ETD

• Hydraulic Engineering
• Ingegneria idraulica

This research thesis aims to provide a systematic and interdisciplinary analysis of ancient hydraulic engineering in southern Arabia, integrating archaeological, geomorphological, and historical perspectives to holistically reconstruct the development, functionality, and management of traditional hydraulic systems, with particular reference to Omani aflaj, Yemeni qanat, and gabarband. The organization into five main chapters follows a logical-progress sequence that enables precise delineation of the research's general objectives, illustration of the adopted methodology, and anticipation of central research questions, establishing the conceptual foundations for the entire work and contextualizing the original contribution relative to the state of the art.

Chapter 2 examines in depth the geomorphological aspects of southern Arabia, with particular attention to extreme aridity conditions, the distribution of underground aquifers, and the fluvial dynamics of seasonal wadi, which represented crucial environmental constraints and opportunities for the development of adaptive hydraulic systems. This analysis integrates Holocene paleoclimatic data and GIS modeling to reconstruct the hydrogeological landscapes that favored local technical innovation, quantifying parameters such as channel slopes (0.04%) and historical water discharge in relation to post-Holocene Optimum aridification (ca. 6000 BP).

Chapter 3 focuses on the detailed study of key archaeological sites, including Falaj Daris at Nizwa (Oman) – an emblematic example of aflaj daoudi with underground galleries longer than 7 km and vertical wells – and the Marib Dam (Yemen), an icon of Sabaean engineering with a 16 m high barrier and a basin of 400 million m³. These sites are investigated through stratigraphic evidence, planimetric surveys, and dating by optically stimulated luminescence (OSL), in order to trace the chronological, functional, and social evolution of these infrastructure from the primary construction phase (Iron Age, ca. 1300-300 BC) to the maturation of collective community maintenance practices.

Chapter 4 offers a critical synthesis of the state of the art, highlighting the main issues resolved – such as the centrality of water in social stratification, agricultural economy, and community governance of oases – and those still open, including the precise chronology of the origin of qanat/falaj, their interregional transmission (local autonomy vs. Persian influences), and resilience to postglacial climatic stresses. In conclusion, Chapter 5 integrates the evidence emerging from previous chapters to outline future research directions, proposing innovative methodological approaches such as integrated hydrogeological modeling (e.g., MODFLOW with stable isotopes δ¹⁸O and δ²H), multi-scale GIS analysis, and ethno-archaeological campaigns, in order to fill identified gaps and support sustainable management strategies for contemporary hydraulic heritage in contexts of climate change.

The methodological approach adopted is markedly interdisciplinary, synergistically integrating archaeological, geomorphological, and ethnographic perspectives. Archaeological investigations constitute the empirical core of the research, based on planimetric and stratigraphic surveys of key sites conducted using photogrammetry and laser scanning (LiDAR) techniques, which enable high-resolution three-dimensional documentation. Particular emphasis is placed on OSL dating, applied to sediments associated with infrastructure to discriminate primary construction phases from secondary reuses, overcoming the limitations of radiocarbon dating in arid contexts lacking organic matter.

Geomorphological analysis employs advanced geospatial tools, such as multi-scale Geographic Information Systems (GIS) and satellite remote sensing (Landsat and Sentinel-2 data), to model aquifer distribution, erosional regimes of seasonal wadi, and sedimentary accumulation processes influenced by gabarband barriers. Numerical hydrological modeling such as MODFLOW simulates ancient underground flows integrating stable isotopes to test system resilience to water stress. The ethnographic approach integrates oral sources collected from contemporary communities with participatory observations of taqsim al-ma (water rotation) and amal jama (collective maintenance) practices, transcribed and georeferenced to trace normative continuity from the Iron Age.

The research questions guiding the thesis are structured in a progressive analytical framework. The first question investigates to what extent local geomorphological dynamics – Holocene aridification, seasonal torrential regimes of wadi, and fractured aquifer structures – favored the innovation and adaptation of aflaj/qanat systems from the Iron Age onward, forging resilient anthropic landscapes in extreme desert contexts. The second question explores to what extent emblematic archaeological sites attest to the technical-functional evolution and socio-managerial implications of hydraulic systems, linking material infrastructure to customary norms of equitable management. The third question focuses on persistent interpretative gaps in the state of the art regarding the precise chronology of origin and diffusion, climatic resilience, and environmental sustainability against endemic salinization. These questions transversally interrogate local innovative autonomy relative to potential external influences, such as transmission from Persian Achaemenid qanat, while also evaluating long-term sustainability through projections for future climate scenarios.

The research presents inevitable methodological and factual limitations. A primary limitation lies in dependence on indirect OSL dating, which provides information on accumulated sediments rather than the primary construction phase, producing chronological uncertainties with potential errors exceeding centuries. The scarcity of ancient written sources – limited to fragmentary dedicatory inscriptions, lithic property marks, and later water cadastral registers (dawawin al-ma) – compromises detailed reconstruction of management norms, relegating analysis to ethno-archaeological inferences. Paleo-hydrological modeling encounters difficulties in precise calibration for Holocene climatic shifts due to the limited resolution of climatic proxies. The research privileges secondary analysis of existing archaeological data without including original excavation campaigns, introducing an interpretative bias dependent on the quality of published sources. Finally, geomorphological modeling underestimates site-specific microclimatic variables that modulate the adaptability of gabarband and surface channels.

Future studies could overcome these restrictions by integrating stable isotopes to trace ancient water flows, high-resolution LiDAR surveys for non-invasive 3D mapping, and cross-validating ethno-archaeological campaigns, elevating empirical robustness and predictive capacity of analyses for hydraulic infrastructure safeguarding in contexts of accelerated climate change.

La presente tesi di ricerca si propone di offrire un'analisi sistematica e interdisciplinare dell'ingegneria idraulica antica nell'Arabia meridionale, integrando prospettive archeologiche, geomorfologiche e storiche per ricostruire in modo olistico lo sviluppo, la funzionalità e la gestione dei sistemi idraulici tradizionali, con particolare riferimento agli aflaj omaniti, ai qanat yemeniti e ai gabarband. L'articolazione in cinque capitoli principali segue un ordine logico-progressivo che consente di delineare con precisione gli obiettivi generali della ricerca, illustrare la metodologia adottata e anticipare le domande di ricerca centrali, ponendo le basi concettuali per l'intero lavoro e contestualizzando il contributo originale rispetto allo stato dell'arte.

Il Capitolo 2 esamina in profondità gli aspetti geomorfologici dell'Arabia meridionale, con particolare attenzione alle condizioni di aridità estrema, alla distribuzione delle falde acquifere sotterranee e alle dinamiche fluviali dei wadi stagionali, che hanno rappresentato vincoli ambientali cruciali e opportunità per lo sviluppo di sistemi idraulici adattativi. Tale analisi integra dati paleoclimatici olocenici e modellazioni GIS per ricostruire i paesaggi idrogeologici che hanno favorito l'innovazione tecnica locale, quantificando parametri quali pendenze canalari (0,04%) e portate idriche storiche in relazione all'aridificazione post-Ottico Umido (ca. 6000 BP).

Il Capitolo 3 si concentra sullo studio dettagliato dei siti archeologici chiave, tra cui il Falaj Daris a Nizwa (Oman) – emblematico esempio di aflaj daoudi con gallerie sotterranee lunghe oltre 7 km e pozzi verticali – e la Diga di Marib (Yemen), icona dell'ingegneria sabea con sbarramento alto 16 m e bacino di 400 milioni di m³. Questi siti sono indagati attraverso evidenze stratigrafiche, rilievi planimetrici e datazioni mediante luminescenza otticamente stimolata (OSL), al fine di tracciare l'evoluzione cronologica, funzionale e sociale di queste infrastrutture dalla fase costruttiva primaria (Età del Ferro, ca. 1300-300 a.C.) alla maturazione di pratiche collettive di manutenzione comunitaria.

Il Capitolo 4 offre una sintesi critica dello stato dell'arte, evidenziando le principali questioni risolte – come la centralità dell'acqua nella stratificazione sociale, nell'economia agricola e nella governance comunitaria delle oasi – e quelle ancora aperte, tra cui la cronologia precisa dell'origine dei qanat/falaj, la loro trasmissione interregionale (autonomia locale vs. influenze persiane) e la resilienza a stress climatici postglaciali. A conclusione, il Capitolo 5 integra le evidenze emerse dai capitoli precedenti per delineare direzioni future di ricerca, proponendo approcci metodologici innovativi quali modellazioni idrogeologiche integrate (es. MODFLOW con isotopi stabili δ¹⁸O e δ²H), analisi GIS multi-scala e campagne etno-archeologiche, al fine di colmare le lacune identificate e supportare strategie di gestione sostenibile del patrimonio idraulico contemporaneo in contesti di cambiamento climatico.

L'approccio metodologico adottato si configura come marcatamente interdisciplinare, integrando in modo sinergico prospettiche archeologiche, geomorfologiche ed etnografiche. Le indagini archeologiche costituiscono il fulcro empirico della ricerca, basandosi su rilievi planimetrici e stratigrafici dei siti chiave condotti mediante tecniche di fotogrammetria e scansione laser (LiDAR), che consentono una documentazione tridimensionale ad alta risoluzione. Particolare enfasi è posta sulle datazioni OSL, applicate a sedimenti associati alle infrastrutture per discriminare fasi costruttive primarie da riutilizzi secondari, superando i limiti delle datazioni al radiocarbonio in contesti aridi privi di materia organica.

L'analisi geomorfologica impiega strumenti geospaziali avanzati, quali Sistemi Informativi Geografici (GIS) multi-scala e telerilevamento satellitare (dati Landsat e Sentinel-2), per modellare la distribuzione delle falde acquifere, i regimi erosivi dei wadi stagionali e i processi di accumulo sedimentario influenzati da sbarramenti gabarband. Modellazioni idrologiche numeriche come MODFLOW simulano flussi sotterranei antichi integrando isotopi stabili per testare la resilienza dei sistemi a stress idrici. L'approccio etnografico integra fonti orali raccolte da comunità contemporanee con osservazioni partecipative delle pratiche di taqsim al-ma (turnazione idrica) e amal jama (manutenzione collettiva), trascritte e georeferenziate per tracciare continuità normative dall'Età del Ferro.

Le domande di ricerca che guidano la tesi si strutturano in un quadro analitico progressivo. La prima domanda indaga in che misura le dinamiche geomorfologiche locali – aridificazione olocenica, regimi torrentizi stagionali dei wadi e strutture acquifere fratturate – abbiano favorito l'innovazione e l'adattamento dei sistemi aflaj/qanat a partire dall'Età del Ferro, forgiando paesaggi antropici resilienti in contesti desertici estremi. La seconda domanda esplora in che misura i siti archeologici emblematici attestino l'evoluzione tecnico-funzionale e le implicazioni socio-gestionali dei sistemi idraulici, legando infrastrutture materiali a norme consuetudinarie di gestione equa. La terza domanda si focalizza sulle persistenti lacune interpretative nello stato dell'arte riguardo alla cronologia precisa di origine e diffusione, alla resilienza climatica e alla sostenibilità ambientale contro salinizzazione endemica. Queste domande interrogano trasversalmente l'autonomia innovativa locale rispetto a potenziali influenze esterne, come la trasmissione dai qanat achemenidi persiani, valutando inoltre la sostenibilità a lungo termine mediante proiezioni per scenari climatici futuri.

La ricerca presenta inevitabili limitazioni metodologiche e fattuali. Un limite primario risiede nella dipendenza da datazioni OSL di natura indiretta, che forniscono informazioni sui sedimenti accumulati piuttosto che sulla fase costruttiva primaria, producendo incertezze cronologiche con errori potenziali che eccedono i secoli. La scarsità di fonti scritte antiche compromette la ricostruzione dettagliata di norme gestionali, relegando l'analisi a inferenze etno-archeologiche. Le modellazioni paleo-idrologiche incontrano difficoltà nella calibrazione precisa per shift climatici olocenici a causa della risoluzione limitata di proxy climatici. La ricerca privilegia analisi secondarie di dati archeologici esistenti senza includere campagne di scavo originali, introducendo un bias interpretativo dipendente dalla qualità delle fonti pubblicate. Infine, la modellazione geomorfologica sottovaluta variabili microclimatiche site-specifiche che modulano l'adattabilità di gabarband e canali superficiali.

Studi futuri potrebbero superare tali restrizioni integrando isotopi stabili per tracciare flussi idrici antichi, rilievi LiDAR ad alta risoluzione per mappature 3D non invasive e campagne etno-archeologiche cross-validanti, elevando la robustezza empirica e la capacità previsionale delle analisi per la salvaguardia infrastrutturale idraulica in contesti di cambiamento climatico accelerato.