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 Verluste (Benetzungs-, Mulden-, Verdunstungs- und Versickerungsverluste) aufgeteilt. 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:


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


Bei den befestigten Flächenanteilen setzen sich die abflussunwirksamen Verluste aus Benetzungs- und Muldenverlusten sowie der Verdunstung zusammen. Hieraus resultiert die folgende Gleichung:
<u>impervious areas</u>
 
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


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.


===Unbefestigte Flächenanteile===


Bei den unbefestigten Flächenanteilen
<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:


Die resultierende mathematische Gleichung für die momentane Belastungsaufteilung schreibt sich für die unbefestigten Flächenanteile wie folgt:
:<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} - \frac{dS}{dt}</math>
:with:
:NW = run-off generating rainfall abflusswirksamer
:N = rainfall
:VP = potential evaporation
:I = infiltration into the soil
:O = surface water reservoir content


:mit:
In the following segments the losses are described in further detail:  
:NW = abflusswirksamer Niederschlag
:N = Niederschlag
:VP = potentielle Verdunstung
:I = Infiltration in den Bodenraum
:O = Oberflächenwasservorrat
:S = Schneevorrat


Nachfolgend werden die in der Gleichung verwendeten Terme und deren Berechnung im Einzelnen erläutert.
===Evaporation===


===Niederschlag N(t)===
There are two possibilities for the [[EZG-Datei|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 [[:File:Theorie_Abb34.gif|Abbildung 34]] into consideration. If the chosen time step is &ge; 1 day the daily pattern is disregarded.


Die Niederschlagsdaten müssen dem Simulationsmodell in Form von Regenreihen zur Verfügung gestellt werden. Hierbei ist es prinzipiell unerheblich, ob die Niederschlagsreihe ein Blockregen, ein Modellregen, ein gemessener natürlicher Regen, ein Regenspektrum oder eine langjährige Regenreihe ist. Je nach Zielsetzung der Simulationsrechnung ist die geeignete Belastung ausgewählt werden. Die Regenreihen stammen entweder aus der Zeitreihenverwaltung von BlueM <span class="TALSIM">oder werden wie bei Anwendung einer Kurzfristprognose durch die Eingabe einer Regendauer, einer Niederschlagshöhe und der Wahl eines Modellregens direkt vor einer Simulation erzeugt</span>.
[[Bild:Theorie_Abb34.gif|thumb|Abbildung 34: Daily pattern of potential evaporation as a multiple of mean daily evaporation]]


===Verdunstung VP(t)===
====a) annual evaporation ====
Es bestehen zwei Optionen für die [[EZG-Datei|Eingabe]] einer potentiellen Verdunstung:
[[File:Theorie_Abb33.gif|thumb|Abbildung 33: annual pattern of potential evaporation according to {{:Literatur:Brandt_1979}}]]
 
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]]):
====a) Jahresverdunstungssumme====
[[Bild:Theorie_Abb33.gif|thumb|Abbildung 33: Jahresgang der potentiellen Verdunstung nach {{: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:


:<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.


====b) Verdunstungszeitreihe====
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)


====Verdunstungstagesgang====
====b) evaporation time series====
[[Bild:Theorie_Abb34.gif|thumb|Abbildung 34: Tagesgang der potentiellen Verdunstung als Vielfaches der mittleren Tagesverdunstung]]
If a evaporation time series is supplied the utilized time step is imported. <br/>
Ist das gewählte Berechnungszeitintervall kleiner als ein Tag, 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.
''Attention:'' For time steps  < 1 day the time series value is additionally overprinted with a daily pattern! (Bug 1)


===Oberflächenwasservorrat (Befestigte Flächenanteile) O===


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


<u>impervious areas</u>


Als Benetzungsverlust BV für versiegelte Flächen wird folgender Standardwert angesetzt.
A change in the surface water reservoir content <code>dO/dt</code> represents filling and depletion of water ( through evaporation) in troughs.


:<code>BV = 0.5 mm</code>


Der Muldenverlust MV wird durch den Anwender [[ALL-Datei|vorgegeben]].  
The wetting loss (BV) for impervious areas is set to the following standard value.


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
:<code>BV = 0.5 mm</code>
 
[[Bild:Theorie_Abb35.gif|thumb|Abbildung 35: Schema der Modellansätze Benetzungs- und Muldenverluste]]
 
* 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.
 
Der Abflussbeiwert der versiegelten Flächen (nach Abdeckung der Anfangsverluste) wird mit &psi; = 1 angesetzt. Bei der Festlegung des versiegelten Flächenanteils in einem Teileinzugsgebiet ist zu beachten, dass nicht alle befestigten oder versiegelten Flächen tatsächlich in eine Kanalisation entwässern.
 
Die kontinuierliche Bereitstellung der Benetzungs- und Muldenverluste erfolgt über die laufende Bilanzierung dieser Speicher und der Verdunstung.


===Oberflächenwasservorrat (unbefestigte Flächenanteile) O===


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 bzw. abflusswirksamer Niederschlag.
Trough loss (MV) is set by the user in the [[ALL-Datei|ALL-File]].


===Infiltration bzw. abflusswirksamer Niederschlag I(t), Nw(t)===
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:


Bei den unbefestigten Flächenanteilen kann die Infiltration in den Boden nicht vernachlässigt werden, da diese das Abflussgeschehen entscheidend prägt. Für die Berechnung wurden drei Ansätze im Modell implementiert:
[[File:Theorie_Abb35.gif|thumb|Abbildung 35: Schematic of the model approach for wetting and trough losses]]


# Konstanter Abflussbeiwert &psi;
* 1/3 of the impervious area has a reduced trough loss of 1/3 MV
# Ereignisspezifischer Abflussbeiwert in Anlehnung an das Verfahren des Soil-Conservation-Service (SCS)
* 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


====Konstanter Abflussbeiwert &psi;====
. 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 Angabe eines &psi;<sub>u</sub>-Wertes kommt nach Abdeckung der Anfangsverluste (Benetzungs- und Muldenverlust) 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). Auf diesen Ansatz sollte nach Möglichkeit verzichtet werden, da hier der Prozess der Abflussbildung nur grob vereinfachend beschrieben wird.
Wetting and trough losses are continuously made available through the ongoing balancing of these reservoirs and evaporation.  


====Ereignisspezifischer Abflussbeiwert in Anlehnung an das Verfahren des Soil-Conservation-Service (SCS)====
<u>pervious areas</u>


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.
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.


Die Quantifizierung der Vorgeschichte erfolgt über den 21-Tage-Vorregenindex <code>VN</code>
===Infiltration===


:<math>V_N = \sum_{j=1}^{21} C(j)^j \cdot h_{N,j}</math>
===Infiltration respectively run-off generating rainfall I(t), Nw(t)===


:mit
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:  
:<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.
# constant run-off coefficient &psi;
# event specific run-off coefficient similar to the method of the Soil-Conservation-Service (SCS)


:<math>C = 0.05 \cdot \sin\left(\frac{2 \pi}{365}\right) (i + 0.75 ) + 0.85</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>i</code> = lfd. Tag des Abflussjahres


[[Bild:Theorie_Abb36.gif|thumb|Abbildung 36: Abhängigkeit des Abflussbeiwertes von der Vorgeschichte]]
====SCS-Method====


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.
:''refer to [[SCS-Verfahren|SCS-Method]]''


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.


[[Bild:Theorie_Abb37.gif|thumb|Abbildung 37: Abhängigkeit des Abflussbeiwertes von der kumulierten Niederschlagssumme]]
==Run-off Concentration==


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.
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.


<div class="TALSIM">
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}}).
Bei der Abhängigkeit der Abflussbereitschaft zum kumulierten Niederschlag bietet TALSIM 2.2 zwei Möglichkeiten:


# Variabler Verlustansatz (default):<br/>Die Anpassung eines Verlustwertes für die Funktion des Abflussbeiwertes zum kumulierten Niederschlag erfolgt für jeden Zeitschritt neu.<br/>(liefert insgesamt höhere Abflussbeiwerte, so dass auf die Berücksichtigung eines Vorregens verzichtet werden kann)
# Konstanter Verlustansatz:<br/>Die Anpassung des Verlustwertes erfolgt nur zu Ereignisbeginn einmalig.<br/>(der Ansatz eines Vorregens ist in diesem Fall zweckmäßig)


Welcher Ansatz bessere Ergebnisse liefert geht nur aus einem Vergleich mit gemessenen Ganglinien hervor. Grundsätzlich ergeben sich mit dem variablen Verlustansatz höhere Abflussspitzen und Füllen bei gleichen Bedingungen.
==Literature==
 
Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Abflussbildung besteht in der Option, einen Endabflussbeiwert festzulegen. Damit beschränkt man unabhängig vom gewählten Verlustansatz den maximalen Abflussbeiwert. Standardmäßig setzt TALSIM den Endabflussbeiwert auf 1.
</div>
 
==Abflusskonzentration==
[[Bild:Parallelspeicherkaskade.gif|thumb|400px|Abbildung 44: Berechnung der Abflusskonzentration von Einzugsgebieten]]
Die Abflusskonzentration bestimmt die Verzögerung des Abflusses aus dem Einzugsgebiet. Bei der Berechnung des Oberflächenabflusses wird zwischen überwiegend natürlichen und überwiegend urbanen Gebieten unterschieden.
Die Berechnung von Interflow und Basisabfluss ist abhängig vom Berechnungsansatz. Bei der Berechungsoption [[Bodenfeuchteberechnung]] werden die beiden Abflusskomponenten über einen linearen Einzelspeicher verzögert an den Elementausgang abgegeben. Bei den Berechungsoptionen Abflussbeiwert und SCS-Verfahren wird kein Interflow berücksichtigt und der Basisabfluss entsprechend der angegebenen Basisabflussspende unter möglicher Berücksichtigung eines Jahresgangs ermittelt.
 
===Oberflächenabfluss von überwiegend natürlichen Gebieten===
 
Es wird eine Parallelspeicherkaskade mit jeweils zwei Speichern für unbefestigte und eine Kaskade mit ebenfalls zwei Speichern für befestigte Flächen benutzt. Die Speicherkaskaden können entweder als Linearspeicher oder als [[Speicherbaustein|nichtlineare Speicher]] berechnet werden. Werden die Parameter für die Speicherkaskade nicht vorgegeben, erfolgt die Berchnung an Hand der Gebietskenngrößen gemäß {{:Literatur:Zaiß 1986}}.
 
===Oberflächenabfluss von überwiegend urbanen Gebieten===
 
Es wird eine Parallelspeicherkaskade mit jeweils drei Speichern benutzt. Der abflusswirksame Niederschlag 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 08:27, 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