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Tài liệu Cost benefit analysis of grey and green infrastructures to adapt to sea level rise in the mekong river delta

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VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY PHAM THI OANH COST–BENEFIT ANALYSIS OF MIXING GREY AND GREEN INFRASTRUCTURES TO ADAPT TO SEA LEVEL RISE IN MEKONG RIVER DELTA MASTER’S THESIS Hanoi, 2020 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY PHAM THI OANH COST–BENEFIT ANALYSIS OF GREY AND GREEN INFRASTRUCTURES TO ADAPT TO SEA LEVEL RISE IN  MEKONG RIVER DELTA MAJOR: CLIMATE CHANGE AND DEVELOPMENT CODE: 8900201.02QTD RESEARCH SUPERVISOR: Associate Prof. MAKOTO TAMURA Dr. NGUYEN VAN QUANG Hanoi, 2020 Pledge I   assure   that   this   thesis   is   the   results   of   my   own   research   and   has   not   been published. The use of other research’s result and other documents must comply with regulations. The citations and references to documents, books, research papers, and websites must be in the list of references of the thesis.  AUTHOR OF THE THESIS PHAM THI OANH 1 TABLE OF CONTENT TABLE OF CONTENTS..................................................................................ii LIST OF TABLE.............................................................................................iv LIST OF FIGURE.............................................................................................v LIST OF ABBREVIATIONS..........................................................................vi ACKNOWLEDGMENT.................................................................................vii CHAPTER 1. INTRODUCTION.....................................................................1 1.1. The necessary of the research....................................................................................................1 1.2. The research questions and hypotheses......................................................................................2 1.2.1. The questions of research........................................................................................................2 1.2.2. The hypotheses of research......................................................................................................2 1.3. Research objectives and tasks.....................................................................................................2 1.3.1. Research objectives.................................................................................................................2 1.3.2. Research tasks.........................................................................................................................3 1.4. Scope of the research..................................................................................................................4 1.5. Research Methods......................................................................................................................4 1.6. Framework of the Master’s thesis...............................................................................................5 1.7. Overview of research in Vietnam and international....................................................................5 1.7.1. Climate change and climate change impact............................................................................5 1.7.2. SLR and SLR impact in the 21st century...................................................................................6 1.7.3. Adaptation strategies...............................................................................................................8 1.7.4. Model assess the SLR impact and adaptation effectiveness...................................................12 1.7.5. MRD natural condition..........................................................................................................14 1.7.6. SLR impact in MRD...............................................................................................................15 1.7.7. Adaptation strategies in MRD...............................................................................................17 1.7.8. Research gap.........................................................................................................................18 CHAPTER 2. METHODOLOGY...................................................................20 2.1. The history of CBA and reasons for CBA................................................................................20 2.2. Outline the methodology.........................................................................................................22 2.3. Cost­benefit analysis model.....................................................................................................22 2.4. Data.........................................................................................................................................27 2.4.1. Inundation data.....................................................................................................................30 2 2.4.2. Socio­Economic Scenarios....................................................................................................31 2.4.3. MRD data..............................................................................................................................32 2.5. Estimate costs of adaptation options........................................................................................32 2.6. Estimate benefits of adaptation options...................................................................................33 2.6.1. Estimate the economic damage of dryland loss can be avoid................................................33 2.6.2. Potential affected population by SLR....................................................................................34 2.7. Applying ArcGIS software......................................................................................................34 2.7.1. Data preparation...................................................................................................................34 2.7.2. Data analysis.........................................................................................................................35 CHAPTER 3. RESULTS................................................................................37 3.1. Socio­economic damage of SLR without adaptation................................................................37 3.1.1. Identify the inundation area...................................................................................................37 3.1.2. Population at risk from SLR..................................................................................................39 3.1.3. The economic damage without adaptation............................................................................41 3.2. The economic loss in the different adaptation scenarios..........................................................44 3.2.1. The potential inundation area with adaptation......................................................................44 3.2.2. The economic damage with adaptation.................................................................................46 3.3. Cost of adaptation options.......................................................................................................46 3.4. Cost benefit analysis of mixing grey and green infrastructure.................................................49 3.5. Comparison of mixing grey and green infrastructure with other adaptation option.................50 3.6. Sensitivity analysis...................................................................................................................53 3.6.1. Change in discount rate.........................................................................................................53 3.6.2. Change in width of the mangrove belt...................................................................................54 CHAPTER 4. DISSCUSSION AND RECOMMENDATION.......................56 4.1. Summary..................................................................................................................................56 4.2. Limitation of the research and future work...............................................................................58 4.3. Recommendation......................................................................................................................59 CHAPTER 5. CONCLUSION........................................................................61 5.1. Impact of SLR on the Mekong Delta region.............................................................................61 5.2. Solutions to adapt to SLR.........................................................................................................61 REFERENCES................................................................................................63 APPENDIX.....................................................................................................67 3 LIST OF TABLE Table 2.1: Cost and benefit of adaptation solution to reduce the damages due to  inundation by SLR in MRD, Vietnam.....................................................................26 Table 2.3: Data sources and description..................................................................29 Table 3.1: The unit cost of land use by SSP1­5.......................................................44 Table 3.2: Unit cost of adaptation options using dikes and mangrove in 2010  (million US$/m)......................................................................................................50 Table 3.3: Present value of the cost and benefit in different option (discount rate =  3%).......................................................................................................................... 53 Table 3.4: Change in NPV and BCR in with discount rate = 8%............................56 Table 3.5: Change in NPV and BCR with discount rate = 10%..............................56 Table 3.5: Present value of the cost and benefit with the change in the mangrove  width (discount rate = 3%)......................................................................................57 4 LIST OF FIGURE Figure 1.1. Structure of the research..........................................................................3 Figure 2.1: Analytical framework of research.........................................................24 Figure 2.2: Cost­benefit analysis model..................................................................25 Figure 2.3: The potential inundated area in MRD by SLR in 2100.........................32 Figure 2.4: World population and GDP in different SSP scenarios (Source: IIASA,  2018)....................................................................................................................... 34 Figure 3.1: The potentially inundated area by land use in MRD in the 2020, 2050,  2100 respectively.....................................................................................................39 Figure 3.2: Potentially inundated area due to SLR in MRD in the 21st century.......39 Figure 3.3: Land use of potentially inundated areas due to SLR in 2100 in MRD. .40 Figure 3.4: The potentially inundated by districts in MRD.....................................41 in 2020, 2050, 2100 respectively.............................................................................41 Figure 3.5: Total population at risk from SLR in MRD in 21st century...................42 Figure 3.6: Economic losses due to SLR in MRD in the 21st century......................46 Figure 3.7: Comparison of land use loss due to SLR in MRD with and without  adaptation solution (km2/year).................................................................................47 Figure 3.8: The damage cost of SLR with different adaptation option (no discount  rate).........................................................................................................................48 Figure 3.9: Net present value and Benefit cost ratio of mixing grey and green  infrastructure...........................................................................................................51 5 Figure 3.10: Cost contribution of mixing grey and green infrastructure..................52 Figure 3.11: Cost of adaptation options under SSP1­5 without discount rate..........53 Figure 3.12:  BCR in different adaptation options under SSP1­5............................55 Figure 4.1. The urgency of coastal protection.........................................................62 LIST OF ABBREVIATIONS BCR: Benefit Cost Ratio CBA: Cost Benefit Analysis CPMD: Coastal Protection for the Mekong Delta IPCC: Inter­governmental Panel on Climate Change MRD: Mekong River Delta MONRE: Ministry of Nature Resources and Environment  NPV: Net Present Value RCP: Representative Concentration Pathway SSP: Share Socio­economic Pathway 6 ACKNOWLEDGMENT I would like to express my respecting to Assoc. Prof. Makoto Tamura who introduced me to this exciting topic and supervising me during this time. My thanks also go to Dr. Nguyen Van Quang for his comments during this thesis work. Their comment and essential enabled me to complete this study on time. My warm thanks also go to members of the Master of Climate Change and Development office for their relentless supporting during this time. Finally, my grateful acknowledgment to my friends and family for their recommendations, suggestions and supportive of my study in VJU. 7 CHAPTER 1. INTRODUCTION 1.1. The necessary of the research Climate change is one of the most important global issues in the 21st century. It   affects   not   only   environmental   problems   but   as  well  economic   and   social problems and instability in the future. Sea  level rise  (SLR) is one of the signs of climate change, even though there is a very small change in sea level, it has a great impact  on  other  factors  such as hydrological  or  extreme  events  such as  storms, hurricanes   or   droughts.   In   addition,   SLR   causes   widespread   and   irreversible flooding in coastal areas, causing migration to other lands, affecting social security and food security as well as economic growth, environmental issues in coastal areas and also other areas. Vietnam is one of the countries most affected by climate change, including SLR. The Mekong river delta (MRD), the largest delta region in Vietnam and the main food­producing region, has been affected by SLR in recent years. According the scenario of climate change and SLR in 2100 of MONRE (Ministry of natural resources and environment), with 1m of SLR by the end of the 21st century, nearly 50% of this area will be completely inundated. It is very influential that more than 20   million   people   living   here   and   their   livelihood,   living   standards   and   social welfare may be affected. It is necessary to identify the physical damage, economic damage and other factors for choosing the appropriate adaptation solution. Because the  SLR  impact is uncertain, in  conjunction with  socio­economic development trend in the 21st century, it is difficult to evaluate the damage due to SLR to the mainland. At present, there is little study focusing on the impact of SLR taking the socio­economic scenarios, especially in the MRD region – the 3rd largest delta in the world. Therefore, this study was conducted to fill the research gap and to contribute information for choosing an appropriate adaptation solution for this area. 1 1.2. The research questions and hypotheses 1.2.1. The questions of research This study has the main objective of answering the question “Can mixing grey and green infrastructure be a good solution to adapt to SLR in MRD?” To   answer   the   central   research   question,   the   research   address   to   answer following questions: Question   one:   What   is   the   area   inundated   due   to   SLR   in   the   Mekong   delta especially with large­scale land use areas? Question two: How many people in MRD might be affected by SLR in 21st century? Question three: How much the cost of the damage of the land loss due to SLR? Question four: What is the effect of mixing grey and green infrastructure by CBA? Question five: Does mixing grey and green infrastructure has more effectiveness than other adaptation option? 1.2.2. The hypotheses of research The hypothesis is mixing grey and green infrastructure has the greater benefit than   the   cost   to   set   up   this   system   (the   highest   effective   compare   with   other adaptation option) and it can be a good way to apply in MRD to adapt to SLR.  1.3. Research objectives and tasks 1.3.1. Research objectives To answer these research question, my research objectives are:  Objective one: Address the potential inundated area by SLR in MRD in land use type and administrative area based on SLR scenarios. 2  Objective two: Evaluated and estimated the potential impact of SLR in MRD by the value of land loss and the population affected based on the different socio­economic scenarios in 21st century?  Objective three: Estimate the cost of mixing grey and green infrastructure when   applying   in   MRD   and  calculate   the   effective   of   grey   and   green infrastructure by cost benefit analysis.   Objective four: Compare the effective of grey and green infrastructure  to other adaptation solution. 1.3.2. Research tasks Literature review Set up the  theorical  framework  and  analytical  framework  for the  research Assess and estimate the socioeconomic damage of SLR in MRD Calculate the cost of the mixing grey and green infrastruct ure when apply in MRD Apply costbenefit analysis to get the most effective adaptation option for MRD Figure 1.1. Structure of the research This study is conducted based on five main steps as in Figure 1.1: ­ Literature   review:  conduct   a   search  and   review   of   national   and  international studies on the topic of the impact of SLR and analyse adaptive solutions, thereby identifying research gaps and addressing issues that the research will focus on solving. ­ Set up the theoretical framework and practical framework: after the  literature review, the establishment of a theoretical basis and the adaptation solution have been applied to adapt to SLR for conducting the impact assessment of SLR and evaluate the effectiveness of adaptation solutions in MRD. ­ Carry out evaluation and estimation of damage caused by SLR by identifying the economic and social impacts of SLR to the Mekong Delta region. 3 ­ Assess the costs of mixing grey and green infrastructure to adapt to SLR in MRD. ­ Cost   benefit   analysis:   Based   on   the   results   from   previous   step,   benefit   cost analysis is conducted to evaluate the effectiveness of mixing grey and green infrastructure. 1.4. Scope of the research In general the research tries to assess the impact of SLR in MRD aiming to calculate the effectiveness of the grey and green infrastructures.  On the other hand, to confirm the effectiveness of mixing grey and green infrastructures, the research will also compare this solution with other solutions including current applications.  ­ In terms of content: The study will focus on estimating the damage value of dry land loss due to the impact of mean SLR, and estimate the population affected by this impact does not include other impacts such as SLR to coastal and marine ecosystem service, infrastructure and economic activities. The effects of local extreme events are not within the scope of this study. ­ For   adaptation   measures,   the   study   will   focus   on   analysing  the  effective   of mixing  grey and  green  infrastructure   and  after  that  compare  the   effective  of itself   with   other   adaptation   solution   including   the   current   adaptation   was applying in MRD. Currently, the Mekong Delta is applying the solution to build sea dikes in combination with mangrove to protect the mainland from the effects of SLR. The study will compare this solution with the solution of lifting and constructing concrete dikes and alternating concrete dikes and mangrove in the coastal areas of the Mekong Delta. ­ In terms of time: The study will evaluate the impact of SLR in the 21st century under the SLR scenario provided by Tamura et al., (2019) and socio­economic development scenarios SSPs (Share Socio­economic Pathway). The study does not apply forecasts for longer time periods due to the volatility and uncertainty of the above factors. 4 ­ Regarding the scope of space: The scope of the research space of the topic is the region   of   the   Mekong   Delta   of   Vietnam,   including   13   provinces   and   cities directly under the region as prescribed by the Vietnam government. 1.5. Research Methods ­ Methods   of   collecting   information:   The   study   was   conducted   based   on secondary  data  gathered based  on articles  and  reports  of  the  Government  of Vietnam and international organizations for SLR impact analysis to the Mekong Delta and estimate the cost of implementing adaptation measures. ­ Methods of data analysis: The thesis uses the benefit cost analysis method to evaluate the effectiveness of mixing grey and green infrastructure. 1.6. Framework of the Master’s thesis Figure 1.6: Logical framework of the research Figure 1.6  presents the logical framework of the research. To estimate the Socio­economic impact of SLR in MRD, the inundation area will be identified by applying   GIS.   The   potential   dryland   loss   and   the   population   affected   will   be evaluated by different Socio­economic scenarios. Next, adaptation options – mixing grey   and   green   infrastructure   will   be   applied   to   reduce   the   inundation   damage. Finally,   the   effectiveness   of   the  mixing   grey   and   green   infrastructure   will   be assessed by applying CBA in the various socioeconomic scenarios.  5 1.7. Overview of research in Vietnam and international 1.7.1. Climate change and climate change impact  Climate change is the global issue in 21st century. It was defined as “a change in the state of the climate that can be identified (e.g., by using statistical tests) by changes in the mean and/or the variability of its properties and that persists for an extended period, typically decades or longer.”  (Field et al., 2014). The recorded data present a dramatically changing of the global climate since the middle of 20 th century. It was shown on these evidence: the rise of the global mean temperature, the warming of the oceans, the reduction of the ice sheets in the Greenland and Antarctic,  the  retreating of  the  glacial around the  world,  the  decreased of  snow cover   in   the   Northern   Hemisphere,   the   rising  of   the   global   mean  sea   level,   the increasing of the extreme events, etc.  The  global warming is  the  main  reason of  climate  change  caused  by  the greenhouse effect. However, there is high agreement that the human activities are the main reason which maximizes the greenhouse effect causing the rising of global temperature   and   the   rapid   climate   change.  This  process   is   immutable   and   will impact for the continues centuries.  The impact of climate change is happening which is significantly affected both on human and environment in global scale.  It is  expected to continue and intensify in the future. One of the worst impact of climate change is that the melting of the ice sheet at the poles causes an increase in the average sea level leading to the inundation   risk   in   the   coastal   areas,   especially   some   areas   may   disappear completely. Climate change also increases the appearance of the extreme event such as drought, flooding, hurricane or storm. Moreover, it also has strong effect on the environment, ecological balance, causing biodiversity loss and destroying the food chains. These impacts will create the economic damage and social unrest, especially in the developing countries. Therefore, it is necessary to reduce the effect of climate change.  6 1.7.2. SLR and SLR impact in the 21st century SLR is one of the main results of climate change. Although it is changing during the history of Earth, it becomes faster than the previous history under the impact of anthropogenic climate change. Since the 1990s the average global sea level has increased 3mm/year and is still rising during the 21st century (Field et al., 2014). Until the last 21st century, the global mean sea level may rise 0.3­1.2m under using the different RCPs scenarios  (Kopp et al., 2014)  and 0.28­1.31m with the different concentration scenarios (Mengel et al., 2016). According to the IPCC AR5 (Field et al., 2014), the global mean sea level has increased 5m during the last 3 million years and still increasing. It is predicted that global mean sea level will rise 26­82cm   at   the   end   of   this   century.  Jevrejeva   et   al.   (2016)  also   estimate   that medium SLRs may continue up to 52­63cm with the global temperature rise 1.5­ 2°C by 2100 respectively. On the other hand, Nauels et al. (2017) has estimated that in 2081­2100 the mean sea level will rise 5­19mm per year based on each Share Socioeconomic Pathways scenarios (SSPs). This phenomenon is caused by three main reasons under impacts of climate change: thermal expansion, melting glaciers and loss of Greenland and Antarctica’s ice sheets.  It is a challenge to identify the direction socioeconomic impact of SLR on coastal   area.   The   impacts   depend   on   the   “geologic   setting   and   physical   and ecological  processes   operating   in  that  environment”  (FitzGerald   et  al.,   2008).  It does not only affect the change of coastal habitat but also inland, causing extreme weather events such as storms or floods to become more frequently and stronger. In addition, it may also lead coastal soil erosion, aquifers and saline agricultural land, reducing the habitat of coastal flora and fauna. These impacts are the main causes affecting human activities in the coastal area, forcing people to migrate to other areas causing economic and social instability. It may lead to the changes in land use when the area of land is narrowed, cause of the economic conflicts and social unrest (Goldemberg et al., 2000; Field et al., 2014). 7 Asuncion & Lee (2017) pointed out that SLR will be impacted by economic growth,   migration,   and   tourism.   European   Climate   Research   Alliances   has mentioned that SLR will be a threat to human and infrastructure in the coastal area which   is   in   the   low­lying   coastal   regions­living   area   of   10%   world   population (about   0.7   billion   people).   Moreover,   it   also   has   impacts   on   the   biodiversity, ecosystem and creates a more extreme events such as flood, inundation, storm or hurricane.  Mimura   (1999)  showed   the   vulnerabilities   of   island   nations   in   South Pacific to SLR. Inundation and flooding can have a major impact on these countries which is located in the low elevation, leading to changes in population growth and migration of small islands to bigger islands for less risk. These areas need to focus on climate change adaptation solutions rather than mitigation. Ericson et al. (2006) has conducted an analysis on the effects of SLR on 40 river deltas in the world. The results suggested that SLR could be a major cause of flooding and erosion in these area that will affected on 8.7 million people and 28,000 square kilo meters of plain by 2050.  FitzGerald et al. (2008)  focused on the inundated impact by SLR to the island   and   low   land   area,   especially   in   the   large   river   delta   or   high   population density. Neumann et al. (2015) estimated the total population in the coastal area in global scale and the number of people likely to be affected by the sea level in the future. The results show that the number of population exposed by SLR increases in proportion to population growth in coastal areas, of which Vietnam is one of the countries   with   the   highest   total   population   in  this   area.   Besides   that,   the   total population facing with SLR might be one of the highest countries in Asia along with China, India, Bangladesh, Indonesia in 2060. The cost of damage by SLR in the coastal area is an important element to calculate   the   total   damage   of   climate   change   in   the   future,   contributed   to   the designing and choosing climate policy (Asuncion & Lee, 2017).  1.7.3. Adaptation strategies The   concept   of   adaptation   mentioned   by   the   IPCC   in   its   first   reports (McCarthy   &   IPCC,   2001)  is   defined   as   “adjustments   in   human   and   natural 8 systems,   in   response   to   actual   or   expected   climate   stimuli   or   their   effects,   that moderate harm or exploit beneficial opportunities”. Each impact of climate change on   different   subjects   will   have   different   adaptation   measures.  (Nicholls,   2015) mentioned that adaptation to SLR should include activities that adapt to moderate and   extreme   increases.   He   also   pointed   out   that   the   current   major   adaptation activities focus on responding to events and disasters rather than forecasts for a long­term, active adaptation plan. Adaptation   strategies   can   be   divided   into   three   main   ways   (IPCC,   1990; Bijlsma et al., 1996; Klein, 1999;Linham & Nicholls, 2010):  Retreat   ­   all   the   human   system   is   driven   deep   into   the   land   through changing plan, develop policies and migration activities.  Accommodation   ­   mitigate   impacts   by   adjusting   human   activities   in coastal areas through land use changes, early warning systems, flood and insurance adaptation measures.  Protect ­ system infrastructure has been built in the coastal area to reduce the impact of SLR. These protect strategies can be hard infrastructure or soft armouring. The adaptation strategies should not only focus on the initial impacts but also carry out the potential impact in the future. On the national or local scale, it is necessary   to   consider   the   complex   interaction   between   humans   and   the   natural system   on   the   coastline.   Therefore,   it   is   essential   to   ensure   the   long­term effectiveness and to consider carefully. Based on the main solutions to adapt to SLR, many studies have been carried out on a global and regional scale to calculate the feasibility of each solution in practice.  Hallegatte   et   al.,  (2013)  suggested   that   adaptation   measures   should   be applied   and   upgraded   to   achieve   the   goal   for  minimizing   the   potential   adverse impacts of SLR in the future. In fact, the SLR repute is heterogeneous across areas 9 due to topographic conditions, other factors such as erosion and local wave model (Gornitz,   1991).  Klein   &   Nicholls   (1999)  confirmed   the   complexity   and   the necessary for many solutions to adapt to SLR in coastal areas. To date, the previous study   in   national   and   local   scale   in   European   countries   revealed   the   higher adaptation cost in the higher level of risk or very high adaptation standard. There is a large number of published studies (e.g.Diaz, 2008; Hinkel et al., 2010 ; Lincke & Hinkel, 2018) confirmed the effectiveness of protection solution to adapt to SLR. For some developing countries, adopting adaptation solutions in equivalent to those of the Netherlands or the Gulf of Mexico is not affordable (FitzGerald et al., 2008). For  some   areas,   the   only  solution   to  adapt  to   SLR   is   to  retreat  from   low­lying coastal areas to higher areas.  Indeed,   adaptation   strategies   are  often   aggregated   from   more   than   one approach, and most assessments currently focus on retreat or protection without considering accommodation. The protection strategies have been used for a long term to minimize the impacts of flooding due to the increase in the water of rivers or storm surge. They can   be   applied   in   various   options   such   as   hard   engineering   techniques   such   as seawalls,  breakwaters, or revetments. In recent years, there is a new trend focusing on biological solutions like using natural protection which can  bring more natural benefits than traditional hard infrastructure solutions. It also has shown the effects without   disturbing   the   natural   coastal   environment   throughout   our   development history. The subtropical and tropical regions have emphasized the current trend of protecting and restoring coastal mangrove to the impacts of nature and humans.   Grey infrastructure Grey infrastructures are defined as artificial constructions and structures such as   embankments,   reservoirs,   canals,   etc  which   have   built­in   the   river   basin   or coastal areas (Browder et al., 2019). To adapt to SLR, the grey infrastructure can be applied in the coastline including sea dikes, seawalls, groins, and other structure.  10
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