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

Gliederung Motivation und konzeptioneller Rahmen Physikalische Modellierung Erste Ergebnisse Ausblick

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

Die ägyptische Niltaloase Wechsel zwischen Flutungs- und Anbauflächen bedingt durch 3 wesentliche Reliefkomponenten Flußlauf Uferdämme Inseln (Gazîras)x Quelle: NOAA MODIS Farbkomposit http://visibleearth.nasa.gov/view_rec.php?vev1id=2303 Zugriff: 12.11.2005

Historische Konzeptvorstellung - Teil 1 Naturraum Herb (2001) http://www.archaeologie-online.de/magazin/thema/2001/05/b-abb4.php Zugriff: 15.11.2005

Konzeptvorstellung – Nilflut als Kulturraumdeterminante Nilflut schafft die Wirtschaftsgrundlage Topologisch wirksam ist die Anordnung von Gazîra/Uferdamm Ackerland Sümpfe Wasserwege Nekropolen Herb (2001) http://www.uni-koeln.de/sfb389/a/a5/a5_main.htm Zugriff: 15.11.2005

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) http://www.uni-koeln.de/sfb389/a/a5/a5_main.htm Zugriff: 15.11.2005

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

Typisches gegenwärtiges Flut-Beispiel am Zusammenfluss Weißer und Blauer Nil (Khartoum) Weißer Nil Weißer Nil Weißer Nil Quelle: Landsat TM Farbkomposit http://visibleearth.nasa.gov/view_rec.php?vev1id=2303 Zugriff: 12.11.2005

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)

Schematische Beschreibung des Abflußprozesses Zit. nach Schipper & Schot 2004

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

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

NileFlow (Implementierung)

NileFlow Ergebnisse (Abfluss) XC Discharge

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

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

„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) http://www.isr.umd.edu/CELS/research/nilesim/index.htm Zugriff: 1.11.2005

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

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

Abflußdaten Fekete et al. (2000) http://www.grdc.sr.unh.edu/index.html Zugriff: 15.11.2005

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

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

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

Überblick

Ergebnisse (1)

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

Ergebnisse (3)

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

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)

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.