1.7 Modellebenen

1.7.1 Modellstrukturen und Raumdiskretisierungen
1.7.2 Datenflüsse
1.7.3 Modellebene Meteorologie - MET
1.7.4 Modellebene Abflussbildung - ABI
1.7.5 Modellebene Direktabflusskonzentration - RD
1.7.6 Modellebene Basisabflusskonzentration - GW
1.7.7 Modellebene Gesamtabfluss - Q
1.7.8 Spezialfälle
1.7.8.1 Behandlung "abflussloser" Gebiete
1.7.8.2 Abfluss von urbanen Flächen

1.7.1 Modellstrukturen und Raumdiskretisierungen

Zur Beschreibung der hydrologischen und hydrometeorologischen Prozesse werden diese zu Domänen und Ebenen zusammengefasst. Folgende Modellebenen werden in ArcEGMO unterschieden:

  1. METEOR zur Ermittlung der meteorologischen Modelleingangsgrößen und ihre Übertragung auf die im Rahmen der Abflussbildungsberechnung zu modellierenden Flächen,
  2. ABI zur Beschreibung der Abflussbildung,
  3. RD zur Beschreibung der Abflusskonzentration auf der Landoberfläche,
  4. GW zur Beschreibung der Abflusskonzentration im Grundwasser und
  5. Q zur Beschreibung der Abflusskonzentration im Gewässernetz.

Die Modellebenen METEOR und ABI bilden gemeinsam die Vertikalprozess-Domäne, RD, GW und Q die Lateralprozess-Domäne.

Wie Tabelle 7-1 zeigt, können je nach Aufgabenstellung und zur Verfügung stehender Datenbasis die Modellierungen in den einzelnen Ebenen unterschiedlich detailliert bzgl. der Prozessbeschreibung und der Raumgliederung vorgenommen werden. Welche Raumauflösung für die einzelnen Ebenen gewählt wird, ist innerhalb der Steuerdatei ARC_EGMO.STE (s. Kapitel 1.3) festzulegen.

Tabelle 7-1: Übersicht über die einzelnen Modellebenen:
Ebene Raumauflösung interne Untergliederung Prozessbeschreibung
METEOR EFL, KAS, TG oder GEB   Niederschlagskorrektur, Schneeschmelze, pot. Verdunstung nach Penman, Turc/Ivanov oder Haude
ABI EFL   Speicheransätze für homogene Standorte
KAS, TG oder GEB Hydrotopklassen Speicheransätze mit Flächenverteilungsfunktionen
RD KAS   kinematische Welle
TG oder GEB Abflusskomponenten nach Hydrotopen Speicherkaskaden
GW TG Abflusskomponenten nach Teileinzugsgebieten Einzellinearspeicher
GEB Abflusskomponenten nach Hydrotopen
Q FGW, TG, GEB   kinematische Welle oder Speicherkaskaden
TG oder GEB   Systemantwortfunktionen

Abbildung 7‑1: Mögliche Raumdiskretisierungen in den Modellebenen

Abbildung 7‑2: Übersicht über die einzelnen Modellebenen

Jede Modellebene

Die (vorrangig) vertikalen Prozesse werden von den Modellebenen MET und ABI beschrieben, die lateralen Abflusskonzentrationsprozesse in den Ebenen RD, GW und Q behandelt.

Abbildung 7-2 zeigt die Funktionalitäten der in der Standardmodulbibliothek eingebundenen Module mit ihrer Zuordnung zu den Modellebenen.

Im Allgemeinen ist eine Modellebene wie folgt aufgebaut:

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

MET_MOD1

VERDUNSTUNGS_BERECHNUNG   1     /*  0 GEGEBEN; 1 PENMAN, 2 TURC_IV,  3 HAUDE   */

SCHNEEMODELL              0     /*  0 Niederschlagsdargebote gegeben,          */

                                /*  1 Taggradverfahren                         */

VERDUNSTUNGSKORREKTUR     1.0   /* Faktor zur Korrektur der berechneten bzw.   */

                                /* gegebenen potentiellen Verdunstung          */

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

SCHNEEKORREKTUR           1.2   /* fehlern und Benetzungsverlusten             */

GRENZTEMPERATUR           0.5   /* Grenzwert der Tagesmitteltemperatur, unter  */

                                /* der Schneefall angenommen wird              */

TESTDRUCK

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

ABI_MODELL

ZEITFAKTOR_NIEDERSCHLAG   1.  /* Eichgroesse, dient zur Anpassung des kf-Wertes*/

                              /* < 1. : Reduktion bei geringer Zeitaufloesung  */

                              /*        zum Ausgleich von Informationsverlusten*/

                              /*        ueber die "wahren" Niederschlagsinten- */

                              /*        sitaeten                               */

                              /* > 1. : Erhoehung zur Beruecksichtigung von    */

                              /*        Makroporen etc.                        */

MET_VORGESCHICHTE        0.9  /* 0. fuer trocken bis 1.0 fuer feucht           */

PARAMETER_TAB_SPEICHERN?     Ja

VERTEILUNGS_FUNKT_SPEICHERN? Ja  

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

RD_MODELL

ABFLUSSBILDUNG_ITERATIV    0   /* 1 Abflussbildung innerhalb oder              */

                               /* 0 ausserhalb der internen Zeitschleife       */

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

KINWAVE

FAK_FLIESSWEGVERLAENGERUNG 1.1

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

Q_MODELL                

ZEITSCHRITTWEITE      1440.    /* in Minuten                                   */

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

Q_ELS                 

RUECKGANGSFAKTOR      0.0002   /* Dient der Skalierung der modellintern        */

                               /* ermittelten Rueckgangskonstanten             */

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

EGMO_GW

AFMN   .50

SPEICHERUNG_DER_ELS_KONSTANTEN?  JA

ABFLUSSKOMPONENTEN

RG   730 AFw AFa AFs AFB AIMP    

RH   20  AH

RN   10  AW ANw ANa ANs  ANB

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

Abbildung 7‑3: Beispiel für eine Steuerdatei Modul.ste

1.7.2 Datenflüsse

Tabelle 7-2 gibt eine Übersicht über die von ArcEGMO bereitgestellten Systemgrößen. Diese Größen - programmtechnisch sind dies Routinen, die auf Speicheradressen verweisen - haben 3 Funktionen.

  1. Sie ermöglichen den Modulen, zeitlich variable Größen zu verwalten (z.B. Speicherfüllungen).
  2. Diese Größen können gleichzeitig Ergebnisgrößen und damit Input in die Ergebnisauswertung sein.
  3. Außerdem werden über einen Teil dieser Funktionen die einzelnen Modellebenen miteinander verbunden bzw. die räumlich verknüpften Datenflüsse organisiert.

So liefert MET das Niederschlagsdargebot und die potentielle Verdunstung für ABI, die wiederum neben der realen Verdunstung als Ergebnisgröße den Landoberflächenabfluss und die Grundwasserneubildung als Eingang für RD und GW bereitstellt. Über den Anteil von RO, der in der Ebene RD nicht dem Gesamtabfluss Q zugeordnet wird, weil er beispielsweise nicht das Gewässersystem erreicht, existiert eine Rückkopplung zu ABI, weil dieser Anteil wieder zur Versickerung angeboten wird. Letztlich liefern RD und GW die Inputgrößen für die Modellebene Q, die den Gesamtabfluss ermittelt.

Die Modellebene METEOR dient neben der Ermittlung und Flächenübertragung meteorologischer Daten gleichzeitig zur Verwaltung der Zeitreihen und wurde deshalb bereits ausführlich im Kapitel 1.5.1 beschrieben.

Die ermittelten Parameter werden im aktuellen Ergebnisverzeichnis ...\RESULTS\<VAR1>\PARA gemeinsam mit ihrem Raumbezug in der Datei <Räumliche Bezugsebene>_<Modellebene>.par (z.B. TG_ABI.PAR) gespeichert. Über den Raumbezug ist eine Georeferenzierung der ermittelten Parameter und damit eine visuelle Plausibilitätsprüfung im GIS möglich. Beim nächsten Simulationslauf wird vom Programm geprüft, ob die entsprechende Parameterdatei gefunden wird und dann eingelesen. Somit kann die aus GIS-Daten abgeleitete Erstschätzung der Modellparameter für die weiteren Modellanwendungen geändert werden.

Während des Simulationslaufes wird innerhalb der Modellorganisation jeder Ebene sichergestellt, dass insbesondere für die Abflusskonzentrationsberechnungen eine Abarbeitung der einzelnen Raumelemente von "oben nach unten", also hierarchisch, stattfindet.

Im folgenden wird also nur noch ausführlich auf die Modellebenen ABI, RD, GW und Q eingegangen und ihre Verknüpfungsmöglichkeiten miteinander erläutert, während die prozessbeschreibenden Module im 2. Teil dieser Dokumentation behandelt werden.

Tabelle 7-2: Wichtige Systemgrößen in ArcEGMO:
Name der Funktion Bedeutung
Met_KorNiederschlag Ergebnis MET, Input für ABI
Met_PotVerdunstung Ergebnis MET, Input für ABI
Met_KlimaWasserbilanz Ergebnis MET
Met_Lufttemperatur Ergebnis MET
Met_Globalstrahlung Ergebnis MET
Met_RelSonnenscheindauer Ergebnis MET
Met_Dampfdruck Ergebnis MET
Met_Schmelzwasserabgabe Ergebnis MET
Met_Windstaerke Ergebnis MET
Met_SchneespeicherFest Ergebnis MET
Met_SchneespeicherFluessig Ergebnis MET
Met_Bodenwaerme Ergebnis MET
Abi_Effektivniederschlag Ergebnis ABI
Abi_Grundwasserneubildung Ergebnis ABI, Input GW
Abi_HypodermischerAbfluss Ergebnis ABI
Abi_Landoberflaechenabfluss Ergebnis ABI, Input RD
Abi_RealeVerdunstung Ergebnis ABI
Abi_BodenfeuchteAbs Ergebnis ABI
Abi_BodenfeuchteDef Ergebnis ABI
Abi_Interzeptionsfuellung Systemgröße ABI
Abi_KapillarwasserAustausch Ergebnis ABI
Abi_Muldenspeicherfuellung Systemgröße ABI, Input für RD
Abi_Bodenspeicherfuellung Systemgröße ABI
Rd_Abfluss Ergebnis RD, Input Q
Rd_Inhalt Ergebnis RD, Input für ABI
Rd_Oberliegerzufluss Ergebnis RD
Els_Input Systemgröße GW
Gw_Output Systemgröße GW, Input für Q
Q_Abfluss Ergebnis Q
Q_Direktzufluss Ergebnis Q, Input für RD
Q_Eigengebietszufluss Ergebnis Q
Q_Externzufluss Ergebnis Q
Q_Grundwasserzufluss Ergebnis Q, Input für GW
Q_Inhalt Ergebnis Q
Q_Input Ergebnis Q
Q_Oberliegerzufluss Ergebnis Q
Q_VorlandInhalt Ergebnis Q
Q_Wasserstand Ergebnis Q

1.7.3 Modellebene Meteorologie - MET

Dieser Modellteil dient zur Verwaltung stationsbezogener, meteorologischer Zeitreihen und deren Übertragung auf meteorologische Modellflächen gemäß der dafür gewählten Raumdiskretisierung (s. Steuerdatei ARC_EGMO.STE in Kapitel 1.3).

Werden in den Stationsreihen Fehlwerte festgestellt, z.B. durch Ausfall von Messgeräten etc., werden diese Fehlwerte je nach Anzahl der zur Verfügung stehenden Stationen wie folgt aufgefüllt:

  1. Bei 2 Stationen werden die Lücken durch die Messwerte der anderen Station gefüllt. Weist auch diese hier einen Fehlwert auf, werden die folgenden Default-Belegungen verwendet:
  2. Bei insgesamt 3 Stationen wird analog vorgegangen, jedoch wird hier das Mittel der beiden belegten Stationen verwendet.
  3. Stehen mehr als 3 Stationen zur Verfügung, werden Fehlstellen aufgefüllt, indem für die betreffende Station das modifizierte Quadrantenverfahren (s. Kapitel 1.5) angewendet wird, d.h. die Messwerte von max. 4 umliegende Stationen berücksichtigt werden.

Die Vorgehensweise gemäß 1. oder 2. ist sicher meist sehr ungenau. Sie dient vor allem dazu, bei wenigen Ausfällen ein "Durchrechnen" des Programms zu gewährleisten. Damit ist man jedoch nicht von der Notwendigkeit befreit, sich über einen fundierteren Fehlstellenausgleich Gedanken zu machen und diesen eventuell außerhalb von ArcEGMO vorzunehmen.

Neben dem Handling der Zeitreihen werden für die eigentlichen Berechnungen im Meteorologiemodul Grundgrößen für jede meteorologische Modellfläche berechnet wie:

  1. Gefälle, Exposition und Albedo (aus den flächeninternen Elementarflächeneigenschaften) und
  2. extraterrestrische Strahlung und relative Sonnenscheindauer in Abhängigkeit von Gefälle, Exposition, geographischer Breite und Tagesnummer.

1.7.4 Modellebene Abflussbildung - ABI

Die Abflussbildung kann je nach gewünschter räumlicher Auflösung

  1. für Elementarflächen oder
  2. für Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete bzw. das Gesamtgebiet

berechnet werden.

Liegt die räumliche Auflösung über der der Elementarflächen, so kann i.d.R. nicht mehr von quasi homogenen Flächen ausgegangen werden. Diese inhomogenen Flächen können modelliert werden, indem sie in Hydrotopklassen untergliedert und weitere Inhomogenitäten über Flächenverteilungsfunktionen berücksichtigt werden.

Im Zuge der Modellrechnungen werden die folgenden Wasserhaushaltsgrößen ermittelt:

  1. Effektivniederschlag PEF als Infiltrationsüberschuss,
  2. (pot.) Landoberflächenabfluss RO als Überlauf aus einem Muldenspeicher,
  3. reale Verdunstung ER und
  4. Sickerwassermenge bzw. Grundwasserneubildung GWN.

Je nach Aufgabenstellung kann das Abflussbildungsmodell innerhalb eines Niederschlag-Abfluss-Modells eingesetzt werden, wobei dann der Landoberflächenabfluss und die Grundwasserneubildung an die nachgeordneten Modellebenen zur Beschreibung der lateralen Abflussprozesse weitergegeben werden.

Für die Übergabe an nachgeordnete Modellebenen zur Beschreibung der lateralen Abflussprozesse werden der Landoberflächenabfluss und die Grundwasserneubildung räumlich aggregiert für die Bezugsgeometrien bereitgestellt.

Über die Steuerdatei MODUL.STE (s. Abbildung 7-4) kann festgelegt werden, ob die Abflussbildungsparameter mit ihrem Raumbezug in der ASCII-Tabelle <RB>_abi.par (RB für Raumbezug, z.B. Elementarflächen oder Teileinzugsgebiete) gespeichert werden sollen. Im GIS können die Parameter dann visualisiert und auf Plausibilität geprüft werden.

Für Analyse- und Auswertezwecke wird die Speicherung von Flächenverteilungsfunktionen unterstützt. Gespeichert werden dabei nicht die kompletten Flächenverteilungsfunktionen, sondern nur die Punkte der Funktion mit einem neuen Parameterwert. Zieldatei ist die ASCII-Tabelle Flvf_par.xlx im RESULT-Verzeichnis

Ebenso können globale Parameter festgelegt werden. Globale Parameter sind empirischer Natur, so dass eine einheitliche bzw. globale Festlegung für alle Elementarflächen bzw. Hydrotopklassen gewählt wurde.

In der jetzigen Modellversion sind dies die folgenden Einträge:

ABI_MODELL

ZEITFAKTOR_NIEDERSCHLAG   1.  /* Eichgroesse, dient zur Anpassung des kf-Wertes*/

                              /* < 1. : Reduktion bei geringer Zeitaufloesung  */

                              /*        zum Ausgleich von Informationsverlusten*/

                              /*        ueber die "wahren" Niederschlagsinten-*/

                              /*        sitaeten                               */

                              /* > 1. : Erhoehung zur Beruecksichtigung von    */

                              /*        Makroporen etc.                        */

MET_VORGESCHICHTE          0.5  /* 0. fuer trocken bis 1.0 fuer feucht         */

VERDUNSTUNGSREDUKTION      0.3  /* 0. fuer stark   bis 1.0 fuer schwach        */

MIN_VEGETATIONSFUNKTION    0.4  /* 1 bzw. keine Angabe --> so wie bisher       */

MAX_VERSCHIEBUNG_VEGFUNKT  -45  /* Verschiebung des Veg.Maximums [Tage]        */

PARAMETER_TAB_SPEICHERN?     Ja

VERTEILUNGS_FUNKT_SPEICHERN? Ja  

Abbildung 7‑4: Steuerdatei MODUL.STE - Block ABI_MODELL

Tabelle 7-3: Wichtige Systemgrößen in ArcEGMO:
Kriterium URBAN PSCN SIWA-Familie BOKA (EGMO)
Horizontale Diskretisierung   Homogene Teilflächen (EFL) bis größere heterogene Flächen - Inhomogenitäten über Verteilungsfunktionen
Vertikale Diskretisierung Vereinfachtes Bodenwasserhaushalts-modell für vorrangig bebaute Flächen, ansonsten kombinierbar mit PSCN, SIWA und EGMO n-Berechnungsschichten bis Grundwasser Bodenschichtung der wechselfeuchten Bodenzone Flächenverteilung der standortbezogenen Speicherkapazitäten
Infiltration Makroporenfluss, Holtan Holtan
Verdunstung Interzeption, Sublimation, Evaporation, Transpiration als Funktion der PET und der Bodenfeuchte Bodenfeuchteabhängie Reduktion der potenziellen Verdunstung (Turc oder Penman)
Versickerung Schichtbezogene Feuchtebilanzierung, Makroporenfluss Schicht- bis standortbezogene Feuchtebilanzierung Standort- bis flächenbezogene Feuchtebilanzierung
Kapillaraufstieg Gemäß KA4 oder aus GW-Modell Gemäß KA4 oder aus GW-Modell Mesoskaliger Zehrflächenansatz
Vegetationsentwicklung   Dynamische Pflanzenmodelle Zeitfunktionen zum Wurzelwachstum
Stoffumsatz, -austrag Stickstoff, Phosphor Stickstoff, Kohlenstoff Nein
Stadthydrologische Prozesse Verknüpfung von natürlichen und urbanen Abflussprozessen bis hin zur Kläranlage Vereinfachte Abbildung über Zuordnung der Direktabflüsse auf den versiegelten Flächenanteilen zu den Komponenten ROnat, ROTrennK und ROMschK ohne Betrachtung der Fließwege, z.B. zur Kläranlage
Anwendungsmaßstab 100 bis 10 Tausend km2 Standort bis 500 km2 bis mehrere 10 Tausend km2
Anwendungsziele Mesoskalige Abschätzung der Stoffausträge aus urbanen Flächen mit deterministisch untersetzten Ansätzen Ertragsmodellierung, Stoffaustrag, Wasserhaushalt Bodenwasserhaushalt, Grundwasserneubildung, Input für Grundwassermodelle Wasserhaushalt für Regionen und Flussgebiete, Abflussprozesse im Gewässer
Anwendungen Bmbf-Forschungsprojekt "Flussgebietsmanagement Havel" · GLOWA Unstrut-Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsänderungen auf den WH und N-Eintrag ins GW (1 - 720 km2)
· Wasser- und Stoffhaushalt einer sich verändernden Naturlandschaft im Nationalpark Bayerischer Wald im Rahmen der HighTech-Offensive Bayern
· Diverse GWNB-Ermittlungen für Grundwassermodelle => u.a. ArcSIWA® von WASY
· Grundlagenkarten für Landschaftsplanung im Planungsverband Frankfurt/Main => Kopplung an dortiges Bodeninformationssystem
· Auswirkungen von Klima- und Land-nutzungsänderungen auf den WH => diverse Anwendungen im PIK und BAH
· Ermittlung von Bemessungsdaten für wasserwirtschaftl. Planungen => diverse Anwendungen im BAH
· Bemessung und Abschätzung der Auswirkungen von Bewirtschaftungsmaßnahmen im Gewässer => gekoppelte Modellierung - Modellkampagnen
=> diverse Projekte (FEGM Havel, WH Lietzengraben, GLOWA und FEGM Unstrut)

1.7.5 Modellebene Direktabflusskonzentration - RD

Die Konzentration des Direktabflusses kann mit den Raumdiskretisierungen Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete oder Gesamtgebiet beschrieben werden.

Zur Beschreibung der Prozesse können derzeit eingesetzt werden

  1. der Ansatz der kinematischen Welle oder
  2. die vollständige Translation innerhalb des Berechnungszeitschrittes DT.

Die integrierten Modelle werden ausführlicher im Kapitel 2 der Programmdokumentation beschrieben.

Bei der vollständigen Translation werden lediglich sämtliche Direktabflüsse, die in der Modellebene ABI ermittelt wurden, an die Modellebene Q weitergegeben, ohne dass Verzögerungseffekte berücksichtigt werden. Da dies letztlich auf die Verwendung einer Systemantwort mit einer Ordinate, die den Wert 1 besitzt, hinaus läuft, was die einfachste aller denkbaren Modellvorstellungen ist, kann auf eine weitere Beschreibung verzichtet werden.

Für spätere Versionen des Systems ArcEGMO ist vorgesehen, den Direktabfluss unter Verwendung verbesserter Systemantworten zu konzentrieren, die unter Nutzung relevanter Flächeneigenschaften ermittelt werden. Denkbar ist auch die Bildung von Direktabflusskomponenten, also die Zusammenfassung der Direktabflüsse von Flächentypen mit ähnlichen Eigenschaften bzgl. der Fließgeschwindigkeiten. Diese können z.B.

RD_MODELL

ABFLUSSBILDUNG_ITERATIV   0   /* 1 Abflussbildung innerhalb oder             */

                              /* 0 ausserhalb der internen Zeitschleife      */

Abbildung 7‑5: Steuerdatei MODUL.STE - Block RD_MODELL

Über die Steuerdatei MODUL.STE (s. Abbildung 7-4) kann festgelegt werden, wie die Abflussbildung behandelt wird. So ist bei Anwendung dynamischer Konzentrationsansätze wie der kinematischen Welle eine variable Zeitschrittsteuerung integriert, die in Abflussbildungsperioden den Abflusskonzentrationsprozess in hoher zeitlicher Auflösung berechnet. Die Abflussbildung wird dagegen i.d.R. entsprechend der zeitlichen Auflösung der meteorologischen Daten simuliert. Es besteht nun über die Option ABFLUSSBILDUNG_ITERATIV die Möglichkeit, in Niederschlagsperioden die Abflussbildung in derselben Zeitauflösung wie die Konzentration zu beschreiben. Diese sehr rechenzeitintensive Modellierung erlaubt eine gute Wiedergabe der Wiederversickerung des Landoberflächenabflusses auf seinem Weg zum Vorfluter.

1.7.6 Modellebene Basisabflusskonzentration - GW

Das Grundwassermodell

In welcher Form das Grundwassermodell arbeitet, wird in der Steuerdatei ARC_EGMO.STE unter RAUMBEZUEGE_MODELLIERUNG, Option ABFLUSSKONZENTRATION_GW, sowie über die Steuerdatei MODUL.STE festgelegt.

Sollen Grundwasserzuflüsse, die extern z.B. mit einem detaillierten Grundwassermodell berechnet wurden, innerhalb eines komplexen Flussgebietsmodells genutzt werden, übernimmt die Programmkomponente FE (s. Kapitel 1.5.4) für diese Grundwasserzuflüsse

Das Grundwassermodell GW_MOD leitet diese Grundwasserzuflüsse dann lediglich an die nachfolgende Modellebene Q weiter.

Bei Verwendung "externer" Grundwasserzuflüsse ist in der Steuerdatei ARC_EGMO.STE für ABFLUSSKONZENTRATION_GW die Option FE, für den GESAMTABFLUSS die Option FGW zu wählen.

Das interne Grundwassermodell wird aktiviert, wenn der Raumbezug in der Modellebene GW auf Teileinzugsgebiete TG, Regionen REG oder das Gesamtgebiet GEB gesetzt wurde. Es beruht auf Einzellinearspeicheransätzen, die entsprechend den vorhandenen Parametrisierungsmöglichkeiten unterschiedlich detailliert angewendet werden können. Da derzeit nur unzureichende Möglichkeiten existieren, die Einzellinearspeicherkonstanten C aus GIS-Informationen abzuleiten, müssen diese als einzulesender Parameter vorgegeben werden.

Aufgrund dieser Schwierigkeiten bei der Parameterschätzung ist es nicht sinnvoll, die quasi beliebig feine Diskretisierung bei der Abflussbildungsmodellierung für das Grundwasser beizubehalten. 

Eine Zusammenfassung zu Abflusskomponenten ist angebracht, weil

1.7.7 Modellebene Gesamtabfluss - Q

Diese Modellebene dient der Ermittlung des Gesamtabflusses als Überlagerung von Grundwasser- und Direktabfluss unter Berücksichtigung von Retentionseffekten. In das System integriert sind derzeit systemhydrologische Ansätze wie die Faltung und verschieden detaillierte Linearspeicherkaskaden (Parallel- und Reihenschaltung, Kalinin-Miljukov).

Die Faltung ist anwendbar, sofern als räumliche Diskretisierung in dieser Modellebene Teileinzugsgebiete, Modellregionen oder das Gesamtgebiet gewählt wurden.

Die Linearspeicherkaskade beschreibt die Abflusskonzentration in Abhängigkeit vom Gewässergefälle und der Gewässerlänge als Charakterisierung der Retention. Sie kann angewendet werden, wenn eine räumliche Diskretisierung der Modellebene Q in Gewässerabschnitte vorgenommen wurde. Es können aber auch Teileinzugsgebiete oder für großräumige Modellierungen Modellregionen oder das Gesamtgebiet gewählt werden. In diesen Fällen werden nicht mehr die Eigenschaften (Gefälle, Länge) des einzelnen Gewässerabschnittes, sondern die aller Gewässerabschnitte innerhalb dieser flächigen Raumuntergliederung berücksichtigt (z.B. mittleres Gefälle bzw. Summe aller Gewässerabschnittslängen innerhalb eines Teilgebietes).

Von großer Wichtigkeit für die Berechnung der Abflusskonzentration ist die richtige Wahl der Berechnungszeitschrittweite.

Dazu ist es notwendig, über den Abschnitt Q-Modell in der Steuerdatei Modul.ste die Zeitschrittweite [Minuten] anzugeben, mit der im Regelfall die Konzentrationsrechnungen durchgeführt werden sollen. Der Zeitschritt ist in Abhängigkeit von der Detailliertheit der räumlichen Diskretisierung und den Gebietseigenschaften so zu wählen, dass die Gebietsdynamik angemessen beschrieben werden kann. Diese Zeitschrittweite sollte außerdem kleiner oder gleich der Zeitauflösung der meteorologischen Daten sein.

Der so vorgegebene Standardzeitschritt wird in Abflussbildungsperioden aus Stabilitätsgründen programmintern verringert.

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

Q_MODELL

ZEITSCHRITTWEITE     1440.   /* in Minuten */

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

Abbildung 7‑6: Steuerdatei MODUL.STE - Block Q_MODELL

1.7.8 Spezialfälle

1.7.8.1 Behandlung "abflussloser" Gebiete

Abflusslose Gebiete sind Teileinzugsgebiete ohne Gewässeranschluss, die sich gemäß der Orographie ergeben.

Zur modellmäßigen Beschreibung in ArcEGMO existieren hinsichtlich der Gebietsgliederungen in den einzelnen Ebenen die im Folgenden angegebenen Möglichkeiten.

ABFLUSSKONZENTRATION_RD   tg 

ABFLUSSKONZENTRATION_GW   tg  | reg 

GESAMTABFLUSS             fgw | tg

Abbildung 7‑7: mögliche Gebietsgliederungen in den einzelnen Ebenen

Bei der Hierarchisierung der Gebietsgliederung haben diese Teilgebiete keinen Unterlieger (Kodierung -1) hinsichtlich des Landoberflächenabflusses RO. Da die RD-Schleife über die Raumgliederung Q läuft, wird in abflusslosen Gebieten der dort eventuell gebildete RO nicht 'abgeholt' und wird somit im nächsten Zeitschritt wieder versickern.

Für den Grundwasserabfluss ist über die Zuordnung der abflusslosen Teilgebiete zu (übergeordneten) Grundwasser-Regionen (Gliederung reg für ABFLUSSKONZENTRATION_GW) der in der Realität gegebene grundwasserseitige Anschluss an das Entwässerungssystem sicherzustellen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die abflusslosen Teilgebiete an ein tiefes Grundwassersystem anzuschließen, d.h. das Teilgebiet, in das die Grundwasserkomponente entwässern soll, direkt vorzugeben (s. tiefes Grundwasser in GW-Mod).

1.7.8.2 Abfluss von urbanen Flächen

Für die Beschreibung der Abflusskomponenten von urbanen Flächen gibt es nun die Möglichkeit, die Kanalisationsart und den Anschlussgrad an die Kanalisation zu berücksichtigen.

Beide Größen können über die Eigenschaften der Elementarflächen vorgegeben werden. Dafür sind die Attribute.

Kanalisationsart    - 1 : Mischkanalisation

                    - 2 : Trennkanalisation

                    - 3 bis 8 . weitere Kanalisationsarten (bisher nicht belegt)

                    - 9 : nicht belegt, da lokal unbekannt

                    - -9999, Attribut Kanalisationsart nicht vorhanden

                           (default-Wert, Kompatibilität mit bisherigem Modell)

AnSchlussGRAD       - 0 bis 1., wenn bekannt

                    - 1. (default-Wert, Kompatibilität mit bisherigem Modell)

Abbildung 7‑8: Kanalisationsart und Anschlussgrad

Der Grundgedanke dabei ist, die Abflusswirksamkeit bebauter Flächen differenzierter beschreiben zu können, wenn Informationen zum Anschlussgrad vorhanden sind. Abflusswirksam ist nur der auch an die Kanalisation angeschlossene Anteil der versiegelten Flächen. Die nicht angeschlossenen Flächen oder Flächenanteile versickern meist dezentral vor Ort, so dass diese Abflussanteile nicht in den Vorfluter transferiert werden müssen.

Für die programmtechnische Umsetzung wurden folgende Fälle unterschieden:

  1. Attribut Kanalisationsart ist nicht belegt (Eintrag fehlt in der EFL.sdf)
  2. So wie bisher wird nur die Abflusskomponente RO belegt. Der Anschlussgrad wird genutzt, sofern er angegeben ist, um den abflusswirksamen Anteil der Versiegelung abzumindern. Ist kein Anschlussgrad angegeben, wird dieser auf 1. gesetzt.
  3. Kanalisationsart ist bekannt (1=Misch- oder 2=Trennkanalisation)
  4. Es werden die Angaben zum Anschlussgrad genutzt, um die beiden Abflusskomponenten Misch- und Trennkanalisationsabfluss zu berechnen. Für Flächen mit der Kanalisationsart 9 (nicht bekannt), wird eine Aufteilung des angeschlossenen Anteils zu 10% auf die Misch- und zu 90% auf den Trennkanalisation vorgenommen. Auch hier wird der Anschlussgrad, sofern er nicht angegeben ist, auf 1. gesetzt.

Die Größen der beiden Kanalisationsabflusskomponenten können über die Einträge

MISCHKANALISATIONSABFLUSS

TRENNKANALISATIONSABFLUSS

im Block WASSERHAUSHALT der results.ste als Ergebnisse ausgegeben werden.

Diese Möglichkeit kann auch bei unbekannten Kanalisationsverhältnissen genutzt werden, die urban bedingten Direktabflüsse getrennt von den Landoberflächenabflüssen durch Infiltrationsüberschuss oder von Sättigungsflächen auszugeben.

Nutzung der Attribute Kanalisationsart und Anschlussgrad über die Routinen *Efl_AGrad(i_efl) und Efl_Kanansch(i_efl).