Hydrologie/ArcEGMO Schulungsprojekt/PSCN Übung 3: Vegetationsmodellierung

Als nächstes wollen wir uns die Vegetationsmodellierung im PSCN ansehen. Das Modellsystem ArcEGMO-PSCN enthält insgesamt vier unterschiedliche Vegetationsmodelle, die je nach Modellanwendung verschiedene Stärken besitzen. Im Rahmen dieser Übung sollen zwei dieser Ansätze näher betrachtet und hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Simulationsergebnisse verglichen werden:

Stellen sie zunächst in der arc_egmo.ste die Variable zum Steuerwort „Modell_Version“ von NA_MOD auf WH_Mod um. Hierdurch wird das Modell, wie über die Variablenbenennung zu vermuten ist, von einem Niederschlags-Abfluss-Modell auf ein Wasserhaushaltsmodell umgestellt. Beim Wasserhaushaltsmodell wird nur noch die vertikale Ebene und somit die Abflussbildung modelliert, wohingegen das Niederschlags-Abfluss-Modell die laterale Ebene und somit die Abflusskonzentration mit einbezieht. In diesem Teil der Übung sollen die Auswirkungen der beiden Vegetationsmodelle für eine einzelne Elementarfläche betrachtet werden. Die Modellierung der Abflusskonzentration ist deshalb nicht von Interesse.

Um den Wasserhaushalt für nur eine Elementarfläche des Gesamteinzugsgebietes zu modellieren, aktivieren sie in der arc_egmo.ste das Steuerwort „Berechnungen_Fuer“. Hier ist bereits eine Elementarfläche mit der Identifikationsnummer 6021 vorgegeben. Machen sie sich ein Bild über diese Teilfläche und finden sie heraus, welcher Landnutzungsklasse sie angehört. Öffnen sie hierfür das GIS-Projekt und suchen in der Attributtabelle der efl.shp die definierte Fläche. Die Identifikationsnummer ist in unserem Fall in der Spalte Eflid zu finden. (Definiert in GIS -> describe -> efl.sdf) Suchen sie nun die Landnutzungsidentifikationsnummer für unsere Fläche und finden sie heraus für welche Landnutzungsklasse sie steht. Ziehen sie hierfür die Landnutzungstabelle (GIS -> ascii.rel -> LNTZ.tab) zu Hilfe.

Geben sie nun noch eine neue Berechnungsvariante (z.B. VegModell) in der arc_egmo.ste an und stellen sie im Abschnitt „RAUMBEZUEGE_ERGEBNISSE“ die Variablen zu den Steuerwörtern „Meteor“ und „Abflussbildung“ auf EFL um. Speichern sie ihre Änderungen.

Als nächstes muss die PSCN-Steuerdatei angepasst werden. Sie finden sie unter Arc_EGMO -> PSCN -> pscn.ste. Um den Unterschied der beiden Modelle zu erkennen, soll später die Dynamik des Blattflächenindexes und der Wurzeltiefe verglichen werden. Um diese auszugeben, aktivieren sie bitte die Steuerwörter „Blattflächenindex“ und „Wurzeltiefe“ im Ausgabeblock in der pscn.ste. Dieser befindet sich im unteren Teil der PSCN Steuerdatei. Speichern sie die Änderung. Ändern Sie die Zeitselektion in der results.ste für die Abschnitte „METEOROLOGIE“, „WASSERHAUSHALT“ und „GEWAESSERABFLUESSE“ auf den Zeitraum 01.11.1991 bis 01.11.1993. Speichern sie die Änderung und starten sie die Simulation. Betrachten sie sich die Ausgaben für den Blattflächenindex und die Wurzeltiefe in ihrem results-Ordner. Sie finden diese in dem Unterordner zeit.dat -> Tag -> efl_sum.lai bzw. zeit.dat -> Tag -> efl_sum.riz. Erstellen sie sich für den Zeitraum 01.11.1991 bis 01.11.1993 für beide Größen ein Diagramm in Excel, welches den Verlauf über die Zeit beschreibt und speichern sie diese in ihrem results-Ordner ab.

Öffnen sie nun die Landnutzungstabelle und stellen sie in der Spalte Modell für die Zeile mit der Bezeichnung „Ackerland“ das Vegetationsmodell von 9 auf 8 um. Speichern sie ihre Veränderung, geben sie in der arc_egmo.ste eine neue Berechnungsvariante (z.B. VegModell2) ein und starten sie die Simulation. Erstellen sie wieder zwei Diagramme für die Wurzeltiefe und den Blattflächenindex (01.11.1991 - 01.11.1993) und speichern sie ab.

Öffnen sie nun die Diagramme des Blattflächenindexes und der Wurzeltiefe für beide Simulationen und vergleichen sie diese. Welche Unterschiede können sie zwischen den beiden Modellvarianten erkennen?

Im Folgenden wollen wir uns die Auswirkungen der Modellumstellung auf die reale Evapotranspiration und die Grundwasserneubildung ansehen. Erstellen sie für beide Ausgabegrößen ein Diagramm mit jeweils einer Kurve für die Simulation mit Vegetationsmodell 8 und 9. Beschränken sie sich hier wieder auf den Zeitraum 01.11.1991 – 01.11.1993. Die Dateien der Zeitreihen der simulierten Evapotranspiration (efl_sum.er) und der Grundwasserneubildung (efl_sum.gwn) finden sie in dem Ordner zeit.dat -> tag in ihren Results-Ordnern „VegModell“ und „VegModell2“. Vergleichen sie die beiden Ausgabegrößen. Welche Unterschiede können sie erkennen?

Lösung 1:

In der Attributtabelle der efl.shp steht für die Fläche mit der Eflid 6021 eine Lntz_id von 4 – diese ist in der lntz.tab der Landnutzungsklasse „Ackerland“ zugeordnet.

Lösung 2:

Die von Ihnen erstellten Excel-Grafiken sollten den Folgenden ähnlich sehen:

Die Unterschiede zwischen den beiden Vegetationsmodellen sind aus den Grafiken leicht herauszulesen. Für die Wurzeltiefe und den Blattflächenindex sind in Modell 9 Werte vorgegeben, welche sich statisch verhalten. Die Ganglinien der beiden Größen für Modell 8 zeigen hingegen einen dynamischen Jahresgang auf. In den Sommermonaten werden hier dir Maximalwerte erreicht; in den Wintermonaten sinken die Werte wieder ab. Es ist allerdings zu beachten, dass die Landnutzungs¬klasse „Ackerland“ nicht für eine bestimmte Frucht steht. In diese Landnutzungsklasse gehen verschiedene Ackerfrüchte mit ein. Die Wurzeltiefe und der Blattflächenindexes stellen somit mittlere Werte dar, der die Entwicklung unterschiedlicher Ackerfrüchte über das Jahr berücksichtigen.
Obwohl sicherlich die dynamische Variante bessere Ergebnisse als die statische Variante in der Modellierung verspricht, findet auch Modell 9 seine Anwendung. Dieser Ansatz dient insbesondere zur Beschreibung von Flächen, die nicht primär durch ihre Vegetation bestimmt sind (wie z.B. Halden oder Brachflächen). Er kann jedoch auch für Vegetationsflächen ohne große innerjährliche Dynamik (z.B. Wiesen oder Nadelwälder) bzw. für Flächen, zu denen kaum Informationen vorliegen, genutzt werden.

Lösung 3:

Im Kurvenverlauf der realen Verdunstung lässt sich klar ein Unterschied zwischen Modell 8 und 9 erkennen. Da die reale Verdunstung allerdings von der Bodenfeuchte, der Wurzeltiefe, des Blattflächenindexes und der potentiellen Verdunstung abhängt, lässt sich die Ursache des unterschiedlichen Verlaufs nur bei Betrachtung dieser Parameter interpretieren. Wenn sie diesen Effekt genauer beleuchten wollen, aktivieren sie in der results.ste die Ausgabe der Bodenfeuchte und in der PSCN.ste die Ausgabe %nFK100 und vergleichen sie die Ergebnisse mit den beiden Kurven der realen Verdunstung.

Auch in der Grundwasserneubildung lassen sich Differenzen zwischen den Simulationen mit Vegetationsmodell 8 und 9 erkennen. Diese Unterschiede variieren für die einzelnen Zeiträume in Abhängigkeit von den Randbedingungen (z.B. Entwicklung der Pflanze, klimatische Bedingungen …) Sehen sich dazu auch die Ganglinie für den gesamten Simulationsbereich an.