Modell- und Programmentwicklung: Dr. Bernd Pfützner, BAH - Büro für Angewandte Hydrologie Berlin und Dr. Alfred Becker, PIK - Potsdam Institut für Klimafolgenforschung
|
2.3.1 Anwendungsbereich |
|
2.3.2 Beschriebene Prozesse |
|
2.3.2.1 Eingangsgrößen |
|
2.3.2.2 Interzeption - INTZEP |
|
2.3.2.3 Abflussbildung an der Bodenoberfläche - INFILT |
|
2.3.2.4 Bodenkapillarwasserhaushalt - BOKA_EFL |
|
2.3.3 Programmtechnische Umsetzung |
|
2.3.4 Abkürzungen und Symbole |
|
2.3.5 Weiterführende Literatur |
Die Modulfamilie SiWa beruht auf Ansätzen des konzeptionellen Modellsystems EGMO (Becker 1975, Pfützner 1989). Jedes einzelne der derzeit 4 Module beinhaltet aber wesentliche Modifikationen, insbesondere bei der Modellierung des Bodenwasserhaushaltes, auf die im weiteren noch detailliert eingegangen werden wird. Allen Modulen gemeinsam ist die Beschreibung der Abflussbildung bzw. des vertikalen Feuchtestroms auf Elementarflächen[1]bis zur Unterkante des Wurzelraumes. Dabei werden, wie Abbildung 3‑1 zeigt, die folgenden hydrologischen Teilprozesse berücksichtigt:
Abbildung 3‑1: Wirkungsweise des Elementarflächenmodells
Modelleingangsdaten sind Zeitreihen des Niederschlagsdargebots und der potentiellen Verdunstung. Berechnet werden die Wasserhaushaltsgrößen:
Folgende Einschränkungen gelten:
Die verwendeten Teilmodelle sind konzeptioneller Natur. Ihre Parameter stehen in einem plausiblen Zusammenhang zu hydrologisch relevanten Flächeneigenschaften und lassen sich aus diesen ableiten.
Innerhalb des Modellierungssystems ArcEGMO können die SiWa-Module als Kern eines Wasserhaushaltsmodells fungieren oder mit Modulen zur Beschreibung der Abflusskonzentration zu einem komplexen Niederschlag - Abfluss - Modell verbunden werden.
Die nachfolgend beschriebenen Routinen zur Erfassung von Teilprozessen der Abflussbildung werden beginnend mit der Interzeption nacheinander abgearbeitet. Ausgangsgrößen des jeweils zeitlich vorgeschalteten Teilmodells sind wiederum Eingangsgrößen für das Nachgeschaltete. Die Eingangsgrößen für das Interzeptionsmodul sind P = PI - EP (PI - Niederschlag, EP - pot. Verdunstung) und ERI = EP als Anfangsschätzung der realen Verdunstung ERI.
In den nachfolgend beschriebenen Teilmodellen werden in Abhängigkeit von P Ansätze aktiviert, die entweder das Auffüllungs- (P > 0) oder Ausschöpfungsverhalten beschreiben (P < 0). Sofern P > 0 ist, wird die Anfangsschätzung für ERI beibehalten, für P < 0 findet eine Reduktion dieser Verdunstung entsprechend den aktuellen Feuchtebedingungen statt.
Fallender Niederschlag wird im Interzeptionsraum zwischengespeichert und über die Verdunstung wieder ausgeschöpft. Die Größe dieses Anfangsverlustes wird durch die Art der Flächennutzung bzw. der Vegetation bestimmt. Übersteigt die Niederschlagshöhe die Speicherkapazität der Vegetation, erreicht dieser Überschuss PO die Bodenoberfläche.
Die hier ablaufenden hydrologischen Prozesse werden mit dem einfachen Ansatz "abflussloser Einzelspeicher mit Überlauf" modelliert, da mit umfangreichen Sensitivitätsanalysen nachgewiesen werden konnte, dass ihre Bedeutung im hydrologischen Gesamtregime relativ gering ist.
Bei der Modellierung wird zuerst die aktuelle Speicherfüllung
W = W + P (Gl.2‑1)
ermittelt, wobei P=PI-EP der Modellinput ist. In Auffüllungsperioden, also positivem P, gilt
PO = MAX (0.,W-WOMx) (Gl.2‑2)
und W = MIN (W,WOMx)
mit WOMx als Interzeptionsspeicherkapazität, in Ausschöpfungsperioden
PO = MIN (0.,W) (Gl.2‑3)
und W = MAX (W,0.)
PO kann also in Ausschöpfungsperioden auch negative Werte annehmen und stellt dann ein Verdunstungsdefizit dar.
Wenn die Modellierung des Verdunstungsprozesses im Vordergrund steht, sind detailliertere Ansätze angebracht. Dabei sollte aber berücksichtigt werden, dass mögliche Fehler durch die vereinfachte Modellierung durch andere Fehler, z.B. durch die ungenaue Erfassung der flächenhaften Niederschlagsverteilung, überwogen werden können.
Übersteigt das Wasserangebot an der Bodenoberfläche PO das aktuelle Infiltrationsvermögen Fpot des Bodens, so entsteht Effektivniederschlag PEF. Dabei gilt die Bilanzgleichung:
PEF = MAX(0.,PO-Fpot) (Gl.2‑4)
Der bodenwirksame Input PB (bzw. die aktuelle Infiltration) ergibt zu
PB = PO-PEF (Gl.2‑5)
Dieser Prozess kann mit Infiltrationsansätzen beschrieben werden.
Der Effektivniederschlag wird in einem Muldenspeicher der Kapazität WMM zwischengespeichert und im nächsten Berechnungszeitschritt erneut zur Infiltration angeboten. Beim Überlaufen dieses Speichers entsteht Landoberflächenabfluss RO. Die Kapazität dieses Speichers ist abhängig vom Geländegefälle.
Bei geeigneten Abflussbedingungen (merkliches Geländegefälle und "micro-chanels") und geringer Vorfluterentfernung der Entstehungsflächen erreicht dieser Landoberflächenabfluss schnell den Vorfluter und wird "abflusswirksam". Er kann dann dem Direktabfluss, also einer schnellen, meist oberflächlich fließenden Abflusskomponente im Einzugsgebiet, zugeordnet werden.
Die Infiltration spielt zusammen mit dem Bodenwasserhaushalt eine zentrale Rolle innerhalb des hydrologischen Regimes. Aufgrund der hohen Dynamik des Infiltrationsprozesses und seiner starken Abhängigkeit von sehr ortsvariablen Standorteigenschaften wie Bodenart (Leitfähigkeit, aber auch Porosität, Makroporenanteil und Saugspannung) und zeitvariablen Einflüssen wie Bodenfeuchte und Bearbeitungszustand bei landwirtschaftlichen Nutzflächen ist eine exakte Prozessbeschreibung nur mit sehr detaillierten, standortbezogenen Ansätzen hoher zeitlicher Auflösung (Minuten bis Stunden) möglich.
Diese Ansätze versagen in der Regel bei der Modellierung größerer Flächeneinheiten, weil weder die notwendige örtliche noch die zeitliche Auflösung der Eingangsdaten (Niederschlag), der Systemzustände (Bodenfeuchte) und der Systemeigenschaften (Bodenart) gegeben ist.
Es wurden deshalb Ansätze entwickelt, die für größere Zeit- und Raum-Dimensionen den Effektivniederschlag als Zielgröße richtig berechnen, wobei toleriert wurde, dass Teilprozesse wie das Fortschreiten der Feuchtefront im Boden vernachlässigt werden.
Unter der Voraussetzung, dass der "zeitliche Verlauf von Infiltrationsvermögen und -intensität in befriedigender Weise als Funktion des im Boden gespeicherten Wassers berechnet werden kann" (Dyck & Peschke 1983), wurde das Konzept INFILT zur Modellierung des Infiltrationsprozesses entwickelt. Es berücksichtigt vereinfacht linear die flächenhafte Verteilung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit innerhalb der jeweiligen Bezugsfläche.
Der Vorteil dieser Vorgehensweise wird in Abbildung 3‑2 (rechts) verdeutlicht. Während Ansätze, die nur das mittlere Infiltrationsvermögen Fmit betrachten, im angegebenen Fall keinen Effektivniederschlag berechnen, ermittelt INFILT für Standorte mit geringem Infiltrationsvermögen einen Effektivniederschlag PEF (hellgraues Dreieck).
Abbildung 3‑2: Das Infiltrationsvermögen F als Flächenfunktion (rechts) und die Infiltrationsintensität in Abhängigkeit von der Bodenfeuchte (links)
Ausgegangen wurde bei der Ableitung der Berechnungsgleichung für das aktuelle Infiltrationsvermögen Fpot eines Standortes von der Infiltrationsgleichung nach HOLTAN:
Fv = A*BDn + Fc (Gl.2‑6)
mit
Fv Infiltrationsintensität
Fc stationärer Endwert von Fv
BD Bodenfeuchtedefizit
A,n empirische Parameter
Mit n=2, Fc=Kf*DT und Fv=Fpot ergibt sich Fpot=A*(HS-1)2+Kf*DT. Unter der Annahme, dass der empirische Parameter A von der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit Kf abhängt, lässt sich diese Gleichung mit A=EXH*Kf*DT leicht überführen in
Fpot = Kf*(EXH*BD2+1) (Gl.2‑7)
mit EXH als empirischer Parameter und BD=(HS-HSC)/HSC als Füllungsdefizit des Bodenkapillarwasserspeichers des Oberbodens.
Das Infiltrationsvermögen Fpot ist also bestimmt durch die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit und die aktuelle Bodenfeuchte. "Die sukzessive Auffeuchtung bei fortschreitender Infiltration reduziert ... die Infiltrationsintensität Fpot. Erreicht sie schließlich vernachlässigbar kleine Werte (also Sättigung und damit HS = 1, vgl. Abbildung 3‑2, links), stellt sich Fpot auf den konstanten Wert der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit in der Oberfläche ein. Für die hohen Infiltrationsintensitäten im Anfangsstadium der Infiltration sind also die Adsorptions- und Kapillarkräfte erforderlich, während der Prozess im Spätstadium mit geringen Intensitäten durch die Schwerkraft ... aufrechterhalten wird." (Dyck & Peschke 1983)
Für das Minimum GLN und das Maximum GLX der linearisierten Verteilung der Kf-Werte einer Fläche wird nach Fv = A*BDn + Fc (Gl.2‑6) jeweils Fmin und Fmax errechnet, womit sich dann das auf die Fläche bezogene, potentielle Infiltrationsvermögen FPOT ermitteln lässt zu:
FPOT = 0.5*(Fmax+Fmin) für PO > Fmax (Gl.2‑8)
FPOT = PO-(PO-Fmin)2/(2*(Fmax-Fmin)) für Fmin < PO < Fmax
FPOT = PO für PO < Fmin
wobei mit FPOT=MAX(0., FPOT) ein positiver Wert für FPOT zu sichern ist. Die Modellausgänge berechnen sich nun zu
PEF = MAX(0,PO-FPOT) (Gl.2‑9)
und PB als Infiltration bzw. Modelleingang für das Bodenwasserhaushaltsmodell zu
PB= PO - PEF (Gl.2‑10)
Der beschriebene Ansatz wird in Kombination mit einen einfachen Ansatz zur Berücksichtigung der Muldenspeicherung (analog der Interzeptionsspeicherung) abgearbeitet. Der berechnete Effektivniederschlag PEF bildet den Input in diesen Speicher, dessen Überlauf abflusswirksam wird und eine Komponente des Landoberflächenabfluss RO bildet. Zu Beginn jeden Berechnungszeitschritts wird der aktuelle Inhalt des Muldenspeichers gemeinsam mit dem Output des Interzeptionsspeichers PO zur Infiltration angeboten. Beide Ansätze können auf beliebige, heterogene Flächen angewendet werden, um die Aufteilung des bodenwirksamen Niederschlages in Effektivniederschlag bzw. Landoberflächenabfluss und Einsickerung in den Boden PB zu berechnen. PB wiederum bildet den Input für das nachfolgend beschriebene Bodenwasserhaushaltsmodell.
Als Bodenkapillarwasser wird das Bodenwasser verstanden, das durch die Kapillarkräfte gegen die Schwerkraft gehalten werden kann, also der Feuchtegehalt bis Feldkapazität. Dieses Wasser kann nur durch Transpiration und Evaporation ausgeschöpft werden. Die Ausschöpfungstiefe bzw. die Mächtigkeit der wechselfeuchten Bodenzone wird dementsprechend durch die "Einflusstiefe" der Vegetation (i.A. die Wurzeltiefe) und auf vegetationsfreien Standorten oder vegetationsfreien Perioden durch die "Einflusstiefe" der Evaporation, also im Wesentlichen durch die Bodeneigenschaften (kapillare Saugspannung) bestimmt. Damit kann der Wassergehalt eines ungesättigten Standortes zwischen Feldkapazität FK und permanentem Welkepunkt PWP bzw. im Bereich des pflanzenverfügbaren Wassers (FK-PWP) schwanken. Die Speicherkapazität der wechselfeuchten Bodenzone HS ergibt sich damit zu (FK-PWP), bezogen auf die Mächtigkeit der verdunstungsbeeinflussten Bodenschicht (i.A. die Wurzeltiefe).
Innerhalb eines hydrologischen Modells besitzt die Modellierung des Bodenkapillarwasserhaushaltes dieser wechselfeuchten Bodenzone entscheidende Bedeutung, weil hier wichtige Abflussbildungsprozesse wie die Infiltration über die Feuchte und die Sickerwasserbildung gesteuert werden.
BOKA_EFL ist ein kapazitativer Modellansatz zur Bilanzierung des Bodenkapillarwasserspeicherraumes. Die Kapazität dieses Speicherraumes ergibt sich aus einer für den Standort repräsentativen nutzbaren Feldkapazität, bezogen auf die Mächtigkeit der wechselfeuchten Bodenzone. Der repräsentative nFK-Wert wird aus den nFK-Werten und den Schichtmächtigkeiten innerhalb der wechselfeuchten Bodenzone, die Gesamtmächtigkeit der wechselfeuchten Bodenzone aus dem Minimum von Wurzeltiefe, Grundwasserflurabstand und Bodenmächtigkeit an sich (bei oberflächennah anstehendem Fels) ermittelt. Da die Wurzeltiefe jahreszeitlichen Veränderungen unterworfen ist, was modellintern vereinfacht unter Nutzung einer Cosinusfunktion erfasst ist, wird in jedem Berechnungszeitschritt eine aktuelle Speicherkapazität berechnet, die als Begrenzungswert bei der Bilanzierung der Ein- und Ausgänge (infiltrierende Niederschlagsanteil PB und Perkolation) der wechselfeuchten Bodenzone dient. Minimale und maximale Wurzeltiefe sind in Abhängigkeit von der Flächennutzung bzw. vom Vegetationstyp vorzugeben.
Abbildung 3-3 zeigt die prinzipielle Wirkungsweise der Feuchtebilanzierung in der wechselfeuchten Bodenzone. Diese erfolgt grundsätzlich "von oben nach unten". Dabei werden maximal zwei Feuchteschichten (wb1 bis wb2 und wb3 bis wb4 - s. Abbildung 3-3) lagegerecht berücksichtigt, die sich zwischen Bodenoberfläche und Wurzeltiefe wz bewegen können. Infiltrierender Niederschlag lagert sich an die obere Feuchteschicht an, sofern diese existiert oder bildet oben eine neue. Die Verdunstung schöpft von oben her aus, wobei mit wachsendem Abstand der Feuchteschichten von der Bodenoberfläche eine Verdunstungsreduktion stattfindet und damit die meteorologische Vorgeschichte berücksichtigt wird.
Wenn zwei Feuchteschichten ausgebildet sind, und es tritt ein Ausschöpfungsintervall ein, so erfolgt zu Beginn desselben eine Zusammenlegung der beiden Teilschichten. Diese Maßnahme vereinfacht den Berechnungsgang bemerkenswert.
Sie kann damit gerechtfertigt werden, dass das Gesamtvolumen des gespeicherten Bodenkapillarwassers nicht verändert wird und dass die Feuchteumlagerung folgenden zwei Umständen gerecht wird:
Abbildung 3‑3: Prinzipskizze zum Bodenwasserhaushaltsansatz
Bei den bisherigen Ausführungen zum Bodenwasserhaushalt wurde immer davon ausgegangen, dass eine Auffüllung der Bodenfeuchte nur von "oben", also letztlich durch den Niederschlag erfolgt.
Auf grundwasserbeeinflussten bzw. -nahen Standorten kann allerdings auch eine Auffüllung der wechselfeuchten Bodenzone durch Kapillaraufstieg, also von "unten" erfolgen. Für diesen Fall vereinfachen sich die bisher beschriebenen Modellalgorithmen. Als grundwassernah wird definitionsgemäß ein Standort oder eine Fläche dann bezeichnet, wenn der Grundwasserspiegel die wechselfeuchte Bodenzone erreicht oder innerhalb dieser liegt. Diese wird durch den Ausschöpfungsbereich der Evapotranspiration bzw. die durchwurzelte Bodenzone begrenzt.
Für grundwassernahe Standorte wird ein auftretendes Bodenfeuchtedefizit durch den Kapillaraufstieg aufgefüllt, der als negative Grundwasserneubildung PSO berechnet wird. Die reale Verdunstung ist gleich der potentiellen.
Das bedeutet letztlich, im stationären Zustand bzw. für als grundwassernah klassifizierte Flächen ist der Kapillaraufstieg gleich der potentiellen Verdunstung. Im instationären Zustand, wenn zeitlich veränderliche Grundwasserflurabstände berücksichtigt werden oder das Bodenwasserhaushaltsmodell mit einem Grundwassermodell gekoppelt ist, wird auch der Wechsel einer Fläche von grundwasserfern zu -nah und umgekehrt berücksichtigt. Erreicht der zeitlich variable Grundwasserstand den Bereich der Wurzelzone, wird das aktuelle Bodenfeuchtedefizit aufgefüllt.
Für die Modellierung der Abflussbildung ist das Untersuchungsgebiet in Elementarflächen zu untergliedern.
In welcher zeitlichen Diskretisierung gearbeitet wird, ist letztlich durch die zeitliche Auflösung der meteorologischen Eingangsdaten vorgegeben. Simulationsrechnungen in geringerer Zeitauflösung bedeuten einen Informationsverlust, höhere Zeitauflösungen sind möglich, insbesondere im Zusammenspiel mit Teilmodellen der Abflusskonzentration aus numerischen Gründen sogar teilweise notwendig, bringen aber keinen Informationsgewinn bzgl. der zu beschreibenden Abflussbildungsprozesse.
Liegen die meteorologischen Daten in geringer Zeitauflösung vor, wird zum einen die Intensitätsverteilung des Niederschlages innerhalb eines Zeitintervalls nicht wiedergegeben, was sich insbesondere auf die Simulationsgüte des Infiltrationsprozesses auswirkt. Zum Anderen wird der Wechsel von niederschlagshaltigen und -freien Perioden nicht erfasst, was die Beschreibung der Abflussbildung insgesamt verschlechtert.
Die beschriebenen Ansätze zur Parameterermittlung aus GIS-Informationen gehen von einer Modellierung in einer prozessadäquaten Zeitauflösung (max. 1 Stunde) aus. Da die dafür notwendigen Eingangsdaten oft nicht zur Verfügung stehen, sind empirische oder statistisch abgesicherte Transformationen notwendig, welche die "zeitliche Ungleichförmigkeit" z.B. des Niederschlages innerhalb eines Berechnungszeitschrittes berücksichtigen.
Eingangsgrößen in die Modellierung der Abflussbildung sind das Niederschlagsdargebot und die potentielle Verdunstung, die vom System ARC/EGMO bereitzustellen sind. Unter Niederschlagsdargebot ist das auf die zu modellierende Fläche bezogene, korrigierte (Windfehler, Benutzungsverluste etc.) flüssige Niederschlagsangebot zu verstehen, also Regenniederschlag oder Schmelzwasserabgabe der Schneedecke.
Im Zuge der Modellrechnungen werden für die zu modellierenden Elementarflächen die folgenden Wasserhaushaltsgrößen ermittelt:
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.
Im Zuge der Modellinitialisierung werden die folgenden Schritte abgearbeitet, wobei die dem Cover EFL (s. 1.Teil, Kapitel 1.4.5) zugeordneten GIS-Informationen genutzt werden:
Die Ermittlung der elementarflächenbezogenen Abflussbildungsparameter (s. Tabelle 1) erfolgt direkt aus den Informationen der GIS-Datenbasis.
| Parameter | Bedeutung | Ableitung | Bemerkung | |
|---|---|---|---|---|
| WOM | Interzeptionsspeicherkapazität | INTC * BED | ||
| WMM | Muldenspeicherkapazität | f(Gefälle, Nutzung) | ||
| HSM | Kapillarwasserspeicherkapazität | [(FK-WP) * DICKE] | Summe der schichtbezogenen Speicherkapazitäten | betrachtet wird Bodenprofil bis: |
| SMM | Speicherkapazität des Luftporenraumes | [(GVP-FK) * DICKE] | · Wurzeltiefe · Grundwasserflurabstand |
|
| KFH | gesättigte hydraulische Leitfähigkeit | MIN(KF) * DT | Minimum der KF-Werte | · Fels bzw. Festgestein anstehend |
Sämtliche Systemgrößen werden im Modul ABI_MOD verwaltet und über die in Abbildung 3‑4 und Tabelle 3‑2 angegebenen Bibliotheksfunktionen dem Modell zur Verfügung gestellt.
int AbiModIni ();
int AbiModRun (void);
double * Abi_Muldenspeicherfuellung (int);
double * Abi_Interzeptionsfuellung (int);
double * Abi_Bodenspeicherfuellung1 (int);
double * Abi_Bodenspeicherfuellung2 (int);
double * Abi_Bodenspeicherfuellung3 (int);
double * Abi_Bodenspeicherfuellung4 (int);
double * Efl_Muldenspeicherkapazitaet (int);
double * Efl_KfRepraesentativ (int);
double * Efl_NutzbareFeldkapazitaetRep (int);
double * Efl_SickerwasserkapazitaetRep (int);
double * Efl_Bodenmaechtigkeit (int);
Abbildung 3‑4: Prototypen der Bibliotheksfunktionen in ABI_MOD
| Name | Übergabe | Rückgabe | Aufgabe |
| AbiModIni | - | n_area | Initialisierung des Modells, Rückgabe n_area als Anzahl der zu modellierenden Geometrien |
| AbiModRun | - | k | Abarbeitung des Modells für aktuellen Zeitschritt, k>0 zeigt an, dass Direktabfluss gebildet wurde |
| Abi_<xxx> | i | Referenz | Systemzustandsgröße <xxx> für Geometrie i |
| Efl_<xxx> | i_efl | Referenz | gibt Referenz auf angegebenen Wert der Elementarfläche i_efl |
Innerhalb des Anweisungsblocks ABI_MODELL in der Steuerdatei MODUL.STE (s. Abbildung 3‑5) kann festgelegt werden, ob die Modellparameter in einer Tabelle gespeichert werden sollen. Im GIS können die Parameter dann visualisiert und auf Plausibilität geprüft werden.
Weiterhin können für die hydrotopbezogene Modellierung globale Parameter festgelegt werden. Globale Parameter sind empirischer Natur, so dass eine einheitliche bzw. globale Festlegung für alle Hydrotopklassen gewählt wurde. In der jetzigen Modellversion ist hier lediglich HLFF zur Steuerung der Verdunstung innerhalb des Bodenwasserhaushaltsmodells BOKA2 zu definieren.
Als empirische Transformation wird ebenfalls ein "Niederschlagsfaktor" genutzt. Dieser dient bei langen und damit für die Beschreibung der Infiltration nicht mehr prozessadäquaten Berechnungszeitschritten[2] zur Verringerung der Kf-Werte, wodurch im Infiltrationsmodell die Effektivniederschlagsbildung erhöht wird.
ABI_MODELL
ZEITFAKTOR_NIEDERSCHLAG 1. /* fuehrt zur Reduktion des kf-Wertes */
/* bei geringer Zeitaufloesung */
MET_VORGESCHICHTE 0.5 /* 0. fuer trocken bis 1.0 fuer feucht */
VERDUNSTUNGSREDUKTION 0.3 /* 0. fuer stark bis 1.0 fuer schwach */
PARAMETER_TAB_SPEICHERN? Ja
Abbildung 3‑5: Steuerdatei MODUL.STE - Block ABI_MODELL
Die bisherige Beschreibung bezog sich auf das Standardmodul EFL_MOD0. Wie allerdings eingangs angedeutet wurde, existieren eine Reihe weiterer Modulvarianten, die sich nur partiell vom Standardmodul unterscheiden.
Allen Modulen gemeinsam ist, dass sie Kapazitätsmodelle sind, die den Bodenkapillarwasserspeicherraum bilanzieren. Die Kapazität dieses Speicherraumes ergibt sich aus der nutzbaren Feldkapazität, bezogen auf die Mächtigkeit der wechselfeuchten Bodenzone. Diese Mächtigkeit wird aus dem Minimum von Wurzeltiefe, Grundwasserflurabstand und Bodenmächtigkeit an sich (bei oberflächennah anstehendem Fels) ermittelt.
Unterschiede zwischen den Modulen bestehen
Wann welche Variante über die Hauptsteuerdatei ARC_EGMO.STE zu aktivieren ist, hängt von der Zielstellung der Modellierung und den zur Verfügung stehenden Daten ab.
Bevor im Sinne einer Übersichtsdarstellung die wesentlichen Merkmale weiterer Modulvarianten beschrieben werden, soll zusammenfassend eine Charakterisierung der Standardversion erfolgen.
EFL_MOD0 als Standardmodul kann wie folgt charakterisiert werden:
EFL_MOD1 betrachtet im Unterschied zu EFL_MOD0 nur eine Feuchteschicht.
EFL_MOD2 kann im Unterschied zum Standardmodul EFL_MOD0 wie folgt charakterisiert werden:
SiWaE kann im Unterschied zum Standardmodul EFL_MOD0 wie folgt charakterisiert werden:
SiWa_UFV ist eine spezielle Anpassung des Moduls SiWaE auf das Bodeninformationssystem des Umlandverbandes Frankfurt/Main. Beide Module arbeiten weitgehend analog. Lediglich der folgende, allerdings auch wesentliche Unterschied existiert:
Für die bisher beschriebenen Ansätze zur Wasserhaushaltsmodellierung wurde von einer Homogenität der Modellierungseinheiten ausgegangen. Diese Modellierungseinheiten sind Elementarflächen, die als Verschneidungsergebnis von Boden und Landnutzung entstehen. Die Homogenitätsannahme ist allerdings nur unter Berücksichtigung der verwendeten Datengrundlagen gerechtfertigt. Sie ist letztlich maßstabsabhängig. In natura wechseln allerdings auf kleinstem Raum Boden- und Vegetationseigenschaften.
Eine einfache Möglichkeit, diese flächeninternen Parameterinhomogentitäten in der elementarflächenbezogenen Modellierung einzubeziehen, ist die Nutzung von Flächenverteilungsfunktionen, wie dies schon in den hydrotopklassenbezogenen Modulen der EGMO-Familie realisiert wurde.
| WOM | [mm] | flächenbezogener Mittelwert der Interzeptionsspeicherkapazität |
| WMM | [mm] | Kapazität des Muldenspeichers |
| KFH | [mm/h] | standortbezogene gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit der oberen Bodenschicht |
| GLX, GLN | [mm/h] | Maximum und Minimum der Flächenverteilungsfunktion der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit der oberen Bodenschicht |
| HSM | [mm] | Bodenkapillarwasserspeicherkapazität eines quasi homogenen Standortes |
| SMM | [mm] | Speicherkapazität des Porenraumes zwischen Feldkapazität und Gesamtporenvolumen auf grundwassernahen Standorten |
| EP | [mm/DT] | potentielle Verdunstung |
| ER | [mm/DT] | reale Verdunstung |
| PI | [mm/DT] | Niederschlagsdargebot als korrigierter (z.B. Windfehler) und flächenbezogener flüssiger Niederschlag bzw. Schneeschmelze |
| PO | [mm/DT] | Wasserangebot an der Bodenoberfläche (nach Passage des Interzeptionsspeichers) |
| PB | [mm/DT] | um eventuelle Effektivniederschläge geminderter, bodenwirksamer Input |
| PSO | [mm/DT] | Sickerwassermenge bzw. Grundwasserneubildung |
| PEF | [mm/DT] | Effektivniederschlag infolge Infiltrationsüberschuss |
| RO | [mm/DT] | Landoberflächenabfluss |
Becker, A. (1975): EGMO-Einzugsgebietsmodelle zur Abflussberechnung, -vorhersage und -simulation; WWT 25(1975) 9, S. 316-322
Becker, A.; Pfützner, B. (1987): EGMO - System Aproach and Subroutines for River Basin Modeling; Acta hydrophys., Berlin 31 (1987) 3/4
Dyck, S., Peschke, G. (1983): Grundlagen der Hydrologie; Verlag für Bauwesen, Berlin, 1983
Pfützner, B., (1990) : Verallgemeinerungsfähige Techniken zur rechnergestützten Entwicklung, Anpassung und Praxisanwendung von Einzugsgebietsmodellen. Diss. A, TU Dresden, Sektion Wasserwesen, Bereich Hydrologie und Meteorologie. In: Mitteilungen des IfW, Heft 49, Verl. f. Bauwesen.
Pfützner, B., Becker, A. (1995) : ARC/EGMO - GIS-gestützte hydrologische Modellierung; Programmdokumentation, unveröffentlicht
[1] Als hydrologische Elementareinheiten werden Bereiche des Untersuchungsgebietes bezeichnet, die bzgl. aller maßgebenden Systemeingänge, Systemparameter und Systemausgänge als homogen betrachtet werden können.
[2] Informationen über die Intensitätsverteilung während eines kurzzeitigen Konvektivniederschlages gehen bei Verwendung von Tagessummen des Niederschlages völlig verloren.