Modelle

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Durch die Interaktion des Menschen mit der natürlichen Umwelt, z.B. durch die Bewirtschaftung der Fließgewässer, haben sich unsere Fließgewässerökosysteme erheblich verändert. Die Notwendigkeit den anthropogenen Einfluss auf Gewässer und Einzugsgebiete vorhersehen zu können hat erheblich zugenommen. Sich verändernde Einzugsgebietseigenschaften beeinflussen zwangsläufig fließgewässerinterne Prozesse entlang einer komplexen Ursache-Wirkungskette. Integrierte Modelle sollten diese Abhängigkeiten auf unterschiedlichen Skalen darstellen können und Parameter wie die folgenden simulieren können:

  • Wasserqualität und -verfügbarkeit,
  • Fließgeschwindigkeitsverteilung,
  • Erosion,
  • Sedimenttransport und
  • Eignung des aquatischen Lebensraums

Zusätzliche wünschenswerte Modellanforderungen sind die Anwenderfreundlichkeit, Robustheit, Zukunftssicherheit durch konstante Weiterentwicklung, freie Verfügbarkeit und die Verwendbarkeit im GIS.

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Die Abbildung zeigt die Anwendung der Modelle SWAT, HEC-RAS und AdH in einer Modellkaskade. Auf der rechten Seite sind die simulierten Einflüsse und die beschriebenen Prozesse auf den verschiedenen Skalen erklärt. Es ist wichtig zu betonen, dass die Modellergebnisse einen Teil der Eingangsdaten für das folgende Modell auf einer niedrigeren Skala darstellen. Die Abbildungen a-d zeigen die räumlichen Größenordnungen auf denen die Modelle angewendet werden. (a) Zeigt den Modellbereich von SWAT mit dem Einzugsgebiet, den Teileinzugsgebieten (Nummer 1 bis 17) und dem Gewässernetz. (b) Stellt den Modellbereich für HEC-RAS mit seinen Querschnitten und den Nebenläufen des Gewässernetzes dar. In (c) wird der Modellierungsbereich für das AdH Modell wiedergegeben, welches durch eine Oberfläche aus Dreieckselementen definiert wird. Für das rote Rechteck aus (c) wird in (d) ein detaillierter Teil des Dreiecksnetzes mit Substratgrenzen dargestellt.

Ökohydrologisches Modell - SWAT

Das Soil and Water Assessment Tool (SWAT, Arnold et al. [1]) ist ein Einzugsgebiets-basiertes Modell, das zur Quantifizierung des Einflusses von Klima und Landbewirtschaftungspraktiken auf den Wasserkreislauf in großen, komplexen Einzugsgebieten entwickelt wurde.
SWAT ist ein frei verfügbares Modell, das vom United States Department of Agriculture (USDA), Agricultural Research Service (ARS) im Grassland, Soil and Water Research Laboratory in Temple, Texas, USA entwickelt wird. Das Modell und seine GIS-Oberfläche (Winchell et al. [8]) werden weltweit angewendet (Gassman et al. [3]) und kontinuierlich weiter entwickelt. SWAT bildet verschiedene physikalische Prozesse, wie die Nährstoff- und Wasserflüsse auf Einzugsgebiets- und Fließgewässerebene ab. Landnutzungsänderungen, Abflussregime, Einfluss von Dränagen, Grundwasserspiegel, urbane oder ländliche Wasserqualität und Klimawandel können auf verschiedenen Einzugsgebietsgrößen und Zeitskalen von Tagen bis hin zu Dekaden simuliert werden. SWAT hat eine lange Anwendungsgeschichte in der Abteilung für Hydrologie und Wasserwirtschaft an der Universität Kiel (CAU, Schmalz und Fohrer [5]).

Weitere Informationen über SWAT

Eindimensionales (1D) hydraulisches Modell - HEC-RAS

Das Hydrologic Engineering Center (HEC) in Davis, California entwickelt das River Analysis System (RAS) mit dem Ziel, Anwender bei der hydraulischen Analyse von Abflüssen und Überflutungsflächen zu unterstützen.
Das vom U.S. Army Corps of Engineers (USACE) entwickelte Hydrologic Engineering Center River Analysis System (HEC-RAS, USACE [6]) und seine GIS Oberfläche HEC-GeoRAS (USACE [7]) werden von diversen, im Wasserbereich arbeitenden Administrationen, Universitäten und Ingenieuren weltweit verwendet. HEC-RAS ist ein frei verfügbares Modell, welches eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Dateneingabe, hydraulischen Analysekomponenten, Datenspeicherung und Management, ebenso wie Darstellungs- und Ergebnisdarstellungen beinhaltet. Daher hat das Modell, seit seiner Veröffentlichung im Jahr 1995, weithin Akzeptanz gefunden. Zur Darstellung mittlerer Strömungsprozesse im Querschnitt von Fließgewässern sind 1D hydraulische Modelle geeignete Werkzeuge. Sie ermöglichen die Berechung von hydraulischen Strömungseigenschaften wie Fließgeschwindigkeit, Tiefe sowie Schubspannung, Erosion und Sedimentablagerung in kleinen Fließgewässern bis hin zu komplexen Flusssystemen in akzeptabler Berechnungszeit. Um die dominierenden Prozesse in breiten und kurzen Gewässerabschnitten ermitteln zu können, oder um den flächeneckenden, kleinskaligen hydraulischen Einfluss auf das Substrat simulieren zu können sind 2D hydraulische Modelle besser geeignet.

Weitere Informationen zu HEC-RAS

Zweidimensionales (2D) hydraulisches Modell - AdH

Das USACE Engineer Research and Development Center (ERDC) in Vicksburg, Mississippi, entwickelte Adaptive Hydraulics (AdH, Berger et al. [2]), ein Modell welches ermöglicht hydraulische Abflussprozesse zweidimensional abzubilden.
AdH ist ein flexibles frei verfügbares Modell, welches gesättigtes und ungesättigtes Grundwasser, Oberflächenabfluss, 3D Navier-Stokes sowie 2D- und 3D-Flachwassersimulationen ermöglicht. Besonderheiten des Modells sind die automatische Anpassung von Berechnungsnetz-Auflösungen und Zeitschritten während des Modelllaufs und der vollständig MPI parallelisierte Code, der sowohl auf Windows wie UNIX basierten Multi-Prozessor-Maschinen angewendet werden kann. SWAT und HEC-RAS können die Randbedingungen für AdH liefern, was die Verbindung von der Einzugsgebietsebene zur kleinskaligen Gewässerabschnittsebene ermöglicht. AdH wird verwendet, um den Einfluss von Querschnitts- und Substrateigenschaften sowie der hydrologisch-hydraulischen Randbedingungen auf die Fließgeschwindigkeit und die Wassertiefe abzubilden. Basierend hierauf kann der Einfluss auf Erosion und Deposition von Sedimenten in hoher Auflösung in ausgewählten Gewässerabschnitten simuliert werden.  

Weitere Informationen über AdH

Nähere Modellbeschreibungen werden in Kiesel et al. 2012 [4] gegeben.

Für eine großskalige Anwendung planen wir die aus dem Modell Watergap und für die Artenverteilung die aus dem Modell Biomod bereitgestellten Daten zu verwenden.

References

[1] Arnold J.G., Srinivasan R., Muttiah R.S. and Williams J.R. “Large area hydrologic modelling and assessment part I: model development”, Journal of American Water Resources Association, Vol. 34, No. 1, (1998), pp. 73-89.
[2] Berger R.C., Tate J.N., Brown G.L. and Savant G. “Adaptive Hydraulics – A two-dimensional modeling system”, AdH v4.202, USACE CHL-ERDC, (2013).
[3] Gassman, P. W.; M. R. Reyes; C. H. Green; J. G. Arnold (2007). The Soil and Water Assessment Tool: Historical Development, Applications, and Future Research Directions. Transactions of the ASABE 50 (4): 1211–1250.
[4] Kiesel, Britta Schmalz, Gaurav Savant, Nicola Fohrer (2012) ACROSS THE SCALES: FROM CATCHMENT HYDROLOGY TO INSTREAM HYDRAULICS. 10th International Conference on Hydroinformatics HIC 2012, Hamburg, GERMANY. 8 pages.
[5] Schmalz B. and Fohrer N. “Comparing model sensitivities of different landscapes using the ecohydrological SWAT model“, Adv. Geosci., Vol. 21, (2009), pp. 91-98.
[6] USACE. “Hydraulic Reference Manual”, Version 4.1, US Army Corps of Engineers, Hydraulic Engineering Center, (2010).
[7] USACE. “HEC-GeoRAS, GIS Tools for Support of HEC-RAS using ArcGIS”, User’s Manual, Version 4.3.93, (2011).
[8] Winchell M., Srinivasan R., DiLuzio M. and Arnold J.G. “ArcSWAT Interface for SWAT2012”, User’s Guide, Blackland Research Center, ARS Temple, Texas, (2013).