Urban Catchments: Difference between revisions

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Analog to rural catchments the natural process leading from rain to run-off is divided into three phases for urban catchments. The phases are Belastungsbildung, run-off generation (bzw. Belastungsaufteilung) and run-off concentration. The calculation approach for each of these phases is described in the following sections of this article.


Der natürlich ablaufende Prozess vom Niederschlag zum Abfluss wird analog zu den natürlichen Einzugsgebieten in die drei Phasen Belastungsbildung, Abflussbildung (bzw. Belastungsaufteilung) und Abflusskonzentration untergliedert. Im Folgenden sind die zugrunde liegenden Berechnungsansätze aufgeführt.


==Belastungsbildung==
==Belastungsbildung==


Die Belastungsbildung beschreibt die Ermittlung des Gebietsniederschlags für das betrachtete Einzugsgebiet. In BlueM werden Niederschläge über externe Zeitreihen eingelesen, so dass hier keine expliziten Berechnungen erforderlich sind.
Die Belastungsbildung describes the determination of an areal rainfall for the considered catchment.Rainfall data is imported into BlueM via external time series. Therefore no explicit calculations are necessary for this phase.


==Abflussbildung==
==Run-off Generation==


Die Abflussbildung ermittelt aus dem gefallenen Niederschlag den Anteil, der für den Oberflächenabfluss zur Verfügung steht. Der Niederschlag wird in den direkt zum Abfluss gelangenden "effktiven bzw. wirksamen Niederschlag" und die abflussunwirksamen Anteile aufgeteilt. Hierbei handelt es sich um das Wasser, das in Mulden liegen bleibt (Muldenverlust) oder die versiegelten Flächen benetzt (Benetzungsverlust) und letztlich verdunstet oder in den Boden infiltriert. Dementsprechend wird diese Phase auch mit Belastungsaufteilung bezeichnet. Schneefall wird bei urbanen Gebieten nicht berücksichtigt.  
The run-off generation phase determines the amount of rain out of the amount of fallen rain which leads to run-off generation. Rainfall (system load) is divided into rainfall which directly generates run-off and run-off diminishing losses (wetting, trough, evaporation and infiltration losses). Therefore this phase is also called the Belastungsaufteilung. Snowfall is neglected in urban catchments.


Grundsätzlich werden bei der Berechnung die unbefestigten und die befestigten Flächenanteile getrennt betrachtet. Der Anteil der befestigten Flächen an der Gesamtfläche ergibt aus dem Versiegelungsgrad:
In General pervious and impervious areas are calculated separately. Impervious area is calculated through the total area and the fraction of impervious area:


:<math>A_{bef} = VG \cdot A_{ges}</math>
:<math>A_{bef} = VG \cdot A_{ges}</math>


<u>Befestigte Flächenanteile</u>
<u>impervious areas</u>


Bei den befestigten Flächenanteilen berechnet sich der effektive Niederschlag über die Bilanzierung des Niederschlags, der Verdunstung sowie des Oberflächenspeichers. Der Oberflächenspeicher setzt sich aus Mulden und der benetzten Oberfläche zusammen, auf die einzelnen Größen wird weiter unten im Abschnitt "Oberflächenwasservorrat" eingegangen. Hieraus resultiert die folgende Gleichung:
Effective rainfall for impervious areas is calculated by balancing rainfall, evaporation and the surface reservoir. The surface reservoir is made up of troughs and wetting areas. Troughs and wetting areas are described in more detail in the section "surface water reservoir content". The following equation is derived:


:<math>Nw(t) = N(t) - VP(t) - \frac{dO}{dt}</math>
:<math>Nw(t) = N(t) - VP(t) - \frac{dO}{dt}</math>
   
   
:mit:  
:with:  
:NW = abflusswirksamer Niederschlag
:NW = run-off generating rainfall
:N = Niederschlag
:N = rainfall
:VP = potentielle Verdunstung
:VP = potential evaporation
:O = Oberflächenwasservorrat
:O = surface water reservoir content


Der Abflussbeiwert der befestigten Flächen wird grundsätzlich mit &psi; = 1 angesetzt, d.h. es wird davon ausgegangen, dass die resultierende Wassermenge nach Abdeckung der Anfangsverluste für den Oberflächenabfluss zur Verfügung steht. Bei der Festlegung des befestigten Flächenanteils in einem Teileinzugsgebiet ist allerdings zu beachten, dass nicht alle befestigten Flächen tatsächlich in eine Kanalisation entwässern. Erfahrungsgemäß liegt der nicht zum Kanal entwässernde Anteil zwischen 10% und 20%.
The run-off coefficient of impervious areas is generally set to &psi; = 1. Therefore all remaining water - after having covered initial losses - contributes to surface run-off. It needs to be noted that not all impervious areas drain into the canalization. Typically about 10-20% of impervious areas do not drain into the canalization.  


<u>Unbefestigte Flächenanteile</u>


Bei den unbefestigten Flächenanteilen wird nicht davon ausgegangen, dass die gesamte resultierende Wassermenge nach Abdeckung der Anfangsverluste für den Oberflächenabfluss zur Verfügung steht. Durch Berücksichtigung eines Abflussbeiwerts &psi; <= 1 wird die Infiltration in den Boden berücksichtigt. &psi; wird entweder durch den Benutzer vorgegeben oder über das SCS-Verfahren berechnet. Für die momentane Belastungsaufteilung ergibt sich somit die folgende Gleichung:
<u>pervious areas</u>
 
For pervious areas the run-off coefficient is &psi; <= 1. This is due to the fact, that not all remaining water -after having covered initial losses - contributes to surface run-off on pervious areas. Infiltration is taken into consideration by applying a run-off coefficient <1. &psi; can be supplied by the user or can be calculated via the SCS-Method. The equation for momentary load distribution is as follows:


:<math>Nw(t) = N(t) - VP(t) - I(t) - \frac{dO}{dt}</math>
:<math>Nw(t) = N(t) - VP(t) - I(t) - \frac{dO}{dt}</math>


:mit:  
:with:  
:NW = abflusswirksamer Niederschlag
:NW = run-off generating rainfall abflusswirksamer
:N = Niederschlag
:N = rainfall
:VP = potentielle Verdunstung
:VP = potential evaporation
:I = Infiltration in den Bodenraum
:I = infiltration into the soil
:O = Oberflächenwasservorrat
:O = surface water reservoir content
 
In the following segments the losses are described in further detail:


Im Folgenden werden die einzelnen Verlustanteile beschrieben:
===Evaporation===


===Verdunstung===
There are two possibilities for the [[EZG-Datei|input]] of potential evaporation. Both options calculate a daily evaporation value.
Es bestehen zwei Optionen für die [[EZG-Datei|Eingabe]] einer potentiellen Verdunstung. Beide Optionen berechnen einen Verdunstungstageswert. Wird mit einem Berechnungsintervall gerechnet, das kleiner als ein Tag ist, wird mittels dem in [[:Bild:Theorie_Abb34.gif|Abbildung 34]] dargestellten Tagesgang die potentielle Verdunstung für jedes Berechnungszeitintervall ermittelt. Ist das Berechnungsintervall &ge; 1 Tag entfällt die Berücksichtigung des Tagesganges.
If the chosen time step for the calculation is < 1 day the potential evaporation for each time step is calculated by taking the daily pattern depicted in [[:File:Theorie_Abb34.gif|Abbildung 34]] into consideration. If the chosen time step is &ge; 1 day the daily pattern is disregarded.


[[Bild:Theorie_Abb34.gif|thumb|Abbildung 34: Tagesgang der potentiellen Verdunstung als Vielfaches der mittleren Tagesverdunstung]]
[[Bild:Theorie_Abb34.gif|thumb|Abbildung 34: Daily pattern of potential evaporation as a multiple of mean daily evaporation]]


<u>Option 1: Jahresverdunstungssumme</u>
====a) annual evaporation ====
[[Bild:Theorie_Abb33.gif|thumb|Abbildung 33: Jahresgang der potentiellen Verdunstung nach {{:Literatur:Brandt_1979}}]]
[[File:Theorie_Abb33.gif|thumb|Abbildung 33: annual pattern of potential evaporation according to {{:Literatur:Brandt_1979}}]]
Es wird ein normierter Jahresgang  der potentiellen Verdunstung nach {{:Literatur:Brandt_1979|Brandt}} für die Berechnung der potentiellen Verdunstung herangezogen. Aus ausgewerteten Messungen von 20 Stationen, deren Mittelwerte als Histogramm in [[:Bild:Theorie_Abb33.gif|Abbildung 33]] dargestellt sind, wurde folgende Ausgleichsfunktion (gepunktete Linie in [[:Bild:Theorie_Abb33.gif|Abbildung 33]]) ermittelt:
A normed annual pattern of potential evaporation according to {{:Literatur:Brandt_1979|Brandt}} is utilized for the calculation of potential evaporation. Through the evaluation of measurements from twenty different stations, whichs mean-values are depicted as a histogram in [[:File:Theorie_Abb33.gif|Abbildung 33]], the following smoothing function was derived (doted line in [[:File:Theorie_Abb33.gif|Abbildung 33]]):


:<math>VP[\mbox{mm/d}] = \begin{cases}(0.96 + 0.0033 \cdot i) \cdot \sin(\frac{2 \pi}{365})(i - 148) + 1.58, & i <= 300 \\ 2.56 - 1.53 / 65. \cdot (i - 300.), & i > 300 \end{cases}</math>
:<math>VP[\mbox{mm/d}] = \begin{cases}(0.96 + 0.0033 \cdot i) \cdot \sin(\frac{2 \pi}{365})(i - 148) + 1.58, & i <= 300 \\ 2.56 - 1.53 / 65. \cdot (i - 300.), & i > 300 \end{cases}</math>


:mit
: with
:i = laufender Tag des hydrologischen Jahres
:i = ongoing day of the hydrological year
:i = 1 &rarr; 1. November
:i = 1 &rarr; 1. November


Die potentielle Verdunstung nach Brandt bezieht sich auf die {{:Literatur:DVWK_1996|'''Grasreferenzverdunstung'''}} und geht von einer Jahresverdunstungshöhe von 654,282 mm aus. Wird eine abweichende Jahresverdunstungshöhe eingegeben, wird der nach Brandt ermittelte Wert entsprechend skaliert.


<u>Option 2: Verdunstungszeitreihe</u>
Potential evaporation according to Brandt refers to  {{:Literatur:DVWK_1996|'''grass reference evaporation'''}} and assumes an annual total evaporation loss of 654,282 mm. If a different annual total evaporation loss is entered, the value determined by Brandt is scaled accordingly.
Ist eine Verdunstungszeitreihe gegeben, wird der entsprechende Wert des Zeitschrittes eingelesen. <br/>
''Vorsicht:'' Bei einem Simulationszeitschritt < 1d wird der Zeitreihenwert zusätzlich mit einem Tagesgang überprägt! (Bug 1)


===Oberflächenwasservorrat===
====b) evaporation time series====
If a evaporation time series is supplied the utilized time step is imported. <br/>
''Attention:'' For time steps  < 1 day the time series value is additionally overprinted with a daily pattern! (Bug 1)


<u>Befestigte Flächenanteile</u>


Die Oberflächenwasservorratsänderung <code>dO/dt</code> repräsentiert die Benetzung der Oberfläche sowie die Auffüllung und Entleerung (durch Verdunstung) der Mulden.
===Surface water reservoir content===


Als Benetzungsverlust BV für versiegelte Flächen wird folgender Standardwert angesetzt.
<u>impervious areas</u>


:<code>BV = 0.5 mm</code>
A change in the surface water reservoir content <code>dO/dt</code> represents filling and depletion of water ( through evaporation) in troughs.


Der Muldenverlust MV wird durch den Anwender [[ALL-Datei|vorgegeben]].


Der Muldenverlust stellt den Mittelwert für eine geneigte Oberfläche dar. Da die Mulden jedoch nicht gleichmäßig verteilt sind und erfahrungsgemäß bereits ein Abfluss einsetzt, bevor überall die komplette Muldenauffüllung erreicht ist, wird unterstellt, dass jeweils
The wetting loss (BV) for impervious areas is set to the following standard value.


[[Bild:Theorie_Abb35.gif|thumb|Abbildung 35: Schema der Modellansätze Benetzungs- und Muldenverluste]]
:<code>BV = 0.5 mm</code>


* 1/3 der versiegelten Fläche einen verminderten Muldenverlust von 1/3 MV
* 1/3 der versiegelten Fläche den mittleren Muldenverlust von 3/3 MV
* 1/3 der versiegelten Fläche einen erhöhten Muldenverlust von 5/3 MV


aufweist. Somit kommt es bereits zum Abfluss, wenn der um die Verdunstungsrate verminderte Niederschlag den Benetzungsverlust und 1/3 des Muldenverlustes übersteigt (bei trockener Vorgeschichte). In [[:Bild:Theorie_Abb35.gif|Abbildung 35]] sind die o.g. Annahmen schematisch skizziert.
Trough loss (MV) is set by the user in the [[ALL-Datei|ALL-File]].


Die kontinuierliche Bereitstellung der Benetzungs- und Muldenverluste erfolgt über die laufende Bilanzierung dieser Speicher und der Verdunstung.
The trough loss is the mean value for an inclined surface. Due to the fact that troughs are not evenly distributed and experience has shown that run-off occurs before all troughs are completely filled the following assumption is made, that:


<u>Unbefestigte Flächenanteile</u>
[[File:Theorie_Abb35.gif|thumb|Abbildung 35: Schematic of the model approach for wetting and trough losses]]


Der Oberflächenwasservorrat wird über die Bilanzierung eines Verlustspeichers in Abhängigkeit des gewählten Abflussbildungsansatzes berechnet. Einzelheiten dazu finden sich in den folgenden Abschnitten zur Berechnung der Infiltration.
* 1/3 of the impervious area has a reduced trough loss of 1/3 MV
* 1/3 of the impervious area has a mean trough loss of 3/3 MV
* 1/3 of the impervious area has a elevated trough loss of 5/3 MV


===Infiltration===
. Therefore run-off occurs as soon as the rainfall (reduced by evaporation) is greater than wetting losses and 1/3 of the trough losses (in dry antecedent conditions). In [[:File:Theorie_Abb35.gif|Abbildung 35]] the assumptions are depicted schematically.


Bei den unbefestigten Flächenanteilen kann die Infiltration in den Boden nicht vernachlässigt werden, da diese das Abflussgeschehen entscheidend prägt. Für die Berechnung wurden zwei Ansätze im Modell implementiert:
Wetting and trough losses are continuously made available through the ongoing balancing of these reservoirs and evaporation.  


# Konstanter Abflussbeiwert &psi;
<u>pervious areas</u>
# Ereignisspezifischer Abflussbeiwert in Anlehnung an das Verfahren des Soil-Conservation-Service (SCS)


<u>Konstanter Abflussbeiwert &psi;</u>
Surface water reservoir content is determined through the ongoing balancing of a loss reservoir in dependency of the chosen run-off generation approach. Details can be found in the following sections about calculation of infiltration respectively run-off generating rainfall.


Bei Angabe eines &psi;<sub>u</sub>-Wertes kommt nach Abdeckung der Anfangsverluste (Muldenverlust sowie Verdusntung) der übrige Anteil des Niederschlages im Verhältnis des Abflussbeiwertes &psi;<sub>u</sub> zum Abfluss und zwar unabhängig von der Vorgeschichte und den Merkmalen des Niederschlages (Höhe, Intensität, Dauer).
===Infiltration===


<u>Ereignisspezifischer Abflussbeiwert in Anlehnung an das Verfahren des Soil-Conservation-Service (SCS)</u>
===Infiltration respectively run-off generating rainfall I(t), Nw(t)===


Bei Angabe eines vom Bodentyp und der Bodennutzung abhängigen CN-Wertes (siehe {{:Literatur:DVWK_1991}}) lässt sich ein vorgeschichtsabhängiger Anfangsverlust sowie eine vorgeschichtsabhängige Beziehung des Abflussbeiwertes von der bis zum betrachteten Zeitpunkt akkumulierten Niederschlagshöhe formulieren (cp. {{:Literatur:Zaiß_1989}}<!-- Im Original TALSIM Dokument steht hier Zaiß 1987!? -->); d.h. der Abflussbeiwert wächst mit zunehmendem Niederschlag im Verlauf des Ereignisses an.
Infiltration into the soil can not be neglected for pervious areas due to the fact that infiltration substantially influences run-off. Three approaches were implemented in the model for the calculation of infiltration:  


Die Quantifizierung der Vorgeschichte erfolgt über den 21-Tage-Vorregenindex <code>VN</code>
# constant run-off coefficient &psi;
# event specific run-off coefficient similar to the method of the Soil-Conservation-Service (SCS)


:<math>V_N = \sum_{j=1}^{21} C(j)^j \cdot h_{N,j}</math>
====constant run-off coefficient &psi;====


:mit
By supplying a &psi;<sub>u</sub>-value the remaining rainfall after having covered the initial losses (wetting and trough losses) generates run-off according to the ratio of the run-off coefficient &psi;<sub>u</sub> independent of previous history and the characteristics of the rainfall (height, intensity, duration).
:<code>h<sub>N,j</sub></code> = Niederschlagshöhe des j-ten Vortags
:<code>C(j)</code> = Faktor, der den Einfluss des j-ten Vortags beschreibt


Der Einfluss der Jahreszeit wird durch einen Jahresgang des Faktors C wiedergegeben.
====SCS-Method====


:<math>C = 0.05 \cdot \sin\left(\frac{2 \pi}{365}\right) (i + 0.75 ) + 0.85</math>
:''refer to [[SCS-Verfahren|SCS-Method]]''


:mit
:<code>i</code> = lfd. Tag des Abflussjahres


[[Bild:Theorie_Abb36.gif|thumb|Abbildung 36: Abhängigkeit des Abflussbeiwertes von der Vorgeschichte]]
==Run-off Concentration==


Damit schwankt der Wert <code>C</code> zwischen <code>0,8 < C < 0,9</code>. Hierdurch wird erreicht, dass bei gleichem Vorregen zu unterschiedlichen Jahreszeiten unterschiedliche Vorregenindizes berechnet und damit eine veränderte Abflussbereitschaft in Rechnung gestellt wird.
Run-off concentration determines the delay of discharge out of the catchment. Because the areas connected to the canalization - as a part of the drainage-system - only discharge surface water into the canalization, interflow and base flow are neglected for urban catchments.


In Abhängigkeit von der auf diese Weise quantifizierten Vorgeschichte kann unter Verwendung der gebietsspezifischen und für mittlere Vorfeuchteverhältnisse gültigen CN-Werte ein aktueller Abflussbeiwert berechnet werden. In [[:Bild:Theorie_Abb36.gif|Abbildung 36]] ist für unterschiedliche CN-Werte dargestellt, wie sich der aktuelle Abflussbeiwert in Abhängigkeit von der Vorgeschichte verändert.
The calculation of surface run-off is carried out with the help of a parallel reservoir cascade, in which each cascade consists of three reservoirs. The run-off generating rainfall over the total area is determined by averaging the values of pervious and impervious areas. The distribution into the two cascades depends on the size of the catchment. Retention constants are determined via the flow time within the catchment (refer to {{:Literatur:Ostrowski 1998}}).


[[Bild:Theorie_Abb37.gif|thumb|Abbildung 37: Abhängigkeit des Abflussbeiwertes von der kumulierten Niederschlagssumme]]


Da sich im Verlaufe eines Regenereignisses durch die Durchfeuchtung des Bodens die Abflussbereitschaft eines Einzugsgebiets verändert, wird ebenfalls eine Anpassung des Abflussbeiwertes während eines Ereignisses als Funktion der kumulierten Niederschlagshöhe vorgenommen. In [[:Bild:Theorie_Abb37.gif|Abbildung 37]] ist dieser Zusammenhang für unterschiedliche CN-Werte dargestellt.
==Literature==
 
==Abflusskonzentration==
Die Abflusskonzentration bestimmt die Verzögerung des Oberflächenabflusses aus dem Einzugsgebiet. Interflow und Basisabfluss werden bei urbanen Einzugsgebieten nicht berücksichtigt, da die kanalisierten Flächen als Teil des Entwässerungssystems ausschließlcih Oberflächenwasser in der Kanalisation weiterleiten.
 
Die Berechnung des Oberflächenabflusses erfolgt mit Hilfe einer Parallelspeicherkaskade mit jeweils drei Speichern. Der abflusswirksame Niederschlag des Gesamtgebiets wird durch Mittelwertbildung über die befestigten und unbefestigten Flächen berechnet. Die Aufteilung auf die beiden Speicherkaskaden erfolgt an Hand der Größe des Einzugsgebiets, die Retentionskonstanten der Speicher an Hand der Fließzeit im Einzugsgebiet (siehe {{:Literatur:Ostrowski 1998}}).
 
==Literaturangaben==
<references/>
<references/>
{{HierarchieFuss}}


[[Kategorie:BlueM Theorie]]
[[Kategorie:BlueM Theorie]]

Latest revision as of 07:27, 9 January 2015

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Analog to rural catchments the natural process leading from rain to run-off is divided into three phases for urban catchments. The phases are Belastungsbildung, run-off generation (bzw. Belastungsaufteilung) and run-off concentration. The calculation approach for each of these phases is described in the following sections of this article.


Belastungsbildung

Die Belastungsbildung describes the determination of an areal rainfall for the considered catchment.Rainfall data is imported into BlueM via external time series. Therefore no explicit calculations are necessary for this phase.

Run-off Generation

The run-off generation phase determines the amount of rain out of the amount of fallen rain which leads to run-off generation. Rainfall (system load) is divided into rainfall which directly generates run-off and run-off diminishing losses (wetting, trough, evaporation and infiltration losses). Therefore this phase is also called the Belastungsaufteilung. Snowfall is neglected in urban catchments.

In General pervious and impervious areas are calculated separately. Impervious area is calculated through the total area and the fraction of impervious area:

[math]\displaystyle{ A_{bef} = VG \cdot A_{ges} }[/math]

impervious areas

Effective rainfall for impervious areas is calculated by balancing rainfall, evaporation and the surface reservoir. The surface reservoir is made up of troughs and wetting areas. Troughs and wetting areas are described in more detail in the section "surface water reservoir content". The following equation is derived:

[math]\displaystyle{ Nw(t) = N(t) - VP(t) - \frac{dO}{dt} }[/math]
with:
NW = run-off generating rainfall
N = rainfall
VP = potential evaporation
O = surface water reservoir content

The run-off coefficient of impervious areas is generally set to ψ = 1. Therefore all remaining water - after having covered initial losses - contributes to surface run-off. It needs to be noted that not all impervious areas drain into the canalization. Typically about 10-20% of impervious areas do not drain into the canalization.


pervious areas

For pervious areas the run-off coefficient is ψ <= 1. This is due to the fact, that not all remaining water -after having covered initial losses - contributes to surface run-off on pervious areas. Infiltration is taken into consideration by applying a run-off coefficient <1. ψ can be supplied by the user or can be calculated via the SCS-Method. The equation for momentary load distribution is as follows:

[math]\displaystyle{ Nw(t) = N(t) - VP(t) - I(t) - \frac{dO}{dt} }[/math]
with:
NW = run-off generating rainfall abflusswirksamer
N = rainfall
VP = potential evaporation
I = infiltration into the soil
O = surface water reservoir content

In the following segments the losses are described in further detail:

Evaporation

There are two possibilities for the input of potential evaporation. Both options calculate a daily evaporation value. If the chosen time step for the calculation is < 1 day the potential evaporation for each time step is calculated by taking the daily pattern depicted in Abbildung 34 into consideration. If the chosen time step is ≥ 1 day the daily pattern is disregarded.

Abbildung 34: Daily pattern of potential evaporation as a multiple of mean daily evaporation

a) annual evaporation

Abbildung 33: annual pattern of potential evaporation according to Brandt (1979)[1]

A normed annual pattern of potential evaporation according to Brandt[1] is utilized for the calculation of potential evaporation. Through the evaluation of measurements from twenty different stations, whichs mean-values are depicted as a histogram in Abbildung 33, the following smoothing function was derived (doted line in Abbildung 33):

[math]\displaystyle{ VP[\mbox{mm/d}] = \begin{cases}(0.96 + 0.0033 \cdot i) \cdot \sin(\frac{2 \pi}{365})(i - 148) + 1.58, & i \lt = 300 \\ 2.56 - 1.53 / 65. \cdot (i - 300.), & i \gt 300 \end{cases} }[/math]
with
i = ongoing day of the hydrological year
i = 1 → 1. November


Potential evaporation according to Brandt refers to grass reference evaporation[2] and assumes an annual total evaporation loss of 654,282 mm. If a different annual total evaporation loss is entered, the value determined by Brandt is scaled accordingly.

b) evaporation time series

If a evaporation time series is supplied the utilized time step is imported.
Attention: For time steps < 1 day the time series value is additionally overprinted with a daily pattern! (Bug 1)


Surface water reservoir content

impervious areas

A change in the surface water reservoir content dO/dt represents filling and depletion of water ( through evaporation) in troughs.


The wetting loss (BV) for impervious areas is set to the following standard value.

BV = 0.5 mm


Trough loss (MV) is set by the user in the ALL-File.

The trough loss is the mean value for an inclined surface. Due to the fact that troughs are not evenly distributed and experience has shown that run-off occurs before all troughs are completely filled the following assumption is made, that:

Abbildung 35: Schematic of the model approach for wetting and trough losses
  • 1/3 of the impervious area has a reduced trough loss of 1/3 MV
  • 1/3 of the impervious area has a mean trough loss of 3/3 MV
  • 1/3 of the impervious area has a elevated trough loss of 5/3 MV

. Therefore run-off occurs as soon as the rainfall (reduced by evaporation) is greater than wetting losses and 1/3 of the trough losses (in dry antecedent conditions). In Abbildung 35 the assumptions are depicted schematically.

Wetting and trough losses are continuously made available through the ongoing balancing of these reservoirs and evaporation.

pervious areas

Surface water reservoir content is determined through the ongoing balancing of a loss reservoir in dependency of the chosen run-off generation approach. Details can be found in the following sections about calculation of infiltration respectively run-off generating rainfall.

Infiltration

Infiltration respectively run-off generating rainfall I(t), Nw(t)

Infiltration into the soil can not be neglected for pervious areas due to the fact that infiltration substantially influences run-off. Three approaches were implemented in the model for the calculation of infiltration:

  1. constant run-off coefficient ψ
  2. event specific run-off coefficient similar to the method of the Soil-Conservation-Service (SCS)

constant run-off coefficient ψ

By supplying a ψu-value the remaining rainfall after having covered the initial losses (wetting and trough losses) generates run-off according to the ratio of the run-off coefficient ψu independent of previous history and the characteristics of the rainfall (height, intensity, duration).

SCS-Method

refer to SCS-Method


Run-off Concentration

Run-off concentration determines the delay of discharge out of the catchment. Because the areas connected to the canalization - as a part of the drainage-system - only discharge surface water into the canalization, interflow and base flow are neglected for urban catchments.

The calculation of surface run-off is carried out with the help of a parallel reservoir cascade, in which each cascade consists of three reservoirs. The run-off generating rainfall over the total area is determined by averaging the values of pervious and impervious areas. The distribution into the two cascades depends on the size of the catchment. Retention constants are determined via the flow time within the catchment (refer to Ostrowski et al. (1998)[3]).


Literature

  1. 1.0 1.1 Brandt, T. (1979): Modell zur Abflussgangliniensimulation unter Berücksichtigung des grundwasserbürtigen Abflusses, Technischer Bericht Nr. 24 aus dem Institut für Wasserbau, Fachgebiet Ingenieurhydrologie und Hydraulik der TH Darmstadt
  2. DVWK (Hrsg.) (1996): Ermittlung der Verdunstung von Land- und Wasserflächen, DVWK-Merkblätter zur Wasserwirtschaft, Heft 238. Bonn: Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH
  3. Ostrowski, M.W., Mehler, R., Leichtfuß, A. (1998): Dokumentation des Schmutzfrachtmodells SMUSI Version 4.0. Darmstadt: Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, Technische Universität Darmstadt