Geo-resources and geo-hazards in the context of a sustainable development in the periphery of urban areas, exemplary of a part of the Ebro Basin in the surroundings of Zaragoza (Spain) Dissertation at the Department 11 Material- and Geosciences of the Darmstadt University of Technology for the acquisition of the Doctor degree in Natural Sciences Produced by Lcda. Geogra. María Teresa Lamelas Gracia born 29 March 1977 in Zaragoza (Spain) Referents: Prof. Dr. Andreas Hoppe Prof. Dr. Juan de la Riva Fernández Prof. Dr. Matthias Hinderer Date of submission: 09.11.2006 Date of Dissertation: 26.01.2007 Darmstadt 2007 D 17 Geo-Ressourcen und Geo-Risiken in der Peripherie urbaner Gebiete im Kontext nachhaltiger Entwicklung am Beispiel des Ebro-Beckens in der Umgebung von Zaragoza (Spanien) _______________________________________________________________________________________________ KURZFASSUNG Obwohl Nachhaltigkeit ein häufiges Schlagwort in Debatten um die Zukunft der Gesellschaft und ihrer Bedürfnisse ist (z.B. Agenda 21), sind viele Fragen zu einer nachhaltigen Entwicklung des Ebro-Beckens in der Umgebung von Zaragoza offen. Zaragoza liegt im zentralen Teil des Ebro-Beckens, und gehört mit seinen knapp 700.000 Einwohnern zu den wirtschaftlich wichtigen und dynamisch wachsenden Gebieten der Iberischen Halbinsel. Der Untergrund dieser Region wird von gipsreichen Playa-Sedimenten des Oligozän und Miozän gebildet, die nur in einigen Teilgebieten von Pedimenten und Terrassen des Ebro und seiner Nebenflüsse bedeckt sind. Während der schnellen Wirtschafts- und Stadtentwicklung wurde der Einfluss der Geosphäre im Umfeld von Zaragoza wenig beachtet. Die Folgen waren unter anderem die Zerstörung der Infrastruktur durch Hangrutschungen, Verluste an wertvollen landwirtschaftlichen Nutzflächen und Naturräumen sowie wachsende Beeinträchtigungen der Grundwasserqualität. Um sicherzustellen, dass Landnutzungsentscheidungen in hohem Maße nachhaltig sind, müssen andererseits gerade standortgebundene Geo-Ressourcen und Geo-Risiken berücksichtigt werden. Sie wurden daher mit Hilfe eines Geographischen Informationssystems (GIS) regionalisiert. In einem ersten Schritt wurden alle verfügbaren geowissenschaftlichen Daten gesammelt, analysiert und für die Einbindung in ein Geographisches Informationssystem aufbereitet, um sie in Karten darzustellen (Geologie, Geomorphologie, Böden, Klima, Vegetation, Landnutzung, Naturschutzgebiete). Anschließend wurden Geo-Risiken (Erosion, Gefährdung durch Erdfälle und Grundwasserverschmutzungsempfindlichkeit) und Geo-Ressourcen (Sand- und Kies- Lagerstätten, Eignung der Böden für die Landwirtschaft) mit Hilfe eines Geographischen Informationssystems und 3D-Verfahren ermittelt, beschrieben und modelliert. Die Wahl der Landbewertungsmethodiken für die Modellierung von Geo-Risiken und Geo-Ressourcen erfolgte unter Berücksichtigung der Verfügbarkeit und Qualität der Information für ihre Entwicklung, ihrer Eignung für das Arbeitsgebiet und des Zwecks der Modelle. Der dritte Schritt hatte das Ziel der Entwicklung einer GIS-gestützten Gefährdungsabschätzungs- und Entscheidungsmethodik für nachhaltige Land- und Ressourcennutzungsentscheidungen (so der Titel des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekts). Hier wurden die im GIS gespeicherten Karten mit multikriteriellen Bewertungsmethoden verknüpft, um Eignungskarten für verschiedene Landnutzungsformen zu entwickeln (Flächen für Sand- und Kiesabbau, Bewässerungsland, industrielle und städtische Nutzung). Bei konkurrierenden Nutzungsinteressen lassen sich damit nach einer Priorisierung der verschiedenen Nutzungen für eine bestimmte Nutzungsform geeignete bzw. weniger oder nicht geeignete Gebiete diskretisieren. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf den Schutz des Grundwassers vor Verschmutzung und die Gefährdung durch Erdfälle gelegt. Außerdem wurde die weitere Verfügbarkeit der Massenrohstoffe Sand- und Kies untersucht, wobei sich die Entwicklung eines dreidimensionalen geologischen Modells als besonders hilfreich erwies. Die Regionalisierung der beschriebenen Geo-Potenziale, ihre Übersetzung in Thematische Karten und die Priorisierung mit den Werkzeugen multikriterieller Bewertungsmethoden sind damit ein wichtiger Schritt zu einer nachhaltigen Entwicklung, auch im Sinne der Agenda 21. Geo-Ressourcen und Geo-Risiken in der Peripherie urbaner Gebiete im Kontext nachhaltiger Entwicklung am Beispiel des Ebro-Beckens in der Umgebung von Zaragoza (Spanien) _______________________________________________________________________________________________ Geo-resources and geo-hazards mapping for a sustainable development in the surrounding of Zaragoza (Spain) _______________________________________________________________________________________________ ABSTRACT Although sustainability is a term frequently used in debates on the future of society and its needs (e.g. Agenda 21), many questions seemed to be open with respect to a sustainable management of the Ebro Basin in the surrounding of Zaragoza. This city of about 700.000 inhabitants is located in the central part of the Ebro Basin. This is a highly dynamic economic axis and densely populated area within the Iberian Peninsula. In this sector, the Tertiary playa-lake deposits of Oligocene to Miocene age are only covered, in some areas, by pediments and terraces of the Ebro River and its tributaries. In the periphery of Zaragoza, the interactions with the geosphere have been largely ignored due to the fast economic and urban development of this city. This resulted among others in the destruction of many infrastructures caused by land subsidence, a loss of valuable agricultural land and valuable natural areas and an increasing aquifer contamination. At present, to ensure that land-use decisions imply a high degree of sustainability, it must be taken care of geo-resources and geo-hazards. Therefore, they were regionalised using Geographical Information Systems. In a first step, all available geoscientific data was collected, analysed and prepared for its introduction into a Geographical Information System in order to be mapped (geology, geomorphology, soils, climate, vegetation, land-use, natural protected areas). Afterwards, geo-hazards (erosion, dolines susceptibility and groundwater vulnerability) and geo-resources (sand and gravel deposits, agricultural capability of soils) were detected, described and modelled with the help of Geographical Information System and 3D techniques. The selection of the land evaluation methodologies for geo-hazards and geo-resources modelling was made considering the availability and quality of information for their development, their suitability to the study area and the final objective of the models. The third step aims to develop a GIS-based risk-assessment and decision methodology for sustainable land and resource use decisions (as the title of the project promoted by the German Research Foundation). Here the maps stored in the GIS were combined with multi-criteria evaluation methodologies in order to develop different land-use suitability maps (sand and gravel extraction sites, irrigated land, industrial and urban use). After assigning priorities to individual land uses in case of competing land use interests, areas that are suitable, minor suitable or unsuitable for a special type of land use can be identified. Special attention within this process was put on the groundwater protection and the dolines susceptibility. Moreover the availability of raw materials as sand and gravel was examined. Here the development of a three-dimensional geological model proved to be especially helpful. The regionalisation of the described geo-potentials, their translation into thematic maps and their prioritising using multi-criteria evaluation methods are thereby an important step to a sustainable development, also in the sense of the Agenda 21. Geo-resources and geo-hazards mapping for a sustainable development in the surrounding of Zaragoza (Spain) _______________________________________________________________________________________________ Geo-resources and geo-hazards mapping for a sustainable development in the surrounding of Zaragoza (Spain) _______________________________________________________________________________________________ ACKNOWLEDGEMENTS Firstly, I believe it is appropriate to acknowledge the Deutsche Forschungsgemeinschaft who funded this research (DFG, Ho 804/7-1+2). There is a special acknowledge due the supervisors of the PhD; Prof. Dr. Andreas Hoppe from the Institute of Applied Geosciences (Darmstadt University of Technology) and Dr. Juan de la Riva Fernández from the Department of Geography (University of Zaragoza). Thank you by your valuable scientific and personal advise, in particular, in the most difficult moments of the work. It is also necessary to specially acknowledge Dr. Oswald Marinoni from the Institute of Applied Gesciences, whose aid and contribution in many steps of the project was crucial for the development of this PhD. I wish to acknowledge also Maite Echeverría from the Department of Geography and Asunción Soriano from the Geosciences Department (University of Zaragoza) who collaborated with us in this research from the very beginning making possible this work. I also want to thank the members of the working group of Prof. Dr. Andreas Hoppe, Geo- resources and Geo-hazards group from the Institute of Applied Geosciences. Thank you Ulrike Simons, Christian Lerch and Monika Hofmann by making my stay in Darmstadt even more pleasant. A special thank