Mapping Social-Ecological Vulnerability to Flooding - a Sub-National Approach for Germany
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Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Institut für Geodäsie und Geoinformatik Abteilung für Städtebau und Bodenordnung Mapping Social-Ecological Vulnerability to Flooding - A sub-national approach for Germany I n a u g u r a l - D i s s e r t a t i o n zur Erlangung des Grades Doktor Ingenieur (Dr.Ing.) der Hohen Landwirtschaftlichen Fakultät der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität zu Bonn vorgelegt am 14.09.2009 von Marion Damm aus München Referent: Prof. Dr. Dr. h.c. Janos J. Bogardi Koreferent: Prof. Dr. Theo Kötter Tag der mündlichen Prüfung: 11.12.2009 Erscheinungsjahr: 2010 Diese Dissertation ist auf dem Hochschulschriftenserver der ULB Bonn unter http://hss.ulb.unibonn.de/diss_online elektronisch publiziert. ACKNOWLEDGEMENT The writing of this dissertation has been one of the most significant academic challenges I have ever faced. Without the support, patience and guidance of the following people, this study would not have been completed. It is to them I owe my deepest gratitude: Prof. Janos Bogardi who undertook to act as my first supervisor despite his many other academic and professional commitments. His wisdom, knowledge and commitment to the highest standards strongly motivated me. Prof. Theo Kötter who was willing to take over the co-reference of this dissertation. My sincerest thanks go to Dr. Fabrice Renaud who acted as academic supervisor during the various stages of my study. His invaluable guidance, advice and support strongly contributed to the success of this study. Dr. Jörn Birkmann for his important recommendations and suggestions. The supervisors of the DISFLOOD project, the NaDiNe team, and in particular Hendrik Zwenzner, Steffi Uhlemann and Alexander Fekete for their support, critics and the stimulating working atmosphere. All data providers and interview partners who were willing to share their data, documents and invaluable expert knowledge with me. My friends and colleagues at UNU-EHS who motivated me with their scientific enthusiasm and provided me with mental support. Special thanks to my dear colleagues in the Ph.D. lab. I will always remember the time we spent discussing, arguing and laughing. My family and friends in Munich and Augsburg who have always supported, encouraged and believed in me and in all my endeavours. This study was financed by the Helmholtz-EOS PhD programme. I would like to thank the EOS administration for their financial support during the years of 2005 and 2009. ABSTRACT In the last decades river flooding has produced immense economical and ecological damages in Germany. Therefore, disaster management aims at detecting vulnerabilities and capacities in order to reduce flood disaster risk. This study contributes to the mapping of social-ecological vulnerability at sub-national scale through the development of appropriate tools and methods. Vulnerability is assessed for the two sectors forest and agriculture in this research. A modified version of the Turner vulnerability model was selected as conceptual framework for the vulnerability assessment. The model depicts processes and characteristics of social-ecological systems and defines vulnerability as composed of exposure, susceptibility and capacities. Although some analytical limitations could be detected in the framework, such as the missing definition of risk or the strong interrelations between the components susceptibility and capacities, the model acted as valuable framework and was also successfully operationalized. Indicators were used as tools for assessing vulnerability at regional level. Indicators simplify complex issues and thus make the notion and concept of vulnerability understandable and accessible also for practitioners. The development of indicators was effected through a number of consecutive work steps including impact analysis, the building of vulnerability categories, the identification of indicators, and the collection of data for mapping vulnerability. Expert interviews and literature review were carried out to gather all necessary information. 15 indicators were finally selected to assess vulnerability of the agricultural sector, and 14 to represent forest sector vulnerability. Mapping vulnerability of the two sectors agriculture and forest across districts required the development of a composite indicator for each sector. Therefore, single indicators were normalized, weighted and aggregated. After a careful evaluation of distinct methods the ‘weighted sums’ technique was applied to build the composite indicators. A Geographical Information System (GIS) facilitated the calculation and mapping of the components exposure, susceptibility and capacities as well as the vulnerability composite indicator. Thus, vulnerable hot-spots can be easily detected and visualized. The produced maps reveal that most hot-spots are located in the ‘new federal states’. This is not completely unexpected since East Germany has not yet fully recovered in terms of socio-economic standards since the reunification in 1990. By combining the hazard characteristic ‘inundation extent’ with vulnerability in districts along the rivers Elbe and Rhine it could be shown that in the case of data availability risk maps can easily be produced in a GIS. Some analytical shortcomings and technical inaccuracies could not be avoided during the vulnerability assessment. For that reason the approach was thoroughly evaluated to verify the assessment and quantify uncertainties. The approach was tested for its feasibility, conceptual underpinning, data basis and its methodological robustness. Furthermore, sensitivity and uncertainty analyses were conducted. Methods and techniques turned out to be sufficiently robust. In future, however, a clear analytical distinction should be made between the two components susceptibility and capacities to avoid coupling effects. ZUSAMMENFASSUNG In den letzten Jahrzehnten haben Hochwasserereignisse in Deutschland zu großen ökonomischen und ökologischen Schäden geführt. Deswegen hat sich das Katastrophenmanagement zum Ziel gesetzt, durch das frühzeitige Erkennen von Verwundbarkeiten und Bewältigungskapazitäten, das Hochwasserrisiko zu reduzieren. Diese Studie trägt dazu durch die Entwicklung von Werkzeugen und Methoden zur Abschätzung und Kartierung sozial-ökologischer Verwundbarkeit auf regionaler Ebene bei. Die beiden Sektoren Wald und Landwirtschaft sind Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Eine modifizierte Version des Turner Modells dient als konzeptioneller Rahmen für die Verwundbarkeitsabschätzung. Das Modell spiegelt Prozesse und Eigenschaften zur Bestimmung von Verwundbarkeit sozial-ökologischer Systeme wieder. Obwohl das Modell ein paar Schwächen aufweist, wie z.B. der fehlende Risikobezug oder die enge Verzahnung der Komponenten ‚Anfälligkeit’ und ‚Kapazitäten’, erwies sich das Konzept als wertvoller Leitfaden und konnte erfolgreich operationalisiert werden. Als Werkzeuge zur Bestimmung der Verwundbarkeit auf regionaler Ebene wurden Indikatoren verwendet. Mit Indikatoren kann man komplexe Sachverhalte vereinfacht darstellen, und so den Begriff bzw. das Konzept auch für Anwender verständlich und zugänglich machen. Die Entwicklung der Indikatoren erfolgte durch eine Reihe von Arbeitsschritten bestehend aus einer Wirkungsanalyse, dem Erstellen von Verwundbarkeitskategorien, der Identifikation von Indikatoren und schließlich der Datensammlung zur Berechnung und Darstellung. Experten Interviews und Literaturrecherche waren die Stützpfeiler der Indikatorenentwicklung. Es wurden schließlich 15 Indikatoren für den landwirtschaftlichen Sektor und 14 für den Sektor Wald ausgewählt und visualisiert. Anschließend wurde aus den einzelnen Indikatoren ein „Gesamtindikator“ zur Abschätzung von Vulnerabilität für die Sektoren Wald und Landwirtschaft gebildet. Dafür wurden die einzelnen Indikatoren normalisiert, gewichtet und aggregiert. Nach sorgfältiger Evaluierung von verschiedenen Methoden wurde die Technik „gewichtete Summen“ zur Bildung eines Gesamtindikators verwendet. Ein Geographisches Informationssystem (GIS) erleichterte die Berechnung und graphische Darstellung der Komponenten Exposition, Anfälligkeit und Kapazitäten sowie des Gesamtindikators. Die erzeugten Karten zeigen, dass die meisten „Hot-spots“ in den neuen Bundesländern zu finden sind. Dies kann zum Teil noch auf die soziale und wirtschaftliche Situation vor der Wiedervereinigung zurückgeführt werden. Durch die Kombination der Hazard Komponente‚ Größe der Überschwemmungs- gebiete’‚ mit dem Verwundbarkeitsindikator für die Landkreise entlang der Flüsse Elbe und Rhein wurde gezeigt, dass im Falle von Datenverfügbarkeit Risikokarten schnell erstellt werden können. Einige analytische Fehler und technische Ungenauigkeiten konnten bei der Verwundbarkeitsabschätzung nicht vermieden werden. Aus diesem Grund musste der Ansatz gründlich evaluiert werden, um die Ergebnisse zu verifizieren und Unsicherheiten zu bestimmen. Der Ansatz wurde auf seine Durchführbarkeit, konzeptionelle Grundlage, Datengrundlage und methodische Robustheit hin getestet. Außerdem wurden Sensitivitäts- uns Unsicherheitsanalysen durchgeführt. Methoden und Techniken erwiesen sich als ausreichend robust. Es wird allerdings empfohlen, in Zukunft auf eine klare Trennung zwischen den Komponenten Anfälligkeit und Kapazitäten zu achten, um Redundanzen im Endergebnis zu vermeiden. iii 1. Table of Content List of Figures .............................................................................................................. v List of Tables .............................................................................................................