title: Emergency Response Resilience to Floods Operationalised with Applied Geoinformatics
Creators: name: Tzavella, Katerina
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2021
Subjects: Emergency Response
Resilience
Floods
Urban
Interdependencies
Critical Infrastructures
System of Systems
Complex Adaptive Systems
Resilience Thinking
Resilience Framework
Operationalisation
Spatial Assessments
Impact Assessments
Risk Assessments
Geographic Information Systems
GIS
Resilience Indicator
Safety
Security
Riverine Floods
Flash Floods
Critical Infrastructure Protection
Civil Protection
Emergency Rescue Services
Fire Brigades
Transport Network
Road Network
Safe Driving Behaviour
Large-Scale Assessments
Travel Time Reliability
Free Flow Speeds
Accessibility
Network Analysis
Hexagonal Matrixes
Simplification of Information
Fuzzification
Multimethodological Approach
Top-Down Approach
Upscaling Approach
Disaster Risk Management

description: In cities, timely emergency response (ER) presupposes timely citywide accessibility enabled by the road transport system’s uninterrupted functioning. However, in this era of increasing frequency and intensity of extreme weather events and hydrometeorological hazards, delays or blockages challenge timely accessibility. Therefore, the thesis aims to contribute to saving lives by reducing losses in critical infrastructure (CI) functioning for adaptive emergency response (ER) provision towards the population’s and the emergency responders’ safety. For this purpose, the urban ER system is presented as a complex adaptive system of systems (SoS) that, under the stressor of floods, can adapt and transform so to retain its critical functionality considering safety and security aspects. For a deepened understanding of flood risks, their cascading impacts and interrelation with the resilience of a complex adaptive SoS, the thesis introduces an operational resilience framework that adopts an interdependent resiliencies concept and combines a top-down and a bottom-up spatial scaling approach. The SoS resilience concept, as applied to an urban ER system, introduces an operational framework for the urban emergency response resilience (ERR) that follows the 4R model (4Resilience characteristics: robustness, resourcefulness, redundancy, rapidity of response) in an interdependent form. The usefulness and intent of adopting the urban ERR concept from European stakeholders and researchers and emergency response and civil protection officials are analysed with semi-structured interviews. The CAS theory applied to the urban ER system enables its division to the agent, system and network level and identifies the hierarchy between its constituent systems. The road transport system is higher in the hierarchy due to its pivotal role in the urban ER system’s behaviour and, therefore, is the ‘zero-point’ for further flood risk assessments. The graph theory and the complex network theory assist with graphical representations and compartmentalisation of the urban ER system to its systems, networks, and components and digitisation using geographic information systems (GIS) for ERR assessments. The ERR to regular and extreme scenarios of riverine floods and flash floods is assessed with a multi-criteria risk-based time-dependent accessibility indicator (RITAI) for Cologne’s fire brigade system in Germany. The RITAI utilises applied geoinformatics with geographic information systems (GIS) to identify first-, second and third-order flood risks in various scales and levels of this urban ER system, with a top-down and an eight-step GIS-based spatial upscaling approach. Safety and security aspects are considered with the RITAI’s benchmarking according to the fire trucks’ safe driving capacity through flooded waters, the flood depths and the road types. After defining analyses’ units on a road network level, a developed semi-automated GIS-Toolkit integrates flood depth and flood-impacted road type-dependent speeds in the road network database for each of the selected flood scenarios. The resulting flood-risk informative road networks are utilised for large-scale road network resilience capacities, assessed with changes in transport characteristics. Later and after the definition of city units, citywide connectivity and accessibility assessments are conducted with network analyses. For a pattern identification of the fire brigade system’s ERR to floods, the RITAI is assessed and visualised in each city unit, after classification according to Cologne's fire brigades' official ER time thresholds - eight minutes. Geovisualisation and fuzzification techniques are utilised for simplification and aggregation of the information. Flood-impact statistical curves are also generated for aggregation of information and preparedness of response to escalating or compound flood events. The data utilised were retrieved from open sources and fire brigade and flood management local officials in raster, vector, Excel files and official reports and were visualised in maps. The data undertook cleaning and transformation for interoperability purposes and further handling. The RITAI’s general application and handling of data can be time-consuming, with the processing costs depending highly on the selected units of analyses and the computer’s memory capacity. The results, i.e., large-scale road network exposure, redundancy and resourcefulness, citywide accessibility route plans and spatial hexagonal urban ER system connectivity and ERR matrixes, are visualised in maps. They indicate that the citywide ER efficiency in cities depends highly on large-scale geolocated flood extent and flood depth information and the road type and the rescue vehicles’ capacity for safe drivability through flooded waters. It is identified that the regular and extreme flash floods scenarios follow a similar geographical locality of occurrence. However, the extreme flash flood scenario causes a higher ERR decrease, which indicates its dependence on the road type exposed to floods and the geolocation of flood intensities. Moreover, in cities, the local enhancement of the road network’s resilience (absorption, adaptation and transformation) capacities, considering the emergency responders’ safety, enhances the fire brigade system’s ERR to floods. The local extension of CI functioning is achieved by enhancing resourcefulness (transformation capacity) with an extension of the road transport system’s endogenous redundancy (adaptation capacity). This extension further extends its exogenous redundancy of alternative accessibility route paths, enhancing the fire brigade system’s response capacity. Additionally, statistical analyses of the road transport system’s resilience capacities in case of escalating floods revealed that its resilience capacity for ER provision is highly decreased. Finally, ERR assessments indicate that the ER provision will potentially be highly incapacitated in case of an extreme riverine flood scenario and highly delayed with an extreme flash flood scenario. It is also identified that east Cologne needs further attention in the preparedness phase for timely ER under flooded conditions. Nevertheless, the results depend on the correctness of data used, their resolution and unit of analyses, which can cause biases in the calculation processes. Biases in interpreting the results are reduced by simplifying the system’s connectivity and ERR information in hexagonal spatial matrixes. With the concept of ERR and its operationalisation approach, current silo-thinking disaster risk management (DRM) approaches are enriched with CAS, resilience, security and spatial thinking, enabling holistic and collaborative risk mitigation strategies. For this purpose, an identified lacking connection between the application fields of emergency rescue systems, civil protection and critical infrastructure protection (CIP) is now established with the suggested urban ER system. Additionally, the enhancement of the ERR and the communities’ resilience through timely ER provision is achieved with enhanced geospatial preparedness for adaptive management. Applied geoinformatics and GIS provide the means for identifying, assessing, visualising and timely exchanging a range of systemic and cascading first-, second-and third-order flood impacts for adaptive management. Adaptation is attained with approaches that consider safety and security aspects and enable accurate assessments of, for example, operational costs associated with the transfer of heavy rescue equipment, emergency humanitarian logistics, community and CI resilience. The concept’s flexible and interdisciplinary character is valuable for further applications to various SoS and scenario- and place-based multi-criteria risk analyses and interdependency analyses valuable for training purposes in different countries, urban districts, and counties where floods are not typical. The thesis also discusses in detail further methodological improvements, enrichments and potential use cases.
description: In Städten setzt eine rechtzeitige Notfallreaktion eine rechtzeitige stadtweite Erreichbarkeit voraus, die durch ein ununterbrochenes Funktionieren des Straßentransportsystems ermöglicht wird. In dieser Ära, in der extreme Wetterereignisse (EWE) und hydrometeorologische Gefahren immer häufiger und intensiver auftreten, wird die rechtzeitige Zugänglichkeit jedoch durch Verzögerungen oder Blockaden in Frage gestellt. So gefährden beispielsweise Verzögerungen oder Blockaden, die beim Fahren unter suboptimalen Überschwemmungsbedingungen auftreten können, die Sicherheit der Einsatzkräfte und damit der Bevölkerung. Daher zielt die Arbeit darauf ab, einen Beitrag zu den übergeordneten Zielen der Rettung von Menschenleben zu leisten, indem Verluste in der Funktionsfähigkeit kritischer Infrastrukturen (KRITIS) reduziert werden, um eine adaptive Notfallreaktion zur Sicherheit der Bevölkerung und der Einsatzkräfte zu ermöglichen. <br> Zu diesem Zweck wird das städtische Notfallsystem als ein komplexes adaptives System von Systemen (SoS) vorgestellt, das sich unter dem Stressor von Überschwemmungen so anpassen und transformieren kann, dass seine kritische Funktionalität unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten erhalten bleibt. Für ein vertieftes Verständnis der Hochwasserrisiken, ihrer kaskadierenden Auswirkungen und der Wechselbeziehung mit der Resilienz eines komplexen adaptiven SoS wird in der Arbeit ein operationelles Resilienz-Framework vorgestellt, das ein Konzept Interdependente Resilienzen anwendet und einen Top-Down- und einen Bottom-Up-Ansatz zur räumlichen Skalierung kombiniert. Die Ansätze ermöglichen Rückkopplungsschleifen von großen zu kleinen Skalen in Bezug auf die Resilienz-Kapazitäten seiner konstituierenden Systeme, die nach einem gefährlichen Ereignis offengelegt werden und die Resilienz Kapazität des komplexen adaptiven SoS unter Berücksichtigung seiner Umgebung definieren. Das SoS-Resilienzkonzept, wie es auf das städtische Notfallsystem angewendet wird, führt die Resilienz der städtischen Notfallreaktion ein. Das Notfallreaktionsresilienz-Rahmenwerk folgt dem 4R-Modell (4Resilienz-Eigenschaften: Robustheit, Einfallsreichtum, Redundanz, Schnelligkeit der Reaktion) in einer voneinander abhängigen Form. Der Nutzen und die Absicht der Übernahme des städtischen Notfallreaktions-Resilienz Konzept von europäischen Interessenvertretern, Notfallreaktionsbeamten und Wissenschaftlern werden mit halbstrukturierten Interviews mit Experten aus den Forschungsbereichen analysiert. Die auf das städtische Notfallreaktionssysystem angewandte KAS-Theorie ermöglicht dessen Aufteilung auf die Agenten-, System- und Netzwerkebene sowie die Identifizierung der Hierarchie zwischen den einzelnen Systemen. Das Straßenverkehrssystem ist aufgrund seiner zentralen Rolle im Verhalten des städtischen Notfallreaktionssystems in der Hierarchie höher angesiedelt und stellt daher den "Nullpunkt" für weitere Hochwasserrisikobewertungen dar. Darüber hinaus helfen die Graphentheorie und die Theorie komplexer Netzwerke bei der graphischen Darstellung und der Zerlegung ihrer Systeme und Netzwerke in ihre Komponenten, was ihre Digitalisierung mit geographischen Informationssystemen (GIS) und Netzwerkanalysen für die Bewertung der Resilienz der Notfallreaktion ermöglicht wird.<br> Die Notfallreaktionsresilienz zu regulären und extremen Szenarien von Flusshochwasser und Sturzfluten wird mit einem multikriteriellen risikobasierten zeitabhängigen Erreichbarkeitsindikator (RITAI) für das Feuerwehrsystem von Köln (in) Deutschland, bewertet. Der RITAI nutzt angewandte Geoinformatik mit geografischen Informationssystemen (GIS) für die Identifizierung von Hochwasserrisiken erster, zweiter und dritter Ordnung in verschiedenen Maßstäben und Ebenen des städtischen Notfallreaktionssystems, mit einem Top-Down- und einem achtstufigen GIS-basierten räumlichen Upscaling-Ansatz. Sicherheitsaspekte werden beim Benchmarking der RITAI berücksichtigt, und zwar in Abhängigkeit von der sicheren Fahrkapazität der Löschfahrzeuge durch überschwemmte Gewässer, der Fluttiefe und dem Straßentyp. Nach der Definition der Analyseeinheit auf der Ebene des Straßennetzes integriert ein entwickeltes halbautomatisches GIS-Toolkit für jedes der ausgewählten Hochwasserszenarien die von der Überschwemmungstiefe und dem Straßentyp abhängigen Geschwindigkeiten in die Straßennetzdatenbank. Die sich daraus ergebenden informativen Straßennetze mit Hochwasserrisiko werden für großräumige Resilienzkapazitäten des Straßennetzes genutzt, die unter Berücksichtigung der Veränderungen seiner Transporteigenschaften bewertet werden. Nach der Definition von Stadteinheiten werden stadtweite Konnektivitäts- und Erreichbarkeitsbewertungen mit Netzanalysen durchgeführt. Zur Vereinfachung der Informationen werden Geovisualisierungs- und Fuzzifizierungstechniken eingesetzt. Zur Aggregierung der Informationen und zur Vorbereitung der Reaktion auf eskalierende oder zusammengesetzte Hochwasserereignisse werden auch statistische Hochwasserauswirkungskurven erstellt. Die verwendeten Daten wurden aus offenen Quellen, von Feuerwehr- und Hochwassermanagementbeamten vor Ort in Form von Raster-, Vektor- und Excel-Dateien sowie offiziellen Berichten abgerufen und in Karten visualisiert. Die Daten übernahmen die Bereinigung und Transformation für Interoperabilitätszwecke und die weitere Bearbeitung. Die allgemeine Anwendung der RITAI und die Handhabung der Daten kann zeitaufwendig sein, wobei die Verarbeitungskosten stark von den ausgewählten Analyseeinheiten und der Speicherkapazität des verwendeten Computers abhängen.<br> Die Ergebnisse, d.h. die großräumige Belastung des Straßennetzes, die Redundanz, der Einfallsreichtum und die stadtweite Erreichbarkeit von Routenplänen sowie die räumliche sechseckige Anbindung an das städtische Notfallreaktion-System und Notfallreaktionsresilienz-Matrizen werden in Karten visualisiert. Sie zeigen, dass die stadtweite Notfallreaktions-Effizienz in Städten stark von der großräumigen geolokalisierten Hochwasserausdehnung, der Information über die Hochwassertiefe, dem Straßentyp und der Kapazität der Rettungsfahrzeuge für eine sichere Befahrbarkeit durch überschwemmte Gewässer abhängt. Ferner wird festgestellt, dass die regulären und extremen Sturzfluten einem ähnlichen geografischen Ort des Auftretens folgen. Ihre Auswirkungen auf die stadtweite Notfallversorgung sind jedoch unterschiedlich, wobei das extreme Sturzflut-Szenario einen höheren Rückgang der Notfallrisikokosten verursacht, was auf die Abhängigkeit vom Straßentyp, der Überschwemmungen ausgesetzt ist, und der Geolokalisierung der Überschwemmungsintensitäten hinweist. Darüber hinaus erhöht in Städten die lokale Verbesserung der Widerstandsfähigkeit des Straßennetzes (Absorptions-, Anpassungs- und Transformationskapazitäten) unter Berücksichtigung der Sicherheit der Notfallhelfer die volkswirtschaftliche Rentabilität des Feuerwehrsystems bei Überschwemmungen. Diese lokale Ausdehnung der Funktionsfähigkeit der KRITIS wird durch die Verbesserung der Einfallsreichtum (Transformationskapazität) nach der Ausdehnung der endogenen Redundanz des Straßentransportsystems (Anpassungskapazität) erreicht, was deren nahezu analoge Beziehung offenbart. Die Erweiterung der endogenen Redundanz des Straßennetzes führt zu einer Erweiterung der exogenen Redundanz alternativer Erreichbarkeitswege, die folglich die Reaktionsfähigkeit des Feuerwehrsystems verbessern. Darüber hinaus haben statistische Analysen der Belastbarkeitskapazitäten des Straßennetzes im Falle eskalierender Überschwemmungen gezeigt, dass die Belastbarkeit des Straßentransportsystems für die Notfallversorgung stark vermindert ist. Bewertungen der Notfallreaktionsresilienz deuten darauf hin, dass die Notfallversorgung im Falle eines extremen Flusshochwasser-Szenarios stark beeinträchtigt und bei einem extremen Sturzflut-Szenario stark verzögert sein wird. Schließlich wird auch festgestellt, dass Osten Köln in der Vorbereitungsphase für die rechtzeitige Bereitstellung von Notfallprodukten unter Hochwasserbedingungen weiterer Aufmerksamkeit bedarf. Nichtsdestotrotz hängen die Ergebnisse von der Richtigkeit der verwendeten Daten, ihrer Auflösung und der Einheit der Analysen ab, was zu Verzerrungen in den Berechnungsprozessen führen kann. Verzerrungen bei der Interpretation der Ergebnisse werden durch die Vereinfachung der Konnektivität und der Informationen über die Resilienz der Notfallreaktion hexagonalen räumlichen Matrizen reduziert. <br> Mit dem Konzept von Notfallreaktionsresilienz und seinem Ansatz zur Operationalisierung werden aktuelle silodenkende Disaster Risk Management (DRM)-Ansätze mit KAS, Resilienz, Sicherheit und räumlichem Denken angereichert, was ganzheitliche und kooperative Risikominderungsstrategien ermöglicht. Zu diesem Zweck wird mit dem vorgeschlagenen städtischen Notfallreaktionssystem nun eine identifizierte fehlende Verbindung zwischen den Anwendungsbereichen der Notfallrettungssysteme, des Katastrophenschutzes und dem Schutz Kritischer Infrastrukturen (SKI) hergestellt. Die Verbesserung der Notfallreaktionsresilienz und der Widerstandsfähigkeit von Gemeinden durch rechtzeitige Bereitstellung von Notfallreaktion wird mit einer verbesserten georäumlichen Vorbereitung für ein adaptives Management erreicht. Angewandte Geoinformatik und GIS bieten die Mittel für die Identifizierung, Bewertung, Visualisierung und den zeitnahen Austausch einer Reihe von systemischen und kaskadierenden Hochwasserauswirkungen erster, zweiter und dritter Ordnung im Hinblick auf ein vertieftes Verständnis der Hochwasserrisiken und ein adaptives Management. Die Anpassung wird mit Ansätzen erreicht, die Sicherheitsaspekte berücksichtigen und die eine genaue Bewertung z.B. der mit der Verlegung von schwerem Rettungsgerät verbundenen Betriebskosten, der humanitären Nothilfelogistik, der Belastbarkeit von Gemeinden und KRITIS ermöglichen. Der flexible und interdisziplinäre Charakter der vorgeschlagenen Konzepte kann für weitere Anwendungen auf verschiedene SoS unter Verwendung unterschiedlicher Gefahrenszenarien wertvoll sein. Sie können für szenarien- und ortsbezogene multikriterielle Risikoanalysen und Interdependenzanalysen in verschiedenen Stadtbezirken, Landkreisen und Ländern, in denen Überschwemmungen ebenfalls nicht so häufig vorkommen, zu Schulungszwecken weiter genutzt werden. In der Arbeit werden auch weitere methodische Verbesserungen, Anreicherungen und mögliche Anwendungsfälle ausführlich diskutiert.