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Allgemeine Modellstruktur
WaSiM-ETH ist in zwei Basismodellversionen verfügbar: Die ursprünglich entwickelte Version (WaSiM-ETH I) nutzt für die Simulation der Bodenwasserströme eine auf dem Konzept der variablen Sättigungsflächen beruhende Modellvorstellung nach TOPMODEL. Die erweiterte Modellversion (WaSiM-ETH II) ersetzt hingegen den konzeptionellen Topmodel-Ansatz durch den prozessorientierten Richards-Ansatz, der den Wassertransport im Boden auf Grundlage von Potenzialgradienten und detaillierten bodenphysikalischen Eigenschaften (pF-Kurve, k(u)-Funktion) berechnet.
Die Modellversion WaSiM-ETH (Richards) stellt die Hauptlinie der Modellentwicklung seit 1998 dar. Einige der massgebenden Erweiterungen (z.B. die interne Kopplung des geschichteten Bodenmodells mit einem 2.5D-Grundwassermodell) sind nur für die Richards-Modellversion verfügbar, die insgesamt auch ein breiteres Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten bietet als die Topmodel-Modellversion. Gleichwohl sind viele der neueren Erweiterungen in beiden Modellversionen nutzbar (z.B. Phänologie-Modell).
Nachfolgend ist der modulare Aufbau von WaSiM-ETH dargestellt. Es sind sowohl die Modellkomponenten als auch die simulierten vertikalen und lateralen Wasserflüsse skizziert. Die Module im grau unterlegten Bereich berechnen den Wasserfluss pro Gitterzelle, wohingegen Prozesse wie die Abflusskonzentration auf der Basis von Teilgebieten abgebildet werden.
Eine bedeutende Modellkomponente stellt das in WaSiM-ETH integrierte Modul für die räumlichen Interpolation der Meteo-Daten auf das Modellgitter dar. Dieses erlaubt Interpolationen mit unterschiedlich komplexen Verfahren durchzuführen. Daneben bietet das Modell auch Werkzeuge, um die Effekte von Hangneigung (Gefälle) und Hangausrichtung (Exposition) auf Abschattung und einfallende Strahlung und Temperatur zu berücksichtigen. Die Prozesse von Schneeakkumulation und Schneeschmelze können mit Hilfe von Temperatur-Index-Verfahren oder einfachen Energiebilanz-Verfahren modelliert werden. Der Einfluss von vergletscherten Flächen auf die Wasserbilanz und das Abflussregime wird über ein separates Teilmodell erfasst. Die Evapotranspiration wird vorzugsweise nach Penman-Monteith simuliert. Sie kann aber alternativ auch über weniger datenintensive Verfahren, wie den Ansätzen von Wendling, Hamon oder Haude berechnet werden. Das Eindringen von Wasser in den Boden wird durch das auf den Infiltrationsansatz nach Green & Ampt aufbauende „Zweistufenmodell von Peschke“ beschrieben. Dieses Infiltrationsmodell wird allerdings nur im WaSiM-ETH (Topmodel) benutzt. In WaSiM-ETH (Richards) werden dagegen die vertikalen Bodenwasserflüsse auf Basis der Richards-Gleichung bilanziert. Für das Abflussrouting im Gerinne verwendet WaSiM-ETH einen Translation-Retentions-Ansatz.
Bei der Anwendung von WaSiM-ETH müssen nicht jeweils alle Teilmodelle zur selben Zeit aktiviert sein. Vielmehr kann der Nutzer in Abhängigkeit von der Zielstellung seiner Anwendung und der Datenverfügbarkeit entscheiden, welche Teilmodelle durchlaufen werden sollen. Eine Steuerdatei teilt dem Modell mit, welche aktuelle Modellkonfiguration zu nutzen ist. Diese Steuerdatei ist das zentrale Instrument, mit dem der Anwender auf die Modellierung Einfluss nehmen kann (z.B. Festlegung der Parameterwerte und Modellausgaben).
Referenzen zur obigen Abbildung