A step by step approach towards Coastal Spatial Planning initiative and its implementation in Heraklion Prefecture

Abstract

Aim of the dissertation - Coastal regions are among the most valuable ecosystems due to the socioeconomic and ecological benefits and services they provide. Human activities exert pressures, leading to multiple adverse effects on coastal habitats and seriously jeopardize these benefits. Consequently, marine managers and policy-makers are increasingly calling for new approaches and tools able to fully understand the complex interactions between natural and human-induced changes, with a view to safeguarding ecosystem integrity by alleviating conflicts. To achieve the ultimate goal of expanding marine human uses, coordination of coastal environment and marine economy as well as sustainable coexistence, a Coastal Spatial Planning scheme following an ecosystem-based approach is needed. Coastal Spatial Planning (CSP) aims to resolve this contradiction in parallel with the E.U. Marine Strategy Framework Directive, among other EU Directives. The main driver and motivation of this dissertation is to analyse issues pertaining to a step-by-step approach towards the development of a coastal spatial plan in a data-poor region, the northern and southern coastal area of Heraklion Prefecture, in Crete (Greece). This increasingly challenging task requires objectives stipulation, preparation, analysis and evaluation. In this direction, a novel Ecosystem Risk Assessment (ERA) model and a modified conflict analysis are developed. Multisciplinarity is expressed through the following objectives: (i) investigate phases and procedures for the effective CSP implementation in a coastal data-poor region through literature review, (ii) overcome data shortage by developing and integrating surrogate data yet treating diverse and patchy satellite or other datasets by applying geospatial analyses and tools, (iii) propose a comprehensive spatial planning framework through which land-sea interactions are addressed simultaneously, (iv) assure statistically sound outcomes, (v) propose an innovative equation model based on human uses – key pressures linkages and their impact on ecosystem services to identify areas under risk for coastal ecosystems, (vi) identify compatibilities and incompatibilities between human uses as well as between human uses and coastal environment, (vii) estimate the need for zonation plans planning decisions, ensuring the necessary coherence and compatibility between human uses, environment and existing policies, (viii) based on the characteristics of the study area, propose adjustments in order to develop an effective ecosystem-based approach CSP scheme, that can be applied to other similar areas. (ix) Finally, this dissertation discusses the limits and efficacy of modern geospatial tools in CSP.Methodology - The definition and mapping of accurate and sound data concerning ecosystem and socio-economic components is a key aspect of the scoping process of effective CSP within the ecosystem-based spatial management context. In many cases, however, the lack of pertinent environmental variable datasets hinders the development of sustainable policies and practices. Under this framework, a robust and holistic understanding of the coastal ecosystem state by demarcating the human uses, pertinent key pressures as well as final ecosystem services spatial variation and their interactions is of utmost importance. Marine remote sensing has been used extensively to provide such datasets, with limited success due to different spatial resolutions, non-overlapping grids, and different spatial extent, since, in most cases, they are derived from miscellaneous sources. This dissertation proposes a conceptual framework for developing and homogenizing spatially explicit socio-ecosystemic datasets in a Geographical Information Systems (GIS) environment, which is lacking. The datasets, used in this dissertation, were developed from a synthesis of proxy and satellite data for sea- as well as land-based variables. At a starting design state, dataset generation from an initial watershed delineation cascade development provided the foundation of terrestrial influence estimation. Improving the capacity to develop and integrate crucial information in decisional contexts where data are limited and uncertainty is high, is therefore essential to employ a wide range of geospatial tools, during the data handling and geodatabase construction procedure, such as Ordinary Kriging (OK) as an interpolator of satellite data gap-filling near the shoreline, Kernel density, etc.Another crucial part of ecosystem-based CSP is mapping the spatial distribution of pertinent pressures, and identifying Key Environmental Indicators (KEIs). The pressure datasets, used, included abrasion, chlorophyll-a, commercial fish catches, invasive species, light pollution, microplastics, noise pollution, ocean acidification and organic load. These nine Potential Environmental Indicators (PEIs) were subjected to Principal Component Analysis (PCA) in order to reduce the number of parameters and identify their relationships. Human uses coexistence assessment involves both use-use and use-environment interactions. ERA constitutes a use-environment assessment approach, while a use-use approach is drawn by pairwise marine use compatibility knowledge from existing literature. ERA approach combined with the conflict analysis through the application of their entailed models could give prominence to incompatibilities. In particular, the proposed ERA equation model, engaging scored key pressures and exerted human uses (both marine and terrestrial) yet final ecosystem services (Supporting, Regulating, Provisioning, Cultural) (see Table 3) on the coastal environment, provides a means of spatially exploring environmental impacts of human uses on the final ecosystem services preservation and provision. Impact Risk (IR) results were further clustered using Hotspot analysis via Getis-Ord Gi* statistic. A proposed conflict analysis system employing conflict matrices and compatibility/incompatibility maps has been established to quantitatively evaluate the conflicts among marine human activities. Findings - The designed methodology elaborated GIS-based maps in all research steps. The OK results indicate that the proposed data gap-filling methodology is valid and independent of remote-sensing data characteristics. The effective proposed homogenization and integration of fully diverse satellite datasets and developed proxy variables enabled statistical analysis which showcase 7 shortlisted KEIs: οrganic load, chlorophyll-a, abrasion, commercial fish catches, light pollution, microplastics and noise pollution, indicating their inclusion in the initial steps of CSP implementation. The proposed ERA analysis results were to be expected and showed basically low IR values mostly concentrated in the northern part study area near the coastline. Hotspot analysis based on the IR results unveiled a more extended under-risk area. The results showed that under the current state only incompatibilities under conditions among marine human uses exist. In general terms, both the northern and southern study area meet, at present, the sustainability goals and do not call for zoning schemes. Originality - The novel integration of terrestrial and marine processes is empirically assessed for the first time in a comprehensive spatial plan. This dissertation constitutes the first planning attempt to capture and involve the impact of terrestrial human uses on the marine environment, via a decay function. Novel methodologies have been developed addressing issues, such as proxy datasets development and datasets integration, related to data-limited situations, in order to enable CSP implementation in a feasible, cost-effective and less biased way, contributing to the CSP process improvement. This dissertation contributes further by proposing an equation model of Impact Risk calculation, considering human uses and their scored linkages of key pressures that affect the final ecosystem services altogether. Additionally, conflict analysis, coupled with ERA equation results facilitated incompatibility identification. Despite the limitations and impediments encountered during the research dissertation, lessons learned, as outlined in the above outcomes, represent a step forward compared to methodologies developed so far.

Στόχος της διατριβής - Οι παράκτιες περιοχές αποτελούν, μεταξύ άλλων, πολύτιμα οικοσυστήματα λόγω των κοινωνικο-οικονομικών και οικολογικών ωφελειών αλλά και υπηρεσιών που προσφέρουν. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες ασκούν πιέσεις στα παράκτια ενδιαιτήματα προκαλώντας πολλαπλές δυσμενείς επιπτώσεις και κυρίως απειλούν τα οφέλη που αυτά προσφέρουν. Συνεπώς, οι θαλάσσιοι διαχειριστές και οι χαράσσοντες πολιτική καλούν ολοένα και περισσότερο για καινοτόμες προσεγγίσεις και εργαλεία ικανά να κατανοήσουν τις περίπλοκες αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσονται ανάμεσα στις φυσικές και ανθρωπογενείς αλλαγές, με στόχο τη διαφύλαξη της οικοσυστημικής ακεραιότητας μέσω της άμβλυνσης των συγκρούσεων. Για την επίτευξη του απώτερου στόχου που αφορά την εξάπλωση των θαλάσσιων ανθρώπινων δραστηριοτήτων, το συντονισμό του παράκτιου περιβάλλοντος και της θαλάσσιας οικονομίας καθώς και το ζήτημα της βιώσιμης συνύπαρξης, κρίνεται απαραίτητο ένα σχέδιο Παράκτιου Χωροταξικού Σχεδιασμού (ΠΧΣ) που ακολουθεί προσέγγιση που βασίζεται στο οικοσύστημα. Ο ΠΧΣ στοχεύει στην επίλυση αυτής της αντίφασης συμβαδίζοντας με τη Οδηγία Πλαίσιο για τη Θαλάσσια Στρατηγική (ΟΠΘΣ) της ΕΕ, μεταξύ άλλων Οδηγιών της ΕΕ. Η κινητήριος δύναμη και συνιστώσα για την παρούσα διατριβή αποτελεί η ανάλυση ζητημάτων σχετικά με την «βήμα προς βήμα» προσέγγιση για την ανάπτυξη ενός παράκτιου χωροταξικού σχεδίου σε μια περιοχή με ελλιπή δεδομένα, τη νότια και βόρεια παράκτια περιοχή του Νομού Ηρακλείου στην Κρήτη (Ελλάδα). Αυτή η ολοένα και πιο απαιτητική πρόκληση απαιτεί τον καθορισμό στόχων, προετοιμασία, ανάλυση και αξιολόγηση. Προς αυτή την κατεύθυνση, αναπτύχθηκε μια καινοτόμος Οικοσυστημική Αξιολόγηση Κινδύνου (ΟΑΚ) και μία τροποποιημένη ανάλυση των συγκρούσεων. Η διεπιστημονική προσέγγιση εκφράζεται μέσα από τους ακόλουθους στόχους: (α) τη διερεύνηση των σταδίων και διαδικασιών για την αποτελεσματική εφαρμογή του ΠΧΣ σε μια παράκτια περιοχή με ελλιπή δεδομένα μέσω της βιβλιογραφικής ανασκόπησης, (β) την αντιμετώπιση της έλλειψης δεδομένων με την ανάπτυξη κι ενοποίηση υποκατάστατων δεδομένων (proxy) αλλά και την επεξεργασία ποικίλων κι ανομοιόμορφων δορυφορικών ή άλλων δεδομένων εφαρμόζοντας γεωχωρικές αναλύσεις και εργαλεία, (γ) την πρόταση ενός ολοκληρωμένου πλαισίου χωροταξικού σχεδιασμού μέσα από το οποίο οι αλληλεπιδράσεις στεριάς-θάλασσας αντιμετωπίζονται ταυτόχρονα, (δ) την εξασφάλιση στατιστικά ορθών αποτελεσμάτων, (ε) την πρόταση ενός καινοτόμου μοντέλου εξίσωσης βασισμένο στη διασύνδεση των ανθρώπινων δραστηριοτήτων και των κύριων πιέσεων καθώς και της επίδρασής τους πάνω στις οικοσυστημικές υπηρεσίες για τον προσδιορισμό περιοχών των παράκτιων οικοσυστημάτων που βρίσκονται σε κίνδυνο, (στ) τον προσδιορισμό περιοχών των παράκτιων οικοσυστημάτων που βρίσκονται σε κίνδυνο, (ζ) τον προσδιορισμό των συμβατοτήτων και των συγκρούσεων τόσο ανάμεσα στις ανθρώπινες δραστηριότητες όσο και ανάμεσα στις ανθρώπινες δραστηριότητες και το παράκτιο περιβάλλον, (η) την εκτίμηση της αναγκαιότητας λήψης αποφάσεων για σχέδια καθορισμού ζωνών, διασφαλίζοντας την απαραίτητη συνοχή και συμβατότητα ανάμεσα στις ανθρώπινες δραστηριότητες, το περιβάλλον και τις υφιστάμενες πολιτικές, (θ) σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά της υπό μελέτη περιοχής, την πρόταση προσαρμογών για την ανάπτυξη ενός αποτελεσματικού πλαισίου ΠΧΣ με προσέγγιση βασισμένη στο οικοσύστημα το οποίο θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε παρόμοιες περιοχές. (ι) Τέλος, αυτή η διατριβή αναλύει τους περιορισμούς αλλά και την αποτελεσματικότητα των μοντέρνων γεωχωρικών εργαλείων στον ΠΧΣ. Μεθοδολογία - Ο ορισμός και η χαρτογράφηση συγκεκριμένων και αξιόπιστων δεδομένων σχετικών με τα οικοσυστημικά και κοινωνικο-οικονομικά στοιχεία αποτελεί καίριο σημείο στη διερευνητική διαδικασία ενός αποτελεσματικού παράκτιου ΠΧΣ στο πλαίσιο χωρικής διαχείρισης βασισμένης στο οικοσύστημα. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις, η έλλειψη σχετικών περιβαλλοντικών δεδομένων μεταβλητών εμποδίζει την ανάπτυξη βιώσιμων πολιτικών και πρακτικών. Σε αυτό το πλαίσιο, είναι πρωταρχικής σημασίας μια ισχυρή και ολιστική αντίληψη της κατάστασης του παράκτιου οικοσυστήματος μέσω της οριοθέτησης της χωρικής μεταβολής των ανθρώπινων δραστηριοτήτων, των συναφών κύριων πιέσεων καθώς και των τελικών οικοσυστημικών υπηρεσιών αλλά και των αλληλεπιδράσεών τους. Η τηλεπισκόπηση στη θάλασσα έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς για να παρέχει τέτοιου είδους δεδομένα, με περιορισμένη όμως επιτυχία λόγω των διαφορετικών χωρικών αναλύσεων, μη επικαλυπτόμενων πλεγμάτων (grids) και της διαφορετικής χωρικής έκτασης, καθώς στις περισσότερες περιπτώσεις, προέρχονται από διαφορετικές πηγές. Η παρούσα διατριβή προτείνει ένα εννοιολογικό πλαίσιο για την ανάπτυξη και ενοποίηση χωρικά ανεξάρτητων κοινωνικο-οικοσυστημικών συνόλων δεδομένων στο περιβάλλον των Γεωγραφικών Πληροφοριακών Συστημάτων (ΓΠΣ), κάτι το οποίο λείπει. Τα σύνολα δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν στην διατριβή αναπτύχθηκαν μέσω της σύνθεσης υποκατάσταστων και δορυφορικών δεδομένων για τις θαλάσσιες και χερσαίες παραμέτρους. Αρχικά, η δημιουργία συνόλου δεδομένων με βάση την αρχική οριοθέτηση των υδροκριτών μέσω μιας αλληλουχίας βημάτων, παρείχε τη βάση για τον υπολογισμό της χερσαίας επίδρασης που δέχονται. Βελτιώνοντας τη δυνατότητα ανάπτυξης κι ενσωμάτωσης σημαντικής πληροφορίας στο πλαίσιο λήψης αποφάσεων όπου τα δεδομένα είναι περιορισμένα και με υψηλή αβεβαιότητα, είναι ουσιώδες να εμπλακεί ένα μεγάλο εύρος γεωχωρικών δεδομένων κατά τη διάρκεια του χειρισμού των δεδομένων και τη διαδικασία κατασκευής γεωβάσης, όπως είναι η βέλτιστη παρεμβολή Ordinary Kriging (ΟΚ) που συμπληρώνει τα κενά στα δεδομένα κοντά στην ακτογραμμή, η πυκνότητα Kernel, κτλ.Ακόμα ένα ζωτικό σημείο της προσέγγισης του ΠΧΣ βασισμένης στο οικοσύστημα αποτελεί η χαρτογράφηση της χωρικής κατανομής των κυρίαρχων πιέσεων και η αναγνώριση των Βασικών Περιβαλλοντικών Δεικτών (ΒΠΔ). Τα σύνολα δεδομένων των πιέσεων περιελάμβαναν τη φθορά του πυθμένα λόγω τριβής, τη χλωροφύλλη-α, τα εμπορικά αλιεύματα, τα χωροκατακτητικά είδη, τη φωτορύπανση, τα μικροπλαστικά, την ηχορύπανση, την οξίνηση των ωκεανών και το οργανικό φορτίο. Αυτά οι εννέα Πιθανοί Περιβαλλοντικοί Δείκτες (ΠΠΔ) υπεβλήθησαν σε Ανάλυση Κύριων Συνιστωσών (ΑΚΣ) προκειμένου να μειωθεί ο αριθμός των παραμέτρων και να αναγνωριστούν οι μεταξύ τους σχέσεις. Η αξιολόγηση της συνύπαρξης των ανθρώπινων δραστηριοτήτων εμπλέκει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των χρήσεων αλλά και μεταξύ χρήσεων και περιβάλλοντος. Η ΑΟΚ αποτελεί μια προσέγγιση αξιολόγησης της αλληλεπίδρασης μεταξύ χρήσεων και περιβάλλοντος, ενώ η προσέγγιση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των χρήσεων πραγματοποιήθηκε μέσω της συμβατότητας των θαλάσσιων χρήσεων ανά ζεύγη σύμφωνα με την υφιστάμενη βιβλιογραφία. Η προσέγγιση της ΟΑΚ σε συνδυασμό με την ανάλυση συγκρούσεων μέσω της εφαρμογής των εμπλεκόμενων μοντέλων μπορεί να αναδείξει τις ασυμβατότητες. Συγκεκριμένα, το προτεινόμενο μοντέλο εξίσωσης ΟΑΚ που εμπλέκει τις σταθμισμένες κύριες πιέσεις, τις ανθρώπινες δραστηριότητες (θαλάσσιες και χερσαίες) που τις ασκούν αλλά και τις τελικές οικοσυστημικές υπηρεσίες (Προμηθευτικές, Ρυθμιστικές, Διατήρησης, Πολιτιστικές) (βλέπε Πίνακα 3) σε ένα παράκτιο περιβάλλον, παρέχει έναν τρόπο χωρικής διερεύνηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από τις ανθρώπινες δραστηριότητες πάνω στην παροχή και διατήρηση των τελικών οικοσυστημικών υπηρεσιών. Τα αποτελέσματα της Επίπτωσης Κινδύνου (ΕΚ) ομαδοποιήθηκαν με τη χρήση της ανάλυσης θερμών σημείων (hotspot analysis) μέσω του στατιστικού δείκτη Getis-Ord Gi*. Η προτεινόμενη ανάλυση συγκρούσεων χρησιμοποίησε πίνακες συγκρούσεων και χάρτες συμβατότητας/ασυμβατότητας προκειμένου να καθοριστεί η ποσοτική αξιολόγηση των συγκρούσεων ανάμεσα στις θαλάσσιες ανθρώπινες δραστηριότητες. Ευρήματα - Ο σχεδιασμός της μεθοδολογίας ανέπτυξε χάρτες που βασίζονται στα ΓΠΣ σε όλα τα βήματα που παρουσιάστηκαν. Τα αποτελέσματα της ΑΚΣ υποδεικνύουν ότι η προτεινόμενη μεθοδολογία συμπλήρωσης κενών είναι έγκυρη κι ανεξάρτητη από τα χαρακτηριστικά των δεδομένων τηλεπισκόπισης. Η αποτελεσματική μεθοδολογία που προτείνεται για την ενοποίηση κι ενσωμάτωση των ποικίλων δορυφορικών δεδομένων και των αναπτυγμένων υποκατάσταστων παραμέτρων επέτρεψε τη στατιστική ανάλυση η οποία ανέδειξε 7 ΒΠΔ: οργανικό φορτίο, χλωροφύλλη-α, φθορά του πυθμένα λόγω τριβής, εμπορικά αλιεύματα, φωτορύπανση, μικροπλαστικά και ηχορύπανση, υποδεικνύοντας τη συμπερίληψή τους στα αρχικά στάδια εφαρμογής του ΠΧΣ. Τα αποτελέσματα της προτεινόμενης ανάλυσης ΟΑΚ παρουσιάζουν ιδιαίτερα χαμηλές ΕΚ τιμές που συγκεντρώνονται στο βόρειο τμήμα της μελέτης περιοχής, κοντά στην ακτογραμμή, όπως αναμενόταν. Η ανάλυση θερμών σημείων που βασίστηκε στα αποτελέσματα της ΕΚ, ανέδειξε μια ευρύτερη περιοχή σε κίνδυνο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι στο πλαίσιο της παρούσας κατάστασης υπάρχουν ανάμεσα στις θαλάσσιες ανθρώπινες δραστηριότητες μόνο ασυμβατότητες υπό συνθήκη. Σε γενικές γραμμές, τόσο η βόρεια όσο και η νότια περιοχή μελέτης επιτυγχάνουν τους στόχους της βιωσιμότητας επί του παρόντος και δεν απαιτούν σχέδια οριοθέτησης. Πρωτοτυπία – Η καινοτόμος ενοποίηση των χερσαίων και θαλάσσιων διαδικασιών αξιολογείται για πρώτη φορά σε ένα περιεκτικό χωρικό σχέδιο. Η παρούσα διατριβή αποτελεί την πρώτη χωροταξική προσπάθεια που αποτυπώνει κι εμπλέκει την επίπτωση των χερσαίων ανθρώπινων δραστηριοτήτων στο θαλάσσιο περιβάλλον, διαμέσου μειούμενης συνάρτησης. Αναπτύχθηκαν καινοτόμες μεθοδολογίες επιλύοντας ζητήματα, όπως ανάπτυξη υποκατάστατων δεδομένων καθώς και ενοποίηση δεδομένων, σε συνθήκες έλλειψης δεδομένων, προκειμένου να επιτραπεί η εφαρμογή του ΠΧΣ με εφικτό, αποδοτικό και όσο το δυνατόν λιγότερο μεροληπτικό τρόπο, συνεισφέροντας στη βελτίωση της διαδικασίας του ΠΧΣ. Η διατριβή αυτή συνεισφέρει περαιτέρω με την πρόταση εντός μοντέλου εξίσωσης υπολογισμού της Επίπτωσης Κινδύνου, λαμβάνοντας υπόψη τις ανθρώπινες δραστηριότητες και τη διασύνδεσή τους με τις σταθμισμένες κύριες πιέσεις που επηρεάζουν συνολικά τις τελικές οικοσυστημικές υπηρεσίες. Επιπροσθέτως, η ανάλυση συγκρούσεων σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα της ΑΟΚ εξίσωσης συνέβαλαν στον προσδιορισμό των ασυμβατοτήτων. Παρ’ όλους τους περιορισμούς και τα εμπόδια που προέκυψαν κατά τη διάρκεια της ερευνητικής διατριβής, τα διδάγματα που προέκυψαν από τα προαναφερθέντα αποτελέσματα αντιπροσωπεύουν ένα βήμα προόδου συγκριτικά με άλλες μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν μέχρι στιγμής.