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

De Stad die Leerde te Rennen te Snel

Stel je een stroomgebied voor als een gigantische, natuurlijke spons. Wanneer het regent, zuigt deze spons het water op, waardoor het langzaam in de grond kan sijpelen en de rivieren geleidelijk gedurende een langere tijd kan voeden. Dit is hoe de natuur normaal gesproken met een storm omgaat. Maar steden zijn anders. Wanneer we wegen, huizen en parkeerplaatsen bouwen, bedekken we die zachte, sponsachtige aarde met hard, onverzettelijk beton en asfalt. In de hydrologie — de wetenschap van hoe water zich over het land beweegt — is dit een groot ding. Deze harde oppervlakken worden "impervies" genoemd, wat betekent dat water er niet doorheen kan dringen. In plaats van in te trekken, heeft de regen geen andere plek om heen dan recht naar beneden te racen, als een racewagen op een circuit.

Wetenschappers gebruiken speciale computerprogramma's om te voorspellen wat er gebeurt wanneer deze natuurlijke sponsen worden bedekt met beton. Een van de meest populaire tools is genaamd HEC-HMS. Zie het als een digitale tijdmachine waarmee onderzoekers jaren aan weer terug kunnen spoelen en vooruit kunnen spoelen, waarbij ze de kaart van een stad veranderen om te zien hoe het water zou reageren. Ze kijken naar zaken zoals het "Curve Number", wat in feite een score is die ons vertelt hoeveel water een specifد stuk land doorlaatjes absorberen versus hoeveel er afstroomt. Hoe hoger de score, hoe meer water er afstroomt. Wanneer steden groeien, gaan deze scores omhoog, en de rivieren worden sneller boos. Dit is belangrijk omdat wanneer een stad te snel groeit zonder te plannen voor het water, het resultaat niet alleen een plas is; het is een overstroming die huizen en wegen kan wegvagen.

---

Het Adigrat-experiment: Wanneer de Spons in Steen Veranderde

In het noorden van Ethiopië ligt een stad genaamd Adigrat. Net als veel andere plaatsen ter wereld, is het snel gegroeid, met elk jaar meer gebouwen en wegen die opduiken. Een team onderzoekers van de Aksum Universiteit wilde weten: exact hoeveel heeft deze groei de manier waarop overstromingen in het lokale stroomgebied zich gedragen, veranderd? Ze gokten niet alleen; ze bouwden een digitale tweeling van het Adigrat-stroomgebied met behulp van een 30-meter raster van de vorm van het land en kaarten van hoe het land eruitzag in twee zeer verschillende jaren: 2000 en 2018.

Omdat er geen watermeter direct in het Adigrat-stroomgebied aanwezig was om de stroming te meten, moesten de wetenschappers slim zijn. Ze leenden gegevens van een nabijgelegen station genaamd Sluh en gebruikten een wiskundige truc genaamd de "area-ratio method" om te schatten hoe de waterstroom in Adigrat eruit zou zien. Ze voedden deze gegevens, samen met bodemkaarten en neerslaggegevens, in hun HEC-HMS computerprogramma. Ze kalibreerden het model (stemden het af als een radio) met gegevens van 1998 tot 2012 en testten het vervolgens (valideerden het) met gegevens van 2013 tot 2017 om er zeker van te zijn dat het de waarheid sprak. Het model werkte goed en liet een sterke overeenkomst zien tussen de voorspellingen en de gegevens uit de echte wereld.

Toen kwam het hoofdevenement: de vergelijking. De onderzoekers draaiden het model twee keer. Eerst simuleerden ze wat er zou gebeuren als het stroomgebied er nog steeds zo uitzag als in 2000, vóór de grote stedelijke boom. Daarna draaiden ze het opnieuw met de kaart van 2018, waar meer land was veranderd in gebouwen en wegen. De resultaten waren een duidelijk signaal dat de stad het gedrag van het water had veranderd.

De Snelheid en de Vloedgolf
De meest opvallende bevinding was hoe veel sneller en groter de overstromingen werden. In 2000 was de piekstroom van water die het stroomgebied verliet 6,1 m³ s⁻¹. In 2018, na jaren van verstedelijking, was die piek gestegen naar 8,8 m³ s⁻¹. Dat is een toename van 30,68% in de snelheid en kracht van het water dat de uitlaat bereikt. Het was niet alleen een beetje sneller; het water raasde met aanzienlijk meer kracht naar buiten.

Het was niet alleen de snelheid; ook de totale hoeveelheid water die het gebied overstroomde, nam toe. Het volume van het overstromingswater steeg van 166,49 × 10⁶ m³ in 2000 naar 215,09 × 10⁶ m³ in 2018. Dat is een toename van 29,19% in de totale hoeveelheid water. Simpel gezegd: het stroomgebied hield minder water vast en loosde er meer allemaal tegelijk.

Waarom gebeurde dit?
Het artikel legt uit dat dit gebeurde omdat het "Curve Number" (de afstrooms score) omhoog ging. Naarmate de stad uitbreidde, nam de hoeveelheid "impervies oppervlak" (beton en rots) toe, terwijl de "initial abstraction" (de hoeveelheid regen die de grond kan absorberen voordat het begint af te stromen) afnam. Het water had nergens om zich te verschuilen.

Het model toonde ook aan dat de "lag time" en de "time of concentration" korter werden. Stel je een estafette voor waarbij de hardlopers vroeger bij elke station stopten om hun veters te strikken; nu sprinten ze er dwars doorheen. Het water bereikte de onderkant van het stroomgebied veel sneller. Bijvoorbeeld, in een sub-bekken genaamd W600, daalde de tijd die het water nodig had om te reizen van 14,87 minuten naar 13,48 minuten. In een ander, W710, daalde het van 7,46 minuten naar 5,53 minuten. Het water bewoog sneller dan ooit tevoren.

Niet elke hoek was hetzelfde
Interessant genoeg werd de overstroming niet overal op precies dezelfde manier erger. De onderzoekers ontdekten dat de grootste sprongen in piekafvoeren plaatsvonden in het centrum van het stroomgebied, waar verschillende stromen samenkomen bij knooppunten zoals J99 en R330. In deze centrale plekken sprong de piekdebiet met ongeveer 2,0 tot 2,6 m³ s⁻¹ omhoog. Echter, in een klein sub-bekken genaamd W710 veranderde de piekdebiet helemaal niet (het bleef op 0,2 m³ s⁻¹), waarschijnlijk omdat het te klein was om het volledige effect van de groei van de stad te voelen. Maar zelfs daar kwam het water sneller aan.

De verborgen kosten: Later minder water
Er was een nadeel aan deze snelheid. Omdat het water zo snel van het oppervlak afstroomde, trok het niet in de grond om het grondwater aan te vullen. Het model liet zien dat de "low flow" (het water dat in de rivier achterblijft nadat de storm is gepasseerd) drastisch daalde. Bij de uitlaat van het stroomgebied daalde de reststroom van ongeveer 6,0 m³ s⁻¹ naar 3,4 m³ s⁻¹, een reductie van 43,3%. De stad kreeg een grotere overstroming, maar de rivier droogde daarna sneller uit.

Wat dit betekent voor de toekomst
De auteurs concluderen dat de snelle verstedelijking in Adigrat de hydrologie van het gebied fundamenteel heeft veranderd. De stad is minder een spons geworden en meer een glijbaan. Ze suggeren dat als de stad blijft groeien zonder te plannen voor deze veranderingen, de overstromingen nog erger zullen worden. Het artikel adviseert dat toekomstige stedelijke planning "hydrologische overwegingen" moet bevatten, zoals het openhouden van natuurlijke afwateringspaden, het bouwen van retentiebekkens (zoals reusachtige sponsjes om water tijdelijk vast te houden) en het gebruik van doorlatende bestrating.

De studie geeft toe dat het enkele beperkingen heeft. Omdat ze gegevens moesten lenen van een nabijgelegen station, is er sprake van enige onzekerheid. Ook keken ze slechts naar twee jaren (2000 en 2018) en gingen ze ervan uit dat de regen hetzelfde bleef, zonder rekening te houden met klimaatverandering. Maar de simulatie is duidelijk: de betonnen stad zorgt ervoor dat het water sneller, harder en in grotere volumes wegstroomt. De boodschap is: als je een stad veilig wilt houden, moet je voor het water plannen voordat je het beton stort.