ArcEGMO Schulungsprojekt/Übung 1: Basisszenario

Alle Berechnungen haben das Basisszenario als Ausgangspunkt. Die Rechnungen beruhen auf folgenden Basisdaten, die in der modul.ste festgelegt werden müssen. Überprüfen Sie die Einstellungen. Die Datei finden Sie unter: D:\NA-Modell_ArcEGMO\ARC_EGMO\modul.ste.

In den folgenden Rechnungen wird immer nur der genannte Faktor verändert, während die anderen Faktoren den genannten Ausgangswert annehmen. Ändern Sie in der arc_egmo.ste die Berechnungsvariante vor jeder Berechnung, damit Ihre Ergebnisse nicht überschrieben werden.

Überprüfen Sie den Dateipfad in der arc_egmo.ste. Gegebenenfalls müssen Sie den Dateipfad anpassen, wenn Sie das Modellierungssystem ArcEGMO auf einem anderen Pfad oder Unterpfad abgelegt haben.

Als erstes müssen Sie in der arc_egmo.ste die Berechnungsvariante umbenennen, z.B. in Basisszenario (max. 31 Zeichen) und anschließend die Datei speichern.

Das Programm erstellt während der Rechnung einen Ordner mit diesem Namen, in dem alle Ergebnisse abgelegt werden. Diesen Ordner finden Sie nach der Rechnung in dem Ordner Results (D:\NA-Modell_ArcEGMO\RESULTS).

In der results.ste können die verschiedenen Datentypen, die das Programm berechnet, festgelegt werden. Sie gliedert sich in die Ebenen Meteorologie, Wasserhaushalt, Kaskadenflüsse, Grundwasser, Grundwasserabflüsse und Gewässerpunkte. Durch ein * vor einem Datentyp kann dieser auskommentiert werden, z.B. siehe bei Meteorologie *Raumselektion, *Klimatische_Wasserbilanz, *Lufttemperatur etc.

Rechnen Sie das Basisszenario durch. Dafür öffnen Sie die Eingabeaufforderung und ziehen die ae_5.exe und die arc_egmo.ste hinein (zwischen den beiden Dateien müssen Sie die Leertaste drücken). Das Programm wird durch Enter gestartet. Durch nochmaliges Drücken von Enter nach der Textausschrift startet die Rechnung. Falls Sie Windows Vista® verwenden, klicken Sie bitte hier.
Sie können auch den einfachen Weg wählen und zum Starten von ArcEGMO auf die Batch-Datei ARC_EGMO.bat doppelklicken (D:/NA-Modell_ArcEGMO\ArcEGMO\ARC_EGMO.bat)!

Wenn die Rechnung beendet ist, öffnen Sie den Ordner Results. Dort finden Sie Ihren zuvor benannten Ergebnisverzeichnisordner (z.B. Basisszenario). Wenn Sie diesen öffnen, finden Sie den Ordner zeit.dat, der den Ordner Tag enthält. Dort finden Sie die Ergebnisse. Öffnen Sie die Tabellen mit Excel. Erstellen Sie für die potentielle Verdunstung (EP), reale Verdunstung (ER), Grundwasserneubildung (GWN), den Landoberflächenabfluss (RO) und Gesamtabfluss (QC) jeweils ein Diagramm, indem Sie die Tabelle markieren und auf den Diagramm-Assistenten klicken: Ergebnisse in Excel. Zum direkten Vergleich können Sie die potentielle und reale Verdunstung in einem gemeinsamen Diagramm darstellen. Sie können auch den Niederschlag NS (Datei: geb_mit.pi) mit auftragen. Achten Sie darauf, dass Sie die gleichen Zeiträume sowie die gleiche Skalierung der y-Achse für die Diagramme wählen, damit ein Vergleich zwischen den einzelnen Diagramm möglich ist: Diagramm in Excel. Sie können auch für eine bessere Übersicht eine neue Excel-Tabelle erstellen und die Ergebnisse für einen bestimmten Zeitraum hineinkopieren.

In Ihrem Ergebnisordner finden Sie weiterhin die Dateien Abi_Bilanz.txt und arc_egmo.txt. Letztere Datei (arc_egmo.txt) enthält unter "Bilanzierung Modellebene ABI" (am Ende der Datei zu finden) die jährliche reale Verdunstung, den Landoberflächenabfluss, die Grundwasserneubildung (in mm/a) sowie den Gesamtabfluss: arc_egmo.txt. Diese Übersicht kann für einen schnellen direkten Vergleich von verschiedenen Berechnungen herangezogen werden.

Vergleichen Sie die berechneten Abflüsse mit den gemessenen. Sie finden die Dateien der Abflussmessungen unter: D:\NA-Modell_ArcEGMO\Zeit.dat\Hyd_data. Die berechneten Abflüsse befinden sich D:\NA-Modell_ArcEGMO\RESULTS\Basisszenario\zeit.dat\Tag in der Datei fgw_mit.qc. Achten Sie darauf, dass die Pegel richtig zugeordnet werden. Für die richtigen Zuordnungen schauen sie in die D:\NA-Modell_ArcEGMO\GIS\pegel.dbf.

Erstellen Sie eine Sicherungskopie der arc_egmo.ste und modul.ste. Speichern Sie diese z.B. unter den Namen Sicherungskopie_arc_egmo.ste. Dies dient der Sicherung der Grundeinstelllungen des Basisszenarios. Somit können Sie jederzeit auf diese zurückgreifen.

Abbildung 1‑1: Vergleich der potenziellen und realen Verdunstung

Beobachtung:

ER und EP stimmen im Frühling (Januar bis Mai) und Winter (Oktober bis Dezember) überein ⇒ hohe NS und geringe ER
in den Sommermonaten (Juni bis September) ist EP höher als ER

Erklärung

in den Sommermonaten kann aufgrund des höheren Energieangebotes (längere Sonnenscheindauer, höhere Temperatur, intensivere Strahlung) potenziell mehr Wasser verdunsten
Solange das Wasserangebot ausreicht, ist die ER gleich EP (vor allem im Winterhalbjahr)
In trockenen Sommermonaten, wenn kein NS fällt, reicht das Wasserangebot nicht mehr aus, um den Verdunstungsbedarf zu befriedigen und ER wird auf das vorhandenen Wasserangebot reduziert

Abbildung 1‑2: Darstellung der Grundwasserneubildung

Beobachtung:

in den Monaten Januar bis Anfang Mai und Ende Oktober bis Dezember ist die GWN höher als in den Sommermonaten
In den Sommermonaten Mitte Mai bis September zeigen sich für die GWN in diesem Beispiel sogar negative Werte

Erklärung:

in den Monaten Januar bis Anfang Mai und Ende Oktober bis Dezember ist die ER sehr gering ⇒ dass Wasser verdunstet kaum, daher kann mehr versickern
Das Niederschlags-Sickerwasser Verhältnis zeigt den typischen Unterschied zwischen hydrologischem Sommerhalbjahr (Zehrungs- oder Stagnationszeit) und Winterhalbjahr (Grundwasserneubildungszeit)
Im Winterhalbjahr versickert ein Großteil des Niederschlags, weil die Verdunstung gering ist
Im Sommer wird bei ähnlich hohen Niederschlägen das gesamte Niederschlagswasser zur Auffüllung des Bodenspeichers und für die Verdunstung verbraucht
In trockenen Sommermonaten, in denen kein NS fällt, entziehen die Pflanzen dem Boden dennoch Wasser ⇒ somit kommt es zur Zehrung des Grundwassers auf grundwassernahen Standorten, was sich in der Graphik als negative Werte darstellt

Abbildung 1‑3: Darstellung der Landoberflächenabfluss

Beobachtung:

Der RO ist im Verhältnis zu den anderen Wasserhaushaltsgrößen über das ganze Jahr gering
Im Winterhalbjahr aber wesentlich höher (1‑5 mm/d) als im Sommerhalbjahr (<1 mm/d)
Erklärung:

Dies ist ebenfalls über den NS, die GWN und die ER zu erklären
In den Monaten Mai bis September wird der gesamte NS, wie oben schon beschrieben, aufgebraucht ⇒ trotz teilweise hoher NS sind nur sehr geringe Abflussspitzen zu erkennen, da oberflächlich abfließendes Wasser in den Boden infiltriert (Auffüllung des Bodenwasserspeichers) oder verdunstet
Auch der Basisabfluss, der aus dem Grundwasser gespeist wird, ist gegenüber dem Winterhalbjahr viel geringer, weil der Grundwasserspeicher über den Sommer nicht wieder aufgefüllt wird
In den Monaten Januar bis Mai und Oktober bis Dezember schlagen sich höhere NS oder feuchte Perioden in größeren Abflussspitzen nieder ⇒ ein Teil des NS fließt oberirdisch ab ⇒ Schwankungen in der RO‑Kurve
Der Basisabfluss aus dem Grundwasserspeicher ist in den Wintermonaten höher, da ein großer Anteil des NS versickert ⇒ höhere GWN füllen den Grundwasserspeicher wieder auf ⇒ Zunahme der Abflussspitzen von Herbst bis zum Frühjahr (Frühjahr = Grundwasserhöchststände)

Abbildung 1‑4: Vergleich des Gesamtabflusses

Beobachtung:

In den Monaten Januar bis Anfang Mai und Ende Oktober bis Dezember, in denen viel NS fällt ist QC auch hoch ⇒ die simulierten Werte liegen im Minimum 0,2 und im Maximum 1,5 m³/s über den gemessenen Werten
Die ER ist in diesen Monaten gering
Im Sommer (Ende Mai bis Anfang Oktober) liegen die simulierten Werte für QC um bis zu 0,5 m³/s unter den gemessen
Erklärung:

Dies ist über die Wasserhaushaltsgrößen zu erklären
In den Monaten Januar bis Mai und Oktober bis Dezember sind die Abflussspitzen des QC sehr hoch ⇒ ER ist in diesen Monaten gering und das NS-Angebot kann sowohl oberirdisch als auch unterirdisch abfließen, da weniger leicht verdunstet ⇒ Somit erhöht sich in diesem Zeitraum auch QC
in den Monaten Mai bis Anfang Oktober wird der gesamte NS aufgebraucht ⇒ trotz teilweiser hoher NS ist QC sehr gering, da oberflächlich abfließendes Wasser in den Boden infiltriert oder verdunstet

Abbildung 1‑5: Vergleich der Wasserhaushaltsgrößen

Das Diagramm verdeutlicht die Bilanz der Wasserhaushaltsgrößen für den gesamten Berechnungszeitraum (Juli 1988 bis Dezember 1993)
Der größte Teil des NS geht als ER verloren und nur ca. 40% sind als GWN verfügbar

3.1 Übung 1: Basisszenario