Coastal Management Model Speelt in op Stijgende Zeespiegel

Kuststad in beeld. Een weergave van het South Street Seaport-gebied in Manhattan, NY, dat de inspiratie vormde voor de kuststadsetting. Dit ideaalbeeld van een kuststad, geïnspireerd door Manhattan, bevat twee overstromingsmuren (F1 en F2) als adaptieve overstromingsbescherming. Zone 1, onder de basis van de eerste overstromingsmuur, is onbeschermd. Zone 2 is beschermd door de eerste overstromingsmuur F1 en wordt alleen beschadigd wanneer F1 overstroomt. Zone 3 ligt boven de top van F1 en onder de basis van F2. Zone 4 is opnieuw beschermd door F2 totdat overstroomt. Zone 5 loopt van de top van F2 tot het hoogste punt van de stad.

Om te beschermen tegen stijgende zeespiegels in een opwarmende wereld, volgen kuststeden doorgaans een standaardaanpak met verschillende beschermende infrastructuur. Een zeewering kan bijvoorbeeld worden ontworpen op basis van de nieuwste klimaatprojecties, waarbij stadsambtenaren vervolgens de kosten-batenverhouding berekenen en vervolgens overgaan tot bouwen.

Het probleem? Toekomstige klimaatcondities kunnen aanzienlijk verschillen van de gebruikte projecties, aldus Ashmita Bhattacharya, een doctoraalstudent civiele techniek aan Penn State en eerste auteur van een studie gepubliceerd in Nature Communications door een interdisciplinair team van onderzoekers van Penn State en de Universiteit van Pittsburgh. Gemeenschappen lopen het risico ofwel te veel dure infrastructuur te bouwen, waarvan de constructie en onderhoud ook extra koolstofdioxide in de atmosfeer brengen, wat de snelheid van klimaatverandering verder verergert, of onvoldoende verdedigingen te ontwerpen. Dit kan leiden tot buitensporige schade door overstromingen en zelfs nog duurdere reparaties.

“Het probleem met de huidige staat van de praktijk in klimaatadaptatie is de grote onzekerheid die gepaard gaat met hoe de klimaatbehoeften in de toekomst zich ontwikkelen,” zei Chris Forest, professor klimaatdynamiek aan de afdeling Meteorologie en Atmosferische Wetenschappen van Penn State en co-onderzoeker van de studie. Wereldwijde temperaturen hebben in 2023 en opnieuw in 2024 sneller dan verwacht recordwaarden gebroken.

Om gemeenschappen te helpen voorkomen dat ze een verkeerd geïnformeerde, mogelijk kostbare investering doen, zonder de mogelijkheid om uitgegeven middelen opnieuw toe te wijzen als de toekomstige omstandigheden niet zijn wat werd verwacht, heeft het team een model ontwikkeld dat besluitvormingsondersteuning biedt in de loop van de tijd, terwijl de kosten zo laag mogelijk worden gehouden, aldus Gordon Warn, professor aan de afdeling Civiele en Milieu-engineering van Penn State en co-auteur.

“Onze aanpak suggereert dynamische acties in de tijd, die reageren op het daadwerkelijk evoluerende klimaat, terwijl ook mogelijke toekomstige scenario’s optimal worden overwogen,” zei Warn. Door adaptieve acties in de loop van de tijd voor te stellen in plaats van middelen upfront toe te wijzen voor een uitgebreid beschermingssysteem, kan de langetermijnstrategische aanpak van het model mogelijk leiden tot aanzienlijke besparingen voor gemeenten, aldus Bhattacharya.

De onderzoekers testten het model op scenario’s geïnspireerd door Manhattan en Staten Island in New York, en ontdekten dat het langetermijnpad van adaptatie-aanbevelingen van het model—gebaseerd op observaties van realtime omstandigheden en langetermijndoelen—leidde tot lagere totale kosten in vergelijking met een conventioneel besluitvormingskader gebaseerd op een statische kosten-batenanalyse.

Het model is gebaseerd op geavanceerde wiskundige en computationele technieken. Eén daarvan, bekend als “(Deeltijds waarneembare) Markov-besluitprocessen,” vertegenwoordigt wiskundig de onvoorspelbaarheid van de natuur door “geloven,” die de onzekerheid over mogelijke toekomstige toestanden kwantificeren en waarschijnlijkheden aan elke toestand toekennen. Het model actualiseert voortdurend zijn begrip van deze overtuigingen over toekomstige zeespiegelstijgingen naarmate er nieuwe gegevens worden verzameld, net zoals een schaker zorgvuldig het bord bestudeert na elke zet om de waarschijnlijkheid van de volgende zet van de tegenstander te begrijpen.

De schaker kan een onmiddellijke vangst van een stuk laten liggen om een andere zet voor latere tijd in zijn achterhoofd te houden. Evenzo kan het model aanvankelijk een kleinere zeewering aanbevelen of geen actie ondernemen tenzij aan bepaalde voorwaarden wordt voldaan. De reeks voorgestelde acties van het model wordt gegenereerd door een techniek genaamd “dynamisch programmeren,” die besluitvormingsstructuren optimal evalueert op basis van nieuwe gegevens en de laatste genomen beslissing.

“De sleutel hierbij zijn ofwel indirecte of directe observaties van het fysieke proces—bijvoorbeeld de zeespiegelstijging en stormvloeden, die meetbaar zijn via getijdenmeters,” zei Bhattacharya. “Deze dynamische aanpassing leidt tot lagere kosten in implementatie, onderhoud, schade en milieueffecten in vergelijking met de statische kosten-batenacties.”

Het model houdt ook rekening met de milieueffecten van een eventuele bouw- of onderhoudsactie, voegde Bhattacharya toe. Ze legde uit dat de onderzoekers dergelijke acties, zoals de bouw van een betonnen zeewering—die een ecologische voetafdruk genereert door cementproductie, mijnbouw, transport, gebruik van apparatuur en toekomstige reparaties—koppelden aan de schattingen van de sociale kosten van koolstof van de Amerikaanse Environmental Protection Agency, de schade veroorzaakt door elke ton koolstofdioxide die in de atmosfeer wordt uitgestoten.

Naast traditionele op beton gebaseerde infrastructuuropties, evalueerde het onderzoeksteam ook natuurgebaseerde oplossingen die zelfstandig of in combinatie met traditionele “grijze” infrastructuur, zoals een betonnen muur, kunnen worden gebruikt. Een aanbevolen actie zou bijvoorbeeld een kleinere muur en de toevoeging van een oesterrif kunnen omvatten, wat zou helpen de impact van binnenkomende golven te verminderen met een veel lagere ecologische voetafdruk, of een zoutmoeras, wiens koolstofopname-eigenschappen ook helpen om de koolstofdioxide die vrijkomt bij de bouw van de muur te compenseren.

In hun simulatie van de kusten van New York City vonden de onderzoekers dat het opnemen van de sociale kosten van koolstof eerder leidde tot adaptieve acties, en dat adaptieve acties vaker werden genomen in vergelijking met gevallen die dit niet deden.

“Dit komt omdat het doel van het aanpassingsprobleem is om de totale kosten van aanpassing, inclusief schade en de bijbehorende koolstofuitstoot, te minimaliseren,” zei Warn. “Wat dit resultaat betekent, is dat we door koolstofuitstoot te negeren de totale kosten van schade door overstromingen onderschatten.”

De komende inspanningen van het team zijn gericht op het opschalen van het model en het testen tegen steeds gedetailleerdere scenario’s en verschillende kustcontexten. Acht van de tien grootste steden ter wereld liggen volgens de VN Atlas van de Oceanen langs kusten.

“Het kader blijft hetzelfde, maar de te gebruiken gegevens—geografie van de regio, vastgoedwaarden, enzovoort—moeten de lokale regio’s weerspiegelen,” zei Kostas Papakonstantinou, universitair hoofddocent civiele en milieu-engineering aan Penn State en co-auteur. Hij merkte op dat het model uiteindelijk door de overheid of verzekeringsmaatschappijen zou kunnen worden gebruikt om adaptieve acties te stimuleren, en vergeleek het met wanneer verzekeringspremies voor auto’s werden verlaagd met de komst van antiblokkeersystemen.

“Evenzo zouden de kosten van het Nationale Overstromingsverzekeringsprogramma kunnen dalen wanneer beschermende maatregelen tijdig rechtvaardig worden genomen,” zei Papakonstantinou. “Verzekeringsdekking na overstromingsgebeurtenissen kan ook rechtstreeks in ons kader worden overwogen, vooral wanneer deze wordt betaald door de entiteit die ook de besluitvormer is, zoals de federale overheid.”

Co-onderzoekers van Penn State waren ook Lauren McPhillips, universitair docent civiele en milieu-engineering, en Digant Chavda, doctoraalstudent civiele techniek. Van de Universiteit van Pittsburgh omvatten co-onderzoekers Melissa Bilec, de George M. en Eva M. Bevier Professor in Civiele en Milieu-engineering en Co-directeur van het Mascaro Center for Sustainable Innovation; en Rahaf Hasan, doctoraalstudent civiele techniek.