ArcEGMO Module - Modell EGMO

Die im Folgenden vorgestellten Ansätze beschreiben die Konzentration des Basisabflusses über Einzellinearspeicheransätze. Sie können prinzipiell auf beliebige Flächeneinheiten (Raster, Polygone) angewendet werden. Als Modul innerhalb von ArcEGMO ist ihre Anwendung auf Kaskadensegmente, Teileinzugsgebiete, Regionen oder das Gesamtgebiet vorgesehen.

Bei einer gekoppelten Anwendung mit Stofftransportmodellen ist zu beachten, dass das Einzellinearspeicherkonzept von einer vollständigen Durchmischung innerhalb des Speichers ausgeht.

2.10.2 Beschriebene Prozesse

2.10.2.1 Prinzipielles

EGMO_GW beschreibt die Konzentration des Basisabflusses. Eingangsgröße ist die in der Modellebene Abflussbildung berechnete Grundwasserneubildung, Ausgangsgröße der Basisabfluss und der hypodermische Abfluss, die an die Modellebene Gesamtabfluss übergeben werden.

Der Leerlauf eines Einzellinearspeichers wird im Regelfall über eine Einzellinearspeicherkonstante gesteuert, was vielfach ausreichend genau die Realität beschreibt.

Es kann jedoch auch vorkommen, dass ab bestimmten Grundwasserständen sich ein anderes Abflussregime einstellt, weil z.B. besser durchlässige Schichten eingestaut werden. Zur Beschreibung dieser Phänomene kann ein zusätzlicher 2.Schichtansatz aktiviert werden, über den bei Erreichen einer Grenzspeicherfüllung eine andere Auslaufcharakteristik, beschrieben über einen weiteren Einzellinearspeicher, wirksam wird.

Innerhalb einer Modellierungseinheit (z.B. Teileinzugsgebiet) können Flächentypen als Kombination verschiedener Hydrotopklassen festgelegt werden, denen jeweils ein Einzellinearspeicher zugeordnet ist, der über die Grundwasserneubildung der zugeordneten Hydrotopklassen gespeist wird.

Durch eine teilweise Reihenschaltung unterschiedlicher Einzellinearspeicher können Kopplungsmechanismen zwischen verschiedenen Hydrotopklassen berücksichtigt werden. So simuliert REFIL die "Anzapfung" bzw. Reduktion der unterirdischen Abflusskomponenten der grundwasserfernen Flächen bei Passage der grundwassernahen Flächen durch die Transpiration der dortigen Vegetation.

Eine Modellierung derartiger Wechselwirkungen scheint im Widerspruch zum Modellkonzept von EGMO zu stehen, dass ein Gebiet ortsunabhängig in Hydrotopklassen gliedert. Deshalb ist die Berücksichtigung von Wechselwirkungen im Allgemeinen nur über eine statistische Berücksichtigung der Lageverhältnisse der Hydrotopflächen einer Klasse zu den Flächen einer anderen Klasse möglich und erfordert umfangreiche Analysen der Flächenverteilungen im konkreten Bearbeitungsgebiet, die effektiv nur mit einem Geographischen Informationssystem durchgeführt werden können.

Für die Hauptuntergliederung in der Grundversion von EGMO in grundwassernahe, ebene und grundwasserferne, hängige und ebene Hydrotopklassen (AN, AH, AG) kann aber in der Regel davon ausgegangen werden, dass die Hydrotope einer Klasse eine zusammenhängende Fläche bilden und bzgl. des Vorfluters einen festen Ortsbezug haben. Speziell im Gebirgsbereich wird AN die Talaue, AH die Hangfläche und AG die Hochfläche sein, die sich in der Regel wie Gürtel um den Flusslauf legen.

2.10.2.2 Abflussprozesse in der gesättigten Bodenzone

Zur Modellierung der Abflussprozesse in der gesättigten Bodenzone wird die Anwendbarkeit des Einzellinearspeicheransatzes ELS angenommen.

Input für den Einzellinearspeicher ist die Grundwasserneubildung PSO oder PS als Output eines eventuell dazwischengeschalteten Translationsmodells. Mit PS und der Speicheränderungsbeziehung für ein Zeitintervall DT kann die Speicherung S am Ende eines Berechnungszeitschrittes aus der am Zeitintervallanfang S1 wie folgt berechnet werden:

Durch einfache Bilanzrechnung ergibt sich dann der unterirdische Abfluss R für Ax als den Flächenanteil an der übergeordneten Modellierungseinheit, dem dieser Einzellinearspeicher zugeordnet wurde:

Wurde der 2.Schichtenansatz aktiviert, wird nun überprüft, ob die Speicherfüllung S einen vorgegebenen Grenzwert SG übersteigt. Ist dies der Fall, wird eine 2. Abflusskomponente

Die Einzellinearspeicherkonstanten können durch Analyse gemessener Durchflussganglinien abgeleitet werden. Sofern für das Bearbeitungsgebiet keine Abflussmessreihen zur Verfügung stehen, muss auf die für hydrologisch ähnliche Nachbargebiete ermittelten Parameter zurückgegriffen werden.

Bei der Analyse dieser Messreihen sollte als erstes geklärt werden, wie viele Abflusskomponenten erkennbar bzw. separierbar sind, wie ihre Genese erklärt werden kann und wie sie Flächentypen bzw. Hydrotopklassen zugeordnet werden können.

Anschließend kann dann z.B. nach den von Becker (1983) dargelegten Prinzipien zur Ganglinienseparation vorgegangen werden.

Im Flachland sollten diese Ganglinienanalysen nach Möglichkeit für Abflussbildungsperioden in der vegetationsfreien Periode (Oktober - April) durchgeführt werden, da im Sommer die im Kapitel 1.2.3 beschriebenen "Anzapfungen" die Rückgänge beeinflussen.

2.10.2.3 Modellierung von Abflussreduktionen durch die Vegetation

In vielen Pegelaufzeichnungen sind ein starkes Absinken des Durchflusses im Frühjahr (und Ansteigen im Herbst) und in sommerlichen Trockenperioden interne Sprünge zu beobachteten, die mit den Durchflussrückgangsgesetzen nicht erklärbar sind (Becker & Pfützner 1986).

Zur Interpretation: In niederschlagsarmen und verdunstungsintensiven Perioden können die grundwassernahen Flächen AN soweit austrocknen, dass sie eigentlich nicht mehr grundwassernah sind. Zur Realisierung der potentiellen Verdunstung auf diesen Flächen werden der hypodermische Abfluss RH und der Grundwasserabfluss RG, beginnend mit der Entwicklung der Vegetation im Frühjahr, durch deren Transpiration, speziell von Tiefwurzlern, angezapft und damit reduziert.

Das ist möglich, weil meist zumindest ein Teil dieser Komponenten die grundwassernahen Flächen auf ihrem Weg zum Vorfluter passieren muss, während der restliche Teil des Basis- und hypodermischen Abflusses unreduziert im Vorfluter zum Abfluss kommt.

Zur Modellierung: Man kann sich im Untergrund der grundwassernahen Flächen AN einen Bezugswasservorrat SAN und ein entsprechendes "Normalniveau" des Grundwasserspiegels vorstellen, bei dessen Unterschreitung die unterirdischen Durchflüsse von den umliegenden grundwasserfernen Flächen (AG und evtl. AH) oder erreichbare Oberflächengewässer durch die Pflanzentranspiration angezapft werden.

PSO als negativer Output des Abflussbildungsmodells ist hier der noch nicht befriedigte Verdunstungsanspruch oder das schon reduzierte Verdunstungsdefizit. Der Koeffizient VEG spiegelt das Transpirationsvermögen, d.h. den Entwicklungsstand der Vegetation wider. Er wird in den Vegetationsmonaten Mai bis September in erster Näherung gleich der positiven Halbwelle einer Cosinusfunktion gesetzt.

Dem Transpirationsbedarf SAND steht eine "ausschöpfbare", durch die AN-Fläche hindurchfließende Abflussmenge WAV gegenüber:

AFMN ist ein gedachter Anteil der Flächen AG und AH, von denen der unterirdische Abfluss nicht durch AN hindurch fließt bzw. nicht durch die Verdunstung von AN erreichbar ist.

Bei negativem SAN werden SAND und WAV in jedem Berechnungszeitschritt verglichen, und in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs werden folgende Berechnungen durchgeführt:

Der sich in diesem Fall ergebende, noch nicht befriedigte Teil des Verdunstungsbedarfs (SAND-WAV) kann nur aus SAN gedeckt werden, das auf diese Weise weiter und über längere Zeiträume unbegrenzt ins Negative absinken würde, wenn immer noch potentielle Verdunstung wirken würde. Deshalb ist es notwendig, die SAN-Ausschöpfung mit sinkendem SAN abnehmen zu lassen, was äquivalent mit einer Flächenverringerung ist. Damit können also auch auf den Feuchtflächen bei abnehmenden Wasservorräten Verdunstungsdefizite EDN entstehen.

Besonders für die Modellierung großer Flussgebiete müssen auch "Zwischeneinzugsgebiete" modelliert werden. Das sind Gebiete zwischen zwei Pegeln, die Eigenabfluss liefern, der in Abflussbildungsperioden den Zufluss vom Oberpegel erhöht. Dieser Effekt lässt sich mit den bisher beschriebenen Ansätzen nachbilden.

Besondere Probleme treten in Trockenperioden auf, in denen der Zufluss vom Oberpegel größer als der Abfluss des Unterpegels ist. Das ist erklärbar durch ein zum Gebiet hin bestehendes Gefälle des Grundwasserleiters, das bedingt, dass das Gebiet, insbesondere die Niederungsflächen, den Gewässerabfluss zehren bzw. reduzieren.

Der Parameter AFMN, also der Flächenanteil der grundwasserfernen Flächen AF, dessen unterirdischer Abfluss unreduziert das Abflussprofil des Einzugsgebietes erreicht, ist schwer abschätzbar. Er kommt dem Wert 0 umso näher, je größer AN im Vergleich zu AF ist und je mehr AN-Flächenanteile im unteren Einzugsgebietsteil (nahe dem Abflussprofil) liegen. Für den Sonderfall der Zwischeneinzugsgebiete von Flüssen wird definitionsgemäß AFMN gleich Null gesetzt.

2.10.3 Programmtechnische Umsetzung

2.10.3.1 Räumliche und zeitliche Diskretisierung

Das Modul EGMO_GW ist an eine räumliche Diskretisierung für die Beschreibung der Grundwasserprozesse in Kaskadensegmenten KAS, Teileinzugsgebiete TG, Regionen REG oder im Gesamtgebiet GEB gebunden (s. 1.Teil, Kapitel 1.3 und 1.7). Die zeitliche Auflösung der Modellrechnungen innerhalb von EGMO_GW ist gleich der Auflösung der meteorologischen Eingangsdaten bzw. der Abflussbildungsmodellierung.

2.10.3.2 Ein- und Ausgangsgrößen

Eingangsgröße für jeden Einzellinearspeicher ist die summarische, flächengewichtete Grundwasserneubildung aller zugeordneten Hydrotopklassen, Ausgangsgröße und Input für die Gesamtabflussermittlung in der Modellebenen Q ist der summarische Grundwasserabfluss aller Einzellinearspeicher innerhalb eines Raumbezuges KAS, TG, REG bzw. GEB.

2.10.3.3 Modellinitialisierung

Die Modellinitialisierung erfolgt innerhalb des Rahmenprogramms ArcEGMO (s. 1.Teil, Kapitel 1.7). Dabei wird Speicherplatz für die Modellparameter und Systemzustandsvariablen bereitgestellt. Außerdem erfolgt eine Anfangswertschätzung für die Einzellinearspeicherfüllungen unter Einbeziehung vorliegender Beobachtungswerte des Abflusses.

2.10.3.4 Parameterermittlung

Da derzeit nur unzureichende Möglichkeiten existieren, die Einzellinearspeicherkonstanten direkt aus GIS-Informationen abzuleiten, müssen diese wie auch der Parameter AFMN als einzulesende Kennwerte vorgegeben werden.

2.10.3.5 Schnittstellen

Die Anzahl der Abflusskomponenten und ihre jeweiligen Einzellinearspeicher werden in der Steuerdatei MODUL.STE festgelegt. Programmintern werden dann verschiedene Hydrotopklassen zusammengefasst und ihre Grundwasserneubildung in den jeweils zugeordneten, gemeinsamen Einzellinearspeicher konzentriert. Die vorgeschaltete Modellierung der Abflussbildung muss dabei nicht unbedingt für Hydrotopklassen erfolgen. Es ist auch möglich, die Abflussbildungsberechnung elementarflächenbezogen durchzuführen. Dann erfolgt für die Elementarflächen lediglich eine Hydrotopklassenzuordnung innerhalb der Programmkomponente HYD (s. Kapitel 1.4.6).

Die Anweisungszeilen in der Steuerdatei beginnen mit der Modulbezeichnung EGMO_GW. Anschließend wird AFMN festgelegt als der Anteil grundwasserferner Flächen (Parameter im EGMO-Modell), dessen Basisabfluss nicht auf grundwassernahen Flächen reduziert werden kann. Dies ist in der derzeitigen Modellversion ein Parameter, der z.Z. noch nicht physikalisch fundiert, beispielsweise aus GIS-Informationen, abgeleitet werden kann. Weil die Festlegung solcher Parameter schwierig und unsicher ist, gehen sie in die Modellierung global ein, d.h. es erfolgt weder eine Differenzierung nach Teileinzugsgebieten noch nach Hydrotopklassen.

Nun werden, beginnend mit dem Schlüsselwort ABFLUSSKOMPONENTEN, diese definiert. Jeder Eintrag für eine Abflusskomponente beginnt mit einer freiwählbaren Bezeichnung. Anschließend wird die Einzellinearspeicherkonstante [in Tagen] vorgegeben. Es folgen die Hydrotopklassen, deren Grundwasserneubildungen in diesen Einzellinearspeicher geleitet werden sollen. Die Bezeichnungen der Hydrotopklassen müssen mit den bei der Hydrotopklassenfestlegung gewählten Bezeichnungen (s. Kapitel 1.4.6) übereinstimmen. Kommentare sind hier innerhalb dieser Zeilen nicht erlaubt! Die Anzahl der Komponenten und damit die Anzahl der Einzellinearspeicher wird durch die Anzahl der Anweisungszeilen bis zur Endzeile (mit '+' beginnend) festgelegt. In stark meliorierten Einzugsgebieten wäre so z.B. durchaus die Betrachtung einer zusätzlichen Komponente für diesen Flächentyp sinnvoll. Insgesamt darf die Anzahl der Abflusskomponenten die Anzahl der Hydrotopklassen nicht überschreiten, weil eine Aufteilung der Grundwasserneubildung einer Hydrotopklasse auf mehrere Speicher nicht vorgesehen ist.

Diese komponentenbezogene Vorgabe von Einzellinearspeicherkonstanten ist in kleinen bis mittelmaßstäbigen Untersuchungsgebieten mit geringer hydrogeologischer Differenzierung meist ausreichend. In heterogenen Gebieten oder bei großräumigen Modellierungen ist jedoch vielfach eine weitere Differenzierung notwendig.

In ArcEGMO wird dazu eine flächendifferenzierte Vorgabe der Einzellinearspeicherkonstanten angeboten, die über das Schlüsselwort SPEICHERUNG_DER_ELS_KONSTANTEN? JA im Block EGMO_GW in der Steuerdatei MODUL.STE aktiviert werden kann. Dann werden die Einzellinearspeicherkonstanten und der Parameter AFMN in der Datei results\< VARIANTE>\para\<rb>_gw.par mit ihren Raumbezügen gemäß des gewählten Raumbezugs für die Modellierung (KAS, TG, REG oder GEB) gespeichert. Zu beachten ist, dass dieses Schlüsselwort vor dem Eintrag ABFLUSSKOMPONENTEN stehen muss!

Existiert diese Datei beim Simulationsstart bereits, wird sie eingelesen und überschreibt die sonst in der MODUL.STE global gesetzten Einzellinearspeicherkonstanten. Damit ist eine Möglichkeit gegeben, die Einzellinearspeicherkonstanten für alle oder nur für einzelne Modellierungseinheiten (z.B. Regionen oder Teileinzugsgebiete gemäß dem für die Grundwassermodellierung gewählten Raumbezugs) gezielt zu verändern.

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EGMO_GW

AFMN 0.0

SPEICHERUNG_DER_ELS_KONSTANTEN? JA

GW_Tief RG

ABFLUSSKOMPONENTEN

RG 365 AGw AGl AHAL

RH 50 AHw AHl AM

RN 3 ANw Anl

+2.Schicht /* eintragen: Komponente, K2 und SGrenz, EntwaesserungsZuordnung */

RG 36 1000 RH

RH 0.5 20 RN

RN 1 5

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

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Über das Schlüsselwort "+2.Schicht" kann jedem dieser Einzellinearspeicher eine 2. Konstante und ein Grenzwert, ab welcher Speicherfüllung diese 2. Einzellinearspeicherkonstante wirksam werden soll, zugeordnet werden.

Eine weitere Möglichkeit, die insbesondere im Tiefland eine Rolle spielt, kann über die Option GW_Tief aktiviert werden.

Über diese Option sind Abflussvorgänge abbildbar, bei denen die Versickerung in einem Einzugsgebiet einen Grundwasserleiter gespeist, der erst außerhalb des Speisungsgebietes ins Gewässersystem entwässert.

Zur modellmäßigen Berücksichtigung dieser Verlagerungsprozesse wurde das Grundwassermodul EGMO-GW um eine tiefe Grundwasserkomponente erweitert.

Wird diese über das Schlüsselwort GW_Tief im Block EGMO_GW der Steuerdatei ARC_EGMO\modul.ste aktiviert, so kann nachfolgend angegeben werden, welche Komponenten (im oberen Beispiel RG) im zugeordneten Grundwasserunterlieger entwässert. Die "Entwässerung" erfolgt prinzipiell nicht direkt in das dortige Gewässer, sondern in den dortigen Feuchtflächenspeicher SN, führt also zur Erhöhung der RN-Komponente.

Bei der räumlichen Zuordnung der Grundwasserunterlieger ist demzufolge sicherzustellen, dass der jeweilige Grundwasserunterlieger grundwassernahe Flächen besitzt (großräumige Grundwasserleiter entwässern i.d.R. ins Urstromtal).

Die räumliche Zuordnung der Grundwasserunterlieger erfolgt über die Teilgebietsgeometrien. Dazu ist für die Teileinzugsgebiete TG ein Attribut anzugeben, das auf die TG-ID des Teilgebietes verweist, an das das aktuelle Gebiet gebunden werden soll. Für Teilgebiete, in denen der Grundwasserleiter in das teilgebietsinterne Gewässernetz entwässert, ist die eigene TG-ID anzugeben.

Der Attributname für die GW-Unterliegerzuordnung ist dem Programm über das Schlüsselwort GW_UNTERLIEGER in der Datei GIS\DESCRIBE\tg.sdf mitzuteilen.

2.10.4 Weiterführende Literatur

Becker, A. (1983): Grundlagen, Einzugsgebietsmodelle und Arbeitstechniken zur Berechnung von Durchflussmessreihen aus meteorologischen Größen; In : Mitt. des Institutes für Wasserwirtschaft, Heft 46, Berlin, VEB Verlag für Bauwesen

Becker, A.; Pfützner, B. (1986): Identification and modeling of river flow reductions caused by evapotranspiration losses from shallow groundwater areas; Proceedings of the Budapest Symposium, July 1986. IAHS Publ. no. 156, 1986

Becker, A.; Pfützner, B. (1987): EGMO - System Aproach and Subroutines for River Basin Modeling; Acta hydrophysica, Berlin 31 (1987) 3/4

2.10 Modul EGMO_GW

2.10.1 Anwendungsbereich