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May 19, 2023

Les impacts de la perte des terres humides et du développement côtier sur les dommages causés aux personnes et aux biens par les ondes de tempête : un cas d'ouragan Ike

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4620 (2023) Citer cet article

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Les zones humides côtières protègent les communautés pendant les ouragans en réduisant les inondations et les dommages causés par les ondes de tempête. Des études antérieures ont quantifié les avantages de la réduction des surtensions des zones humides, mais on comprend moins comment la combinaison de la perte de zones humides et du développement côtier influence la distribution spatiale de l'étendue des inondations et des dommages. Dans cette étude, nous intégrons un modèle hydrodynamique 2D à haute résolution avec des analyses de changement d'utilisation des terres/couverture des terres pour évaluer les effets de la perte totale de zones humides, de la perte décennale de zones humides et du développement côtier sur les dommages causés par les ondes de tempête dans la baie de Galveston, au Texas. Nous mesurons l'étendue des inondations causées par les ondes de tempête causées par l'ouragan Ike pour trois scénarios : (i) 2008 Baseline ; (ii) 2008 Pas de zones humides, et (iii) 2019 "H. Ike actuel". Nous constatons que lors de l'ouragan Ike en 2008, la perte totale des zones humides côtières aurait augmenté les dommages d'environ 934 millions de dollars américains ou 12,8 % des dommages de référence. Pour le scénario H. Ike actuel de 2019, nous avons constaté que très peu de zones humides avaient été perdues entre 2008 et 2019. Si l'ouragan Ike s'était produit en 2019, les dommages auraient été plus élevés d'environ 2,52 milliards de dollars ou 34,6 %, presque entièrement en raison de l'augmentation de la valeur immobilière et du nouveau développement côtier. Nos résultats suggèrent que, bien que l'augmentation de l'exposition économique soit un facteur clé des risques d'ondes de tempête dans la baie de Galveston, une conservation efficace des zones humides continue de réduire ces risques.

Les ondes de tempête générées par les ouragans ont entraîné des pertes économiques et des décès importants aux États-Unis au cours du siècle dernier. Entre 1900 et 2017, les ouragans sur le continent américain ont causé 2 000 milliards de dollars de dommages économiques ainsi que plus de 16 000 décès1,2. Le risque d'inondation par onde de tempête peut être généralement caractérisé par le cadre Aléa – Exposition – Vulnérabilité3. Ici, le danger fait référence à l'étendue des inondations causées par les ondes de tempête provoquées par les niveaux d'eau élevés sur le littoral, l'exposition fait référence au nombre d'actifs ou de personnes inondés, et la vulnérabilité est le degré auquel ces actifs et ces personnes sont affectés par les inondations causées par les ondes de tempête.

Les niveaux d'eau totaux sur le littoral qui entraînent une inondation des terres pendant une tempête sont principalement entraînés par une combinaison d'ondes de tempête et de marée, avec des contributions d'autres conditions de circulation océanique, comme, par exemple, les courants du large4. Les ondes de tempête sont souvent la principale cause de dommages lors d'un ouragan. Par exemple, les inondations à l'intérieur des terres dues aux ondes de tempête ont été la principale composante des dommages causés par les ouragans Katrina en 20145, Ike en 20086, Sandy en 20147 et, plus récemment, l'ouragan Ian en 20228. Les côtes est et du golfe des États-Unis sont des régions très exposées et vulnérables aux risques d'inondation dus aux ondes de tempête, aggravées par l'élévation du niveau de la mer. Les risques d'ondes de tempête dans ces plaines inondables généralement plates peuvent s'étendre sur plusieurs kilomètres à l'intérieur des terres à partir de la zone côtière en fonction de la topographie, de l'intensité des ouragans et des niveaux d'eau des marées pendant l'onde.

Alors que les ondes de tempête sont un facteur clé des risques d'inondation, le développement côtier influence également les risques en augmentant l'exposition à ces risques9,10. Les effets combinés du changement climatique et du développement côtier devraient augmenter considérablement les futurs dommages causés par les ouragans en proportion de la croissance économique des États-Unis11. Le développement côtier, en favorisant l'exposition, peut augmenter les risques d'inondation rapidement et sur de courtes périodes. Les évaluations basées sur le SIG de l'élévation du niveau de la mer et les projections démographiques indiquent qu'aux États-Unis, une augmentation du niveau de la mer de 0,9 m peut exposer plus de 4 millions de personnes à un risque d'inondation d'ici 210012. De nombreuses études ont étudié l'influence du développement côtier sur l'exposition à l'élévation du niveau de la mer et aux risques d'ondes de tempête et aux dommages socio-économiques associés11,13. La plupart de ces études se concentrent sur le développement côtier projeté et les augmentations associées de l'exposition aux risques dans la plaine inondable [par exemple Réf.14]. Le développement côtier, cependant, non seulement augmente l'exposition au risque d'onde de tempête, mais peut encore aggraver ce risque en supprimant les zones humides intertidales naturelles dont il a été démontré qu'elles réduisent les risques d'inondation liés aux ondes de tempête15.

Les zones humides intertidales sont une barrière naturelle importante qui peut atténuer l'exposition et la vulnérabilité aux ondes de tempête en réduisant l'étendue et la hauteur des risques d'inondation et en évitant ainsi les dommages et les décès causés par les ouragans16,17,18. Un certain nombre d'études ont évalué la physique de l'atténuation des ondes dans les zones humides et les avantages ultérieurs des zones humides pour réduire les ondes de tempête19 et les dommages matériels20,21,22,23. Sheng et al.19 ont constaté que sans couverture végétale, certaines parties de Miami auraient subi des inondations catastrophiques lors de l'ouragan Andrew de catégorie 5 en 199219. réduction des dommages causés par les inondations20. Sheng et al.23 ont constaté que ces avantages pour les zones humides variaient considérablement selon le lieu, entre 8 et 52 % des pertes liées aux ondes de tempête évitées, pendant l'ouragan Sandy et d'autres tempêtes hypothétiques23. Dans la baie de Galveston, Highfield et al.24, à l'aide de modèles statistiques, ont découvert que l'étendue des zones humides marécageuses influençait considérablement les réclamations d'assurance contre les inondations, ainsi que la distance par rapport à la côte24. Bien que cette étude n'ait pas exploré la distribution spatiale de ces effets, elle souligne l'importance de prendre en compte la présence d'éléments paysagers, y compris les îles-barrières, car ceux-ci sont intrinsèquement liés à la distribution de l'étendue des inondations causées par les ondes de tempête et aux effets des zones humides sur ces étendues d'inondation.

Dans ce manuscrit, nous proposons une première exploration de la perte de zones humides et du développement côtier en tant que deux aspects interdépendants qui influencent la distribution spatiale du risque d'inondation côtière lors des ondes de tempête. À mesure que les zones humides disparaissent à cause de l'élévation du niveau de la mer et du développement côtier, leur capacité à protéger les côtes contre les ondes de tempête diminue9. Notre manuscrit examine comment les modifications de la couverture terrestre et de l'utilisation des terres dans la plaine inondable, y compris la perte de zones humides, déterminent la répartition spatiale du risque d'inondation causée par les ondes de tempête. Nous explorons l'effet de ces changements sur le risque d'inondation à l'aide de modèles basés sur des processus avec des résolutions de grille capables de capturer l'influence des caractéristiques du paysage, y compris les îles-barrières et les principaux canaux de navigation tels que la voie navigable intra-côtière. En combinant des modèles d'ondes de tempête avec des analyses spatiales de la couverture terrestre et de l'utilisation des terres, notre manuscrit fournit une première évaluation de la façon dont la perte totale de zones humides, la perte décennale de zones humides et le développement côtier influencent ensemble les dommages causés par les inondations dans une région très peuplée et sujette aux ouragans.

La baie de Galveston est une région densément peuplée et sujette aux ouragans qui a subi d'importantes inondations et destructions de propriétés côtières lors de tempêtes passées, notamment l'ouragan Ike en 2008 et l'ouragan Harvey en 2017. La baie de Galveston abrite également de vastes zones humides, malgré le développement humain intensif sur le littoral et la présence d'un important chenal de navigation25,26,27. Quelques études antérieures ont étudié les effets individuels du développement côtier et des zones humides sur les inondations dans la baie de Galveston à l'aide de modèles empiriques et statistiques à des résolutions nettement inférieures par rapport à notre étude, et à ce jour, nous n'en connaissons aucune qui ait examiné l'effet combiné de ces facteurs sur le risque d'onde de tempête. Guannel et al.28 ont utilisé un modèle 1-D empirique et statique appliqué sur plusieurs transects perpendiculaires au rivage28 pour évaluer l'influence de l'élévation du niveau de la mer sur la valeur de protection côtière des zones humides côtières, et Brody et al.29 ont exploré l'effet de la perte de zones humides palustres sur les risques d'inondation liés aux précipitations en utilisant des méthodes statistiques spatiales29, bien qu'aucune de ces études n'ait examiné l'influence du développement sur le risque. Un projet multidisciplinaire mené par le Harte Research Institute a étudié l'impact social et économique de l'élévation du niveau de la mer sur les comtés de Harris, Brazoria, Galveston, Chambers et Liberty qui entourent la baie de Galveston30, bien que cette étude n'ait pas évalué les effets des zones humides ou du développement côtier sur les dommages causés par les ondes de tempête. En utilisant la baie de Galveston comme cas test, notre étude présente une nouvelle évaluation spatialement explicite à haute résolution des impacts combinés des zones humides à marée et du développement côtier sur les risques d'ondes de tempête pour les personnes et les biens. En 2008, l'ouragan Ike a touché terre à Galveston en tant qu'ouragan de catégorie 2 et est devenu l'une des tempêtes les plus coûteuses et les plus dévastatrices de l'histoire des États-Unis31. Bien qu'Ike n'était qu'une tempête de catégorie 2 lorsqu'il a touché terre, il avait un grand champ de vent qui a créé une grande onde de tempête qui a provoqué d'importantes inondations et une destruction majeure des propriétés côtières, en particulier du côté est de la baie de Galveston. Le total des dommages structurels et matériels causés par l'ouragan Ike dans les pays des Caraïbes et aux États-Unis est estimé à plus de 29,5 milliards de dollars32, avec une perte de vie estimée à 112 personnes directement et indirectement liée à la tempête le long des régions de la côte du golfe des États-Unis33,34. Les zones situées sur le côté droit du mur oculaire de l'ouragan Ike, qui étaient exposées à des vents d'ouragan terrestres extrêmes, ont généralement enregistré des niveaux d'onde de tempête plus élevés avec un niveau d'onde de tempête maximal de 5,3 m enregistré jusqu'à 29 km à l'intérieur des terres dans le comté de Chambers, au Texas32.

Pour évaluer les impacts de la perte de zones humides et du développement côtier sur les dommages causés par les ondes de tempête, nous intégrons Delft3D, un modèle hydrodynamique 2D d'ondes de tempête, avec des analyses spatiales de la couverture terrestre et de l'utilisation des terres à l'aide de plusieurs ensembles de données accessibles au public entre les années 2008 et 2019 et pour trois scénarios comparatifs. Tout d'abord, nous avons configuré et validé un modèle Delft3D haute résolution de -5,56 km en océan profond à 86 m dans les régions côtières et littorales pour simuler l'étendue et la hauteur des crues des ondes de tempête pendant l'ouragan Ike dans la région de la baie de Galveston. Nous évaluons ensuite l'étendue des crues causées par les ondes de tempête suite à l'ouragan Ike pour trois scénarios : (1) 2008 Baseline avec les données 2008 sur le niveau moyen de la mer, les zones humides et la couverture terrestre ; (2) 2008 Pas de zones humides avec le niveau moyen de la mer et la couverture terrestre de 2008, mais en supposant que toutes les zones humides côtières sont perdues au profit des eaux libres ; et (3) "l'ouragan Ike actuel" de 2019 avec le niveau moyen de la mer en 2019, y compris l'élévation du niveau de la mer depuis 2008, et les zones humides et la couverture terrestre en 2019. Les hauteurs d'inondation ne sont évaluées que pour les ondes de tempête et non pour les vagues. Nous intégrons les hauteurs d'inondation des ondes de tempête de ces trois scénarios avec des ensembles de données spatiales accessibles au public sur la population, la couverture terrestre, l'utilisation des terres et la valeur économique pour évaluer les dommages causés par les ondes de tempête. Nous utilisons les données sur l'utilisation des terres publiques et les impôts fonciers pour 2019 pour évaluer les valeurs économiques totales dans la zone inondée. Pour 2008, nous dérivons les valeurs économiques basées sur les ensembles de données disponibles sur la couverture et l'utilisation des terres pour 2008 et 2019. Pour évaluer les dommages économiques, nous utilisons des fonctions de profondeur des dommages pour calculer, de manière spatialement explicite, les dommages attendus à la valeur économique des types d'utilisation des terres résidentielle, commerciale et agricole en raison de l'inondation pour chaque scénario. Les valeurs de dommages de tous les scénarios sont comparées pour comprendre comment la distribution des zones humides a influencé les dommages causés par les ondes de tempête pendant H. Ike en 2008 et comment le nouveau développement côtier et la perte de zones humides au cours de la décennie suivante ont influencé ces risques. Tous les montants en dollars sont présentés en dollars de 2019.

L'onde de tempête de l'ouragan Ike a inondé 55 % de la plaine inondable (tableau 1). Nous estimons que l'onde de tempête a touché 143 598 personnes, soit environ 35 % de la population de la région et causé environ 7,27 milliards de dollars de dommages causés par les ondes de tempête. Pour les deux scénarios de dommages de 2008, des pics d'inondation plus élevés se produisent principalement dans la partie orientale de la baie de Galveston (3 à 4,8 m) (Fig. 1a, b). Cela est dû aux vents d'ouragan vers la terre qui ont poussé l'eau vers les zones côtières. Des valeurs de pointe d'inondation plus faibles sont observées dans le côté ouest de la baie (< 2 m), où le côté gauche de l'ouragan Ike était principalement situé, avec des vents soufflant vers le large. L'ouragan Ike a également inondé d'autres parties de la côte du Texas et des États voisins (Fig. S6). Le modèle d'onde de tempête fonctionne bien par rapport aux niveaux d'eau des marégraphes observés et aux lignes de hautes eaux, avec une erreur quadratique moyenne maximale de 0,14 m pour les observations de marégraphe et de 0,68 m pour les lignes de hautes eaux (tableau S1 ; Figs. S14, S15).

Hauteurs d'inondation maximales simulées (m) montrant la différence entre les élévations d'inondation et la surface topographique (c'est-à-dire au sol) de l'ouragan Ike sur les régions de la baie de Galveston pour : (a) 2008 Aucune zone humide, (b) 2008 Baseline, et (c) Différence (No Wetlands 2008 - Baseline 2008). Les élévations topographiques et d'inondation sont toutes relatives au MSL.

Les zones humides intertidales ont provoqué une réduction notable de l'élévation des crues de 0,25 à 0,9 m (Fig. 1c) dans la plupart des régions entourant la baie de Galveston pendant l'ouragan Ike. Ces zones humides ont réduit l'étendue totale des crues de pointe de 112 km2 lors de l'ouragan Ike en 2008 (Fig. 1c) et ont protégé plus de 18 000 personnes de ces inondations. Dans la zone d'étude de 3 000 km2, la superficie totale de la couverture des zones humides (zones humides herbacées émergentes) en 2008 était de 828 km2 et la population totale était de 405 730 personnes.

La réduction de l'étendue des inondations due à la présence de zones humides s'est traduite par une réduction nette des dommages économiques causés par les inondations d'environ 934 millions de dollars US, soit 12,8 % des pertes de référence. Parmi les régions inondées, les comtés de Galveston et de Harris ont le plus bénéficié de la présence de zones humides avec plus de 400 millions de dollars de dommages causés par les inondations évités dans chaque comté, les régions côtières de la région métropolitaine de Houston bénéficiant d'avantages significatifs (tableau 1 ; Fig. 2a, b).

(a) La carte montre la valeur en pourcentage des avantages de la couverture des zones humides à partir de 2008, calculée comme le rapport de la différence des dommages : (2008 Pas de zones humides - 2008 Baseline)*100/2008 Baseline. Les panneaux en médaillon (b) et (c) montrent des exemples détaillés de valeurs positives et négatives en pourcentage des avantages, respectivement, le long de la trajectoire de H. Ike pour les côtes métropolitaines de Houston et de l'île de Galveston.

Notre étude estime la valeur moyenne des zones humides dans la région de la baie de Galveston pour éviter les dommages causés par les ondes de tempête à 1,1 million de dollars par km2 pendant l'ouragan Ike, bien que les avantages unitaires des zones humides varient considérablement selon l'emplacement. Pendant l'ouragan Ike, le comté de Galveston a reçu environ 415 millions de dollars en avantages de réduction des ondes de tempête sur 198 km2 de zones humides côtières, ce qui se traduit par un avantage économique d'environ 2,1 millions de dollars par km2 de zones humides dans ce comté, tandis que dans le comté de Brazoria, où les pertes et l'étendue des zones humides étaient globalement plus faibles, les zones humides ont fourni des avantages d'environ 32 000 dollars par km2 (tableau 1).

La perte totale de milieux humides aurait entraîné l'inondation de 60 % de la plaine inondable et de 40 % de la population (162 069 personnes) en raison de l'onde de tempête, soit 18 471 personnes supplémentaires par rapport à la situation de référence. La perte totale de zones humides aurait plus que doublé, la superficie totale qui a subi une onde de tempête extrême de > 4 m, et aurait augmenté le nombre de personnes qui ont subi une onde de tempête > 4 m d'environ 25 % (tableau supplémentaire S4). Nous constatons cependant que les avantages des zones humides pour éviter les dommages causés par les ondes de tempête sont plus importants à des hauteurs de crue de pointe inférieures, avec plus de 780 millions de dollars, c'est-à-dire plus de 80% des avantages totaux des zones humides, reçus lorsque les hauteurs de crue de pointe étaient inférieures à 2,5 pieds (Fig. S13 supplémentaire).

Fait intéressant, nous constatons également que les zones humides augmentent les profondeurs d'inondation maximales et les dommages causés par les inondations à certains endroits, d'environ 20 millions de dollars, soit 0,28 % des pertes de référence totales). Cet effet négatif de la couverture des zones humides est observé principalement dans les régions côtières extérieures des îles-barrières, pour les propriétés situées au large des zones humides (Fig. 2c).

Notre étude montre que si l'ouragan Ike s'était reproduit en 2019, le total des dommages causés par les ondes de tempête aurait été d'environ 9,79 milliards. Cela représente une augmentation des dommages par rapport à 2008 d'environ 2,52 milliards ou 34,6 %. Nous constatons que les augmentations de la valeur économique, sous la forme de nouveaux aménagements côtiers et d'augmentations des valeurs immobilières, sont responsables de 99,7 % de l'augmentation totale des dommages économiques causés par les ondes de tempête au cours de la dernière décennie (Fig. 3a à c). Près de 90 % de cette augmentation du risque due à l'activité économique est due à l'augmentation de la valeur des biens immobiliers dans la plaine inondable entre 2008 et 2019.

(a) Changement de la couverture des zones humides entre 2008 et 2019 dans la baie de Galveston : les zones orange et vertes indiquent une perte et un gain de couverture des zones humides, respectivement, et les zones jaune clair indiquent les zones humides qui n'ont pas changé. (b) Variation de la valeur des propriétés entre 2008 et 2019, y compris les augmentations des prix de l'immobilier en rouge, les diminutions en bleu et aucun changement en jaune (c) Différence dans les hauteurs maximales d'inondation (c'est-à-dire la différence entre les hauteurs d'inondation et les altitudes topographiques par rapport au référentiel MSL) entre les scénarios "Ouragan actuel Ike" de 2019 et les scénarios de base de 2008, (d) Différence dans les dommages économiques causés par les ondes de tempête entre ne Ike" et les scénarios de référence de 2008.

L'augmentation des dommages due uniquement aux nouveaux développements, sans tenir compte de l'augmentation des valeurs immobilières, est de ~ 269 millions de dollars US, soit ~ 11% de l'augmentation totale des dommages. Une comparaison des données sur la couverture terrestre et l'utilisation des terres entre les scénarios de référence de 2008 et 2019 de l'ouragan Ike actuel montre qu'environ 3 % de la plaine inondable a subi un changement de couverture terrestre entre 2008 et 2019, la plupart sous forme de développement urbain (Fig. 3a, d). La superficie des terres aménagées a augmenté de 52 km2 (8 %) entre 2019 et 2008, toutes inondées. Les augmentations les plus importantes du risque pour les nouveaux développements concernaient les terrains industriels (114 millions de dollars), résidentiels (84 millions de dollars) et commerciaux (60 millions de dollars).

L'étude a révélé que les nouveaux aménagements côtiers sont également associés à une très faible perte de zones humides, ce qui aggrave encore ce risque. La perte nette de zones humides au cours de cette décennie était d'environ 31 km2 (3,7 % de l'étendue des zones humides de 2008), certaines zones connaissant une perte et d'autres zones connaissant un gain net d'étendue de zones humides (Fig. 3a), ce qui a entraîné une augmentation nette des dommages causés par les ondes de tempête d'environ 7 millions de dollars, ce qui se traduit par 0,27 % de l'augmentation totale des dommages et 2,6 % de l'augmentation des dommages dus uniquement aux nouveaux développements. La perte brute de terres humides était d'environ 15,95 km2 (1,9 % de l'étendue des terres humides en 2008), principalement en raison du remplacement des terres humides par des infrastructures (Fig. 3a,b). Certaines parties de la plaine inondable ont également gagné des zones humides au cours de cette décennie, pour un total de 6,68 km2 de zones humides (0,8 % de l'étendue des zones humides en 2008).

Cette étude présente une nouvelle évaluation de l'impact combiné du développement côtier et des facteurs de perte des zones humides sur la quantité totale et la répartition spatiale des inondations et des dommages causés par les ondes de tempête sur une échelle de temps décennale pertinente pour la gestion des risques d'inondation et la prise de décision. Bien qu'il soit largement reconnu que ces facteurs influent individuellement sur les risques en modifiant les aléas et l'exposition, notre étude présente une première exploration de l'impact combiné de la perte de zones humides et du développement côtier en termes de dommages économiques causés par les inondations causées par les ondes de tempête. L'étude met également en évidence la mesure dans laquelle les variations de la valeur de l'immobilier entraînent une augmentation du risque global.

Les inondations causées par les ondes de tempête ont été responsables d'une grande partie des dommages totaux causés par l'ouragan Ike. Bien qu'il soit difficile de valider avec précision nos estimations des dommages, notre estimation de 7,27 milliards de dollars de dommages causés par les ondes de tempête sous-estime légèrement les estimations des dommages totaux pour l'ouragan Ike32,35,36,37. Alvarez et Plocheck37 estiment que l'ouragan Ike a entraîné des dommages totaux de 15,6 milliards de dollars, dont 8,9 milliards de dollars dus aux ondes de tempête dans les comtés de Galveston, Harris et Chambers. Ces comtés constituent 98% de notre zone d'étude. Un autre rapport de l'Office of Homeland Security Division a estimé les dommages totaux à 9,3 milliards de dollars en incluant les dommages aux transports, aux structures publiques, aux logements, aux hôpitaux et aux réparations d'infrastructures35. La NOAA a publié un rapport estimant une valeur de dommages plus élevée à 29,5 milliards de dollars en incluant tous les États touchés32 et le Texas Engineering Extension Service a publié un rapport estimant une perte totale de 142 milliards de dollars, qui comprenait des dommages économiques à long terme36. Les valeurs estimées des dommages (29 à 142 milliards de dollars) dans la plupart des autres rapports dépassent celles de notre étude car elles incluent les dommages de plusieurs États (Texas, Louisiane et Arkansas), les impacts du vent, les dommages causés par les inondations et les impacts économiques à long terme. Notre étude s'écarte de ces rapports en ce que (1) nous nous sommes concentrés uniquement sur les dommages aux biens côtiers induits par les ondes de tempête ; (2) ont supposé que les dommages ne se produisaient qu'au-dessus d'un minimum (seuil) de profondeur d'inondation supérieur à 0,1 m ; (3) supposaient que les dommages économiques causés par les ondes de tempête se limitaient uniquement aux bâtiments et aux terres cultivées, et ; (4) n'inclut pas les dommages résultant d'impacts secondaires tels que l'interruption des activités. Nous évaluons également l'effet des incertitudes dans les estimations de la hauteur des crues maximales sur nos valeurs de dommages économiques. Nous constatons que les différences entre les marques des hautes eaux modélisées et observées entraînent des variations des estimations des dommages dans ces hexagones de moins de 0,01 million de dollars (Fig. S14). Nous présentons prudemment tous nos résultats cumulatifs au million de dollars près.

Les résultats de cette étude soulignent l'importance de conserver l'étendue des zones humides, afin de maintenir leurs avantages en matière de protection contre les inondations. Plusieurs réglementations sont en place dans la région de la baie de Galveston qui protègent les habitats des zones humides côtières38. En outre, la région de la baie de Galveston a une longue histoire d'efforts de conservation des zones humides par des institutions étatiques ainsi que des organisations non gouvernementales26. En 2021, la Galveston Bay Foundation a dépensé environ 11,5 millions de dollars provenant de subventions régionales et fédérales pour acquérir plus de 4 000 acres, ou 16 km2, de zones humides à des fins de conservation dans les comtés de Brazoria et de Galveston39. Sur la base d'une valeur unitaire de 1,1 million de dollars par km2, un investissement de 12 millions de dollars dans la conservation de 16 km2 de ces zones humides se traduit par un retour sur investissement de près de 150 % sur ces seuls avantages de réduction des risques, ce qui confirme des résultats similaires dans d'autres écosystèmes et régions côtiers40. Nos estimations des avantages des zones humides pour la réduction des dommages causés par les ondes de tempête correspondent bien à ce que les études précédentes ont trouvé, bien que ces résultats varient considérablement en fonction de l'emplacement et du contexte de l'ouragan. Sun et Carson41 ont estimé la valeur économique des zones humides pendant l'ouragan Irma à 860 000 $ par km241. D'autres études dans le nord-est des États-Unis ont montré que les avantages relatifs des zones humides varient entre 8 et 52 %23 du total des dommages causés par les inondations lors de tempêtes individuelles, et représentent en moyenne environ 15 % des dommages causés par les surtensions en termes d'avantages annuels de réduction des inondations20.

L'étude révèle que dans quelques cas, les zones humides intertidales augmentent également les dommages causés par les ondes de tempête, bien que cet effet soit faible (2,14 % des avantages nets totaux) par rapport à l'effet positif net de ces zones humides sur le reste de la région (Fig. 2a). Cette constatation corrobore les conclusions similaires d'évaluations précédentes des avantages de réduction des ondes de tempête des marais de marée et des zones humides de mangroves20,42. Cette étude montre que les îles-barrières situées à l'extérieur de la baie de Galveston ont connu une augmentation des hauteurs d'inondation maximales pendant H. Ike, en raison de la présence de zones humides de marais d'arrière-barrière fonctionnant comme des barrières semi-perméables qui ont ralenti ou bloqué le flux de l'onde de tempête plus à l'intérieur des terres. Alors que les zones humides sont de plus en plus considérées comme des alternatives dans les portefeuilles de défense côtière43, il devient essentiel de comprendre comment ces zones humides se comportent comme des barrières et, par conséquent, comment elles influencent les impacts des inondations sur les zones adjacentes à ces zones humides.

Les résultats de cette étude soulignent également l'importance de tenir compte des changements dans l'étendue des zones humides, la valeur foncière et le développement côtier lors de l'évaluation des risques d'inondation. Les politiques régionales de gestion de l'utilisation des terres, y compris les décisions sur la planification et la conservation de l'utilisation des terres, sont souvent mises à jour sur des échelles de temps de 10 à 30 ans44. Les décisions de gestion des risques d'inondation et les politiques de tarification des assurances sont généralement basées sur des cartes d'inondation statiques de l'Agence fédérale de gestion des urgences (FEMA) qui sont mises à jour périodiquement45. Cependant, le processus d'inclusion de ces données dans les polices d'assurance et les lois de zonage peut prendre beaucoup plus de temps, tandis que la plaine inondable continue de changer en termes de dangers et d'exposition, rendant potentiellement ces polices obsolètes à leur arrivée46. En quantifiant la variabilité spatiale et temporelle du risque de dommages causés par les ondes de tempête en raison des changements d'utilisation des terres et de l'étendue des zones humides sur une décennie, notre étude souligne l'importance d'identifier comment les changements de ces facteurs peuvent influencer le risque d'inondation actuel.

L'étude se concentre sur l'étude des inondations et de leur étendue liées aux ondes de tempête et ne tient pas compte de l'effet des vagues, ce qui rend nos estimations des dommages et des avantages des zones humides quelque peu conservatrices. Dans les régions riveraines, les vagues peuvent être un facteur important influençant l'étendue des inondations lors d'un ouragan, augmentant potentiellement les dommages aux personnes et aux biens47. Les écosystèmes côtiers, en particulier les zones humides intertidales, se sont avérés très efficaces pour réduire la hauteur des vagues lors d'événements extrêmes48. Les inondations et les dommages induits par les vagues, bien que coûteux en calcul à modéliser à haute résolution, sont une composante importante des inondations et davantage d'études sont nécessaires pour isoler leur contribution aux dommages causés par les inondations ainsi que leurs interactions avec les zones humides côtières lors d'événements extrêmes. Des recherches supplémentaires sont également nécessaires sur les avantages des zones humides lors des épisodes de hautes vagues. L'évaluation des dommages utilise des fonctions de profondeur de dommages décrites précédemment qui fournissent des informations empiriques sur l'étendue des dommages structurels à prévoir à partir de différentes profondeurs d'inondation. Ces fonctions sont largement utilisées à la place des observations sur le terrain des données de dommages structurels qui peuvent être difficiles à obtenir après un événement extrême [ex. Réf.13].

La simulation de l'inondation de l'ouragan Ike est réalisée à l'aide d'un modèle numérique d'élévation avec une résolution de 10 m dans la baie de Galveston qui capture la plupart des principaux canaux de navigation et de navigation (Fig. 4a–c). Alors que la plupart de ces canaux sont capturés dans le DEM (Fig. 4c), notre modèle a une résolution de grille de 86 m, et donc l'effet des canaux de moins de 86 m de largeur est moyenné dans le modèle. La résolution explicite des canaux plus petits est coûteuse en calcul pour les grandes régions d'étude comme celle-ci, mais est importante pour l'étude des inondations urbaines à petite échelle dans les environnements côtiers urbains fortement canalisés49.

(a) Carte montrant les détails de la bathymétrie (par rapport au niveau moyen de la mer (MSL) pour le golfe du Mexique (GoM). La ligne pointillée noire indique les limites ouvertes du Delft3D, où le forçage des marées est appliqué. (b) Carte montrant la bathymétrie de la partie nord-ouest du GoM où la validation du modèle d'inondation a été effectuée. (cercles rouges), marques des hautes eaux (triangle bleu) et bouée flottante (étoile jaune) utilisées pour la validation du modèle La ligne fléchée indique la trajectoire d'Ike dans tous les panneaux.

Notre évaluation de la perte de terres humides utilise un scénario extrême qui suppose que toutes ces terres humides sont remplacées par de l'eau libre sans changement d'altitude sous-jacente. Bien qu'extrême, ce scénario est le moyen le plus clair de quantifier explicitement les avantages de la protection contre les inondations de l'ensemble de ces zones humides pour la réduction des dommages causés par les ondes de tempête. Cependant, un tel scénario n'est pas irréaliste pour des régions plus petites, y compris dans le golfe du Mexique50,51. Nous nous attendons à ce que cette estimation soit prudente, en ce sens qu'elle sous-estime potentiellement les avantages des zones humides, car nous ne prenons pas en compte le remaniement géomorphologique de la bathymétrie, des sédiments et des courants qui pourrait accompagner une perte aussi importante de zones humides52, ce qui peut encore aggraver l'augmentation des risques d'ondes de tempête.

L'analyse de la population a utilisé des données de recensement de 2010 qui peuvent ne pas refléter la population réelle de la région pendant H. Ike en 2008. Les conséquences de l'ouragan Ike ont fait perdre de la population à certaines des régions les plus touchées, comme l'île de Galveston, en raison du départ de personnes de l'île53. Les preuves de l'île de Galveston suggèrent une réduction de la population d'environ 11 000 ou 5 % de la population totale dans la région inondée par l'onde de tempête de l'ouragan Ike54. Une telle migration de personnes hors d'une région après un événement extrême peut entraîner une sous-estimation du nombre total de personnes touchées lors des évaluations des dommages. Dans notre étude, nous avons utilisé des hypothèses basées sur les données d'occupation des sols de 2008 et 2019, et les données d'utilisation des terres de 2019 pour combler les lacunes dans les données d'utilisation des terres pour 2008 à utiliser dans les fonctions de profondeur des dommages. Ces hypothèses réduisent la précision de nos estimations des dommages et soulignent l'importance de développer, dans la mesure du possible, des données historiques sur l'utilisation des terres pour de meilleures estimations des dommages causés par les ouragans passés.

Les résultats de cette étude s'ajoutent à une littérature croissante qui met en lumière l'importance des zones humides à marée pour la réduction des risques d'ondes de tempête et l'effet simultané que le développement côtier a sur l'augmentation de l'exposition à ces risques. L'ouragan Ian en 2022 a une nouvelle fois démontré les conséquences des choix de développement sur les littoraux à risques, y compris devant et derrière les forêts de mangroves côtières et intertidales55. Les modèles à haute résolution et spatialement explicites tels que présentés dans cette étude peuvent fournir des informations essentielles aux planificateurs locaux et aux praticiens de la restauration sur les endroits où construire sur les côtes et où restaurer ou protéger les habitats naturels en tant que défenses côtières naturelles.

Galveston Bay a une longueur de 50 km et une largeur de 27 km et est le plus grand estuaire le long de la côte du golfe du Texas, couvrant une superficie de 1554 km2. La profondeur moyenne est de 3 m, sauf là où le chenal marin passe au milieu de la baie avec une profondeur supérieure à 12 m (voir Fig. 4c). Deux rivières (la San Jacinto et la Trinité) représentent les principales sources d'eau douce. Côté océan, deux entrées relient la baie au golfe du Mexique. La plupart de la population humaine de la baie est concentrée dans les zones du côté ouest de la baie. La baie a des zones humides côtières partout, bien que la plupart d'entre elles soient situées du côté sud de la baie, ainsi que certaines des côtés est et nord-est. La taille totale de la zone d'étude dans la baie de Galveston (zone terrestre autour de la baie de Galveston) est de 3000 km2.

DELFT3D-FLOW, un modèle hydrodynamique basé sur les processus, a été utilisé pour la modélisation des crues des ondes de tempête. Le modèle hydrodynamique estime uniquement les débits des ondes de tempête et les inondations associées et ne tient pas compte des vagues ou des inondations induites par les vagues qui peuvent survenir en plus des ondes de tempête. Un certain nombre d'études de modèles numériques ont utilisé différents systèmes de modélisation des ondes de tempête pour étudier le comportement des ondes de tempête et les inondations dans les zones côtières de la partie supérieure du golfe du Mexique en raison de l'ouragan Ike50,51,52. Veeramony et al.55 ont examiné les performances du modèle Delft3D-FLOW pour simuler les ondes de tempête et les inondations causées par l'ouragan Ike et ont constaté qu'il prédisait raisonnablement bien l'étendue des inondations causées par Ike. Nous n'avons modélisé que les ondes de tempête et n'avons pas pris en compte les vagues dans cette analyse.

Delft3D-FLOW est un modèle numérique bien développé couramment utilisé pour résoudre des équations tridimensionnelles ou bidimensionnelles (profondeur moyenne) instables-peu profondes (continuité [supplémentaire éq. S1] et équations de Navier-Stokes à moyenne de Reynold [supplémentaire équations. S2 et S3]) sur une grille de calcul avec une approche de volume fini implicite pour simuler les processus hydrodynamiques côtiers17,53,54. Cette étude utilise Delf3D-Flow en mode 2D.

Un domaine de grille non structuré avec une résolution spatiale de 5,5 km (0,05 degré) a été attribué à l'ensemble du golfe du Mexique et la résolution a augmenté progressivement vers une grille plus fine près de la côte du Texas et dans la baie, atteignant finalement une résolution spatiale de 86 m dans la baie de Galveston et la plaine inondable environnante. Le domaine du modèle a été construit pour s'étendre de l'extérieur du golfe du Mexique dans la plaine inondable côtière autour de la baie de Galveston jusqu'à une élévation topographique de 10 m. Le choix de la résolution du modèle de 86 m dans la baie de Galveston et la plaine inondable était basé sur une évaluation de la valeur en termes d'étendue des inondations par rapport aux coûts de calcul. Étant donné que les cellules de la grille de 86 m ont capturé avec précision les principales caractéristiques du paysage et les principaux canaux de navigation, nous avons constaté que l'augmentation de cette résolution à 30 m ne modifiait pas les résultats de l'étendue de l'inondation de manière significative, mais augmentait considérablement les coûts de calcul.

Trois ensembles de données bathymétriques ont été intégrés au modèle (voir tableau 2). Dans la baie de Galveston, l'étude a utilisé un modèle numérique d'élévation bathymétrique (DEM) à haute résolution spatiale de 10 m. Le modèle comprenait des informations sur les constituants des marées mises en œuvre en tant que composantes astronomiques en termes d'amplitude et de phase, obtenues à partir des données Global Satellite Altimeter (AVISO) avec une résolution spatiale de 6,94 km le long des deux limites ouvertes au sud et au sud-est du domaine du golfe du Mexique (lignes noires sur la Fig. 4a). Pour tenir compte des changements d'élévation de l'eau dus à l'expansion stérique saisonnière dans le golfe du Mexique, un niveau d'eau initial de 0,125 m a été ajouté sur la base des fluctuations saisonnières moyennes en 2008, sur 22 stations marémotrices du golfe du Mexique (Fig. S1). La simulation de l'onde de tempête a été principalement motivée par le forçage atmosphérique. Un ensemble de données de champs de vent variant dans l'espace et dans le temps a été utilisé comme forçage externe dans le modèle (voir le tableau 2). Pour le coefficient de traînée du vent \({C}_{d}\), les valeurs par défaut des points de rupture (\({C}_{d}\) de 0,00063 et 0,00723 pour \({U}_{10}\) de 0 m/s et 100 m/s, respectivement) sous-estimaient le niveau d'eau maximal simulé. Nous avons utilisé des points de rupture modifiés (\({C}_{d}\) de 0,0028 et 0,0035 pour \({U}_{10}\) de 0 m/s et 100 m/s, respectivement) pour améliorer les performances du modèle en termes de capture précise de l'amplitude et de la forme du pic d'onde de tempête généré par Ike. La modification des points de rupture fixés pour le coefficient de traînée a été suggérée et rapportée dans différentes études10,11,12.

Pour étudier l'impact des zones humides sur les inondations causées par les ondes de tempête dans la baie de Galveston, ces habitats ont été représentés dans le modèle numérique sous forme de coefficients de Manning pour la rugosité de surface. Les valeurs des coefficients ont été dérivées sur la base des classifications de la couverture terrestre, obtenues à partir des bases de données nationales sur la couverture terrestre de 2008 NLCD (tableau supplémentaire S3). Les classifications de couverture du sol ont été traduites en valeur n de Manning correspondante basée sur Mattocks et Forbes56. Cette étude se concentre sur les terres humides herbacées émergentes qui ont une valeur n de Manning de 0,045. Le modèle d'onde de tempête a été calibré à l'aide de la valeur n et des coefficients de traînée du vent du golfe du Mexique Manning. Étant donné que les zones autour de la côte du Texas et de la Louisiane sont principalement des fonds vaseux, une valeur de 0,012 a été utilisée pour les eaux libres au lieu de 0,02 qui est applicable aux zones sablonneuses55,57.

Pour s'assurer que le modèle de flux Delft3D capture avec précision les signaux de marée, le modèle de flux a d'abord été configuré avec uniquement des composants de marée le long des limites ouvertes en tant que forçage externe. Un total de 34 composantes de marée ont été utilisées (voir le fichier SI) dans le modèle ainsi que la prise en compte des variations saisonnières du niveau d'eau dues à la température et à la salinité. La simulation a été réalisée sur une période du 1er au 16 janvier 2008 avec un pas de temps de 10 min. Les statistiques de la comparaison montrent un bon accord entre le niveau d'eau simulé et in situ à la plupart des emplacements des marégraphes, avec une valeur R allant de 0,72 à 0,92 et des valeurs RMSE entre 0,09 m et 0,14 m, bien que les valeurs de pente de la droite de régression suggèrent une sous-estimation du niveau d'eau (pente 0,85–0,93) (Fig. S2 et Tableau S1 supplémentaires). La modélisation précise des ondes de tempête simulées dépend principalement de la précision du forçage externe, en particulier du champ de vent (vitesse et direction du vent) et de la baisse de la pression barométrique. Ainsi, la réanalyse des ensembles de données de champ de vent et de pression (à partir du modèle climatique mondial) a été comparée aux observations de plusieurs stations marémotrices de la NOAA dans la baie de Galveston et de bouées à vagues au large. Pour les vitesses du vent, les simulations se sont avérées en bon accord avec les observations, où des erreurs RMS inférieures à 2,3 m/s avec des coefficients de corrélation supérieurs à 0,84 ont été trouvées. Pour quantifier la simulation de la direction du vent, nous avons déterminé les coefficients de corrélation complexes. Ces coefficients vont de 0,53 à 0,83 avec des angles de -7,3 à 3,34 degrés. L'ensemble de données de pression de réanalyse montre une corrélation robuste avec les observations (Figs. S3-S5 supplémentaires et tableau S2).

Après s'être assuré que le modèle Delft3D capture avec précision le signal de marée et les observations météorologiques, le modèle a été configuré pour la simulation des ondes de tempête en incluant les ensembles de données de vent de tempête et de champ de pression en tant que forçage externe. Le modèle de tempête a été exécuté du 20 août au 29 septembre 2008 pour simuler le niveau d'eau total sur le rivage. La figure 5 montre des comparaisons de séries chronologiques du niveau d'eau simulé et mesuré à différents emplacements de marégraphes dans la baie de Galveston (voir panneaux de gauche sur les figures 4c, 5) ainsi que plusieurs jauges de niveau d'eau USGS (voir panneaux de droite sur les figures 4b, 5). Pour quantifier les performances du modèle d'onde de tempête, des analyses statistiques sont effectuées et résumées dans le tableau 3. Le modèle d'onde de tempête capture avec précision l'ampleur et la forme des pics d'onde de tempête à tous les emplacements. Les valeurs d'erreur RMS vont de 0,18 à 0,39 m avec des coefficients de corrélation supérieurs à 0,90 (tableau 3).

Comparaison des niveaux d'eau totaux (WL) dans le référentiel vertical du niveau moyen de la mer (MSL) entre les stations marégraphiques (en noir) et le modèle d'onde de tempête (en rouge) à différents endroits de la zone d'étude.

Une fois validé, le modèle a été utilisé pour calculer l'étendue des crues des ondes de tempête pour trois scénarios : (1) 2008 Baseline, avec le niveau moyen de la mer (MSL) 2008 et la couverture terrestre ; (2) 2008 No Wetlands 2008, avec 2008 MSL, et couverture terrestre mais pas de terres humides (ici, les terres humides sont remplacées par de l'eau libre); et (3) 2019 "Ouragan actuel Ike", avec 2019 MSL, 2019 couverture terrestre. Le scénario 3 a été réalisé pour étudier l'effet des changements de couverture terrestre/d'utilisation des terres, y compris la perte de zones humides et l'élévation du niveau de la mer, sur les dommages causés par les inondations causées par les ondes de tempête.

Dans le scénario (3), le modèle d'onde de tempête pour l'ouragan Ike a été modifié en termes de couverture des zones humides (valeur n du coefficient de frottement de Manning) à partir des données de couverture terrestre de 2019 et exécuté pour la période du 31 août 2019 au 18 septembre 2019. Ici, l'élévation du niveau de la mer a été prise en compte en ajoutant la valeur moyenne du SLR du nombre de stations marémotrices (0,0582 m sur 11 ans) au fluctuations saisonnières moyennes en septembre 2019 de 0,125 m. Ces valeurs ont été calculées sur la base de la tendance du niveau de la mer à partir des marégraphes dans le golfe du Mexique sur 11 ans (de 2008 à 2019).

Pour chaque scénario, des cartes spatialement explicites de l'étendue des crues de pointe ont été produites en considérant les niveaux d'eau totaux du modèle Delft-3D qui sont au-dessus du MSL et en soustrayant l'élévation de la topographie sous-jacente. Un seuil minimal d'inondation maximale de 0,1 m a été considéré pour la cartographie des zones inondées58.

Les résultats des modèles spatialement explicites de l'étendue et de la hauteur des inondations pour chaque scénario ont été intégrés aux données accessibles au public sur le type et la valeur des propriétés afin d'évaluer la valeur économique des dommages causés par les ondes de tempête pour chaque scénario. Nous l'avons fait en cinq étapes en utilisant les hauteurs d'inondation modélisées et les données socio-économiques accessibles au public : (1) déterminer les hauteurs maximales d'inondation ; (2) déterminer l'utilisation des terres et le type de propriété ; (3) déterminer la valeur totale de la propriété ; (4) déterminer la population; (5) cartographier la valeur de la propriété sur les fonctions de profondeur des dommages qui relient les hauteurs d'inondation à l'étendue attendue des dommages structurels59. En raison de la variation des résolutions spatiales dans les ensembles de données sur les inondations, la valeur de la propriété et le type de propriété, toutes les analyses économiques ont été effectuées sur des hexagones de taille uniforme avec un côté de 86 m et une superficie de 11 320 m2, ces dimensions étant choisies de telle sorte que chaque hexagone contienne entre deux et quatre points de données de hauteur d'inondation. Tous les montants en dollars ont été convertis en valeurs en dollars américains de 2019.

Tout d'abord, la hauteur d'inondation pour chaque hexagone a été estimée comme la moyenne des valeurs ponctuelles de la hauteur d'inondation à l'intérieur de la limite de l'hexagone. Ensuite, l'utilisation des terres et le type de propriété ont été déterminés dans les régions inondées pour les années 2019 et 2008. Les données d'utilisation des terres pour 2019 ont été obtenues à partir d'ensembles de données du conseil régional de Houston – Galveston pour toutes les zones qui se croisent avec les étendues inondées du modèle. À partir de ces ensembles de données, nous avons classé l'utilisation des terres en 2019 dans la plaine inondable en six catégories : résidentielle, commerciale, industrielle, agricole, infrastructure et non développée (voir la section SI 4, Fig. S8 supplémentaire). Ces catégories d'utilisation des terres ont été utilisées pour cartographier les profondeurs d'inondation et l'étendue des dommages dans chaque hexagone. Chaque hexagone s'est vu attribuer une couverture terrestre et une utilisation des terres en fonction de la catégorie qui a la plus grande superficie dans l'hexagone.

Puisqu'il n'y a pas d'informations publiquement disponibles sur l'utilisation des terres dans la région pour 2008, les données d'occupation des sols pour 2019 et 2008 ont été utilisées pour examiner les changements temporels de l'occupation des sols, puis pour prédire une catégorie d'utilisation des terres pour 2008 pour chaque hexagone. Premièrement, les données d'occupation du sol de l'USGS pour les deux années ont été reclassées en trois catégories : (1) Terres développées, (2) Terres agricoles, (3) Terres non développées. Si la couverture terrestre est restée la même entre 2008 et 2019, nous avons supposé que l'utilisation des terres en 2008 était la même qu'en 2019. Pour toutes les zones où la couverture terrestre avait changé entre 2008 et 2019, nous avons attribué des catégories d'utilisation des terres sur la base des données de couverture terrestre de 2008 (voir la section SI 4). Nous avons constaté que 18 615 hexagones, soit ~7%, ont connu un changement d'occupation du sol entre 2008 et 2019, sur un total de 264 995 hexagones. Tous les changements de couverture terrestre entre 2008 et 2019 ont représenté une augmentation du développement (c'est-à-dire le passage de non développé à développé, ou de terres agricoles à développées), à l'exception de 14 hexagones, que nous avons ignorés.

Une fois l'utilisation des terres et le type de propriété déterminés, l'étape suivante consistait à obtenir la valeur totale de la propriété. Des données sur les taxes d'évaluation foncière ont été recueillies dans chaque comté, qui incluent la valeur foncière et la valeur d'amélioration d'une propriété donnée. La valeur foncière se réfère ici à la valeur de la parcelle vacante. La valeur d'amélioration fait référence à la valeur du bâtiment et des autres structures supplémentaires, calculée comme la différence entre le prix total du marché immobilier et la valeur du terrain. Pour l'agrégation avec les unités d'analyse hexagonales, les valeurs des terres et des améliorations dans chaque parcelle ont d'abord été converties en valeurs par mètre carré. Ensuite, la fonction "Union" d'ArcGIS Pro a été utilisée pour obtenir la proportion (superficie) de chaque parcelle dans un hexagone donné. Sur cette base, les valeurs des terres et des améliorations pour chaque hexagone ont été estimées comme la somme linéaire pondérée par la surface de toutes les classifications d'utilisation des terres dans chaque hexagone (Fig. S7 supplémentaire). La valeur foncière finale de chaque hexagone a ensuite été déterminée en fonction de l'utilisation du sol. Pour tous les types d'utilisation des terres avec des structures, la valeur totale de la propriété a été fixée égale à la valeur d'amélioration. Les structures sur les terrains non aménagés, comme les parcs, étaient supposées être des infrastructures (c'est-à-dire les bâtiments à usage public, etc.), et les structures sur les terres agricoles étaient supposées être résidentielles (c'est-à-dire les maisons). Sur les 165 492 hexagones, 40 539 n'ont pas de valeur de propriété. La valeur foncière totale de tous les hexagones du domaine d'étude est de 28,74 milliards de dollars pour 2008 et de 40,8 milliards de dollars pour 2019 (tous deux en dollars américains de 2019). Pour les hexagones d'utilisation des terres agricoles, où les dommages causés par les inondations affectent principalement la terre elle-même, la valeur totale de la propriété a été fixée égale à la somme de la valeur de la terre et de la valeur de l'amélioration. La valeur des terres agricoles a été estimée par acre sur la base de la médiane de toutes les valeurs des terres agricoles disponibles à partir des données fiscales de 2019 dans un comté donné (voir la section SI 4), multipliée par la superficie totale des terres agricoles dans l'hexagone donné (Fig. S9 supplémentaire).

Le calcul des valeurs économiques de 2008 a également pris en compte les variations des valeurs immobilières médianes entre 2008 et 2019. En raison du manque de données publiques sur les taxes d'évaluation foncière en 2008, les changements de développement entre 2008 et 2019 ont été utilisés pour déterminer les ratios de développement pour estimer les valeurs foncières de 2008 (Section SI 4 ; Fig. S11). Les changements de développement ont été examinés pour tous les hexagones entre 2008 et 2019. Pour tous les hexagones, s'il y avait un changement de développement pour un hexagone particulier, la valeur d'amélioration de 2019 a été ajustée par le ratio de changement de développement pour obtenir la valeur d'amélioration de 2008. Pour tous les hexagones agricoles, la valeur médiane des terres agricoles par acre à partir de 2019 a été appliquée à la superficie totale des terres agricoles dans chaque hexagone. Ensuite, les ratios du prix régional des logements et des valeurs foncières rurales entre 2008 et 2019 ont été appliqués à toutes les améliorations et valeurs foncières de 2008 pour saisir les variations de la valeur immobilière entre 2008 et 2019.

La population de chaque hexagone a été déterminée à l'aide des données des ensembles de données du recensement de 2010 et du redécoupage du recensement de 2020 au niveau géographique du bloc de recensement (recensement américain). Comme les données sur la valeur des propriétés, les données sur la population ont été calculées par mètre carré puis regroupées avec chaque hexagone pour obtenir la population par hexagone. Nous avons supposé que la couverture terrestre et la population ne changeaient pas pendant les courtes périodes de temps entre 2008-2010 et 2019-2020.

Les dommages causés par les ondes de tempête aux propriétés ont ensuite été estimés en intégrant les hauteurs maximales d'inondation à la valeur totale de la propriété pour tous les hexagones. Pour chaque hexagone, nous avons appliqué des fonctions de profondeur des dommages qui estiment la proportion des dommages causés par les inondations en fonction de la hauteur moyenne des inondations, du type de propriété dominant et de la valeur totale de la propriété associée à cet hexagone. Nous avons utilisé les fonctions de dommages en profondeur décrites dans Huizinga et al.59 avec une analyse d'ajustement de régression pour convertir les données de dommages en profondeur regroupées dans Huizinga et al.59 en une fonction continue applicable à n'importe quelle profondeur d'inondation (Fig. S12 supplémentaire). De plus, nous avons compté le nombre de personnes inondées dans chaque hexagone comme la population dans les hexagones où la profondeur moyenne des inondations est supérieure à 0,1 m. Ainsi, des valeurs spatialement explicites pour les dommages économiques et les personnes inondées ont été obtenues sur la base des dommages causés par les profondeurs maximales d'inondation pour tous les scénarios d'ondes de tempête. Tous les montants en dollars ont été convertis en dollars de 2019.

Enfin, à partir des estimations des dommages, nous avons calculé les avantages des zones humides comme la différence entre les dommages de référence de 2008 et les dommages de 2008 sans zones humides. L'effet décennal combiné du développement urbain, c'est-à-dire le changement du type et de la valeur de l'utilisation des terres et le changement des zones humides, a été calculé comme la différence entre le scénario 2019 « Aujourd'hui. Ouragan Ike » et le scénario de référence 2008. Pour l'analyse décennale, nous avons estimé deux valeurs de dommages, une tenant compte de l'augmentation des valeurs immobilières médianes entre 2008 et 2019, et une sans tenir compte de cette évolution. Les valeurs immobilières médianes pour les deux années ont été obtenues à partir de données publiques sur les prix médians des maisons et des terrains ruraux60.

Les scripts MATLAB pour préparer les données d'entrée pour la simulation du modèle et analyser les résultats seront disponibles en ligne sur GitHub (https://github.com/Zaidrahman85/Storm_Surge_Analysis_Code) et Zenodo (https://zenodo.org/record/7631246#.ZBM5o3bMK3A).

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Les auteurs remercient les relecteurs anonymes et l'éditeur pour leurs commentaires approfondis et constructifs qui ont grandement contribué à renforcer ce manuscrit. Le financement de ce travail a été fourni dans le cadre du prix #NA18OAR4170088 de la National Oceanic and Atmospheric Administration, US Department of Commerce au programme Texas Sea Grant (2018SP-R-Figlus-CNH1), aux chercheurs principaux Dr Jens Figlus et Dr Siddharth Narayan. Les déclarations, constatations, conclusions et recommandations sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les points de vue du Texas Sea Grant Program, de la National Oceanic and Atmospheric Administration ou du Département du commerce et des programmes côtiers intégrés de l'ECU.

Department of Coastal Studies, Integrated Coastal Programs, East Carolina University, Greenville, Caroline du Nord, États-Unis

Zaid Al-Attabi et Siddharth Narayan

Département des sciences marines, Centre des sciences marines, Université de Bassorah, Bassorah, Irak

Zaid Al-Attabi

Programme intégré de doctorat en sciences côtières, East Carolina University, Greenville, Caroline du Nord, États-Unis

Yicheng Xu et Georgette Tso

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ZA a proposé les objectifs de l'étude, mis en place et réalisé les simulations du modèle, les fonctions de dommages aux inondations et analysé les résultats du modèle d'inondation. YX a réalisé la cartographie des inondations et les analyses spatiales de la couverture terrestre et des changements d'affectation des terres et des dommages causés par les inondations. GT a contribué à définir les objectifs de la recherche et à rédiger le manuscrit. SN a conçu l'étude, proposé les objectifs de l'étude, supervisé la mise en place et la simulation du modèle, le développement des fonctions d'endommagement des inondations et des analyses spatiales, et contribué à l'analyse des résultats. Tous les auteurs ont contribué à la rédaction du texte du manuscrit.

Correspondance à Siddharth Narayan.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Al-Attabi, Z., Xu, Y., Tso, G. et al. Les impacts de la perte des zones humides et du développement côtier sur les dommages causés par les ondes de tempête aux personnes et aux biens : une étude de cas de l'ouragan Ike. Sci Rep 13, 4620 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31409-x

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Reçu : 18 août 2022

Accepté : 11 mars 2023

Publié: 21 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-31409-x

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