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

Quelle: NOAA MODIS Farbkomposithttp://visibleearth.nasa.gov/view_rec.php?vev1id=2303Zugriff: 12.11.2005

Wechsel zwischen Flutungs- und Anbauflächen bedingt durch 3 wesentliche Reliefkomponenten

FlußlaufUferdämmeInseln (Gazîras)x

Historische Konzeptvorstellung -Teil 1 Naturraum

Herb (2001)http://www.archaeologie-online.de/magazin/thema/2001/05/b-abb4.phpZugriff: 15.11.2005

Konzeptvorstellung – Nilflut als Kulturraumdeterminante

Nilflut schafft die Wirtschaftsgrundlage

Topologisch wirksam ist die Anordnung von

Gazîra/UferdammAckerlandSümpfeWasserwegeNekropolen

Herb (2001)http://www.uni-koeln.de/sfb389/a/a5/a5_main.htmZugriff: 15.11.2005

Konzeptvorstellung – Nilflut als Kulturraumdeterminante

Die topologische und räumliche Konzeption des Lebensraumes Nil ist jedoch ein dynamisches dynamisches SystemSystem, 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.htmZugriff: 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)

Khartoum Khartoum

Weißer NilWeißer Nil

Blauer NilBlauer Nil

Weißer Nil

Quelle: Landsat TM Farbkomposithttp://visibleearth.nasa.gov/view_rec.php?vev1id=2303Zugriff: 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 WasserführungFlutmodell -> Überflutungsflächen

Einzugsgebiet FlußaueZit. 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)

Discharge

XC

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

Levy, B., Baecher, G. (1998)http://www.isr.umd.edu/CELS/research/nilesim/index.htmZugriff: 1.11.2005

Physikalisch begründetes Abflussmodell (kinematische Welle)

Hochgradig parametrisiert

Datengetrieben

Nicht Prognostisch sondern diagnostisch

Gekapselt

Notwendigkeit der Eigenentwicklung

Modell-Redesign (=weitere Vereinfachung)

Oberflächen-Speicher

Reservoirs

Abfluss

Abflussdaten Abflußdaten

Infiltration

Speicher

Oberflächenabfluss

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.htmlZugriff: 15.11.2005

Datengrundlage

Mesoskalig auflösendes Digitales Geländemodell SRTM

Resampled und hydrologisch korrigiert auf 100 m² Pixelauflösung

Der Abfluß ( Routing)

Als Routing wird ein digitales, diskret definiertes Abflußsystem bezeichnet

Zit. nach Roo et .al. 2004

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 Jahrnach 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 ModellhierarchieValidität LaufzeitoptimierungStark 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-BathymetrieKalibration des Flutverhaltens und der Bathymetrie an rezenten DatenIdentifikation von Areas of Interests (AoI) zur Bearbeitung historisch begründeter bzw. hypothethischer DEM/BathymetrienErstellen einer fluthydrologischen Prozeß-Karte für die Jahre 300 v. Chr. bis ca. 650 n. Chr. Für den Bereich Ägyptens.