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

La ville qui a appris à courir trop vite

Imaginez un bassin versant comme une éponge géante et naturelle. Lorsqu'il pleut, cette éponge absorbe l'eau, la laissant s'infiltrer lentement dans le sol, alimentant les rivières avec douceur au fil du temps. C'est ainsi que la nature gère habituellement une tempête. Mais les villes sont différentes. Lorsque nous construisons des routes, des maisons et des parkings, nous recouvrons cette terre douce et spongieuse de béton et d'asphalte durs et inflexibles. Dans le monde de l'hydrologie — la science de la manière dont l'eau se déplace sur la terre — c'est un événement majeur. Ces surfaces dures sont appelées « imperméables », ce qui signifie que l'eau ne peut pas les traverser. Au lieu de s'infiltrer, la pluie n'a d'autre choix que de dévaler la surface, dévalant les pentes comme une voiture de course sur un circuit.

Les scientifiques utilisent des programmes informatiques spéciaux pour prédire ce qui se passe lorsque ces éponges naturelles sont recouvertes de béton. L'un des outils les plus populaires s'appelle HEC-HMS. Voyez cela comme une machine à remonter le temps numérique qui permet aux chercheurs de revenir en arrière et d'avancer rapidement à travers des années de météo, en modifiant la carte d'une ville pour voir comment l'eau réagirait. Ils examinent des éléments tels que le « Curve Number » (nombre de courbe), qui est essentiellement un score indiquant quelle quantité d'eau une parcelle de terrain spécifique laissera s'infiltrer par rapport à la quantité qui s'écoulera. Plus le score est élevé, plus l'eau s'écoule. Lorsque les villes grandissent, ces scores augmentent, et les rivières s'enragent plus vite. Cela importe car lorsqu'une ville se développe trop vite sans planification pour l'eau, le résultat n'est pas seulement une flaque ; c'est une inondation capable d'emporter des maisons et des routes.

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L'expérience d'Adigrat : Quand l'éponge est devenue pierre

Dans le nord de l'Éthiopie, il y a une ville appelée Adigrat. Comme beaucoup d'endroits dans le monde, elle se développe rapidement, avec davantage de bâtiments et de routes qui apparaissent chaque année. Une équipe de chercheurs de l'Université d'Aksum voulait savoir : à quel point précisément cette croissance a-t-elle modifié le comportement des crues dans le bassin versant local ? Ils ne se sont pas contentés de deviner ; ils ont construit un jumeau numérique du bassin versant d'Adigrat en utilisant une grille de 30 mètres pour la forme du terrain et des cartes de l'aspect du sol pour deux années très différentes : 2000 et 2018.

Comme il n'y avait pas de jauge d'eau directement à l'intérieur du bassin versant d'Adigrat pour mesurer le débit, les scientifiques ont dû être ingénieux. Ils ont emprunté des données d'une station voisine appelée Sluh et ont utilisé un tour de passe-passe mathématique appelé la « méthode du rapport de surface » pour estimer à quoi ressemblerait le flux d'eau à Adigrat. Ils ont injecté ces données, ainsi que des cartes pédologiques et des relevés de précipitations, dans leur modèle informatique HEC-HMS. Ils ont calibré le modèle (réglé comme une radio) en utilisant des données de 1998 à 2012, puis l'ont testé (validé) sur des données de 2013 à 2017 pour s'assurer qu'il disait la vérité. Le modèle a bien fonctionné, montrant une forte correspondance entre ses prédictions et les données réelles.

Vint ensuite l'événement principal : la comparaison. Les chercheurs ont fait tourner le modèle deux fois. D'abord, ils ont simulé ce qui se passerait si le bassin versant ressemblait encore à ce qu'il était en 2000, avant le grand boom urbain. Ensuite, ils l'ont fait tourner à nouveau avec la carte de 2018, où davantage de terres ont été transformées en bâtiments et en routes. Les résultats ont envoyé un signal clair que la ville avait changé le comportement de l'eau.

La vitesse et la poussée
La découverte la plus frappante fut la rapidité et l'ampleur avec lesquelles les crues sont devenues importantes. En 2000, le débit de pointe de l'eau quittant le bassin versant était de 6,1 m³ s⁻¹. En 2018, après des années d'urbanisation, ce pic est passé à 8,8 m³ s⁻¹. Cela représente une augmentation de 30,68 % de la vitesse et de la force de l'eau frappant l'exutoire. L'eau n'était pas seulement un peu plus rapide ; elle déferlait avec une puissance nettement supérieure.

Il ne s'agissait pas seulement de la vitesse ; le volume total d'eau inondant la zone a également augmenté. Le volume d'eau de crue est passé de 166,49 × 10⁶ m³ en 2000 à 215,09 × 10⁶ m³ en 2018. Cela représente une augmentation de 29,19 % du volume total d'eau. Pour dire les choses simplement, le bassin versant retenait moins d'eau et en rejetait davantage, tout d'un coup.

Pourquoi cela est-il arrivé ?
L'article explique que cela s'est produit parce que le « Curve Number » (le score de ruissellement) a augmenté. À mesure que la ville s'étendait, la quantité de « surfaces imperméables » (béton et roche) a augmenté, tandis que l'« abstraction initiale » (la quantité de pluie que le sol peut absorber avant que le ruissellement ne commence) a diminué. L'eau n'avait nulle part où se cacher.

Le modèle a également montré que le « temps de latence » et le « temps de concentration » se sont raccourcis. Imaginez une course de relais où les coureurs devaient auparavant s'arrêter pour lacer leurs chaussures à chaque station ; maintenant, ils sprintent droit devant eux. L'eau a atteint le bas du bassin versant beaucoup plus rapidement. Par exemple, dans un sous-bassin appelé W600, le temps nécessaire pour que l'eau voyage est passé de 14,87 minutes à 13,48 minutes. Dans un autre, W710, il est passé de 7,46 minutes à 5,53 minutes. L'eau se déplaçait plus vite que jamais.

Chaque coin n'était pas identique
Il est intéressant de noter que l'inondation ne s'est pas aggravée partout de la même manière. Les chercheurs ont constaté que les plus grands bonds de pics de crue se sont produits au centre du bassin versant, là où différents cours d'eau se rejoignent à des jonctions comme J99 et R330. Dans ces points centraux, le débit de pointe a bondi d'environ 2,0 à 2,6 m³ s⁻¹. Cependant, dans un minuscule sous-bassin nommé W710, le débit de pointe n'a pas changé (il est resté à 0,2 m³ s⁻¹), probablement parce qu'il était trop petit pour ressentir pleinement l'effet de la croissance de la ville. Mais même là, l'eau est arrivée plus vite.

Le coût caché : Moins d'eau plus tard
Cette vitesse avait un inconvéné. Parce que l'eau s'écoulait trop rapidement à la surface, elle ne s'infiltrait pas dans le sol pour recharger les nappes phréatiques. Le modèle a montré que le « débit d'étiage » (l'eau restant dans la rivière après le passage de l'orage) a chuté de manière spectaculaire. À l'exutoire du bassin versant, le débit résiduel est passé d'environ 6,0 m³ s⁻¹ à 3,4 m³ s⁻¹, soit une réduction de 43,3 %. La ville obtenait une plus grande inondation, mais la rivière s'asséchait plus vite par la suite.

Ce que cela signifie pour l'avenir
Les auteurs concluent que l'urbanisation rapide d'Adigrat a fondamentalement changé l'hydrologie de la zone. La ville est devenue moins semblable à une éponge et plus semblable à un toboggan. Ils suggèrent que si la ville continue de croître sans planifier ces changements, les inondations s'aggraveront encore. L'article recommande que la planification urbaine future inclue des « considérations hydrologiques », telles que le maintien des voies de drainage naturelles ouvertes, la construction de bassins de rétention (comme des éponges géantes pour retenir l'eau temporairement) et l'utilisation de pavés perméables.

L'étude admet présenter certaines limites. Comme ils ont dû emprunter des données d'une station voisine, il existe une certaine incertitude. De plus, ils n'ont examiné que deux années (2000 et 2018) et ont supposé que la pluie restait la même, ne tenant pas compte du changement climatique. Mais la simulation est claire : la ville de béton fait courir l'eau plus vite, plus fort et en plus grands volumes. Le message est le suivant : si vous voulez garder une ville en sécurité, vous devez planifier pour l'eau avant de couler le béton.