Efficient management of complex coastal, estuarine and freshwater socioecological systems exposed to high-risk water pollution

Abstract

The good environmental status of fragile natural areas and the preservation of ecosystem functions are critical to the quality of life. However, anthropogenic pressures put at jeopardy ecosystem services (ES) provided by natural habitats. Fragile marine, coastal, estuarine and freshwater socio-ecological systems (MCEF-SES), specifically, are put under stress by heavy industrialization, rapid urbanization and growing tourism demand. High-risk water pollution (HRWP) is one of the most harmful events threatening natural ecosystems and HRWP abatement measures are needed to address the problem. While diffuse-source water pollution abatement strategies and measures – from mitigation to adaptation – have been extensively identified and assessed, environmentaleconomic (EE) studies on HRWP abatement strategies and measures are still lacking. Hence, the overall objective of this thesis is to address this gap and develop an environmental-economic deterministic optimal control approach (EEDOA) to explore rates of HRWP abatement that maximize net societal welfare (NSW). Aiming at offering insights into the optimal approach to balance socioeconomic growth and environmental protection on the pathway towards sustainable development of MCEF-SES, an application is provided for the case of the Ria de Aveiro (RdA) Natura 2000 coastal lagoon in Portugal. To this end, the spatially explicit InVEST-HRA model is combined with meta-analytic value function transfer (MA-VFT) to assess HRWP abatement benefits. After identifying, assessing and mapping HRWP risk-sources and the risks they pose to MCEF-SES, the impact of HRWP on ES values is estimated, several HRWP abatement measures (scenarios) are identified and the impact of these measures on ES risk and values is assessed. Subsequently, following estimation of the costs of HRWP abatement measures, an EE-DOA is applied to identify the optimal rates of HRWP abatement and the portfolios of HRWP abatement measures that maximize NSW. Results show that the negative environmental impacts and ES value losses from HRWP can be large and vary with the type of pollutant, the geographic location of pollution leakage, the geological features and biological characteristics of impacted area, climatological circumstances and the way contaminants spread through the water system. Albeit large parts of ES values remain “outside the market”, for the RdA Natura 2000 area it is shown that HRWP is responsible for a total ES value loss of around 8 million €*yearˉ¹. Results also show that the implementation of single HRWP abatement measures can decrease habitat risks by up to -4.6% and lead to an increase in corresponding ES values of ~0.8% (+436.9 k€*yearˉ¹). Combined HRWP abatement measures can decrease habitat risks by up to -8.4% and lead to an increase in ES values of up to 1.7% (+986.0 k€*yearˉ¹). Considering benefits as well as costs of HRWP abatement, results show that HRWP abatement benefits exceed costs for ranges of HRWP abatement between 0% to ~8%, and that NSW is maximized at ~4.0% HRWP abatement, amounting to 229,626€*yearˉ¹. Hence, it is shown that the EE-DAO decision support tool can support ecosystem-based management, enhance the good environmental status of MCEF-SES, and support the balancing between development and environmental protection – thus minimizing ESV losses and maximizing regional welfare. Hence, mainstreaming investments in HRWP abatement in MCEF-SES can be a beneficial and efficient (societal welfare increasing) strategy. However, the whole potential of HRWP abatement measures will be fully assessed only if also HRWP abatement co-benefits are quantified and counted in. Hence this study contributes to the discussion on production-protection dynamics, uncovering possibilities on how to halt ongoing environmental degradation and biodiversity loss while increasing societal welfare.

A boa qualidade ambiental das áreas naturais mais frágeis e a preservação das funções dos ecossistemas naturais são aspetos críticos para a qualidade da vida. Contudo, pressões antropogénicas várias continuam a pôr em risco os serviços do ecossistema (SE) proporcionados pelos habitats naturais. Os sistemas sócio-ecológicos marinhos, costeiros, estuarinos e de água doce (SSE-MCEAD) estão particularmente expostos às pressões da industrialização, da urbanização acelerada e da crescente procura turística. A poluição aquática de risco elevado (PARE) é um dos problemas que mais ameaçam os ecossistemas naturais, cuja solução requer medidas específicas. A poluição aquática de origem difusa e as respetivas estratégias e medidas de redução – da mitigação à adaptação – têm sido largamente investigadas; contudo, continuam a faltar estudos económico-ambientais aplicados à PARE e às suas estratégias e medidas de redução. Neste sentido, esta tese de doutoramento tem como objetivo global colmatar esta lacuna de conhecimento e desenvolver uma abordagem económico-ambiental determinística de controlo otimizado (AEAD-CO), para investigar quais as taxas de redução de poluição que maximizam o bem-estar societal líquido (BESL). Visando oferecer novas perspetivas sobre como otimizar o equilíbrio entre o crescimento socioeconómico e a proteção ambiental, numa via para o desenvolvimento sustentável de SSE-MCEAD, é apresentada uma aplicação do modelo proposto a uma das áreas lagunares costeiras da rede Natura 2000 em Portugal, a Ria de Aveiro (RdA). Com este objetivo, os benefícios das medidas de redução da poluição aquática de risco elevado (MR-PARE) são estimados recorrendo à aplicação combinada do modelo especialmente explícito do InVEST-HRA com a metodologia de valoração dos SE por “transferência da função-valor metanalítica” (TFV-MA). Após identificação, avaliação e mapeamento das fontes de PARE e dos respetivos níveis de risco para os SSE-MCEAD, é estimado o impacto que a PARE tem no valor dos serviços do ecossistema (VSE), são definidos vários cenários (medidas) para a redução da PARE e é avaliado o impacto destas MR-PARE quer no nível de risco para os SE quer no VSE. De seguida, após estimação dos custos das MR-PARE selecionadas, é aplicada a AEAD-CO para determinar os portfólios de MR-PARE e respetivas taxas de redução da PARE que maximizam o BESL. Os resultados obtidos demonstram que os impactos negativos nos VSE podem ser significativos, mas variam em função do tipo de agente poluidor, da localização geográfica do derrame de poluição, das características geológicas e/ou biológicas da área impactada, das circunstâncias climatéricas, e da forma como os contaminantes se espalham nos sistemas aquáticos. Embora uma grande parte do VSE permaneça “fora dos mercados”, é demonstrado que para o caso da RdA a PARE é responsável por uma perda total de cerca de 8 milhões € / ano. Os resultados mostram ainda que a implementação de MR-PARE individuais podem reduzir o risco dos habitats até -4.6% e levar a um aumento no VSE de cerca de 0.8% (+436.9 mil € / ano), enquanto as medidas MR-PARE combinadas (várias tecnologias) podem reduzir o risco dos habitats até -8.4% e levar a um aumento no VSE de cerca de 1.7% (+986.0 mil € / ano). Considerando tanto os benefícios como os custos, os resultados obtidos mostram que, para o intervalo entre os 0% e os ~8% de redução da PARE, os benefícios das MR-PARE ultrapassam os custos e que o BESL é maximizado com ~4.0% de redução da PARE, onde atinge os 229.626 € / ano. É, pois, demonstrado que as ferramentas AEAD-CO, podem dar suporte a uma gestão baseada no ecossistema mais eficiente, reforçar a boa qualidade ambiental dos SSE-MCEAD e apoiar o balanceamento entre o desenvolvimento e a proteção ambiental, minimizando as perdas de VSE e maximizando o bem-estar regional. Assim sendo, generalizar os investimentos em MR-PARE nos SSE-MCEAD pode ser uma estratégia vantajosa e eficiente para as sociedades (que aumenta o bem-estar societal). Contudo, o BESL constitui um patamar mínimo, dado que a totalidade do potencial dos benefícios proporcionados pelas MR-PARE só será plenamente avaliada quando todos os co-benefícios das medidas de redução PARE forem quantificados e incorporados na análise, incluindo o valor acrescentado dos produtos “colaterais” e de todas as externalidades – positivas e negativas - geradas pelas medidas implementadas. No seu conjunto, este trabalho de investigação contribui para o debate sobre a dinâmica “desenvolvimento / proteção ambiental”, apontando alternativas para se travar a degradação ambiental e a perda da biodiversidade atualmente em curso ao mesmo tempo que se aumenta o bem-estar societal.