HRU Flow Network

HRU Network verfügbar ab Talsim Engine Version 3.2.5.

In Bearbeitung / Under construction

Grundlagen

Um ein Flussgebiet in Talism abzubilden, unterteilt der Modellierer das Gebiet in einzelne Teilgebiete und stellt diese als Systemelemente dar. Er kann das Gebiet entweder basierend auf den hydrologischen Einzugsgebieten unterteilen oder basierend auf einem festen Raster. Die Teileinzugsgebiete kann Talsim als NA-Modell mit dem Systemelement Einzugsgebiet darstellen oder als Einzeleinleiter mit angeschlossener Abflusszeitreihe, sofern der Abfluss am Auslass bekannt ist. Bei der Bodefeuchtsimulation als Berechnungsoption für das Systemelement Einzugsgebiet, unterteilt der Modellierer das Gebiet wiederum in Elementarflächen (HRU: Hydrologic Response Units) basierend auf Boden und Landnutzung im Gebiet. Diese zunächst räumlich verteilten Elementarflächen fasst Talsim standardmäßig zusammen, d.h. alle Flächen mit gleicher Landnutzung und gleichem Bodentyp werden zu einer Einheit zusammengefasst und die hydrologische Reaktion gemeinsam berechnet, egal, wo sie innerhalb des Einzugsgebiets liegen.

Die Berechnung der Elementarflächen als eigenes Fließnetz ist eine Sonderoption in Talsim, die speziell für die Abbildung von Feuchtgebieten entwickelt wurde (verfügbar ab Talsim-Engine 3.2.5). Der Modellierer unterteilt die Teileinzugsbiete basierend auf einem Raster in Elementarflächen ein und verknüpft diese zu einem Fließnetz. Die räumliche Lage der Elementarflächen innerhalb des Teileinzugsgebiets ist hier also entscheidend. Programmiertechnisch gesehen handelt es sich hierbei um ein verschachteltes Modell, d.h. das innerhalb des durch die Systemelemente dargestellten Modells noch ein inneres Modell mit Elementarflächen mit eigenem Fließnetz besteht. Für die Elementarflächen-Zellen berechnet Talsim zu jedem Zeitschritt die Bodenfeuchte und den Wasserstand. Ist der Wasserstand in der unterliegenden Zelle höher als der der drüberliegenden Zellen, kann kein Wasser abgegeben werden und es gibt einen Rückstau. Eine Elementarflächen-Zelle kann zudem ein Fließgewässer enthalten, welches Talsim vereinfacht als Gerinne mit Trapez-Profil rechnet. Den Rauhigkeitsparameter K-strickler, leitet Talsim aus der Landnutzung ab. Enthält eine Elementarflächen-Zelle ein Fließgewässer, wird leiten die direkt oberliegenden Zellen ihren Oberflächenwasserabfluss direkt in das Fließgewässer.

In folgender Präsentation ist das Konzept zur Modellierung von einem Elementarflächennetzwerk noch visuell dargestellt:

Datei:HRUFlowNetwork.pdf

Ein HRU-Fließnetz erstellen

Um ein Fließnetz der Elementarflächen zu erstellen, verwenden Sie dasselbe Tool und die selben Eingangsdaten wie für die Rasterbasierte Unterteilung eines Flussgebiets: TalsimGridIO

Wählen Sie lediglich die Option "HRU Flow Network instead of System network" aus. Ansonsten ist das Vorgehen analog.

In der von TalsimGridIO erstellt automatisch die Talsim Input-Dateien im ASCII-Format.

Das HRU-Fließnetz wird in der Elementarflächen-Datei *.EFL* im rechten Abschnitt gespeichert. Jede HRU-Zelle hat zusätzlich zu den allgemeinen Elementarflächenparametern folgende Parameter:

• ID (HRU ID)
• Höhe (Elev m)
• ID der Nachfolger-Zelle (Out ID)
• Info, ob sie ein Fließgewässer enthält (Stream)

Nur eine HRU-Zelle pro HRU-Fließnetz ist als Auslass definiert (Outlet). Sie können für die HRU-Zellen auch Zuflüsse definieren (Inlet).

**Hydrologic Response Unit HRU (*.EFL)
*===================
[SETTINGS]
VERSION=1.2
*
*|------|---------------------------------|------------------------------------------|
*|      |          Parameter              |Sim-  Str   Elev    HRU   Out   In-   Out |
*| EZG  |Slope  Area  Soil  LU   Irr  CN  |Type  eam     m     ID    ID    let   let |
*|------|---------------------------------|------------------------------------------|
*|  -   |  %     %     ID   ID   ID    -  | 1-2  0/1                                 |
*|-<-->-|-<-->-<---->-<-->-<-->-<-->-<-->-|--+----+--<------><----><----><----><---->|
 | AMAR | .014 0.1992    1    4    0      |  2    0       392     1     2     0     0|
 | AMAR | .046 0.1992    2    4    0      |  2    0       391     2   502     0     0|
 | AMAR | .032 0.1992    2    4    0      |  2    0       391     3   502     0     0|
...
 | AMAR | 1.17 0.1992    1    4    0      |  2    0       467   182   183     0     0|
 | AMAR | .265 0.1992    1    7    0      |  2    1       434   183   184     1     0|
 | AMAR | .078 0.1992    1    4    0      |  2    1       428   184   185     0     0|
 | AMAR | .072 0.1992    1    7    0      |  2    1       418   185   186     0     0|
...
 | AMAR | .032 0.1992    2    4    0      |  2    1       383   502     0     0     1|
*|------|---------------------------------|------------------------------------------|

Einzugsgebietsparameter anpassen

In der ASCII-Datei der Einzugsgebiete *.EZG passen Sie unter "Sub-basin characteristics" die Angaben zur Geometrie des Einzuggebietes an (Fläche, maximale Höhe, minimale Höhe und längste Fließstrecke).

Für die Fläche sind in dem aktuellen Dateiformat nur 6 Ziffern und eine Eingabe in ha vorgesehen. Bei sehr großen Einzugsgebieten > 999999 ha ist das nicht ausreichend.

Um stattdessen die Fläche in km² einzugeben, setzen Sie hinter dem Parameter Kennung/Mode eine 1 (also noch vor den Gebietskenngrößen/Sub-basin characteristics und vor dem Trennzeichen |). Dann benutzt Talsim die Flächenangabe nicht in ha sondern in km².

Das Dateiformat wird gerade auf ein festes Trennzeichen umgestellt, so dass es dieses Problem in Zukunft nicht mehr geben wird.

**Catchments (*.EZG)
*===================
[SETTINGS]
VERSION=1.7
*|------|-----|------------------------------|----...
*| Key  | Mode|   Sub-basin characteristics  |   N...
*|      |     |  Ae   Imp   High  Low    L   | Fil...
*|------|-----|------------------------------|----...
*|  -   | 1-3 |  ha     %   masl  masl   m   |  ID...
*|-<-->-|-<->-|<----><----><----><----><---->|<---...
 | AMAR |  3 1|4250.3        383   502 385646|    ...
*|------|-----|------------------------------|----...

Die Retentionsparameter, die für das Gesamteinzugsgbiet definiert sind, spielen bei der Berechnung als HRU-Fließnetz übrigens keine Rolle. Talsim berechnet die Retetionskonstanten für Oberflächenabfluss jeweils aus der Geometrie der einzelnen HRU-Zellen. Eine Retention des Zwischen- und Basisabflusses ergibt sich dadurch, dass das Wasser von Zelle zu Zelle laufen muss. Bei einer Berechnung ohne HRU-Flownetwork wird der Basis und Zwischenabluss hingegen über einen Linearspeicher retendiert und kommt danach direkt am Gebietsauslass an.

Fließgewässerparameter definieren

Fließgewässer in HRU-Zellen rechnet Talsim als Gerinne mit Trapez-Profil. Stellen Sie in der Datei *.KAL die Fließgewässerparameter ein:

• die Breite des Gerinnes als Faktor bezogen auf die HRU-Zellenbreite (EFL_FactorChannelWidth)
• die maximale Breite des Gerinnes als Faktor bezogen auf die HRU-Zellenbreite(EFL_FactorChannelMaxWidth)

#SYDROTAL-INI
#START
[EZG]
EFL_FactorChannelWidth=0.1
EFL_FactorChannelMaxWitdth=1.0

Zuflüsse anschließen

Ein Einzugsgbiet mit HRU-Netzwerk kann selbst Teil eines Fließnetzes aus Teileinzugsgebieten sein, es kann also einen oder mehrere Zuflüsse haben.

Um einen Zufluss in eine HRU-Zelle zu definieren setzen sie den Parameter Inflow in der Elementarflächen-Datei *.EFL auf 1. Wenn Sie einen weiteren Zufluss setzen wolle setzen Sie Inflow auf 2 und so weiter. Es können bis zu 8 Zuflüsse definiert werden.

Die Systemelemente, welche den Zufluss in die Elementarflächen-Zelle bringen sollen (z.B. Einzeleinleiter oder Einzugsgebiet), schließen Sie in der Systemlogik-Datei *.SYS an das Einzugsgebiet mit dem HRU-Fließnetz an. Entscheidend ist hier die Reihenfolge in der Systemlogik-Datei: Der Systemelement, das von den Zuflüssen zum Einzugsgebiet in der Systemlogik-Datei *.SYS zuoberst steht, fließt in die HRU-Zelle mit dem Inflow=1 (wie in der in der Elementarflächen-Datei *.EFL definiert). Das zweitoberste in die Zelle mit dem Inflow=2 und so weiter.

Ein HRU-Fließnetz simulieren

Um ein Talsim-Modell mit einem HRU-Fließnetz zu simulieren, müssen Sie keine zusätzlichen Einstellungen vornehmen. Talsim erkennt automatisch, dass der rechte Teil der Elementarflächendatei *.EFL mit den Informationen zum Fließnetz gefüllt ist und führt bei Start automatisch eine verschachtelte Modellierung mit HRU-Fließnetz durch.

Sie starten also einfach wie üblich die Talsim-Engine auf Dateiebene. Die Talsim-Engine finden Sie ausgehend vom Talsim-Installationsordner hier: ..\Talsim-NG\Client\TalsimNG\SimEngine

Dort geben Sie in der Datei talsim.run den Namen des Talsim-System (Namen der ASCII-Dateien ohne Endung) sowie den Pfad zu den ASCII-Dateien.

Starten Sie die Engine talsimw64.exe per Doppelklick.

Ergebnisse auswerten

Die Ergebnisse einer Talsim-Simulation mit HRU-Fließnetz finden sich in der Ergebnis-Datei *.HRU.WEL. Für jede HRU-Zelle werden hier folgende Größen ausgegeben:

• Niederschlag (Rainfall in mm)
• potentielle Verdunstung (ETp in mm)
• aktuelle Verdunstung (ETa in mm)
• Interzeption (Interception in mm)
• relative Bodenfeuchte (SoilMoisture rel in mm/m)
• Wasserstand (Waterlevel m)
• Wassertiefe (Depth in m)
• Oberflächsenabfluss (Q_SurfRunoff m3/s)
• Zwischenabfluss (Q_Interflow in m3/s)
• tiefer Zwischenabfluss (Q_Interflow_deep in m3/s)
• Basisabfluss (Q_Base in m3/s)
• Grundwasserabfluss (Q_Groundwater in m3/s)

Mit dem TalsimGridIO-Tool können Sie die Talsim-Ergebnisse so konvertieren, dass Sie in GIS gelesen werden können.