Development of an Integrated Decision Support System for Brownfield Restoration

Abstract

The re-use of underused or abandoned contaminated land, so-called brownfields, is increasingly seen as an important means for the reduction of land consumption. But brownfield redevelopment often fails during early project stages due to complex decisions that stakeholder with potentially different interest have to make, based on typically very scarce data. Seeking sustainable re-use solutions, many existing decision support systems are not appropriate as they focus mainly on environmental or economic aspects, and neglect sustainability issues. To fill this gap, this thesis presents a framework for spatially explicit integrated planning and assessment of brownfield redevelopment options. Aiming to support efficient and sustainable revitalization and communication between stakeholders, the presented assessment framework integrates three pinnacles of brownfield revitalization: (i) the identification of required subsurface remediation and associated site preparation costs, (ii) market-oriented economic appraisal, and (iii) the expected contribution of planned future land use to sustainable urban and regional development. For the assessment, focus is set on the early stage of the brownfield redevelopment process, which is characterized by limited data availability and by flexibility in land use planning and scope of development.

A convenient starting point for the planning of different land uses and respective remediation measures is the early identification of focal areas with respect to groundwater contamination. %The complexity and scale of groundwater contamination at large brownfields requires an early identification and prioritization of focal areas and risks in order to drive further decisions concerning detailed investigation programmes and remediation measures. There is a need for the enhancement and appropriate processing of sparse amounts of groundwater contamination data, especially during the early investigation stages of brownfields. Therefore, a flow guided interpolation method (FGI) was developed, which has been tailored to the type, scale and information basis that are typically available at the early stages of revitalization projects at contaminated sites. As a second step, a spatially explicit procedure is introduced, which compares the previously characterized subsurface contamination to land-use specific requirements regarding subsurface quality in order to identify remedial measures that are required for the implementation of specific re-use scenarios. This GIS-based conflict analysis is coupled to spatial remediation cost estimation models. A market oriented value appraisal approach, which includes value reducing factors like stigma effects caused by former use, present or suspected contamination, and liability completes the economical assessment. Furthermore, an indicator based sustainability assessment methodology is integrated into this assessment framework by utilizing spatial metrics to assess the contribution of a brownfield re-use scenario to sustainable development in the region.

To further improve planning and decision making, a multi-criteria genetic algorithm is adapted to the assessment framework aiming to find optimal mixed land-use configurations with respect to one or more assessment criteria and given constraints on the composition of land-use classes. The framework is applied to a case study at a former military site near Potsdam, Germany. Emphasis is given on the trade-off between economic goals and the need for sustainable development in the regional context of the brownfield site. Results from the case study application indicate that the integrated assessment provides help in the identification of land use options beneficial in both a sustainable and an economical sense. Although brownfield redevelopment is shown to be not automatically in line with sustainable regional development, it can be demonstrated that additional contributions to sustainability are not intrinsically tied to increased costs.

The methods presented in this thesis also are embedded into a user-friendly computer based, integrated decision support system.

Ehemals genutzte, brach liegende, kontaminierte Flächen werden zunehmend zu einem Problem angesichts des weltweit zunehmendem Flächenverbrauchs. Die nachhaltige Revitalisierung solcher Brachflächen, sogenannter 'brownfields', kann daher einen wertvollen Beitrag leisten, den fortschreitenden Flächenverbrauch zu verringern. Brachflächenrevitalisierung scheitert jedoch häufig schon in frühen Entwicklungsphase aufgrund der komplexen Entscheidungen, welche von Akteuren mit potentiell unterschiedlichen Sichtweisen und Interessen zu fällen sind. Entscheidungsunterstützungssysteme können bei der Suche nach Nachnutzungsszenarien helfen, die meisten existierenden Systeme sind hierfür jedoch nicht umfassend geeignet, da sie in der Regel auf die Bewertung entweder ökologischer oder ökonomischer Aspekte abzielen und Fragen der nachhaltigen Entwicklung vernachlässigen. Um eine effiziente und nachhaltige Brachflächenrevitalisierung mit dem Ziel einer verbesserten Kommunikation und Entscheidungsfindung der beteiligen Akteure zu fördern, präsentiert die vorliegende Arbeit ein Bewertungs- und Entscheidungsunterstützungsmodell welches drei Kernelemente der Revitalisierung berücksichtigt: (i) die Ermittlung von Sanierungs- und Flächenaufbereitungskosten, (ii) eine marktorientierte Grundstückswertermittlung und (iii) der Beitrag einer geplanten Nachnutzungsvariante zur nachhaltigen Entwicklung in der Region. Das Bewertungssystem zielt auf eine frühe Planungsphase ab, welche durch geringe Informationsdichte bezüglich der Standortbeschaffenheit gekennzeichnet ist, andererseits aber noch Spielräume hinsichtlich möglicher Nachnutzungen bietet.

Die Komplexität und der Umfang von Grundwasserverunreinigung großer Brachflächen bedingt eine Priorisierung bestehender Risiken und Probleme, um weitere Entscheidungen und Maßnahmen bezüglich Standortuntersuchung und Sanierung fokussieren zu können. Es besteht insbesondere Bedarf an Methoden zum Umgang mit häufig spärlich vorhandenen Schadstoffkonzentrationsdaten. Daher wurde eine Methode entwickelt, welche Informationen über Grundwasserströmung berücksichtigt um die Schadstoffverteilung im Grundwasser bei geringer Datenlage zu interpolieren. Zur Ermittlung des Sanierungsbedarfs für die Umsetzung einer Nachnutzungsvision wird eine GIS-basierte Konfliktanalyse vorgestellt, welche das bestehende Schadstoffinventar mit den Anforderungen zukünftiger Nutzungsarten an die Boden- und Grundwasserqualität abgleicht und den Sanierungsbedarf visualisiert. Die Konfliktanalyse ist mit räumlichen Modellen zur Schätzung der Sanierungskosten verknüpft. Die ökonomische Bewertung wird durch ein marktorientiertes Wertermittlungsmodul vervollständigt, welches Wert mindernde Faktoren, wie Stigmaeffekte durch vorherige Nutzung oder befürchtete Restrisiken, und Risikoüberwälzbarkeit, berücksichtigt. Die Nachhaltigkeit einer Nutzungsvariante wird mittels eines indikatorenbasiertes Bewertungssystems bewertet, welches in das Bewertungssystem mittels räumlich expliziter Metriken eingebunden wurde.

Zur weiteren Unterstützung der Nachnutzungsplanung wurde ein multikriterielles Optimierungssystem, basierend auf genetischen Algorithmen, weiterentwickelt und den Bedürfnissen der Brachflächenbewertung angepasst. Die Optimierung generiert bestmögliche Nachnutzungskonfigurationen in Bezug auf ein oder mehrere Kriterien und gegebenen Randbedingungen bezüglich der Flächenanteile eines Nutzungstyps. Das Bewertungssystem wurde an einem Modellstandort, einer ehemals militärisch genutzten Fläche bei Potsdam, nahe Berlin, angewandt. Im Vordergrund stand die Abwägung ökonomischer Ziele und dem Ziel der nachhaltigen Entwicklung. Die Ergebnisse zeigen, dass eine integrierte Brachflächenbewertung das Auffinden sowohl ökonomisch attraktiver als auch nachhaltiger Nachnutzungsvarianten effektiv unterstützen kann. Es konnte zudem aufgezeigt werden, dass bei einer Nachnutzung der Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung in der Region nicht zwangsläufig mit höheren Entwicklungskosten einhergeht.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden wurden in ein integriertes, computerbasiertes Entscheidungshilfesystem integriert.