Holozäne Landschaftsentwicklung und Paläohydrologie der Zentralen Sahara

Abstract

Dass die größten Abflussereignisse in ariden Gebieten auftreten ist bekannt und ist unter anderem durch die Arbeiten von CRIPPEN & BUE (1977) sowie COSTA (1987) für aride und semiaride Regionen der USA belegt. Solche Untersuchungen sind für die Zentrale Sahara unbekannt. Mit Blick auf die Prozesse der fluvialen Morphodynamik in unterschiedlichen Zeitscheiben versucht die vorliegende Arbeit diese Lücke zu schließen. Die Datengrundlage entstand im Rahmen des DFG-Projektes "Quartäre Landschaftsentwicklung und aktuelle Morphodynamik in der zentralen Sahara (NE-Niger)". Die Arbeiten fanden in den Jahren 2005 und 2006 im Großraum der Zentralen Sahara statt. Als Untersuchungsgebiet wurde ein kleines Einzugsgebiet mit dem Namen „Seeterrassental“ gewählt. Es liegt in der südlichen Zentralen Sahara (ca. 22°21’ N, 12°42’ E), im nordöstlichsten Teil der Republik Niger. Im Rahmen eines methodischen Experiments verschiedene Daten genutzt um die gewünschten Informationen der fluvialen Morphodynamik, insbesondere des Niederschlags- Abfluss Verhaltens, zu gewinnen: Analyse des Ist-Zustandes Die Analyse der Klimadaten zeigt, dass auf Makroskala für die Zentrale Sahara eine gute Beschreibung der aktuellen Situation möglich ist. Regionalisierungen lassen sich auf den bestehenden Daten durchführen. Geht man jedoch auf die lokale Skale des Seeterrassentals ist auf Grund der Datenqualität eine eindeutige klimatische Charakterisierung schwierig. Es kann zum Beispiel nicht eindeutig geklärt werden, ob die Niederschläge der die Region um das Seeterassental aus dem winterlichen Westwindsystem oder aus dem Monsunsystem kommen. Die Dokumentation der geomorphologischen Situation ist vor allem für die Maßstabsebene des Seeterrassentals für das Prozessverständnis notwendig. Auch wenn die geomorphologische Kartierung die aktuelle Situation darstellt, so sind darin Informationen über vergangene Umweltbedingungen und daran gekoppelte Prozesse enthalten. So zeigen zum Beispiel die Verschiedenen Terrassenniveaus entlang des Gerinnes Informationen die nicht den heutigen Prozessen entsprechen. Bewertung der Paläoumweltsituation Die Bewertung der Paläoumweltsituation wird im Rahmen des Experimentes maßgeblich durch eine intensive Literaturanalyse vollzogen. Hierbei kann ein Überblick der Paläoumwelt der westlichen und Zentralen Sahara gegeben werden, der Informationen ab dem Hochglazial liefert. Zwar stehen auch hier die Informationen nur punktuell zur Verfügung, sind aber relativ gut über die gesamte Region verteilt. Aus den vorliegenden Informationen aus den in der Literatur gegeben Proxydaten lassen sich die Wirkungszusammenhänge zwischen globalen Klimasystemparametern und Paläoumweltbedingungen für die betrachtete Region ableiten. Generierung einer Datenbasis Die Aufnahme der gerinnemorphologischen Parameter und die Ableitung der hydraulischen Abflussberechnungen nach Manning-Strickler und nach Costa liefert die Datenbasis. Dabei ist zu beachten, dass die Abflussinformationen „nur“ für Spitzenabflüsse (Costa-Ansatz, Qmax) beziehungsweise bordvolle Abflussereignisse (Manning-Strickler-Ansatz) gelten. Hier kann entlang des gesamten Gerinnes für verschiedene Terrassenniveaus ein konsistenter Datensatz erzeugt werden. Eine eindeutige Trennung in eine aktuelles (im Sinne von bis zu wenige Hundert Jahre alt) und zwei alte Terrassenniveaus ist möglich. Die Abflussberechnungen des aktuellen oder subrezenten Gerinnebettes und die Abflussberechnung der beiden älteren Paläogerinnegenerationen (T1 und T2) zeigen einen Einblick in das Abflussverhalten des kleinen Einzugsgebiets des Seeterrassentals. Auf Grundlage der Datierung aus den Arbeiten im Seeterrassental von GRUNERT (1983) und BRAUNECK (2010) lässt sich zudem eine grobe Chronologie aufbauen, die sich mit Hilfe der Ergebnisse der Literaturanalyse validieren lässt. Modellierung & Bewertung der Ergebnisse Im Zentrum des semidistributiv-konzeptionellen Modells (HEC-HMS) stehen die genannten hydraulischen Abflussberechnungen nach Manning-Strickler und Costa. Ziel ist es basierend auf gemessenen fluvialen Formen den Niederschlag, der zur Entstehung dieser Formen geführt hat, zu rekonstruieren. Über den gewählten methodischen Aufbau können konkrete Ergebnisse für die unterschiedlichen Gerinneniveaus des Einzugsgebiets des Seeterrassentals berechnet und damit der effektive Niederschlag für das Einzugsgebiet rekonstruiert werden. Die Analyse der Klimadaten, speziell die Größenfrequenzanalyse, zeigt, dass die modellierten effektiven Niederschläge für das aktuelle Gerinnebett in einem plausiblen Wertebereich liegen. Vergleicht man die iterativ modellierten effektiven Niederschläge des aktuellen Gerinnes mit den gemessenen Klimastationsdaten der umgebenden Stationen sieht man eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse. Eine solche Art der Validierung ist für die beiden älteren Paläogerinnegenerationen (T1 und T2) nicht möglich, da es keine gemessenen Vergleichsdaten gibt. Hier erfolgt die Prüfung der Plausibilität der Ergebnisse nur anhand der Literaturanalyse. Die aus der N-A-Modellierung abgeleiteten effektiven Paläoniederschlagswerte können als plausibel eingestuft werden und haben den Vorteil, dass eine statistische Niederschlags-Abfluss Beziehung zugrunde liegt und nicht wie bei Paläoklimamodellen statistische Beziehungen für globale atmosphärische Zirkulationsmuster. Zudem sind die iterativ modellierten effektiven Niederschläge für das Untersuchungsgebiet des Seeterrassentals berechnet und bieten damit genauere Informationen als bisher verfügbar. Für die Genese der verschiedenen Terrassengenerationen kann folgendes diachrone Szenario gezeichnet werden: Das Paläogerinne der Terrassengeneration T2 hat sich im Bereich der mittelholozänen Feuchtphase im Anschluss an eine Stillwasserphase ausgebildet. An der Genese dieser ersten Gerinnephase sind möglicherweise Hochflutereignisse infolge des Ausbruchs der ehemaligen Stillwasserbereiche beteiligt. Für das Paläogerinne der Terrassengeneration T1 gibt es zwei Hypothesen: 1. Die Einscheidung in das bestehende Gerinnebett T2 in einer spätholozänen kurzen Feuchtphase (zum Beispiel zwischen 3,5 und 4 ka B.P.); 2. Die Einscheidung in das bestehende Gerinnebett T2 nur wenig zeitversetzt an die eigentliche Einschneidung des Gerinnes T2, also in der ausgehenden mittelholozänen Feuchtphase (bis ca. 5,7 ka B.P.). In jedem Fall hat sich das Gerinnesystem auf die potentiell höheren Niederschläge des mittleren beziehungsweise späten Holozäns eingestellt und zeigt eine im Verhältnis zum aktuellen Gerinne veränderte Abflussdynamik. Das N-A Verhalten des aktuellen Gerinnes entspricht weitestgehend den Erwartungen der wenigen Messwerten in der Region.

That the highest runoff events occur in arid regions is well known and proved among others by the works of CRIPPEN & BUE (1977) and COSTA (1987) for arid and semiarid regions in the U.S. Such studies are not known for the Central Sahara. Looking at the processes of fluvial morphodynamics in different time slices, this thesis attempts to fill this gap. The data base was created within the DFG project "Quaternary landscape evolution and current morphodynamics in the central Sahara (NE Niger)." The work took place in 2005 and 2006 in the area of the Central Sahara. The selected study site is a small catchment with the name "Seeterrassental". It is located in the south Central Sahara (approx. 22°21' N, 12°42' E), in the northeastern part of the Republic of Niger. Within the framework of a methodological experiment, different data are used to provide the needed information on fluvial morphodynamics, especially of the rainfall-runoff behavior: Analysis of the actual state The analysis of climate data shows that a good description of the current situation is possible for the macro scale of the Central Sahara. Regionalization can be carried out on the existing data. Due to the data quality a precise climatic characterization on the local scale is difficult. A clarification of the rainfall source for the region around the Seeterassental, for example, is not possible. It is not sure whether the precipitation comes from the westerlies system or the monsoonal system. A detailed documentation of the geomorphological situation is especially needed on the scale of Seeterrassental for process understanding. Even though it is a mapping of the current situation, information about past states or processes are included. The different terrace levels along the stream, for example, show information that does not meet with the present day’s processes. Review of palaeo- situation The evaluation of the palaeoenvironmental situation with the experiment is carried out largely by an intensive literature analysis. Here, an overview of the palaeoclimate of the western and central Sahara can be given, providing information since the glacial maximum. Although these informations are mainly available as point data, they are relatively well distributed over the entire region. Based on the available information the interactions between global climate system parameters and palaeoenvironmental conditions for the considered region can be derived. Data base generation A detailed recording of the stream-morphologic parameters and the derivation of the hydraulic discharge calculations after Manning-Strickler and Costa provide the database. It should be noted that the runoff information is "only" valid for peak discharge (Costa approach, Qmax) respectively bankful discharge events (Manning-Strickler approach). A consistent data set is generated along the entire channel for different terrace levels. A clear separation into a current flood bed (within the meaning of up to a few hundred years old) and two old terrace level is possible. The runoff calculations of current flood bed and the discharge calculation of the two older palaeo-channel generations (T1 and T2) show an insight into the flow patterns of the small catchment of the Seeterrassental. A rough chronology for the Seeterrassental can be build up based on the datings by GRUNERT (1983) and BRAUNECK (2010), which can be validated using the results of the literature analysis. Modeling and evaluation of the results The hydraulic discharge calculations according to Manning-Strickler and Costa build the center of the semidistributiv-conceptual model (HEC-HMS). The goal is to reconstruct, based on measured fluvial forms, the precipitation that has led to the formation of these forms. By the chosen methodological structure detailed results for the different channel generations of the Seeterrassental catchment can be calculated and thus the effective precipitation can be reconstructed for the catchment area. The climate date analysis, especially the size frequency analysis, shows that the modeled effective precipitation for the current flood bed is within a plausible range of values. A comparison between the iteratively modeled effective precipitation of the current flood bed with the measured climate station data of surrounding stations show a good consistence. Such a validation is not possible for the two older palaeochannel generation (T1 and T2), since there are no measured comparative data. In this case the plausibility control of the results occurs by the literature analysis. The effective palaeoprecipitation values derived from the rainfall-runoff modeling can be considered as plausible. These values have the advantage that they are based on a statistical rainfall-runoff relationship and not like palaeoclimate models on statistical relationships for global atmospheric circulation patterns. In addition, the iteratively modeled effective precipitation is calculated for the study area of the Seeterrassental and thus provides more accurate information than previously available. For the genesis of the different terrace generations following diachronic scenario can be drawn: The palaeochannel corresponding to the terrace level T2 developed in the mid- Holocene wet phase following a slack water phase. High flood events caused by the outbreak of the former slack water areas may have involved the forming of this first channel phase. There are two hypotheses for the forming of the palaeochannel corresponding to the terrace level T1: 1. The incision in the existing channel bed T2 occurred in a short Late Holocene wet phase (for example 3.5 to 4 ka B.P.); 2. The incision in the existing channel bed T2 occurred only with a little time lag to the actual incision of the channel T2, so in the outgoing mid-Holocene wet phase (up to 5.7 ka B.P.). In any case, the channel system is set to the potentially higher precipitation of the middle or late Holocene and shows a change in relation to the current channel outflow dynamics. The runoff-precipitation behavior of the current flood bed largely corresponds to the expectations of the few measurements in the region.