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

都市が速すぎる走行を学んだとき

流域を、巨大な天然のスポンジだと想像してみてください。雨が降ると、このスポンジは水を吸い込み、地面へとゆっくり浸透させ、時間をかけて川へと穏やかに供給します。これが、自然が通常、嵐に対処する方法です。しかし、都市は異なります。道路や家、駐車場を建設すると、その柔らかくスポンジのような大地を、硬くて屈しないコンクリートやアスファルトで覆ってしまいます。水文学（水の動きに関する科学）の世界では、これは重大な問題です。これらの硬い表面は「不透水」と呼ばれ、水が通り抜けられないことを意味します。水が浸透する代わりに、雨は行くあてを失い、トラック上のレースカーのように、斜面を真っ直ぐ駆け下りていきます。

科学者たちは、天然のスポンジがコンクリートで覆われると何が起こるかを予測するために、特別なコンピュータプログラムを使用します。最も人気のあるツールの一つに「HEC-HMS」があります。これは、研究者が何年分もの天候を巻き戻したり早送りしたりして、都市の地図を書き換え、水がどのように反応するかを確認できる「デジタルのタイムマシン」だと考えてください。彼らは「曲線番号（Curve Number）」のような要素を調べます。これは、特定の土地がどれだけの水を吸収し、どれだけの水が流出するかを示すスコアのようなものです。スコアが高いほど、より多くの水が流出します。都市が成長すると、これらのスコアは上昇し、川はより早く怒り狂います。これは、都市が水への対策なしに急速に成長した場合、その結果が単なる水たまりではなく、家や道路を押し流してしまうような洪水になるため、非常に重要なのです。

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アディグラトの実験：スポンジが石に変わったとき

エチオピア北部には、アディグラトと呼ばれる町があります。世界中の多くの場所と同様に、そこでは毎年建物や道路が増え、急速な成長を遂げています。アクスム大学の研究チームは、次のような疑問を抱きました。「この成長は、地元の流域における洪水の挙動を、具体的にどの程度変化させたのだろうか？」 彼らは単に推測したわけではありません。彼らは、土地の形状を示す30メートル格子のグリッドと、2つの非常に異なる年（2000年と2018年）の土地の様子を示す地図を用いて、アディグラト流域の「デジタル・ツイン」を構築しました。

アディグラトの流域内に水量を測定するための水位計がなかったため、科学者たちは賢明な方法をとりました。彼らは近くのスル（Sluh）という観測所からデータを借り、「面積比法」という数学的なトリックを用いて、アディグラトでの水流がどのようになるかを推定しました。彼らはこのデータに、土壌マップと降水記録を加え、HEC-HMSコンピュータモデルに入力しました。彼らは1998年から2012年のデータを使用してモデルを「較正（ラジオのチューニングのように調整）」し、その後、2013年から2017年のデータを用いてモデルを「検証（真実を語っているか確認）」しました。モデルはうまく機能し、予測と現実のデータとの間に強い一致を示しました。

そして、メインイベントである比較が行われました。研究者たちはモデルを2回走らせました。まず、大規模な都市化が進む前の、2000年当時の流域の姿であればどうなるかをシミュレーションしました。次に、より多くの土地が建物や道路に変わった2018年の地図を用いて、もう一度実行しました。その結果は、都市が水の挙動を変えたという明確なシグナルとなりました。

速度と急増
最も衝撃的な発見は、洪水がいかに速く、かつ大規模になったかという点でした。2000年、流域から流出する水のピーク流量は 6.1 m³ s⁻¹ でした。しかし、長年の都市化を経て、2018年にはそのピークは 8.8 m³ s⁻¹ まで跳ね上がりました。これは、出口に到達する水の速度と力が 30.68% 増加 したことを意味します。単に少し速くなっただけではありません。水は以前よりも著しく強力なパワーを持って駆け抜けていたのです。

速度だけでなく、洪水となる水の総量も増えました。洪水水の総量は、2000年の 166.49 × 10⁶ m³ から、2018年には 215.09 × 10⁶ m³ へと増加しました。これは、総水量において 29.19% の増加 です。簡単に言えば、流域は水を保持できなくなり、より多くの水を一度に放出するようになったのです。

なぜこのようなことが起きたのか？
論文によれば、これは「曲線番号（流出スコア）」が上昇したために起こりました。町の拡大に伴い、「不透水面（コンクリートや岩）」が増加し、一方で「初期吸収量（地面が流れ出す前に吸収できる雨の量）」が減少しました。水が隠れる場所がなくなったのです。

また、モデルは「ラグタイム（遅延時間）」と「集中時間」が短縮されたことも示しました。これは、かつてのランナーが各ステーションで靴紐を結ぶために立ち止まっていたリレー競走が、今はそのまま全力疾走しているような状態です。水は以前よりもずっと早く流域の下部に到達しました。例えば、W600と呼ばれるサブ流域では、水の移動にかかる時間が 14.87分 から 13.48分 に短縮されました。別のW710では、7.46分 から 5.53分 に減少しました。水はかつてない速さで動いていたのです。

すべての場所が同じではなかった
興味深いことに、洪水はすべての場所で全く同じように悪化したわけではありません。研究者たちは、洪水のピークが最も大きく跳ね上がったのは、J99やR330といった合流点がある流域の中心部であることを発見しました。これらの中心的な地点では、ピーク流量が約 2.0 から 2.6 m³ s⁻¹ 増加しました。しかし、W710という小さなサブ流域では、ピーク流量は全く変化せず（0.2 m³ s⁻¹ のまま）、おそらく都市の成長の影響を十分に受けるには小さすぎたと考えられます。しかし、そこにおいても、水が到着する速度は速まっていました。

隠れたコスト：後からの水の減少
このスピードには副作用がありました。水が地表をあまりにも速く駆け抜けたため、地下水へと浸透することができませんでした。モデルは、「低水流量（嵐が過ぎ去った後に川に残る水）」が劇的に減少したことを示しました。流域の出口において、残留流量は、約 6.0 m³ s⁻¹ から 3.4 m³ s⁻¹ へと、43.3% も減少 しました。都市はより大きな洪力を得ましたが、その後の河川はより早く干上がってしまうのです。

将来への意味
著者らは、アディグラトにおける急速な都市化が、地域の水文学的特性を根本的に変えてしまったと結論づけています。都市は「スポンジ」ではなく、より「滑り台」に近づいています。もし町がこれらの変化に対する計画なしに成長を続ければ、洪水はさらに悪化すると彼らは示唆しています。論文は、将来の都市計画には、自然な排水路を確保すること、貯留池（水を一時的に保持するための巨大なスポンジのようなもの）を建設すること、そして透水性舗装を使用することなど、「水文学的な考慮事項」を含める必要があると推奨しています。

この研究は、いくつかの限界があることも認めています。近くの観測所からデータを借りているため、不確実性が存在します。また、彼らは2つの年（2000年と2018年）のみを見ており、気候変動を考慮せず、降水量が一定であると仮定しています。しかし、シミュレーションの結果は明白です。コンクリートの街は、水をより速く、より激しく、より大量に流しています。メッセージはこうです。もし都市の安全を守りたいのであれば、コンクリートを流し込む前に、水について計画を立てなければならないのです。