Dokumentation zu ArcEGMO - 1.5 Raum- und zeitbezogene Eingangsdaten

Zusätzlich zu den raumbezogenen Eingangsdaten, aus denen das GIS-Datenmodell aufgebaut wird, sind die zeitbezogenen Eingangsdaten für die Abbildung der zeitlichen Dynamik über den Modellierungszeitraum wichtig. Vor allem sind die meteorologischen Zeitreihen grundlegende Eingangsgrößen, da die Verfügbarkeit ihrer Zeitreihen, den möglichen Modellierungszeitraum bestimmen.

Allen zeitlichen Informationen muss aber zusätzliche auch ein Raumbezug zugeordnet werden, über den dem Gesamtmodell mitgeteilt wird, welche räumliche Ausprägung bestimmte zeitliche Variabilität haben. So sind die meteorologischen Zeitreihen über die X-Y- Koordinaten ihrer jeweiligen Messstation und die Pegelstandorte z.B. über die Fließgewässer-ID's der jeweiligen Gewässerabschnitte räumlich zuzuordnen. Der Verweis sowohl auf die räumliche als auch auf die zeitliche Datenbasis erfolgt über die Dateien: METEOR.ste, HYD_DATA.ste, BW_DATA.ste, GW.ste in denen die Namen der entsprechenden Describe - Dateien (zur Definition der Datenstruktur) angegeben werden.

Die zeitbezogenen Eingangsdaten lassen sich wie nach ihrer programmtechnischen Einbindung wie folgt unterteilen:

Die Zeitreihen sind als Ascii-Tabellen unter dem Verzeichnis Zeit.dat in dem jeweiligen Ordner zu hinterlegen. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten den Zeitbezug vorzugeben. Einerseits kann eine getrennte Datumsvorgabe über die Spalten "JAHR" bis "MINUTE" vorgenommen werden, worüber die Spalten in den Datentabellen erkannt werden, sofern sie vorliegen. Die Art der zeitlichen Diskretisierung der Daten wird über den Attributnamen der 1. Spalte in der Datentabelle festgelegt (Y für Jahr und Termin in den folgenden Abbildungen). Wenn auf zwei oder mehr zeitbezogenen Spalten zugegriffen werden soll, müssen die kleineren Zeiteinheiten in der Termintabelle immer links stehen, da andernfalls ein größerer Zeitschritt angenommen wird. Andererseits kann aber auch ein achtstelliges Datum "Termin" eingelesen werden. Hier wird der Termin als eine Zeichenkette eingelesen und erst programmintern in die Bestandteile Tag bis Jahr aufgesplittet. Diese Datenstruktur ist identisch mit dem Exportformat 'TXT' von Excel. Zu beachten ist, dass die Terminangabe eine geschlossene Zeichenkette darstellt, d.h. statt 1. 1.1980 ist stets 01.01.1980 zu schreiben! Die Zuordnung der Spaltennamen erfolgt in der Strukturdefinitionsdatei ...\zeit.dat\describe\<XX>_data.sdf. Das sind die Dateien MET_data.sdf, BW_data.sdf, HYD_data.sdf, GW_Data.sdf und relates.sdf.

Für den Zeitbezug der Relate-Tabellen (z-Relate) ist es auch möglich Mittelwerte, mittlere Monatswerte (M = 1-12) oder einen mittleren Jahresgang in Tagesnummern (TN 0 1-365) vorzugeben. Welche Zeitfunktionen für welche Tabellen verwendet werden können zeigt die Übersicht in Tabelle 5‑1.

Beispiele für verschiedene Zeitvorgaben sind in Abbildung 5‑1 bis Abbildung 5‑3 dargestellt.

Die einfachste Möglichkeit, einen Zeitverlauf zu definieren, besteht in der Angabe eines Mittelwertes (s. Abbildung 5‑3), der dann für jeden Berechnungszeitschritt in der Bilanzierung des jeweiligen Raumelements berücksichtigt wird. In diesem Fall wird kein "Zeitattribut" wie Termin oder Y angegeben.

Jeweils farbig gekennzeichnet sind in den 3 Abbildungen die Raumbezüge, die eine Zuordnung der Zeitreihen zu den Teileinzugsgebieten bzw. Gewässerabschnitten mit den angegebenen ID's gestatten.

Im Folgenden wird die Verarbeitung der verschiedenen zeitbezogenen Datenformate im Einzelnen genauer beschrieben.

1.5.1 Klimadaten

1.5.1.1 Verwendete Klimagrößen

Zeitbezogene Eingangsgrößen in die Niederschlag-Abfluss-Modellierung sind flächenbezogene Werte

Liegen diese nicht vor, so ist ihre Ermittlung aus Werten erforderlich, die an Klima- und Niederschlagsstationen, d.h. punktbezogen gemessen werden.

Im Einzelnen sind unter Einbeziehung geeigneter Algorithmen für eine Flächenübertragung der punktuell gemessenen Werte

Die potentielle Verdunstung kann je nach Verfügbarkeit der notwendigen Eingangsdaten (s. Tabelle 5‑2) nach verschiedenen Verfahren ermittelt werden.

Die geringsten Anforderungen an die Datenbasis stellt das HAUDE-Verfahren (s. Schrödter 1985).

Die Kombinationsformel nach PENMAN liefert in der Regel exaktere Ergebnisse (s. Schrödter 1985), stellt aber auch wesentlich höhere Anforderungen an die Eingangsdaten.

Auf Grund der geringen Stationsdichte, der damit verbundenen geringen räumlichen Auflösung der benötigten Messdaten und den Unsicherheiten bei einer Flächenübertragung ist die Verwendung des PENMAN-Ansatzes nur für Gebiete zu empfehlen, für die repräsentative Messungen der notwendigen Eingangsdaten vorliegen.

1.5.1.2 Möglichkeiten der Flächenübertragung

Für die Flächenübertragung können unterschiedliche Verfahren genutzt werden.

Die erste Vorgehensweise ist dann angebracht, wenn die Stationsdichte gering ist, aber eine gute Korrelation zwischen den Stationen besteht. Letzteres ist nur gegeben, wenn der Einfluss der Orographie gering ist, also zwischen den Stationen keine signifikanten Höhenzüge liegen (im Tiefland). Im Gebirge ist dies i.d.R. nicht der Fall, weshalb hier das zweite, wesentlich weniger aufwendige Verfahren angebracht ist.

Zu beachten ist außerdem, dass mit keinem dieser Verfahren konvektive und damit örtlich sehr variable Niederschläge angemessen berücksichtigt werden.

Auf Grund der aus hydrologischer Sicht geringen Dichte meteorologischer Stationen ist die Übertragung der Werte vom Punkt auf die Fläche prinzipiell mit Unsicherheiten verbunden.

Im Zuge der Flächenübertragung können auch weitere Zusammenhänge berücksichtigt werden wie

Die zeitliche Dynamik des Niederschlages prägt entscheidend die Dynamik des Abflussgeschehens. Deshalb wird die verfügbare zeitliche Auflösung des Niederschlages als bestimmend für die zeitliche Auflösung der nachfolgenden Modellrechnungen angesehen.

Allgemein verfügbar sind in der Regel nur Tageswerte. Diese zeitliche Auflösung ist aber für eine adäquate Simulation sehr zeitvariabler hydrologischer Prozesse wie der Infiltration nicht ausreichend. Die zeitliche Verteilung innerhalb dieser zeitlichen Diskretisierung gestattet z.B. nicht die Berücksichtigung von direktabflussauslösenden Spitzenintensitäten des Niederschlages. Für die Modellierung bedeutet dieser Umstand letztlich, dass physikalisch begründete Modellparameter wie die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit skaliert werden müssen und damit ihren physikalischen Bezug verlieren.

1.5.1.3 Datenverwaltung

Die Verwaltung der meteorologischen Zeitreihen und ihre Übertragung auf die zu modellierenden Flächen erfolgt unter Nutzung der Programmkomponente METEOR, während die eigentlichen Modelleingangsgrößen Niederschlagsdargebot und Verdunstung im MET_MODUL (s. Kapitel 2. der Dokumentation) ermittelt werden.

In METEOR wird davon ausgegangen, dass die meteorologischen Daten punkt- bzw. stationsbezogen gewonnen wurden. Angaben zu den Stationen, ihre Lage und die zugeordneten Datentabellen werden in einer Stationstabelle verwaltet.

Zur Steuerung der Aktivitäten von METEOR durch den Nutzer wird die Datei METEOR.STE (s. Abbildung 5‑9) genutzt. Diese Steuerdatei besteht aus Anweisungsblöcken

Zuerst wird die Datenbasis beschrieben. Diese besteht aus einer Stationstabelle und den eigentlichen Datentabellen, die die Zeitreihen enthalten. Die Struktur dieser Tabellen werden über Definitionstabellen beschrieben, deren Namen über die Schlüsselwörter MET_STAT_DESCRIBE und MET_DAT_DESCRIBE in METEOR.STE angegeben werden. Die Datei MET_STAT.SDF befindet sich im Verzeichnis GIS\DESCRIBE, die Datei MET_DATA.SDF im Verzeichnis ZEIT.DAT\DESCRIBE.

Die Art und Weise, wie Tabellenstrukturen definiert werden, entspricht weitestgehend der schon beschriebenen Methodik bei den Attribut- und Relate-Tabellen der GIS-Schnittstelle.

Der Definitionsblock 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.

NIEDERSCHLAGSKORREKTUR 1.05 /* Korrekturfaktoren zum Ausgleich von Wind- */

SCHNEEKORREKTUR 1.0 /* fehlern und Benetzungsverlusten */

GRENZTEMPERATUR 0.1 /* Grenzwert der Tagesmitteltemperatur, unter */

/* der Schneefall angenommen wird */

GLOBALSTRAHLUNGSKORREKTUR 1 /* Korrektur gemaeß Hangneigung und Aspekt */

/* 0 - keine, */

/* 1 - trigonometrische Berechnung, */

/* 2 - Tabellenfunktion */

Abbildung 5‑5 zeigt die Datei zur Definition der Stationstabelle. Aus der STATIONSKENNUNG und dem STATIONSTYP wird der Dateiname für die zugeordnete Datentabelle gebildet. Der STATIONSTYP ('kli' oder 'pi') dient gleichzeitig zur Unterscheidung von Niederschlags- und Klimastationen. Die entsprechenden Datentabellen enthalten entweder nur Niederschlagswerte oder Niederschlagswerte und weitere Klimagrößen. Mit dieser Unterscheidung wird der Tatsache Rechnung getragen, dass der Niederschlag i.d.R. an mehr Stationen gemessen wird als die übrigen klimatologischen Werte. Für die sogenannten Klimastationen wird aber in jedem Fall auch der Niederschlag erwartet.

Das DATENZEITINTERVALL gibt die zeitliche Auflösung der Daten an. In der derzeitigen Programmversion müssen alle Daten aller Stationen die gleiche zeitliche Auflösung besitzen!

RECHTSWERT, HOCHWERT und HOEHE (ü. NN) kennzeichnen die Lage der Station und werden benötigt zur Übertragung der punktbezogenen Stationswerte auf die zu modellierenden Einzelflächen. Da in der Stationstabelle Raumbezüge verwaltet werden, wird die Datei im GIS-Verzeichnis verwaltet.

Beim Einlesen der Klimadaten wird in der arc_egmo.txt (RESULT-Ordner) protokolliert, mit welchen Stammdaten die Station aus der Stationsdatei ausgelesen wurde. Fehlt der Datensatz einer Klimastation, die in der Stationsdatei angegeben ist, so wird darauf in der Protokolldatei hingewiesen.

Für den Fall, dass keine Stationswerte, sondern schon flächenbezogene Werte vorliegen, sind die Koordinaten der Flächenmittelpunkte der zugeordneten Flächen einzutragen. Ist nur eine Reihe pro Datenart im Sinne eines Gebietsmittels gegeben, so können in der Stationsdatei Lageangaben entfallen bzw. mit beliebigen Werten ausgefüllt werden.

Messwerte, so auch Klimadaten sind fehlerbehaftet. Bei der Niederschlagsmessung treten z.B. Messfehler wie Wind- und Benetzungsverluste auf, die systematische Abweichungen der gemessenen Niederschlagsreihen zum wahren Niederschlag verursachen. Üblich ist deshalb eine Korrektur der Messwerte. In ArcEGMO erfolgt die Korrektur des Niederschlages PI gemäß folgender Gleichung

PT stellt den unkorrigierten Niederschlag und COR den Korrekturfaktor dar. Je nach dem, ob der Niederschlag als Schnee oder Regen gefallen ist (Entscheidung in Abhängigkeit von der Lufttemperatur über die Angabe zur GRENZTEMPERATUR), werden unterschiedliche Faktoren für die NIEDERSCHLAGSKORREKTUR und die SCHNEEKORREKTUR zum Ansatz gebracht. Möglich sind z.B. die von Fröhlich (1990) verwendeten Korrekturfaktoren mit COR = 1.12 für Regen und COR = 1.38 für Schnee. Werden keine Angaben zu den Korrekturfaktoren gemacht, werden diese programmintern auf 1.0 gesetzt, d.h. es erfolgt keine Korrektur.

Sind stationsbezogene Korrekturfaktoren bekannt, können diese nun direkt zur Korrektur verwendet werden. Ihre Vorgabe erfolgt über zwei Spalten in der Stationstabelle, in die für jede Station die Niederschlags- und die Schneekorrektur einzutragen ist. Die Namen dieser Spalten werden über die Definitionsdatei GIS\DESCRIBE\<met_stat.sdf> dem Programm über die Schlüsselwörter bekannt gemacht. Stationsbezogene Korrekturfaktoren überschreiben die global über die meteor.ste (s. Abbildung 5‑9) vorgegebenen Faktoren.

Neben dem Niederschlag kann auch die potenzielle Verdunstung einheitlich (s. met_mod1 in der modul.ste) oder stationsbezogen korrigiert werden.

Wenn in der Met_Stat.sdf die Verdunstungskorrektur aktiviert(das * gelöscht ist) wird, dann kann aus den Inputdaten stationsbezogen eine Verdunstungskorrektur erfolgen. Ansonsten wird die Verdunstung nur global korrigiert, d.h. für alle Daten gleich.

Für die vorgegebene (d.h. eingelesene) Globalstrahlung kann bei der Übertragung von der Messstation auf die zu modellierende Fläche eine Korrektur gemäß dem Gefälle und der Hangausrichtung dieser Fläche erfolgen unter der Annahme, dass die Messstation auf einer ebenen Fläche steht. Zu beachten ist, dass die Globalstrahlungskorrektur nicht gemeinsam mit dem Quadrantenverfahren ausgeführt werden kann!

Abbildung 5‑7 gibt ein Beispiel für eine Stationstabelle, die sich im GIS-Verzeichnis befinden muss, und zwar als eigenes Cover (Angabe über INFO) oder im Falle einer ASCII-Datei im Unterverzeichnis ASCII.PAT. Diese enthält im Beispiel nur einen Eintrag, die Datenbasis besteht also aus Gebietswerten. Die Attribute METSTAT und METSTAT-ID werden nur für die Darstellung der Stationen im GIS benötigt und wie STATIONSNAME (als verbale Bezeichnung zur besseren Lesbarkeit der Tabelle) vom Programm nicht genutzt.

Abbildung 5‑8 zeigt die Datei MET_DATA.SDF zur Definition der eigentlichen Datenbasis.

Über das Schlüsselwort MET_DATEN wird für alle Datendateien die Art der Datenbasis - ASCII oder INFO - angegeben. Die Angabe des Tabellen- bzw. Dateinamens entfällt hier, da die Namen, wie schon beschrieben, aus den Einträgen der Stationstabelle gebildet werden. Standardmäßig werden die Datentabellen im Zeitreihen-Verzeichnis gespeichert, und zwar alle Daten einer Station in einer Datendatei.

MET_DATEN ASCII H:\Alle_Zeitreihen\

Termin termin /* durch "." getrennte Datumszeichenkette */

TAG d

MONAT m

JAHR y

STUNDE h

MINUTE min

LUFTTEMPERATUR Tm [°C ]

DAMPFDRUCK e [hPa ]

RELATIVE_FEUCHTE rf [%] oder [Anteile von 1.]

WINDSTAERKE Um [Bf ]

SONNENSCHEINDAUER n [h/d ]

POTENTIELLE_VERDUNSTUNG EP [mm/d]

NIEDERSCHLAG PT [mm/d]

Es ist aber auch möglich, die Zeitreihendaten in projektunabhängigen Verzeichnissen zu verwalten, beispielsweise um Redundanzen zu vermeiden. In diesem Fall wird neben dem Datenformat (ASCII) auch der Pfad zu diesen Datendateien angegeben. Zu beachten ist hierbei, dass der komplette Pfad angegeben wird und dass die Pfadangabe mit einem Slash ("\") abgeschlossen wird.

Die eigentlichen meteorologischen Daten werden über die Einträge LUFTTEMPERATUR bis NIEDERSCHLAG als die Spaltenbezeichner für die Datenarten definiert. Sofern diese Spalten dann in den Datentabellen vorhanden sind, werden die dazu gehörenden Daten eingelesen und verarbeitet. Tabelle 5‑3 zeigt die Datenarten, die derzeit verarbeitet werden, Tabelle 5‑2 die Zuordnung dieser Daten zu den derzeit integrierten Verdunstungsansätzen.

Wenn in der einzulesenden Datenbasis allerdings eine bestimmte Datenart nicht gegeben ist, so ist diese in der Datei zeit.dat\describe\met_data.sdf auch nicht anzugeben bzw. sie ist auszukommentieren. Andernfalls wird diese Datenart zuerst mit Fehlwerten belegt und anschließend wird versucht, diese Fehlwerte über die Einbeziehung von Nachbarstationen zu eliminieren. Sind auch diese mit Fehlwerten belegt, was hier der Fall wäre, werden Default-Werte gesetzt, was zu unrealistischen Ergebnissen führen wird.

Neben der bisher beschriebenen Verwaltung der meteorologischen Eingangsdaten und der Ermittlung abgeleiteter Größen wie der potentiellen Verdunstung ist eine weitere wichtige Aufgabe der Programmkomponente METEOR die Übertragung der Klimawerte auf die Modellierungseinheiten. Dies können Elementarflächen, Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete oder das Gesamtgebiet sein. Die Festlegung erfolgte innerhalb der Steuerdatei ARC_EGMO.STE.

Bei einer Übertragung auf das Gebiet werden in Abhängigkeit von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Zeitreihen (s. Stationstabelle - Abbildung 5‑7) Gebietswerte gebildet, was mit Informationsverlusten verbunden ist und nur zu Testzwecken eingesetzt werden sollte. Ist nur eine Zeitreihe gegeben, so wird diese als gebietsbezogen interpretiert. Eine Übertragung auf kleinere Einheiten bringt keinen Informationsgewinn und wird deshalb vom Programm nicht akzeptiert. Lediglich eine höhenabhängige Modifikation des Gebietsniederschlages wird unterstützt, sofern ein NIEDERSCHLAGSFAKTOR (s. Abbildung 5‑9) zur Berücksichtigung der Änderung der mittleren Niederschlagssumme pro Höhenmeter angegeben werden kann.

THETA 53.5 /*geographische Breite des Untersuchungsgebietes*/

FLAECHENUEBERTRAGUNG 0 /* Quadrantenverfahren

/* n (1,2,3) -Stationenverfahren

HOEHENFAKTOR 10. /* Gewicht, mit der die Hoehendifferenz in die */

/* Entfernungswichtung eingeht */

REGESSIONSANALYSE NEIN /* JA --> Ermittlung und Anzeige der nach- */

/* folgenden 3 Faktoren, */

/* NEIN --> nachfolgende 3 Faktoren gelten */

GLOBALSTRAHLUNGSKORREKTUR 1 /* Korrektur gemaeß Hangneigung und Aspekt */

/* 0 - keine, */

/* 1 - trigonometrische Berechnung, */

/* 2 - Tabellenfunktion */

DATEN_FAKTOR 0.1 /* Faktor, falls Daten z.B. in 1/10 mm gegeben */

TEMPERATURFAKTOR 0. /* Temperaturaenderung pro Hoehenmeter */

NIEDERSCHLAGSFAKTOR 0.001754 /* Aenderung der mittleren Niederschlagstages- */

/* summe pro Hoehenmeter */

DAMPFDRUCKFAKTOR 0. /* Dampfdruckaenderung pro Hoehenmeter */

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NIEDERSCHLAGSKORREKTUR 1.1 /* Korrekturfaktoren zum Ausgleich von Wind- */

SCHNEEKORREKTUR 1.25 /* fehlern und Benetzungsverlusten */

GRENZTEMPERATUR 0.1 /* Grenzwert der Tagesmitteltemperatur, unter */

/* der Schneefall angenommen wird */

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

LUECKEN_FUELLEN

*DATENTABELLEN_AUSGEBEN

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

MET_STAT_DESCRIBE met_stat

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MET_DAT_DESCRIBE met_data

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FEHLWERTBELEGUNG <Fehlwert> /* Kennzeichnung nichtgemessener Daten */

/* z.B. Geraeteausfall */

1.5.1.4 Flächenübertragung

Die Flächenübertragung erfolgt unter Berücksichtigung der Oberflächenmorphologie. So werden für die Berechnung der potenziellen Verdunstung bei Verwendung der PENMAN-Kombinationsformel das Geländegefälle, die Exposition und die Höhenlage als wichtige Standortcharakteristika berücksichtigt. Die Flächenübertragung wird für jede Einzelfläche in folgenden Arbeitsschritten durchgeführt:

Abbildung 5‑10: Auswahl der zugeordneten Stationen nach dem Quadrantenverfahren

Über ein weiteres Schlüsselwort DATEN_FAKTOR kann eine Umrechnung der Daten gesteuert werden, falls diese wie vielfach üblich in 1/10-Anteilen der benötigten Größenordnung (z.B. in 1/10. mm Niederschlag) angegeben sind.

Über den Eintrag FEHLWERTBELEGUNG wird angegeben, wie Fehlwerte in den Zeitreihen definiert worden sind. Default-Wert ist der Wert -9999.

1.5.1.5 Verarbeitung von Klimareihen mit zeitlichen Lücken

Für die Verarbeitung von Zeitreihen in ArcEGMO war bisher eine grundlegende Bedingung, dass diese keine zeitlichen Lücken aufweisen. Das bedeutet, dass eventuelle Fehlzeiträume über Fehlwerte abgebildet werden mussten. Wurde dies nicht beachtet, kam es zu Fehlern in der zeitlichen Zuordnung der Niederschläge mit gravierenden Auswirkungen auf die Modellierungsergebnisse.

Für die Verarbeitung solcher lückigen Zeitreihen wurde eine Einleseroutine in ArcEGMO integriert, die über das Schlüsselwort LUECKEN_FUELLEN in der Steuerdatei ARC_EGMO\meteor.ste aktiviert werden kann.

Werden von dieser Routine lückenbehaftete Zeitreihen gefunden, erfolgt die Ausgabe eines Warnhinweises "Reihe <nr> weist ab <Datum> eine Luecke auf !!!" in der Protokolldatei arc_egmo.txt und die Lücke wird mit dem definierten Fehlwert gefüllt.

Für die Kontrolle der im Programm ArcEGMO integrierten Routinen zum Füllen von Datenlücken ist es nun möglich, die verarbeiteten Niederschlagsreihen komplett in eine Datei ZEIT.DAT\pi.txt auszugeben. Diese Option wird über das Schlüsselwort DATENTABELLEN_AUSGEBEN in der Steuerdatei ARC_EGMO\meteor.ste aktiviert. Die dabei erzeugte Datei kann maximal 255 Zeitreihen enthalten. Werden mehr Zeitreihen für die Modellierung verwendet, werden nur die ersten 255 Reihen ausgegeben. Weitere Reihen können über eine eventuelle Umsortierung der Stationen in der Stationstabelle ausgegeben werden.

Bisher wurden Lücken in den meteorologischen Zeitreihen nur im kleinsten gemeinsamen Zeitraum aller vorhandenen Zeitreihen gefüllt und durch Messwerte benachbarter Stationen ergänzt. Somit mussten die Zeitreihen gegebenenfalls extern durch Reihenverlängerung mit Fehlwerten (-9999) auf einen gleichen gemeinsamen Berechnungszeitraum gebracht werden.

Jetzt können auch Lücken über einen beliebig langen Zeitraum außerhalb des kleinsten gemeinsamen Zeitraums gefüllt werden. Ein Füllen der Lücken bedeutet, dass finden tatsächlicher Lücken in Zeitreihen anhand eines fehlenden Datums und das Ersetzen dieser Datenlücke durch eine Fehlkennung (-9999). Bei dem neuen automatischen Füllen der Lücken wird vom Bearbeiter eine große Aufmerksamkeit und Kontrolle des gewählten Zeitraums gefordert, damit dann der für die Berechnung verwendete Zeitraum wirklich realistisch ist und durch ausreichend vorhandene Messwerte repräsentiert wird.

In der arc_egmo.ste wird über den Berechnungszeitraum der gewünschte Datenzeitraum, also der Zeitraum, für den die "aufgefüllten" Stationsreihen erzeugt werden sollen, eingestellt. Alle meteorologischen Zeitreihen, die später beginnen oder früher enden, müssen durch eine Anfangs- und Endfehlkennung gekennzeichnet sein (siehe Beispiel). Alle Zeitreihen müssen durch die Belegung einer Anfangs- und Endfehlkennung gleich lang sein. Der 2. Tag der meteorologischen Zeitreihe muss ebenfalls mit einer Fehlkennung gekennzeichnet sein, sonst wird der eingestellte Zeitschritt, bei Tageszeitreihen DTD 24, nicht erkannt. Die Größe der Lücke bis zum ersten Messwert spielt dann keine Rolle mehr.

werden im Verzeichnis Zeit.Dat Zeitreihen mit der Lückenkennzeichnung (als Fehlkennung mit -9999) erstellt (z.B. pi_luecken.txt). Hier lässt sich in einer späteren Kontrolle, anhand der Fehlkennung der ausgefallenen Stationen leicht der für die repräsentativen Berechnungen maximal mögliche Zeitraum ermitteln.

Im zweiten Schnitt des Lückenfüllens werden die Lücken (Fehlkennung z.B. -9999), beim Ausfall von nur einigen Stationen durch die Werte der benachbarten Stationen höhen- und entfernungsgewichtet mittels dem Quadratenverfahren ergänzt. Liegen an allen Stationen keine Messwerte vor, wird hier die Lücke mit einem Default-Wert ergänzt. Folgende Default-Werte werden verwendet:

Diese Ergänzungen werden zum einem gemeinsam, d.h. alle Stationen in eine Datei (z.B. pi_ergaenzt.txt) ausgegeben. Zusätzlich werden alle Einzeldateien der Niederschlags- und Klimastationen mit den Ergänzungen als neue Dateien mit der vorangehenden Kennung "st_" (z.B. st_3189.kli) ausgegeben. Somit ist es dem Bearbeiter, je nach Aufgabenstellung, möglich diese neu erstellen Dateien als neue meteorologische Zeitreihen einzulesen.

Nach der Ausgabe der neuen Zeitreihen wird ArcEGMO automatisch beendet. Es findet also keine Berechnung statt. Damit werden Automatismen ohne ausreichende Datenprüfung verhindert.

Um die Berechnung mit den ergänzten Zeitreihen zu starten muss "LUECKEN_FUELLEN" wieder deaktiviert werden.

Die Zeiträume, an denen an allen Stationen keine Messwerte vorliegen, müssen vom Bearbeiter beachtet werden und der maximal mögliche Berechnungszeitraum für die Modellrechnungen selbständig gewählt werden.

Im Projekt "Extreme Hochwasserabflüsse und Kumulschadenspotenziale im Bodegebiet" hat sich die Anwendung des "Lückenschließens" bewährt. Hier lagen sehr unterschiedlich lange Zeitreihen vor und es war notwendig, einen großen gemeinsamen Zeitraum zu haben, auch wenn der nicht repräsentativ ist. Über die Auswertung der Lückendateien z.B. pi_luecken.txt konnten dann schnell Zeiträume gefunden werden, die ausreichend durch Messwerte gekennzeichnet sind. Im diesem Projekt wurden dann nur einzelne Hochwasser mit ausreichend vorhanden meteorologischen Zeitreihen gerechnet.

Beispiel - Ermittlung der Niederschlagswerte für ausgefallene Stationen mittels dem höhen- und entfernungsgewichteten Quadrantenverfahren

Die untenstehende Abbildung zeigt Tagesniederschläge im Einzugsgebiet der Bode. Grün markierte Werte sind gemessene Werte. Für die zwei Stationen Hasselfelde und Quedlinburg liegen an dem Tag keine Messwerte vor. Hier werden die Niederschlagswerte (rot dargestellt) anhand des höhen- und entfernungsgewichteten Quadrantenverfahrens ermittelt.

Bei Klimastationen, die komplett ohne Niederschlagswerte vorliegen, kann ebenfalls das Lückenfüllen angewendet werden.

Prinzipiell muss für jede Klimastation der Niederschlag vorliegen. Das heißt, er wird bei Einlesen einer Klimastation erwartet und die Spalte "nied" muss vorhanden sein, sowie das Steuerwort NIEDERSCHLAG in der met_data.sdf aktiviert sein.

Der Niederschlag kann aber durch die Aktivierung von "LUECKEN_FUELLEN" in der meteor.ste automatisch von den benachbarten Stationen übertragen werden. Dokumentation dazu, siehe oben (⇒ Füllen von Lücken in Meteorologischen Zeitreihen).

Beim Lückenfüllen muss, wenn kein Niederschlag vorhanden ist, die Spalte für den Niederschlag komplett mit -9999 ausgefüllt werden.

1.5.1.6 Aggregieren und Disaggregieren von met. Zeitreihen

ArcEGMO erfordert für die Simulation äquidistante Klimadaten mit einer einheitlichen zeitlichen Auflösung für alle Stationsreihen.

Insbesondere für Hochwassersimulationen ist diese Einschränkung oft hinderlich, weil der zur Verfügung stehende Datenbestand meist inhomogen ist. In der Regel liegen eine Reihe von Tageswertreihen und wesentlich weniger hoch aufgelöste Daten vor.

Um eine gewisse Homogenisierung des Datenbestandes zu unterstützen, wurden in ArcEGMO Routinen integriert, die zeitliche Aggregierung und Disaggregierung meteorologischer Zeitreihen unterstützen.

Da derartige Daten"manipulationen" (insbesondere die Disaggregierung) sehr unsicher sind, wird wie nach dem Lückenfüllen das Programm nach Erzeugung der neuen Zeitreihen automatisch beendet, so dass der Nutzer die Möglichkeit hat (bzw. gezwungen ist), die Daten zu kontrollieren.

Für die Aktivierung dieses Programm-Modus ist in der meteor.ste über das Steuerwort

Wenn eine ZEITSCHRITTWEITE angegeben ist und nur dann werden unterschiedlich diskretisierte Zeitreihen beim Einlesen akzeptiert, deren (gegebene) zeitliche Diskretisierung in der Stationsdatei vorzugeben ist.

Für die Bearbeitung der Zeitreihen wird zuerst getestet, ob die zeitliche Diskretisierung kleiner oder größer als die angestrebte Diskretisierung ist.

Ist die Zeitschrittweite 1440, d.h. es sollen Tageswerte erzeugt werden, erfolgt eine Aggregierung bis zum nächsten Tag um 7:30 Uhr, dem Ablesetermin der meteorologischen Beobachtungen beim Deutschen Wetterdienst. Dies ist bei der Festlegung des Endzeitpunktes für die Datenauswertung und bei der Datenbereitstellung zu berücksichtigen.

Ist die zeitliche Diskretisierung der Stationsreihe größer als die angestrebte Diskretisierung erfolgt eine Disaggregierung. Dazu wird die nächst gelegene Niederschlagsstation gesucht, bei Klimastationen zusätzlich die nächstgelegene Klimastation, die Daten in der angestrebten zeitlichen Diskretisierung aufweist.

Die zeitliche Verteilung der Daten dieser Bezugsstationen werden auf die zu disaggregierenden Daten aufgeprägt, d.h. es wird der gleiche zeitliche Verlauf innerhalb des gröberen Zeitschrittes wie an der Bezugsstation angenommen, allerdings normiert auf den Wert der Basisstation. Wurde an der Basisstation ein Niederschlag registriert, während an der Bezugsstation kein Niederschlag gefallen ist, wird angenommen, dass dieser Niederschlag konvektiver Natur war. Konvektive Niederschläge haben in der Regel eine sehr geringe räumliche Ausdehnung, meist hohe Intensitäten und sind häufig in den späten Nachmittagsstunden. Deshalb wird (mangels besseren Wissens) diesem Niederschlag eine Dauer von einer Stunde, beginnend um 17 Uhr zugewiesen. Derzeit können nur der Niederschlag und die potentielle Verdunstung disaggregiert werden. Die potentielle Verdunstung ist vorher im vorhandenen Zeitschritt zu berechnen und an die entsprechenden Klimastationen anzufügen. Bei der Disaggregierung wird die potentielle Verdunstung in gleiche Teile über den gewünschten Zeitschritt verteilt (z.B. bei der Disaggregierung von Tageswerten in Stundenwerten durch 24 dividiert).

Zu beachten ist, dass entweder eine Aggregierung oder eine Disaggregierung durchgeführt werden kann. Es dürfen in Klimastationstabelle nur max. 2 unterschiedliche Datenzeitintervalle (DTD) angegeben werden.

1.5.2 Hydrologische Daten

Die Verwaltung hydrologischer Eingangszeitreihen und ihre Zuordnung auf die zu modellierenden Raumelemente erfolgt in der Programmkomponente HYD_DATA.

Die Verwaltung der Daten erfolgt analog zu den meteorologischen Eingangsgrößen in Tabellen. Im Gegensatz zu den meteorologischen Daten, die notwendig für die Modellierung sind, ist die Einbeziehung obiger, hydrologischer Größen nur dann erforderlich, wenn während der Modellrechnung, z.B. für eine Eichung, ein Vergleich mit gemessenen Abflusswerten erfolgen soll.

Über die Steuerdatei HYD_DATA.STE (s. Abbildung 5‑16) werden dem Programm die Namen der Dateien mitgeteilt, die die Strukturdefinitionen der Datendateien beinhalten. Unterschieden wird zwischen

Über den Eintrag FEHLWERTBELEGUNG kann angegeben werden, wie Fehlwerte in den Zeitreihen definiert worden sind. Default-Wert ist der Wert -9999.

###### Hydrologie ###########################################################

HYD_STAT_DESCRIBE hyd_stat

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HYD_DAT_DESCRIBE hyd_data

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FEHLWERTBELEGUNG <Fehlwert> /* Kennzeichnung nichtgemessener Daten */

/* z.B. Geraeteausfall */

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Abbildung 5‑17 zeigt die Datei HYD_STAT.SDF zur Definition der Stammdatentabelle, die über das Schlüsselwort HYD_STAT eingeleitet wird. Hier wird die Struktur der DBASE-Tabelle PEGEL.DBF beschrieben, die als Attribute eine verbale Bezeichnung für die Lage des Pegels, eine Datendateibezeichnung, den Datentyp, die zeitliche Auflösung und die Lagekoordinaten definiert.

Sind mehrere dieser Attribute angegeben, werden bevorzugt die ID's verwendet, wobei die Wahl zwischen den ID's wiederum durch die gewählte Raumauflösung bei der Abflusskonzentrationsmodellierung bestimmt wird.

Ist keine ID vorgegeben, wird unter Nutzung der Lagekoordinaten der jeweils nächste Gewässerabschnitt (aus den Knotenkoordinaten) bzw. das nächste Teileinzugsgebiet (nach den Koordinaten des Flächenschwerpunktes) für die Zuordnung verwendet.

Diese Zuordnung ist in beiden Fällen mit Unsicherheiten behaftet. So muss die Selektion des zugeordneten Gewässerabschnittes über den oberen Knoten erfolgen, weil nur so überhaupt eine Eindeutigkeit gesichert ist (bei den in ArcEGMO zugelassenen Baumstrukturen des Gewässernetzes können mehrere Gewässer denselben unteren Knoten besitzen).

Pegelabflüsse werden programmintern u.a. zur Schätzung bestimmter Anfangszustände (insbesondere der Grundwasserspeicher) verwendet. Für diese Schätzung ist die Kenntnis der Einzugsgebietsflächen der Pegel erforderlich. Diese Einzugsgebietsflächen werden normalerweise innerhalb des Programms gleich den kumulativen Einzugsgebietsflächen der zugeordneten Gewässerabschnitte bzw. Teileinzugsgebiete gesetzt. Wenn allerdings die Lage der Pegel nicht bei der Gebietsgliederung berücksichtigt wurde, ergeben sich bei dieser Verfahrensweise größere Differenzen zu den wirklichen Pegeleinzugsgebieten. In solchen Fälle können die EINZUGSGEBIETSFLAECHEN der Pegel auch direkt vorgegeben werden (Einheit [m²]).

HYD_STAT DBASE pegel.dbf /* Tabelle der Pegel */

VERBALE_ORTSBEZEICHNUNG NAME /* Pegelname oder Lagebezeichnung */

GEWASSERSTRECKE FGW_ID

TEILEINZUGSGEBIET TG_ID

DATEI_BEZEICHNUNG DATEI

DATEN_TYP TYP

DATENZEITINTERVALL DTD

X_WERT X_COORD

Y_WERT Y_COORD

EINZUGSGEBIETSFLAECHE AREA [qm]

Abbildung 5‑18 beinhaltet die Stammdatentabelle. Diese befindet sich, sofern es sich um eine ASCII-Tabelle handelt, im Verzeichnis GIS\DESCRIBE. Hier ist zu sehen, dass die Reihenfolge der Spalten nicht mit der Definitionsreihenfolge in der Steuerdatei übereinstimmen muss.

Die Datei HYD_DATA.SDF beinhaltet die Strukturdefinition für die eigentlichen Datentabellen (s. Abbildung 5‑19) und wird über das Schlüsselwort HYD_DATEN eingeleitet. Die Datentabellen sind i.d.R. ASCII-Tabellen. Der Dateiname setzt sich aus der DATEI_BEZEICHNUNG und dem DATEN_TYP zusammen. Als Datentyp ist 'wt', 'qt' oder 'wqt' möglich, je nachdem, ob Wasserstände, Abflüsse oder beides in der zugeordneten Datentabelle verwaltet werden. Bezüglich der zeitlichen Auflösung gilt, wiederum analog zu den meteorologischen Daten, dass diese für alle Daten gleich sein muss.

Neben den Datenarten werden wiederum die Attributbezeichnungen für die zeitliche Zuordnung festgelegt. Standardmäßig werden die Datentabellen im Zeitreihen-Verzeichnis gespeichert, und zwar alle Daten einer Station in einer Datendatei.

Es ist aber auch möglich, die Zeitreihendaten in einem projektunabhängigen Verzeichnis zu verwalten, beispielsweise um Redundanzen zu vermeiden. In diesem Fall wird neben dem Datenformat (ASCII- oder DBASE) auch der Pfad zu diesen Datendateien angegeben. Zu beachten ist hierbei, dass der komplette Pfad angegeben wird und dass die Pfadangabe mit einem Slash abgeschlossen wird.

HYD_DATEN ASCII H:\Alle_Zeitreihen\

Termin termin /* durch "." getrennte Datumszeichenkette */

JAHR y

MONAT m

TAG d

STUNDE h

MINUTE min

GEMESSENER_PEGELABFLUSS QT [m**3/s]

GEMESSENER_WASSERSTAND WT [cm]

Abbildung 5‑20 zeigt einen Auszug aus der Pegeldatentabelle TEST.WQT, die entsprechend des Datentyps 'wqt' Abflusswerte und Wasserstände beinhaltet.

1.5.2.1 Externe Zuflüsse zum Gewässer

Am Gebietsrand sind Fremdzuflüsse zu verwenden. Sie berücksichtigen die außerhalb des Modellgebiets gelegene Flächengröße des Einzugsgebiets. Dazu muss die Externe Einzugsgebebietsgröße an den jeweiligen Rand-FGW-Abschnitten, die von dem Fremdzufluss gespeist werden, über das Steuerwort "FGW_extZuflussgebiet" in der fgw.sdf und einer neuen Spalte mit der Flächengröße am fgw.dbf angegeben werden.

Sofern für die Modellebene Q_Mod auf der Basis von Gewässerabschnitten gearbeitet wird, wird vom Programm eine Datei fgw_area.xlx im Ergebnisverzeichnis \para ausgegeben. Diese beinhaltet für jeden Gewässerabschnitt die folgenden Größen:

Tabelle 5‑4: Auszug aus der Datei fgw_area.xlx
e_area	Eigeneinzugsgebiet, das sich durch längengewichtete Aufteilung der zugeordneten Teileinzugsgebietsfläche auf sämtliche Gewässerabschnitte in diesem Einzugsgebiet ergibt
k_area	kumulatives Einzugsgebiet, das sich aus der Summe des aktuellen Eigeneinzugsgebietes und der Einzugsgebiete aller oberliegenden Gewässerabschnitte ergibt,
g_area	Grundwassereinzugsgebiet, das sich durch Auswertung der Kennungen für den Grundwasseranschluss ergibt (nur für detaillierte Grundwassermodellierung interessant)

Diese Werte sind vor allem für die Darstellung des Gewässernetzes nützlich, weil so sehr schnell die Hauptgewässer identifiziert werden können.

Sämtliche Flächengrößen wurden bisher aus den Flächen der Einzugsgebiete im Modellierungs-Cover TG abgeleitet.

Wenn wesentliche Randzuflüsse ins Modellgebiet integriert wurden, war es bisher nicht möglich, ohne großen Aufwand die zugeordneten Einzugsgebiete dieser Zuflüsse in obige Flächenberechnung einzubeziehen.

Dies ist jetzt möglich, indem der Gewässerdatenbasis ein zusätzliches Attribut zugewiesen wird, das die dem externen Zufluss zugeordnete Einzugsgebietsfläche [km²] beinhaltet. Der Name dieses Attributs wird dem Programm über den neuen Eintrag FGW_extZuflussgebiet in der Datei ...\GIS\Describe\fgw.sdf wie folgt mitgeteilt:

Fremdzuflüsse werden allein über die Pegel-Tabelle organisiert. In der Pegel.dbf wird die ID des Fließgewässerabschnitts mit einem Minuszeichen versehen. Ein Eintrag in der GWP.tab ist nicht erforderlich.

Die Abflussreihen der Fremdzuflüsse werden unter ...\Zeit.dat\Hyd.data\<Pegelname>.tab gespeichert.

1.5.3 Zeitfunktionen in ArcEGMO zur Bewirtschaftung

Zeitfunktionen bieten in ArcEGMO die Möglichkeit, zeitlich veränderliche Randbedingungen vorzugeben. Über Zeitfunktionen können folgende Bewirtschaftungen abgebildet werden:

Diese sind in der Realität meist durch anthropogene Eingriffe verursacht und werden daher unter dem Übergriff "Bewirtschaftung" über die Datei BW_DATA.STE direkt im ArcEGMO Verzeichnis organisiert. Die Steuerungsdatei Datei BW_DATA.ste verweist auf die eigentlichen Datendateien (z.B. bw_file.sdf und bw_file.tab für die Verwaltungsdatei) wie Abbildung 5‑18‑19 darstellt.

In der Strukturdefinitionsdatei sind anhand der möglichen Einträge und der Kommentare verschiedene Möglichkeiten für die Bindung der Einleitungen und Entnahmen auf Datenarten und Raumbezüge angedeutet. Dies sind allerdings vor allem Einstellungen, die für den Bewirtschaftungsmodus von ArcEGMO von Interesse sind.

Tabelle 5‑5: Kodierung der durch die Zeitfunktionen ansteuerbaren Größen:
Kodierung	Erläuterung	Einheit
q_ex, gw	Gewässernutzungen im Oberflächengewässer und im Grundwasser, die als Einleitungen (+) oder Entnahmen (-) ins Modell eingespeist werden	m³/s
qex_Cl,qex_P,qex_N	analog für Chlorid, Phosphor und Stickstoff
qo, qc, qd, qg	gemessene und/oder extern berechnete Zuflüsse ins Modellgebiet, mit denen die angegebene Systemgröße (qo - Oberliegerzufluss, qc - Abfluss, qd - Direktzufluss, qg - Basisabfluss) überschrieben werden können, d.h. einsetzbar beispielsweise:	m³/s
	Einspeisung von Pegelreihen als Fremdzuflüsse ins Gebiet am "Modellrand" => qo,
	Messreihe einer Talsperrenabgabe ersetzt modellierten Abfluss im Sinne einer Nachführung => qc
	Einspeisung simulierter Grundwasserzuflüsse eines externen Grundwassermodells => qg
Wc	Wasserstände im Gewässer als Randbedingung für internes Grundwassermodell	m ü NN
Wep	Gewässerverdunstung (GWP zugeordnet)	mm
ql,qnu,qnd	Mindestabgabe, Nutzungsbedarf der Unterlieger und Nutzungsbedarf direkt aus TS und Wildbett	m³/s
Sw	aktuell anzusteuernder Wasserstand in der TS	m ü NN
K1	Aktueller Wert des Parameters K1 (s. Kap. 1.4, Tab. 4.18), vor allem zur zeitveränderlichen Vorgabe von Stauhöhen an Wehren gedacht - aktuelle Wehrhöhe	m ü NN
intz	Intz_Input als Beregnungs-Zuordnung auf die Interzeptions-Speicherfuellung	mm/DT

Für die Einbindung von Zeitreihen werden die in der Verwaltungsdatei ...\gis\ascii.pat\bw_file.tab weitere Angaben benötigt. Die Datei-Form M, E oder R legt fest, ob die mehrere Datenarten für einen Raumbezug gegeben sind (M) oder eine Datenart für mehrere Raumbezüge (E und R). R und E unterschieden sich dabei nur über die Lage der betroffenen ID's: R wird für alle RandID's verwendet, E steht für alle ID's innerhalb des Randes.

Der Raumbezug wird angegeben, damit die Zuordnung der ID's zu den entsprechenden Elementen vorgenommen werden kann. Dabei ist sicherzustellen, dass der angegebene Raumbezugstyp RBT mit dem gewählten Raumbezug der Modellierung (s. RAUMBEZUEGE_MODELLIERUNG in Kapitel 1.3) für die jeweilige Modellebene (Q für oberflächengewässer- und GW für grundwasserrelevante Nutzungen) übereinstimmt.

Die zeitliche Variabilität der Gewässernutzungen kann angegeben werden, wie in Kapitel 1.8.5 beschrieben, über zyklische Zeitfunktionen, die einen typischen Jahresgang beschreiben. Dies kann über mittlere Monatswerte oder über Stützstellen, anzugeben über die Tagesnummer innerhalb eines Jahres (1...365) erfolgen.

Soll für Testzwecke eine Zeitfunktion mal deaktiviert werden, ohne dass die entsprechende Zeile komplett gelöscht wird, kann dass leicht geschehen, indem die DATEI mit einem "*" auskommentiert wird.

DATEI TYP DATZ FORM RBT RB X-COORD Y-COORD DTD

*einleitung txt qex E fgw 0 0.0000 0.0000 0

Evaposee txt wep E gwp 0 0.0000 0.0000 0

Wehr11 txt k1 E gwp 0 0.0000 0.0000 0

*Wehr13 txt k1 E gwp 0 0.0000 0.0000 0

*Wehr14 txt k1 E gwp 0 0.0000 0.0000 0

1.5.3.1 Einleitungen und Entnahmen

1.5.3.1.1 Integration analog Pegelreihen

Einleitungen und Entnahmen sind anthropogene, Bilanz beeinflussende Maßnahmen in einem Flussgebiet. Derartige Einflüsse sollten, sofern sie quantifizierbar sind, im Rahmen einer hydrologischen Gebietsmodellierung berücksichtigt werden.

In ArcEGMO können Einleitungen bzw. Entnahmen als Zeitreihen vorgegeben und über ihren Raumbezug an die Modellierungs-Cover gebunden werden.

Die Verwaltung dieser Zeitreihen erfolgt vollkommen analog und letztlich auch gemeinsam mit den hydrologischen Daten.

In der hydrologischen Stammdatentabelle (s. Abbildung 5‑18) werden die Verweise auf die Zeitreihen mit Entnahmen und Einleitungen genauso verwaltet wie die Pegelzeitreihen. Lediglich die ID's der zugeordneten Gewässerabschnitte bzw. Teileinzugsgebiete erhalten zur Unterscheidung von den Pegelreihen ein negatives Vorzeichen.

Bei Verwendung dieser einfachen Methode ist es erforderlich, dass die Einleitungen oder Entnahmen in gleicher zeitlicher Auflösung wie die Pegeldaten und die meteorologischen Daten vorliegen.

1.5.3.1.2 Integration als Zeitfunktionen

Eine andere, wesentlich flexiblere Möglichkeit, Einleitungen und Entnahmen in ArcEGMO zu berücksichtigen, besteht in der Verwendung von Zeitfunktionen. Die Vorgehensweise dazu wird in Kapitel 1.5.5 erläutert.

1.5.3.1.3 Integration von GRM-Daten

Eine weitere Möglichkeit, Einleitungen und Entnahmen in ArcEGMO einzubinden, wurde über eine Schnittstelle zu den Datenstrukturen geschaffen, die in ArcEGMO zur Verwaltung von Nutzerdaten gebräuchlich sind.

Insbesondere für die Einspeisung externer Zuflüsse inklusive Stoffkomponenten wurden die Möglichkeiten der Zeitreihenverwaltung erweitert um die DATEI_FORM K (s. Dokumentation Teil 1), mit der es nun möglich ist, einem Raumbezug (einem räumlichen Objekt) mehrere Datenreihen über eine Datei zuzuordnen.

Die Zuordnung des Raumbezugs erfolgt nun in der Datei bw_file.tab. Im nachstehenden Beispiel werden ein externer Zufluss inklusive Chloridfracht in den Gewässerabschnitt mit der FgwID = 2000 eingespeist. Die Zuordnung zur Datenart DATZ erfolgt nicht mehr in der Datei bw_file.tab, sondern in der Datentabelle selbst. Hier muss als Attributbezeichnung DATZ gemäß obiger Tabelle angegeben werden. Das Attribut DATZ in bw_file.tab wird überlesen.

1.5.3.1.4 Integration der Gewässerverdunstung als vorgegeben Zeitreihe (Messwerte)

Für die zeitgesteuerte Vorgabe der Gewässerverdunstung (WEP) ist zu beachten, dass die vorgegebenen Werte > 0 sein müssen, da Werte ≤ 0 als Fehlwerte interpretiert werden. Für diesen Fall wird die Gewässerverdunstung aus den Klimagrößen der nächstgelegenen Klimastation nach Turc/Ivanov berechnet. Die nächste Klimastation wird dabei aus den Koordinaten des Gewässerpunktes ermittelt. Sind keine Koordinaten angegeben, ist eine Ermittlung nach Turc/Ivanov nicht möglich. Sind in einer vorgegebenen Zeitreihe Verdunstungen mit "0" angegeben, die verwendet werden sollen, ist es möglich diese über das Löschen der Koordinaten (Koordinate ≤ 0) des Gewässerpunktes mit zu berücksichtigen.

1.5.4 Externe Grundwasserzuflüsse

Sollen Grundwasserzuflüsse, die extern z.B. mit einem detaillierten Grundwassermodell berechnet wurden, innerhalb eines komplexen Flussgebietsmodells genutzt werden, übernimmt die Programmkomponente FE für diese Grundwasserzuflüsse

Extern berechnete Grundwasserzuflüsse sind in einer Datei bereitzustellen, deren Struktur dem ASCII-Export-Format der Tabellenkalkulation EXCEL^© entspricht. Diese Dateistruktur wurde gewählt, weil extern berechnete Daten i.d.R. einer vorherigen Plausibilitätsprüfung unterzogen werden sollten, wozu Excel gut geeignet ist.

Abbildung 5-27 zeigt die zugehörige Definitionstabelle GW_DATA.SDF, die sich im Verzeichnis ZEIT.DAT\DESCRIBE befindet. Über diese Datei wird außerdem festgelegt, auf welche Datentabelle zugegriffen werden soll.

Abbildung 5‑28 zeigt beispielhaft einen Auszug aus einer solchen Datentabelle. Diese hat keine Ähnlichkeit mit den Datentabellen der hydrologischen Messwerte oder der meteorologischen Eingangsgrößen. In der ersten Spalte ist zwar wiederum die zeitliche Zuordnung zu erkennen, allerdings hier durch "." getrennt, während als Spaltentrenner das Semikolon genutzt wird.

Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Datentabellen wird hier die räumliche Zuordnung direkt über die Spaltenbezeichner realisiert. Spaltenbezeichner sind hier also bis auf 'time' die ID's der Gewässerabschnitte, denen die Grundwasserzuflüsse zugeordnet werden sollen.

Programmintern wird dazu das BASEFLOW-Attribut des FGW-Covers (s. Kapitel 1.4) herangezogen. Wie in Kapitel 1.4.3 beschrieben wurde, können mehrere Gewässerabschnitte die gleiche Zuordnung besitzen. In diesem Fall werden für die Aufteilung der Grundwasserzuflüsse Aufteilungsfaktoren entsprechend der Flächenverhältnisse der Eigeneinzugsgebiete der Gewässerabschnitte zueinander ermittelt.

Wie an den Zeitbezügen erkennbar ist, liegen in der Beispielstabelle die Grundwasserzuflüsse in einer zeitlichen Auflösung von 15 Tagen vor. Sofern die Berechnungszeitschrittweite geringer ist, wird programmintern die richtige zeitliche Zuordnung gewährleistet, indem z.B. bei Tageswertrechnungen für 15 Tage derselbe Grundwasserzufluss verwendet wird.

1.5.5 Zeitvariante Daten => relate Zeitfunktionen

Die Kennwerte in Relate-Tabellen werden vom Rahmenprogramm als zeitlich nicht veränderliche Größen verwaltet. Dies ist für eine Reihe von Kennwerten (Gefälle, Exposition, Bodenform) innerhalb der betrachteten Zeithorizonte gerechtfertigt und auch für andere Größen z.B. der Landnutzung für eine Vielzahl von Aufgabenstellungen möglich.

Für spezielle Untersuchungen ist es jedoch notwendig, Kennwerte als zeitlich veränderliche Größen zu behandeln.

Allerdings gelten dann die über Zeitfunktionen zu definierenden Szenarien für das gesamte Untersuchungs- bzw. Modellgebiet.

Insbesondere für großräumige Untersuchungen ist es jedoch notwendig, die Zeitfunktionen auch räumlich variabel vorgeben zu können. So setzt die Vegetationsentwicklung im Süden früher als im Norden ein (A) und eine großräumige Umwidmung ganzer Relationsklassen ist für sehr große Gebiete ein eher unwahrscheinliches Szenario.

In Auswertung obiger Überlegungen wurden folgende Anforderungen an die Verwaltung zeitvarianter Daten formuliert:

Abbildung 5‑29 zeigt ein Beispiel für eine Zeitfunktionsdefinition. Hier wird eine Verknüpfung zur Wurzeltiefe der Landnutzung mit der ID 5 in der Landnutzungstabelle (hier Wald) hergestellt. Die Zeitfunktion selbst befindet sich in der Datei wald_y.wt. Die Namenswahl für die Zeitfunktionsdateien ist frei. Allerdings ist es angeraten, über die Namensgebung den Inhalt zu dokumentieren. Empfohlen wird folgende Konvention <Relate_Typ>_<Zeitauflösung (s. Abbildung 5‑30)>.<Kennwert>. Der Kennwert sollte dem Eintrag für DATZ entsprechen.

Unterstützt wird derzeit die Bindung zeitvariabler Werte auf statische Größen der Landnutzungs-, der Bodenarten- und der Flurabstandstabelle, über die Schlüsselwörter:

Innerhalb dieser Tabellen ist die zeitvariable Ersetzung der folgenden, statischen Größen (Zieldatenart DATZ) möglich:

und zwar immer genau für einen Landnutzungstyp, eine Bodenart oder eine Grundwasserflurabstandsklasse, der über die zugehörige ID definiert ist. Programmintern wird eine Verknüpfung zwischen der ID in der Zeitfunktionsdefinition und dem dieser ID zugehörigen Eintrag in der gewählten Relate-Tabelle hergestellt.

1.5.6 Unterstützte Zeitfunktionen

Die nicht äquidistanten Zeitfunktionen beschreiben über Stützstellen vorzugebende Verläufe. Zwischen den Stützstellen wird linear interpoliert oder eine Stufenfunktion aufgebaut. Bei der Stufenfunktion gilt ein Wert solange, bis er durch einen neuen ersetzt wird.

Die Zeitfunktionen für Kennwerte von Relateklassen befinden sich im Verzeichnis /zeit.dat/ascii.rel/.

Abbildung 5‑31 bis Abbildung 5‑35 zeigen einige Beispiele für Zeitfunktionen.

Jede Zeitfunktion wird über genau eine Datei vorgegeben. Die zweite Spalte beinhaltet die eigentlichen Attributwerte, wobei der Attributbezeichner identisch mit dem Bezeichner der Zieldatenart (DATZ - s. Abbildung 5‑29) sein muss, die erste Spalte den zeitlichen Bezug. Wie dieser zu interpretieren ist, wird über die Datei /zeit.dat/describe /relates.sdf vorgegeben (s. Abbildung 5‑30).

###### Zeitvariable Kennwerte #############################################

Termin termin /* durch "." getrennte Datumszeichenkette */

TerminHM terminhm

JAHR y

MONAT m

TAG d

STUNDE h

MINUTE min

MITTLERE_MONATSWERTE mm /* Monatsnummer (1...12) */

MITTELWERT mit

MITTLERER_JAHRESGANG TN /* Tagesnummer innerhalb eines Jahres (1...365)*/

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

###############################################################################

Abbildung 5‑31 und Abbildung 5‑32 zeigen Dateien, mit denen Jahresgänge über Stützstellen vorgegeben werden können. Zwischen den Stützstellen wird linear interpoliert.

Die erste Datei beinhaltet einen mittleren Jahresgang, der sich zyklisch für jedes Jahr innerhalb des Berechnungszeitraumes wiederholt. Der zeitliche Bezug wird über die Tagesnummer TN hergestellt.

Die zweite Datei beinhaltet ein Beispiel zur Vorgabe von Stützstellen zur Beschreibung des Jahresganges für jedes Einzeljahr innerhalb des Simulationszeitraumes. Der zeitliche Bezug ist hier über die komplette Datumsangabe "Termin" gegeben.

Abbildung 5‑33 zeigt die Vorgabe eines Jahresganges über mittlere Monatswerte. Diese gelten jeweils genau für den angegebenen Monat, d.h. es müssen genau 12 Werte für die Monatsnummern 1 bis 12 vorgegeben werden.

In Abbildung 5‑34 und Abbildung 5‑35 sind Dateien dargestellt, die Monats- bzw. Jahreswerte beinhalten. Jeder Wert gilt vom 1. Tag des angegebenen Monats bzw. Jahres unverändert bis zum 1. Tag des nächsten Eintrages. Damit können Stufenfunktionen mit einer äquidistanten Zeitdiskretisierungen in ein bis n Monate oder Jahre, aber auch nicht äquidistanten Zeitdiskretisierungen definiert werden.

Eingangsdaten	Symbol	Haude	Turc/Ivanov		Penman
Lufttemperatur	T	+	*	*	*
Dampfdruck	e	*[12]		+	*
relative Feuchte	RH	*[12]		*	+
Windgeschwindigkeit	u				*
Windstärke	Um				+
relative Sonnenscheindauer	n		+		+
extraterrestrische Strahlung	Ra		+		+
Globalstrahlung	Rs		*		+
Strahlungsbilanz	Rn				*
* notwendige bzw. bevorzugte Größe, + Ersatzgröße zur Berechnung der mit * gekennzeichneten Größe

Zeitfunktionen	Meteorologie	HYD_DATA	BW_DATA	Z_Relate	GW
Termin	x	x	x	x	x
TerminHM				x
JAHR	x	x	x	x	?
MONAT	x	x	x	x	?
TAG	x	x	x	x	?
STUNDE	x	x	x	x
MINUTE	x	x	x	x
MITTLERE_MONATSWERTE				x	?
MITTELWERT				x	?
MITTLERER_JAHRESGANG			x	x	?

Datenart	Einheit	Default	Bemerkung
Lufttemperatur	°C	8
Dampfdruck	hPa	10
relative Feuchte	% oder Anteile von 1.		Alternativ zum Dampfdruck
Windstärke	Bf	0,5	nur für Penman
Sonnenscheindauer	h/d	0
pot. Verdunstung	mm/DT	0
Niederschlag	mm/DT	0