Decision-making under uncertainty in model-based water management

Abstract

Balancing the different needs and demands of water users and managing the supply side under temporal and spatial variability and extremes has always been a challenging task for water managers. However, accelerated environmental and societal change aggravates water management as uncertainties increase even further. Decision-making in water management must integrate uncertainty information to base decisions on and be prepared for surprise and ambiguity. While it is often considered that decision-makers do not understand or – at least sometimes – ignore uncertainty analysis, this research shows that uncertainties do in fact matter for water managers and that they already cope with them and acknowledge them as an integral part of their planning. This doctoral research aims at improving the understanding of how scientific uncertainties find better integration into planning and decision-making processes in model-based water management. The thesis hereby follows the hypothesis that understanding and identifying the plurality of practitioners and the diversity of their approaches, perspectives, and reasoning are key aspects to close the science-practice gap. <br /> Extensive expert elicitation, a quantitative survey and qualitative system modelling present the applied methods to answer the research questions. The intensive engagement with practitioners plays a crucial role for the thesis to assess uncertainty perception and handling strategies of water managers. Even though the results are mainly demonstrated at the case of reservoir management under changing intra-annual and annual conditions, the findings can easily be transferred to other water-related management objectives. <br /> The main finding of this research is that water managers acknowledge uncertainties. However, the degree of acknowledgement and handling capacity varies per level of working experience, educational background, type of employer and affiliation to business unit. In close relation to their background, water managers have developed different strategies to handle uncertainties, approaches which may seem less obvious to scientists. Additionally, tacit knowledge plays a major role in handling uncertainties as well as the implicit handling of process uncertainties. A lack of transparency, regulations and constraints in a highly politicized decision-making environment present limitations of uncertainty integration. Thus, the use of uncertainty strategies and routines applied by the practitioners differs regarding group membership and time-frame of the management objective. In the course of this doctoral thesis, three major tools were developed to increase the transparency and integration of uncertainties: 1) a 2x2 uncertainty matrix, 2) an integration and analytical framework, and 3) a qualitative system model. This compilation has identified criteria, described prerequisites and provided a practical strategy to improve the integration of scientific uncertainties into planning and decision-making processes in model-based water management. It gives implications for increasing usability of uncertainty information and enables second or third loop learning for adaptive or transformative water management by fostering cross-communication within practice and between science and practice. This research also presents a theoretical construct to rethink uncertainty implications and their interrelations with respect to a plurality of perspectives, especially, regarding the diversity of practitioners. Furthermore, this research contributed to the science-practice gap research by emphasising the plurality of practitioners' uncertainty perception and handling. Acknowledging this plurality overcomes the thinking of a linear causal chain of information and makes room for a plurality of knowing and, hence, different ways to cope with and to integrate uncertainties into final decisions.

<strong>Entscheidung unter Unsicherheit im Modell-basierten Wassermanagement : Die Wissenschaft-Praxis Schnittstelle</strong><br /> Eine zentrale Herausforderung für das Wassermanagement ist, den Ausgleich zwischen verschiedenen Wassernutzern und ihren Bedürfnissen herzustellen, bei gleichzeitiger Berücksichtigung zeitlicher und räumlicher Variabilität sowie Extreme des Wasserdargebots. Zunehmende Unsicherheiten aufgrund des Umweltwandels und sozialen Wandels erschweren das Management dieser Ressourcen zusätzlich. Die Integration von Unsicherheiten in Entscheidungsprozesse im Wassermanagement ist daher von besonderer Bedeutung, um auf unerwartete Ereignisse und eine große Bandbreite an möglichen Zukunftsszenarien vorbereitet zu sein. Ziel der Arbeit ist es zum Verständnis beizutragen, wie wissenschaftliche Unsicherheiten besser in Planungs- und Entscheidungsprozesse des modell-basierten Wassermanagements integriert werden und die Qualität des Wassermanagements damit verbessert werden kann. Hierbei wird die Hypothese verfolgt, dass das Verständnis und die Identifikation der Pluralität von Akteuren und ihrer unterschiedlichen Ansätze, Perspektiven und Entscheidungsmuster einen Schlüsselaspekt darstellen, um einen Beitrag zur Überbrückung der Lücke zwischen Forschung und Praxis zu leisten. <br /> Hauptmethoden, um die Ziele dieser Arbeit zu erreichen, sind umfangreiche Experteninterviews, Umfragen und qualitative Systemmodellierung. Dabei ist die intensive Auseinandersetzung mit Praxisakteurinnen und -akteuren ein zentrales Element, um die Wahrnehmung und den Umgang mit Unsicherheiten von Wasserressourcenmanagerinnen und -managern einschätzen zu können. Während die Ergebnisse hauptsächlich am Beispiel des Talsperrenmanagements unter sich ändernden intra-annuellen und annuellen Rahmenbedingungen erläutert werden, können sie auch auf alle anderen wasserbezogenen Bereiche übertragen werden. Die zentrale Erkenntnis dieser Arbeit besteht darin, dass Wassermanagerinnen und -manager Unsicherheiten einen hohen Wert beimessen. Die Wahrnehmung und Berücksichtigung von Unsicherheiten und Handlungskapazitäten variieren jedoch in Abhängigkeit von der Erfahrungsstufe der Praxisakteurinnen und -akteure, ihres Bildungshintergrunds, ihres Arbeitgebers, sowie ihrer Zugehörigkeit zu bestimmten Geschäftsbereichen. In Anlehnung an ihr berufliches Umfeld haben diese Akteurinnen und Akteure verschiedene Strategien zum Umgang mit Unsicherheiten entwickelt, die auf den ersten Blick nur schwer von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern wahrgenommen werden. Zusätzlich spielt Erfahrungswissen im Umgang mit wissenschaftlichen Unsicherheiten und Prozessunsicherheiten eine große Rolle. Fehlende Transparenz, Normen und Regularien in einem hoch politisierten Umfeld erschweren die Integration von Unsicherheiten. <br /> Im Rahmen der Arbeit wurden drei Werkzeuge zur Verbesserung der Transparenz und Integration von Unsicherheiten entwickelt: 1) eine 2x2 Unsicherheitsmatrix, 2) ein Integrations- und Analysekonzept, sowie 3) ein qualitatives Systemmodel. Insgesamt wurden Kriterien identifiziert, Voraussetzungen erläutert sowie eine praktische Strategie entwickelt, wie die Integration von wissenschaftlichen Unsicherheiten in wasserbezogene Planungs- und Entscheidungsprozesse verbessert werden kann. Es werden Ansätze aufgezeigt, mit denen die Nutzbarkeit von Unsicherheitsinformationen erhöht werden kann und die einen vertieften Diskurs zwischen Praxisakteurinnen und -akteuren untereinander sowie zwischen Wissenschaft und Praxis ermöglichen. Der theoretische Beitrag dieser Arbeit hebt die Bedeutung der Interrelationen von Unsicherheiten und der Pluralität an Perspektiven und Strategien hervor. Indem diese Vielfalt hervorgehoben wird, wird die Forschung an der Schnittstelle Wissenschaft-Praxis bereichert, da sie alte Annahmen linear-kausaler Zusammenhänge von Informationen verwirft und Raum für eine Pluralität an Wissen sowie unterschiedliche Herangehensweisen hinsichtlich Unsicherheitsintegration in finale Entscheidungen eröffnet.