Evaluation of Urbanization Impacts on Flood Generation in the Adigrat Watershed, Northern Ethiopia

Die Stadt, die lernte, zu schnell zu rennen

Stellen Sie sich ein Einzugsgebiet wie einen riesigen, natürlichen Schwamm vor. Wenn es regnet, saugt dieser Schwamm das Wasser auf und lässt es langsam in den Boden sickern, um Flüsse sanft über die Zeit hinweg zu speisen. So bewältigt die Natur normalerweise einen Sturm. Aber Städte sind anders. Wenn wir Straßen, Häuser und Parkplätze bauen, bedecken wir diese weiche, schwammartige Erde mit hartem, unnachgiebigem Beton und Asphalt. In der Hydrologie – der Wissenschaft darüber, wie Wasser sich über das Land bewegt – ist das eine große Sache. Diese harten Oberflächen werden als „undurchlässig“ bezeichnet, was bedeutet, dass Wasser nicht hindurchtreten kann. Anstatt einzusickern, hat der Regen keinen anderen Ort als direkt über die Oberfläche zu fließen, wobei er wie ein Rennwagen auf einer Rennstrecke den Hang hinunterrast.

Wissenschaftler nutzen spezielle Computerprogramme, um vorherzusagen, was passiert, wenn diese natürlichen Schwämme mit Beton bedeckt werden. Eines der beliebtesten Werkzeuge heißt HEC-HMS. Betrachten Sie es als eine digitale Zeitmaschine, die es Forschern ermöglicht, durch Jahre des Wetters zurück- und vorwärtszuspulen, indem sie die Karte einer Stadt verändern, um zu sehen, wie das Wasser reagieren würde. Sie untersuchen Dinge wie die „Curve Number“ (Kurvenzahl), was im Grunde ein Wert ist, der uns sagt, wie viel Wasser ein bestimmtes Stück Land aufnehmen lässt und wie viel davon abfließen wird. Je höher der Wert, desto mehr Wasser fließt ab. Wenn Städte wachsen, steigen diese Werte an, und die Flüsse werden schneller wütend. Das ist wichtig, denn wenn eine Stadt zu schnell wächst, ohne die Wasserplanung zu berücksichtigen, ist das Ergebnis nicht nur eine Pfütze, sondern eine Flut, die Häuser und Straßen wegspülen kann.

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Das Adigrat-Experiment: Wenn der Schwamm zu Stein wurde

Im Norden Äthiopiens liegt eine Stadt namens Adigrat. Wie viele Orte auf der Welt ist sie schnell gewachsen, wobei jedes Jahr mehr Gebäude und Straßen auftauchen. Ein Team von Forschern der Aksum-Universität wollte wissen: Um wie viel genau hat dieses Wachstum das Verhalten der Fluten im lokalen Einzugsgebiet verändert? Sie haben nicht nur geraten; sie bauten einen digitalen Zwilling des Adigrat-Einzugsgebiets unter Verwendung eines 30-Meter-Gitters der Geländestruktur und Karten, die zeigten, wie das Land in zwei sehr unterschiedlichen Jahren aussah: 2000 und 2018.

Da es direkt im Adigrat-Einzugsgebiet keine Wasserstation zur Messung des Durchflusses gab, mussten die Wissenschaftler clever sein. Sie liehen sich Daten von einer nahe gelegenen Station namens Sluh aus und nutzten einen mathematischen Trick, die „Flächenverhältnis-Methode“ (area-ratio method), um zu schätzen, wie der Wasserfluss in Adigrat aussehen würde. Sie speisten diese Daten zusammen mit Bodenkarten und Niederschlagsaufzeichnungen in ihr HEC-HMS-Computermodell ein. Sie kalibrierten das Modell (stimmten es wie ein Radio ab) mithilfe von Daten aus den Jahren 1998 bis 2012 und testeten es (validierten es) mit Daten von 2013 bis 2017, um sicherzustellen, dass es die Wahrheit sagt. Das Modell funktionierte gut und zeigte eine starke Übereinstimmung zwischen seinen Vorhersagen und den realen Daten.

Dann kam das Hauptereignis: der Vergleich. Die Forscher ließen das Modell zweimal laufen. Zuerst simulierten sie, was passieren würde, wenn das Einzugsgebiet noch so aussah wie im Jahr 2000, vor dem großen urbanen Boom. Dann ließen sie es erneut mit der Karte von 2018 laufen, in der mehr Land in Gebäude und Straßen verwandelt worden war. Die Ergebnisse waren ein klares Signal dafür, dass die Stadt das Verhalten des Wassers verändert hat.

Die Geschwindigkeit und die Welle
Die auffälligste Erkenntnis war, wie viel schneller und größer die Fluten wurden. Im Jahr 2000 betrug der Spitzenabfluss des Wassers, das das Einzugsgebiet verließ, 6,1 m³ s⁻¹. Bis 2018, nach Jahren der Urbanisierung, war dieser Spitzenwert auf 8,8 m³ s⁻¹ angestiegen. Das ist eine Steigerung der Geschwindigkeit und Kraft des Wassers am Auslass um 30,68 %. Es war nicht nur ein bisschen schneller; das Wasser stürzte mit deutlich mehr Kraft heraus.

Es war nicht nur die Geschwindigkeit; auch die Gesamtmenge des Wassers, das das Gebiet überflutet, wuchs. Das Volumen des Hochwassers stieg von 166,49 × 10⁶ m³ im Jahr 2000 auf 215,09 × 10⁶ m³ im Jahr 2018. Das ist eine Steigerung der Gesamtwassermenge um 29,19 %. Einfach ausgedrückt: Das Einzugsgebiet hielt weniger Wasser zurück und ließ statrahl mehr davon auf einmal ab.

Warum geschah dies?
Die Arbeit erklärt, dass dies geschah, weil die „Curve Number“ (der Abflusswert) gestiegen ist. Mit der Ausdehnung der Stadt nahm die Menge der „undurchlässigen Flächen“ (Beton und Gestein) zu, während die „Anfangsabstraktion“ (die Menge an Regen, die der Boden aufnehmen kann, bevor der Abfluss beginnt) abnahm. Das Wasser hatte keinen Ort, an dem es sich verstecken konnte.

Das Modell zeigte auch, dass die „Verzögerungszeit“ (lag time) und die „Konzentrationszeit“ (time of concentration) kürzer wurden. Stellen Sie sich ein Staffellauf vor, bei dem die Läufer früher bei jeder Station kurz anhielten, um ihre Schuhe zu binden; jetzt sprinten sie einfach hindurch. Das Wasser erreichte den unteren Teil des Einzugsgebiets viel schneller. Beispielsweise sank in einem Teilbecken namens W600 die Zeit, die das Wasser für den Weg benötigte, von 14,87 Minuten auf 13,48 Minuten. In einem anderen, W710, sank sie von 7,46 Minuten auf 5,53 Minuten. Das Wasser bewegte sich schneller als je zuvor.

Nicht jeder Winkel war gleich
Interessanterweise verschlechterte sich die Flut nicht überall auf die gleiche Weise. Die Forscher fanden heraus, dass die größten Sprünge bei den Abflussspitzen in der Mitte des Einzugsgebiets auftraten, wo verschiedene Bäche an Knotenpunkten wie J99 und R330 zusammenfließen. In diesen zentralen Stellen sprang der Spitzenabfluss um etwa 2,0 bis 2,6 m³ s⁻¹ nach oben. In einem winzigen Teilbecken namens W710 änderte sich der Spitzenabfluss jedoch überhaupt nicht (er blieb bei 0,2 m³ s⁻¹), wahrscheinlich weil es zu klein war, um die vollen Auswirkungen des Stadtwachstums zu spüren. Aber selbst dort kam das Wasser schneller an.

Die verborgenen Kosten: Weniger Wasser später
Es gab eine Kehrseite dieser Geschwindigkeit. Da das Wasser so schnell oberflächlich abfloss, sickerte es nicht in den Boden ein, um das Grundwasser aufzustauchen. Das Modell zeigte, dass der „Niedrigwasserabfluss“ (das Wasser, das nach dem Sturm im Fluss bleibt) dramatisch sank. Am Auslass des Einzugsgebiets fiel der Restfluss von etwa 6,0 m³ s⁻¹ auf 3,4 m³ s⁻¹, eine Reduktion um 43,3 %. Die Stadt bekam ein größeres Hochwasser, aber der Fluss trocknete danach schneller aus.

Was dies für die Zukunft bedeutet
Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass die schnelle Urbanisierung in Adigrat die Hydrologie der Region grundlegend verändert hat. Die Stadt ist weniger wie ein Schwamm und mehr wie eine Rutsche geworden. Sie legen nahe, dass die Fluten noch schlimmer werden, wenn die Stadt ohne Planung weiter wächst. Die Arbeit empfiehlt, dass die zukünftige Stadtplanung „hydrologische Erwägungen“ einbeziehen muss, wie etwa das Freihalten natürlicher Entwässerungswege, den Bau von Rückhaltebecken (wie riesige Schwämme, die das Wasser vorübergehend halten) und die Verwendung von durchlässigen Pflastersteinen.

Die Studie räumt ein, dass sie gewisse Grenzen hat. Da die Daten von einer nahe gelegenen Station geliehen werden mussten, gibt es gewisse Unsicherheiten. Zudem betrachteten sie nur zwei Jahre (2000 und 2018) und gingen davon aus, dass der Regen gleich blieb, ohne den Klimawandel zu berücksichtigen. Aber die Simulation ist eindeutig: Die Betonstadt lässt das Wasser schneller, stärker und in größeren Mengen abfließen. Die Botschaft lautet: Wenn man eine Stadt sicher halten will, muss man das Wasser planen, bevor man den Beton gießt.