multiskalige Anwendung.

Abbildung 4‑6: Wahl der Raumbezüge für die Modellierung und Ergebnisausgabe

Beispiele für die Raumgliederung sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Je höher die räumliche Diskretisierung ist, desto länger sind aber auch die Rechenzeiten, weil für jede der Raumeinheiten der Wasserhaushalt mindestens in Tagesschrittweite berechnet wird.

Abbildung 4‑7: Raumgliederung (GEBIET=1 Fläche, TEILGEBIET=18 Flächen, HYDROTOPE=352 Flächen, ELEMENTARFLÄCHEN=6661 Flächen)

Im Folgenden werden die verschiedenen Raumgliederungen ausführlich beschrieben.

1.4.2 Teileinzugsgebiete TG

Für die räumliche Diskretisierung des Untersuchungsgebietes in Teileinzugsgebiete ist das Digitale Höhenmodell (DHM) nutzbar. Eine Reihe von GIS bieten Routinen, die eine automatische Ermittlung von Einzugsgebietsgrenzen gestatten. Allerdings sind dabei hohe Anforderungen an die Detailliertheit des DHM zu stellen, insbesondere bei wenig strukturierten Gebieten im Tiefland. Das Cover mit den Einzugsgebietsgeometrien kann dann um weitere Attribute ergänzt werden, um z.B. Nachbarschaftsbeziehungen zwischen Teileinzugsgebieten berücksichtigen zu können. Im Zuge der Modellierung wird auf Basis der Nachbarschaftsbeziehungen (Unterlieger) die "Baumstruktur" für die Modellabarbeitung aufgebaut. Der oder die "Wurzeln" in dieser Baumstruktur, d.h. die Teileinzugsgebiete, die den Gebietsauslass bilden, werden mit dem Unterlieger -1 kodiert. Ist der Verweis auf den Unterlieger nicht vorgegeben, wird dieser programmintern aus den Unterliegerbeziehungen des Fließgewässersystems ermittelt. Ein weiteres Attribut, das den Einzugsgebietsgeometrien zugeordnet werden kann, ist ein Verweis auf geologische Einheiten, deren Informationen für die Parametrisierung des Grundwassermodells genutzt werden können. Tabelle 4-4 zeigt ein Beispiel für eine dem Coverage TG zugeordnete Attribut-Tabelle.

In dieser wie auch in allen weiteren Tabellen sind die obligatorischen Attribute, die in jedem Fall für eine Modellierung benötigt werden, normal dargestellt, während die nur bei bestimmten Modellkonfigurationen erforderlichen Attribute kursiv gekennzeichnet sind. So können z.B. den Teilgebieten Lagekoordinaten zugeordnet werden, die z.B. für eine teilgebietsbezogene Flächenübertragung der Klimagrößen benötigt werden.

Hier wie auch bei einer Reihe weiterer Parameter wird bei fehlenden Angaben programmintern versucht, diese aus Informationen anderer Cover abzuleiten. So werden fehlende Koordinatenangaben für die TG's durch den flächengewichteten Mittelwert aller TG-internen Elementarflächen ersetzt.

In der Tabelle GEO.TAB sind geologischen Einheiten hydraulische Leitfähigkeiten zugeordnet, die zur Parametrisierung des Abflusskonzentrationsmodells für die unterirdischen Abflusskomponenten genutzt werden können.

Als Schnittstelle zwischen Modell und den teileinzugsgebietsbezogenen GIS-Daten steht die Beschreibungsdatei DESCRIBE\TG (s. Abbildung 4‑8) zur Verfügung.

Abbildung 4‑8 Steuerdatei TG.SDF

1.4.3 Fließgewässersystem FGW

Ebenso wie die Erstellung der anderen Modellierungs-Coverages hängen auch die Anforderungen und Verfahrensweisen bei der Erzeugung des Fließgewässer-Coverages FGW weitgehend von der Zielstellung der Modellierung an sich ab.

Wird die Anwendung hydrologischer Modellansätze als problemadäquat angesehen, so wie es in der mittel- und großskaligen Modellierung vielfach ausreichend aber auch erforderlich ist, kann das Gewässernetz nur als integrale Größe innerhalb größerer Modelleinheiten (z.B. Teileinzugsgebiete) behandelt werden. So lassen sich wesentliche Retentionseigenschaften des Gewässernetzes als Funktion der Gewässerdichte und des mittleren Gewässergefälles ausdrücken.

Sind Aussagen nicht nur zum Abfluss, sondern auch zum Wasserstand erforderlich, ist das Gewässernetz wesentlich detaillierter zu behandeln. Im Zuge der Datenaufbereitung ist es in relativ homogene Abschnitte zu untergliedern, die dann auch separat modelliert werden.

Ausgangspunkt für die Erzeugung des FGW-Covers ist ein Coverage, das die wichtigsten dauerhaft wasserführenden Fließgewässer beinhaltet. Dieses ist bedarfsweise zu ergänzen um:

• nur zeitweilig wasserführende bzw. nur durch den Direktabfluss gespeiste Gewässerabschnitte, die sich entsprechend der Oberflächenstruktur ergeben und damit aus dem DHM abgeleitet werden können (Abflussrinnen),
• zusätzliche Knoten an den Punkten im Gewässernetz, an denen zusätzliche Informationen wie Abflussreihen zur Verfügung stehen (informationsadäquat) oder für die Modellergebnisse berechnet werden sollen (problemadäquat).

Bedarfsweise sind weitere Verfeinerung der Gewässerabschnitte vorzunehmen, um die folgenden Homogenitätskriterien bzgl. der hydraulischen Eigenschaften (prozessadäquat) zu erfüllen,

1. einheitliches Gefälle (z.B. unter Nutzung des DGM Schnittpunkte zwischen Gefällestufen und Gewässernetz neue Knoten bilden),
2. einheitlicher Gewässertyp bzgl. Ausbauzustand, Sohlmaterial etc.,
3. einheitlicher Vorlandtyp bzgl. Vegetation, Vorlandgeometrie etc.,
4. einheitliches Gewässerprofil.

Das nunmehr bzgl. seiner Geometrien fertig gestellte Cover ist zum Abschluss noch um Attribute zu ergänzen, und zwar durch

• Zuordnung des Gewässertyps, des Vorlandtyps und des Profils zu den Gewässerabschnitten, sofern entsprechende (hydraulische) Modellansätze zur Beschreibung des Gewässerabflusses verwendet werden sollen,
• Zuordnung der Höhe zu den Gewässerknoten, die aus dem DHM ermittelt werden kann, als Grundlage für die programminterne Ermittlung der Fließrichtung und des Gefälles in den Gewässerabschnitten.

Tabelle 4-6 und Tabelle 4-7 zeigen die im Ergebnis dieser GIS-gestützten Datenaufbereitung entstandenen Attributtabellen des Linien-Coverages FGW, die für die Modellierung des Fließgewässersystems verwendet werden.

Über die Zuordnung zu einem Einzugsgebiet wird ausgewiesen, von welchen Abflüssen der jeweilige Gewässerabschnitt gespeist wird. Wird während der programminternen Erstellung des Gebietsmodells kein zugeordnetes TG gefunden, erfolgt eine Warnung, dass dieser Gewässerabschnitt nicht gespeist wird. Über eine bewusste Zuordnung nicht vergebener TG-Ids (z.B. 0) kann z.B. für verrohrte Abschnitte eine Speisung aus dem Eigeneinzugsgebiet verhindert werden.

Über die Vergabe von TG_IDs < 0 kann im Übrigen erreicht werden, dass diese Gewässerabschnitte nicht eingelesen und demzufolge gar nicht simuliert werden.

1.4.3.1 Relate-Tabelle PROFIL.TAB

Tabelle 4-8 dient der geometrischen Beschreibung der Gewässerquerprofile, sofern sie regelmäßig sind. Verweisstrukturen zu unregelmäßigen Querprofilen sind bisher nicht integriert.

Folgende Angaben werden in dieser Tabelle zur Beschreibung von max. 2-stufigen Regelprofilen (Gewässerbett, Vorland) benötigt (vgl. Abbildung 4‑9):

• sb            Sohlbreite in [m]
• pt            Profiltiefe in [m]
• bbl,bbr     Böschungsbreite links/rechts in [m]
• snl,snr     Seitenneigung links/rechts (=Profiltiefe /Böschungsbreite)
• vbl,vbr     Vorlandbreite links/rechts
• vt            max. Abflusstiefe im Vorland

Abbildung 4‑9: Schematische Darstellung des unterstützten Regelprofils

Die Größen Sohlbreite, Profiltiefe, Gewässerbreite können, soweit vorhanden auch jeden einzelnen Gewässerabschnitt zugeordnet und zur Festlegung eines Trapezprofils genutzt werden.

Beim Einlesen in das Modell wird nach diesen Größen zuerst im FGW-Cover gesucht, wenn hier keine Einträge vorhanden sind, wird über Profil.tab zugegriffen.

1.4.3.2 Relate-Tabelle FGW_TYP.TAB

Tabelle 4-9 beinhaltet Angaben zur Beschreibung des Gewässertyps, seines Ausbauzustandes bzw. des Ausbaumaterials und der Rauhigkeitsverhältnisse im Gewässer.

1.4.3.3 Relate-Tabelle VORL_TYP.TAB

Tabelle 4-10 beinhaltet Angaben zur Beschreibung des Bewuchses im Ausuferungsbereich bzw. Vorland des Gewässers und zu den damit verbundenen Rauhigkeitsverhältnissen.

Als Schnittstelle zwischen Modell und den gewässerabschnittsbezogenen GIS-Daten steht die Beschreibungsdatei DESCRIBE\FGW.SDF (s. Abbildung 4‑10) zur Verfügung.

Abbildung 4‑10: Steuerdatei FGW.SDF

1.4.4 Kaskadensegmente KAS

Gemäß dem Kaskadenkonzept können jedem Flussabschnitt mindestens 2 Abflusskaskaden zugeordnet werden - jeweils eine rechte und eine linke. Jede Abflusskaskade als Analogon zu den Stromröhren in der Hydraulik wird begrenzt von den Tallinien, die vom unteren und vom oberen Knoten eines Gewässerabschnitts zu den Einzugsgebietsgrenzen verlaufen. Für Quellflussabschnitte ergibt sich demzufolge ein zwickelförmiges Restgebiet bzw. eine dritte Kaskade. Alle Abflusskaskaden eines Gewässerabschnittes bilden dessen Eigeneinzugsgebiet. Sie können unter Nutzung von GIS-Funktionalitäten und dem DHM ausgegrenzt werden, indem jeweils für den unteren und oberen Knoten eines Gewässerabschnittes das zugehörige Einzugsgebiet ermittelt wird. Das sich als Flächendifferenz ergebene Eigeneinzugsgebiet ist dann noch mit dem Gewässerabschnitt selbst zu verschneiden, so dass sich im Ergebnis die erforderliche linke und rechte Kaskade ergeben.

Diese Kaskaden sind bzgl. der Flächeneigenschaften, die maßgeblich die Direktabflussbildung und die Grundwasserneubildung beeinflussen, weiterhin äußerst inhomogen. Entsprechend den Ausführungen in Kapitel 2.2.1 kann deshalb eine weitere Untergliederung der Kaskaden in Segmente erfolgen. Dabei können signifikante Störungen wie Straßen, Wechsel in den Eigenschaften wie Grundwasserflurabstände, Gefälle- oder Nutzungsverhältnisse etc. zur Unterteilung verwendet werden. Sicherzustellen ist, dass jedes Segment genau einen Unterliegersegment besitzt oder ins Gewässer entwässert.

Tabelle 4-11 zeigt den Aufbau der Attribut-Tabelle des Polygon-Coverages der Kaskadensegmente KASEG. Den Kaskadensegmenten sind keine Relate-Tabellen zugeordnet, da alle für die Modellierung benötigten Nachbarschaftsbeziehungen redundanzfrei direkt in der Attributtabelle ablegt werden können und weitere, relevante Eigenschaften wie mittleres Gefälle oder Rauhigkeit innerhalb eines Segmentes aus den Eigenschaften der internen Elementarflächen abgeleitet werden können.

Als Schnittstelle zwischen Modell und den kaskadensegmentbezogenen GIS-Daten steht die Beschreibungsdatei DESCRIBE\KAS.SDF (s. Abbildung 4‑11) zur Verfügung.

Abbildung 4‑11: Steuerdatei KAS

1.4.5 Elementarflächen EFL

1.4.5.1 EFL.DB

Der Mindestdatenbedarf zur Erstellung des Cover EFL besteht aus einer Boden- und einer Landnutzungskarte, denen über Tabellen hydrologisch relevante, physikalisch Kennwerte zugeordnet werden können.

Die folgenden digitalen Informationen können zusätzlich einbezogen werden:

• Höhe, Gefälle und Exposition, ableitbar aus einem digitalen Höhenmodell (DHM),
• Grundwasserflurabstand,
• Meliorationsflächen,
• Sonderstrukturen wie Halden und kanalisierte Flächen.

Eine schematische Darstellung zur EFL-Erzeugung gibt Abbildung 4‑12.

Abbildung 4‑12: Übersichtsschema zur EFL-Erzeugung

Das Ziel bei der Erzeugung des Elementarflächen-Coverage EFL ist es, Flächen zu erhalten, die bzgl. der entscheidenden Systemausgänge quasihomogen reagieren. Die Art und Weise der Erzeugung ist deshalb abhängig von der zur Verfügung stehenden Datenbasis und von der Aufgabenstellung, den damit verbundenen Genauigkeitsanforderungen und dem Maßstabsbereich, in dem modelliert wird. Es ist die Frage zu klären, welche Flächeneigenschaften dominierend sind und deshalb für die Geometriebildung genutzt werden sollten und für welche Flächeneigenschaften es ausreichend ist, nur als "repräsentativer" Wert berücksichtigt zu werden.

Für Wasserhaushaltsmodellierungen im Tiefland hat sich eine Elementarflächengliederung als günstig erwiesen, bei der Flächennutzung und Bodenkarte für die Geometriebildung genutzt werden und deshalb flächenscharf verschnitten werden.

Sind Abflussberechnungen durchzuführen, ist eine räumliche Zuordnung der Elementarflächen zu Teileinzugsgebieten und/oder zu Kaskadensegmente (je nach Detailliertheit der ortsabhängigen Diskretisierung) erforderlich, die über eine zusätzliche Verschneidung mit deren Geometrien erfolgt.

Für den Grundwasserflurabstand und das Gefälle können für die so entstandenen Flächen "repräsentative" Mittelwerte ermittelt werden, indem der Grundwasserflurabstand und das DGM innerhalb jeder Elementarfläche ausgewertet werden, ohne dass eine weitere Verschneidung stattfindet. Die hier entstehenden Elementarflächen sind also Flächen mit homogenen Nutzungs- und Bodenverhältnissen, denen jeweils ein repräsentativer Wert für den Grundwasserflurabstand und das Gefälle zugeordnet wurde.

Es können aber auch z.B. im DGM Gefälleklassen zu neuen Geometrien zusammengefasst werden und diese für eine flächenscharfe Verschneidung genutzt werden.

In Regionen, in denen das Abflussverhalten weitgehend durch das Relief geprägt wird, ist es u.U. günstiger, eine "harte Verschneidung" des Covers mit einem vorhandenen digitalen Höhenmodell durchzuführen. Unterschiede in der Landnutzung dagegen könnten zu einer geringeren räumliche Differenzierung führen und sollten so ggf. als Mittelwert den Elementarflächen des aus der harten Verschneidung mit den Reliefdaten resultierenden Covers zugeordnet werden.

Die Art und Weise der Erzeugung des Elementarflächen-Covers kann also weitestgehend vom Anwender gesteuert werden, lediglich die im Ergebnis entstehende Struktur der dem Cover zugeordneten Attributtabelle muss der in Tabelle 4-12 aufgeführten entsprechen.

Dabei gibt es eine Reihe grundsätzlich notwendiger Eigenschaften, die in der nachfolgenden Tabelle als obligatorisch bezeichnet werden.

Die Nutzbarkeit von Gefälleinformationen wird in Kap. 1.4.5.4 beschrieben.  Werden keine Gefälleinformationen bereitgestellt, so wird für sämtliche Flächen ein Gefälle von 0 % angenommen. Analoges gilt für Höhenwerte.

Fehlen Angaben zu den Grundwasserflurabständen, so wird davon ausgegangen, dass sämtliche Flächen grundwasserfern sind.

Bei "Halden" handelt es sich um Sonderstandorte, die nur selten in Datensätzen zur Landnutzung gesondert ausgewiesen werden.

Als Schnittstelle zwischen Modell und den elementarflächenbezogenen GIS-Daten steht die Beschreibungsdatei DESCRIBE\EFL.SDF (s. Abbildung 4‑13) zur Verfügung. In dieser Steuerdatei ist die projektbezogene Tabellenstruktur (Bezeichnungen der Dateien, Attribute etc.) gespeichert, die sich weitestgehend selbst erläutert, so dass hier darauf verzichtet werden kann.

Abbildung 4‑13: Steuerdatei EFL.SDF - Abschnitt EFL.DB

1.4.5.2 Relate-Tabelle LNTZ.TAB

Die hydrologisch relevanten Eigenschaften unterschiedlicher Landnutzungen werden in der Tabelle LNTZ.TAB verwaltet, auf die über das Schlüsselattribut LNTZ_ID zugegriffen werden kann. Zur Berücksichtigung nutzungsbedingter Unterschiede in den Flächeneigenschaften werden den im Untersuchungsgebiet vorkommenden Flächennutzungen Kennwerte zugeordnet (s. Tabelle 4-13).

Dies kann erfolgen unter Angabe von Minimal- und Maximalwerten (hier nicht wiedergegeben), die jahreszeitliche Änderungen wie bei der Wurzeltiefe ausdrücken können oder im Sinne eines Toleranz- oder Fehlerbereichs zu interpretieren sind.

Für diese Zuordnung werden eigene Erfahrungswerte und Literaturangaben verwendet, z.B. für die Interzeptionsspeicherkapazität als Richtwerte für Brache 1.3 mm, Acker und Weide 3 mm, Wald und Gebüsch 5 mm nach Hills 1971.

Wasserflächen sind für die spätere Abflussbildungsmodellierung gesondert zu kennzeichnen. Dazu erhalten sie eine fiktive Interzeptionspeicherkapazität > 100 mm.

Über die SELECT-Angabe (s. Abbildung 4‑14 unter INFORMATIONSAUSWAHL) kann für die Modellierung festgelegt werden, ob das Minimum oder das Maximum oder aber der Mittelwert aus beiden für die Modellierung verwendet werden soll.

Abbildung 4‑14:  Steuerdatei EFL.SDF - Abschnitt Landnutzung

1.4.5.3 Relate-Tabellen für die BODEN-Parametrisierung

Für die hydrologische Modellierung der Direktabflussbildung, der Infiltration und des Bodenwasserhaushaltes werden die folgenden Bodeninformationen in ihrer räumlichen Verteilung benötigt:

• k_f-Werte der Bodenschichten innerhalb der wechselfeuchten Bodenzone,
• Bodenkapillarwasserspeicherkapazität.

Die Bodenkapillarwasserspeicherkapazität wird ermittelt aus der nutzbaren Feldkapazität, bezogen auf die Mächtigkeit aller Bodenschichten innerhalb der wechselfeuchten Bodenzone. Die Mächtigkeit der wechselfeuchten Bodenzone wird als das Minimum aus effektiver Wurzeltiefe, Grundwasserflurabstand und Bodenmächtigkeit an sich geschätzt. Letztere Bedingung wird wirksam, wenn oberflächennah Fels ansteht bzw. bei geringmächtigen Lockergesteinsschichten.

Abbildung 4‑15:Steuerdatei EFL.SDF - Abschnitt Boden

Zur Berücksichtigung der Bodeneigenschaften werden im Zuge der Modellparametrisierung 2 Tabellen aufgebaut - eine Bodenformentabelle, die u.a. den Schichtaufbau des Bodens beschreibt und Verweise auf die Substrattabelle enthält und eine zweite Tabelle, die für die hydrologische Modellierung die relevanten bodenphysikalischen Kennwerte enthält.

Beide Tabellen sind Bestandteil des GIS-Datenmodells des Systems ArcEGMO. Die Bodenarten werden vorzugsweise im

1. Messwertformat, mit der Zuordnung von Parametern zu jedem Horizont, erwartet. Weiterhin unterstützt werden die folgenden Formate [5] für die Substrattabellen
2. KA4-Format,
3. KA3-Format,
4. MIN-MAX-Format
5. Formate für die direkte Kennwertzuordnung

Bis auf das Format für die direkte Kennwertzuordnung werden für die obige Formate Beispieltabellen zur Verfügung gestellt. Diese zeigen die prinzipielle Struktur dieser Tabellen, können aber bedarfsweise modifiziert, ergänzt oder reduziert werden, so dass eine variable Anpassung auf die konkreten Erfordernisse gegeben ist.

Das Messwertformat beruht auf der Parametrisierung jedes Bodenhorizontes und orientiert sich an den Bodeninformationen der meisten Länder. In der Bodentablle sind die Horizonte untereinander angeordnet (s. Abbildung 4-16), so dass für jeden Horizont eine eigene Tabellenzeile zur Verfügung steht, in der die in Tabelle 4-14 aufgeführten Informationen bereitstehen.

Abbildung 4‑16: Auszug aus der Bodentabelle im Messwertformat

Wenn Speicherkapazitäten und/oder Kf-Werte nicht bekannt sind, können diese Einträge über den Wert -9999. gekennzeichnet werden. Diese Informationen werden programmintern über die Bodenart und die Lagerungsdichte aus der KA4 zugeordnet und bei Angabe eines Skelettanteils und eines Humusgehaltes entsprechend korrigiert. Sofern die derzeit aktuelle KA5 genutzt werden soll, müssen deren Kennwerte manuell den eventuellen Fehlstellen zugewiesen werden. Eine automatische Zuordnung ist derzeit nicht vorgesehen.

Da programmintern die Mächtigkeit der wechselfeuchten Bodenzone aus dem Minimum von effektiver Wurzeltiefe, Grundwasserflurabstand und Bodenmächtigkeit an sich geschätzt wird, kann über die Angabe der Schichtmächtigkeit der letzten Bodenschicht erreicht werden, dass für tiefgründige Böden die über Wurzeltiefe bzw. Grundwasserflurabstand definierte Mächtigkeit maßgebend wird und wertmäßig mit Bodeninformationen belegt ist (s. ID=5 in Abbildung 4‑20, fiktive Mächtigkeit 10000). Für geringmächtige bzw. gesteinsunterlagerte Böden (s. ID=4 in Abbildung 4‑20) dagegen wird die wechselfeuchte Bodenzone über die Bodenmächtigkeit definiert. Für Flächen in der Bodenkarte, die wie versiegelte Flächen reagieren (Fels) oder von denen bekannt ist, dass sie versiegelt sind (Autobahnen etc.) wird über die Angabe einer "0" für die Anzahl der Bodenschichten erreicht, dass sie auch vom Modell als versiegelte Flächen erkannt und entsprechend modelliert werden. Zu ergänzen ist diese Tabelle noch um bebaute Flächen und Wasserflächen, um unter Einbeziehung dieser i.d.R. nicht mit Bodeninformationen belegten Einheiten eine flächendeckende Modellierungsdatenbasis zu erhalten. Über die Angabe einer "-9999" für die Anzahl der Bodenschichten wird erreicht, dass sie programmintern mit mittleren Bodeninformationen belegt werden und dadurch modellmäßig beschreibbar sind.

Die weiteren Formate sind älteren Ursprungs und wurden Mitte der 90er Jahre geschaffen, um die damals in den verschiedenen Bundesländern sehr heterogenen Datenstrukturen möglichst umfassend zu unterstützen.

Das KA4-Format beruht auf der "Bodenkundlichen Kartieranleitung" (Ag Bodenkunde 1995) und ermöglicht die direkte Nutzung der in dieser Anleitung vorgeschlagenen Werte für die Luftkapazität lk [in Vol.%], die nutzbare Feldkapazität nFK [in Vol.%] und die hydraulische Leitfähigkeit Kf [in cm/d]. Diese Werte sind nach der Lagerungsdichte LD differenziert, wobei die Lagerungsdichten 1 bis 2 zu 1/2 und 4 bis 5 zu 4/5 zusammengefasst wurden. Abbildung 4‑17 zeigt einen Auszug aus der Datei BOART.KA4, die beispielhaft die Werte der Kartieranleitung enthält. Fehlende Angaben für einige Bodenarten bzw. Substrattypen wurden interpolativ ergänzt und zur Unterscheidung von den Werten der KA4 mit einer "9" hinter dem Dezimalpunkt ergänzt.

Abbildung 4‑17: Auszug aus der Datei BOART.KA4

Weiterhin sind im KA4-Format, wie Abbildung 4‑18 zeigt, Angaben

1. zur mittleren kapillaren Aufstiegsrate (KRWe_t) in [mm/d] aus dem Grundwasser bis zur Untergrenze des effektiven Wurzelraumes bei einer mittleren Lagerungsdichte (LD 2 bis 3) in Abhängigkeit vom Abstand t in [dm] zwischen Grundwasseroberfläche und Untergrenze des effektiven Wurzelraumes und
2. zur kapillaren Aufstiegshöhe KRH [dm]

möglich. Die in den Beispielstabellen verwendeten Werte sind der KA4 entnommen (Tabelle 65, Seite 308 und Tabelle 67, Seite 310).

Die Angaben zur kapillaren Aufstiegsrate und -höhe werden nur von einigen Abflussbildungsmodulen genutzt, so dass deren Angabe wahlfrei ist.

Abbildung 4‑18: Auszug aus der Datei BOART.KA4 - Fortsetzung

Das KA3-Format ist ähnlich dem KA4-Format aufgebaut und ermöglicht die Kennwertzuordnung in Abhängigkeit von der Lagerungsdichte der betrachteten Schicht. Allerdings werden andere Kennwerte und Einheiten unterstützt. Neben der hydraulischen Leitfähigkeit KF [in mm/h] sind der Permanente Welkepunkt WP, die Feldkapazität FK und das Gesamtporenvolumen GVP [alle in mm/m] bereitzustellen. Programmintern werden dann daraus wieder die nutzbare Feldkapazität und die Luftkapazität ermittelt. Die mitgelieferte Datei BOART.KA3 ist für viele Anwendungsfälle direkt nutzbar, kann aber auch modifiziert bzw. ergänzt werden.

Das MIN-MAX-Format unterstützt ähnlich dem KA3-Format die Bereitstellung der hydraulischen Leitfähigkeit KF [in mm/h], des Permanenten Welkepunktes WP, der Feldkapazität FK und des Gesamtporenvolumens GVP [alle in mm/m]. Allerdings erfolgt hier keine Differenzierung nach Lagerungsdichten. Dafür ist es möglich, über die Angabe eines Minimums und Maximums einen Toleranz- bzw. Fehlerbereich festzulegen. Bei den Modellrechnungen, in denen angegeben werden kann, ob mit dem Minimum, dem Maximum oder dem Mittelwert aus beiden gearbeitet werden soll, ist es dann möglich, die Auswirkungen fehlerhaft geschätzter Bodenkennwerte zu quantifizieren. Abbildung 4‑19 zeigt einen Auszug aus der Datei BOART.TAB, die beispielhaft mögliche Wertbelegungen innerhalb dieser Tabelle beinhaltet.

Abbildung 4‑19: Auszug aus der Datei BOART.TAB - MIN-MAX-Format

Das Format für die direkte Kennwertzuordnung ist als variables Format für Anwendungsfälle vorgesehen, in denen die Ausgangsbodeninformationen schon mit Kennwerten belegt sind. Eine Rückführung dieser Kennwerte auf Substrattypen bzw. Bodenarten entsprechend den bisher vorgestellten Tabellenstrukturen wäre ein zusätzlicher und unnötiger Arbeitsschritt. Unter Nutzung dieses Formats können deshalb die gegebenen Kennwerte für die hydraulische Leitfähigkeit KF [in mm/h] und die nutzbare Feldkapazität FK [in mm/m] dem Programm direkt zur Verfügung gestellt werden. Abbildung 4‑20 zeigt beispielhaft einen Auszug aus der Datei BOART_DI.TAB.

Abbildung 4‑20: Auszug aus der Datei BOART_DI.TAB

Die eigentliche Parametrisierung der gegebenen Bodendaten besteht in ihrer Rückführung auf eine dieser Bodenartentabellen, wobei die gewählte Tabellenstruktur bedarfsweise mit Werten, die den konkreten Gegebenheiten adäquat sind, anzupassen ist.

Diese Rückführung erfolgt über eine Bodenformentabelle.

In der Regel liegt als Eingangsinformation über die Bodenverhältnisse eine Karte mit der räumlichen Verteilung der Bodenformen als kleinster systematischer Einheit (zur Kennzeichnung des Bodenprofils) vor. Diesen Bodenformen sind dann jeweils die Anzahl der Bodenschichten (ANZSCH) und jeder Bodenschicht eine Mächtigkeit (DICKE in [mm]), eine Lagerungsdichte (LD[6]) und ein Verweis auf ein Substrat (BOART1) in einer der obigen Bodenartentabellen zuzuweisen. Sofern Substrat- oder Bodenartenkarten die Eingangsinformation bilden, können diese problemlos als "einschichtige Bodenformen" in dieses Konzept eingepasst werden. Abbildung 4‑21 zeigt beispielhaft die Struktur einer solchen Bodenformentabelle. Programmintern ist die maximale Anzahl Bodenschichten auf 10 begrenzt, was in den meisten Fällen ausreichen sollte.

Abbildung 4‑21: Struktur der Bodenformentabelle

Im GIS-Datenmodell von ArcEGMO sind die Bodeninformationen an die Elementarflächen gebunden. Als Nutzerschnittstelle dienen zwei Abschnitte in der Datei EFL.SDF, die in Abbildung 4‑22 dargestellt sind.

Zu beachten ist hier, dass die Tabellenstrukturen sich für die verschiedenen Tabellenformate unterscheiden.

Welches Tabellenformat für die Modellierung verwendet werden soll bzw. in welchem Format die Bodenartentabelle vorliegt, kann über die SELECT-Angabe (s. unter INFORMATIONSAUSWAHL) für die Modellierung festgelegt werden.

Bei Verwendung des MIN-MAX-Formats kann außerdem angegeben werden, ob das Minimum, das Maximum oder aber der Mittelwert aus den jeweiligen Bodenparametern in die Modellierung eingehen soll. Letztere Möglichkeit gestattet sehr leicht Abschätzungen der Modellsensitivität bzgl. der Bodenkennwerte.

Weiterhin kann hier über die Option SELECT_KF festgelegt werden, ob als repräsentativer Kf-Wert einer Elementarfläche der Kf-Wert der obersten und damit für die Infiltration maßgeblichen Schicht verwendet werden soll (SELECT_KF=0) oder das Minimum der Kf-Werte aller Bodenschichten als maßgeblich gelten soll (SELECT_KF=1).

Abbildung 4‑22: Steuerdatei EFL.SDF - Abschnitt Boden

1.4.5.4 Relate-Tabelle GEF.TAB

Die Tabelle der Gefälleklassen GEF.TAB (s. Tabelle 4-15) dient einmal während der Erstellung der GIS-Datenbasis zur Ausgliederung der Gefälleklassen innerhalb des dem Elementarflächencover zugeordneten grid-basierten Höhenmodells, zum anderen zur Festlegung der Kapazität des Muldenspeichers WMM. Die hier gewählte Differenzierung des Gefälles entspricht den Neigungsgruppen nach ATV-Richtlinie 128. Das Gefälle bzw. die Gefälleklasse geht außerdem in die Modellierung des Abflusskonzentrationsprozesses (kinematische Welle) ein. In der Abbildung 4-23 ist der Auszug aus der Steuerdatei EFL.SDF mit dem Abschnitt Gefälle dargestellt.

Abbildung 4‑23: Steuerdatei EFL.SDF - Abschnitt Gefälle

1.4.5.5 Relate-Tabelle FLURAB.TAB

Die Tabelle der Grundwasserflurabstandsklassen FLURAB.TAB (s. Tabelle 4-16) kann wie die Tabelle der Gefälleklassen einmal während der Erstellung der GIS-Datenbasis zur Ausgliederung der Grundwasserflurabstandsklassen innerhalb eines grid-basierten Grundwasserflurabstandsmodells genutzt werden. Im Rahmen der Modellierung können die Informationen über die Grundwasserflurabstände zur Steuerung der Verdunstungsreduktion und der Sättigungsflächenbildung genutzt werden (siehe Abbildung 4-24).

Abbildung 4‑24: Steuerdatei EFL.SDF - Abschnitt Grundwasserflurabstand

1.4.5.6 Relate-Tabelle HALDEN.TAB

Unter Nutzung der folgenden Tabelle HALDEN.TAB (s. Tabelle 4-17) ist es möglich, Sonderstrukturen wie Halden u.ä. zu berücksichtigen. Unter diesen Sonderstrukturen werden hier Flächen innerhalb des Untersuchungsgebietes verstanden, deren hydrologisch relevante Eigenschaften wie Boden, Gefälle oder Landnutzung sich ändern und deren Auswirkungen für verschiedene Zeitzustände zu untersuchen sind. Hierbei wurde von der Überlegung ausgegangen, dass es effektiver ist, flächenmäßig begrenzte Änderungen durch eine zusätzliche Attributierung dieser Flächen zu berücksichtigen, als die gesamte Datenbasis für verschiedene Zustände zu erstellen.

Die Wirkungsweise dieser Tabelle ist wie folgt. Sofern eine Datei HALDEN.TAB vorhanden ist, werden für Elementarflächen, deren Halden-ID eine Referenzierung einer Zeile in HALDEN.TAB gestattet, die Elementarflächenattribute BODEN-ID, LNUTZ-ID und GEF durch die hier gegebenen Attribute ersetzt. Eine Ersetzung erfolgt aber nur dann, wenn die in der Tabelle HALDEN.TAB angegebenen Attribute einen Verweis auf die entsprechenden Relate-Tabellen BODEN.TAB, LNTZ.TAB bzw. GEF.TAB gestatten. Ist z.B. der Wert -9999 angegeben, so wird das ursprüngliche Attribut beibehalten.

Mit dieser Verfahrensweise ist es möglich, z.B. die Auswirkungen von Haldensanierungen - Aufbringung einer Bodenabdeckung, Minderung der Böschungsneigung, Bepflanzung - auf die hydrologischen Verhältnisse abzuschätzen. Es können aber auch beliebige andere, örtlich begrenzte Änderungen wie die Zunahme der Versiegelungsgrade im Zuge einer Bebauung oder die Folgen einer geänderten Vegetationsbedeckung (z.B. Entwaldung) berücksichtigt werden.

Abbildung 4‑25: Steuerdatei EFL.SDF - Abschnitt Sonderstrukturen

1.4.6 Hydrotopklassen HYD

Hydrotopklassen bilden ähnlich wie die im Kapitel 1.4.7 beschriebenen Regionen keine gesonderten Geometrien und sind somit auch kein eigenes Modellierungs-Coverage. Hydrotopklassen sind eine Zusammenfassung von Elementarflächen nach Ähnlichkeitskriterien und übernehmen deren Eigenschaften und Verweise auf die Relate-Tabellen des Elementarflächen-Covers. Hydrotopklassen bilden alternativ zu Elementarflächen die Modellierungsebene für die Abflussbildungsprozesse.

Die Programmkomponente HYD ermöglicht eine variable Zusammenfassung von Kombinationen der Elementarflächeneigenschaften zu Hydrotopklassen.

Die Steuerung erfolgt über die beiden Beschreibungsdateien EFL_HYD und HYD (Verzeichnis DESCRIBE).

Die Klassifizierung erfolgt in zwei Teilschritten:

• Vorklassifizierung der Elementarflächen,
• Zuordnung der Elementarflächen zu Hydrotopklassen.

Dabei werden die im Cover EFL abgelegten GIS-Informationen analysiert.

1.4.6.1 Vorklassifizierung der Elementarflächen

Die Elementarflächen können in der GIS-Datenbasis, je nach verwendeter Ausgangsdatenbasis, unterschiedliche Differenzierungen in den einzelnen Eigenschaften besitzen. So kann die verwendete Bodenkarte wie auch die Landnutzungskarte unterschiedlich differenziert in Boden- bzw. Landnutzungsklassen sein. Während eine Karte den Wald differenziert in Laub-, Misch- und Nadelwald, kann in einer anderen keine oder eine noch feinere Untergliederung erfolgen. Mit diesen unterschiedlichen Differenzierungen sind naturgemäß auch unterschiedliche Attributierungen verbunden.

Die Vorklassifizierung der Elementarflächen dient einer gewissen Vereinheitlichung der Datenbasis. Diese Vorklassifizierung hätte auch bei der Erstellung der GIS-Datenbasis durch die Einführung zusätzlicher Attribute berücksichtigt werden können. Da eine Vereinheitlichung nur dann benötigt wird, wenn auf der Basis von Hydrotopklassen gearbeitet werden soll, wurde diese direkt ins Programm integriert.

In welcher Form diese Vorklassifizierung abläuft, kann projektspezifisch über die Steuerdatei GIS\DESCRIBE\EFL_HYD.SDF festgelegt werden. In Abbildung 4‑25 ist ein Beispiel dieser Steuerdatei gegeben.

Nach der Kopfzeile mit dem Schlüsselwort ELEMENTARFLAECHEN-KLASSIFIZIERUNG werden die Anweisungen zur Klassifizierung in n Zeilen gegeben.

Jede Anweisungszeile beginnt mit einem frei wählbaren Klassenbezeichner.

Es folgt ein Schlüsselwort zur Kennzeichnung des zu betrachtenden Attributs innerhalb der GIS-Datenbasis. Die in Tabelle 4-18 aufgeführten Schlüsselwörter stehen dafür zur Verfügung.

Im Rahmen der Elementarflächenklassifizierung folgen nun Angaben über die Realisierungen für das jeweilige Attribut. Verwendet werden können zur Festlegung des Wertevorrats der Attributrealisierungen innerhalb einer Zeile jeweils genau eines der folgenden Zeichen

=         gleich,

!          ungleich bzw. nicht,

<         kleiner

>         größer.

Reicht dies nicht aus zur Festlegung des Wertevorrats eines Attributs, können weitere Zeilen eingeführt werden, die dann natürlich mit einem anderen Klassenbezeichner beginnen müssen.

Abbildung 4‑26: Steuerdatei EFL_HYD.SDF

Sollen verschiedene Elementarflächenattribute zur Bildung einer Klasse verwendet werden, so erfolgt dies analog, also in verschiedenen Zeilen. Im obigen Beispiel wurde z.B. als Bodenkarte die MMK verwendet, so dass für Waldstandorte keine Bodeninformationen vorlagen. Da unterschiedliche Karten bzgl. der gleichen Informationen selten passfähig sind, werden zusätzliche Anweisungen gegeben, die entsprechende Elementarfläche der Klasse Wald zuzuordnen. Im Rahmen der Flächenverschneidung können Problemen wie Splitterpolygonen oder Attributwidersprüchen, die die Landnutzungs-ID Wald und Bodeninformationen besitzen, aber keinen Wald in der Bodenkarte abbilden.

Sehr wichtig für die nachfolgend beschriebene Hydrotopklassenbildung ist die Reihenfolge, in der die Klassenbezeichner angegeben werden. Wie noch erläutert werden wird, sollte der zuletzt angegebene Klassenbezeichner immer die Wasserflächen erfassen.

Im folgenden Auszug aus einer efl_hyd.sdf (Abbildung 4-27) sind die doppelten Einträge problematisch, da sie nicht eindeutig vergeben sind.

Abbildung 4‑27: Auszug aus der EFL_HYD.SDF

Günstiger ist es hier z.B. die über die Nutzung 12 kodierten Feuchtstandorte auch einen separaten Bezeichner FEUCHT zu kennzeichnen. Außerdem besteht keine Notwendigkeit, verschiedene Nutzungstypen, die Verkehrsflächen beinhalten, in verschiedenen Zeilen zu halten. Die bessere efl_hyd.sdf ist im folgenden Beispiel dokumentiert.

Abbildung 4‑28: verbesserter Auszug aus der Steuerdatei EFL_HYD.SDF

1.4.6.2 Zuordnung der Elementarflächen zu Hydrotopklassen

Auf der Basis der Vorklassifizierung erfolgt die Bildung der Hydrotopklassen, die über die Steuerdatei HYD beeinflusst werden kann.

Diese Datei (vgl. Abbildung 4‑29) beginnt mit dem Schlüsselwort HYDROTOP‑KLASSEN‑ZUORDNUNG. Jede der nachfolgenden Zeilen definiert die Eigenschaftskombination genau einer Hydrotopklasse.

Abbildung 4‑29: Hydrotopklassenzuordnung in der Steuerdatei HYD

Jede Klasse beginnt wieder mit einer frei wählbaren Hydrotopklassenbezeichnung. Einzige Ausnahme ist die Vorschrift, dass 'N' als zweiter Buchstabe grundwassernaher Hydrotope kennzeichnet. Anschließend erfolgt die Angabe der einzubeziehenden oder auszuschließenden (ausgedrückt über "!" für nicht) Elementarflächenklassen. So bedeutet beispielsweise der erste Eintrag, dass die Hydrotopklasse Agw aus allen Waldstandorten gebildet werden soll, wenn diese eben bzw. nicht Hang und grundwasserfern bzw. nicht grundwassernah sind.

Als eigene Hydrotopklasse sind Wasserflächen auszuweisen, weil diese aufgrund ihres besonderen Verdunstungsregimes modelltechnisch separat behandelt werden.

In früheren EGMO-Versionen waren die (voll) versiegelten Flächen AIMP eine weitere Hydrotopklasse, die immer separat auszugliedern war. In ArcEGMO wird jetzt prinzipiell für jede Hydrotopklasse ein Versieglungsgrad gemäß den Angaben zur Versieglung in der Landnutzungstabelle (s. Tabelle 4-13) ermittelt. Damit ist eine sehr große Variabilität gegeben, weil die zu derselben Landnutzung gehörenden Vegetationsparameter sich dementsprechend auf den nicht versiegelten Anteil dieser Landnutzungseinheit beziehen. Nachteilig wirkt sich bei dieser Vorgehensweise insbesondere in großräumigen Modellanwendungen aus, dass so nur noch schwer die räumliche Verteilung der Direktabflussbildung adäquat ausgewiesen werden kann.  Dies lässt sich mit der Einführung einer gesonderten Hydrotopklasse für bebaute bzw. teilversiegelte Flächen (Bezeichnung hier wieder 'AIMP') umgehen.

Die Anzahl der Hydrotopklassen ist beliebig. Sie wird über die Anzahl der Anweisungszeilen bzw. Einträge festgelegt.

Es ist wichtig, sich im Vorfeld Gedanken über die möglichen Eigenschaftskombinationen zu machen. So kann im unteren Beispiel eine meliorierte Fläche (AM - MELIO) durchaus gleichzeitig grundwassernah, eben und landwirtschaftlich genutzt sein, also auch der Hydrotopklasse ANl zugeordnet werden.

Wie die Zuordnung erfolgen soll, wird über die Reihenfolge der Anweisungszeilen gesteuert. Nachfolgende Anweisungen überschreiben Zuordnungen, die in vorangegangenen Anweisungen getroffen worden sind. Deshalb ist die Reihenfolge der Anweisungen und die Art der Zuordnungsdefinition entscheidend. Ist im vorangegangenen Beispiel in Abbildung 4‑29 nicht AW (Wasser), sondern AH (Hang) der letzte Eintrag, können Wasserflächen, denen im Zuge der Verschneidung mit dem Höhenmodell formal ein Gefälle zugeordnet wurde, den Hangflächen zugewiesen sein. Dies führt dann zu Problemen bei der Ermittlung der Parameterparameter für die Hydrotopklasse Hang.

So erscheint auf den ersten Blick die in Abbildung 4‑29 gegebene Zuordnung dem obigen Beispiel besser gerecht zu werden und vor allem eindeutiger formuliert zu sein. Allerdings werden hiermit z.B. meliorierte Waldflächen nicht eindeutig zugeordnet. Ob diese real existieren oder nur im Zuge der Flächenverschneidung als Attributierungsfehler entstanden sind, sei dahin gestellt. Deshalb ist die in Abbildung 4‑30 angeführte Zuordnung besser geeignet, eine Hydrotopklasse melioriert zu selektieren, weil sie unabhängig von allen vorangegangenen Klassifikationen diese überschreibt, sowie das Meliorationskriterium erfüllt ist.

Abbildung 4‑30: Alternative Hydrotopklassenzuordnung

Alle Elementarflächen, für die keine der angegebenen Eigenschaftskombinationen zutrifft, verbleiben automatisch in der 'ranguntersten' Hydrotopklasse. Deshalb ist es wichtig, mögliche Informationslücken in der Datenbasis (z.B. Bereiche unbekannter Flächennutzung) zu kennen, weil für solche Flächen keine gesteuerte Zuordnung erfolgen kann. Es kann lediglich erreicht werden, dass die wahrscheinlichste Hydrotopklasse für diese Fälle als erste angegeben wird und so letztlich doch eine plausible Zuordnung erreicht wird.

Näherer Erläuterung bedarf der Begriff Rang im Zusammenhang mit der Hydrotopklassenfestlegung.

Programmintern wird jede Hydrotopklassendefinition über eine Integer-Zahl beschrieben, in der jeder Elementarflächenklasse (Wald, Wasser ... s. Abbildung 4‑26) genau ein Bit zugewiesen wird. Die Reihenfolge der Bits wird gemäß dem ersten[8] Auftreten jedes Klassenbezeichners vergeben und zur Kontrolle in der Datei ARC_EGMO.TXT unter dem Eintrag Rangfolge der definierten Elementarflaechenklassifizierungen protokolliert. Jede Hydrotopklassendefinition ergibt sich dann als Eigenschaftskombination (Wald, !Hang ... s. Abbildung 4‑29)  und damit als Folge von gesetzten oder nicht gesetzten Bits, die letztlich eine eineindeutige Beschreibung in Form der erwähnten Integer-Zahl ergeben. Die Größe dieser Zahl wird damit vorrangig durch die Reihenfolge bei der Angabe der Klassenbezeichner für die Elementarflächenklassifizierung bestimmt. Über die Größe dieser Zahl wird der Rang bei der Abarbeitung bestimmt, d.h. bei der Prüfung, ob eine Elementarfläche zu einer Hydrotopklasse gehört, wird die Prüfung bei den rangniedrigsten Klassen begonnen und hin zu den höheren fortgesetzt. Es erfolgt kein Abbruch, wenn eine Zuordnung erfolgreich war. Daraus resultiert, dass Elementarflächen, die zu verschiedenen Hydrotopen passen, der letzten bzw. ranghöchsten Klasse zugewiesen werden. Elementarflächen, die keiner Hydrotopklasse zugewiesen werden konnten, verbleiben in der niedrigsten Hydrotopklasse.

In Abbildung 4‑31 wird ein sehr einfaches und deshalb anschauliches Beispiel für eine Hydrotopklassendefinition gegeben. Im Rahmen der Vorklassifizierung werden die Elementarflächen durch das Setzen des 0.- bzw. 1. Bits gekennzeichnet, die gemäß ihrer Landnutzung Acker- oder Wasserflächen sind. Bei der Hydrotopeinteilung werden alle Ackerflächen der Klasse Afa, alle nicht landwirtschaftlich genutzten Flächen der Klasse Afw zugeordnet. Sofern eine Fläche als Wasserfläche gekennzeichnet wurde, wird sie dem Hydrotop AW zugeordnet, wobei eventuell vorher vorgenommene Zuordnungen überschrieben werden.

Sofern Elementarflächen keiner der vorgebenen Hydrotopklassen zugeordnet werden konnten, werden sie der Klasse Afw mit dem Rang '0' zugewiesen. Der Rang ergibt sich aus der Reihenfolge der Festlegungen bei der Elementarflächenklassifizierung (Acker - Bit 1, Wasser - Bit 2) und aus dem Setzen oder Nichtsetzen der einzelnen Bits (Nicht-Wald - Bit 1 nicht gesetzt = Rang 0).

Da in umfangreicheren Hydrotopklassendefinitionen die Vorabschätzung der rangniedrigsten Hydrotopklasse und damit des "Sammelns" für nicht zuordenbare Elementarflächen schwierig sein kann, wird die Rangfolge der Hydrotopklassen in der Protokolldatei ARC_EGMO.STE ausgedruckt.

Abbildung 4‑31: Beispiel zur programminternen Hydrotopzuordnung

Die Zuordnung der Elementarflächen zu ihrem Raumbezug (Kaskadensegment, Teilgebiet, Region, Gesamtgebiet) und zu einer Hydrotopklasse wird in der Datei EFL_<RB>.HYD im RESULTS-Verzeichnis gespeichert und kann unter Nutzung von ArcView visualisiert werden. Diese Datei ist außerdem notwendig, wenn hydrotopklassenbezogene Wasserhaushaltsergebnisse in ihrer räumlichen Verteilung visualisiert werden sollen.

Die folgende Abbildung zeigt einen Auszug aus einer solchen Datei. Die Raumbezüge für die Hydrotopklassen sind Teilgebiete, die über ihre TG-ID referenzierbar sind. Die Zuordnung zu den Elementarflächen erfolgt ebenfalls über ihre ID.  Jeder Elementarfläche ist der Name des Hydrotopklasse hyd_name und die Hydrotopklassenidentifikation hyd-id zugeordnet. Die hyd-id beruht auf einer fortlaufenden Nummerierung der belegten Hydrotopklassen aller Raumbezüge. Der Wertebereich dieser ID's ist damit kleiner bis max. gleich der Anzahl der Raumbezüge (hier Anzahl der Teileinzugsgebiete) * Anzahl der Hydrotopklassendefinitionen. Über die hyd-id ist die Verknüpfung der hydrotopklassenbezogenen Wasserhaushaltsergebnisse mit der Elementarflächengeometrien möglich.

Abbildung 4‑32: Auszug aus einer Datei EFL_<RB>.HYD

Die Datei ant_<RB>.hyd (s. Abbildung 4‑33) enthält die Flächenanteile der einzelnen Hydrotopklassen an der Fläche ihres übergeordneten Raumbezuges (z.B. Teileinzugsgebietes) und ist damit vor allem für die Plausibilitätskontrolle der Hydrotopklassifizierung und die Ergebnisbewertung hilfreich.

Abbildung 4‑33: Auszug aus einer Datei ant_<RB>.HYD

Beispiel

In Abbildung 4‑34 ist am Beispiel des Einzugsgebietes der Oberen Stör eine mögliche Aggregierung von Elementarflächen zu 3, 4 und 7 Hydrotopklassen dargestellt. Das Beispiel verdeutlicht die unterschiedlichen Möglichkeiten für eine Zusammenfassung (Aggregierung) von Teilflächen zu Hydrotopklassen unter ArcEGMO, entsprechend den ausgewählten, unterschiedlich kombinierten Elementarflächeneigenschaften.

Im Rahmen einer Sensitivitätsstudie wurde untersucht, wie sich unterschiedliche Hydrotopklasseneinteilungen (Art und Anzahl) auf den Gesamtabfluss auswirken. Die Simulationsrechnungen wurden auf der Basis der in der folgenden Tabelle angegebenen Klassifizierungen in 2 bis 9 Hydrotopklassen durchgeführt. Bei den mit den zwei Hydrotopklassen "grundwasserfern" und "grundwassernah" durchgeführten Simulationen zeigte sich sofort, dass die "Nichtberücksichtigung der Klasse Siedlungen, Straßen etc." (teilversiegelte Flächen) zu erheblichen Abweichungen in der Abflusssimulation führt. Grund dafür ist der Wegfall des Direktabflusses von diesen Flächen, die immerhin 7.3% der Gesamtfläche ausmachen.

Deshalb wurde eine Basis-Unterteilung in die drei Klassen "grundwasserferne Flächen", "grundwassernahe Flächen" und "teilversiegelte Flächen" (wie Siedlungen, Straßen etc.) vorgenommen. Das Untersuchungsgebiet wurde dann durch weitere Unterteilungen dieser Klassen oder durch das Hinzufügen neuer Klassen in bis zu 9 Hydrotopklassen untergliedert. Durch den Vergleich der beobachteten mit den berechneten Abflusszeitreihen konnte dann beurteilt werden, welche Untergliederungen akzeptabel sind bzw. welche Zusammenfassungen zu keinen unvertretbaren Genauigkeitseinbußen bei der Abflusssimulation führen. In der Tabelle 4-19 ist die räumliche Aggregierung des Einzugsgebietes der Oberen Stör in 2 bis 9 Hydrotopklassen aufgelistet.

Abbildung 4‑34 Aggregation von Elementarflächen zu 3, 4 und 7 Hydrotopklassen am Beispiel des Einzugsgebietes der Oberen Stör

Abbildung 4‑35: Räumliche Verteilung von Wasserhaushaltskomponenten im Einzugsgebiet der Oberen Stör (Simulationsrechnungen auf der Basis von 4 Hydrotopklassen)

1.4.7 Regionen

Ähnlich wie die Hydrotopklassen bilden Regionen keine gesonderten Geometrien und sind somit auch kein eigenes Modellierungs-Coverage. Sie sind lediglich eine Zusammenfassung von Teileinzugsgebieten zu größeren Einheiten (z.B. Flussgebieten). Bei den Hydrotopklassen wurden Elementarflächen nach Ähnlichkeitskriterien und damit ortsunabhängig zusammengefasst, was im Ergebnis zu Flächenanteilen innerhalb größerer Einheiten (Teileinzugsgebiete, Kaskadensegmente etc.) führt. Bei der Bildung von Regionen werden nun kleinere Teileinzugsgebiete zu größeren Einzugs- oder Flussgebieten zusammengefasst und somit ortsabhängig behandelt.

Regionen wurden eingeführt, um insbesondere bei großräumigen Modellierungen auch mit detaillierten Datenbasen eine Beschränkung auf das Wesentliche zu ermöglichen. So können lokale Probleme bei der Festlegung von Abflussrichtungen in kleinen Vorflutern im ebenen Tieflandsbereich vernachlässigt werden, wenn nur die Abflussrichtung der Region bekannt ist.

Mit der Möglichkeit, Regionen zu bilden, sollen außerdem multiskalige und/oder getestete Modellierungen unterstützt werden, bei denen z.B. basierend auf einer zumindest partiell hochaufgelösten Datenbasis Zusammenfassungen zu Regionen vorgenommen werden können. Damit kann dann z.B. das Gesamtgebiet (Elbe) in wenige (z.B. 50) Teilgebiete untergliedert modelliert werden, die detaillierteren Teilbereiche können mit hochauflösenden Teilmodellen beschrieben werden, z.B. um spezielle Teilprozesse validieren zu können.

Als Voraussetzung für Modellierungen auf der Basis von Regionen ist die Erweiterung der in Kapitel 1.4.2 beschriebenen Struktur der Attributtabellen der Teileinzugsgebiete um ein Attribut zur Kennzeichnung der Region und ein Attribut zur Kennzeichnung des Unterliegers. Die Bezeichnungen dieser Attribute wird ArcEGMO über die Schlüsselwörter MODELL_REGION und REGION_ULIEGER in der Beschreibungsdatei DESCRIBE\TG mitgeteilt (s. Abbildung 4‑36). Die Angabe der Unterliegerregion ist optional. Wird sie nicht angegeben, erfolgt die Abflussverknüpfung der Regionen programmintern, wobei entweder die Unterliegerbeziehungen der Teileinzugsgebiete oder die der Gewässerabschnitte genutzt werden oder, sofern keinerlei explizite Angaben erfolgen, versucht ArcEGMO eine Ableitung direkt aus den Beziehungen der Gewässer-Arcs zueinander.

Abbildung 4‑36: Auszug aus der Steuerdatei TG

Für die Modellrechnungen werden Regionen so wie andere Raumbezüge behandelt und in der Hauptsteuerdatei ARC_EGMO.STE über die Kennung REG deutlich gemacht.

Ein Grund für die Einführung von Modellregionen war die Notwendigkeit, insbesondere bei großräumigen Modellanwendungen effektivere Wege für den Aufbau des GIS-Datenmodells als Voraussetzung für eine Modellierung zu finden.

Dies trifft in erster Linie auf den Teil der Datenbasis zu, der vorrangig der Abbildung der Abflusskonzentration dient, also die Cover Fließgewässer FGW und Teileinzugsgebiete TG (natürlich auch auf das Cover KAS der Kaskadensegmente). Hier ist eine manuelle Eingabe einer Reihe von Raumverknüpfungen erforderlich, da über Oberlieger-Unterlieger-Beziehungen vorzugeben ist, wie sich der Abfluss von Teilfläche zu Teilfläche letztlich ins Gewässer konzentriert wird und dort von Abschnitt zu Abschnitt das Gewässernetz durchläuft.

Im bisherigen Datenmodell war eine eineindeutige Zuordnung zwischen Gewässer und Einzugsgebiet erforderlich. Um diese Eineindeutigkeit zu erreichen ist oft ein Ausdünnen des i.d.R. wesentlich dichter vorliegenden Gewässernetzes notwendig, womit ein großes Maß an Subjektivität in die Modellbildung eingebracht wird. Gleichzeitig werden hiermit Informationsverluste z.B. über die Gewässernetzdichte erzeugt. Zum Anderen steigt besonders bei großräumigen Modellanwendungen der manuelle Aufwand für die Datenaufbereitung.

Neben diesen Problemen bei der erstmaligen Erstellung des Datenmodells ist natürlich jede spätere Änderung, sei es eine Verfeinerung der Teilgebietsstrukturen oder eine Vergröberung, mit einer kompletten Neuermittlung der Raumverknüpfungen verbunden.

Durch die Einführung des Regionenkonzepts wird das bisherige GIS-Datenmodells in der Form erweitert, dass jetzt auch eindeutige Zuordnungen verarbeitet werden können (mehrere Gewässerabschnitte pro Region oder auch pro Teileinzugsgebiet). Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt in der direkten Nutzung der in topographischen und hydrographischen Karten vorgegebenen Gewässerstrukturen und klassisch ausgegrenzten Einzugsgebieten. Beide liegen in verschiedenen Institutionen in unterschiedlicher Auflösung meist schon digital vor.

Mit diesem neuen Ansatz sollen vorrangig folgende Ziele verfolgt werden:

1. Anpassung der zu verwendenden GIS-Datenstruktur an die aktuellen Projekterfahrungen mit hydrologischen Modellanwendungen und Integration von Hierarchieebenen hydrologischer oder administrativer Einzugsgliederungen (Strahler, Horton, LAWA ...) in die Datenbasis. Zielstellung dabei ist es,
• Aufbereitungsschritte einzusparen, die sich aus dem restriktiven Charakter des bisherigen Datenmodells ergeben haben (z.B. Notwendigkeit, ein komplexes Gewässernetz auszudünnen, um eineindeutige Zuordnungen realisieren zu können),
• den potentiellen Informationsgehalt eines gegebenen Gewässernetzes so umfassend wie möglich zu nutzen, ohne mit der Modellierung auf die Einzelstrukturen zurück gehen zu müssen (letztlich Ableitung effektiver Parameter)
2. Im Einzelnen wird ArcEGMO dahingehend erweitert, dass eine Reihe bisher explizit vorzugebender Attribute in Zukunft programmintern ermittelt werden können. Sind diese Attribute durch das GIS-gestützte Pre-processing bestimmt, werden sie so verwendet. Das betrifft insbesondere die Attribute FGW-ID im Cover TG, ULIEGER in TG und FGW, X-Coord, Y-Coord und Höhe in allen Covern außer EFL.
3. Erstellung eines verbesserten bzw. an die geänderten Datenstrukturen angepassten Abflusskonzentrationsansatzes für das Gewässernetz

Für die modellmäßige Umsetzung des erweiterten Datenmodells bei der Beschreibung der Abflusskonzentration im Gewässernetz werden die Informationen sämtlicher Gewässerabschnitte eines Einzugsgebietes zu effektiven Parametern (z.B. mittleres Gewässergefälle, Gewässerdichte oder Gesamtgewässerlänge des übergeordneten Einzugsgebietes oder der Region) zusammengefasst, die integral das Abflussverhalten dieses Einzugsgebietes beschreiben. Unter Nutzung dieser effektiven Gewässerparameter kann letztlich die Abflusskonzentration im Gewässer wie bisher beschrieben werden, ohne die Informationsverluste beim Ausdünnen in Kauf nehmen zu müssen.

Beispiel

Die Notwendigkeit, zu größeren Modellierungseinheiten zu kommen, wird noch einmal in Abbildung 4‑37 verdeutlicht, in der das Gewässernetz der Stepenitz [Einzugsgebiet ca. 1200 km²] dargestellt ist. Eine Ausgrenzung seines Einzugsgebietes für jeden kleinen Gewässerabschnitt, um eine eineindeutige Zuordnung Teileinzugsgebiet -> Gewässer zu gewährleisten, wäre kaum möglich. Zudem besitzen, zumindest in der verwendeten Grunddatenbasis, eine Reihe von Gewässerabschnitten keinen Anschluss an das Hauptentwässerungssystem. Gleichwohl weist das dichte Gewässernetz auf enge Wechselwirkungen zwischen Grund- und Oberflächenwasser hin und ist ein Maß für die Speicherkapazität bzw. die Dynamik des Gebietes - alles Informationen, die für die Modellierung genutzt werden sollten.

Bildet man nach dem Strahler-Konzept eine Gewässerhierarchie wie in Abbildung 4‑37, so wäre damit eine praktikable Möglichkeit zur Ausdünnung des Gewässernetzes gegeben, indem z.B. nur noch Gewässer ab der 4. Ordnung betrachtet werden. Damit sind allerdings beträchtlichen Informationsverlusten verbunden.

Der bessere Weg für großräumige Modellanwendungen besteht in der Ausgrenzung der Einzugsgebiete z.B. für die Gewässer ab 4. Ordnung unter Beibehaltung des kompletten Gewässernetzes und einer Modellierung auf TG-Basis.

Die Vorzugsversion ist allerdings die Ausgrenzung von Teileinzugsgebieten in einer Detailliertheit, die auch kleinräumige Modellierungen gestattet, also z.B. für Gewässer ab der 2. Ordnung. Für großräumige Modellanwendungen können dann in einem hierarchisch gegliederter System wie hier nach Strahler - eine Alternative wäre eine Flächengliederung gemäß LAWA-Richtlinie[9] - sehr variabel Regionen durch eine Zusammenfassung von Teileinzugsgebieten z.B. bis zur n. Ordnung gebildet werden, ohne das die Basisgeometrien geändert werden müssen.

Abbildung 4‑37: Gewässernetz der Stepenitz [1200 km²]

[1] nur für hydraulische Modellierung - derzeit nicht integriert.

[2] Angabe erforderlich, wenn keine Unterliegerzuordnung aus FGW ableitbar ist.

[3] Angabe für NA-Modellierung erforderlich, wenn kein FGW-Cover vorliegt.

[4] DYCK, S. u. G. Peschke (1995): Grundlagen der Hydrologie. 3. Auflage. Verlag für Bauwesen, Berlin, S. 358.

[5] Die Bezeichnungen dieser Formate sind frei gewählt, entsprechen keinerlei Richtlinien und gelten nur innerhalb dieser Dokumentation.

[6] nur für die Formate KA3 und KA4 notwendig

[7] wird derzeit nicht ausgewertet

[8] Für Klassenbezeichner waren Mehrfachnennungen möglich.

[9] Richtlinie für die Gebietsbezeichnung und die Verschlüsselung von Fließgewässern - Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) 1993