Modeling the influence of coastal vegetation on the 2004 tsunami wave impact

Abstract

A tsunami causes several effects once it reaches inland. Infrastructure damage and casualties are two of its most severe consequences being mostly determined by seaquake intensity and offshore properties. Nevertheless, once on land, the energy of the wave is attenuated by gravity (elevation) and friction (land cover). Despite being promoted as ‘bio-shields’ against wave impact, proposed tree-belt effects lacked quantitative evidence of their performance in such extreme events, and have been criticized for creating a false sense of security. The current study analyzed some of the land uses in sites affected by the 2004 tsunami event, especially in coastal areas close to the coast of Indonesia, more specifically on the west coast of Aceh, Sumatra as well as on the Seychelles. Using transects perpendicular to the coast, the influence of coastal vegetation on the impact of the 2004 tsunami, particularly cultivated trees, was modeled. A spatial statistical model using a land cover roughness coefficient to account for the resistance offered by different land uses to the wave advance was developed. The coefficient was built using land cover maps, land use characteristics (stem diameter, height, and planting density), as well as a literature review. The spatial generalized linear mixed models used showed that while distance to coast was the dominant determinant of impact (casualties and infrastructure damage), the existing coastal vegetation in front of settlements also significantly reduced casualties, in the case of Aceh, by an average of 5%. Despite this positive effect of coastal vegetation in front of a settlement, it was also found that dense vegetation behind villages endangered human lives and increased structural damage in the same case, most likely due to debris carried by the backwash. The models initially developed in Aceh were adapted and tested for the effects that the same tsunami event caused in the Seychelles, where the intensity of the event was a tenth of that in Aceh. These new models suggested no direct effect of coastal vegetation, but they indicated that vegetation maintained dunes decreased the probability of structural damage. Additionally, using satellite imagery with higher resolution than that of the first study and/or from different years before the tsunami, corresponding land roughness coefficients were developed and tested with the existing models. The new models showed no signs of further increase of goodness of fit (AIC). Nevertheless, weather conditions at the acquisition dates as well as coverage and lack of image availability diminished the predictive power of these models. Overall, more than advocating for or against tree belts, a sustainable and effective coastal risk management should be promoted. This planning should acknowledge the location (relative to the sea) of settlements as the most important factor for future coastal arrangements. Nevertheless, it should also consider the possible direct and indirect roles of coastal vegetation, determined by its spatial arrangement as shown in the study models. Sustainability of these measures would only occur when coastal vegetation is regarded as a livelihood provider rather than just as a bio-shield. Practical examples could include, e.g. rubber plantations or home gardens in front of settlements, while leaving escape routes or grasslands and coconut plantations behind these. Therefore, the enforcement of educational programs, the setup and maintenance of effective warning systems and the adequate spatial allocation of coastal vegetation bringing tangible short and mid term benefits for local communities, as well as its adaption to local customs should be considered.

Tsunamis können beim Erreichen besiedelter Landflächen schwerste Schäden an Menschen und Infrastruktur verursachen. Die Intensität eines Tsunamis an der Küstenlinie wird wesentlich von der Stärke des verursachenden Seebebens und der Bathimetrie des Meeresgrunds beeinflusst. An Land wird die Intensität der Wellen dann im Wesentlichen durch die Schwerkraft (als Funktion der Topographie) und Reibung (Funktion der Vegetation) abgeschwächt. Folglich wird die Pflanzung von Baumgürteln als Schutzschild gegen Tsunamis vielerorts gefördert, obwohl bisher keine quantitativen Belege für ihren tatsächlichen Nutzen bei großen Tsunamis vorliegen. In diesem Fall könnten Baumpflanzungen Bewohnern von Küstengegenden sogar ein trügerisches Gefühl von Sicherheit vermitteln. In der vorliegenden Arbeit wurden die Auswirkungen verschiedener Landnutzungen auf Tsunamischäden an einigen durch den großen Tsunami von 2004 betroffenen Orten an der Westküste von Aceh, Sumatra, Indonesien, und den Seychellen untersucht. Mit Hilfe von orthogonal zur Küste verlaufenden Transsekten wurde der Einfluss der Küstenvegetation, insbesondere von Bäumen, auf die Auswirkungen des Tsunamis 2004 modelliert. Geostatistische Modelle (generalised linear mixed models - GLMM) wurden entwickelt, um den Einfluss verschiedener Vegetationstypen auf die Reichweite der Welle, sowie Opferzahlen und Schäden an Wohngebäuden, zu schätzen. In die Modelle flossen Topographie, Landnutzung und Werte des Reibungswiderstands verschiedener Landnutzungen, geschätzt aus Stammdurchmesser, Höhe und Planzdichte, ein. Mittels der GLMM wurde die Entfernung einer Siedlung zur Küste als wichtigster determinierender Faktor für Todesfälle und Schäden an Gebäuden durch den Tsunami ermittelt. Daneben zeigte sich jedoch auch, dass dichte Küstenvegetation zwischen Siedlungen und der Küste in Aceh die Anzahl der Todesfälle signifikant (im Durchschnitt um 5%) reduzierte. Im Gegensatz zu dem positiven Effekt der Küstenvegetation zwischen Siedlungen und der Küstenlinie wurden bei dichter Vegetation landeinwärts der Siedlungen erhöhte Opferzahlen und Schäden an Gebäuden festgestellt, was vermutlich auf den Transport von Trümmern in den ins Meer zurückströmenden Wellen zurückzuführen ist. Die Modelle, ursprünglich entwickelt für Aceh, wurden im Folgenden angepasst und auf die Auswirkungen desselben Tsunamis in den Seychellen getestet. Dort betrug die Intensität der Wellen ein Zehntel derer in Aceh und küstennahe Schutzwälle sowie Dünen verminderten die Auswirkungen des Tsunamis. Die angepassten Modelle ergaben keine direkten Auswirkungen der Küstenvegetation auf Tsunamischäden in den Seychellen, allerdings deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Schäden an Gebäuden durch Dünen reduziert werden konnten. Da die Dünen durch Vegetation wesentlich vor Erosion gesschützt werden, besteht hier zumindest eine indirekte Auswirkung der Pflanzendecke. Zusätzlich wurde für die Modelle im Fall Aceh ein weiterer Verbesserungsansatz getestet. Mit Hilfe hochauflösender Satellitenbilder aus verschiedenen Jahren vor dem Tsunami konnten verbesserte Reibungswiderstands-Koeffizienten entwickelt und anhand der existierenden Modelle getestet werden. Die neuen Koeffizienten führten allerdings nicht zu einer signifikanten Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit der Modelle, was jedoch teilweise auch ungünstigen Wetterverhältnissen zum Zeitpunkt der Luftaufnahmen und lückenhafter Datenlage geschuldet war. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit legen nahe, dass nachhaltige und effektive Maßnahmen zur Risikoverminderung in gefährdeten Küstenregionen verstärkt werden sollten. Dabei sollte die Entfernung der Siedlungen zum Meer als wichtigster Faktor für zukünftige Küstenschutzmaßnahmen berücksichtigt werden. Zusätzlich sollten mögliche direkte und indirekte Auswirkungen der küstennahen Vegetation berücksichtigt werden. Die Akzeptanz und Nachhaltigkeit solcher Maßnahmen kann nur erreicht werden, wenn Küstenvegetation nicht ausschließlich als Schutzschild, sondern als Teil der Lebensgrundlage der Bevölkerung dient. In der Praxis könnten zum Beispiel Kautschukplantagen oder Hausgärten zwischen Siedlungen und Küste angelegt werden, während hinter den Siedlungen Fluchtwege, Weiden und Kokosnussplantagen integriert werden könnten. Die Förderung von Schulungsprogrammen für die Bevölkerung, die Entwicklung effektiver Warnsysteme, und eine den örtlichen Begebenheiten angepasste räumliche Anordnung der Küstenvegetation können konkrete kurz- und mittelfristige Vorteile für die lokale Bevölkerung bringen.