Ägypten – ein Geschenk des Nils

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1 Ägypten – ein Geschenk des Nils
Die Simulation der Nilflut von 300 v. Chr. bis ca. 650 n. Chr. Torsten Mattern, Christoph Reudenbach, Kai Ruffing Universität Marburg

2 Gliederung Motivation und konzeptioneller Rahmen
Physikalische Modellierung Erste Ergebnisse Ausblick

3 Rahmen Nach der letzten Eiszeit kontinuierliche Aridisierung Afrikas
Das Niltal nimmt als periodisch bewässerte Oase eine Sonderstellung ein Entwicklung von einer Hochkulturgesellschaft die eine optimierte Überschußökonomie auf der Grundlage dieser Standortbedingungen betreibt Extreme Abhängigkeit von der Flutdynamik des Nilstroms

4 Die ägyptische Niltaloase
Wechsel zwischen Flutungs- und Anbauflächen bedingt durch 3 wesentliche Reliefkomponenten Flußlauf Uferdämme Inseln (Gazîras)x Quelle: NOAA MODIS Farbkomposit Zugriff:

5 Historische Konzeptvorstellung - Teil 1 Naturraum
Herb (2001) Zugriff:

6 Konzeptvorstellung – Nilflut als Kulturraumdeterminante
Nilflut schafft die Wirtschaftsgrundlage Topologisch wirksam ist die Anordnung von Gazîra/Uferdamm Ackerland Sümpfe Wasserwege Nekropolen Herb (2001) Zugriff:

7 Konzeptvorstellung – Nilflut als Kulturraumdeterminante
Die topologische und räumliche Konzeption des Lebensraumes Nil ist jedoch ein dynamisches System, Es ist räumlichen und zeitlichen Schwankungen und Periodizitäten unterworfen (z.B. Telekonnektion, El Nino) Herb (2001) Zugriff:

8 Übertrag der Konzeption in die statische digitale Realität
Quelle: SRTM Daten mit überlagertem LandsatTM Bild

9 Typisches gegenwärtiges Flut-Beispiel am Zusammenfluss Weißer und Blauer Nil (Khartoum)
Weißer Nil Weißer Nil Weißer Nil Quelle: Landsat TM Farbkomposit Zugriff:

10 Modellkonzeption top down (Erster Versuch)
Prinzipiell besteht ein Zusammenhang zwischen den Periodizitäten der Niederschlagsdaten und den Pegeldaten zumindest der oberen Nilpegel. Werden diese um Speicherterme korrigiert (Entnahme Regulierung, Bewässerung etc.) so sollte unter Verwendung ausreichend skalierter räumlicher Parametern (Relief, Textur, Vegetation, Infiltration) und der Berechnung der einfachen physikalischen Abhängigkeiten eine Abflußmodellierung (Runoff) zur Ableitung begründbarer Abflußvolumina vorzunehmen (z.B Schipper & Schot 2004, GLOWA 2004)

11 Schematische Beschreibung des Abflußprozesses
Zit. nach Schipper & Schot 2004

12 Die Modellhierarchie Wasserbilanzmodell -> Dynamische Wasserführung
Flutmodell -> Überflutungsflächen Einzugsgebiet Flußaue Zit. nach Roo et .al. 2004

13 NileFlow (Konzept) Division Rainfall/Snow Interception
Evapotranspiration Infiltration Groundwater recharge Groundwater flow River channel flow (kinematic wave) Zit. nach Roo et .al. 2004

14 NileFlow (Implementierung)

15 NileFlow Ergebnisse (Abfluss)
XC Discharge

16 Zwischenfazit Struktur- sowie prozeßgültige Ergebnisse hinsichtlich des dynamischen Abflußverhaltens Es scheint auf der Grundlage des gewählten physikalischen Modellansatzes zwar prinzipiell eine gültige hydrologische Abbildung des Nileinzugsgebiet möglich zu sein JEDOCH bestehen extreme Schwierigkeiten das Modell zu kalibrieren D.h. Auf der Grundlage der skalenbedingten (Raum und vor allem Zeit!) Unsicherheiten muss der Modellansatz deutlich vereinfacht werden

17 Vereinfachte hydrodynamische Beschreibung des Abfluss-Prozesses
Oberflächen-Speicher Reservoirs EVT Abfluss Niederschlag Flächen-Niederschlag Evapotranspiration Infiltration Speicher Oberflächenabfluss Vorfluter

18 „Einfache“ numerische Implementierung des Abfluss-Prozesses
Physikalisch begründetes Abflussmodell (kinematische Welle) Hochgradig parametrisiert Datengetrieben Nicht Prognostisch sondern diagnostisch Gekapselt Notwendigkeit der Eigenentwicklung Levy, B., Baecher, G. (1998) Zugriff:

19 Modell-Redesign (=weitere Vereinfachung)
Abflussdaten Abflußdaten Infiltration Speicher Oberflächenabfluss Oberflächen-Speicher Reservoirs Abfluss Vorfluter

20 Inverses Modellkonzept zur Abbildung der Paläoflutgänge (zweiter Versuch)
Ableitung der wesentlichen physikalischen Parameter (Landnutzung, Textur, Vegetation, Mikrorelief) Identifikation und Erhebung der Flußbathymetrie an den Standorten der nachgewiesenen Nilometer (Elephantine, Koptos, Memphis) Erstellung einer Abflußhydrologie für die identifizierten Pegel Kalibrierung modellierter Niederschlagsfelder auf Pegelstände Erstellung einer Fluthydrologie

21 Abflußdaten Fekete et al. (2000) http://www.grdc.sr.unh.edu/index.html
Zugriff:

22 Datengrundlage Mesoskalig auflösendes Digitales Geländemodell SRTM
Resampled und hydrologisch korrigiert auf 100 m² Pixelauflösung

23 Der Abfluß ( Routing) Zit. nach Roo et .al. 2004 Als Routing wird ein digitales, diskret definiertes Abflußsystem bezeichnet

24 Kombiniertes Abfluß-/Flutflächenmodell LISFLOOD-FP
Gekoppeltes 1D/2D hydraulisches Modell auf einem Raster Fließen im Flußbett Fließen in der Talaue Landnutzung als Reibungskoeffizient nach Bates & Roo 2000

25 Überblick

26 Ergebnisse (1)

27 Ergebnisse (2) Modellzufluß 16.000 m3s-1 ~ einem normalen Jahr
nach Bonneau (1984) hat ein normales Jahr bei Koptos ca. 17 Königsellen ~ 8.89 Meter Fluthöhe (1 Königselle=0,5234cm) Profilschnitt bei Koptos Fluthöhe entlang des Profils

28 Ergebnisse (3)

29 Virtuelle Natur-/Kulturraum-Rekonstruktion
Die berechneten Szenarien können beliebig mit kulturellen Artefakten etc. kombiniert und ... virtuell multidimensional rekonstruktiert werden

30 Weiteres Vorgehen Implementierung einer gekoppelten Modellhierarchie
Validität Laufzeitoptimierung Stark parametrisiert Konzeptionell eingeschränkt Kooperationen mit: Ad de Roo (LISFLOOD Joint Research Centre, Italy) Paul Bates (LISFLOOD-FP University of Bristol) Victor Jetten (LISEM Universiteit Utrecht)

31 Todos Erstellung einer hydrologischen Bibliothek von Abflußmengen
Erstellung einer geeigneten Nil-Bathymetrie Kalibration des Flutverhaltens und der Bathymetrie an rezenten Daten Identifikation von Areas of Interests (AoI) zur Bearbeitung historisch begründeter bzw. hypothethischer DEM/Bathymetrien Erstellen einer fluthydrologischen Prozeß-Karte für die Jahre 300 v. Chr. bis ca. 650 n. Chr. Für den Bereich Ägyptens.