2.7 Modul Q_ELS

Modell- und Programmentwicklung: Dr. Bernd Pfützner, BAH - Büro für Angewandte Hydrologie

2.7.1 Anwendungsbereich

2.7.2 Prozessbeschreibung

2.7.3 Programmtechnische Umsetzung

	2.7.3.1 Räumliche und zeitliche Diskretisierung
	2.7.3.2 Ein- und Ausgangsgrößen
	2.7.3.3 Modellinitialisierung und Parameterermittlung
	2.7.3.4 Modellrechnung
	2.7.3.5 Schnittstellen

2.7.1 Anwendungsbereich

Das Modul Q_ELS ist der Modellebene Q zugeordnet und beschreibt die Konzentrationsprozesse im Fließgewässersystem über eine Linearspeicherkaskade.

Bei Anwendung dieses Moduls kann die Modellierung in der Modellebene Q bezogen auf das Fließgewässersystem, auf Teileinzugsgebiete oder das Gesamtgebiet erfolgen.

2.7.2 Prozessbeschreibung

Wurde als Raumgliederung in der Modellebene Q das Fließgewässersystem gewählt, wird im Modul Q_ELS jeder Gewässerabschnitt durch einen Einzellinearspeicher beschrieben. Durch die Vernetzung des Gewässersystems ergibt im Endeffekt eine komplexe Speicherkaskade (teils Reihen-, teils parallel geschaltet).

Die Parameter dieses Moduls sind die Einzellinearspeicherkonstanten C der einzelnen Speicher. Für die Parametrisierung wird ein globaler bzw. einheitlicher Wert C' vorgegeben, der dann unter Einbeziehung des Gefälles S und der Länge L für jeden Gewässerabschnitt i wie folgt modifiziert wird:

C_i = C' * L_i / S_i      (Gl.2‑1)

Damit werden über L die Speicherkapazität und über S die Auslaufgeschwindigkeit berücksichtigt.

Insbesondere für großräumige Modellierungen bietet es sich an, zur Beschreibung der Gesamtabflusskonzentration mit größeren Einheiten wie Teileinzugsgebieten zu arbeiten oder auf eine Untergliederung zu verzichten und das Gesamtgebiet als Bezugsbasis zu wählen. Hier kann dann mit effektiven Parametern gearbeitet werden. Dazu wird z.B. programmintern für jedes Teileinzugsgebiet ein synthetischer Gewässerabschnitt gebildet. Dieser enthält in aggregierter Form alle für die Modellierung relevanten Eigenschaften sämtlicher Gewässerabschnitte des Teilgebietes. Für das Modul Q_ELS wird L_i zur Gesamtlänge aller teilgebietsinternen Gewässerabschnitte, S_i  zu deren mittlerem Gefälle.  Analog zur Originalgleichung 1 steigt mit wachsender Fließgewässerlänge die Einzellinearspeicherkonstante und damit die Teilgebietsretention, mit steigendem mittlerem Gefälle sinkt sie.

Zur besseren Beschreibung der Retention in verschiedenen Abflussbereichen kann die Speicherkaskade auch als einfaches 2-Stufen-Modell betrieben werden.

Es können jetzt Abflussgrenzwerte vorgegeben werden, bei deren Überschreitung z.B. im Rahmen einer Ausuferung, die Speicherkonstanten vergrößert werden, um der erhöhten Retention im Vorlandbereich gerecht zu werden.

2.7.3 Programmtechnische Umsetzung

2.7.3.1 Räumliche und zeitliche Diskretisierung

Als Raumauflösung für die Modellebene Gesamtabfluss kann das Fließgewässersystem FGW, Teileinzugsgebiete TG oder das Gesamtgebiet (s. 1.Teil, Kapitel 1.4) als Modellierungsgeometrie gewählt werden.

Die zeitliche Diskretisierung bzw. die Berechnungszeitschrittweite DTb kann kleiner oder gleich der Zeitauflösung der meteorologischen Daten festgelegt werden (s. Kapitel 1.5.1.6).

2.7.3.2 Ein- und Ausgangsgrößen

Eingangsgrößen ins Modell sind der dem Gewässerabschnitt zuströmende Basisabfluss und der Direktabfluss aus dem Einzugsgebiet. Diese Werte werden über die Modellebenen RD und GW zur Verfügung gestellt. Ausgangsgröße ist der Gesamtabfluss, bezogen auf die unteren Knoten der Gewässerabschnitte.

2.7.3.3 Modellinitialisierung und Parameterermittlung

Die Bereitstellung des Speicherplatzes für die Systemzustandsvariablen erfolgt in ARC/EGMO. Die Ermittlung der Modellparameter C_i nach Gl. 1 erfolgt unter Einbeziehung der in der GIS-Datenbasis erfassten Informationen für die Gewässerabschnitte (s. 1.Teil, Kapitel 1.4). Neben der Speicherbereitstellung und -initialisierung erfolgt über ARC/EGMO die Ermittlung der Berechnungsreihenfolge aus der Analyse der Unterlieger-Oberlieger-Beziehungen der Gewässerabschnitte bzw. der Teileinzugsgebiete. Die Berechnungshierarchie wird so ermittelt, dass sichergestellt ist, dass der Abfluss aus einem Gewässerabschnitt im aktuellen Zeitschritt den Unterlieger erreicht (Berechnung also von den Quellen zur Mündung).

2.7.3.4 Modellrechnung

Innerhalb des Simulationszyklus wird der Input in einen Gewässerabschnitt aus der Summe von Grundwasser- und Landoberflächenzufluss und dem Abfluss aus den unmittelbaren Oberliegern ermittelt. Dieser Input wird dem aktuellen Inhalt des der Gewässerstrecke zugeordneten Einzellinearspeichers zuaddiert. Die Ermittlung des Abflusses aus der Gewässerstrecke erfolgt unter Nutzung der allgemein bekannten Einzellinearspeicherbeziehung. Dieser Abfluss bildet zugleich den Oberliegerzufluss für den nachgeordneten Gewässerabschnitt.

2.7.3.5 Schnittstellen

Sofern das Modul Q_ELS über die Steuerdatei ARC_EGMO.STE (s. Kapitel 1.3) aktiviert wird, kann in der Modulsteuerdatei über das Schlüsselwort RUECKGANGSFAKTOR (s. Abbildung 7‑1) der globale C-Wert vorgegeben werden (je größer der Wert, desto höher Dämpfung bzw. desto geringer die Abflussdynamik).

Abbildung 7‑1: Modulsteuerung Q_ELS

Die Aktivierung des 2-Stufen-Modells erfolgt über das Steuerwort AUSUFERUNGSABFLUSSSPENDE.

Wird dieses Steuerwort nicht gefunden, arbeitet das Modul als 1-Stufen-Modell. Wird es gefunden, wird der darauf folgende Spendenwert genutzt, um eine Erstschätzung des Ausuferungsabflusses Qaus für jedes Raumelement bei der Modellierung der Abflusskonzentration (TG, FGW) aus der Größe des daran angeschlossenen Einzugsgebietes zu ermitteln.

Diese Erstschätzung des Ausuferungsabflusses Qaus wird gemeinsam mit der Speicherkonstante K in der Datei <rb>_qels.par im Parameterverzeichnis der Ergebnisse gespeichert und kann hier ortskonkret durch hydraulisch ermittelte oder aus Ganglinienanalysen abgeleitete Ausuferungsabflüsse modifiziert werden.

Wenn der Ausuferungsabfluss überschritten wird, erfolgt eine Erhöhung des lokalen K-Wertes gemäß dem Verhältnis akt. Abfluss / Ausuferungsabfluss.

Abbildung 7‑2: Auszug aus der Datei tg_qels.par