Hydrologie/ArcEGMO Schulungsprojekt/Übung 6: Abflussbildungsmodul EFL

EFL_MOD0 als Standardmodul kann wie folgt charakterisiert werden:

1. Die Bodenschichtung wird nur bei der Parameterermittlung berücksichtigt, indem ein profilgemittelter nFK-Wert aus den nFK-Werten und den Schichtmächtigkeiten innerhalb der wechselfeuchten Bodenzone ermittelt wird.

2. Aus diesem repräsentativen nFK-Wert und der aktuellen Wurzeltiefe wird in jedem Berechnungszeitschritt eine aktuelle Speicherkapazität berechnet, die als Begrenzungswert bei der Bilanzierung der Ein- und Ausgänge (Niederschlag, Verdunstung und Perkolation) der wechselfeuchten Bodenzone dient. Die aktuelle Wurzeltiefe wird modellintern vereinfacht unter Nutzung einer Cosinusfunktion berechnet, die im Jahresverlauf in Abhängigkeit von der Tagesnummer zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert schwankt. Minimale und maximale Wurzeltiefe sind in Abhängigkeit von der Flächennutzung bzw. vom Vegetationstyp vorzugeben.

3. Die Feuchtebilanzierung in der wechselfeuchten Bodenzone erfolgt grundsätzlich "von oben nach unten", wobei maximal zwei Feuchteschichten, die sich zwischen Bodenoberfläche und Wurzeltiefe bewegen können, lagegerecht berücksichtigt werden. 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.

4. Heterogenitäten innerhalb der als homogen gekennzeichneten Elementarflächen werden nicht berücksichtigt.

5. Bei der Beschreibung der Ausschöpfungsprozesse auf den grundwassernahen Flächen wird von einem uneingeschränkten Feuchtevorrat ausgegangen, d.h. die Verdunstung auf diesen Flächen wird immer als potentiell angenommen.

EFL_MOD1

EFL_MOD1 betrachtet im Unterschied zu EFL_MOD0 nur eine Feuchteschicht.

Stellen Sie in der arc_egmo.ste bei MODUL_ABI folgendes Modul ein: EFL_MOD1. Bei dieser Simulation wird mit einer Flächenübertragung auf Elementarflächen (EFL) gerechnet. Dies bedeutet, dass die eingetragenen Klimagrößen räumlich stärker differenziert werden. Ebenso wird der Raumbezug für die Abflussbildung nicht wie ursprünglich auf TG, sondern ebenfalls auf EFL bezogen. Das heisst, Sie müssen in der arc_egmo.ste sowohl bei Meteor als auch bei Abflussbildung (beides unter dem Punkt "RAUMBEZUEGE_MODELLIERUNG") EFL einstellen. Ändern Sie den Namen der Berechnungsvariante in der arc_egmo.ste. Speichern Sie die arc_egmo.ste. Führen Sie die Rechnung durch.

Wie unterscheidet sich dieses Abflussbildungsmodul von dem des Basisszenarios?
Vergleichen Sie die Abflussganglinien.
Vergleichen Sie die Werte der Bilanzierung Modellebene ABI in der arc_egmo.txt-Datei.

Während die bisherigen Berechnungen auf Hydrotopklassen basierten, wird im Folgenden ein Ansatz im Abflussmodul verwendet (EFL_MOD 1), in dem auch die Modellierung auf Elementarflächen möglich ist.
Hierzu muss die Flächenübertragung der Klimagrößen und der Raumbezug für die Abflussbildungsberechnung verändert werden:

Ausgangslage:(Modul EGMO_NA)

Flächenübertragung der Klimagrößen: HYD
Raumbezug für die Modellierung der Abflussbildung: TG

Veränderung:(EFL_MOD 1)

Flächenübertragung der Klimagrößen: EFL
Raumbezug für die Modellierung der Abflussbildung: EFL
Hydrotopklassen (HYD) sind eine Zusammenfassung von EFL nach Ähnlichkeitskriterien
Im Modul EFL_MOD 1 wird mit der Flächenübertragung auf EFL gerechnet, dass heißt die eingetragenen Klimagrößen werden räumlich stärker differenziert, sie werden auf die EFL interpoliert
Ebenso wird der Raumbezug für die Abflussbildung nicht wie im Ausgangsmodel auf TG, sondern auf EFL bezogen, d.h. die Berechnung erfolgt von den stark differenzierten Klimagrößen ausgehend auf der kleinsten räumlichen Einheit (EFL) ohne diese für die Berechnung zu größeren Raumeinheiten (HYD, TG) zusammenzufassen
Die Simulationsdauer wird ca. um das 15‑fache erhöht, da jetzt pro Zeitschritt eine Berechnung für jede der 6661 ELF anstatt nur für die 352 HYD durchgeführt wird

Abbildung 6‑1: Vergleich verschiedener Module

Beobachtung:

Hierzu wurden die Abflussganglinien beider Module verglichen
Rechnungsbeginn in beiden Modulen ist der 01.01.1982
Die simulierten Ganglinien beider Module sind weitestgehend übereinstimmend
Im Wesentlichen unterscheiden sie sich in den Abflussspitzen
Die Abflussspitzen der Ganglinie des Moduls EGMO_NA liegen im Minimum 0,5 m³/s und im Maximum 2,5 m³/s über der Ganglinie des Moduls EFL_MOD 1
Die Trockenwetterganglinie wird mit dem Modul EGMO_NA niedriger als mit dem des Moduls EFL_MOD 1 simuliert

Erklärung:

Im Mittel sind die Abflüsse und die anderen Wasserhaushaltsgrößen in beiden Modulen sehr ähnlich berechnet worden
die zeitliche Varianz der Abflussspitzen ist aber wesentlich größer
Die zeitlichen Abweichungen können auf die unterschiedlichen räumlichen Diskretisierungen zurückgeführt werden, nach denen sich auch die Flächen zur Bildung des Basisabflusses verändern können

Abbildung 6‑2: Vergleich der Bilanzierungen Modellebene ABI

weitere Erklärung:

Zu einem weiteren Vergleich der Module wurden die Bilanzierungen der Modellebene ABI herangezogen
Diese zeigen deutlich, dass die Unterschiede in den Modulen nicht so groß sind, wie die Abbildung 6‑1 verdeutlicht
Im Wesentlichen zeigen die Module Unterschiede in der GWN und im RO
während die GWN im Modul EFL_MOD 1 ca. 4% höher simuliert wird, wird im Gegensatz dazu RO ca. 4% geringer simuliert
Die anderen Wasserhaushaltsgrößen, wie ER und SP sind näherungsweise gleich
Der Abweichung von QC, die in Abbildung 6‑1 deutlich zu sehen ist, spiegelt sich in der Bilanzierung mit nur 1,5% wieder

3.6 Übung 6: Abflussbildungsmodul EFL_MOD1