Characterisation, biophysical modelling and monetary valuation of urban nature-based solutions as a support tool for urban planning and landscape design

Caractérisation, modélisation biophysique et valorisation monétaire de solutions fondées sur la nature comme outil d'aide à l'urbanisme et à l'aménagement paysager urbain

• Auteur / Autrice : Javier Babi Almenar
• Direction : Guido W. Sonnemann, Davide Geneletti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Analytique et Environnementale
• Date : Soutenance le 27/01/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Université de Trente
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Marjorie Musy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guido W. Sonnemann, Davide Geneletti, Marjorie Musy, Dagmar Haase, Benjamin Burkhard, Eléonore Loiseau, Benedetto Rugani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dagmar Haase, Benjamin Burkhard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie urbaine

Services écosystémiques

Analyse du cycle de vie

Mots clés libres

Services écosystémiques

Analyse du cycle de vie

Écologie urbaine

Développement durable

Dynamiques des systèmes

Analyse coût-bénéfice

Ecosystem Services

Life Cycle Assessment

Urban Ecology

Sustainable Development

System Dynamics Modelling

Cost-Benefit Analysis

Résumé

La reconnaissance de la nature dans la résolution des défis de société est de plus en plus pertinente. Cela a été associé au développement de nouveaux concepts issus de la science et de la politique tels que le capital naturel, les services écosystémiques, les infrastructures vertes et plus récemment les solutions fondées sur la nature (NBS). NBS a l'intention de résoudre des problématiques the développement durable sous une forme efficace et adaptative offrant des avantages économiques, sociaux et environnementaux. L'objectif général de cette thèse de doctorat est de développer une évaluation environnementale et économique des NBS pour les territoires fortement urbanisés basée sur les approches de dynamique des systèmes, l'écologie urbaine / paysagère et l’analyse du cycle de vie. Cette approche d'évaluation combinée aiderait à comprendre si les NBS sont intrinsèquement coût efficient ou non. L’objective général est développé selon quatre objectifs spécifiques.Le premier objectif spécifique correspond à la caractérisation des NBS par rapport aux contextes urbains et ses problématiques qu'ils peuvent aider à résoudre ou atténuer. Pour atteindre cet objectif, une revue critique de la littérature scientifique sur la relation entre les NBS, les services écosystémiques (ES) et les problématiques urbaines (UC) a été développée. Le résultat principal est un graphique des relations de cause à effet plausibles entre NBS, ES et UC. Le graphique représente une première étape pour soutenir la planification urbaine durable, passant des problématiques urbaines aux actions (NBS) aux résolutions (ES).Le deuxième objectif spécifique correspond à la définition d'un ensemble adéquat de méthodes d'évaluation pour estimer la performance biophysique et monétaire des NBS, en particulier dans les zones urbaines. Pour atteindre cet objectif, une revue des méthodes existantes sur l'évaluation des services écosystémiques, l'analyse du cycle de vie et la monétisation environnementale est développé. La revue prend en compte des contraintes spécifiques telles que la facilité d'utilisation et la disponibilité des données. À la fin, des méthodes et des indicateurs spécifiques ont été considérés et sélectionnés en fonction de leur robustesse, de leur facilité d'utilisation et de la disponibilité des données.Le troisième objectif spécifique correspond à la conception d'un cadre d'évaluation combiné intégrant des méthodes d'analyse du cycle de vie, de la dynamique des systèmes et des services écosystémiques. Ces méthodes quantifient les valeurs des NBS en unités biophysiques et monétaires en informant sur leur coût efficience. Pour atteindre cet objectif spécifique, un cadre conceptuel est développé, s'appuyant sur le Modèle Intégré Multi-échelle des Services Ecosystémiques (MIMES). À partir de là, un modèle de dynamique de système des services et mauvais services écosystémiques est développé et couplé à une méthode d'évaluation du cycle de vie. L'évaluation combinée est testée avec un type de NBS pertinent (une forêt urbaine) dans une projet d’espace vert à l’intérieur de la région métropolitaine de Madrid.Le quatrième objectif spécifique correspond au développement d'un outil d'aide à la décision en ligne qui intègre le cadre d'évaluation les processus de conception itératifs dans la planification urbaine et aménagement paysagère. Le DSS vise à améliorer l'interrelation entre la science, la politique et la planification et dessin urbaine. Pour atteindre cet objectif, un prototype online DSS pour informer sur les NBS, appelé NBenefit®, est développé. Le prototype fournit à l'utilisateur une forme simple de quantification de plusieurs ES et des coûts pour tout le cycle de vie des NBS.Cette thèse a contribué à la caractérisation du NBS et à son évaluation environnementale et économique pour meilleure les processus de planification urbaine et d’aménagement du paysage, permettant une décision plus éclairée.

The recognition of nature in the resolution of societal challenges has been growing in relevance. This has been associated with the development of new concepts from science and policy such as natural capital, ecosystem services, green infrastructure, and more recently Nature-Based Solutions (NBS). NBS intends to address societal challenges in an effective and adaptive form providing economic, social, and environmental benefits. The overall aim of this PhD thesis is to develop an environmental and economic assessment of NBS for highly urbanised territories based on rationales and models underpinning system dynamics, urban/landscape ecology, and life cycle thinking approaches. This combined evaluation approach would help to better understand if NBS are intrinsically cost-effective or not. The aim is developed according to four specific objectives.The first objective corresponds to the characterisation of NBS in relation to urban contexts and the problematics that they can help to address or mitigate. To achieve this objective a critical review on the study of the relationship between NBS, ecosystem services (ES) and urban challenges (UC) was developed. As a main output, a graph of plausible cause-effect relationships between NBS, ES and UC is obtained. The graph represents a firs step to support sustainable urban planning, moving from problems (i.e. urban challenges) to actions (i.e. NBS) to resolutions (i.e. ES).The second objective corresponds to the definition of an adequate set of biophysical and monetary assessment methods to evaluate the value of NBS, especially in urban areas. To achieve this objective, a review of existing methods on ecosystem services valuation, life-cycle assessment, and environmental monetisation are developed. The review takes into account specific constraints such as easiness to use and availability of data. At the end, specific methods and indicators were considered and selected based on their robustness, easiness to use and data requirements.The third objective corresponds to the design of a combined evaluation framework integrating methods from life cycle assessment, system dynamics and ecosystem services that quantifies the value of NBS in biophysical and monetary units informing about the cost-effectiveness of its entire life-cycle. To achieve this objective, a conceptual framework is developed, building on the Multiscale Integrated Model of Ecosystem Services. From it, a system dynamics model of ecosystem (dis)services is developed and coupled with a life cycle assessment method. The combined evaluation is tested with a relevant NBS type (i.e. urban forest) in a case study in the metropolitan area of Madrid.The fourth objective is the development of a decision support (DDS) tool that integrates the evaluation framework as part of iterative design processes in urban planning and landscape design. The DSS intends to enhance the interrelation between science, policy and planning/design. To achieve this objective a user friendly web-based prototype DSS on NBS, called NBenefit®, is developed. The prototype DSS provides the user a simple form of quantifying the provision of multiple ES and costs over the entire life cycle (implementation, operational life, and end-of-life) of NBS.This thesis contributed to the characterisation of NBS and its environmental and economic evaluation to inform urban planning and landscape design processes, allowing decision that are more informed.