Verbesserung der Hochwasserresistenz von Küstenstädten durch Smart-City-Technologien

Im weiteren Verlauf dieses Jahrhunderts wird die Küstenbevölkerung aufgrund der globalen Erwärmung wahrscheinlich einem erhöhten Risiko von Überschwemmungen ausgesetzt sein. Ein Forscherteam hat vorgeschlagen, wie die Integration von Internet der Dinge, 5G-Mobiltelefonie, Big Data und maschinellem Lernen in „intelligente Städte“ genutzt werden kann, um die Widerstandsfähigkeit gegen Überschwemmungen in Städten zu verbessern.

In ihrem Artikel untersuchten sie den Stand der städtischen Hochwasserresilienzstudien und die Aussichten für Smart-City-Technologien und -Plattformen veröffentlicht am 13. November in Ozean-Land-Atmosphärenforschung.

Während sich das globale Klima erwärmt, besteht eine der unmittelbarsten Risiken für die Menschheit in der wachsenden Gefahr von Küstenüberschwemmungen, zu einer Zeit, in der die menschliche Zivilisation zunehmend städtisch ist und in Küstengebieten lebt. Bis 2030 wird etwa die Hälfte der Weltbevölkerung an der Küste leben. Gleichzeitig hält das Tempo des Infrastrukturbaus nicht mit der stetig wachsenden Bevölkerung an Küsten- und Stadtgebieten Schritt, was zu unzureichenden Hochwasserschutzsystemen führt und dicht besiedelte Gebiete einem hohen Risiko aussetzt.

Der Klimawandel erhöht die Überschwemmungsgefahr auf drei wesentliche Arten: steigender Meeresspiegel, stärkere Regenfälle und Sturmfluten. Auch das gleichzeitige Zusammentreffen dieser Phänomene, was Forscher als „Compound Flooding“ bezeichnen, nimmt zu.

Angesichts der wachsenden Gefahr durch Überschwemmungen wurde in den letzten Jahren das Paradigma der Anpassung an die Bedrohung durch ein Paradigma der Resilienz ersetzt. Anpassung beschreibt die Maßnahmen, die ergriffen werden, um sich an neue Bedingungen anzupassen, während Resilienz versteht, dass es möglicherweise keine dauerhaften neuen Bedingungen gibt und die Gesellschaft stattdessen die Fähigkeit entwickeln muss, neuartige externe Schocks zu antizipieren, mit ihnen umzugehen, wenn sie eintreten, und dann springen sie von ihnen zurück, nachdem der Schock vorüber ist.

Im Fall der Widerstandsfähigkeit gegen Überschwemmungen in Städten hat sich der gesellschaftliche Ansatz daher von dem bloßen Versuch, Überschwemmungen zu verhindern, zu der Fähigkeit entwickelt, diese auch dann zu bewältigen, wenn sie unweigerlich eintreten, und sich rechtzeitig und wirksam von den Auswirkungen von Überschwemmungsschäden zu erholen.

Doch obwohl sich der Diskurs von einem rein präventiven Paradigma entfernt hat und sowohl Forscher als auch politische Entscheidungsträger Konzepte und Rahmenbedingungen für Resilienz entwickelt haben, bestehen nach wie vor große Lücken in einem konsistenten Ansatz zur rigorosen Quantifizierung des Resilienzkonzepts.

„Wir haben sehr viele Rahmenwerke für die Widerstandsfähigkeit gegen Überschwemmungen in Städten gesehen, die vorgeschlagen wurden und deren Umsetzung sogar begonnen hat“, sagte Dr. Ping Shen, Mitautor der Studie und Technologe am State Key Laboratory of Internet of „Things for Smart Cities“ an der Universität Macau, „aber es gibt immer noch keinen Konsens in der Forschungsgemeinschaft oder auf der Ebene der politischen Führung darüber, wie Resilienz gemessen werden kann.“

Die Forscher argumentieren, dass eine Reihe neuer Technologien, die im Konzept der „Smart City“ zusammengefasst werden, die Hochwasserresistenz deutlich verbessern und gleichzeitig die Entwicklung einer Quantifizierung ermöglichen können, die selbst ein Schlüsselmechanismus der Resilienz ist.

Eine Smart City ist jeder städtische Ort, der Innovationen wie das Internet der Dinge (IoT), 5G-Konnektivität, Big Data und künstliche Intelligenz sowie eine vernetzte Infrastruktur nutzt, um das Stadtleben zu verbessern. Diese jüngsten Innovationen können in die Stadtplanung integriert werden, um die Erfassung, Analyse und Entscheidungsfindung von Daten in Echtzeit zu ermöglichen und so zu reaktionsfähigeren und widerstandsfähigeren städtischen Umgebungen zu führen.

Bisher wurde jedoch die Rolle von Smart-City-Rahmenwerken bei der Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Überschwemmungen in Städten noch nicht vollständig erforscht. Smart-City-Technologien und -Plattformen werden zunehmend in Forschungsstudien eingesetzt, im Küstenkatastrophenmanagement wurden sie jedoch kaum auf städtischer Ebene umgesetzt.

Deshalb führten die Forscher eine systematische Überprüfung der Literatur zur Bewertung des Hochwasserrisikos an Küsten und zur Bewertung der Widerstandsfähigkeit durch, insbesondere im Hinblick auf Smart-City-Plattformen. Basierend auf dieser Überprüfung entwickelte das Team dann einen Vorschlag für ein Smart-City-basiertes Küstenhochwasserresilienzmanagementsystem, das die drei Zeiträume des Küstenüberschwemmungsrisikos abdeckt: vor der Katastrophe, während der Katastrophe und Wiederherstellung nach der Katastrophe.

Im Vorfeld einer Überschwemmung sind mehrskalige Modelle erforderlich, um das Überschwemmungsrisiko einzuschätzen und den Entscheidungsträgern eine wissenschaftliche Grundlage zu bieten. Viele Studien haben die Wahrscheinlichkeit, das Ausmaß und die Tiefe von Überschwemmungen durch Simulationen ermittelt. Allerdings haben sich nur wenige Studien mit der Dynamik menschlichen Verhaltens befasst, da es herkömmlicherweise eine Herausforderung darstellt, zuverlässige und empirische Daten über menschliches Verhalten zu erhalten. Smart-City-Technologien sollten in der Lage sein, das vorhandene Verständnis der Hochwasserdynamik mit der menschlichen Dynamik zu kombinieren, die über IoT und Big Data gewonnen wird, sodass das Ausmaß des erhöhten Hochwasserrisikos in Küstengebieten besser abgeschätzt werden kann.

Darüber hinaus müssen die Echtzeitüberwachungssysteme der Küstenstädte, die Katastrophenvorhersage, die Hochwasserschutz- und -reduzierungssysteme sowie die Notfallwarn- und -reaktionssysteme gestärkt werden. Die enorme Menge an Informationen, die beim Bau intelligenter Städte gesammelt werden, kann als Datenquelle für Analysen und zur Unterstützung von Frühwarnentscheidungen genutzt werden.

Dann kann bei einem Hochwasserereignis die Notfallrettung durch Big Data unterstützt werden. Die Integration von Daten von intelligenten Geräten in der gesamten Stadt kann dazu beitragen, eine panoptische Echtzeitüberwachung städtischer Überschwemmungsprozesse zu erreichen und so Notfallrettungskapazitäten effizienter zuzuweisen.

Nach einer Überschwemmung ist die Durchführung zeitnaher und genauer Schadensbewertungen von entscheidender Bedeutung für die effiziente Zuweisung von Ressourcen und schnelle Wiederherstellungsbemühungen. Technologien wie Fernerkundung (RS), geografische Informationssysteme (GIS) und künstliche neuronale Netze (ANNs) verbessern nicht nur die Geschwindigkeit und Genauigkeit von Schadensbewertungen, sondern ermöglichen auch einen stärker datengesteuerten und reaktionsfähigeren Ansatz für das Management nach einer Katastrophe.

Die Studie stellt jedoch fest, dass die erfolgreiche Integration von Smart-City-Technologien in Rahmenwerke zur Widerstandsfähigkeit gegen Überschwemmungen an Küsten von einer verbesserten Datenzugänglichkeit, einer verbesserten Interoperabilität und einer stärkeren interdisziplinären Zusammenarbeit abhängt. Auch Fragen der Datenqualität, des Datenschutzes und der Sicherheit müssen berücksichtigt werden. In Zukunft möchte sich das Forschungsteam auf die Analyse dieser eher sozialen Elemente der Hochwasserresistenz intelligenter Städte konzentrieren.