An Integrated Socio-Eco-Hydrological Framework to Assess and Evaluate Urban Water Security

Abstract

Urban Water Security (UWS) will remain a hugely important issue over the next decades and is a matter that will be exacerbated by climate change and related hazards, food insecurity and social instability. Despite attempts made by many researchers and water professionals to study different dimensions of water security and urban dynamics, there is still an absence of comprehensive water security measurement index for an urban landscape. Existing urban water evaluation approaches are not holistic; often focusing more on bio-physical and technical factors (such as water supply and drainage systems within urban areas) rather than evaluating the entire socio-eco-hydrological performance of the urban area. Whilst these approaches can show how components of urban areas’ water systems are performing along the dimensions of water supply and drainage systems, a comprehensive framework is needed to frame the problems, monitor, or inform progress that accounts for the wide range of factors and associated issues that impact overall water security. This will in term impact the chances of successfully and sustainably addressing issues of urban water insecurity. This study examines a novel integrated socio-ecohydrological assessment framework which seeks to incorporate both the bio-physical and social factors of the UWS. Kolkata is a growing megacity in a developing country, which is facing rising pressures on water-environmental provision due to the rapid population growth and urbanization and resultant governance and infrastructural issues. Kolkata, an Asian deltaic megacity, which is facing critical water issues in water management, has been used as a case study. The research examined whether the proposed comprehensive framework for measuring and evaluating water security for the cities, particularly for emerging countries, may be effectively applied to environments where urban growth and resultant shrinking resources have created complicated and fragile systems. Based on the results obtained from the datasets from the census, and a household survey, we identified a lack of supplies associated with water, sanitation, and hygiene (WaSH) provisions in these areas of Kolkata. The WaSH provisions in the slum areas of Kolkata city are facing various issues related to regularity, quality, and quantity of supplied water. Additionally, there is poor maintenance of existing WaSH services including latrine facilities and per capita allocation of a sustainable water security among the slum dwellers. By adding to our understanding of the importance of factors such as gender, religions, and knowledge of drinking water in deprived areas, the study analyses and establishes the links between both physical and social issues determining vulnerability and presence of deprivation associated with basic WaSH provisions as human rights of slum communities. Based on land use and land cover (LULC) data retrieved from remote sensing interpretation, this study computed the changes of the ecosystem service values (ESV) associated with the LULC dynamics, water quality and, finally, UWS during the pre- and post-monsoon periods of 2009, 2014 and 2019 in Kolkata and its peri-urban wetlands named East Kolkata Wetlands (EKW). The area under wetlands reduced comprehensively in 2009–2019 due to the conversion of wetlands into various other classes such as urban settlement, etc. The quality of surface water bodies (such as rivers, lakes, canals, and inland wetlands) deteriorated. The groundwater quality is still under control, but the presence of arsenic, manganese and other metal(oid)s are a clear indication of urban expansion and related activities in the area. As a result, there were changes in the ESV during this timeframe. These changes can be attributed to the peri-urban wetlands and the benefits or services arising out of them that contribute more than 50% of the total ESV. Thus, despite the continuous reduction in areas under wetlands, EKW supports the UWS by providing sufficient ecosystem services for Kolkata city. This assessment framework provides an interdisciplinary understanding of UWS by extracting and integrating relevant empirical knowledge on urban intersection and water issues in the city from physical, environmental, and social sciences approach. This study further recommends future research guidelines that include the need to comprehend the possible alternatives to the existing water policies towards a sustainable water secure future ‘leaving no one behind’. However, the findings of the thesis are not limited to cities in developing countries (although the examination of bio-physical, institutional, and cultural barriers for developing and implementing new water management practices may be particularly relevant to these States) but may be related and applied towards other regions addressing water security and governance related challenges.

Wasserversorgungssicherheit im urbanen Raum ist als eine der großen Herausforderungen anzusehen, die in den kommenden Jahrzehnten nicht nur eine wichtige Rolle spielen sondern sich vermutlich zunehmend verschärfen wird – insbesondere im Hinblick auf den Klimawandel und damit einhergehende Risiken, ebenso wie Ernährungsunsicherheit und soziale Instabilität. Auch wenn in den letzten Jahren von Wissenschaftler:innen und Wasserwirtschaftler:innen verschiedene Aspekte von Wassersicherheit und urbaner Dynamik untersucht wurden, wurde bisher kein detaillierter Index erstellt, um Maßnahmen für eine sichere Wasserversorgung im städtischen Raum umfassend zu evaluieren. Bisher vorliegende Bewertungsstrategien verfolgen keinen holistischen Ansatz, sondern richten meist den Fokus auf bio-physikalische und technische Faktoren (wie etwa die Wasserversorgungs- und -entsorgungssysteme in urbanen Räumen), ohne dabei die Gesamtheit der sozial-ökologisch-hydrologischen Zusammenhänge im städtischen Raum in den Blick zu nehmen. Allerdings bedarf es eines umfassenderen Ansatzes, der es ermöglicht sämtliche Faktoren einzubeziehen, die Einfluss auf die städtische Wassersicherheit haben. Ein solcher Ansatz erhöht langfristig die Erfolgsaussichten, Probleme der städtischen Wasserverknappung nachhaltig zu bewältigen. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wird ein integratives sozio-öko-hydrologisches Bewertungssystem entwickelt, das sowohl bio-physikalische als auch soziale Faktoren der urbanen Wassersicherheit integriert. Die in einem Deltagebiet gelegene Megacity Kalkutta/Indien ist aufgrund eines raschen Bevölkerungswachstums und einer Verstädterung sowie der daraus resultierenden Governance- und Infrastrukturprobleme mit einem steigenden Druck auf die Wasserversorgung konfrontiert und dient im Rahmen dieser Arbeit als Fallstudie. Es wird analysiert, inwieweit das vorgeschlagene Bewertungssystem zur Erfassung und Evaluation von urbaner Wassersicherheit (insbesondere in Schwellenländern), in Räumen genutzt werden kann, in denen Verstädterung und der damit einhergehende Rückgang von Ressourcen ein fragiles System geschaffen haben. Auf Grundlage einer Auswertung von Zensusdaten sowie einer Haushaltsumfrage konnte im Rahmen der Dissertation ein Defizit in der Wasser-, Sanitär- und Hygieneversorgung (WaSH) in Kalkutta festgestellt werden. Insbesondere für die Slumgebiete der Stadt sind die Regulierung und Menge als auch die Qualität des Wassers als problematisch einzustufen. Darüber hinaus weist die Versorgungs- und Entsorgungsinfrastruktur, einschließlich der Latrineneinrichtungen, einen schlechten Wartungszustand auf und die Pro-Kopf-Zuweisung einer nachhaltigen Wassersicherheit ist unter den Slum-Bewohner:innen ungleich verteilt. Im Rahmen dieser Studie wurde das Zusammenspiel von physischen und sozialen Aspekten analysiert und die Vulnerabilität sowie die Mängel innerhalb der WaSH-Grundversorgung als Menschenrecht der Slumgemeinschaften bestimmt. Es wird gezeigt, dass insbesondere die Faktoren Gender, Religion und das Wissen über Wasser eine überaus wichtige Rolle für Analysen zu Wassersicherheit spielen. Mittels Fernerkundung gewonnene Landnutzungs- und Landbedeckungsdaten (LULC), die die Vor- und Nachmonsunperioden in den Jahren 2009, 2014 und 2019 in Kalkutta und den umliegenden peri-urbanen Feuchtgebiete namens East Kolkata Wetlands (EKW) repräsentieren, wurden ausgewertet. Ziel der Studie war es, Veränderungen der Ökosystemdienstleistungswerte (ESV), die mit der LULC-Dynamik, der Wasserqualität und schließlich den UWS zusammenhängen, zu analysieren. Es wurde festgestellt, dass die Fläche der Feuchtgebiete in den Jahren 2009-2019 aufgrund einer Verstädterung und damit einhergehender Landnutzungsveränderungen deutlich abgenommen hat. Die Qualität der Oberflächengewässer (wie Flüsse, Seen, Kanäle und Binnenfeuchtgebiete) verschlechterte sich, während die Grundwasserqualität relativ stabil blieb. Im Grundwasser nachgewiesenes Arsen, Mangan und anderen Metall(oid)e sind jedoch bereits als deutliche Anzeiger einer zunehmenden Verstädterung anzusehen. Infolge der städtischen Expansion haben sich darüber hinaus die Ökosystemdienstleistungen im genannten Zeitfenster verändert. Die peri-urbanen Feuchtgebiete tragen 50% zu den gesamten Ökosystemdienstleistungen in Kalkutta bei und sind daher trotz ihrer kontinuierlichen flächenmäßigen Abnahme ein zentraler Baustein der Wassersicherheit der Stadt. Durch die Intergration von empirischem Wissen über urbane Intersektion und Probleme der Wasserver- und -entsorgung aus den Natur-, Umwelt- und Sozialwissenschaften trägt der vorliegende Ansatz zu einem interdisziplinären Verständnis von Wassersicherheit im städtischen Raum bei. Aufbauend auf den Ergebnissen wurde in der vorliegenden Dissertation eine Forschungsrichtlinie entwickelt, die auf die Notwendigkeit hinweist, Alternativen zu der bestehenden Wasserpolitik aufzuzeigen und eine Politik im Sinne einer nachhaltigen Wassersicherung für die Zukunft zu betreiben, die integrativ vorgeht. Auch wenn sich die Analysen primär auf die Megacity Kalkutta beziehen, sind die Ergebnisse nicht auf Entwicklungsländer beschränkt (auch wenn die Untersuchung von bio-physikalischen, institutionellen, und kulturellen Barrieren sowie die Implementierung von neuen Wassermanagementpraktiken in diesen Staaten besonders relevant erscheinen), sondern können auch auf andere Regionen angewandt werden, um dort die Herausforderungen der Sicherung und Governance von Wasserver- und- entsorgung zu meistern.