social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

181
University of Massachuses - Amherst ScholarWorks@UMass Amherst Dissertations Dissertations and eses 9-1-2013 Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate change-induced flooding: A risk assessment for the Charles River watershed, Massachuses, USA Chingwen Cheng University of Massachuses - Amherst, [email protected] Follow this and additional works at: hp://scholarworks.umass.edu/open_access_dissertations is Open Access Dissertation is brought to you for free and open access by the Dissertations and eses at ScholarWorks@UMass Amherst. It has been accepted for inclusion in Dissertations by an authorized administrator of ScholarWorks@UMass Amherst. For more information, please contact [email protected]. Recommended Citation Cheng, Chingwen, "Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate change-induced flooding: A risk assessment for the Charles River watershed, Massachuses, USA" (2013). Dissertations. Paper 781.

Upload: ngothuy

Post on 02-Jan-2017

224 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

University of Massachusetts - AmherstScholarWorks@UMass Amherst

Dissertations Dissertations and Theses

9-1-2013

Social vulnerability, green infrastructure,urbanization and climate change-induced flooding:A risk assessment for the Charles River watershed,Massachusetts, USAChingwen ChengUniversity of Massachusetts - Amherst, [email protected]

Follow this and additional works at: http://scholarworks.umass.edu/open_access_dissertations

This Open Access Dissertation is brought to you for free and open access by the Dissertations and Theses at ScholarWorks@UMass Amherst. It hasbeen accepted for inclusion in Dissertations by an authorized administrator of ScholarWorks@UMass Amherst. For more information, please [email protected].

Recommended CitationCheng, Chingwen, "Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate change-induced flooding: A risk assessment forthe Charles River watershed, Massachusetts, USA" (2013). Dissertations. Paper 781.

Page 2: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

SOCIAL VULNERABILITY, GREEN INFRASTRUCTURE, URBANIZATION AND CLIMATE CHANGE‐

INDUCED FLOODING: A RISK ASSESSMENT FOR THE CHARLES RIVER WATERSHED, 

MASSACHUSETTS, USA 

 

 

 

 

A Dissertation Presented 

by 

CHINGWEN CHENG 

 

 

 

 

 

 

Submitted to the Graduate School of the 

University of Massachusetts Amherst in partial fulfillment 

of the requirements for the degree of 

 

DOCTOR OF PHILOSOPHY 

September 2013 

Regional Planning 

 

Page 3: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

© Copyright by Chingwen Cheng 2013  

All Rights Reserved 

   

Page 4: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

SOCIAL VULNERABILITY, GREEN INFRASTRUCTURE, URBANIZATION AND CLIMATE CHANGE‐

INDUCED FLOODING: A RISK ASSESSMENT FOR THE CHARLES RIVER WATERSHED, 

MASSACHUSETTS, USA 

 

A Dissertation Presented 

by 

CHINGWEN CHENG 

 

 

Approved as to style and content by: 

 

 __________________________________________   

Elizabeth A. Brabec, Chair 

 

 __________________________________________   

Robert L. Ryan, Member 

 

 __________________________________________   

Qian Yu, Member 

 

 __________________________________________   

Yi‐Chen Ethan Yang, Member 

 

 ______________________________________   

Elisabeth M. Hamin, Department Head 

Department of Landscape Architecture and 

Regional Planning   

Page 5: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

 

 

To  

My Grandparents 

My Parents 

Page 6: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

ACKNOWLEDGMENTS 

  This research is based upon work supported by the National Institute of Food and 

Agriculture, the U.S. Department of Agriculture, the Massachusetts Agricultural Experiment 

Station, the Department of Environmental Conservation under Project No. MAS009584 and 

MAS00971, and the National Science Foundation under Grant No. BCS‐0948984.  In addition, 

this work is funded by the Water Resources Research Center (grant award year 2012‐2013) at 

the University of Massachusetts Amherst.  Finally, my PhD study has been generously supported 

through several Teaching and Research Assistantships at the Department of Landscape 

Architecture and Regional Planning in addition to a Study Abroad Scholarship from the Ministry 

of Education in Taiwan.   

  The completion of my PhD study would not have been possible without the support of 

my committee and many people.  I would like to express my deepest gratitude to my advisor, 

Professor Elizabeth Brabec.  I thank her for giving me the opportunity to study and for leading 

me into an academic career.  Without her persistent encouragement and support, I would not 

have started and finished my PhD journey smoothly.  I would also like to express my very great 

appreciation to Dr. Robert Ryan.  I thank him for supporting me throughout my studies, advising 

me in research design, providing feedback and comments throughout the process, and 

mentoring me in my academic career.  Advice given by Dr. Yi‐Chen Ethan Yang was a 

tremendous help in building the model and analyzing the data for this research.  I thank him for 

giving his generous time, helpful insights and advice for raising the quality of the research.   Last 

but not least in my dissertation committee, I thank Dr. Qian Yu for her helpful guidance in 

research methods and constructive advice whenever I needed it.   

I would also like to express my deepest appreciation to Dr. Mark Hamin.  I thank him for 

being on my exam committee and providing generous and insightful feedback in my academic 

Page 7: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

vi 

experiences.  I am particularly grateful for the guidance and support given by Dr. Elisabeth 

Hamin throughout the PhD program.  I would also like to extend my greatest appreciation to all 

the faculty and staff in LARP for all the assistance provided throughout my academic 

experiences.      

  I would like to express my sincerest thanks to Dr. Paige Warren.  I thank her for giving 

me the opportunity and continuous support in the BMA ULTRA‐ex project.  I also wish to 

acknowledge the BMA ULTRA‐ex team who have provided regular feedback and help during the 

development of the work―Dr. Robert Ryan, Dr. Craig Nicolson, Dr. Michael Strohbach, Dr. Jack 

Ahern, Dr. Erick Strauss, Rachel Danford, Torrey Wolff and Dr. Andreia Quintas.  I would also like 

to express my gratitude to Dr. Henry Renski, Dr. Ken‐Hou Lin and Miao‐Shan Yen for their 

helpful insights about my research design and methods as well as Dr. Susan Cutter for 

generously providing her “SoVI recipe.”    

Finally, I am tremendously grateful to my family and all my friends, for their company, 

moral support and all the help they gave me when I needed it most.  I would like to express my 

gratitude to Frank Bryan for his help in meticulously proofreading every word in the dissertation.  

I thank my dear family for their unconditional support throughout my years living abroad and 

particularly their understanding and encouragement for finishing my PhD studies.  I am 

particularly grateful for my wonderful parents, Linche Cheng and Suli Tsai, for having set an 

example of persistence and endurance in achieving their goals in addition to their passion and 

great love of working for the community.  I thank them for giving me the opportunity and their 

encouragement to seize mine.  Lastly, my very special and warm thanks to Róbert Gál for giving 

me the strength I needed to have made this dissertation possible. 

   

Page 8: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

vii 

ABSTRACT 

SOCIAL VULNERABILITY, GREEN INFRASTRUCTURE, URBANIZATION AND CLIMATE CHANGE‐

INDUCED FLOODING: A RISK ASSESSMENT FOR THE CHARLES RIVER WATERSHED, 

MASSACHUSETTS, USA 

 

SEPTEMBER 2013 

CHINGWEN CHENG 

B.S., NATIONAL TAIWAN UNIVERSITY 

M.L.A., UNIVERSITY OF MICHIGAN ANN ARBOR 

PH.D., UNIVERSITY OF MASSACHUSETTS AMHERST 

DIRECTED BY: ELIZABETH A. BRABEC 

 

Climate change is projected to increase the intensity and frequency of storm events that 

would increase flooding hazards.  Urbanization associated with land use and land cover change 

has altered hydrological cycles by increasing stormwater runoff, reducing baseflow and 

increasing flooding hazards.  Combined urbanization and climate change impacts on long‐term 

riparian flooding during future growth are likely to affect more socially vulnerable populations.  

Growth strategies and green infrastructure are critical planning interventions for minimizing 

urbanization impacts and mitigating flooding hazards.  Within the social‐ecological systems 

planning framework, this empirical research evaluated the effects of planning interventions 

(infill development and stormwater detention) through a risk assessment in three studies.   

First, a climate sensitivity study using SWAT modeling was conducted for building a long‐

term flooding hazard index (HI) and determining climate change impact scenarios.  A Social 

Vulnerability Index (SoVI) was constructed using socio‐economic variables and statistical 

Page 9: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

viii 

methods.  Subsequently, the long‐term climate change‐induced flooding risk index (RI) was 

formulated by multiplying HI and SoVI.  Second, growth strategies in four future growth 

scenarios developed through the BMA ULTRA‐ex project were evaluated through land use 

change input in SWAT modeling and under climate change impact scenarios for the effects on 

the risk indices.  Third, detention under climate sensitivity study using SWAT modeling was 

investigated in relation to long‐term flooding hazard indices.   

The results illustrated that increasing temperature decreases HI while increasing 

precipitation change and land use change would increase HI.  In addition, there is a relationship 

between climate change and growth scenarios which illustrates a potential threshold when the 

impacts from land use and land cover change diminished under the High impact climate change 

scenario.  Moreover, spatial analysis revealed no correlation between HI and SoVI in their 

current conditions.  Nevertheless, the Current Trends scenario has planned to allocate more 

people living in the long‐term climate change‐induced flooding risk hotspots.  Finally, the results 

of using 3% of the watershed area currently available for detention in the model revealed that a 

projected range of 0 to 8% watershed area would be required to mitigate climate change‐

induced flooding hazards to the current climate conditions.   

This research has demonstrated the value of using empirical study on a local scale in 

order to understand the place‐based and watershed‐specific flooding risks under linked social‐

ecological dynamics.   The outcomes of evaluating planning interventions are critical to inform 

policy‐makers and practitioners for setting climate change parameters in seeking innovations in 

planning policy and practices through a transdisciplinary participatory planning process. 

Subsequently, communities are able to set priorities for allocating resources in order to enhance 

people’s livelihoods and invest in green infrastructure for building communities toward 

resilience and sustainability.         

Page 10: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

ix 

TABLE OF CONTENTS 

  Page 

ACKNOWLEDGMENTS ...................................................................................................................... v 

ABSTRACT ........................................................................................................................................ vii 

LIST OF TABLES ............................................................................................................................... xiv 

LIST OF FIGURES ............................................................................................................................. xvi 

CHAPTER 

1. INTRODUCTION ............................................................................................................................ 1 

1.1  Planning in wicked social‐ecological systems .............................................................. 1 

1.2  Social‐ecological systems research .............................................................................. 3 

1.3  Research issues and background ................................................................................. 5 

1.4  Research questions and hypotheses ............................................................................ 9 

1.5  Social‐ecological systems planning framework and research ................................... 10 

1.6  Organization of chapters ............................................................................................ 13 

2. BACKGROUND ............................................................................................................................ 15 

2.1  Planning in social‐ecological systems ........................................................................ 15 

2.1.1  Resilience and climate change ................................................................... 15 

2.1.2  Watershed as a social‐ecological planning unit ......................................... 18 

2.2  Hazards, vulnerability, risk assessment ..................................................................... 19 

2.2.1  Risks and disasters ..................................................................................... 19 

2.2.2  Vulnerability and resilience ....................................................................... 20 

2.2.3  Vulnerability assessment models .............................................................. 21 

2.3  Urbanization impacts in social‐ecological systems .................................................... 24 

2.3.1  Urban hydrology overview ......................................................................... 24 

Page 11: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

2.3.3  Urbanization impacts on streamflow and flooding ................................... 26 

2.4  Climate change impacts on hydrology in New England ............................................. 30 

2.5  Study context and study area .................................................................................... 30 

3. LONG‐TERM CLIMATE CHANGE‐INDUCED FLOODING RISK ASSESSMENT ................................ 34 

3.1  Introduction ............................................................................................................... 34 

3.2  Background ................................................................................................................ 35 

3.2.1  Flooding losses in the Boston Metropolitan Area ..................................... 35 

3.2.2  Demographics and status of equity in the Boston Metropolitan 

Area ......................................................................................................... 38 

3.2.3  Social vulnerability and its measures ......................................................... 43 

3.3  Methodology .............................................................................................................. 45 

3.3.1  Risk assessment framework ....................................................................... 45 

3.3.2  SWAT Modeling.......................................................................................... 47 

Model description ................................................................................... 48 

Model input and data source ................................................................. 49 

Model calibration and validation ............................................................ 53 

3.3.3  Climate change assessment methods ........................................................ 54 

Climate sensitivity tests .......................................................................... 56 

Climate change impact scenarios ........................................................... 61 

3.3.4  Social Vulnerability Index (SoVI) ................................................................ 64 

3.3.5  Long‐term climate change‐induced flooding risk index  (RI) ..................... 68 

3.4  Results ........................................................................................................................ 69 

3.4.1  HI and SoVI spatial overlay ........................................................................ 69 

3.4.2  Long‐term climate change‐induced flooding risk assessment ................... 70 

Page 12: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

xi 

3.5  Discussion ................................................................................................................... 72 

3.5.1  Climate change impacts on the HI ............................................................. 72 

3.5.2  HI and SoVI HotSpots spatial mismatch ..................................................... 73 

3.5.3  Growing risks in suburbs ............................................................................ 75 

3.5.4  Limitation of this study .............................................................................. 76 

3.6  Conclusion .................................................................................................................. 78 

4. FUTURE LONG‐TERM CLIMATE CHANGE‐INDUCED FLOODING RISK ASSESSMENT 

UNDER GROWTH SCENARIOS AND CLIMATE CHANGE SCENARIOS ................................. 80 

4.1  Introduction ............................................................................................................... 80 

4.2  Background ................................................................................................................ 82 

4.2.1  MAPC community types and MetroFuture ................................................ 82 

4.2.2  BMA ULTRA‐ex growth scenarios 2030 ..................................................... 84 

4.2.3  Population and growth scenarios .............................................................. 85 

4.3  Methodology .............................................................................................................. 88 

4.3.1  Future long‐term climate change‐induced flooding risk 

assessment framework ........................................................................... 88 

4.3.2  Projected population to land use conversions .......................................... 89 

Step 1: Identify developable lands ......................................................... 90 

Step 2: Define housing density types ..................................................... 93 

Step 3: Inner Core communities development assumptions ................. 94 

Step 4: Non‐Core communities development assumptions ................... 95 

Step 5:  2030 land use decision rules ...................................................... 97 

4.3.3  SWAT 2030 land use .................................................................................. 99 

4.4  Results ...................................................................................................................... 101 

Page 13: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

xii 

4.4.1  Land use change ....................................................................................... 101 

4.4.2  Future growth scenario impacts .............................................................. 103 

4.5  Discussion ................................................................................................................. 109 

4.5.1  Growth strategy and urban landscape change ........................................ 109 

4.5.2  Land use and land cover change .............................................................. 110 

4.5.3  Growing population in RI HotSpots ......................................................... 112 

4.5.4  Climate change vs. urbanization impacts ................................................ 114 

4.6  Conclusion ................................................................................................................ 115 

5. EFFECTS OF DETENTION FOR MITIGATING CLIMATE CHANGE‐INDUCED LONG‐TERM 

FLOODING HAZARDS ....................................................................................................... 117 

5.1  Introduction ............................................................................................................. 117 

5.2  Background .............................................................................................................. 118 

5.2.1  Planning origins for green infrastructure in hazard mitigation ............... 118 

5.2.2  Green infrastructure practices for flooding mitigation ........................... 120 

5.3  Methods ................................................................................................................... 121 

5.4  Results ...................................................................................................................... 124 

5.5  Discussion ................................................................................................................. 128 

5.5.1  Detention effects under climate change impacts .................................... 128 

5.5.2  Detention effects on reducing long‐term flooding risks .......................... 128 

5.5.3  Adaptive land use planning ...................................................................... 129 

5.5.4  Resilient stormwater management design .............................................. 131 

5.6  Conclusion ................................................................................................................ 133 

6. CONCLUSION ............................................................................................................................ 134 

6.1  Contribution to the field in planning ....................................................................... 134 

Page 14: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

xiii 

6.1.1  On‐site detention innovations ................................................................. 136 

6.1.2  Remove people from the risk equation ................................................... 137 

6.1.3  Reduce social vulnerability in the risk equation ...................................... 137 

6.1.4  Green equity ............................................................................................ 138 

6.2  Future directions ...................................................................................................... 138 

6.3  Final remarks ............................................................................................................ 139 

BIBLIOGRAPHY ............................................................................................................................. 141 

 

   

Page 15: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

xiv 

LIST OF TABLES 

Table  Page 

3.1  Monetary loss in property damages (in 2011 dollars) in Massachusetts and the 

Boston Metropolitan Area from 1953 to 2011…………………………………………………………… 36     

3.2  Concepts and indicators with positive effects on social vulnerability  and 

corresponding Social Vulnarbility Index variables……………………………………………………… 44 

3.3  SWAT 2005 land use categories………………………………………………………………………………… 52 

3.4  Descriptive statistics of Social Vulnerability Index variables……………………………………… 65 

3.5  Principal component analysis of Social Vulnerability Index ………………………………………. 67 

3.6  Summary of descriptive statistics of long‐term climate change‐induced flooding risk 

index (RI) among climate change impact scenarios…………………………………………………… 71 

4.1  Summary of growth strategies applied in the growth scenarios for the Boston 

Metropolitan Area through 2030………………………………………………………………………………. 85 

4.2  Summary of projected population and housing units increase from 2000 to 2030 

between Inner Core and non‐core communities among growth scenarios ………………. 87 

4.3  MassGIS 2005 land use categorized for developable versus non‐developable land 

uses in Inner Core and non‐core communities………………………………………………………….. 91 

4.4  2030 land use categories and descriptions……………………………………………………………….. 98 

4.5  2005 land use to 2030 land use conversion rules …………………………………………………….. 99 

4.6  SWAT 2030 land use designation based on 2030 land use ……………………………………….. 100 

4.7  Land use change areas from 2005 to 2030 in growth scenarios ……………………………….. 102 

4.8  Summary of risk assessment indices descriptive statistics………………………………………… 104 

4.9  Infill land change analyses among growth scenarios ………………………………………………… 110 

Page 16: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

xv 

4.10  Mean and standard deviation of percent imperviousness in each SWAT 2005 land 

use category for the Boston Metropolitan Area ……………………………………………………….. 111 

4.11  Projected impervious increase from total land use change areas from 2005 to 2030 

among growth scenarios ……………………………………………………………………………………....... 112 

5.1  Pearson’s correlation coefficient between long‐term flooding hazard index (HI) and 

the fraction of detention area modeled in sub‐watershed in climate change 

conditions…………………………………………………………………………………………………………………. 126 

5.2  Summary of regression coefficients and percent detention area required for 

reaching hazard mitigation goals ………………………………………………………………………………  127 

6.1  Summary of research hypotheses and findings ..……………………………………………………... 135 

   

 

 

 

 

 

 

   

         

   

Page 17: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

xvi 

LIST OF FIGURES 

Figure  Page 

1.1   A conceptual framework of a social‐ecological system in urban ecology .....…………….   5 

1.2  A social‐ecological systems planning framework ……………………………………………………... 12   

1.3  Research study in the social‐ecological systems planning framework ……………………... 13   

2.1  Water balance in an urbanized watershed ……………………………………………………………….. 25 

2.2  Flood frequency curves in highly urbanized areas …………………………………………………….. 27 

2.3  Number of overbank flooding events in a year in relation to urbanization ……………….. 28 

2.4  Location of the Charles River Watershed study area ………………………………………………... 32 

2.5  Current land cover types in percentages of the Charles River Watershed area ………… 33 

3.1  Monetary losses compared between Boston Metropolitan Area (BMA) and Non‐

BMA in Massachusetts from 1953 to 2011 ……………………………………………………………….. 38   

3.2  Difference in percentage of foreign‐born residents from 2000 to 2009 in BMA and 

the Charles River Watershed ………………………………………………………………………………….... 39   

3.3  Poverty rate from 2005 to 2009 in BMA and the Charles River Watershed .……………..  40 

3.4  The number of people met the Environmental Justice criteria in Massachusetts, the  

Boston Metropolitan Area and the Charles River Watershed …………………………………… 41 

3.5  Location of the Environmental Justice populations in the Boston Metropolitan Area 

and the Charles River Watershed ……………………………………………………………………………… 42 

3.6  Risk assessment framework for the long‐term climate change‐induced flooding 

hazards and social vulnerability in the Charles River Watershed ………………………………. 46 

3.7  Location and size of the subbasins compared to the census tract patterns in the 

Charles River Watershed ………………………………………………………………………………………….. 51 

3.8    SWAT calibration and validation hydrograph in the Charles River Watershed ………….  54 

Page 18: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

xvii 

3.9    Histogram of the number of climate sensitivity tests in a range of long‐term flooding 

hazard indices ……………………………………………………………………………………………………........ 57 

3.10  Climate sensitivity tests results in long‐term flooding hazard index (HI) controlled by 

mean temperature change  ………………………………………………………………………………………. 58 

3.11    Climate sensitivity tests results in long‐term flooding hazard index (HI) controlled by 

precipitation variation change  …………………………………………………………………………………. 59 

3.12    Climate sensitivity tests results in long‐term flooding hazard index (HI) controlled by 

mean precipitation change ………………………………………………………………………………………. 60 

3.13    Projected annual mean temperature change under IPCC scenarios …………………………  61 

3.14    Annual average precipitation change from downscaled GCM models………………………  62 

3.15    Climate change impact scenarios …………………………………………………………………………….. 63 

3.16    Spatial overlay between the long‐term flooding hazard index (HI) and the Social 

Vulnerability Index (SoVI) …………………………………………………………………………………………. 70 

3.17    Maps of the long‐term flooding risk index (RI) among climate change impact 

scenarios ………………………………………………………………………………………………………............. 72 

3.18     The Getis‐Ord Gi*Hot Spots spatial analyses revealed spatial mismatch between (a) 

the long‐term flooding hazard index and (b) the Social Vulnerability Index ……………… 74 

4.1  Charles River Watershed study area and the Metropolitan Area Planning Council 

(MAPC) community types in the Boston Metropolitan Area …………………………….......... 83 

4.2     Future long‐term climate change‐induced flooding risk assessment framework 

integrating growth scenarios 2030 and climate change impact scenarios ………………… 89 

4.3    Housing density decision tree for Inner Core communities ………………………………….…… 95 

4.4    Housing density decision tree for non‐core communities ………………………………………..  97 

Page 19: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

xviii 

4.5    Percentage of watershed area change from lower density in 2005 land use to higher 

density among growth scenarios ……………………………………………………………………………….103 

4.6    The long‐term climate change‐induced flooding risk index (RI) mean and standard 

deviation among climate change impact and growth scenarios ……………………………….. 105 

4.7   Long‐term flooding hazard index (HI) density distributions among growth and 

climate change impact scenarios ……………………………………………………………………………… 106 

4.8  Maps of long‐term climate change‐induced flooding risk index (RI) in current climate 

conditions among growth scenarios …………………………………………………………………………. 107 

4.9   Maps of the long‐term climate change‐induced risk index (RI) in the Current Trends 

growth scenario among climate change impact scenarios ……………………………………….. 108 

4.10   Maps of allocation of projected increased population in growth scenarios overlaid 

with current conditions of long‐term flooding risk index (RI) HotSpots ……………………. 114 

5.1    Research framework for using green infrastructure for mitigating climate change 

impacts on long‐term flooding hazards ..………………………………………………….……………...  122 

5.2  Significant effects of detention in mitigating long‐term flooding hazards in ten 

climate change conditions ..……………………………………………………………………………….......   127 

5.3   Detention effects on long‐term climate change‐induced flooding risk index (RI) in 

climate change impact scenarios compared to RI HotSpots in current climate 

conditions  …..…………………………………………………………………………………………………………… 129 

 

Page 20: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

CHAPTER 1 

INTRODUCTION 

 “Man and nature are the twin agents of the perennial revolution which shapes 

and reshapes the face of the earth and the character of man’s activities.” 

(Gutkind 1952) 

1.1  Planning in wicked social‐ecological systems 

Planning is to re‐solve wicked problems inherent in society in which no optimum 

solution can be found as a result of ill‐defined public policy issues (Rittel and Webber 1973), 

regardless of whether the questions concern the location of a wind turbine, the adjustment of a 

tax rate, or gun control.  Dealing with planning issues in the coupled human and natural systems 

adds another layer of complexity and uncertainty.  Coping with the dynamics of change requires 

integrated systems thinking and interdisciplinary conceptual frameworks to untangle wicked 

planning issues such as sustainability and climate change.  Resilience theory in the linked social‐

ecological systems has provided an alternative lens through which to view planning framework 

for both problem‐setting and problem‐solving (Wilkinson 2012).   

 Human is part of the ecosystem.  Like other animals, human shapes and is being shaped 

by the physical environment; yet unlike other animals, human has the capacity to build beyond 

an ecosystem’s capacity to sustain, which in turn is unable to sustain Homo sapiens.  The 

concept of the coupled human and natural systems (Liu et al. 2007) or the linked social‐

ecological systems (Folke 2006) indicates that ecology and society are intricately connected as 

one system, much like a water molecule (H2O) which bonds hydrogen (H2) and oxygen (O2). Just 

as the properties of water are entirely different from hydrogen or oxygen, the linked social‐

ecological systems are different from their component parts.   We can study nature and society 

Page 21: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

as separate objects.  Examples include a biologist studying the mechanism in a mantis shrimp’s 

raptorial appendages that exhibit a powerful movement with a speed of 23 meters per second 

under the water, a sociologist studying to what degree women receive less pay than men, and 

economists arguing whether a threshold exists in national debts that indicate the needs for 

austerity measures in a government.  On the other hand, complex problems such as setting a 

sustainable yield amount for wood harvesting ―an issue interlinked with the tree’s biological 

growth in ecosystems, economic demand and supply curve, cultural values of environmental 

ethics, social structures governing the management of land―that involve interactions between 

people and ecosystems have revealed wicked planning issues in the intricately linked social‐

ecological systems.   Sustainable development that planners struggle with for decades is not an 

ecological problem alone, and not an economic problem alone, not a social problem alone; it is a 

convergence of all three aspects integrated in the linked social‐ecological system (Holling 2001).  

Climate change is another complex planning issue in the multi‐scale social‐ecological 

system.  Induced by anthropogenic greenhouse gases (IPCC 2007), climate change has not only 

threatened habitats for wildlife such as polar bears but also livelihoods for Homo sapiens.  The 

increased sea levels would likely force people who live in coastal low‐lying areas and island 

nations to migrate to higher areas or other countries or otherwise require necessary adaptation 

measures that are likely unaffordable for the most impacted low‐income island nations such as 

Indonesia, the Philippines, and other Pacific Island countries.  The changing rainfall patterns and 

early glacial and snow melt, in addition to sea water intrusion, would worsen water accessibility 

and affect rain‐fed dependent agriculture such as the farms in northeastern Brazil.  It would also 

increase the burdens of women in households looking for alternative water sources in some 

African countries.  The increased range of uncertainty in weather‐related disasters would also 

increase intensity and frequency of extreme weather such as heat waves, extreme cold‐days, 

Page 22: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

droughts, storms, hurricanes, tornados, and severe winter weather and cause major casualties 

and property damage, particularly in already risk‐prone areas in low‐ and middle‐income 

countries as well as in developed countries (Leary 2008).  The scale and complexity in global 

social‐ecological systems involving international politics are particularly wicked in order to cope 

with anticipated environmental, social and economic impacts from climate change.  

1.2  Social‐ecological systems research  

The science of integrating ecology and sociology can be traced back to the 1920s at the 

Chicago School of Sociology when Park and Burgess studied people’s interaction with urban 

landscapes.  Park introduced three ecological theories―competition, niche partitioning and 

succession―to understand the drivers for spatial differentiation of people in cities (Humphries 

2012).  Since then, multiple disciplines have evolved to study the interactions between people 

and ecosystems such as human ecology, urban ecology, ecological economics, landscape 

architecture, urban design and regional planning.  In order to have a comprehensive 

understanding of linked systems, it is necessary for a synthesis and integration of several 

different conceptual frames (Costanza et al. 1993).   

A social‐ecological system can be illustrated as the dynamics between the biological and 

human ecosystems integrating social, biological, physical, and built components interacting with 

one another (Cadenasso and Pickett 2013)(Figure 1.1).  Urban ecologists have studied social‐

ecological systems intensively with two approaches known as “ecology of cities” and “ecology in 

cities” (Pickett et al. 2001).  The “ecology in cities” provides lens in analyzing how human 

settlement and activities affect the physical environment.  The impact of urbanization on natural 

ecosystem and environment can then be described and quantified.  For example, impervious 

Page 23: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

surfaces derived from the built development have multiple impacts on the functions of 

ecosystems in cities, including alteration of the natural water cycle with increased surface runoff 

and reduced groundwater infiltration and recharge, as well as urban heat island effect that is 

associated with alteration of micro climate (Pickett et al. 2001).   

  The “ecology of cities” provides a system‐oriented approach in examining cities as a 

dynamic ecosystem.  Classical theory of ecology considers that an ecosystem is a closed, self‐

contained and equilibrium system.  Contemporary ecosystem theory, on the other hand, 

proposes that an ecosystem is non‐equilibrium and a connected open system that can withstand 

disturbances to the degree below the threshold in which the system would change to another 

state (pick 2001, 2004, cade 2004, walker 2006).  The contemporary school of thoughts opened 

a window for a more comprehensive theory in connecting ecological, social, and physical 

dimensions in urban ecology studies (Cadenasso and Pickett 2013).     

In 1997 in the United States, the National Science Foundation (NSF)made the first 

attempt to fund long‐term ecological research (LTER) projects in two cities—Phoenix and 

Baltimore.  Continuing the momentum, the Urban Long‐Term Research Areas program was 

initiated with exploratory grants (ULTRA‐Ex) to start long‐term social‐ecological research in over 

20 cities (Humphries 2012).  The Baltimore Ecosystem Study, for example, aimed to serve 

Baltimore metropolitan area, including Baltimore, Baltimore County and six other counties in 

Maryland.  The first phase of the project has focused on the Gwynns Falls Watershed, including 

Baltimore and its region with a population of about 356,000 in 1990 (BES 2010).  The goal of the 

study was to understand the patch dynamics—patterns and changes in hierarchical spatial 

heterogeneity and the effects of this heterogeneity on ecosystem function (Pickett and 

Cadenasso 2006).  The patch dynamics serve as a tool that integrates biophysical and social 

Page 24: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

components of the human ecosystem.  In addition, the directional water flow, along with its 

ability to transport materials and exchange energy, plays a key role in integrating multiple 

functions of a watershed (Pickett and Cadenasso 2006).   Therefore, a watershed is a logical 

study unit for linked social‐ecological systems research. 

 

Figure 1. 1  A conceptual framework of a social‐ecological system in urban ecology  

(Cadenasso and Pickett 2013) 

1.3  Research issues and background 

“The time is ripe for some form of precautionary planning which considers 

vulnerability of the population as the real cause of disaster – a vulnerability that 

is induced by social‐economic conditions that can be modified by man, and is not 

just an act of God.  Precautionary planning must commence with the removal of 

concepts of naturalness from natural disasters.”  (O'Keefe, Westgate, and 

Wisner 1976) p 567 

Physical  Biological 

Built  Social 

The biological ecosystem concept 

The human ecosystem concept

Page 25: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

The tragedy of 2005 Hurricane Katrina was a human rather than a natural disaster. 

Natural hazards have become intricately intertwined with technological and man‐made hazards 

(Colten 2006; Walker and Burningham 2011) in the dynamically linked social‐ecological systems.  

Flood is omnipresent in almost every city in the United States (White and Haas 1975; Platt 

1999).  Among the nation’s economic losses caused by natural disasters in the past fifty years, 

more than half are due to flooding‐related damages—as much as 291 billion in 2009 dollars (Gall 

et al. 2011).  Under the impact of climate change, more frequent and intense floods as a result 

of the increased intensity and duration of storm events are likely to affect the Northeast region 

(IPCC 2007; Rock et al. 2001).  The increased frequency of extreme storm events in recent 

decades—Superstorm Sandy in 2012, Hurricane Irene in 2011 and serious floods in 2011, 2010, 

and 2005—has coincided with climate change projections in the Northeast.  The phenomenon 

that the increased natural hazards that are likely to be aggravated by climate change is referred 

to as “climate change‐induced” hazards in this study.   

The Boston Metropolitan Area, consisting of 101 communities with a population of 3.16 

million, is expected to grow about 10% by 2030 (MAPC 2009).  Currently, the population is 

aging, becoming more diverse in its younger cohort, increasing in inequality in socio‐economic 

status, and increasing in needs for support for minority groups and immigrants.  The current 

demographics and socio‐economic structure exemplify with some of the key concepts of social 

vulnerability.  Socially vulnerable populations are place‐specific and include not only people who 

are poor or have lower social status, but also women, children, the elderly, people who have 

insufficient access to natural resources and capital investment, those who live under insecure 

political regimes, and those who have at best a limited voice in the political realm (Bartlett 2008; 

Douglas et al. 2008; Hardoy and Pandiella 2009; Maantay and Maroko 2009).  Moreover, race 

and immigration status, in addition to poverty, have been shown to be positively related to 

Page 26: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

social vulnerability in the United States (Colten 2006).  Therefore, the root cause of social 

vulnerability resides in social systems created by society (Beck 1992)and is inherent in the 

process of urbanization.   

As one of the NSF‐funded ULTRA‐ex projects, the BMA ULTRA‐ex project aims to 

understand the socio‐economic (e.g., land use policy, population change, investment, social 

capital) and bio‐physical (e.g., climate change) drivers that influence social‐ecological processes 

(e.g., land use and land cover change, urban greening development and stewardship) that 

interact within ecosystems and have impacts on social‐ecological outcomes (e.g., biodiversity, 

water quality and quantity, public health) (BMA‐ULTRA).   

Growth strategy, as a planning intervention, differentiates compact development and 

redeveloping existing built areas (i.e., Infill development) from suburban sprawl that targets 

clearing agriculture, forest, wetlands and other open space for new development (i.e., greenfill 

development).  To investigate land use and land cover change driven by population growth, the 

BMA ULTRA‐ex team has developed four different growth scenarios that vary in growth strategy 

in allocating projected population between the inner cities and suburbs.   

Current Trends follows a suburban sprawl pattern.  MetroFuture aligns with policies set 

forth by the Metropolitan Planning Area Council (MAPC) for the region and focuses on Transit‐

Oriented Development and farmland preservation.  Green Equity emphasizes allocating urban 

greening (e.g., trees, green infrastructure) for underserved neighborhoods (e.g., low‐income, 

minority) for environmental justice (see detailed findings on tree allocation in relation to 

environmental justice in Boston (danford review).  Finally, Compact Core investigates even 

higher density and more infill development in the inner cities of the metropolitan area in order 

to preserve open space in the suburban and rural areas.  In addition, the BMA ULTRA‐ex growth 

scenarios were developed through a transdisciplinary participatory planning process (Meppem 

Page 27: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

and Gill 1998) with stakeholders and multi‐institutions in a feedback loop of learning and 

developing scenarios in deliberating multiple benefits toward a consensus of sustainable 

development. 

  Green infrastructure is a planning intervention that is widely accepted in national 

policies for sustainable development and stormwater management.  In the report Towards A 

Sustainable America: Advancing Prosperity, Opportunity, and a Healthy Environment for the 21st 

Century written by the President’s Council on Sustainable Development (PCSD), green 

infrastructure was identified as one of the five strategic areas of sustainable community 

development (1999).  In the same report, green infrastructure was defined as an interconnected 

ecological network of natural and man‐made spaces that value different social, economic, 

cultural, and ecological functions provided by ecosystems in order to guide sustainable 

development (PCSD 1999).  The benefits provided by green infrastructure are therefore 

interlinked with social‐ecological systems.  The United States Environmental Protection Agency 

particularly emphasizes using green infrastructure for managing water quality and quantity (i.e. 

stormwater management) (EPA 2013).  As urbanization impacts on urban hydrology and climate 

change‐induced flooding increasingly becomes an eminent threat to cities, the role of green 

infrastructure in enhancing resilience in urban ecosystems and as a climate change adaptation 

strategy in coping with effects from climate change impact is an emerging research area.  

Furthermore, the way in which green infrastructure plays a role in serving the socially vulnerable 

population to enhance social resilience is critical for contributing to the knowledge of the social 

functions of green infrastructure performance as well as for the integration of ecological design 

with community planning.     

While global climate change poses impacts across temporal and spatial scales, for 

regional planning on a scale such as the Boston Metropolitan Area or for local planning in the 

Page 28: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

city of Boston, there is a need for empirical study on a local scale using climate change 

parameters for setting the planning framework.  In addition, it is critical to understand the 

interaction between society and ecology, the hydrological functions in urban systems, and the 

livelihood of residents in relation to flooding hazards that can potentially be aggravated by 

climate change.  Finally, we need to evaluate the effects of planning interventions in the linked 

social‐ecological systems in order to better plan for climate change towards resilience and 

sustainability. 

1.4  Research questions and hypotheses 

It is with the understanding of the linked social‐ecological systems that this research is 

intended to provide a resilience planning framework and empirical planning research for the 

investigation of how planning interventions interact between people and ecosystems.  The 

empirical case study applied in this research aims to use flooding as a social‐ecological medium 

to unpack the relationship between climate change‐induced flooding hazards and social 

vulnerability in addition to the evaluation of planning interventions―growth strategy and green 

infrastructure ―on the effects of reducing climate change‐induced flooding risks.   

Charles River Watershed is one of the watersheds within the Boston Metropolitan Area 

which has the most population and contains the most socially vulnerable groups.  The 

overarching research questions are: (1) To what degree does climate change become sensitive 

to flooding hazards in the watershed?  (2)What is the spatial relationship between flooding 

hazards and social vulnerability under climate change scenarios?  (3) In what way do growth 

scenarios associated with land use and land cover change influence flooding hazards, in addition 

to the impacts from climate change scenarios?   (4) To what degree does green infrastructure 

Page 29: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

10 

mitigate climate change‐induced flooding hazards?  (5) What is the role of planning 

interventions in social‐ecological resilience planning for climate change?  

Key hypotheses in this research include:  

Climate change as a result of increasing temperature and precipitation change 

would increase flooding hazards 

Populations with high social vulnerability are exposed to higher flooding hazards 

induced by climate change 

Suburban sprawl in the Current Trends scenario is associated with the most land use 

and land cover change and increases flooding hazards 

Suburban sprawl in the Current Trends scenario imposes more people in climate 

change‐induced flooding risk areas   

Detention has effects in mitigating climate change‐induced flooding hazards and can 

serve as a climate change adaptation strategy 

1.5  Social‐ecological systems planning framework and research 

In coping with uncertainty and the dynamics of change in the linked social‐ecological 

systems, a revolving learning‐by‐doing feedback loop for adaptive planning processes includes 

identifying goals and objectives, plan formulation, plan implementation, and plan evaluation in 

addition to plan monitoring (Kato and Ahern 2008).  Transdisciplinary participation plays a 

critical role in the sustainable development learning process (Meppem and Gill 1998).  In 

studying the dynamics of social‐ecological systems with an emphasis on the transdisciplinary 

participatory approach, a social‐ecological systems planning framework in a feedback loop 

process is proposed as following (Figure 1.2):      

Page 30: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

11 

(1) The transdisciplinary participatory planning process involves interdisciplinary 

researchers, local governance and planners, stakeholders, and the public through a 

combination of various forms of participatory methods (e.g., workshops, charrettes, 

surveys, interviews) that allow participants to achieve upper “ladder of citizen 

participation” for engaging citizen power (Arnstein 1969). 

(2) The transdisciplinary participatory planning process drives plan‐making 

development to incorporate planning interventions and decide social‐ecological 

drivers based on the goals and objectives in the planning agenda. 

(3) Empirical research is conducted in the social‐ecological systems for the evaluation of 

plans that are formulated through planning intervention and indicators identified in 

the planning process. 

(4) Document and monitor social‐ecological outcomes from the plan evaluation and 

share findings and lessons learned with the transdisciplinary participants. 

(5) Continue the transdisciplinary participatory planning process with the new insights 

from social‐ecological outcomes and improve plans and/or modify social‐ecological 

drivers as adaptive planning processes toward resilience and sustainability.     

This research is performed under a larger research agenda set forth in the BMA ULTRA‐

ex project.  Climate change and population change are the two key social‐ecological drivers 

identified through the transdisciplinary participatory planning process.  In addition, growth 

strategies and green infrastructure are two key planning interventions applied for the 

development of growth scenarios involving land use and land cover changes associated with 

urbanization processes.  Flooding is the social‐ecological medium being investigated in the 

social‐ecological systems.  Therefore, social vulnerability is introduced in order to understand 

the socio‐economic characteristics created through the urbanization process and its interaction 

Page 31: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

12 

with climate change‐induced flooding hazards.  The long‐term climate change‐induced flooding 

risk assessment―a product of multiplying the flooding hazard index (HI) and the Social 

Vulnerability Index (SoVI)―is the social‐ecological outcome for the evaluation of planning 

interventions.  Finally, planning interventions serve as both climate change mitigation (e.g., 

reducing carbon emissions, minimizing impervious surfaces, reducing urban heat island effects) 

and climate change adaptation strategies (e.g., enhancing resilience to climate change‐induced 

flooding risks)(Figure 1.3). 

 

Figure 1. 2  A social‐ecological systems planning framework  

Page 32: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

13 

 

Figure 1. 3   Research study in the social‐ecological systems planning framework 

1.6  Organization of chapters  

This dissertation comprises three independent but inter‐linked empirical studies.  

Chapter 1 and Chapter 2 provide the overarching overview of the research agenda and 

background.  Chapter 3, 4 and 5 illustrate the details of the three independent studies including 

their own literature review, research methods, results, discussions and conclusions.   

Chapter 1 introduces the background and purpose of the research as well as the 

proposed research framework in the social‐ecological systems.   

Chapter 2 provides literature reviews on five key research areas in addition to the 

description of the study area of the Charles River Watershed: (1) an overview of the resilience 

theory and its linkage to social‐ecological systems planning, (2) an overview of hazards, 

Page 33: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

14 

vulnerability, and risk assessment focusing on the integration of using social vulnerability in the 

place‐based risk assessment for flooding hazards, (3) an overview of urbanization impacts on 

hydrology, focusing on the relationship between land cover change and its effects on 

streamflow that is associated with baseflow and long‐term flooding, and(4) an overview of 

climate change impacts on hydrology based on temperature and precipitation trends and 

projections in the Northeast region. 

Chapter 3 presents the long‐term climate changed‐induced flooding risk assessment in 

current climate and land use conditions as the foundation and baseline for the following two 

studies.  This study defines the measurement of flooding hazards and social vulnerability with 

focuses on the effects of climate change variables on long‐term flooding risks.    

Chapter 4 presents the future long‐term climate changed‐induced flooding risk 

assessment.  Building on Chapter 3, growth strategies developed in the BMA ULTRAL‐ex growth 

scenarios are evaluated.  This chapter investigates the impacts from urbanization in addition to 

climate change impact scenarios.   

Chapter 5 investigates green infrastructure intervention based on the hydrological 

model developed in Chapter 3 under current land use conditions with climate change sensitivity 

studies for understanding the effects of detention in mitigating long‐term flooding hazards 

under climate change variables.   

 Chapter 6 concludes with a summary of findings, insights and the limits of this research 

as well as suggestions for further research.   

   

Page 34: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

15 

CHAPTER 2 

BACKGROUND 

2.1  Planning in social‐ecological systems  

2.1.1  Resilience and climate change 

Embracing planning as a science in anticipating change in the intricately linked social‐

ecological systems, the concept of resilience has created a new frontier in planning theory.  

Resilience theory, deeply rooted in ecology (Holling 1973), has provided system thinking in 

dealing with complex issues such as climate change in the dynamic social‐ecological systems.  

Resilience as a metaphor and  as a frame of reference for studying shocks and stresses in human 

systems has been applied to disaster studies, psychology, sociology, political science and 

economics (Pendall, Foster, and Cowell 2010)as well as in urban and regional planning (Adger 

2006; Wilkinson 2012).   

Resilience is defined as a capacity or persistence in a system to absorb shocks and 

disturbances that change the state of variables in the system and the ability to return to the 

state of the same structure and functioning of the system (Holling 1973; Walker and Salt 2006).  

There are three key concepts in resilience thinking: threshold, adaptive cycles, and anarchy.  A 

threshold refers to a tipping point when a system is unable to resist the change of the state of 

variables which eventually causes regime shift.  An adaptive cycle describes how a system 

functions and reacts to disturbances in four phases: (1) the rapid growth phase (r phase) when 

actors in a system eager to seize new opportunities and available resources seize them in the 

early stages of development; (2) the conservation phase (k phase) when actors in a system move 

away from a strict competition and establish a connection and steady growth under carrying 

Page 35: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

16 

capacity; (3) the release phase (omega phase) occurs when a disturbance exceeds the resistance 

and breaks the structure and functioning of a system; and (4) the reorganization phase (alpha 

phase) when a system reorganizes and renews, and returns to the basic structure and 

functioning of a system.  The concept of anarchy emphasizes that a system is constantly 

changing and includes multiple thresholds at multiple scales.  When the cost of adaptability 

exceeds the benefits of staying in the existing system or the system has lost a great deal of its 

structure and functions to the point that restoring the system is not feasible or desirable, then 

transformation of the system to another set of structures and functions would provide a greater 

resilience in the future (Walker and Salt 2006).   

Human is part of nature (Steiner 2002).  The complex structure of ecological and social 

systems is intertwined and indivisible.  Nevertheless, the scale of anthropogenic change to the 

environment has reached a level that threatens the survival of the human race.  Climate change 

is an example of an event caused by humans (Karl, Melillo, and Peterson 2009) when the 

reciprocal changes between the ecological and social changes are so great that they pose a 

threat to the survival of human beings as well as other living beings.  As stated in the report, Our 

Common Future, the goal of sustainable development is to sustain the abilities of future 

generations to survive and thrive (Bruntland 1987).  Climate change as a shock and disturbance 

to sustainability in the dynamics of the inter‐linked social‐ecological systems can be perceived 

from two perspectives.  From an ecological point of view, how can the ecosystems in the built 

environment be resilient to anthropogenic alteration?  From a social perspective, how can 

human beings be resilient and adaptive to drastic as well as persistent changing environments 

that are shaped by bio‐physical characters and reshaped through anthropogenic influence such 

as in the case of climate change?   

Page 36: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

17 

Climate change is a complex phenomenon that possesses several characteristics.  First, 

climate change happens across a spatial scale.  Its causes and effects cross neighborhoods, 

municipalities, regions, and nations.  It is a global issue as well as a regional and local issue.  

Second, climate change happens across a temporal scale.  Causes that occurred five decades ago 

continue to have effects at this moment due to the lag time of accumulated effects of 

greenhouse gases (Karl, Melillo, and Peterson 2009).  Third, there is a great uncertainty in how 

we understand and predict climate change.  Since the Intergovernmental Panel on Climate 

Change (IPCC) published the first climate change assessment report in 1990, the world has 

gained more knowledge and momentum in facing this challenge.  Nevertheless, work remains to 

be done to trace to the past in order to understand climate change and project its causes and 

effects into the future.  Lastly, to our understanding, there is no single solution to resolve the 

effects of climate change.  This is due to the production of greenhouse gases, which are the 

major causes of climate change, being intertwined with our social‐ecological system, which 

ranges from energy, transportation, agriculture and manufacture to land use, urban 

development patterns and buildings.  It has links to every component of the system we live in.  

Moreover, the choices we make today will affect climate change impacts in the future (Karl, 

Melillo, and Peterson 2009).   

Resilience theory is related to properties of climate change in several aspects: (1) 

resilience theory deals with cross‐temporal and spatial scales where climate change occurs; (2) 

resilience theory deals with complex social‐ecological systems that climate change has impacts 

on; (3) resilience theory deals with uncertainty generated by the character of climate change.  

The resilience framework should be robust rather than be searching for optimal control of the 

social‐ecological systems and this framework is intended to inform policy and management 

(Anderies, Walker, and Kinzig 2006).   

Page 37: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

18 

2.1.2  Watershed as a social‐ecological planning unit 

A watershed is a tangible and logical study unit for the understanding of interactions 

between climate change, hydrology and urbanization in dynamic social‐ecological systems.  A 

watershed is a land area defined by geomorphologic boundaries within which hydrologic flow 

interacts with human activities.  A watershed can be defined as  a bioregion, which is an area 

with “rough boundaries determined by natural characteristics that are distinguishable from 

other areas by particular attributes of flora, fauna, water, climate, soils, landforms, and by 

human settlements and culture” (Steiner 2002)(p 106).  In addition, a watershed provides a 

natural management framework not only for water resources but also for the study of spatial 

heterogeneity and human ecosystems (Pickett, Cadenasso, and Grove 2004).  Therefore, it 

instantly provides a tangible working unit for scientific study and a planning scale.   

For example, one can apply landscape ecology principles and study landscape 

structures, functions, and processes in a watershed.  One can also monitor and assess the input 

and output of hydrological cycles and nutrient flows and evaluate the environmental quality of 

the watershed.  In addition, watershed bioregions are larger scale ecosystems that are more 

likely to provide buffers for external carrying capacity in order to overcome insufficiency and the 

instability of smaller ecosystems when facing disturbances (Newman and Jennings 2008).  

Moreover, human activities are interconnected with water flows.  The water quality and the 

amount of water usage from upstream cities have accumulated significant impacts on 

downstream cities.  Furthermore, water provides transportation accessibility and allows cities to 

trade and exchange culture and social experiences.  As a result, in considering the 

environmental, economic, and social dimensions, watershed planning is particularly powerful as 

a regional planning unit in addressing sustainability (Campbell 1996)(p 452). 

Page 38: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

19 

2.2  Hazards, vulnerability, risk assessment 

2.2.1  Risks and disasters 

Disasters occur when human populations suffer from the consequences of natural or 

man‐made hazards that interrupt ecological, social, cultural, and economic systems and paralyze 

the functioning of a society materially (e.g., property damage, economic loss), physically (death 

or injury) and mentally (distress or traumatized illness)(Oliver‐Smith 1986; O'Riordan 1986; Vale 

and Campanella 2005).  Disasters are time and space specific in particular social‐economic and 

cultural context.  The level of devastation as a result of disasters goes beyond death toll and the 

dollar amount of damages or the losses of fixed structures and crops.  It also accounts for the 

social and political complexity involved in the disasters and post‐disaster recovery (Huq et al. 

2007).  

Human has invented the concept of risk and studied it in order to comprehend and cope 

with uncertainties and potential threats in life, such as the ravages of disasters(Slovic 1999).  

Risk for disasters involves hazard, exposure and vulnerability (Crichton 1999).  Hazard and 

exposure are correlated whereas vulnerability is intricately linked with society.  For example, 

floods would not have become hazards if people had not lived in flood‐prone areas and in turn 

disasters would not have happened to people (Harding and Parker 1979).  However, this seemly 

over‐simplified argument fails to explain why people continue to live on floodplains and bear 

the risks.  Savini and Kammerer echoed White’s viewpoint that humans are eventually 

responsible for disasters (White 1945) when they stated: “Man takes a calculated risk when he 

builds his towns, cities, and other installations on the floodplain of a river.  He, thus, is 

responsible for flood damages, if not for the floods that cause them”(Savini and Kammerer 

1961)(p 1591‐A).  This “calculated risk” in each decision that is made during the process of 

Page 39: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

20 

civilization is deeply rooted in particular cultural, social, political and economic contexts that are 

place‐specific.  Government takes risks to build dikes; investors take risks to develop floodplains; 

individuals take risks to live on the flood‐prone properties; insurance agencies take risks to 

compensate losses.  This chain of links to risks has made our society more susceptible to 

hazards.  Consequently, when society does not have all the necessary means and resources to 

prevent and mitigate disasters, the hardest hits are the ones with the least capacity to prepare, 

respond and recover, forming the root of vulnerability (Oliver‐Smith 2003). 

2.2.2  Vulnerability and resilience 

Vulnerability is the key to understanding risks, managing disasters, and becoming 

resilient.  The concept of resilience describes a capacity of a system to absorb shocks from 

disturbances and to return to the state of the same structure and functions (Holling 1973; 

Walker and Salt 2006).  In the risk management context for human society, resilience is further 

defined as a “capacity to anticipate, prepare for, respond to, and recover from significant 

threats with minimum damage to social well‐being, the economy, and the environment”(NRC 

2010).  To build upon resilience concept, Adger claimed that vulnerability is a sign for the 

“erosion of the elements of social‐ecological resilience”(Adger 2006)(p 269).  While one school 

of thought argues vulnerability is an inverse of resilience (De Wrachien, Mambretti, and Sole 

2008); the other suggests vulnerability includes three dimensions: (1) exposure to specific social 

or environmental stresses, (2) sensitivity to those stresses, and (3) adaptive capacity to cope 

with impacts from those stresses (Polsky, Neff, and Yarnal 2007; Turner et al. 2003).  Moreover, 

vulnerability to hazards is closely associated with social resources at multiple scales from an 

individual to collective adaptive capacity (Birkmann 2006).  The complex political and economic 

systems during the urbanization processes often result in a “risk society” that creates socially 

Page 40: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

21 

vulnerable groups who are more susceptible to various hazards (Blaikie 1994; Colten 2006).  

When communities have insufficient coping capacity for the shocks and disturbances in the 

coupled natural and human systems (Liu et al. 2007), they are likely to become more vulnerable 

to the adverse effects of uncertainty and extreme variation, which climate change has promised.  

Resilience theory is pertinent for studying the concept of vulnerability and managing 

risks.  Disasters happen when human society reaches the threshold and enters the release phase 

and subsequent reorganization phase.  Vulnerability is exposed during the transition between 

the two phases and affects the adaptive capacity of resilience.  Vulnerability links to social and 

cultural contexts in political society and reflects individual as well collective adaptive capacities 

in coping with uncertainty and calamity.  Therefore, vulnerability reflects the dynamic phases in 

resilience and applies to multiple levels of inter‐linked social‐ecological systems (Schneiderbauer 

and Ehrlich 2006).       

2.2.3  Vulnerability assessment models 

Vulnerability assessment has progressed over the past twenty years for addressing 

complex coupled human and natural systems in coping with disasters.  Birkmann reviewed 

several different frameworks and summarized six different schools of thought based on how 

vulnerability is systematized into conceptual and analytical risk and resilience frameworks 

(Birkmann 2006) (p 39): 

The Double Structure of Vulnerability (Bohle 2001) framework considers “exposure” to 

hazards as the “external” side of vulnerability, which is related to entitlement theory, 

political economy approaches, and human ecology perspectives, whereas the capacity 

of “coping” as the “internal” side of vulnerability, which is related to crisis and conflict 

theory, action theory approaches, and models of access to assets.    

Page 41: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

22 

 The conceptual framework of disaster risk (Davidson 1997; Bollin et al. 2003) identifies 

four components that define a disaster risk: (a) the probability and severity of hazards, 

(b) the exposure of structures, population, and economy, (c) the physical, social, 

economic and environmental vulnerability, and (d) the coping capacity and measures 

from physical planning, social capacities and economic capacities.  

The vulnerability assessment in the global environmental change community (Turner et 

al. 2003) considers the drivers and consequences of vulnerability are cross spatial, 

functional and temporal scales.  In addition, the concept of vulnerability is composed of 

three elements in the coupled human and environmental conditions: exposure, 

sensitivity and resilience.   

The Pressure and Release (PAR) model (Blaikie 1994) illustrates the dynamics in societies 

that lead to formation of risks based on the equation: Risk=Hazard X Vulnerability.  

Ideologies in political and economic systems that limit access to power, structures and 

resources are the root causes that form dynamic pressures in society.  Those pressures 

appear in various forms (e.g., lack of appropriate skills, or local markets) and forces (e.g., 

press of freedom, rapid urbanization) and eventually generate unsafe conditions, such 

as a fragile physical environment or local economy, vulnerable society and insufficient 

public actions in coping with disasters.   

The holistic approach to risk and vulnerability assessment (Cardona and Barbat 2000) 

considers risk as a function of hazard and vulnerability, which result in potential social, 

economic and environmental consequences.  This model identifies three vulnerability 

factors: (a) the exposure and physical susceptibility that is hazard dependent, (b) the 

social and economic fragility that is non hazard dependent, and (c) a lack of resilience or 

ability to cope and recovering. 

Page 42: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

23 

The BBC conceptual framework (Cardona 1999; Bogardi and Birkmann 2004)links 

vulnerability to sustainable development (i.e., environmental, social, economic) in a 

feedback loop system.  This model considers risks are the results of interaction between 

hazards and vulnerability.  The concept of vulnerability involves the exposed and 

vulnerable elements and coping capacity.  Additionally, vulnerability reduction is 

integrated into the feedback loop that contributes to risk reduction. 

One thread that ties the different schools of thought together is the recognition that risk 

is correlated with the interaction between hazard and vulnerability.  In addition, the coping 

capacity in resilience thinking has become a critical measure of vulnerability.  Finally, 

vulnerability assessment encompasses environmental, social, and economic factors that 

correspond to elements in sustainability.   

Vulnerability that reflects the dynamic socio‐economic and cultural structure and fabrics 

of a society also varies from place to place.  In order to address dimensions of place‐based 

context‐specific vulnerability based on Hazards‐of‐Place (HOP) model, Cutter (1996) developed a 

Social Vulnerability Index (SoVI) (Cutter 1996; Cutter, Boruff, and Shirley 2003; Cutter and 

Morath 2013).  The HOP model integrates biophysical and social vulnerability at a specific 

geographic location.  The SoVI is a benchmark for measuring vulnerability in a systematic and 

quantitative approach.  It has been used successfully in several national and regional social 

vulnerability studies and significant trends across temporal and spatial distributions were found 

in the United States (Cutter, Boruff, and Shirley 2003; Borden et al. 2007; Cutter and Finch 

2008).  In recent years, the concept of resilience has been incorporated into vulnerability 

assessments using this approach, such as the Disaster Resilience of Place (DROP) model (Cutter 

et al. 2008), for the assessment of one of the most flood‐ and hurricane‐prone regions in the 

southeast of the United States (Cutter, Burton, and Emrich 2010). 

Page 43: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

24 

2.3  Urbanization impacts in social‐ecological systems  

2.3.1  Urban hydrology overview 

Urbanization, from a historical and world‐wide point of view, is seen as part of the 

process of industrialization in which population in cities have been growing since the 1800s 

(Davis 1955). In the context of this research, urbanization in the Boston Metropolitan Area is the 

process of anticipating land development in order to accommodate population growth through 

2030.  The anthropogenic impacts on ecosystems through the urbanization process and its 

associated use of resources have three phases: deforestation and clearing, construction and 

post‐occupancy (Savini and Kammerer 1961).  The hydrologic change is evident in the first phase 

of the urbanization process related to land cover change (Lindh 1972) and human‐induced 

disturbances such as dams, channelization and diversions of streams, and urban drainage 

systems (NRCS 1998).  There are many impacts from land development associated with land use 

and land cover change on hydrology (Arnold and Gibbons 1996; Leopold 1968; Schueler 1994; 

Shuster et al. 2005), including hydrologic functioning, water quality, and both in short‐term 

flooding (i.e., flash floods) and long‐term flooding (i.e., overbank flooding).    

  In the natural water cycle, stream baseflow combined with subsurface and surface flow 

is largely sustained by groundwater and stream outflow fluctuates with the input from 

precipitation, evapotranspiration output and soil water availability (Thornthwaite and Mather 

1955).  Urbanization has altered natural water balances mainly through impervious and sewer 

(piping) areas (Leopold 1968) in addition to inputs from piped water for irrigation and pipe 

leakage (Bhaskar and Welty 2012; Tjallingii 2012).  In addition, rainwater harvest (e.g., cisterns, 

rain barrels) and detention and infiltration techniques used in stormwater best management 

practices (e.g., greenroofs, bioswales) as well as natural interceptors through soil, surface water 

Page 44: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

25 

bodies, and plants can affect water content in urban areas and consequently influence 

streamflow (Tjallingii 2012)(Figure 2.1).   

Natural water balance:  Stream outflow = Baseflow (subsurface or groundwater flow) + 

Surface flow + precipitation – evapotranspiration – soil water       (1) 

 

Figure 2. 1  Water balance in an urbanized watershed (modified from Tjallingii 2012; 

Bhaskar and Welty 2012) 

The change of land use and land cover from forests or wetlands to commercial or 

industrial land use and housing developments with impervious surfaces such as roads, buildings, 

roofs and parking lots significantly reduces the amount of infiltration and increases the surface 

runoff.  For example, compared to natural ground cover, which has 10% runoff and 50% 

infiltration, urbanized areas that have surfaces over 75% impervious results in less than 15% 

infiltration and contributes to more than 55% of runoff (NRCS 1998).  In addition, impervious 

surfaces have been highly associated with shorter lag times between the fall of precipitation and 

runoff mass that instigates the increase of flashy variation of streamflow or a peak discharge in a 

short period of time (Simmons and Reynolds 1982).  In completely impervious basins, the lag 

time can be as little as one eighth of that in the natural state (Anderson 1970), resulting in 

Storage 

Soil/Surface/Plants 

Detention  Harvest 

Stream Inflow  Stream Outflow 

Precipitation  Evapotranspiration

Infiltration  Aquifer recharge 

Seepage /Springs 

Pumping Groundwater

Baseflow (subsurface or groundwater flow) 

Surface flow  Piped water 

Stream Baseflow 

Stormwater runoff 

Piped water  

Rainwater

Page 45: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

26 

significant increases in stormwater runoff and flash floods in urban areas (Sala 2003; 

Hosseinzadeh 2005).   

Furthermore, urbanization associated with the clearance of natural land cover which is 

replaced with impervious surfaces has direct environmental impacts such as wildlife habitat loss, 

degradation of ecosystem integrity and environmental quality (Allan 2004; Allan, Erickson, and 

Fay 1997; Lammert and Allan 1999; Roth, Allan, and Erickson 1996) in addition to increased 

stream temperature, concentrated pollutants from piping as well as non‐point source pollution 

that impedes water quality in the watershed (Booth 1993; Brabec, Schulte, and Richards 2002; 

Burton and Hook 1979; Ellis and HvitvedJacobsen 1996; Paul and Meyer 2001).   

2.3.3  Urbanization impacts on streamflow and flooding 

In Leopold’s (1968) seminal book: Hydrology for Urban Land Planning―A Guidebook on 

the Hydrologic Effects of Urban Land Use, the importance of land use planning in minimizing 

urbanization impacts on hydrologic functioning of the watershed as well as the critical linkage of 

using hydrological parameters for understanding urbanization issues was demonstrated 

(Leopold 1968).  Flood frequency is one of the metrics that is widely used to quantify the effects 

of urbanization on streamflow (NRC 2009).  Flood frequency is defined as the probability of a 

given flood event once in any given year.  In Leopold’s (1968) influential publication, he 

demonstrated significant correlations between increased annual flooding events and increased 

urbanization, measured by percent of impervious and sewered areas based on 9‐year historical 

data between 1942, 1944‐1951 in Brandywine Creek, Coatesville, Pennsylvania, with a mean 

annual flood return period at 2.3 years (Figure 2.2).  In this case, the same recurrence interval of 

2.3 years in a 50‐50 urbanized state would result in a discharge rate at 200 cubic feet per second 

(cfs) compared to 75 csf in a natural state.  To understand urbanization impacts on long‐term 

Page 46: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

fl

be

an

fl

Fi

th

in

M

ar

be

C

ooding, Leop

etween the r

nd 67 csf as t

ooding event

igure 2.2 

Since L

he correlation

ncreased mag

Moscrip and M

reas decrease

ecomes negli

harlotte, Nor

old (1968) tra

atio of overb

he natural ba

ts were nearly

Flood frequ

Leopold’s infl

n between inc

gnitude and fr

Montgomery 1

es upon the in

gible (e.g., a 

rth Carolina (M

ansformed th

ank flooding 

ankfull stage (

y four times m

uency curves

uential work 

creased storm

requency of f

1997; Ng and

ncreases of fl

study showed

Martens 1968

27 

he same data 

and urbaniza

(Figure 2.3).  

more than tho

 in highly urb

in 1968, ther

mwater runof

flood events (

 Marsalek 19

ood recurren

d a threshold

8).  Therefore

into a diagra

ation effects u

In 50‐50 urba

ose in the nat

banized areas

re have been 

ff associated w

(Allen et al. 19

989).  Neverth

nce intervals (

 of 50 years i

e, while the fr

m illustrating

using a 1.5 ye

anization ratio

tural state.   

s (Leopold 19

numerous st

with impervio

979; Huang e

heless, the eff

(Hollis 1975) a

nterval in me

requency of s

g the relations

ar return per

os, overbank 

 

968)  

tudies suppor

ousness and t

et al. 2008; 

fect of imperv

and eventual

etropolitan 

mall and regu

ship 

riod 

rting 

the 

vious 

ly 

ular 

Page 47: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

fl

w

Fi

(L

th

na

th

In

ha

M

ar

ooding event

would cause se

igure 2.3 

Leopold 1968

Moreo

he baseflow (

atural state o

he increased 

n addition to i

ave inconsist

Moreover, the

reas could co

ts would incre

evere damag

Number of

8) 

over, criticism

Hollis 1975; P

of the stream,

impervious su

imperviousne

ent impacts d

e leakage in th

ontribute to in

ease many tim

es are less sig

f overbank flo

m has risen in 

Price 2011)—

, baseflow is 

urfaces are as

ess associated

due to incons

he piping syst

ncreased base

28 

mes more, the

gnificantly inf

ooding event

regards to th

the base of t

largely sustai

ssociated wit

d with urbani

sistency in eva

tems as well a

eflow.  Furthe

e rare and ex

fluenced by u

ts in a year in

he understudi

he sustained 

ned by groun

h decreased 

zation, defor

apotranspirat

as input from

ermore, othe

xtreme floodin

rbanization (

 relation to u

ied urbanizat

portion of st

ndwater; in an

baseflow (Sh

estation and 

tion rate (Pric

m irrigation in 

r human‐influ

ng events tha

Hollis 1975). 

 

urbanization 

ion impacts o

reamflow.  In

n urbanized s

uster et al. 20

agricultural c

ce 2011).  

the urbanize

uenced chang

at 

 

on 

n the 

state, 

005). 

crops 

ge in 

Page 48: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

29 

the urbanization process such as rerouting streamflow, channelization, and climate change 

impacts require further study due to their impact on baseflow.   

From Price’s review, nevertheless, a clear correlation of decreased baseflow can be 

found as a result of increased evapotranspiration and decreased infiltration.  Long‐term flooding 

is heavily influenced by a watershed’s ability to balance its water budget as a result of storm 

events.  Urbanization associated with increased imperviousness has impacts on both increased 

stormwater runoff and decreased baseflow that could have either or both positive and negative 

effects on long‐term flooding.  While urbanization is often largely associated with impervious 

surfaces, which remains a critical component for assessing hydrological functioning and stream 

quality (Schueler, Fraley‐McNeal, and Cappiella 2009), it is not the sole indicator for long term 

management (Rogers and DeFee Ii 2005).   

In addition, it is critical to make the distinction between total impervious areas (TIA) 

(i.e., all roads, roofs, building footprints that are impervious) and effective impervious areas 

(EIA) (i.e., hydrologically connected impervious areas).  Effective impervious areas are 

hydrologically connected through curbs, gutters and pipes; by contrast, non‐effective 

impervious areas drain to pervious areas, such as disconnected downspouts from roof areas to 

adjacent lawns (Alley and Veenhuis 1983).  Most studies have used total impervious area that 

lump‐sums both effective and non‐effective impervious areas (Brabec, Schulte, and Richards 

2002) and therefore overlooked the accuracy and effectiveness of using impervious area as an 

indicator for stormwater management (Brabec 2009).  Further studies are needed to 

understand the “true” effects of urbanization―incorporating multiple indicators in addition to 

effective impervious areas―on streamflow, particularly the baseflow, in order to develop 

appropriate corresponding urban planning and policies for mitigating urbanization impacts on 

hydrological functioning of the watershed.  

Page 49: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

30 

2.4  Climate change impacts on hydrology in New England 

Climate change is likely to increase the intensity of precipitation patterns in their 

magnitude and duration and affects the global hydrologic cycle (Frederick and Major 1997; IPCC 

2007).  The effects of climate change intensify the intensity and frequency of storm events and 

therefore magnify the urban hydrological impacts(Frederick and Major 1997; Wood, 

Lettenmaier, and Palmer 1997).  More frequent and intense storm events are likely to occur in 

some areas such as the New England region (Rock et al. 2001). The consequences of irregular 

and intensified flooding and drought events have significant impacts on populated urban regions 

where current water infrastructure was designed based on past climate trends and conventional 

knowledge (Ashley et al. 2005; Means, West, and Patrick 2005).   

More frequent flooding and intensified storm events will cause more damage in 

populated urban regions.  Alternative structural stormwater design may be needed for 

accommodating climate change effects (Semadeni‐Davies et al. 2008).  Increased capital 

investment in upgrading drainage infrastructure is therefore necessary under the current 

infrastructure system (Arisz and Burrell 2006; Muller 2007).  The under‐served population is 

therefore more vulnerable to the impacts of climate change‐induced flooding (Bartlett 2008; 

Douglas et al. 2008; Hardoy and Pandiella 2009; Maantay and Maroko 2009).  Planning for 

resilience in enhancing the capacity of absorbing urban flooding hazards is therefore a top 

national priority in cities, particularly along the coast (Beatley 2009; Godschalk 2003).   

2.5  Study context and study area  

  New England was the frontier for European settlements since the arrival of the 

Mayflower in 1620 in the northeastern United States.  The climate of generous precipitation, the 

Page 50: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

31 

proximity to the ocean and the plentiful rivers on the one hand brought prosperity to dozens of 

mill towns and coastal cities during the industrial era; on the other hand, they contributed to 

several hurricanes and flooding disasters over centuries.  Despite federal and state emergency 

management agencies continuing their efforts in hazard mitigation and risk management, little 

attention has been given to this region for disaster research.  This is likely owed to its lower 

vulnerability compared to other parts of the country (Borden et al. 2007; Cutter and Finch 2008) 

and therefore lower priority for the nation.  Until recently, increasing concerns in rising sea 

levels as a result of climate change impacts have drawn some attention to vulnerability and 

resilience research on coastal communities, particularly for large coastal cities like New York City 

and Boston (Kirshen, Knee, and Ruth 2008).  However, recent significant flooding events in 2010 

and 2011 were mainly non‐coastal floods, suggesting further research on climate‐induced inland 

flooding is needed.  As Massachusetts’s Climate Change Adaptation Report stated, “the need to 

perform risk and vulnerability assessments was widely recognized across all sectors” (Cash 

2011)(p 3). 

  The Charles River Watershed comprises 778 km2 and intersects 35 municipalities, 

including a large eastern portion of the Boston (Figure 2.4).  The 182 km‐long main channel 

flows eastward through 23 cities and towns and discharges into Boston Harbor.  Within the 35 

municipalities, all but two towns at the upstream edge of the watershed are not within the 

Boston Metropolitan Area.  Those two towns contain less than 1% of land within the watershed 

boundary and are not included in the MAPC future growth projections; therefore, they are 

omitted from this study.    

Page 51: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

32 

 

Figure 2.4    Location of the Charles River Watershed study area  

 

Page 52: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

33 

The watershed is 44% urbanized (i.e., commercial, industrial, residential, transportation, 

institutional, junkyard, utilities) with little agriculture (3%) and recreational (3%) land uses.  

Within the urbanized areas, impervious surfaces compose 21% of the watershed areas are 

whereas other pervious areas (e.g., lawns, planting beds) compose 23%.  The other half of the 

watershed is dominated by natural areas, including forests (36%), wetlands (11%) and water 

bodies (3%) (Figure 2.5).   

  The Charles River Watershed was chosen out of nine watersheds in the Boston 

Metropolitan Area for several reasons.  First, the entire watershed is predominantly within the 

Boston Metropolitan Area with minimal coastlines since coastal flooding is not the focus of this 

study.   In addition, this watershed is the most densely populated and consists of the most 

Environmental Justice populations that are related to social vulnerability, which is one of the key 

elements in the long‐term climate change‐induced flooding risk assessment (see Chapter 3).      

 

Figure 2.5    Current land cover types in percentages of the Charles River Watershed area 

     

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Forest Other perviousarea

Imperviousarea

Wetland Recreation Agriculture Water

% W

atershed Area

Page 53: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

34 

CHAPTER 3 

LONG‐TERM CLIMATE CHANGE‐INDUCED FLOODING RISK ASSESSMENT 

3.1  Introduction 

Climate change has posed increased risks to environmental hazards.  These will affect 

more people who are already exposed to natural hazards (e.g., flooding, droughts, hurricanes, 

severe storms), in addition to new challenges promised by climate change (e.g., early snow melt, 

rising sea levels, heat waves).  Previous climate change studies have suggested probable trends 

of increasing temperatures and changing precipitation as well as increased intensity and 

duration of storm events that are likely to result in more flooding in the Northeast region (IPCC 

2007; Rock et al. 2001).  Superstorm Sandy 2012 is another wake‐up call for many New 

Englanders that extreme events have occurred more frequently and intensely in the past two 

decades.  Hurricane Irene in 2011 and serious floods in 2011, 2010, 2005 and 1996 correlated 

with recent projections of climate change impacts.  As a result, this study employs the term 

“climate change‐induced” flooding hazards to reflect the assumption that a greater probability 

of long‐term flooding hazards (in lieu of short‐term flash floods) will be part of climate change 

impacts.   

Natural hazards do not pose risks to society until human systems are vulnerable to 

subsequent casualties and monetary losses.  Compounded by population growth in most 

metropolitan areas, more people and property are likely to be exposed to climate change‐

induced hazards.  The ones hardest hit are often groups that are socially vulnerable as 

exemplified in the tragedy of Hurricane Katrina in 2005 when historically disadvantaged 

neighborhoods in New Orleans were the most affected (Colten 2006). The aftermath of 

Hurricane Katrina was a tragic reminder that hazard study is an integration of both physical and 

Page 54: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

35 

human variables in the coupled human and natural systems (White 1945; Hewitt and Burton 

1971)and that risk of disaster is the interaction between hazards (i.e., floods, droughts, storms, 

earthquakes) and vulnerability of society (i.e., demographics, social‐economic status, built 

environment, infrastructure, economy)(Tate, Cutter, and Berry 2010; Schneiderbauer and 

Ehrlich 2006; Cutter, Boruff, and Shirley 2003; Birkmann 2006).  As a result, an understanding of 

climate change‐induced risk assessment integrating hazards and social vulnerability studies is 

therefore critical in planning for climate change.    

This study aims to integrate climate change‐induced flooding hazards and social 

vulnerability into flooding risk assessment using the Charles River Watershed within the 

populous Boston Metropolitan Area as a case study.  The research questions arise to what 

degree does the Charles River Watershed become sensitive to climate change‐induced flooding 

hazards?  Are socially vulnerable people spatially correlated to the locations of the climate 

change‐induced flooding hazards?  The hypotheses were: (1) climate change derived from 

increasing temperature and precipitation change will increase long‐term flooding hazards; (2) 

populations with higher social vulnerability tend to live in places with higher flooding hazards.  

The findings of this study contribute to place‐based understanding of climate change influence 

on watershed‐specific hydrology in addition to implications of contributing to serving socially 

vulnerable groups in the process of coping with climate change.   

3.2  Background 

3.2.1  Flooding losses in the Boston Metropolitan Area 

Floods are present in almost every city in the United States (White and Haas 1975; Platt 

1999).   Among the nation’s economic losses caused by natural disasters in the past fifty years, 

Page 55: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

36 

more than half were due to flooding related damages—as much as $291 billion in 2009 dollars 

(Gall et al. 2011).  Over the past 60 years in Massachusetts, severe storms and flooding related 

hazards were among the top three causes of environmental disasters and were responsible for 

$883 million (in 2011 dollars) and accounted for a third of total economic losses in property 

damages (Table 3.1).  61% of flooding damages occurred within the five counties that contain 

the Boston Metropolitan Area (BMA). 

Table 3.1    Monetary loss in property damages (in 2011 dollars) in Massachusetts (MA) 

and the Boston Metropolitan Area (BMA) from 1953 to 2011 (Data source:  SHELDUS) 

Hazards  MA    BMA  BMA/MA 

Wind    669,702,857  27%        249,635,129   37% 

Severe Storms      460,106,827  18%       171,625,495   37% 

Floods      392,809,831  16%       238,903,881   61% 

Tornado     295,220,097  12%           6,208,713   2% 

Hurricane      232,478,220  9%          77,517,773   33% 

Winter Weather     219,585,698  9%          78,864,153   36% 

Coastal Hazards     176,444,529  7%          84,036,222   48% 

Lightning         56,117,791  2%          30,937,859   55% 

Hail         20,430,050  1%         10,010,921   49% 

TOTAL   2,522,895,900  100%        947,740,145   38% 

         

Severe storms and flood‐related damages together accounted for 43% of total monetary 

losses in the five counties—Essex, Middlesex, Suffolk, Norfolk and Plymouth—that contain the 

BMA.  Extreme storm events in particular contributed significantly to damages.  For example, 

severe flooding in 2010 alone accounted for 44% (171.5 million in 2011 dollars) of total flooding 

damages from 1953 to 2011.  Consequently, flooding has remained a major concern in BMA, 

which accounted for 61% of total flooding losses in Massachusetts (Figure 3.1).   

Page 56: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

37 

Figure 3.1   Monetary losses compared between Boston Metropolitan Area (BMA) and 

Non‐BMA in Massachusetts from 1953 to 2011 (in 2011 dollars)(Data source:  SHELDUS) 

 

Aside from monetary losses, fatalities due to natural hazards accounted for eight 

people, all caused by severe storms in Massachusetts.  Only one occurred in the Boston 

Metropolitan Area.  Severe storms, along with flooding and hurricanes were the major causes of 

injury.  70% of a total 106 recorded injuries in the past 60 years were located in the Boston 

Metropolitan Area.  One single severe storm in 1996, for example, injured 60 residents in 

Plymouth County alone.  In addition, 3 out of 5 people that were injured in the severe flooding 

in 2010 were reported inside the Boston Metropolitan Area.  The historical records of economic 

damage, injury and fatality have provided an overview of the types, locations, patterns, and 

economic impact indicators of natural hazards.  The next section describes demographics and 

social‐economic structures that are associated with increased social vulnerability to disasters.     

 $‐

 $100

 $200

 $300

 $400

 $500

 $600

 $700

Millions

Non‐BMA

BMA

Page 57: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

38 

3.2.2  Demographics and status of equity in the Boston Metropolitan Area 

The Boston Metropolitan Area (BMA) within the Metropolitan Area Planning Council 

(MAPC) region consists of 101 municipalities and a population of 3.16 million with an estimated 

11% increase through 2030 (MAPC 2009).  Currently, its demographics show older population, 

more diversity and foreign‐born people in younger age groups, as well as an increase in income 

and education inequality (MAPC 2011).  The portion of the population that is in age of 55 and 

older has risen from 21% to 25% in the past decade and seniors over 65 are projected to be 

more than 25% of the population in 37 communities in the BMA region.  The aging population 

primarily consists of non‐Hispanic white groups while younger (below 45 years old) groups are 

dominated by non‐white groups (MAPC 2011)(p 11‐13).  Furthermore, the population consisting 

of foreign‐born residents has risen 3% from 2000 to 2009, coming mainly from Latin America 

(37%), Asia (30%) and Europe (22%) (Figure 3.2).  They are primarily distributed outside the city 

of Boston in the metropolitan area where the Charles River Watershed is located.  The highest 

increases have been in the towns of Wellesley and Milford.   

Moreover, there is an increasing income gap between the rich and poor.  Between 1979 

and 2006, the median income of the top 20% rich group has increased from 15 times to 20 times 

more than the bottom 20% poor group (MAPC 2011)(p 26).  The income disparity is also 

reflected in racial groups—African Americans have between 52% and 57% of the income of 

Asian and white groups while Latinos and other races have less than half of the income of the 

wealthiest in the region.    

Page 58: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

Fi

(M

la

po

p

to

de

th

as

igure 3.2   

MAPC 2011, p

Finally

abor force em

opulation con

rimarily in the

o the towns o

evelopment g

he Charles Riv

s in poverty r

Mi

Difference 

p 16) and the

y, MAPC’s equ

mployment (M

nsists of abou

e city of Bost

of Wellesley a

growth (Figur

ver Watershe

ate.  

W

ilford 

in percentag

e Charles Rive

uity report sta

MAPC 2011) (p

ut 25% Latino

on and subur

and Milford th

re 3.3).  It is w

ed experience

Wellesley

39 

ge of foreign‐

er Watershed

ated that disc

p 77), resultin

os, 20% Africa

rban commun

hat are close t

worth noting t

ed the most in

Boston

born residen

crimination re

ng in people l

 Americans, a

nities that are

to highways a

that the town

ncrease in for

ts from 2000

emains the m

iving below t

and 12% Asia

e densely dev

and are unde

ns of Wellesle

reign born po

Char

Char

0 to 2009 in B

major obstacle

he poverty.  T

ns (p79) who

veloped in add

ergoing 

ey and Milfor

opulation as w

rles River Wate

rles River 

 

BMA 

e for 

This 

o live 

dition 

d in 

well 

ershed

Page 59: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

Fi

R

C

En

eq

th

as

M

EJ

C

M

igure 3.3   

iver Watersh

In add

ommonwealt

nvironmenta

qual to or mo

han 65% of st

s English‐isola

Massachusetts

J criteria, and

harles River W

Massachusetts

Milf

Poverty rat

hed   

ition to MAPC

th of Massach

l Justice (EJ) p

ore than 25% 

tatewide aver

ated with a la

s has a total o

d the BMA com

Watershed is 

s’s population

W

ford 

te from 2005

C’s equity rep

husetts (Mass

populations b

of non‐white

rage ($40,673

ack of “very w

of 6.5 million 

mprised 35%

the most pop

n) within the 

BWellesley

40 

 to 2009 in B

port, the Offic

sGIS) has esta

based on thre

e minority gro

3 in 2010), an

well” English p

and about on

of Massachu

pulous waters

BMA and con

Boston

MA (MAPC 2

ce of Geograp

ablished a sta

ee major crite

oups, a media

d more than 

proficiency.  B

ne in three (3

usetts’s EJ pop

shed (about 9

ntains one thi

2011, p 78) an

phic Informat

atewide datab

eria at the uni

an household

25% of house

Based on 201

5%) residents

pulations (Fig

900,000 peop

ird of the BM

Charles 

Charles 

nd the Charle

tion for the 

base for 

t of block gro

 income lowe

eholds identif

0 census data

s met one or 

gure 3.4).  The

ple, one sixth 

A’s EJ 

River Watersh

River 

 

es 

oup—

er 

fied 

a, 

more 

of 

hed

Page 60: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

41 

populations, which are primarily located in the lower basin (Figure 3.5).  EJ populations in 

Massachusetts have increased from 29% in 2000 to 35% in 2010.  It is worth noting that the 

criteria used for identifying EJ populations were modified between 2000 and 2010.  Based on 

2000 census data, foreign‐born populations were included as an indicator in addition to the 

remaining three criteria used in 2010.   

 

Figure 3.4    The number of people (pop) met the Environmental Justice (EJ) criteria in 

Massachusetts (MA), the  Boston Metropolitan Area (BMA) and the Charles River Watershed 

(CRW) (Data source: MassGIS and Census  2010) 

500 

1,000 

1,500 

2,000 

2,500 

MA BMA CRW

EJ Population

Thousands

35% Total 

MA pop 

35% Total MA EJ pop 

33% Total BMA EJ pop 

Page 61: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

42 

 

Figure 3.5    Location of the Environmental Justice (EJ) populations in the Boston 

Metropolitan Area (BMA) and the Charles River Watershed (CRW)(Data source: MassGIS EJ 

Populations Census  2010) 

In sum, the Boston Metropolitan Area is aging, becoming more diverse in its younger 

population, increasing in socio‐economic inequality, and requiring increased resources for 

minority groups and immigrants, which were part of the Environmental Justice population 

identified by the state of Massachusetts.  The current trends of the demographic and socio‐

economic structure correlate with some of the key indicators of Social Vulnerability described in 

the next section.     

Page 62: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

43 

3.2.3  Social vulnerability and its measures 

  As described in Chapter 2, vulnerability is a complex concept used in hazard studies in 

association with the potential impacts on the livelihood of human society as a result of disasters, 

and is often measured by casualties and monetary losses.  Social Vulnerability provides a lens 

through which to study the dynamic socio‐economic structure that affects the abilities of certain 

populations to respond to, adapt to, mitigate, and recover from disasters and associated socio‐

economic impacts, particularly under climate change impacts (i.e., limited access to and higher 

prices for food, water, energy, transportation)(Lynn, MacKendrick, and Donoghue 2011; IPCC 

2012, 2007).  

  There is neither a single definition nor a single measure for social vulnerability 

commonly used in the literature.  Nevertheless, there is a consensus that race, gender, 

education, immigration status, and socio‐economic factors have resulted in limited access to 

information, financial resources and political power and are closely related to coping capacity to 

disasters (Blaikie 1994; Colten 2006; Satterfield, Mertz, and Slovic 2004; Yohe and Tol 2002).  

Specifically, environmental inequality is correlated with flooding hazards, which suggests that 

even though higher socio‐economic status groups tend to be exposed to flooding hazards, it is 

the lower socio‐economic status groups who are most at risk (Fielding and Burningham 2005).  

Furthermore, other indicators such as single female households, large family structures, 

insufficient medical and social infrastructures for the elderly, low‐income groups, people who 

work in services and occupations which are dependent on natural resources extractions, and 

both rural and urban populations tend to increase Social Vulnerability (Cutter, Boruff, and 

Shirley 2003; Lynn, MacKendrick, and Donoghue 2011; Tate, Cutter, and Berry 2010)(Table 3.2).  

Page 63: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

44 

Table 3.2    Concepts and indicators with positive effects on social vulnerability  and 

corresponding Social Vulnarbility Index (SoVI) variables (modified from Cutter et. al 2003, 

Cutter and Morath 2013, Tate et al. 2010) 

Concept  Descriptions of indicators with positive effects on social vulnerability  

SoVI Variables  (see Table 3.3)  

Age  The elderly and children are more susceptible to harm and require special care in response to disasters  

MEDAGE, QKIDS, QPOP65O 

Gender  Females have lower wage and less access to resources and decision power 

QFEMALE, QFEMLBR 

Race/Ethnicity/ Immigration Status 

Non‐white, people with English and culture isolation and immigrants have less access to resources and decision power   

QBLACK, QINDIAN, QASIAN, QSPANISH, MIGRA 

Education  People with less education have less access to resources and decision power 

QED12LES 

Family Structure  Single female households and large families require more resources to cope with disasters 

QFHH, PPUNIT 

Social Dependence/ Infrastructure Provision 

People with special needs or who rely on social benefits require more resources to cope with disasters, in addition to insufficient access to medical facilities and physicians  

QSSBEN, NRRESPC, HOSPTPC 

Socio‐Economic Status 

Poor and transient residents have less access to resources and decision power 

QRENTER, PERCAP, MHSEVAL, M_C_RENT, PHYSICN, QCVLUN, QRICH, QPOVTY, QMOHO 

Occupation  Laborer, services‐based, and resource‐extraction based occupations are more likely to be affected by natural disasters and subsequent economic recovery   

QCVLBR, QAGRI, QTRAN, QSERV 

Urban/Rural  Increases in urban population and housing density complicates evacuation and disaster management resources; Rural population tends to have less capacity for emergency response and greater dependency on a single‐sector or local‐based resource extraction economy  

HODENT, *QRFRM, *QURBAN 

*QRFRM (percent rural farm population) and QURBAN (percent urban population) are omitted in this study due to unavailability in the 2010 census  

The Social Vulnerability Index (SoVI) developed by Cutter and her colleagues (2003) has 

been widely employed in risk assessment in the United States (e.g., hazard and risk assessment 

in South Carolina (SCEMD 2008) and California (CalEMA, 2010), the Integrated Hazards 

Page 64: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

45 

Assessment Tool (IHAT) used by the Carolina Emergency Management Division 

(mapra.cas.sc.edu/ihat), NOAA’s Digital Coast (www.csc.noaa.gov/digitalcoast/tools/slrviewer)).  

The SoVI was specifically designed for cross‐temporal and cross‐spatial scale comparison.   After 

years of sensitivity and validation testing in a range of studies on local, regional and national 

scales in the United States (Borden et al. 2007; Cutter, Boruff, and Shirley 2003; Cutter and Finch 

2008), 32 socio‐economic variables were exclusively identified for constructing the SoVI (Cutter 

and Morath 2013).  In order to increase generalizability and comparability to other places, SoVI 

was employed for measuring social vulnerability in the Charles River Watershed.  

3.3  Methodology 

3.3.1  Risk assessment framework 

Birkmann (2006) reviewed several different conceptual frameworks and summarized six 

different schools of thoughts based on how vulnerability was systematized into conceptual and 

analytical risk and resilience framework (Birkmann 2006) (see Chapter 2).  A common thread 

that ties the different schools of thoughts together is the recognition that the probability of risk 

to disasters is a result of interaction between exposure to probable hazards and vulnerability 

inherent in society and physical environment in response to hazards: Risk = (Hazard) X 

(Vulnerability).  Therefore, this formula provides the basic framework for the long‐term climate 

change‐induced flooding risk assessment in this study.  

The long‐term flooding hazard index (HI) was defined as a probability of daily stream 

flow volume exceeding the bankfull discharge based on a 45‐year period.  The bankfull discharge 

volume—the water volume that represents the maximum holding capacity of the river 

channel—was determined by the 2‐year return period (Reed, Johnson, and Sweeney 2002).  

Page 65: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

46 

SWAT Modeling 

OUTPUT

Long‐Term Flooding Hazard Index (HI) 

INPUT

Long‐Term Climate Change‐Induced 

Flooding Risk Index (RI)

X

Social Vulnerability Index (SoVI) 

=

30 Variables Social 

Vulnerability Indicators

SoVI  

method

Climate Change Impact 

Temperature mean 

Precipitation mean 

Precipitation variation 

Daily stream flow volume was simulated through hydrological modeling using Soil and Water 

Assessment Tool (SWAT).  Climate change impacts from the mean temperature, mean 

precipitation and precipitation variation inputs were incorporated in the SWAT modeling.   

                  Days when Q > Qbankfull HI = P (Q > Qbankfull) =                 (1) 

                365 days a year X 45 years   P:  Probability 

  Q:  Simulated Stream baseflow (mm) 

Qbankfull: Stream bankfull (mm) under current climate condition 

Based on the assessment of climate sensitivity tests, climate change impact scenarios 

were subsequently selected for further assessment using the spatial correlation with SoVI.  

Finally, HI and SoVI were converted into the same unit of analysis and were multiplied to 

formulate the long‐term climate change‐induced flooding risk index (RI) (Figure 3.6).    

Figure 3.6    Risk assessment framework for the long‐term climate change‐induced flooding 

hazards and social vulnerability in the Charles River Watershed 

Page 66: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

47 

3.3.2  SWAT Modeling 

Soil and Water Assessment Tool (SWAT)(TAMU 2011) was selected for this study for 

several reasons.  First, SWAT is a physically‐based (i.e. based on readily observed and measured 

information in lieu of conceptual models) and spatially distributed model designed to simulate 

water balance and stream flows on the watershed scale using a continuous daily time step for 

long‐term yield (Arnold and Allen 1996).  Second, SWAT has been successfully used to study 

climate sensitivity and impacts on hydrology.  For example, Wu (2007) employed SWAT and 

climate sensitivity studies to investigate climate change impacts on drought versus average 

periods in the Great Lakes watershed (Wu and Johnston 2007).  In addition, multiple General 

Circulation Models (GCMs) and IPCC climate change scenarios have been incorporated in SWAT 

for studying hydrologic cycles, stream flows and water availability (Bekele and Knapp 2010; 

Takle, Jha, and Anderson 2005).  Incorporating climate change data into stream flow impact 

studies is critical for this study.  Moreover, SWAT has the capacity to work with ArcGIS, which is 

the primary platform for conducting spatial analysis with SoVI (ArcSWAT 2009.93.7b available at 

swat.tamu.edu/software/arcswat/).  Combined with GIS, SWAT can simulate the temporal and 

spatial variability of the hydrological processes at the subbasin level defined in the model 

(Santhi et al. 2008).  Finally, SWAT was developed through the USDA Agricultural Research 

Service, gained international recognition, and had applications for studying water resources 

management issues worldwide.  Even though SWAT was originally developed for rural 

environments in order to predict the effects of agriculture best management practices on water 

quality (Arnold and Allen 1996), there has been an increase in case studies using SWAT for urban 

and suburban watersheds (Fohrer et al. 2000; Richards et al. 2008).  The flexibility of SWAT 

modeling is therefore a plus for this study.   

Page 67: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

48 

Model description  

SWAT has eight components―hydrology, weather, sedimentation, soil temperature, 

crop growth, nutrients, pesticides, and agricultural management.  For the purpose of this study, 

only hydrology and weather were applied.  Specifically, stream outflow at each subbasin and 

climate variability in temperature and precipitation were the key variables.  The hydrological 

cycle is modeled based on the water balance equation:   

                     (2) 

SWt: final soil water content 

SWo: initial soil water content 

t: time (days) 

Rday: amount of precipitation  

Qsurf: amount of surface runoff  

Ea: amount of evapotranspiration  

Wseep: amount of percolation and bypass flow existing soil profile 

Qgw: amount of return flow (i.e., base flow originating from groundwater) 

Each component in the hydrologic process can be simulated through its respective water 

balance equation and methodology for surface runoff, evapotranspiration, soil water (i.e., 

percolation, bypass flow, lateral flow), and ground water (i.e., shallow aquifer and deep aquifer 

flow).  Streamflow in a main channel is determined by four major sources within each subbasin: 

surface runoff, lateral flow, base flow from shallow aquifers, and transmission losses through 

channel routing.  The channel outflow is spatially connected between subbasins: the outflow 

from the upper stream subbasin feeds into the lower stream subbasin.  Within each subbasin, 

the water balance is simulated within Hydrologic Response Units (HRUs).  Each stream channel 

Page 68: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

49 

outflow volume is the sum of the water balance in all HRUs within the respective subbasin.  

Therefore, HRUs are not spatially connected.    

The primary method used to determine surface runoff and infiltration rate is a Soil 

Conservation Service Curve Number (SCS CN).  Soil properties also affect the amount of water 

which can be held in the soil.  For example, “hydric soil” type A has the highest infiltration rate 

and the lowest runoff potential whereas “hydric soil” type D has the lowest infiltration rate and 

the highest runoff potential.  In addition, percolation rate is influenced by the soil temperature 

and saturated conductivity in the soil layer, which also affects the lateral subsurface flow.  

Furthermore, the groundwater flow contributing to stream flow is modeled by simulating 

shallow aquifer storage which is recharged through percolation.  Finally, transmission losses due 

to abstractions reduce runoff.  Channel losses are a function of channel width, length, and flow 

duration.  The detailed theory and methodology for each step of the simulation can be found in 

SWAT Theoretical Documentation Version 2009 (Neitsch et al. 2009).   

Model input and data source 

The first step to set up a watershed simulation is to define subbasins.  The grid‐based 

Digital Elevation Model (DEM) data was used for initial delineation of watershed and subbasin 

boundaries.  DEM data was based on a 30‐m grid generated by the USGS National Elevation 

Dataset (NED), which has the highest quality and is the prime source for elevation information in 

the United States (ned.usgs.gov/Ned/).  In order to better match the size of census tracts (the 

final unit for constructing flooding Risk Index), additional outflow points were manually added 

on to the main channel.  The median size of census tracts in the watershed, 1 km2, was used as 

the minimum size for additional subbasins.  Eventually, a total of 54 subbasins were delineated, 

ranging from 0.5 to 35 km2 with a mean of 14 km2, in order to align with the size pattern of 

Page 69: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

50 

census tracts that appear to be larger in the suburban communities and smaller in Boston and 

its surrounding communities (Figure 3.7).  

The HRU was determined based on land uses and soils.  SWAT has a built‐in database for 

land use categories in urban areas and for various agricultural crops.  Each SWAT land use has an 

associated SCS CN varied by “hydric soil” type.  Four major urban land use categories (UCOM, 

URHD, URMD, URLD) and four non‐urban SWAT land use categories (AGRL, FRST, WETL, WATR)) 

adopted from the SWAT urban database were applied in this study.  Land use data came from a 

state‐wide dataset based on 0.5m resolution digital ortho imagery captured in April 2005.  This 

was the latest publicly accessible digital land use and land cover data available from MassGIS.   A 

total of 33 categories identified in the MassGIS Land Use 2005 dataset were then aggregated 

based on the similarity of the development intensity and characteristics of urban and non‐urban 

general land use (i.e. general agricultural and general forest mix) and land cover types (i.e., 

grassy, forest, wetlands and water) for SWAT land use categories.   Since this watershed is highly 

urbanized and plant and crop types were not critical to this study, especially considering that the 

combined agricultural and recreational land areas comprised 6% of the watershed area, 

agricultural and recreational land uses were combined and assumed to have similar grassy land 

cover characteristics for the purpose of modeling the streamflow in this study (Table 3.3). 

Page 70: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

Fi

ce

igure 3.7   

ensus tract p

 

 

 

 

Location an

atterns in the

nd size of the

e Charles Riv

51 

e subbasins (l

er Watershed

abeled with 

numbers) compared to th

 

he 

Page 71: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

52 

Table 3.3    SWAT 2005 land use categories  

SWAT Land Use 

Descriptions  MassGIS Land Use 2005 (LU05_DESC)   

Total Area (acres/ha) 

% Watershed Area 

AGRL  Agricultural; Non‐forest open space; Grassy land cover  

• Agriculture – Orchard – Nursery – Cropland – Pasture 

• Recreational  – Participation Recreation – Spectator Recreation – Golf Course – Cemetery 

11,943/ 4,833 

6.3 

FRST  Forest  • Forest – Forest – Bushland/Successional 

68,271/ 27,628 

35.8 

WETL  Wetlands  • Wetlands and Water – Non‐Forested Wetland  – Saltwater Wetland – Cranberry Bog – Forested Wetland 

20,437/ 8,271 

10.8 

UCOM  Commercial  • Commercial – Commercial – Industrial – Transitional – Junkyard – Open Land  

• Urban Public/Institutional  • Transportation • Utilities 

– Mining – Waste Disposal – Powerline/Utility 

24,501/ 9,915 

12.9 

URHD  Residential‐High Density 

• Residential – Multi‐Family – High Density 

22,816/ 9,233 

12.0 

URMD  Residential‐Medium Density 

• Residential – Medium Density  

 

16,652/ 6,739 

8.7 

URLD  Residential‐Low Density 

• Residential – Low Density  – Very Low Density  

20,234/ 8,189 

10.6 

WATR  Water  • Water  

5,634/ 2,280 

3.0 

Page 72: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

53 

Soil data was derived from the United States Department of Agriculture (USDA) Natural 

Resources Conservation Service (NRCS).  The SSURGO‐certified soil datasets have met all 

standards and requirements approved by the NRCS and possess the most detailed information 

developed by the National Cooperative Soil Survey.  The hydric soil groups used for delineating 

HRUs included hydric soil group A (35% of watershed area), group B (30% of water shed area), 

group C  (24% of water shed area), and group D (11% of water shed area).  A total of 1470 HRUs 

were then identified with a combination of SWAT land use type and hydric soil group properties. 

Daily observed weather data between 1990 and 2011 was obtained from the National 

Climatic Data Center (NCDC) in three stations— Walpole 2 (USC00198757), East Milton Blue Hill 

Observatory (USW00014753), and Boston Logan International Airport (USW00014739).  The 

three variables used to calibrate the watershed were maximum temperature, minimum 

temperature, and total precipitation.  The completeness of daily records poses the greatest 

constraint for gathering observed weather data.   The weather stations were chosen because 

the complete historical daily records in addition to their locations were immediately due south 

and in close proximity to the upper, middle and lower basins respectively.   

Model calibration and validation 

Calibration is the process of adjusting model parameters to minimize the difference 

between simulated output and observed values (NRC 2009).  Validation is the process of using 

part of the dataset as an input in the calibrated model in order to compare the calibrated model 

results with the observed values.   The observed daily streamflow data between 1990 and 2011 

was obtained from the United States Geological Survey (USGS) database at stream gage number 

01104500 located in Waltham, Massachusetts, at the lower basin along the Charles River main 

stream.  This study used a 2‐year warm‐up period (1990 to 1991), a 14‐year calibration period 

Page 73: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

(1

m

an

m

an

Fi

3.

fl

fr

Pa

Stream

flow 

1992 to 2005)

model efficien

nd 0.93 for th

model in its re

nd 0.6 is cons

igure 3.8   

.3.3  Climate 

Two m

ooding hazar

rom General C

global scale, 

anel on Clima

) and a 6‐yea

cy coefficient

he validation 

semblance to

sidered a goo

SWAT calib

change asses

major approac

ds in river ba

Circulation M

which are illu

ate Change (I

r validation p

t (NSE) (Nash

period, which

o the basin pr

od model fit (M

bration and v

ssment meth

ches have bee

sins under cli

Models (GCMs

ustrated in th

PCC) (IPCC 20

54 

period (2006 t

 and Sutcliffe

h represented

roperties.  A N

Moriasi et al. 

validation hyd

hods  

en employed 

imate change

s) according to

he Special Rep

007; Prudhom

Yea

to 2011).  The

e, 1970) were

d a high level 

NSE value of 1

2007) (Figure

drograph in t

to study stre

e impacts.  On

o the greenho

ports on Emis

mme et al. 201

ar

e results of th

 0.81 for the 

of confidenc

1 represents 

e 3.8). 

he Charles Ri

eam flows and

ne approach i

ouse gas emis

ssion by the In

10).  The adva

he Nash‐Sutcl

calibration pe

ce in the simu

a perfect mat

iver Watersh

d associated 

is scenario‐ba

ssion scenario

ntergovernme

antage of usin

iffe 

eriod 

ulated 

tch 

 

ed 

ased 

os on 

ental 

ng an 

Page 74: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

55 

IPCC scenario‐based approach is that it has been widely accepted in science and policy realms as 

a top‐down assumption for climate change.  Therefore, using IPCC scenarios is considered a 

defensible and politically accepted method for studying climate change impacts (Praskievicz and 

Chang 2009).  Nevertheless, spatial mismatch and uncertainty inherent in major GCMs are 

known to scientists to exist (Carter et al. 1994; Gates 1985).  In order to study local watersheds 

as small as the Charles River Watershed (about 800 km2), recent efforts have been made to 

understand the range of uncertainty among downscaling methods (e.g., Regional Climate 

Models (RCMs), statistical downscaling (SD)) in order to reflect climate change on the local scale 

(Chiew et al. 2003; Fowler, Kilsby, and Stunell 2007).  For example, hydrological impacts on the 

25,000 km2 Lule River Basin using both GCMs and RCMs were found similar patterns in the 

increase of mean stream flow and earlier spring peak flow but also found variations in seasonal 

dynamics (Graham et al. 2007).  In addition, Chen et al. (2012) evaluated six different 

downscaling methods on the hydrological impacts on a regional basin (24,600 km2) and found 

that the results varied significantly depending on which downscaling method was chosen (Chen, 

Brissette, and Leconte 2011).  Therefore, the wide range of uncertainty among various GCMs 

and within the different downscaling methods remains a drawback of this “top‐down” approach 

(Brown et al. 2011; Praskievicz and Chang 2009).   

The other approach is scenario‐neutral and uses synthetic weather generation data for 

climate sensitivity tests (Prudhomme et al. 2010).  This “bottom‐up” approach is advantageous 

for a grounded understanding of climate variability impacts on the study subject such as 

stormwater runoff and flooding hazards in a local basin (Nemec and Schaake 1982; Skiles and 

Hanson 1994), which is suitable for a physical environment vulnerability assessment (Brown et 

al. 2011).  The disadvantage lies in a lack of reflection on the probable future global emission 

scenarios and climate change projections (Praskievicz and Chang 2009). 

Page 75: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

56 

This study adopted the merits of both approaches to first identify climate sensitivity and 

trends in long‐term flooding hazards in the watershed, then designating climate change 

scenarios based on IPCC scenarios and GCMs projections.  

Climate sensitivity tests 

A total of 150 climate sensitivity tests were generated from a combination of three 

climate variables: mean temperature change (0, +1, +2, +3, + 4, + 5˚C), mean precipitation 

change (0%, ±10%, ±20%) and variation in precipitation change (0%, ±10%, ±20%).  The method 

for generating the 150 weather data sets for a theoretical 50‐year timeframe is described in a 

separate article (Steinschneider and Brown in review).  The data set was applied to the 

calibrated and validated SWAT model using a 45‐year daily time step in addition to a 4‐year 

warm‐up period between 2050 and 2099.  The outcomes of simulated stream outflow volumes 

from 150 climate sensitivity tests were then used to construct the long‐term climate change‐

induced flooding hazard index (HI).  

The results of HI illustrated that 104 out of 150 (69.3%) climate sensitivity tests had no 

increase in probability of flooding hazards when compared to current climate conditions while 

the remaining 46 climate sensitivity tests revealed positive effects, which excluded variables of 

5˚C increase in mean temperature and ‐10% and ‐20% in mean precipitation change (Figure 3.9).  

Increasing temperature had negative effects; when temperature increased to 5°C, HI became 

lower than current climate conditions, regardless precipitation change.   When mean 

temperature was controlled at an incremental increase of 1°C, both increasing mean 

precipitation and precipitation variation had positive effects (Figure 3.10).  When precipitation 

variation change was controlled, increasing mean temperature and precipitation had similar 

patterns, which indicated slightly positive effects from precipitation variation (Figure 3.11).  On 

Page 76: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

57 

the other hand, mean precipitation illustrated significant effects when increasing mean 

temperature and precipitation variation patterns altered drastically under the increased change 

in the mean precipitation variable (Figure 3.12).   It is worth noting that the effects of the 

interaction between precipitation and temperature changes did not have consistent trends, 

particularly when the mean temperature increased to 4°C and the precipitation variation 

increased by 10%—HI values did not vary from a 0% increase in precipitation variation(Figure 

3.10 and 3.11).   

Figure 3.9    Histogram of the number of climate sensitivity tests in a range of long‐term 

flooding hazard indices   

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Number of Clim

ate Sensitivity Tests

Long‐Term Flooding Hazard Index (HI)

current climate conditions

Page 77: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

58 

 

 

Figure 3.10    Climate sensitivity tests results in long‐term flooding hazard index (HI) 

controlled by mean temperature change  

80% 90% 100% 110% 120%80%

90%

100%

110%

120%

80% 90% 100% 110% 120%80%

90%

100%

110%

120%

80% 90% 100% 110% 120%80%

90%

100%

110%

120%

80% 90% 100% 110% 120%80%

90%

100%

110%

120%

80% 90% 100% 110% 120%80%

90%

100%

110%

120%

80% 90% 100% 110% 120%80%

90%

100%

110%

120%

(a) 

Long‐Term Flooding Hazard Index (HI)

(b) 

(c)  (f)

(e)

(d)

X axis:  Precipitation variation changeY axis:  Mean precipitation change 

0.0%‐1.0% 1.0%‐2.0%2.0%‐3.0% 3.0%‐4.0%4.0%‐5.0%

mean temperature change at (a) +0°C (b) +1°C (c) +2°C (d) +3°C (e) +4°C (f) +5°C  

Page 78: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

59 

 

 

Figure 3.11    Climate sensitivity tests results in long‐term flooding hazard index (HI) 

controlled by precipitation variation change  

0 1 2 3 4 580%

90%

100%

110%

120%

0 1 2 3 4 580%

90%

100%

110%

120%

0 1 2 3 4 580%

90%

100%

110%

120%

0 1 2 3 4 580%

90%

100%

110%

120%

0 1 2 3 4 580%

90%

100%

110%

120%

(a) 

Long‐Term Flooding Hazard Index (HI)

(b) 

(c) 

(e)

(d)

X axis:  Mean temperature change (°C)Y axis:  Mean precipitation change 

0.0%‐1.0% 1.0%‐2.0%2.0%‐3.0% 3.0%‐4.0%4.0%‐5.0%

precipitation variation change at 

(a) ‐20%(b)‐10% (c) +0%            

(d) +10%(e) +20% 

Page 79: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

60 

.   

Figure 3.12    Climate sensitivity tests results in long‐term flooding hazard index (HI) 

controlled by mean precipitation change  

 

 

0 1 2 3 4 580%

90%

100%

110%

120%

0 1 2 3 4 580%

90%

100%

110%

120%

0 1 2 3 4 580%

90%

100%

110%

120%

0 1 2 3 4 580%

90%

100%

110%

120%

0 1 2 3 4 580%

90%

100%

110%

120%

(a) 

Long‐Term Flooding Hazard Index (HI)

(b) 

(c) 

(e)

(d)

X axis:  Mean temperature change (°C)Y axis:  Precipitation variation change 

0.0%‐1.0% 1.0%‐2.0%2.0%‐3.0% 3.0%‐4.0%4.0%‐5.0%

mean precipitation change at 

(a) ‐20%(b)‐10% (c) +0%         

(d) +10%(e) +20% 

Page 80: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

C

sc

p

ha

sc

sc

2

3

Fi

20

U

th

si

es

limate chang

Since t

cenarios were

rojections in 

ave an increa

cenario (IPCC

cenario (IPCC

100 from an a

.13).   

igure 3.13   

006, Figure 3

Accord

niversity of S

here exists a w

gnificant pos

stimated abo

ge impact sce

this study foc

e selected fro

the New Eng

ase in mean te

‐B1) and an in

‐A1fi) based o

average of se

Projected a

ding to the do

Southern Miss

wide range of

itive trend of

out an increas

narios 

cused on flood

om climate va

land region.  

emperature b

ncrease betw

on 1961‐1990

everal GCMs (

annual mean

ownscaled GC

sissippi, and t

f annual mea

f an increase 

se of 10% bet

61 

ding rather th

ariables with p

Based on IPC

between 1.3 a

ween 1.4 and 

0 historical da

(i.e., GFDL, Ha

 temperature

CMs prepared

the Nature Co

n precipitatio

of 0.125% a y

ween 2050 a

Yea

han drought h

positive effec

CC scenarios, t

and 2.8 ˚C (2.

5.3 ˚C (2.6 an

ata and data 

adCM3 and P

e change und

d by the Univ

onservancy (c

on change fro

year from 195

nd 2100 (Figu

ar

hazards, clima

cts on HI in ad

the Northeas

.4 and 5˚F) in 

nd 9.5˚F) in a 

projection th

CM) (NECIA 2

  

der IPCC scen

ersity of Was

climatewizard

om 80% to 12

50 through 21

ure 3.14).   

ate change im

ddition to GCM

st region is lik

a low emissio

high emission

rough the ye

2006) (Figure 

arios (NECIA,

shington, the 

dcustom.org),

0% with a 

100.  It is 

mpact 

Ms 

kely to 

on 

ar 

Page 81: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

Fi

fr

m

fr

w

te

an

va

igure 3.14   

rom climatew

In add

medium and h

rom this study

when the mea

emperature in

nd 3˚C variab

ariation in pre

Annual ave

wizardcustom

ition to curre

high impacts o

y and project

n temperatu

ncrease betw

bles were cho

ecipitation (+

erage precipit

m.org) 

ent conditions

on HI based o

ted GCMs mo

re increased t

ween 1.3 and 5

sen for const

+10% and +20

62 

tation change

s, three clima

on the integra

odels from the

to 4˚C in add

5.3˚C by the e

tructing scena

0%).    

e from down

ate change sce

ation of empir

e literature.  S

ition to GCMs

end of this ce

arios  in addit

scaled GCM m

enarios were

rical climate s

Since the HI b

s’ projection 

entury (NECIA

tion to increas

 

models (prod

 identified at 

sensitivity tes

became insen

of a probable

A 2006), only +

sed mean and

duced 

low, 

sts 

nsitive 

+1, 2 

Page 82: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

63 

Climate change impact scenarios were then defined from the combinations of climate 

variables as the following: current climate conditions with a combination of 0˚C in mean 

temperature, 0% mean precipitation and 0% precipitation variation; Low Impact climate change 

scenario with a combination of +3˚C, +10% mean precipitation and 0% precipitation variation; 

Medium Impact climate change scenario with a combination of +2˚C, +10% mean precipitation 

and +10% precipitation variation; High Impact climate change scenario with a combination of 

+1˚C, +20% mean precipitation and +20% precipitation variation.  Low Impact and Medium 

Impact climate change scenarios are within the range of GCMs projections.  High Impact climate 

change scenario represents an extreme condition that will have significant effects on long‐term 

flooding hazards (Figure 3.15).   

 

Figure 3.15    Climate change impact scenarios  

 

Page 83: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

64 

3.3.4  Social Vulnerability Index (SoVI)  

  Social Vulnerability Index (SoVI) was constructed using 30 variables from the latest 2010 

census data and the 2010 American Community Survey (ACS) data at the census tract level.  

Data for a total of 376 census tracts in the 35 municipalities that contain the Charles River 

Watershed were collected.  Percent urban and percent rural populations were two variables 

omitted from the original list of 32 variables (Cutter and Morath 2013) due to unavailability 

from the changes of survey methods in the 2010 census.  Census tracts with missing data were 

excluded from the calculation.  As a result, a total of 352 valid census tracts were used for 

constructing SoVI (Table 3.4).   

Several steps were taken to construct SoVI using IBM SPSS v21.0.0.  First, the variables 

were normalized as either percentage, per capita or density function.  Second, the variables 

were standardized through z‐score with a mean of 0 and standard deviation of 1.  Third, 

principal component analysis was conducted using a varimax rotation and Kaiser criterion for 

component selection.  Then variables with highly correlated values—greater than 0.5 or less 

than ‐0.5—were selected as influential variables and were listed within each component.  Each 

component illustrated a variance that helped to describe the concept of Social Vulnerability.  

The first identified component was composed of the most variables and then the number of 

variables decreased as more components were identified.  The results revealed eight 

components that explained 72% variance among the variables for describing Social Vulnerability 

(Table 3.5).  The final step was to sum all components based on their positive (add to) or 

negative (subtract from) influence on Social Vulnerability from the identified concepts (Table 

3.2).   After constructing SoVI, 277 census tracts that intersected with the Charles River 

watershed boundary were selected using the ESRI GIS “Clip” function.  The SoVI scores ranged 

Page 84: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

65 

between ‐30 (low Social Vulnerability) and 21 (high Social Vulnerability) with a mean of ‐0.4 and 

a standard deviation of 6.2.  It is worth noting that the SoVI scores are in relative values rather 

than absolute.  For instance, a census tract with a SoVI score of 10 has relatively higher—not ten 

times higher—Social Vulnerability than a census tract with SoVI equals to 1.    

Table 3.4    Descriptive statistics of Social Vulnerability Index (SoVI) variables (N: number 

of valid census tracts; Sources: a) 2010 ACS‐5yr, b) Census 2010, c) Mass GIS 2007)  

Variables  Description  N  Min.  Max.  Mean  SD  Source 

HODENT  No. of housing units per sq. mile  

369  .000 61247 7614  8980  A

HOSPTPC  Per capita no. of community hospitals 

369  .000 .0024 .0001  .0002  C

M_C_RENT  Median monthly contract rent ($) 

362  286 2000 1161  371  A

MEDAGE  Median age  369  16 50 35  7  BMHVAL  Median value of 

owner occupied housing units 

358  149600 1000000 491358  175570  A

MIGRA  % foreign born citizens immigrating in 1990‐2000 

369  .000 .405 .081  .069  a

NRRESPC  Per capita residents in nursing homes 

369  .000 .113 .005  .014  a

PERCAP  Per capita income ($) 

369  5572 124093 41042  20479  a

PHYSICN  No. of persons per 100000 employed in healthcare & technical jobs 

369  .000 .004 .001  .001  a

PPUNIT  Ave. no. of people per household 

363  1.300 4.110 2.392  .427  b

QAGRI  % employment in farming, fishing, &  forestry  

369  .000 .032 .001  .003  a

QASIAN  % Asian & Hawaiian Islanders 

369  .000 .663 .088  .083  b

QBLACK  % African American  369  .000 .942 .134  .213  bQCVLBR  % population in the 

labor force 369  14.600 95.700 69.139  10.559  a

QCVLUN  % unemployed civilian  

369  .000 23.400 4.900  3.666  a

Page 85: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

66 

QED12LES  % population >= 25 years old with no high school diploma 

363  .000 .604 .105  .108  a

QFEMALE  % female population  369  .081 .735 .514  .064  bQFEMLBR  % females in the 

labor force 369  .081 .760 .521  .070  a

QFHH  % single female headed households 

368  .000 .513 .124  .108  a

QINDIAN  % Native American  369  .000 .080 .002  .006  bQKIDS  % population <5 

years old 369  .000 .139 .053  .025  b

QMOHO  % of mobile homes   368  .000 .031 .001  .003  aQPOP65O  % population >= 65 

years old 369  .000 .284 .114  .052  b

QPOVTY  % population below poverty line 

369  .000 .863 .145  .139  a

QRENTER  % renter occupied housing units 

368  .000 1.000 .501  .265  a

QRICH  % households earning >=$100,000  

369  .000 79.100 33.837  18.533  a

QSERV  % employed in service industry 

369  .000 1.000 .167  .118  a

QSPANISH  % Hispanic  369  .006 1.197 .119  .139  bQSSBEN  % population 

collecting social security benefits 

368  .000 .500 .211  .080  a

QTRAN  % employed in transportation, communications, & other public utilities 

369  .000 .119 .038  .023  a

 

   

Page 86: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

67 

Table 3.5  Principal component analysis of Social Vulnerability Index  

Component  Component Cardinality 

Concepts (see Table 3.2) 

Accumulative variance explained 

Dominant variables 

Correlation 

1  (+)  Socio‐Economic  27.07  PERCAP  ‐0.87     Status    QRICH  ‐0.86     Race    MHVAL  ‐0.69     Education    M_C_RENT  ‐0.66     Occupation    PHYSICN  ‐0.63         QRENTER  0.60         QPOVTY  0.66         QBLACK  0.70         QCVLUN  0.70         QSPANISH  0.77         QFHH  0.79         QED12LES  0.85         QSERV  0.88 

2  (+)  Age/Socio‐  39.95  HODENT  ‐0.76     Economic    QRENTER  ‐0.68     Status    MEDAGE  0.60         QKIDS  0.60 

3  (+)  Gender  47.35  QFEMALE  0.95         QFEMLBR  0.97 

4  (+)  Occupation  52.96  QCVLBR  ‐0.88 

5  (+)  Age/Social   58.23  QPOP65O  0.52     Dependence    NRRESPC  0.68 

6  (+)  Race/  62.99  QMOHO  ‐0.76     Immigration    QASIAN  0.51     Status    MIGRA  0.51 

7  (+)  Ethnicity/   67.63  QINDIAN  0.55     Occupation    QAGRI  0.64 

8  (‐)  Infrastructure Provision 

71.94  HOSPTPC  0.61 

 

 

 

Page 87: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

68 

3.3.5  Long‐term climate change‐induced flooding risk index  (RI) 

The long‐term climate change‐induced flooding risk index (RI) was calculated by 

multiplying the Social Vulnerability Index (SoVI) with the long‐term flooding hazard index (HI).  

Because SoVI was based on the unit of census tract and HI was derived from the SWAT modeling 

at the unit of subbasin, several steps were taken to unify the unit of analysis at the census tract 

level for constructing the RI.  First, subbasin units were intersected with census tract units using 

the ESRI GIS “Clip” function.  Since census tract was based on population density varied between 

1000 and 8000 people with an optimum of 4000 people (see glossary in US Census Bureau, 

www.census.gov/dmd/www/glossary.html), the size of census tract varied widely with a range 

from 0.04 and 46.54 km2 and a mean of 3.67 km2.  Some census tracts are as large as one entire 

community (e.g., Sherborn, Dover, Millis) in rural areas, while others are as small as a few blocks 

in the cities such as Boston.  An area‐weighted method was therefore applied in census tracts 

that contained multiple subbasins for calculating respective HI values.   

HICensus Tract Y = ∑xi [HISubbasin Xi*(Areasubbasin Xi in census tract/Areasubbasin Xi)]    (3) 

Census Tract Y = census tract that intersects with multiple subbasins  

Subbsin Xi = Each subbasin intersected with Census Tract Y 

Moreover, in order to have a positive score in hazard indices in order to reflect positive scores of 

risk indices, SoVI scores were rescaled from 0 to 1 (mean=0.6, SD=0.1).  Finally, the RI was 

created by multiplying the weighted HI and the rescaled SoVI scores in each census tract.  

Long‐Term Climate Change‐Induced Flooding Risk Index (RI) = HI * SoVI     (4) 

 

 

Page 88: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

69 

3.4  Results 

3.4.1  HI and SoVI spatial overlay 

The long‐term flooding hazard index (HI) at the outlet of each subbasin represented 

accumulated streamflows from the entire drainage area that included hydrologically‐connected 

upper‐stream subbasins.  Under current climate conditions, communities at the upper and 

lower ends of the stream such as Boston, Waltham, Lincoln and lower Brookline were exposed 

to lower HI whereas higher HIs were clustered at the upper middle streams in Medway and 

Millis as well as at the lower middle streams in Dover and most of Needham.  Under climate 

change impact scenarios, HI represented the same spatial patterns with increased intensity 

across Low Impact, Medium Impact and High Impact climate change scenarios.  High Impact 

illustrated more than double the probabilities of long‐term flooding hazards than in other 

climate change impact scenarios.   

The Social Vulnerability Index (SoVI) in general was concentrated in urbanized areas. It 

appeared to be lower in the upper Charles River Watershed in towns of Norfolk, Franklin, Millis, 

Medway, Holliston and Medfield, and higher in the lower basin in the cities of Boston, Brookline, 

Newton, Needham, Wellesley and Weston.   

When overlaying SoVI with HI, areas with relatively higher SoVI at the lower basin 

correlated with the highest HI along the main river channel.  Under the High Impact climate 

change scenario, the communities with relatively higher social vulnerability in the suburbs of 

Boston would encounter the most long‐term flooding hazards induced by climate change (Figure 

3.16).   

Page 89: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

70 

 

Figure 3.16    Spatial overlay between the long‐term flooding hazard index (HI) and the 

Social Vulnerability Index (SoVI)  

3.4.2  Long‐term climate change‐induced flooding risk assessment  

  The long‐term climate change‐induced flooding risk index (RI) could be considered as a 

SoVI‐weighed HI resulting from multiplying the rescaled SoVI (index values from 0 to 1) and the 

HI two indices together.  Therefore, census tracts with a SoVI score of zero represented the 

lowest RI, implying that places with no social vulnerability were considered to be at minimal risk 

Page 90: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

71 

because the concept of risk was only associated with the livelihood of human beings.  On the 

other hand, a high RI would reflect people who had a high Social Vulnerability and who were 

also exposed to high long‐term flooding hazards.  Since the HI score was based on probabilities, 

a RI score could be interpreted as an absolute term.  For example, RI increased by more than 

double under the High Impact climate change scenario when compared to the current climate 

conditions and Low Impact climate change scenarios (Table 3.6).  High risk indices were 

concentrated around suburban towns, including Weston, Wellesley and Needham at the middle 

to lower basin under the current climate conditions and Low Impact climate change scenarios.  

The upper basin had higher risks when greater impacts from climate change posed higher 

flooding hazards under Medium and High Impact climate change scenarios (Figure 3.17). 

Table 3.6    Summary of descriptive statistics of long‐term climate change‐induced 

flooding risk index (RI) among climate change impact scenarios 

Mean  Median  Standard Deviation 

Minimum  Maximum 

current climate conditions  0.0049  0.0046  0.0021  0  0.0119 

Low Impact  0.0055  0.0053  0.0023  0  0.0134 

Medium Impact  0.0065  0.0062  0.0028  0  0.0165 

High Impact  0.0112  0.0102  0.0058  0  0.0317  

Page 91: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

72 

 

Figure 3.17    Maps of the long‐term flooding risk index (RI) among climate change impact 

scenarios   

3.5  Discussion  

3.5.1  Climate change impacts on the HI 

Results from the climate sensitivity tests have partially rejected the hypothesis that 

increasing temperature and increasing precipitation would increase long‐term flooding hazards.   

Page 92: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

73 

This sutdy revealed that the increasing mean temperature had negative effects and the 

increasing mean precipitation had positive effects on steamflows.  The findings were supported 

by the previous studies that also used SWAT modeling and climate sensitivity tests (Bekele and 

Knapp 2010; Fontaine et al. 2001).  In addition, increasing temperature would increase 

evapotranspiration rate and decrease water yield and baseflows (Praskievicz and Chang 2009), 

regardless land cover types were forest‐dominated (Fontaine et al. 2001) or agriculture‐

dominated (Ficklin et al. 2009).  Since the long‐term flooding hazard index in this study was 

based on streamflow volume, the decreased streamflow would result in the reduced HI. 

3.5.2  HI and SoVI HotSpots spatial mismatch 

The long‐term flooding hazard index (HI) and the Social Vulnerability Index (SoVI) were 

significantly clustered respectively.   However, their “HotSpots” did not match spatially.  Spatial 

autocorrelation analysis was a function in the ESRI GIS which was used for testing significance in 

the spatial patterns.  The HI values between 54 sub‐watersheds under current climate 

conditions (Moran’s I=0.34, p <0.001, z score=3.7 SD), Low Impact (Moran’s I=0.28, p<0.001, z 

score=22.4 SD), Medium Impact (Moran’s I=0.30, p<0.001, z score=23.7 SD) and High Impact 

(Moran’s I=0.34, p<0.001, z score=26.7 SD) climate change scenarios were all significantly 

clustered.  So did the significant spatial pattern in the SoVI (Moran’s I = 0.14, p <0.001, z score = 

14.8 SD).  The clustered HI pattern suggested higher long‐term flooding hazardous places tend 

to locate in close proximity; the clustered SoVI pattern suggested that people with higher social 

vulnerability tend to live near each other.   

Getis‐Ord Gi*Hot Spots analysis, a spatial analysis function in the ESRI GIS using polygon 

contiguity (First Order) and euclidean distance methodologies, was applied for testing spatial 

relationship.  The HotSpots represent high‐and‐high and low‐and‐low values that are clustered 

Page 93: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

sp

ch

B

cl

Fi

be

cl

re

18

po

su

W

ha

(a

patially.  The 

hannel in all c

oston’s Dorch

lustered in th

igure 3.18   

etween (a) th

Statist

limate condit

evealed no sig

867.55).  The

opulation wit

uggesting tha

Watershed cur

azardous are

a) 

results illustr

climate chang

hester neighb

e town of No

 The Getis‐

he long‐term 

tically, there w

ions).  In add

gnificant relat

refore, the sp

th high social 

at the people 

rrently do not

as.   

rated that the

ge impact sce

borhoods out

orfolk in the u

Ord Gi*Hot S

 flooding haz

was no strong

ition, spatial 

tionship betw

patial mismat

vulnerability

who are cons

t live in close

(b)

74 

e HI HotSpots

enarios.  The h

tside the main

upper basin (F

Spots spatial 

zard index an

g correlation 

regression an

ween the two

tch between 

y would live in

sidered the m

 proximity wi

 were located

high SoVI Hot

n channel and

Figure 3.18).

analyses reve

nd (b) the Soc

between the 

nalysis using G

o indices (R‐sq

HI and SoVI r

n high long‐te

most socially v

ith the highes

d along the C

tSpots were c

d the low SoV

ealed spatial 

cial Vulnerabi

HI and SoVI (

GeoDa (Anse

quared=0.02, 

ejected the h

erm flooding h

vulnerable in 

st long‐term f

harles River m

clustered in 

VI HotSpots w

 

mismatch 

ility Index  

(r=‐.203 in cu

lin et al. 1996

Log likelihoo

hypothesis tha

hazard areas,

the Charles R

flooding 

main 

were 

urrent 

6) 

d= ‐

at 

 

River 

Page 94: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

75 

It is worth emphasizing that this study is locally‐based and watershed‐specific 

assessment. Boston is a historical harbor city and is not located along the main channel of the 

Charles River.   The densely developed cities such as Boston are susceptible to other types of 

flooding such as flash floods, which are highly correlated with impervious surfaces in the 

urbanized watersheds (Praskievicz and Chang 2009; Bodini and Cossu 2010); nevertheless, the 

long‐term riparian flooding hazards occur most along the main stream.  Therefore, even though 

the city has the highest social vulnerability, this study suggests that the long‐term climate 

change‐induced riparian flooding hazard is not the top concern for Boston in the Charles River 

Watershed.   

3.5.3  Growing risks in suburbs 

Even though the HosSpots analyses revealed the mismatch between the HI and SoVI, 

census tracts with the highest HI are among the ones with moderate to high social vulnerability 

outside Boston and in the suburban communities showing high risk indices in the middle and 

upper basin (Figure 3.17).  Therefore, there is a greater concern for suburban and rural 

communities about long‐term flooding hazards under climate change impacts.  The Boston 

Metropolitan Area has had an increase of foreign‐born populations and an increase of poverty 

rate, which are highly correlated with SoVI, in the suburban and growing communities such as 

the towns of Wellesley and Milford.  If the trends continue, those areas could potentially 

become high SoVI HotSpots.   

By no means, it is critical to use the risk index as an integration of both hazards and 

social vulnerability in risk assessment.  For example, Wellesley is located in the high HI HotSpots 

area with moderate SoVI, which then resulted in a high RI.  The RI is then helpful to gauge the 

climate change impacts on the long‐term flooding risks in the Charles River Watershed, 

Page 95: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

76 

considering growing social vulnerability and growing hazards in the suburban and growing 

communities.   In addition to flooding, climate change related hazards such extreme heat have 

been recorded as having increased impacts on the rural communities with higher social 

vulnerability, which is correlated with higher percentage of aging population and lower access to 

infrastructure and resources for risk management (Oven et al. 2012; Reid et al. 2009; Sheridan 

and Dolney 2003). Furthermore, human disturbances (i.e. deforestation, grazing, urbanization) 

resulting in land cover change contribute to alteration of hydrological cycle (Price 2011) that 

eventually have impacts on flooding (Jones et al. 2012).  Increasing urbanization in the suburban 

and rural communities can therefore impose more long‐term climate change‐induced flooding 

risks in those areas in the Charles River Watershed.  The impact from urbanization is discussed in 

Chapter 4.  

3.5.4  Limitation of this study 

Despite the findings have revealed effects of individual variable in temperature and 

precipitation change on long‐term flooding hazards, the causality between the increased 

temperature and the increased precipitation and the muticolinearity among climate variables 

related to uncertainty in climate change were not included in this study.  In addition, this study 

has examined an average of a 45‐year period rather than seasonal effects on flooding hazards.  

For example, research has shown that climate change has impacts on the increased flooding in 

winter due to the early snow melt and precipitation falling as rain instead of snow, in addition to 

the increased evapotranspiration and droughts in summer (Jones et al. 2012; Karl, Melillo, and 

Peterson 2009).  Furthermore, this study was limited to single hazard rather than multi‐hazards 

risk assessment.  Therefore, even though the most socially vulnerable people who live in the 

southeast Boston neighborhoods are not most threatened by the long‐term flooding hazards, 

Page 96: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

77 

those population who live mostly in low lying areas along the coasts are prone to other types of 

climate change‐induced hazards such as rising sea levels and more frequent and intense 

hurricanes and storm surges (Kirshen, Knee, and Ruth 2008).   

Furthermore, the Social Vulnerability Index (SoVI) has its limitation of using publicly 

available data that are in quantitative nature and lack of qualitative quality.  Qualitative data is 

essential in order to understand perceptions and behavior that are relevant to become 

vulnerable to flooding and other types of climate change‐induced hazards.  For example, people 

tend to underestimate the probability of flooding hazards or having a lack of accurate 

information on the risk due to false security by flooding control structures such as levees and 

dams (Hung, Shaw, and Kobayashi 2007; Zhang 2010).  In addition, the hazardous places such as 

coastline and waterfront properties are often associated with natural beauty and desirable 

places to live regardless known probability to disasters; as a result, the wealthy people who can 

afford insurance tend to voluntarily live in hazard‐prone areas (Blaikie 1994; Platt 1999).  

Therefore, future research for gathering qualitative data is critical to understand why people live 

in hazard‐prone areas and how people take actions in coping with climate change.   

In sum, further studies in people’s behavior and actions toward flooding mitigation and 

climate change adaption strategies will play a critical role in the success of climate change 

planning.  Finally, integrating social vulnerability with local‐based and multiple climate change‐

induced hazards (e.g., flash floods, droughts, extreme heat and cold, tornados, hurricanes, 

severe storms, sea level rises) is essential for the development of comprehensive climate change 

adaptation strategies to address further needs for place‐based community planning.   

Page 97: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

78 

3.6  Conclusion 

Hydrological systems are complex and dynamic in the urbanized watersheds.  The 

multicolinear interactions between temperature, precipitation, land cover, soil, topography, and 

channel characteristics make streamline planning strategies for climate change difficult 

particularly at a local scale.  It is critical to employ empirical studies to demystify climate change 

impacts on local communities and using place‐based risk assessment in order to better 

understand local‐based hazards and social vulnerability.  Subsequently, planners and policy‐

makers can prioritize resources to where make most impacts for reducing climate change‐

induced risks.  In addition, climate sensitivity tests used in this study have shown valuable 

parameters for climate change planning decision‐making on a local basis.  For example, 

according to the GCMs projections, the mean temperature would increase to 3°C and mean 

precipitation would increase to 10%, which fits the Low Impact climate change scenario defined 

in this study.  Based on the findings in this study, lower increase in long‐term flooding hazards 

would likely occur under climate change impacts when land cover remains unchanged.  

Therefore, planners can use the Low Impact climate change scenario as a framework for 

scenario planning in developing strategies for long‐term flooding hazards mitigation.  In 

addition, planners can use the SoVI and the RI for identifying local communities who are at the 

most risks and who are in high social vulnerability in order to prioritize resources and enhance 

resilience in those communities.  Planners can also use SoVI as a lens in integrating socio‐

economic and vulnerability data into the comprehensive planning process.  As climate change 

emerges as a top global as well as local agenda, its impact on local community needs to be 

addressed in local climate change planning.   

Page 98: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

79 

Finally, quantitative assessment is an initial step in serving as a factual basis for hazard 

mitigation and climate change planning policies.  In order to understand people’s attitudes and 

their choices to live in hazard‐prone areas, as well as what actions people would take for climate 

change adaptation, it is critical to integrate risk perceptions and local knowledge from engaging 

the stakeholders and the public in the participatory planning processes.  The next chapter will 

investigate urbanization impacts on long‐term flooding hazards from stakeholder‐input growth 

scenarios under climate change impact scenarios.   

   

Page 99: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

80 

CHAPTER 4 

FUTURE LONG‐TERM CLIMATE CHANGE‐INDUCED FLOODING RISK ASSESSMENT UNDER 

GROWTH SCENARIOS AND CLIMATE CHANGE SCENARIOS  

4.1  Introduction 

Urban forms and development patterns affect biogeophysical characteristics and 

functions of the ecosystem in cities while the land, water, air, flora and fauna, energy, and 

nutrients in urban areas have been altered both intentionally and inadvertently (Pickett et al. 

2001; Spirn 1984).  They significantly correlate to environmental performance (Alberti 1999).   In 

addition, urbanization impacts associated with housing density in urban development patterns 

have been linked to flooding damages (Brody et al. 2011) as well as to the urban heat island 

effect in which the micro climate is altered and contributes to climate change (Pickett et al. 

2001).  Population growth is a driver for the urbanization process and subsequent land use and 

land cover change that results in societal and environmental impacts.  As population increases, 

more housing and associated urban infrastructure such as water supply, stormwater 

management, sewer systems, waste management, electricity, schools, fire stations, hospitals, 

parks and recreation, etc. will be required for supporting the health, safety and welfare of the 

newcomers.  New development is often associated with land clearing, sealing, and compaction, 

which results in an increase of impervious surfaces and alterations of the hydrological cycle in 

the watershed (Booth and Jackson 1997; Brabec, Schulte, and Richards 2002; Lindh 1972).   

The Boston Metropolitan Area (BMA) has a population of 3.6 million with an estimated 

increase of 11 through 2030 (MAPC 2009).  With the projected urban growth, the Metropolitan 

Area Planning Council (MAPC) has outlined growth management strategies that aim to address 

efficient transportation, natural resources and land conservation, improvement of health and 

Page 100: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

81 

education, and an increase in equitable economic development opportunities in the proposed 

MetroFuture Plan for 101 municipalities in the BMA (MAPC 2009).  In terms of urban form, the 

MetroFuture scenario concentrates population growth along transit systems in lieu of the 

suburban sprawl in the Current Trends scenario.   To further investigate urban form and 

development patterns in relation to social equity and environmental performance, the Boston 

Metro Area Urban Long‐Term Research Area‐Exploratory (BMA ULTRA‐ex) project team at the 

University of Massachusetts Amherst has engaged with stakeholders in the BMA to develop two 

additional future growth scenarios: the Green Equity scenario, which focuses on greening 

investment such as trees and community gardens in low‐income neighborhoods, and the 

Compact Core scenario, which emphasizes concentrated development in the Inner Core 

communities identified by MAPC.  Using the same number of projected population in 2030, each 

scenario differs in its distribution of population growth between Inner Core and non‐core 

communities.    

Building upon the long‐term climate change‐induced flooding risk assessment in the 

Charles River Watershed, which was developed in the previous chapter, this chapter aims to 

answer the following questions: 1) In what way does the distribution of population growth 

influence urban form and development pattern in terms of land use change?  2) To what degree 

do the four future growth scenarios affect long‐term flooding hazards? 3) To what degree does 

climate change have impacts on future long‐term flooding hazards in the future growth 

scenarios?  4) What is the relationship between social vulnerability and long‐term climate 

change‐induced flooding hazards in the future growth scenarios?  Several hypotheses were: 1) 

Suburban sprawl results in greater land disturbance in the watershed, including land cover 

change from forest and agricultural lands to urban development as well as increased 

development in low density areas.  2) Suburban sprawl results in an increase in flooding hazards.  

Page 101: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

82 

3) Under higher climate change impact, suburban sprawl results in more long‐term flooding 

hazards in more places.  4) Suburban sprawl in the Charles River Watershed results in more 

socially vulnerable people under the risk to the long‐term climate change‐induced flooding 

hazards. 

4.2  Background 

4.2.1  MAPC community types and MetroFuture  

The Metropolitan Area Planning Council (MAPC) is one of the 13 Regional Planning 

Agencies (RPAs) erected in the state of Massachusetts.  The mission of MAPC is to “promote 

smart growth and regional collaboration in Metropolitan Boston” under the direction of the 

regional plan— MetroFuture: Making a Greater Boston Region (MAPC 2009).  Based on land use 

and housing patterns, recent growth trends and projected development patterns, MAPC 

identified four types of communities and outlined planning strategies for each type of 

community in the MetroFuture plan.   The Inner Core communities are intensively built with less 

than 1 % vacant developable lands; therefore, any new development is essentially through reuse 

or redevelopment of existing sites.  There are 16 cities and towns identified as Inner Core, 

including the high density cities of Boston, Cambridge, Somerville, Chelsea, etc.  The Regional 

Urban Centers are outside the Inner Core communities and characterized by downtown urban 

centers with multiple‐story and mixed‐use blocks surrounded by moderately dense residential 

areas.  These urban communities are experiencing less growth rates than suburbs.  Maturing 

Suburbs are moderately developed and experiencing moderate growth rates whereas 

Developing Suburbs are less developed and experiencing the most growth rates with mostly 

Page 102: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

83 

single family housing development.    The MAPC planning area comprises 101 municipalities; 33 

of them are intersected with the boundary of the Charles River Watershed (Figure 4.1). 

Figure 4.1 Charles River Watershed study area and the Metropolitan Area Planning

Council (MAPC) community types in the Boston Metropolitan Area  

BOSTON

IPSWICH

STOW

ACTON

SHARON

FRANKLIN

SUDBURY

BOLTON

CONCORD

HOPKINTON

DUXBURY

CANTON

NATICK

LYNN

DOVER

NORWELL

NEWTON

MILLIS

PEABODY

LINCOLN

BEVERLY

MILFORD

CARLISLE

HUDSON

MEDWAY

HINGHAM

MARSHFIELD

WALPOLE

QUINCY

ESSEX

PEMBROKE

WESTON

FRAMINGHAM

WRENTHAM

MILTON

SCITUATEHOLLISTON

WAYLAND

LITTLETON

NORFOLKHANOVER

WEYMOUTH

HAMILTON

BELLINGHAM

MEDFIELD

LEXINGTON

FOXBOROUGH

SHERBORN

WOBURN

DANVERS

BEDFORD

WALTHAM

MARLBOROUGH

ASHLAND

SAUGUS

WILMINGTON

STOUGHTON

NEEDHAM

BRAINTREE

MIDDLETON

DEDHAM

SALEM

TOPSFIELD

READING

GLOUCESTER

LYNNFIELD

NORWOODRANDOLPH

WESTWOOD

ROCKLAND

BURLINGTON

COHASSET

SOUTHBOROUGH

WENHAM

WELLESLEY

MEDFORD

NORTH READING

REVERE

BOXBOROUGHWAKEFIELD

HOLBROOK

ROCKPORT

MALDEN

CAMBRIDGE

STONEHAM

BROOKLINE

MANCHESTER

MAYNARD

HULL

BELMONT

MELROSEWINCHESTER

ARLINGTONEVERETT

SOMERVILLE

MARBLEHEAD

WATERTOWN

CHELSEA

SWAMPSCOTT

WINTHROP

NAHANT

Legend

Charles River

Charles River Watershed

Boston Metro Area

MAPC

Inner Core

Maturing Suburbs

Developing Suburbs

Regional Urban Centers

´ 0 5 10 15 202.5Miles

Page 103: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

84 

  MetroFuture was initiated by MAPC through more than five years of participatory 

planning processes with regional and local stakeholders as well as the public, in addition to 

intensive data analyses and assumptions in projected growth for each MAPC community type in 

the Boston Metro Area.  MetroFuture plan has laid out 65 goals addressing sustainable growth 

patterns, housing choices, community vitality, prosperity, transportation systems, and natural 

resources management (i.e., energy, air, water, and wildlife) in the region.   In terms of the 

growth patterns that this study focuses on, MetroFuture adopted Smart Growth principles and 

techniques such as focusing on growth along public transit lines and redeveloping built areas 

where infrastructure systems are already in place.  Where new development is needed, 

clustered development patterns are strongly encouraged to preserve large open space and 

working farmlands (MAPC 2009).     

4.2.2  BMA ULTRA‐ex growth scenarios 2030  

The BMA ULTRA‐ex team has developed four stakeholder‐input future growth scenarios 

extended from MAPC’s plans for the Boston Metropolitan Area—Current Trends (CT), 

MetroFuture (MF), Green Equity (GE) and Compact Core(CC) (Ryan et al. 2013).   Each scenario 

illustrates one possible future that reflects policy assumptions in growth management strategies 

between Inner Core and non‐core communities.   

  As described by MAPC, the Current Trends serves as a “business as usual” scenario 

compared to the alternative growth management strategies laid out in the MetroFuture.  

Currently, the 16 Inner Core communities have been more than 99% built‐out and less than 1% 

of undeveloped land has zoning that allows for housing development (based on currently 

available 2005 land use data and 200X zoning information from MassGIS).  Therefore, growth 

strategies in the Inner Core communities were assumed to be strictly where lands have been 

Page 104: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

85 

developed and infrastructure has already been put in place (i.e. infill development) whereas in 

non‐core communities, growth strategies include both infill and greenfill.  Greenfill is a growth 

management strategy that allow for new development on agricultural and forest lands.  In 

Current Trends, greenfill was the least restrictive with a lack of concern on farmland protection 

or open space conservation.  In contrast, MetroFuture emphasized more infill along transit lines 

and limited growth through greenfill, particularly for the purpose of preserving working 

farmlands.  Green Equity was designed to achieve a particular goal in raising environmental 

justice in terms of distribution of urban open space and ecosystem services in relation to low‐

income neighborhoods (Danford et al. in review).  The assumption was that Green Equity would 

put less growth pressure on the Inner Core in order to allow more green space in urban 

neighborhoods.  On the other hand, Compact Core was assumed to have the most population 

growth in the Inner Core using the most intensive efforts in infill development in order to relieve 

development pressures on suburban communities that build into farmlands and forest lands 

(Table 4.1). 

Table 4.1    Summary of growth strategies applied in the growth scenarios for the Boston 

Metropolitan Area through 2030 

Growth Strategy  Current Trends (CT)

Metro Future (MF)

Green Equity (GE)

Compact Core (CC)

Greenfill  Much More  Less  More  Much Less 

Urban Densification (Infill)  Much Less  More  Less  Much More 

Farmland Preservation  Much Less  Much More  Less  More 

Environmental Equity  Much Less  More  Much More  Less 

4.2.3  Population and growth scenarios   

Population projection through the year 2030 in each Traffic Analysis Zone (TAZ) was 

provided by MAPC for the Current Trends and the MetroFuture scenarios.  A TAZ is defined in 

Page 105: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

86 

relation to traffic‐related data (e.g., journey‐to‐work) and is therefore not consistent with 

census tract boundary (see TAZ metadata in census.gov).  Based on MAPC projections, Current 

Trends has a 9.5% population increase from the 2000 census, which is slightly less than the 

projected growth of 11% for the MetroFuture.  In exploring more urban greening in the Inner 

Core communities for environmental justice in lieu of population growth, a midpoint of the 

population growth rate between Current Trends and MetroFuture was given for Green Equity 

with a factor of 0.72 in MetroFuture’s projection (Danford et al. in review).  For Compact Core 

scenario, population is assumed to have even more growth than that of MetroFuture while the 

focus is on redevelopment in the Inner Core communities.   

According to the historical population data since 1900, Boston had a climax of 800,000 

population in 1950 and since then has been experiencing a decline to less than 600,000 in 1960 

and is now growing incrementally through the 2010 census when it reached 617,594.  

Considering the past urban capacity in Boston, the project team assumed that a population 

change of about 150,000 people—about 1.45 times MetroFuture’s projected population 

change—was a reasonable growth for the Compact Core scenario.  It is worth noting that the 

population projection analyses were conducted in the early 2000s.  As a result, the projected 

change was based on the 2000 census instead of the latest 2010 census data. 

CT 2030 pop = 2000 pop + projected pop change in CT 2030            (1) 

MF 2030 pop = 2000 pop + projected pop change in MF 2030          (2) 

GE 2030 pop = 2000 pop + (0.72 X projected pop change in MF 2030 in Inner Core)  

+ (1.314 X projected pop change in MF 2030 in non‐Core)  (3)  

CC 2030 pop = 2000 pop + (1.45 X projected pop change in MF 2030 in Inner Core) 

+ (0.496 X projected pop change in MF 2030 in non‐Core)   (4) 

pop: population 

Page 106: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

87 

Based on the 2010 census data, the average household has 2.59 people.  Therefore, the 

projected housing unit change from 2000 to 2030 can be calculated by dividing the projected 

increase population change by 2.59.  The increased population and housing units were then 

used for land use change and hydrological modeling in the Charles River Watershed for this 

study (Table 4.2).   

Projected increase of housing units = Projected increase pop change / 2.59      (5) 

Table 4.2    Summary of projected population and housing units increase from 2000 to 

2030 between Inner Core and non‐core communities among growth scenarios  

Growth Scenarios  Current Trends*  Metro Future*  Green Equity  Compact Core 

POP 2000  Total BMA  3,069,685  same   same  same 

Inner Core  1,350,661 

non‐core  1,719,024 

POP 2030  Total BMA  3,360,752  3,413,000  3,413,000  3,413,000 

Inner Core  1,426,845  1,711,760  1,660,975  1,793,380 

non‐core  1,933,907  1,701,240  1,752,025  1,619,620 

POP Increase Total BMA  291,067  343,315  343,315  343,315 

Inner Core  78,003  181,376  130,591  262,996 

non‐core  213,064  161,939  212,724  80,319 

Housing Units Increase BMA  112,418  132,554  132,554  132,554 

Inner Core  30,117  70,029  50,421  101,543 

non‐core  82,264  62,525  82,133  31,011 

POP: population; a: percent of total population; b: percent population increase from POP 2000  *Population projections for Current Trends and MetroFuture scenarios were provided by MAPC 

Page 107: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

88 

4.3  Methodology 

4.3.1  Future long‐term climate change‐induced flooding risk assessment framework  

This chapter has built on Chapter 3 and integrated additional urbanization impacts in 

the long‐term climate change‐induced flooding risk assessment using BMA ULTRA‐ex future 

growth scenarios for the Charles River Watershed.  The detailed methodology for SWAT 

modeling, climate change assessment, climate change impact scenarios, long‐term flooding 

hazard index (HI), Social Vulnerability Index (SoVI), and long‐term flooding risk index (RI) were 

described in Chapter 3.  This chapter focuses on methods for developing future growth 

scenarios through 2030, applying future scenarios to SWAT modeling, and assumptions for 

building future long‐term climate change‐induced flooding risk indices.   

Among the 30 variables used in SoVI, the number of housing units per square mile 

(HODENT) was the only variable that could possibly be updated based on projected population 

and housing unit increase in growth scenarios.  Nevertheless, housing density was only one of 

the four variables that contributed to the explanation in one of the eight principal components 

(a correlation of ‐.76 to component 2) (Table 3.5).  Without other supporting projections such as 

renter occupancy rate, employment rate, migration rate, income or demographic composition 

change, SoVI was assumed to maintain the same pattern as the 2010 census data and was 

therefore unchanged from Chapter 3 in this study.   

Adopted from the long‐term climate change‐induced flooding hazard index (HI) defined 

in Chapter 3, future HI in growth scenarios was calculated by comparing simulated future 

streamflow to bankfull volume for current land use (MassGIS Land Use 2005) under current 

climate conditions defined in Chapter 3.  Climate change impact scenarios for Low Impact, 

Page 108: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

89 

CT: Current Trends 

MF: MetroFuture 

GE: Green Equity 

CC: Compact Core

Low Impact 

Medium Impact 

High Impact 

Climate Change  Impact 

Scenarios 

SWAT Modeling 

Growth Scenarios 2030 

OUTPUT

Long‐Term Flooding Hazard Index (HI) 

INPUT

Long‐Term Climate Change‐Induced 

Flooding Risk Index (RI)

X

Social Vulnerability Index (SoVI) =

SoVI Social 

Vulnerability 

SoVI 

Method

Moderate Impact, and High Impact were also taken from Chapter 3 and used as weather input 

for SWAT modeling for each future growth scenario of 2030 SWAT land use input (Figure 4.2).     

                  Days when Q > Qbkful05 HI = P (Q > Qbkful05) =                 (6) 

               365 days a year * 45 years   P:  Probability 

  Q: Streamflow  

Qbkful05: Based on 2005 land use current climate stream bankfull discharge  

Figure 4.2     Future long‐term climate change‐induced flooding risk assessment framework 

integrating growth scenarios 2030 and climate change impact scenarios  

4.3.2  Projected population to land use conversions   

Population growth is the driver in the urbanization process.  Several steps were involved 

in transforming MAPC’s population projection into SWAT land use for SWAT modeling.  

Page 109: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

90 

Step 1: Identify developable lands 

According to MAPC community types, Inner Core communities have limited vacant land 

available and therefore the growth strategy focuses on infill vacant lots, abandoned buildings or 

cleaning up unused industrial lands (i.e. brownfields) for new housing and offices in addition to 

reusing and redeveloping existing buildings and sites for accommodating increased population 

growth.  Therefore, developable lands for Inner Core give priority to current residential, 

commercial, and industrial lands in addition to vacant lands.  Transportation and institutional 

land uses in general are not used for additional market‐based housing units because the lands 

are usually privately owned and in use as part of transit, educational or civic service systems.  

However, MAPC has projected a large amount of population growth in several TAZs that 

comprise primarily transportation or institutional land uses.  Therefore, 15% of the existing 

transportation or institutional lands were assumed to be re‐developable and part of the 

secondary urban infill category if the primary infill lands do not suffice new housing demands.  

All other land uses in Inner Core such as wetlands and waters, recreational, utilities, agricultural 

and forests are non‐developable land uses that are not included in the calculation of land 

changes in all scenarios.   

In non‐core communities (i.e., Regional Centers, Mature Suburbs, Developing Suburbs) 

new development was assumed to happen less in the already built lands as infill development 

but to occur more on undeveloped lands as greenfill development.  Therefore, in addition to 

urban infill potential, agriculture and forest lands that allowed for residential and mixed‐use 

development under current zoning regulations were included in the developable land 

categories.  On the other hand, transportation and institutional lands were assumed not to be 

Page 110: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

91 

used for new housing development (Table 4.3).   Several assumptions for selecting developable 

lands in non‐core communities were based on zoning definitions provided by MassGIS: 

1. CP (conservation/passive recreation): zoning areas were excluded from any land use for 

development 

2. PRIM_USE2: this category was used for zoning selection because it reflected more 

current conditions of built lands  

3. Agricultural lands:  considering full potential for mixed use and including all commercial 

(CB, GB, HB, LB), industrial (GI, IN, LI),mixed use (MU), residential (MH, ML, MM, R1, R2, 

R3, R4, R5, RA) and not‐zoned (NZ) zoning  

4. Forest lands: considering less pressures of mixed use on commercial and industrial 

zoning areas and assuming primarily residential (MH, ML, MM, R1, R2, R3, R4, R5, RA), 

mixed use (MU), and not‐zoned (NZ) areas would be sufficient and more likely to be 

encouraged for new residential development 

Table 4.3    MassGIS 2005 land use categorized for developable versus non‐developable 

land uses in Inner Core and non‐core communities 

Inner Core Communities Developable  Non‐Developable 

• Residential – Multi‐Family Residential – High Density Residential  – Medium Density Residential – Low Density Residential – Very Low Density Residential 

• Commercial – Commercial – Industrial – Transitional – Junkyard – Open Land  

• Urban Public/Institutional (15%) • Transportation (15%) 

• Wetlands and Water – Non‐Forested Wetland  – Saltwater Wetland – Water – Cranberry Bog – Forested Wetland 

• Recreational  – Participation Recreation – Spectator Recreation – Water‐based recreation – Saltwater Sandy Beach – Golf Course – Marina – Cemetery 

• Utilities 

Page 111: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

92 

– Mining – Waste Disposal – Powerline/Utility 

• Agriculture – Orchard – Nursery – Cropland – Pasture 

• Forest – Forest – Bushland/Successional 

non‐core Communities Developable  Non‐Developable 

• Residential – Multi‐Family Residential – High Density Residential  – Medium Density Residential – Low Density Residential – Very Low Density Residential 

• Commercial – Commercial – Industrial – Transitional – Junkyard – Open Land 

• Agriculture (residential, commercial, industrial zoning, MU and NZ) 

– Orchard – Nursery – Cropland – Pasture 

• Forest (residential zoning, MU and NZ) – Forest – Bushland/Successional 

• Urban Public/Institutional  • Transportation • Wetlands and Water 

– Non‐Forested Wetland  – Saltwater Wetland – Water – Cranberry Bog – Forested Wetland 

• Recreational  – Participation Recreation – Spectator Recreation – Water‐based recreation – Saltwater Sandy Beach – Golf Course – Marina – Cemetery 

• Utilities – Mining – Waste Disposal – Powerline/Utility 

• Agriculture (CP) – Orchard – Nursery – Cropland – Pasture 

• Forest (CP, Commercial and Industrial zoning) 

– Forest – Bushland/Successional 

Page 112: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

93 

Step 2: Define housing density types 

Housing needs are directly connected to population growth (Table 4.2).  After 

identifying the developable land areas in each TAZ, the next step is to calculate the housing 

density that is projected in each TAZ.  Housing density is defined as the number of housing units 

on developable land areas (i.e. gross housing density).  A total of seven housing density types 

were identified to reflect probable housing development in the Boston Metropolitan Area.  In 

addition, “negligible” and “unreasonable” categories are defined below: 

a. Very Low Density (VLD): housing on more than one acre lot, such as large estates in 

suburban and rural areas that aremost likely to be associated with agricultural and 

forest greenfill development 

b. Low Density (LD): housing density of between 1 to 4 units per acre, mostly single‐family 

residential development 

c.  Low Medium Density (LMD): housing density of between 4 to 12 units per acre, such as 

small lot single‐family or duplex houses 

d. Medium Density (MD): housing density of between 12 to 32 units per acre, such as town 

houses and multi‐family housing 

e. Medium High Density (MHD): housing density of between 32 to 60 units per acre, low‐

rise building type with two to five floors for apartment or condominium development 

f. High Density (HD): housing density of between 60 to 120 units per acre, mid‐ to high‐rise 

building type with four to ten floors, often with mixed uses at lower floors 

g. Very High Density (VHD): housing density of between 120 to 200 units per acre, high‐rise 

building type with more than ten floors and with mixed uses at lower floors 

Page 113: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

94 

h. Unreasonable: housing density of more than 200 units per acre in the Inner Core 

communities or projected housing units exceeding probable housing density using the 

assumptions in the non‐core communities (see steps 3 and 4)    

i. Negligible: TAZs with projected population of less than 10 people, including negative 

projections, were considered negligible considering possible errors from projections.  In 

addition, the assumption was made that less than four housing units in one TAZ could 

be absorbed through existing housing infrastructure and therefore would not alter 

urban landscapes.  

Step 3: Inner Core communities development assumptions 

Inner Core communities are expected to grow only through infill or redevelopment of 

existing built areas.  However, it is unrealistic to assume that every existing building would be 

reused or torn down and rebuilt or that every inch of brownfield would be redeveloped.  In 

addition, in order to tell the social and environmental outcomes from each scenario apart, 

different amounts of developable lands were assigned for infill development (Figure 4.3).   The 

Current Trends scenario has the least infill potential (25%) under the assumption that population 

growth takes place primarily in the suburban area and through greenfill development.  The 

MetroFuture and Green Equity scenarios assume the same amount of land (35%) for infill 

development.  Compact Core has the most aggressive redevelopment goal, using 50% 

developable land for infill development.   After allocating infill development land availability, 

housing density is calculated based on projected new housing units for each scenario.  The 

primary infill lands can be developed up to a maximum of 120 housing units per acre.  After the 

high density capacity, the secondary infill lands would be used for up to 200 housing units per 

Page 114: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

95 

acre.  If projected housing units exceed the capacity, then those TAZs were marked as having an 

unreasonable projection.  

 

Figure 4.3    Housing density decision tree for Inner Core communities   

Step 4: Non‐Core communities development assumptions 

Projected development patterns for non‐core communities occur in two forms: Infill and 

Greenfill.  Similar to the assumptions in the Inner Core, different percentages of developable 

lands for urban infill were assigned for each scenario (Figure 4.4).  Current Trends was assumed 

to have the least infill opportunity and was given only 10% of redevelopment land potential.  

The MetroFuture and Compact Core scenarios were considered to have the most aggressive 

urban growth strategy through infill development and were therefore given the most potential 

land (30%) among all the scenarios.  Green Equity was assumed to have moderate infill 

redevelopment goals with 20% of developable lands.  Based on characteristics and development 

ΔPOP ΔHU

Yes

Negligible

Urban (Primary) Infill

CC Scenario50% Land

@ 120 HU/AC

GE Scenario35% Land

@ 120 HU/AC

MF Scenario35% Land

@ 120 HU/AC

CT Scenario25% Land

@ 120 HU/AC

No

Zero Agricultural

Greenfill

Unreasonable

enough land?

up to 200

HU/AC

Yes No

Zero Forest

Greenfill

Urban (Secondary) Infill15% (Transportation + Institutional) Lands

Very High

Low Medium

MediumHigh

High Medium Low

120<HD<=200

4=<HD<=12

32<HD<=60

60<HD<=120

1=<HD <4

12<HD<=32

HD>200 or Infill land = 0 ac

ΔPOP <10

Page 115: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

96 

trends defined in the MAPC community types, various maximum allowable housing densities for 

each community type were further delineated to reflect probable outlooks of growth patterns 

by 2030.  Regional Centers received a maximum of 32 units per acre, assuming the trends of 

low‐rise mixed use buildings continue in downtown core areas as well as in existing residential 

areas.  Maturing Suburbs and Developing Suburbs have similar urban landscapes with a slightly 

smaller maximum allowable housing density of 24 and 16 units per acre respectively.   

  After urban infill reaches the maximum allowable housing density, the remaining 

housing units were then allowed to be allocated on the developable agriculture and forest lands 

following different assumptions varied by community types and scenarios.  Firstly in each TAZ, 

agriculture lands greater than 40 acres were considered to have conservation values as working 

farms and not allowed to be used for housing development.  On the other hand, agricultural 

lands less than 40 acres were to have full potential for greenfill development.  Current Trends 

was given the most agriculture greenfill opportunity at 80% whereas Compact Core was 

assumed to be the most progressive in agriculture conservation and therefore only allowed 10% 

of developable agriculture lands for new development.  Based on one of the MetroFuture’s goals 

in protecting farmlands, 20% of agriculture lands for greenfill development were assigned to it 

whereas Green Equity received a moderate 40%.  In addition to the difference among scenarios, 

maximum allowable housing density differed in each community type.  Regional Centers 

received a maximum of 16 units per acre whereas Maturing Suburbs and Developing Suburbs 

were given 12 and 8 units per acre respectively for agricultural greenfill development potentials.   

  The last piece of land to be developed was forested land.  After filling urban infill and 

agriculture greenfill, the remaining housing units were allowed up to a maximum housing 

density in developable forest lands that varied in each community type based on assumptions of 

the outlook in development patterns.  Regional Centers received a maximum of 12 units per 

Page 116: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

97 

acre whereas Maturing Suburbs and Developing Suburbs were assumed to have 8 and 6 units 

per acre respectively as a maximum density allowance in forest greenfill development. 

 

 Figure 4.4    Housing density decision tree for non‐core communities   

Step 5:  2030 land use decision rules 

Land use change in 2030 was assumed to happen through densifying existing urban land 

uses (infill) or in agriculture or forest lands (greenfill).  For example, low density residential land 

use in the MassGIS 2005 Land Use category could become moderate density residential land use 

in 2030 after converting projected population change into housing units and housing density 

type changes in each TAZ.  In order to determine under what circumstances one land use would 

change from one category in 2005 to another category in 2030, the threshold housing density in 

each land use category was designated through the following procedures.    

ΔPOP ΔHU

Yes

Negligible

No

Urban Infill Only

Agricultural Greenfill (>40ac; if<=40ac then 100%)

CC Scenario10% Land @ 16 du/ac-RC@ 12 du/ac-MS@ 8 du/ac-DS

GE Scenario40% Land @ 16 du/ac-RC@ 12 du/ac-MS@ 8 du/ac-DS

MF Scenario20% Land @ 16 du/ac-RC@ 12 du/ac-MS@ 8 du/ac-DS

CT Scenario80% Land @ 16 du/ac-RC@ 12 du/ac-MS@ 8 du/ac-DS

enough land?

Urban + Ag

Urban + Ag + Forest

Unreasonable

enough land?

Yes No

enough land?

Yes No

Forest Greenfill

CC Scenario@ 12 du/ac-RC@ 8 du/ac-MS@ 6 du/ac-DS

GE Scenario@ 12 du/ac-RC@ 8 du/ac-MS@ 6 du/ac-DS

MF Scenario@ 12 du/ac-RC@ 8 du/ac-MS@ 6 du/ac-DS

CT Scenario@ 12 du/ac-RC@ 8 du/ac-MS@ 6 du/ac-DS

Urban InfillCC Scenario30% Land @ 32 du/ac-RC@ 24 du/ac-MS@ 16 du/ac-DS

GE Scenario20% Land @ 32 du/ac-RC@ 24 du/ac-MS@ 16 du/ac-DS

MF Scenario30% Land @ 32 du/ac-RC@ 24 du/ac-MS@ 16 du/ac-DS

CT Scenario10% Land @ 32 du/ac-RC@ 24 du/ac-MS@ 16 du/ac-DSΔPOP

<10

HD type

HD type

HD type

Page 117: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

98 

First, current housing density was estimated based on the descriptions of MassGIS 2005 

Land Use residential categories.  High density and multifamily residential land uses were 

described as housing on lots of less than ¼ acres, which translated into a housing density greater 

than 4 dwelling units per acre.  Medium density residential land use was defined as housing on 

¼ to ½ acre lots, which resembled housing density between 2 and 4 dwelling units per acre.  Low 

density residential land use was defined as housing on ½ to 1 acre lots, which translated into a 

housing density of 1 to 2 dwelling units per acre.  Very low density residential land use was 

defined as housing on lots that are larger than 1 acre, which resembled a housing density of less 

than 1 dwelling unit per acre.   

Next, infill versus greenfill development was differentiated in 2030 land use in order to 

reflect differences in growth strategies.  Residential land use types for 2030 were simplified into 

four levels of density: Mixed Use (MU, >60 du/ac), High Density (HD, 33‐60 du/ac), Medium 

Density (MD, 9‐32 du/ac) and Low Density (LD, <=8 du/ac).  These categories were used instead 

of seven housing density types in step 2 for a better match with 2005 land use categories (Table 

4.4).  Finally, 2030 land use was determined based on the current housing density defined in 

2005 land use plus projected housing density allocated in each TAZ (Table 4.5). 

Table 4.4    2030 land use categories and descriptions 

2030 Land Use Symbol   Growth Strategy  Descriptions 

UHMU  Infill  Urban Mixed Use   URHD  Infill  Urban Residential High Density URMD  Infill  Urban Residential Medium Density URLD  Infill  Urban Residential Low Density RRHD  Greenfill (after Infill)  Rural Residential High Density RRMD  Greenfill (after Infill)  Rural Residential Medium Density RRLD  Greenfill (after Infill)  Rural Residential Low Density Unreasonable  Unreasonable  Unreasonable projected growth Unchanged  Negligible; 

Undevelopable No land use change from 2005 

 

Page 118: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

99 

Table 4.5   2005 land use to 2030 land use conversion rules  

2005 Land Use    Projected Density Type in TAZ (see steps 2, 3, 4) 

2030 Land Use 

Commercial   Any density  UHMU 

High Density/Multifamily Residential   MD, MHD, HD, VHD  UHMU 

(>4du/ac)  VLD, LD, LMD  URHD 

  Ag, Fo  RRHD 

Medium Density Residential   HD, VHD  UHMU 

(2‐4du/ac)  MD, MHD  URHD 

  Ag, Fo  RRHD 

   VLD, LD, LMD  URMD 

Low/Very Low Density Residential   HD, VHD  UHMU 

(<2du/ac)  MD, MHD  URHD 

  Ag, Fo  RRHD 

  LMD  URMD 

  VLD, LD  URLD 

Agriculture  Ag‐MD  RRHD 

  Ag‐LMD  RRMD 

  Ag‐LDD/VLD  RRLD 

Regional Centers  Fo  RRHD 

Maturing Suburbs  Fo  RRMD 

Developing Suburbs  Fo  RRLD 

Forest  Fo‐LMD  RRMD 

  Fo‐LD/VLD  RRLD 

Transportation/Institutional         Inner Core  VHD  UHMU 

Ag:  any density type and agricultural lands;  Ag‐Density Type: density type defined in step 2 Fo:  any density type on forest lands; Fo‐Density Type: density type defined in step 2 

4.3.3  SWAT 2030 land use 

SWAT land use categories were derived from 2005 land use.  Since each streamflow 

output at each subbasin is a lump sum outcome from all Hydrologic Response Units (HRUs) (see 

section 3.3.2), 2030 land use in each TAZ was converted to SWAT land use and then calculated 

as a future land use input at each HRU for each growth scenario.  Several steps were involved in 

this conversion.  First, GIS analysis was employed to intersect the boundaries of TAZs with 

subbasins .  Each subbasin retained information about the amount of land area that experienced 

Page 119: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

100 

change from land use in 2005 to projected land use in 2030.  Subsequently, 2030 land use 

categories were recategorized into SWAT 2030 land use for each growth scenario (Table 4.6).  

Then the new ratio of SWAT 2030 land use in each subbasin became the new HRU fraction.   

Finally, the new HRU fraction of SWAT 2030 land use was equally distributed if different 

hydric soil types were present.  For example, subbasin 16 consisted of five SWAT 2005 land use 

categories: AGRL, FRST, WATR, UCOM, and URHD.  While AGRL, FRST, and WATR were projected 

to be unchanged, UCOM was projected to have a 0.5% increase derived from URHD in the 

Current Trends scenario.  In addition, UCOM contained two HRUs with hydric soil types A and B 

respectively and three HRUs in URHD with hydric soil types A, B, and C.  Subsequently, the 0.5% 

increase in UCOM was divided by two so that each HRU received an increase of 0.25%.  The 

decrease of URHD was divided by three so that each HRU received a decrease of 0.17%.  Neither 

total land gain or loss nor new SWAT land use was created in each subbasin.  The only change 

was the fraction of each HRU that reflected each SWAT land use change from 2005 to 2030 in 

each future growth scenario.        

Table 4.6   SWAT 2030 land use designation based on 2030 land use    

SWAT 2030 Land Use 

2030 Land Use   Descriptions 

UCOM  UHMU  Extensive developed areas primarily through mixed use and urban infill on commercial lands. Housing density is greater than 60 units per acre. 

URHD  URHD/RRHD  High density residential areas.  Housing density is between 33 and 60 units per acre. 

URMD  URMD/RRMD  Medium density residential areas.  Housing density is between 9 and 32 units per acre.   

URLD  URLD/RRLD  Low density residential areas.  Housing density is less than or equal to 8 units per acre.  

Page 120: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

101 

4.4  Results 

4.4.1  Land use change 

SWAT land use change in growth scenarios compared to 2005 land use resulted in the 

Current Trends scenario having the most land area change with the largest increase in higher 

density residential and use the largest amount of agriculture and forest lands.  MetroFuture and 

Compact Core had similar infill development patterns that essentially densified existing land use 

types, but not to the extent of changing land use type (Table 4.7).   

Overall, Current Trends experienced the most land changes: 7.6% of watershed area, 

compared to MetroFuture at 2.1%, Green Equity at 3.5%, and Compact Core at 1.3%.  Current 

Trends primarily gained high density and mixed use residential lands from converting lower 

density residential lands in addition to greenfill development on agriculture and forest lands.  

Green Equity appeared to have similar pattern as Current Trends, but on a much smaller scale, as 

it converted existing low and medium density to higher density residential lands.  MetroFuture 

and Compact Core had similar infill patterns yet MetroFuture had five times more greenfill than 

in Compact Core (Figure 4.5). 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 121: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

102 

Table 4.7    Land use change areas from 2005 to 2030 in growth scenarios   

LU 2005  LU 2030 SWAT LU 2030 

Growth Strategy 

Current Trends 

Metro Future 

Green Equity 

Compact Core 

Land Use 2005 change through Greenfill (acre) 

Agriculture  RRHD  URHD  Greenfill  0 6 6  9

Agriculture  RRLD  URLD  Greenfill  35 2 36  0

Agriculture  RRMD  URMD  Greenfill  61 17 16  0

Forest  RRLD  URLD  Greenfill  1,334 1,387 1,583  260

Forest  RRMD  URMD  Greenfill  484 0 0  0

Subtotal 1,914 1,412 1,641  269

2005 Land Use change through Infill (acre) 

HD Residential   UHMU  UCOM  Infill  1049 703 1045  813

MD Residential  UHMU  UCOM  Infill  0 0 0  0

MD Residential  URHD  URHD  Infill  4,979 1,544 2,212  1,081

LD Residential  UHMU  URMD  Infill  0 1 0  1

LD Residential   URHD  URHD  Infill  510 77 137  52

LD Residential   URMD  URMD  Infill  5,557 0 1,381  66

Subtotal 12,095 2,325 4,775  2,012

No land use change (acre) 

HD Residential  URHD  URHD  Infill  10,587 12,267 11,604  12,405

MD Residential  URMD  URMD  Infill  8,673 8,819 7,786  8,162

LD Residential   URLD  URLD  Infill  13,150 16,224 14,785  15,675

Commercial  UHMU  UCOM  Infill  6,269 7,827 7,626  7,868

Transportation  UHMU  UCOM  Infill  67 0 17  86

Institutional  UHMU  UCOM  Infill  197 366 338  401

Subtotal 38,942 45,502 42,155  44,597

 

Page 122: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

103 

 Figure 4.5    Percentage of watershed area change from lower density in 2005 land use to 

higher density among growth scenarios 

4.4.2  Future growth scenario impacts 

The definition of long‐term flooding hazard index (HI) in future growth scenarios was 

the probability of the event exceeding current conditions.  Therefore, when comparing across 

scenarios, an increase or decrease in HI value reflects a particular scenario that could be worse 

or better than another one.  The long‐term climate change‐induced flooding risk index (RI) 

reflected the variation of HI among the growth scenarios.  Overall, the results reveal a greater 

variance in RI through climate change scenarios than among growth scenarios (Table 4.8).   

Current Trends had the highest RI among growth scenarios.     

When compared across climate change scenarios, all growth scenarios underwent a 

similar pattern of RI increasing from current climate conditions to Low, Medium, and High 

Impact climate change scenarios (Figure 4.6).  Nevertheless, under the High Impact climate  

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

Current Trends MetroFuture Green Equity Compact Core

% watershed area

05HD

05MD

05LD

Greenfill

Page 123: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

104 

Table 4.8    Summary of risk assessment indices descriptive statistics   

Index  Growth Scenario 

Climate Scenario 

Mean  Median  Standard Deviation 

Minimum  Maximum 

SoVI      0.5847 0.5863 0.121  0  1 

HI  Current Trends 

Current   0.0077 0.0080 0.0035  0.0027  0.016 

  Low   0.0088 0.0088 0.0036  0.0028  0.018 

  Medium   0.0103 0.0102 0.0046  0.0037  0.022 

  High   0.0175 0.0180 0.0090  0.0057  0.040 

HI  Metro Future 

Current   0.0076 0.0076 0.0033  0.0026  0.016 

  Low   0.0086 0.0082 0.0034  0.0027  0.018 

  Medium   0.0100 0.0097 0.0044  0.0036  0.021 

  High   0.0175 0.0180 0.0090  0.0057  0.040 

HI  Green Equity 

Current   0.0076 0.0078 0.0034  0.0027  0.016 

  Low   0.0088 0.0084 0.0035  0.0029  0.018 

  Medium   0.0100 0.0097 0.0044  0.0036  0.021 

  High   0.0175 0.0180 0.0090  0.0057  0.040 

HI  Compact Core 

Current   0.0076 0.0077 0.0033  0.0027  0.016 

  Low   0.0087 0.0083 0.0033  0.0029  0.017 

  Medium   0.0101 0.0100 0.0043  0.0038  0.021 

  High   0.0175 0.0180 0.0090  0.0057  0.040 

RI  Current Trends 

Current   0.0044 0.0042 0.0020  0  0.011 

  Low   0.0050 0.0048 0.0022  0  0.013 

  Medium   0.0059 0.0056 0.0027  0  0.015 

  High   0.0100 0.0093 0.0052  0  0.029 

RI  Metro Future 

Current   0.0043 0.0041 0.0019  0  0.011 

  Low   0.0049 0.0047 0.0021  0  0.012 

  Medium   0.0057 0.0055 0.0026  0  0.015 

  High   0.0100 0.0093 0.0052  0  0.029 

RI  Green Equity 

Current   0.0044 0.0042 0.0019  0  0.011 

  Low   0.0051 0.0048 0.0021  0  0.012 

  Medium   0.0057 0.0055 0.0026  0  0.015 

  High   0.0100 0.0093 0.0052  0  0.029 

RI  Compact Core 

Current   0.0044 0.0041 0.0019  0  0.011 

  Low   0.0050 0.0047 0.0020  0  0.012 

  Medium   0.0058 0.0055 0.0026  0  0.015 

  High   0.0100 0.0093 0.0052  0  0.029 

 

Page 124: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

105 

Figure 4.6    The long‐term climate change‐induced flooding risk index (RI) mean and 

standard deviation among climate change impact and growth scenarios  

change scenario, there were no differences in mean HI between growth scenarios, implying the 

presence of a threshold effect when the influence of climate change exceeded land use change 

impacts.   

The Kernel density distribution for RI (n=277) illustrated the overall HI distribution 

pattern among growth and climate change scenarios (Figure 4.7).  Comparing the growth 

scenarios when climate was controlled at current climate conditions and Low Impact, Current 

Trends had the widest range of HI values with more units with higher HI values when the Green 

Equity came in second, MetroFuture came in third, and Compact Core had the narrowest range 

with more units in the low hazard indices.  Under the Moderate Impact climate change scenario, 

MetroFuture and Green Equity had almost identical pattern.  Under the High Impact climate 

change scenario, all growth scenarios had the same patterns with nearly double the highest HI 

values in some units than the values in the Medium Impact climate change scenario.   The 

0.0%

0.2%

0.4%

0.6%

0.8%

1.0%

CT MF GE CC CT MF GE CC CT MF GE CC CT MF GE CC

Current Climate Low Impact Medium Impact High Impact

RI m

ean

 value

Growth Scenarios  CT: Current Trends MF: MetroFuture GE: Green Equity CC: Compact Core 

Page 125: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

106 

impacts from the climate change scenarios were clearly revealed in the distribution of HI when 

the patterns were similarly across growth scenarios.  

 

                 Current Climate HI           Low Impact Climate Scenario HI 

 

                Medium Impact Climate Scenario HI         High Impact Climate Scenario HI 

Growth Scenarios CT: Current Trends, MF: Metro Future, GE: Green Equity, CC: Compact Core; 

Climate Change Impact Scenarios L: Low Imapct, M: Medium Impact, H: High Impact 

 Figure 4.7   Long‐term flooding hazard index (HI) density distributions among growth and 

climate change impact scenarios 

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

02

04

06

08

01

00

12

0

de

nsi

ty

HICTHIMFHIGEHICC

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

02

04

06

08

01

00

12

0

de

nsi

ty

HICTLHIMFLHIGELHICCL

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

02

04

06

08

01

00

12

0

de

nsi

ty

HICTMHIMFMHIGEMHICCM

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

02

04

06

08

01

00

12

0

de

nsi

ty

HICTHHIMFHHIGEHHICCH

Page 126: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

107 

Figure 4.8   Maps of long‐term climate change‐induced flooding risk index (RI) in current 

climate conditions among growth scenarios  

 

  

´ 0 2 4 6 81Miles

Current Trends MetroFuture

Green Equity Compact Core

Legend

Charles River

Tributary

RI0-0.2%

0.2-0.4%

0.4-0.6%

0.6-0.8%

0.8-1%

1-1.2%

Page 127: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

108 

Figure 4.9   Maps of the long‐term climate change‐induced risk index (RI) in the Current 

Trends growth scenario among climate change impact scenarios  

Spatial distribution illustrated similar patterns among growth scenarios with slight 

differences in a few census tracts (Figure 4.8).  Overall, the highest RI was located in the middle 

to lower Charles River while the lowest RI was located among the census tracts in the tributary 

subbasins, particularly in the lower basin in Boston and Lincoln as well as in northern Waltham 

and Weston.    The same pattern occurred in each growth scenario.  The spatial distribution 

pattern remained the same in each growth scenario across all the climate change scenarios 

(Figure 4.9).  When the growth scenario was controlled, the impacts of climate change were 

´ 0 2 4 6 81Miles

Current Climate Low Impact

Medium Impact High Impact

Legend

Charles River

Tributary

RI0-0.2%

0.2-0.4%

0.4-0.6%

0.6-0.8%

0.8-1%

1-1.2%

1.2-1.4%

1.4-1.6%

1.6-1.8%

1.8-2%

2-2.2%

2.2-2.4%

2.4-2.6%

2.6-2.8%

2.8-3%

Page 128: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

109 

more severe at the locations that already had a higher RI in the middle to lower Charles River.   

Under the Low Impact climate change scenario, the watershed was under a 1% long‐term 

flooding risk while the RI increased to 1.6% in the Medium Impact climate change scenario and 

3% in the High Impact climate change scenario.  

4.5  Discussion  

4.5.1  Growth strategy and urban landscape change  

This study supports the first hypothesis that suburban sprawl leads to greater land 

disturbance from both greenfill development and a greater spread of infill in low density areas. 

MAPC has projected 52,153 less people in the Current Trends scenario than the MetroFuture 

scenario, which resulted in 20,136 fewer housing units based on this study.  Nevertheless, the 

Current Trends scenario consumed the most agriculture and forest lands while the Compact Core 

scenario used 99% of the already developed areas with the least overall land disturbance in the 

watershed.  Since greenfill only occupied 1% of the overall watershed area, infill became the 

determinant growth strategy for changing landscapes.   

In addition, the growth decision rules for developable allowance in infill areas created 

different dynamics in urban landscapes.  The Current Trends scenario assumed a smaller focus 

on infill with the least amount of allowable lands at the site development level.  Consequently, 

more land or an otherwise higher density of housing development would be needed to 

accommodate the increased population.  However, based on current development patterns in 

MAPC community types, the Current Trends scenario was assumed to receive the least number 

of maximum allowable housing densities in the decision rules.  As a result, the Current Trends 

had the most TAZs that experienced land change as well as the most unreasonable projections 

Page 129: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

110 

than in other scenarios.  The MetroFuture and Compact Core scenarios received three times 

more percentage of infill lands that are allowed for redevelopment and resulted in 26% more 

infill land changes than in the Current Trends scenario (Table 4.9).   

 Imagining such impacts on urban landscapes, the Current Trends scenario would have 

more high‐rise tower buildings sporadically in downtown or commercial strips in addition to 

scattered low‐ or mid‐rise multi‐family housing on currently single‐family lots.  In contrast, the 

MetroFuture and Compact Core scenarios would have more low‐rise and mid‐rise 

redevelopment throughout current low or medium density residential areas with more high‐rise 

mixed use buildings in downtown areas and along transit lines.   Therefore, urban form and its 

landscapes were heavily influenced by growth strategy and associated land use policies.        

Table 4.9    Infill land change analyses among growth scenarios 

Current Trends  Metro  Future  Green Equity  Compact Core 

Total infill land area (ac)  7,119 15,774 11,102  14,252

% Infill in total land change  72% 91% 84%  98%

4.5.2  Land use and land cover change 

Despite stream channel characteristics, urbanization associated with impervious 

surfaces, which are significantly correlated with land use type, is the primary factor influencing 

streamflow (Leopold 1968).  Impervious surface has been commonly accepted as an 

environmental indicator for land use planning (Arnold and Gibbons 1996).  It is widely 

recognized that 10% effective impervious area (EIA) results in significant degradation of aquatic 

ecosystem quality (Booth and Jackson 1997; Schueler 1994; Schueler, Fraley‐McNeal, and 

Cappiella 2009). Furthermore, urbanization particularly contributes to flash floods as a result of 

excessive and intense stormwater runoff (Savini and Kammerer 1961) and the increase in 

Page 130: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

111 

frequency of overbank flows (i.e., long‐term flooding).  For example, the rate of flooding 

frequency would double at about 20% urbanization (20% impervious surface and 20% sewered 

area) and quadruple at 50% urbanization in the studied watershed (Leopold 1968).  Schueler et 

al. (1994, 2009) developed an Impervious Cover Model (ICM) that defined four types of urban 

stream conditions based on the thresholds of watershed impervious cover: sensitive (<10%), 

impacted (10%‐ 25%), non‐supporting stream (25%‐60%), and urban drainage (>60%) (Schueler 

1994; Schueler, Fraley‐McNeal, and Cappiella 2009).   

Currently, the Charles River watershed has 21% total impervious surfaces (see Chapter 

2), suggesting that the watershed has reached the threshold of an impacted watershed.  

However, the specific impact of imperviousness in relation to streamflow and long‐term riparian 

floods needs further investigation.  In order to understand land use change in relation to land 

cover change, analyses were performed on imperviousness change.  Based on the average 

impervious surfaces in SWAT 2005 land use types, the percentage of imperviousness between 

the highest and lowest density developed areas could vary as much as 40% on average in the 

entire Boston Metropolitan Area (Table 4.10).    

Table 4.10    Mean and standard deviation of percent imperviousness in each SWAT 2005 

land use category for the Boston Metropolitan Area (Data source: MassGIS) 

SWAT 2005 Land Use Mean SD

UCOM 65%  17% 

URHD 43%  11% 

URMD 30%  7% 

URLD 26%  8%  

By extracting the change of development density between 2005 and 2030 in each 

growth scenario and using the average imperviousness for each SWAT land use type, there was 

as much as 1% impervious surface increase in Current Trends, 0.6% for Green Equity, 0.4% for 

Page 131: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

112 

MetroFuture, and 0.2% for Compact Core (Table 4.11).  Unfortunately, the variation among 

scenarios in terms of land cover change was not significant enough to see distinguishable 

differences in long‐term flooding hazards, which helps to explain the resulting little variation 

among the growth scenarios. 

Table 4.11    Projected impervious increase from total land use change areas from 2005 to 

2030 among growth scenarios 

2005 Land Use SWAT LU 2030 

Impervious Increase 

Current Trends 

Metro Future 

Green Equity 

Compact Core 

Low Density Residential 

UCOM  39%  2.2 1.6 1.4  1.6

URHD  17%  88.0 13.3 23.6  8.9

URMD  5%  253.6 0.0 63.0  3.0

Medium Density Residential 

UCOM  35%  36.1 35.9 49.9  35.9

URHD  13%  631.1 195.7 280.4  137.0

High Density Residential 

UCOM  22%  303.4 163.7 254.3  188.1

Agriculture/ Forest 

UCOM  65%  11.8 10.1 17.4  12.5

URHD  43%  0.0 2.6 2.6  3.9

URMD  30%  164.2 5.2 5.0  0.0

URLD  26%  349.9 355.0 413.8  66.5

Total imperviousness area increase (ac)  1,840 783 1,111  457

Imperviousness increase (%  watershed)  1.0% 0.4% 0.6%  0.2%

4.5.3  Growing population in RI HotSpots  

Distribution of population in future growth has impacts on future flooding risks, not only 

through land use change that would have impacts on flooding hazards but also through social 

vulnerability.  Allocating population to where are already in high risk areas would only aggravate 

existing social vulnerability if no plans have been made to upgrade infrastructures and expand 

human resources for meeting existing and future demands.   

Page 132: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

113 

In order to understand to what degree each growth scenario distributes future 

population in high risk areas, a GIS spatial statistics tool, Getis‐Ord Gi* HotSpot analysis was 

used.  HotSpot analysis examined the significance in the spatial distribution based on a Z score 

of each feature under normal distribution.  Z scores of ±1.65 represent a 90% confidence level, 

±1.96 represent a 95%, ±2.58 represent a 99%, and between +1.65 and ‐1.65 represents no 

significance.  The positive sign represents a tendency of higher values to cluster spatially.  

Therefore, census tracts with RI Z scores greater than +1.65 are considered long‐term climate 

change‐induced flooding risk HotSpots.  In other words, the risk HotSpots illustrated that high 

long‐term climate change‐induced flooding risk areas, both higher long‐term flooding hazards 

and higher social vulnerability, are distributed heavily in the middle to lower basin.         

  Through GIS spatial mapping with projected population among growth scenarios and 

baseline (2005 land use and current climate conditions) RI HotSpots, the Current Trends scenario 

distributed the most population growth in high risks areas whereas the Compact Core scenario 

distributed the least.  Keeping in mind that the Current Trends scenario had projected a slightly 

smaller population increase in the overall metropolitan area, a greater percentage of growth 

(4.5%) was allocated in the suburbs where higher long‐term flooding risks currently occur and 

would be aggravated by climate change impacts. On the other hand, the Compact Core scenario 

focused population growth in the Inner Core communities (e.g., Boston, Cambridge), which 

currently have lower long‐term flooding hazards.  In addition, it allocated the least growth (3%) 

in RI HotSpots in the Charles River Watershed (Figure 4.10).   

Page 133: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

114 

Figure 4.10   Maps of allocation of projected increased population in growth scenarios 

overlaid with current conditions of long‐term flooding risk index (RI) HotSpots  

4.5.4  Climate change vs. urbanization impacts  

This study revealed that the Charles River Watershed responded to the long‐term 

flooding hazards more sensitively under climate change impacts than to the land use and land 

cover changes associated with urbanization impacts.  The paired t‐test in between climate 

change impact scenarios showed significant difference between HI in all pairs of scenarios 

(p<0.0001).  From climate sensitivity study results in Chapter 3, the increasing mean 

´ 0 2 4 6 81Miles

Current Trends MetroFuture

Green Equity Compact Core

Legend

RI HotSpot

GiZScore

< -2.58 Std. Dev.

-2.58 - -1.96 Std. Dev.

-1.96 - -1.65 Std. Dev.

-1.65 - 1.65 Std. Dev.

1.65 - 1.96 Std. Dev.

1.96 - 2.58 Std. Dev.

> 2.58 Std. Dev.

1 Dot = 10 people

Population Increase

Total population increase on RI HotSpot (>1.65 Std. Dev. In all red units)  Current Trends:  13,188 MetroFuture:    11,060 Green Equity:    11,527 Compact Core:    10,311 

Page 134: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

115 

temperature to 1˚C when precipitation was controlled could result in a range of 0.02% to 0.67% 

decreases in HI.  In addition, under the High Impact climate change scenario, the difference in 

land use and land cover changes among growth scenarios has diminished.  This phenomenon 

implied a “threshold” effect in the interaction between climate and urbanization change.   

Further studies are needed to gauge the threshold in order to provide planning parameters in 

land use and land cover change under climate change impacts.   

From this study, the Charles River Watershed appears to be more susceptible to climate 

change impacts when the increase in population through 2030 is primarily through infill 

development.  As a result, planning strategies for future growth should aim for Smart Growth 

and Low‐Impact Development strategies in addition to infill development in order to minimize 

land use and land cover change in the watershed.  Finally, the findings also imply that climate 

change adaptation should be the top priorities for local communities in order to cope with 

projected climate change impacts.   

4.6  Conclusion 

This study has revealed several particular interests in urbanization impacts from 

projected population growth.  Firstly, growth strategy and land use policies play an important 

role in changing urban form and altering urban landscapes.  In the series of growth assumptions, 

we have carefully catered to each MAPC community type in order to illustrate a “ground truth” 

analysis on what could actually be happening in 2030. Secondly, the projected land use change 

among growth scenarios in our study was not large enough to have significant impacts on long‐

term flooding risks.  This may have been due to the fact that growth strategies for all scenarios 

focused heavily on infill redevelopment, even in the Current Trends scenario.  Thirdly, the 

allocation of population growth was critical in planning for reducing climate change‐induced 

Page 135: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

116 

environmental risks.  Among the growth scenarios, the Current Trends scenario had not only the 

most urbanization impacts on long‐term flooding hazards but also the potential to increase 

social vulnerability by placing more people in areas currently exposed to higher long‐term 

flooding hazards.  The MetroFuture, Green Equity, and Compact Core scenarios had similar 

growth strategies that allocate more people in clustered forms and less growth through 

suburban greenfill development, where higher flooding risks occurred along the main Charles 

River.         

In addition to urbanization impacts, this study also demonstrated the importance of 

using empirical study for the understanding of climate change impacts on long‐term flooding 

hazards and the spatial relationships with social vulnerability in an urbanized watershed.  

Besides the influences from different growth management strategies on land use and land cover 

change, it is critical to plan for climate change mitigation and adaptation with people in mind 

and prioritize resources in reducing social vulnerability as well as enhancing resilience in the 

linked social‐ecological systems.     

 

   

Page 136: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

117 

CHAPTER 5 

EFFECTS OF DETENTION FOR MITIGATING CLIMATE CHANGE‐INDUCED LONG‐TERM FLOODING 

HAZARDS   

5.1  Introduction 

Climate change has posed increased risks to environmental hazards (e.g., flooding, 

droughts, hurricanes) in addition to new challenges under climate change impacts (e.g., early 

snow melt, rising sea levels, heat waves).  Floods are omnipresent in almost every city in the 

United States and account for more economic losses than any other single geophysical hazard 

(White and Haas 1975).  Previous climate change studies have suggested promising trends of 

increasing temperature and changing precipitation patterns as well as increased intensity and 

duration of storm events that are likely to result in more flooding events in the Northeast region 

(IPCC 2007; Rock et al. 2001).  In the United States, flooding mitigation strategies have focused 

on structured engineering solutions such as dams and dikes along streams and rivers since the 

late 1910s (Godschalk 1999).  In recent decades, scholars have called for “soft” and non‐

structural strategies such as green infrastructure (Thomas and Littlewood 2010) and land use 

planning (Burby 1998; Godschalk 2004) to be integrated into planning and design interventions 

for comprehensive hazard mitigation and stormwater management.   

Detention is among the most prevalent stormwater management practices for flood 

mitigation; however, the perceived benefits could be overestimated without empirical study 

(Beecham et al. 2005).  If growth development trends continue to increase impervious surfaces 

and consume more floodplains, wetlands, forest and agricultural lands, fewer open lands would 

be available for natural on‐site detention (i.e., depressional land areas designated for temporary 

surface water runoff or flood storage) in order to mitigate flooding, particularly when the 

Page 137: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

118 

impacts from climate change are at a higher level.  For local planners and stakeholders to make 

adaptive land use decisions about climate change, this paper aims to answers two key 

questions: (1) To what degree and in what way does climate change have an impact on long‐

term flooding hazards? (2) How much detention area in the watershed would be needed for 

mitigating riparian flooding hazards induced by climate change?  The hypothesis was that 

detention would reduce long‐term climate change‐induced flooding hazards.  Therefore, green 

infrastructure that includes detention functions can serve as a part of the climate change 

adaptation strategy. 

5.2  Background 

5.2.1  Planning origins for green infrastructure in hazard mitigation  

For the first 140 years, the United States had no plans for dealing with catastrophic 

disasters.  Several seminal disasters that occurred on grand scales cast shadows on the country: 

the Chicago Fire (1871), the Boston Fire (1872), the Dam Break in Johnstown, Pennsylvania, 

(1889), the Galveston Hurricane (1900), the Baltimore Fire (1904), the San Francisco Earthquake 

(1906), the Miami Hurricane (1926), the Lower Mississippi Flood (1927), and the New England 

Hurricane (1938).  Policy responses after those disasters were sporadic and risk management 

efforts in hazard mitigation were fragmented.  Furthermore, disaster response and recovery 

were primarily the responsibility of the local governments, social networks and influential 

individuals (Platt 1999).  Local governments subsequently established codes and regulations to 

ensure the safety of public works, such as the Fire Limits Ordinance of 1872 in Chicago (Rosen 

1986) and more stringent building and fire codes in New York City (Platt 1999).  The first federal 

disaster policy passed by the U.S. Congress was the 1917 Flood Control Act (Godschalk 1999).  

Page 138: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

119 

Ever since, the U.S. Army Corps of Engineers undertook most flooding mitigation efforts using 

structural solutions, such as levees and flood walls along major rivers (Burby 1998).  By the late 

1960s, flood control structures dominated riverine flood management (Godschalk 1999).      

Since 1950, the federal government has progressively taken the lead on risk 

management and shifted its mitigation focus from structural to non‐structural strategies such as 

implementation of insurance programs, integration with land use planning, and supporting 

building and construction codes.  The environmental movement spurred by Rachel Carson’s 

book, Silent Spring, in 1962, was a successful seminal social movement responding to the 

environmental impacts caused by urbanization and economic development.  The movement was 

spurred on the awareness of “Land Ethics” which states that ecosystems have their intrinsic 

values (Leopold 1949), and recognizes that it is critical to protect the environment which 

provides basic quality of life, such as clean air, water, and soil, in addition to the benefits of 

natural disaster mitigation.   

The seminal Disaster Relief Act of 1950 marked the first general federal disaster 

management policy (Godschalk 1999; Platt 1999).  This policy opened the door for federal 

disaster assistance to be accessible to local government for alleviating fiscal burdens on the 

communities.  After Hurricane Betsy in 1965, Congress requested that the Department of 

Housing and Urban Development (HUD) to revisit a flood insurance program drafted in 1956.  

Policy reports suggested diverting part of the federal disaster relief assistance to property 

owners who would pay flooding insurance.  Subsequently, Congress passed the National Flood 

Insurance Act of 1968 to mandate that homeowners who live on floodplains purchase flooding 

insurance.  It also incorporated non‐structural mitigation by identifying and mapping of 100‐year 

floodplains, encouraging new or substantially improved structures to meet a minimum federal 

Page 139: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

120 

standard in order to be charged actuarial rates for flood insurance coverage, and providing 

funding for the purchase of chronically floodprone properties (Platt 1999).    

Together with the “Design with Nature” concept termed by Ian McHarg (1969), 

environmental planning became an essential part of landscape and urban planning practices.  It 

focused on incorporating natural and social hazard assessment in the protection of natural 

resources and open space (McHarg 1969).  McHarg’s innovative and inclusive approach, which 

used spatial analysis mapping, established the fundamental method in environmental planning.  

The parks and open space reform led by Frederick Law Olmsted Sr. was a pioneering work of 

green infrastructure that employs ecological services in multiple functions such as cleansing air 

pollution, providing recreation, and mitigating floods in the cities (Fabos 1995).  Central Park in 

New York City (1857) and Boston’s Emerald Necklace park system with the “Muddy River” 

proposed in 1880 are famous projects resulting from Olmsted’s visions for “bringing nature to 

the city” (Fabos 1995).  In the late 20th century, non‐structural mitigation was fortified through 

the protection and restoration of ecological services and natural functions.  Programs such as 

the 1994 Unified National Program for Floodplain Management, the wetland mitigation 

program, protection of coastal dunes and beaches, and riverine restoration (Godschalk 1999) 

have played an important role in non‐structural natural hazard mitigation.  The concept of 

preserving natural areas and using ecological design for protecting, enhancing, and restoring 

ecosystem services in order to improve environmental quality and provide hazard mitigation is 

fundamental in the concept of green infrastructure.        

5.2.2  Green infrastructure practices for flooding mitigation  

Green infrastructure, in lieu of grey infrastructure, is a system that “uses natural 

systems—or engineered systems that mimic natural processes—to enhance overall 

Page 140: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

121 

environmental quality and provide utility services” defined by the U.S. Environmental Protection 

Agency (EPA 2013).  In acknowledging what ecosystem services can provide to achieve the same 

functions that are designed to serve urban utility usage and to better improve environmental 

quality, green infrastructure has been promoted nationwide as part of the alternative 

stormwater best management practices (BMPs).  The enhanced ecological functions 

consequently help to increase the resilience of ecosystems in absorbing impacts from flooding 

and climate change (Ahern 2011; Folke 2006).  Therefore, green infrastructure is as a key 

concept in integrating stormwater and risk management as a climate change adaptation 

strategy in spatial planning (Gill et al. 2007).   

Stormwater BMPs are tools to mitigate stormwater runoff impacts not only on water 

quantity (i.e., volume and rate) but also water quality (EPA 2013).  Stormwater BMPs embrace 

both structural and non‐structural stormwater management strategies (Urbonas and Doerfer 

2005).  Structural BMPs emphasize ecological engineering design including infiltration trenches 

and wells, vegetated swales and rain gardens, vegetated buffer strips, porous pavements, 

infiltration basins, vegetated waterways, inlet straps and oil grit separators, detention basins 

(wet and dry), constructed wetlands, in‐stream aeration, street sweeping, and greenroofs .  

Non‐structural BMPs emphasize policy and regulations that help to alleviate the root of the 

problem—urbanization—and engage the public.  These include, but not limited to, land use 

planning, natural resources management, streams and wetlands restoration, management of 

household chemicals, on‐site programs of runoff management (Ellis and Marsalek 1996). 

5.3  Methods  

The goal of this research is to examine the effects of using green infrastructure as a 

long‐term flooding hazard mitigation strategy.  This study was built upon the SWAT model that 

Page 141: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

122 

was developed previously for the Charles River Watershed and applied the same climate change 

sensitivity test methodology for constructing the long‐term flooding hazard indices (see Chapter 

3 for details).  Based on the GCMs projections with increased temperature and precipitation 

change illustrated in Chapter 3, this study employed 36 climate change conditions as climate 

inputs in SWAT modeling.  The climate sensitivity tests therefore included combinations of mean 

temperature (0, +1, +2, +3˚C), mean precipitation (0, +10, +20%) and precipitation variation (0, 

+10, +20%).  In addition, the fraction of the land area used for detention in the sub‐watershed 

area was the primary green infrastructure strategy tested in SWAT, serving as the independent 

variable.  The dependent variable was the long‐term flooding hazard index (HI) derived from the 

output of SWAT modeling.  Finally, land use was a control variable based on currently available 

GIS data (MassGIS 2005 Land Use, see Chapter 3 for data descriptions) (Figure 5.1).   

 

Figure 5.1    Research framework for using green infrastructure for mitigating climate 

change impacts on long‐term flooding hazards  

SWAT has an impoundment water routing function for modeling water that is 

temporarily stored for the water supply or for flooding control and mitigation.  Besides 

reservoirs, wetlands, and ponds, which were controlled by land use in this study, the function of 

depressions/potholes (referred to as “detention” hereafter) was employed to simulate the 

function of stormwater management practices using detention areas.   

Current condition (2005 Land Use) 

36 Climate Change combinations  

Climate Change Impact  

SWAT Modeling 

Urbanization Impact 

OUTPUT

Long‐Term Flooding Hazard Index (HI) 

INPUT

Fraction of detention 

area in sub‐watershed

Green Infrastructure 

Page 142: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

123 

Detentions are closed depression areas in the watershed which function as temporary 

water storage areas.  Surfacewater and precipitation are the main source of the inflow and 

when storage exceeds the maximum volume assigned for each detention, the excessive volume 

then becomes surfacewater and contributes to stream baseflow.  In addition to water overflow, 

detentions loose water through evaporation and seepage during the day.  In SWAT, only one 

detention in each subbasin was created through assigning one Hydrologic Response Unit (HRU, 

see Chapter 3).  To optimize water storage function in the model, HRUs with the largest AGRL 

SWAT land use category were selected as detentions.  In addition, 100% of the selected HRU 

area was assigned as the drainage area for its respective detention (POT_FR=1).  Furthermore, 

for the consistency of the long‐term flooding hazard defined in this study, the maximum storage 

for each detention was the volume of the bankfull discharge volume in its respective subbasin. 

Steamflow involves a spatial directional relationship between upstream and 

downstream subbasins.  In order to account for a spatially connected concept, the term “sub‐

watershed” is introduced in this study.  Not all subbasins have hydrological connections with 

one another.  For upstream subbasins with first‐order streams, the output of the water budget 

is the result of the sum of each HRU in its own subbasin.  For downstream subbasins with 

second‐order streams, the streamflow output is accumulative from upstream subbasins.  For 

example, the outflow at subbasin No. 18 is the accumulation of the output from subbasin No. 18 

itself plus upstream subbasins No. 17 and No. 20.  Therefore, the effect of detention is the result 

in its respective sub‐watershed.  54 subbasins delineated in SWAT modeling from Chapter 3 

technically resulted in 54 sub‐watersheds, including sub‐watershed No. 6 that is actually the 

entire Charles River Watershed.  As a result, the total area of 3.2% (25 km2) of the Charles River 

Watershed area was modeled as detention areas in this study.  On average, each sub‐watershed 

Page 143: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

124 

consisted of 2.9% of land for detention, with a range of 0.9% to 8.7% and a standard deviation of 

1.5%.        

Finally, Pearson’s correlation and linear regression were employed for analyzing the 

relationship between the fraction of detention areas in sub‐watershed areas and the long‐term 

flooding hazard index (HI) for each climate change combination.  

  Y = aX + b                  (2) 

  Y:  HI of each sub‐watershed  

  X:  Fraction of detention (pothole) area in sub‐watershed area 

  a:  X variable coefficient 

  b:  Intercept constant 

5.4  Results  

The Pearson’s correlation (Pr) analysis of the long‐term flooding hazard indices (HI) for 

climate sensitivity tests and the presence of detention areas indicated that only ten climate 

combinations have a significantly moderate to weak relationship (Pr between ‐.272 to ‐.390, p 

value <0.05) (Table 5.1).  Correlation coefficient values between ‐.2 and ‐.3 are considered weak 

relationships; correlation coefficient values between ‐.3 and ‐.5 are considered moderate 

relationships.  The other 26 climate change combinations have no significant relationships with 

detention (p>0.05).  In general, climate change variables correlated with detention when 

precipitation variation was controlled at a zero percent increase and when temperature 

increased less than 3˚C.  All 36 combinations are correlated negatively except for two 

combinations, where the mean temperature increased 3˚C in combination with only the 

precipitation variation change.    

Page 144: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

125 

The top ten significantly correlated data sets were examined further with regression 

analysis (Table 5.2).  The results illustrated that detention area had a weak (R square ranges 

from 0.07 to 0.15) yet significant (p<0.001) effect in reducing long‐term flooding hazard indices 

from 0.06% to 0.28% for every 1% increase of detention area in the sub‐watershed.  In addition, 

increasing the mean precipitation resulted in a trend with a steep slope, while increasing the 

mean temperature resulted in a trend with a gentle slope.   

Considering the parameters of climate change and flooding hazards for planning, two 

hazard mitigation policy goals were examined: (1) reduce long‐term flooding hazard indices (HI) 

to zero, and (2) mitigate flooding impacts to the level in current climate conditions (HI=0.013, 

which is the intercept of the regression equation) (Table 5.2).  The results illustrated that an 

average of 14% with a range of 13 to 18% of detention area in a sub‐watershed would be 

needed for reaching the first goal of zero hazards, while an average of 5% and up to 8% of 

detention area would be needed for reaching the second goal in mitigating climate change‐

induced hazards to the current climate conditions.   

A steeper slope represents a greater effect from applying detention in respective 

climate change combinations (Figure 5.2).  For example, when the temperature increases 1°C in 

combination with a mean precipitation increase of 20%, every 1% increase in detention area 

could decrease HI between 0.25% to 0.28%.   However, no detention needed for mitigating 

climate change‐induced flooding hazards to current climate conditions when only temperature 

increases with no precipitation change.  

Page 145: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

126 

Table 5.1    Pearson’s correlation coefficient between long‐term flooding hazard index (HI) 

and the fraction of detention area modeled in sub‐watershed in climate change conditions 

Climate Change Variables  HI Statistics  Correlation Tmp mean 

(+˚C) Pcp mean 

(+%) Pcp var (+%) 

Mean  Std. Dev. 

Pearson’s r (Pr) 

Relationship to detention 

0  0  0  1.0%  0.4%  ‐.390**  Significant 

1  0  0  0.9%  0.4%  ‐.366**  Moderate  

0  10  0  1.6%  0.7%  ‐.359**  to Weak 

1  10  0  1.4%  0.6%  ‐.358**   

1  20  0  2.6%  1.2%  ‐.346*   

1  20  20  2.4%  1.1%  ‐.344*   

2  10  10  1.3%  0.5%  ‐.341*   

2  10  0  1.2%  0.5%  ‐.329*   

2  0  0  0.7%  0.3%  ‐.304*   

3  10  0  1.1%  0.4%  ‐.272*   

0  20  0  2.9%  1.4%  ‐.263  Non‐  

0  20  10  3.1%  1.4%  ‐.255  significant 

3  0  0  0.7%  0.2%  ‐.255  Weak 

0  20  20  3.2%  1.4%  ‐.255   

1  20  10  2.7%  1.2%  ‐.242   

0  10  10  2.0%  0.8%  ‐.234   

0  10  20  2.1%  0.8%  ‐.233   

1  10  10  1.6%  0.7%  ‐.233   

1  10  20  1.9%  0.8%  ‐.233   

2  20  0  2.3%  1.1%  ‐.228   

2  20  20  2.6%  1.1%  ‐.215   

2  20  10  2.4%  1.1%  ‐.213   

0  0  10  1.3%  0.4%  ‐.212   

0  0  20  1.4%  0.5%  ‐.204   

2  10  20  1.8%  0.6%  ‐.188  Non‐  

1  0  20  1.3%  0.4%  ‐.180  significant 

1  0  10  1.1%  0.4%  ‐.174  Very Weak 

3  20  0  2.2%  0.9%  ‐.140   

3  20  10  2.3%  0.9%  ‐.129   

3  20  20  2.5%  1.0%  ‐.126   

3  10  20  1.7%  0.6%  ‐.098  Negligible 

3  10  10  1.5%  0.5%  ‐.085   

2  0  20  1.2%  0.4%  ‐.073   

2  0  10  1.0%  0.3%  ‐.061   

3  0  10  1.1%  0.3%  .035   

3  0  20  1.0%  0.3%  .036   

Page 146: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

 T

re

r

*p

                       Fi

cl

Table 5.2 

eaching haza

  Clim

Pr rank 

Tmpmean(+˚C

1  0 2  1 3  0 4  1 5  1 6  1 7  2 8  2 9  2 10  3 

p<0.05  **p<

igure 5.2 

limate chang

Summary o

rd mitigation

mate Change  

p n ) 

Pcp mean (+%) 

0 0 10 10 20 20 10 10 0 10 

0.001  tmp: t

Significant 

e conditions 

C

of regression 

n goals   

Variables  

Pcp  var  (+%) 

0 0 0 0 0 20 10 0 0 0 

emperature;

effects of de

    

Current Climat

127 

coefficients 

Regres

X variablea 

‐0.101**‐0.084**‐0.162**‐0.146**‐0.281*‐0.247*‐0.119*‐0.109*‐0.057*‐0.076*

pcp: precipit

etention in m

e Conditions 

HI = 1.3% 

and percent 

ssion Coeffici

  Intercept b 

*  0.013***  0.011***  0.021***  0.018**  0.034**  0.031**  0.017**  0.015**  0.009**  0.013**

tation; var: va

itigating long

Clim+tm

tmpcppva

detention ar

ients  %re

R Square 

H

0.152 0.134 0.129 0.128 0.120 0.119 0.116 0.108 0.092 0.074 

ariation 

g‐term floodi

mate Change mp(˚C)+pcp(%

 

p:   temperatp:   precipitatar:  precipitat

ea required f

% Detention aequired to reHI=0  HI=0.

13  0

14  0

13  5

13  4

13  8

13  8

15  4

14  2

16  0

18  0

ng hazards in

Conditions )+pvar(%)

ure mean tion mean tion variation

for 

area ach 013 

n ten 

 

Page 147: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

128 

5.5  Discussion 

5.5.1  Detention effects under climate change impacts 

Climate change impacts on hydrology are complex and varied from watershed to 

watershed (Praskievicz and Chang 2009).  From the previous results in the climate sensitivity 

assessment of the long‐term flooding hazard index (HI) under the current land use for the 

Charles River Watershed, increasing temperature in general would result in lower HI due to 

higher evapotranspiration, while increasing both mean and variation in precipitation would 

result in a higher HI (Chapter 3).  Higher temperatures resulting in a lower HI explain the 

insignificant effects of applying long‐term flooding mitigation strategies.  For example, detention 

coefficients became positive and detention requirements became negative when the mean 

temperature increased by 3˚C.        

5.5.2  Detention effects on reducing long‐term flooding risks  

To understand the effects of mitigation strategies on reducing the flooding risks that 

take social vulnerability into consideration, effects of detention on long‐term climate change‐

induced flooding risk index (RI) are shown as the difference in RI derived from the RI value after 

detention treatment the minus RI value before being processed by respective climate change 

impact scenarios (derived from Chapter 3) and using current RI HotSpots (derived from Chapter 

4) as a reference for areas currently with high RI.  The maps in Figure 5.3 illustrate that in 

general, detention is effective in reducing RI throughout the basin except in Lincoln and 

Brookline (in red and orange).  Comparatively, detention becomes more effective (a greater 

difference after treatment) during higher levels of climate change impact scenarios.       

Page 148: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

129 

 

Figure 5.3   Detention effects on long‐term climate change‐induced flooding risk index (RI) 

in climate change impact scenarios compared to RI HotSpots in current climate conditions       

5.5.3  Adaptive land use planning  

This study focused on using detention as one of the stormwater Best Management 

Practices for flooding hazards mitigation.  Detention area requires depressional land areas that 

can be inundated with water for a period of time.  Applying this concept to landscape planning 

and design, those detention areas could possibly be applied on public recreational land use 

areas such as athletic fields and parks.  Based on 2005 land use data, the Charles River 

Watershed has 3.6% of its land for recreational uses, including cemeteries, golf courses, passive 

Page 149: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

130 

and active recreation, marinas and beaches.  Excluding privately owned golf courses and 

cemeteries, only 1.7% of land areas are probable for using as detention areas, which is 2% to 7% 

short of reaching the current climate conditions level of HI under selected climate change 

conditions.  Based on land use and land cover analysis, 44% of the Charles River Watershed is 

urbanized (e.g., commercial, residential, utilities) (see Chapter 2).  Most of the impervious areas 

are streets, building footprints, parking lots, and staging areas that are mainly under the 

categories of urban land use and comprise 21% of the total watershed area.   

With limited natural open space and recreational land use areas that could possibly 

allow for detention areas in an urbanized watershed, achieving policy goals for reducing long‐

term flooding hazards will require more innovative and aggressive land use planning and design 

in both impervious and other pervious areas.  For example, detention techniques could be 

implemented on residential lots for site scale detention.  In addition, a recent project in Chicago 

has successfully implemented detention techniques underneath impervious road surfaces.  

Therefore, retrofiting BMPs to provide holistic green infrastructure networks through urban 

systems (Ellis, Arcy, and Chatfield 2002) plays a critical role in mitigating climate change‐induced 

flooding hazards. 

Finally, an integration of many structural and non‐structural stormwater management 

strategies at multiple scales is essential in both climate change mitigation and adaptation.  

Multi‐objective watershed planning (Yeh and Labadie 1997)and multi‐functional design (Miguez, 

Mascarenhas, and Magalhaes 2005) with adaptive planning strategies are the keys for creating 

more resilient water management systems for climate change planning.   

Page 150: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

131 

5.5.4  Resilient stormwater management design 

This experimental and opportunistic approach in dealing with uncertainties in planning 

(Abbott 2005) is known as “learning as we plan, plan as we learn” (Michael 1973), “planning as 

learning” (De Geus 1988) or “learning by doing” (Kato and Ahern 2008), serving as a 

fundamental strategy in adaptive planning (Folke et al. 2005; Lynch 2008)for a more robust and 

resilient stormwater management and green infrastructure system (Ahern 2011).   

Resilience thinking suggests that a resilient world would value diversity, ecological 

variability, modularity, acknowledging slow variables, tight feedbacks, social capital, innovation, 

overlap in governance, and ecosystem services (Walker and Salt 2006).  In addition to adaptive 

learning, Ahern (2011) proposed resilient stormwater management BMPs to (1) achieve multi‐

functionality with economic efficiency and an inherent constituency of social or political 

support; (2) include redundancy and modularization with risk‐spreading and back‐up functional 

meta‐systems that are decentralized and adaptable and can “contain” disturbance with 

characteristics of flexibility, adaptability, and spatial segregation; (3) embrace diversity with 

differential responsed to disturbance, stress and opportunity, serving as a bio‐library of memory 

and knowledge, and having complementarities of resource requirements; (4) build networks and 

connectivity in meta‐systems with circuitry and redundancy, risk‐spreading, and design for 

functions and flows; (5) enhance adaptive capacity, treating actions as opportunities for 

experimentation and innovation, such as performing “learn‐by‐doing” and “safe‐to‐fail” design 

experiments (Ahern 2011).      

  Stormwater management has evolved to look beyond imperviousness effects and 

structural BMPs in order to examine their balance with pervious surfaces and non‐structural 

BMPs (Brabec 2009).  Urbanization associated with unsustainable development patterns and 

Page 151: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

132 

living styles is the root cause of climate change and urban flooding.  There is no single solution 

to resolve the effects of climate change.  This is mainly because the major causes of climate 

change is the production of greenhouse gases, which are intertwined with our social‐ecological 

system, ranging from energy, transportation, agriculture and manufacture, to land use, urban 

development patterns and buildings (Blanco, Alberti, Forsyth, et al. 2009; Blanco, Alberti, 

Olshansky, et al. 2009).  As climate change an integral factor of anthropogenic influence in the 

hydrologic cycles in this changing world, this is a critical time for rethinking stormwater 

management.   

 From a structural stormwater management point of view, more trial‐and‐error and 

adaptive learning process are likely to occur when dealing with uncertainties in hydrologic 

change as a result of climate change effects (Griffiths, Pearson, and McKerchar 2009; He, Valeo, 

and Bouchart 2006).  It is therefore critical to allow such experiments to happen in communities.  

The success of the Street Edge Alternatives (SEA Street) program in Seattle, Washington, is an 

encouraging example of adaptive strategy for safe‐to‐fail.  The key to its success lies not only in 

the innovative design but also in its supportive leadership and effective public participation and 

outreach.  This experiment of integrating urban design and stormwater BMPs eventually led to 

changes in zoning and stormwater ordinances in order to accommodate alternative street edge 

treatment in Seattle.  This practice has spread out to the rest of the country and is being 

integrated in part into local stormwater management manuals and street design, such as the 

Green Alley and Sustainable Streets initiatives in Chicago, Illinois.         

 

    

Page 152: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

133 

5.6  Conclusion 

This study has demonstrated a range of potential climate change impacts on long‐term 

flooding hazards and the effectiveness of using detention areas for mitigating long‐term flooding 

hazards.  Since climate change has implications on long‐term environmental hazards associated 

with water resources and management, the findings are particularly timely for landscape and 

urban planning for climate change.  Two hazard mitigation policy goals were examined for 

achieving (1) zero hazards and (2) mitigating climate change‐induced hazards for reaching the 

long‐term flooding hazard index (HI) equal to the level under current climate conditions.   

Even though the zero percent chance of long‐term flooding hazards is an extreme policy 

goal, it provides an upper boundary for developing policy frameworks with feasible intermediate 

goals.  In addition, it is worth noting that detention area alone has limited potential for flooding 

mitigation and is no substitution for integrated land use and watershed management strategies 

such as open space and floodplain protection, wetlands restoration, and clustered and compact 

growth strategies (Brody et al. 2011).  Moreover, engaging the stakeholders and the public to 

integrated water management and land use policies that can “Make room for River,” such as the 

examples from the Dutch experience (Woltjer 2007; Wolsink 2006), plays a critical role for the 

success in both long‐term and short term flooding hazard mitigation.   

Finally, innovation in planning and design in order to provide multiple uses in recreation 

and public lands as well as detention and infiltration under impervious surfaces in urbanized 

areas play a critical role in integrating stormwater management into green infrastructure system 

networks for climate change adaptation. 

   

Page 153: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

134 

CHAPTER 6 

CONCLUSION 

6.1  Contribution to the field in planning 

This research has attempted to contribute to the field of planning in the areas of 

theoretical framing of research issues, empirical research case studies, and knowledge gained 

for building innovations in planning practices.    

Chapter 3, 4, and 5 answered the first four research questions posed in Chapter 1 

through findings that supported or rejected hypotheses (Table 6.1).  Not all hypotheses were 

supported.  First, increasing temperature leads to reduced long‐term flooding hazard index (HI) 

in this study.  Even though some literature supported this finding by suggesting that increasing 

temperature resulting in higher evapotranspiration and lower baseflow, the fact is that 

temperature change alone cannot explain all the variations of climate change in terms of 

precipitation and seasonal change. Therefore, there remains a range of uncertainty in climate 

change in accounting for the interaction between temperature and precipitation change and its 

combined impacts on flooding hazards.  

 Second, there is no significant spatial correlation between the long‐term flooding 

hazard index (HI) and the social vulnerability index (SoVI).  This is due to the location of the most 

vulnerable populations not being on the main channel of the river.  It reveals that risk 

assessment is place‐specific and hazard specific.  No transferability or generalizability can be 

applied from this particular finding.   

The last inconsistency was a surprising finding that a “threshold” effect exists that was 

not fully anticipated.  Results in Chapter 4 revealed an interaction between land change and 

climate change impacts on long‐term flooding hazards.  In the High Impact climate change  

Page 154: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

135 

Table 6.1    Summary of research hypotheses and findings   

Hypotheses (Chapter 1)  Findings 

Climate change as a result of 

increasing temperature and 

precipitation change would 

increase flooding hazards 

Ø   Hypothesis partially rejected 

Increasing temperature reduces HI (Chapter 3) 

Increasing precipitation change increases HI (Chapter 3) 

Populations with high social 

vulnerability are exposed to 

higher flooding hazards as well 

as flooding hazards induced by 

climate change 

×   Hypothesis rejected  

No significant spatial correlation between HI and SoVI  

(Chapter 3) 

The growth strategy of suburban 

sprawl in the Current Trends 

scenario is associated with the 

most land use and land cover 

change and increases flooding 

hazards 

o Hypothesis supported 

The Current Trends scenario experiences an increase of 

more than 5 times in land use change than in the 

Compact Core scenario (Chapter 4) 

Current Trends is associated with the highest HI among 

scenarios when climate change impacts are low 

(Chapter 4) 

In the High Impact climate change scenario, the mean 

HI becomes no difference among scenarios (Chapter 4) 

The growth strategy of suburban 

sprawl in the Current Trends 

scenario imposes more people in 

the climate change‐induced 

flooding risk areas   

o Hypothesis supported  

The Current Trends scenario placed about 3,000 more 

people in risk HotSpot areas than in the Compact Core 

scenario (Chapter 4) 

Green infrastructure has effects 

in mitigating climate change‐

induced flooding hazards 

o Hypothesis supported  

Detention area increased in 1% of drainage area, HI 

decreased between 0.06% and 0.28% under climate 

change conditions (Chapter 5) 

 

Page 155: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

136 

scenario, there was no difference in mean HI among growth scenarios.  These inconsistent 

findings critically reinforce the importance of conducting empirical studies for understanding the 

interaction between human and natural systems in the interlinked social‐ecological systems.            

The last research question posed in Chapter 1 was “what is the role of planning 

interventions in social‐ecological resilience planning for climate change?”  The findings from the 

evaluation of growth strategies (i.e., infill vs. greenfill) in Chapter 4 and green infrastructure (i.e., 

detention) in Chapter 5 revealed several implications in planning.     

6.1.1  On‐site detention innovations  

As infill development becomes the primary growth strategy in conserving farmlands and 

open space, urban areas will become denser with limited land area for the necessary detention 

for mitigating climate change impacts.  Urban drainage systems designed to manage stormwater 

runoff have been the most critical component of flood prevention.  Rainfall is the source of 

runoff.  As Tjallingii put it,“storage is the key issue” (Tjallingii 2012)(p 95).  There exist positive 

effects of detention in mitigating flooding hazards as shown in Chapter 5.  Therefore,  on‐site 

detention in many forms (Beecham et al. 2005) can serve as a critical role in coping with climate 

change‐induced flooding hazards.  How to harvest rainwater in the first place before it becomes 

runoff is the key to the puzzle.  As a result, innovations in green infrastructure urban design such 

as greenroofs, cisterns, rainbarrels, and underground storage underneath pavement or buildings 

can function as detention in mitigating climate change‐induced flooding hazards, which in turn 

plays a role in adapting to climate change.  While cities are projected to undergo renovation and 

rebuilding for growing populations, the opportunity for redeveloping cities to be more resilient 

and sustainable through innovations in planning and design must be seized.    

Page 156: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

137 

 6.1.2  Remove people from the risk equation 

First and foremost, making a proactive planning strategy to reduce the number of 

people exposed to climate change‐induced hazards should be the top priority in planning.  In 

order to do this, a comprehensive place‐based multi‐climate change induced‐hazard risk 

assessment is critical for spatial planning and growth management for current and future 

populations.  In planning for future growth, housing (re)development in hazardous areas should 

be discouraged through zoning regulation and policy disincentives such as charging higher 

development fees for climate change adaptation measures or higher flood insurance rates.  In 

planning for current residence, a transdisciplinary participatory planning process should be 

required for every community to share information about climate change–induced hazards and 

probable climate change adaptation strategies including community retreat and relocation.   

6.1.3  Reduce social vulnerability in the risk equation   

When people cannot be removed from the risk equation (i.e., relocation is not desired 

nor feasible option), the next critical step is to reduce social vulnerability.  The Social 

Vulnerability Index (SoVI) has provided a tool in gauging potential population distributed 

spatially in relation to hazards as well as the potential needs for risk management.  Planners can 

then incorporate the spatial information of social vulnerability into planning practices.  In 

addition, in the comprehensive planning process, planners can share information of climate 

change impacts and potential hazardous areas with the stakeholders as well as the communities 

for identifying appropriate strategies for climate change adaptation.   For example, a series of 

workshops were conducted in East Boston and found that the target population do not have 

climate change adaptation perspectives nor do they have adequate resources for hazard 

Page 157: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

138 

mitigation and prevention as well as resources for responding to and recovering from disasters 

(Douglas et al. 2012).  Therefore, planners play an important role in ensuring equitable planning 

processes as well as equitably distributed access to resources (Krumholz and Forester 1990; 

Fainstein 2000) in order to reduce social vulnerability in the risk equation.   

6.1.4  Green equity 

While investing in green infrastructure has become an emerging planning innovation as 

described earlier, the interplay between greening and reducing social vulnerability can be seen 

as an environmental justice issue (Danford et al. in review).  Allocating investment of green 

infrastructure in which it can benefit the socially vulnerable populations the most should be 

included in the planning agenda for resilient and sustainable development.  For example, a 

detention area for mitigating flooding should be prioritized to be in the location not only where 

the most people would be removed from exposure to hazards but also where the exposure to 

the socially vulnerable groups would be reduced the most.  In other words, green infrastructure 

investments in climate change adaptation strategies should be prioritized not simply by reducing 

hazards but by reducing the exposure of the socially vulnerable populations to hazards in the 

risk equation.               

6.2  Future directions  

This research has attempted to investigate the dynamic relationship between human 

and natural systems in the social‐ecological systems study with several parameters that could be 

further developed for future research.  First, the structure of the Social Vulnerability Index (SoVI) 

was limited to quantitative data and methods.  It is lacking in intangible vulnerability measures 

Page 158: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

139 

that require qualitative input.  For example, the question of why people live on floodplains 

requires an understanding of people’s perceptions and wide understanding of flooding risks and 

factors that influence people’s behavior.   

In addition, it is critical to recognize the concept that places with high hazard risks do 

not equal places with low resilience.  There is a growing body of research in building an index for 

measuring resilience, which accounts for a community’s ability and capacity for risk 

management and adaptation to climate change.  Moreover, further investigation is needed for 

understanding the dynamics in temporal and spatial relationships in the social‐ecological 

processes.  For example, in what way and to what extent does land cover change in upstream 

communities influence downstream flooding hazards?   

Finally, this research is limited to single‐hazard risk assessment and single‐treatment for 

assessing multiple green infrastructure applications.  Further research frameworks and modeling 

methods for multiple climate change‐induced risk assessments and evaluations of 

comprehensive planning intervention strategies will provide useful knowledge and 

advancement of local planning practices.  

6.3  Final remarks  

Thinking globally, planning locally.  While climate change has posed challenges in 

planning on global, national, regional and local scales, it is at the local scale that planners can 

see who are most impacted and in what circumstance.  Empirical study at the local scale 

provides social‐ecological outcomes that can inform policy‐makers and practitioners for setting 

climate change parameters for seeking innovations in planning policy and practices.  This 

research demonstrated one example in understanding a range of various levels of impacts from 

climate change on how much land might be needed to mitigate such impacts.  Through a 

Page 159: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

140 

transdisciplinary participatory planning process, communities are able to communicate and 

have a mutual understanding and consensus in what level of risk is acceptable.  Subsequently, 

communities are able to set priorities for allocating resources to enhance people’s livelihoods 

and invest in green infrastructure for building resilient and sustainable communities. 

Page 160: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

141 

BIBLIOGRAPHY 

Abbott, J. 2005. "Understanding and managing the unknown: The nature of uncertainty in 

planning." SAGE Urban Studies Abstracts no. 33 (3). 

Adger, W. Neil. 2006. "Vulnerability." Global Environmental Change‐Human and Policy 

Dimensions no. 16 (3):268‐281. 

Ahern, Jack. 2011. "From fail‐safe to safe‐to‐fail: Sustainability and resilience in the new urban 

world." Landscape and Urban Planning no. 100 (4):341‐343. 

Alberti, M. 1999. "Modeling the urban ecosystem: A conceptual framework." Environment & 

Planning B: Planning & Design no. 26 (4):605. 

Allan, J. D. 2004. "Landscapes and riverscapes: The influence of land use on stream ecosystems." 

Annual Review of Ecology Evolution and Systematics no. 35:257‐284. 

Allan, J. D., D. L. Erickson, and J. Fay. 1997. "The influence of catchment land use on stream 

integrity across multiple spatial scales." Freshwater Biology no. 37 (1):149‐161. 

Alley, W. M., and J. E. Veenhuis. 1983. "Effective impervious area in urban runoff modeling " 

Journal of Hydraulic Engineering‐Asce no. 109 (2):313‐319. 

Anderies, John M., Brian H. Walker, and Ann P. Kinzig. 2006. "Fifteen weddings and a funeral: 

Case studies and resilience‐based management." Ecology & Society no. 11 (1):386‐397. 

Anderson, Daniel G. 1970. "Effects of urban development on floods in northern Virginia." U. S. 

Geological Survey Water‐Supply Paper:C1‐c22. 

Anselin, Luc, Anil K. Bera, Commerce University of Illinois at Urbana‐Champaign. College of, and 

Research Business Administration. Office of. 1996. Spatial dependence in linear 

regression models with an introduction to spatial econometrics. Champaign: University 

of Illinois at Urbana‐Champaign. 

Page 161: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

142 

Arisz, H., and B. C. Burrell. 2006. Urban drainage infrastructure planning and design considering 

climate change. Paper read at 2006 IEEE EIC Climate Change Conference, 2006, at Place 

of Publication: Piscataway, NJ, USA; Ottawa, ON, Canada. Country of Publication: USA. 

Arnold, C. L., and C. J. Gibbons. 1996. "Impervious surface coverage: The emergence of a key 

environmental indicator." Journal of the American Planning Association no. 62 (2):243‐

258. 

Arnold, J. G., and P. M. Allen. 1996. "Estimating hydrologic budgets for three Illinois 

watersheds." Journal of hydrology. no. 176 (1‐4):57. 

Arnstein, Sherry R. 1969. "A ladder of citizen participation." In The City Reader, edited by Richard 

T. LeGates and Frederic Stout, 233‐244. London; New York: Routledge. 

Ashley, R. M., D. J. Balmforth, A. J. Saul, and J. D. Blanskby. 2005. "Flooding in the future: 

Predicting climate change, risks and responses in urban areas." Water Science and 

Technology no. 52 (5):265‐273. 

Bartlett, Sheridan. 2008. "Climate change and urban children: impacts and implications for 

adaptation in low‐ and middle‐income countries." Environment and Urbanization no. 20 

(2):501‐519. 

Beatley, Timothy. 2009. Planning for coastal resilience: Best practices for calamitous times. 

Washington DC: Island Press. 

Beck, Ulrich. 1992. Risk society: Towards a new modernity. London; Newbury Park, Calif.: Sage 

Publications. 

Beecham, S., J. Kandasamy, M. Khiadani, and D. Trinh. 2005. "Modelling on‐site detention on a 

catchment‐wide basis." Urban Water Journal no. 2 (1):23‐32. 

Page 162: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

143 

Bekele, Elias G., and H. Vernon Knapp. 2010. "Watershed modeling to assessing impacts of 

potential climate change on water supply availability." Water Resources Management 

no. 24 (13):3299‐3320. 

BES. 2010. Baltimore Ecosystem Study. Cary Institute of Ecosystem Studies 2010 [cited May 4 

2010]. Available from http://www.beslter.org. 

Bhaskar, A. S., and C. Welty. 2012. "Water balances along an urban‐to‐rural gradient of 

metropolitan baltimore, 2001‐2009." Environ. Eng. Geosci. Environmental and 

Engineering Geoscience no. 18 (1):37‐50. 

Birkmann, Jörn. 2006. "Measuring vulnerability to promote disaster‐resilient societies: 

Conceptual frameworks and definitions." In Measuring vulnerability to natural hazards 

towards disaster resilient societies, edited by Jörn Birkmann, 9‐54. New York: United 

Nations University. 

Blaikie, Piers M. 1994. At risk: Natural hazards, people's vulnerability, and disasters. London; 

New York: Routledge. 

Blanco, H., M. Alberti, R. Olshansky, S. Chang, S. M. Wheeler, J. Randolph, J. B. London, J. B. 

Hollander, K. M. Pallagst, T. Schwarz, F. J. Popper, S. Parnell, E. Pieterse, and V. Watson. 

2009. "Shaken, shrinking, hot, impoverished and informal: Emerging research agendas in 

planning." Progress in Planning no. 72:195‐250. 

Blanco, Hilda, Marina Alberti, Ann Forsyth, Kevin J. Krizek, Daniel A. Rodríguez, Emily Talen, and 

Cliff Ellis. 2009. "Hot, congested, crowded and diverse: Emerging research agendas in 

planning." Progress in Planning no. 71 (4):153‐205. 

BMA‐ULTRA. 2012. Boston metro ecological research. University of Massachusetts Amherst 

January 15, 2013 [cited March 24 2012]. Available from www.umass.edu/urbaneco/. 

Page 163: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

144 

Bogardi, J. , and J. Birkmann. 2004. "Vulnerability assessment: The first step towards sustainable 

risk reduction." In Disaster and Society: From Hazard Assessment to Risk Reduction, 

edited by D.  Malzahn and T. Plapp. Berlin: Logos Verlag Berlin. 

Bohle, Hans‐Georg. 2001. "Vulnerability and criticality: perspectives from social geography." 

IHDP update no. 2 (01):3‐5. 

Bollin, C. , C. Cardenas, H. Hahn, and K.S. Vatsa. 2003. Natural disaster network: Disaster risk 

management by communities and local governments. Washington, D. C.: Inter‐American 

Development Bank. 

Booth, D. B., and C. R. Jackson. 1997. "Urbanization of aquatic systems: Degradation thresholds, 

stormwater detection, and the limits of mitigation." Journal of the American Water 

Resources Association no. 33 (5):1077‐1090. 

Booth, Derek B. 1993. Consequences of urbanization on aquatic systems: Measured effects, 

degradation thresholds, and corrective strategies. Paper read at Watershed '93, a 

national conference on Watershed management, at United States. 

Borden, Kevin A., Mathew C. Schmidtlein, Christopher T. Emrich, Walter W. Piegorsch, and 

Susan L. Cutter. 2007. "Vulnerability of U.S. cities to environmental hazards." Journal of 

Homeland Security and Emergency Management no. 4 (2). 

Brabec, Elizabeth A. 2009. "Imperviousness and land‐use policy: Toward an effective approach 

to watershed planning." Journal of Hydrologic Engineering no. 14 (4):425‐433. 

Brabec, Elizabeth, Stacey Schulte, and Paul L. Richards. 2002. "Impervious surfaces and water 

quality: A review of current literature and its implications for watershed planning." 

Journal of Planning Literature no. 16 (4):499. 

Page 164: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

145 

Brody, Samuel D., Joshua Gunn, Walter Peacock, and Wesley E. Highfield. 2011. "Examining the 

influence of development patterns on flood damages along the Gulf of Mexico." Journal 

of Planning Education and Research no. 31 (4):438‐448. 

Brown, C., W. Werick, W. Leger, and D. Fay. 2011. "A decision‐analytic approach to managing 

climate risks: Application to the upper great lakes." J. Am. Water Resour. Assoc. Journal 

of the American Water Resources Association no. 47 (3):524‐534. 

Bruntland, G. H. . 1987. Our common future: The world commission on environment and 

development. Oxford. 

Burby, Raymond J. 1998. Cooperating with nature: Confronting natural hazards with land use 

planning for sustainable communities, Natural hazards and disasters. Washington, D.C.: 

Joseph Henry Press. 

Burton, Thomas M., and James E. Hook. 1979. "Non‐point source pollution from abandoned 

agricultural land in the Great Lakes basin." Journal of Great Lakes Research no. 5 (2):99‐

104. 

Cadenasso, Mary L., and Steward T. Pickett. 2013. "Three tides: The department and state of the 

art of urban ecological science  " In Resilience in ecology and urban design linking theory 

and practice for sustainable cities, 29‐46. Dordrecht; New York: Springer. 

Campbell, Scott. 1996. "Green cities, growing cities, just cities? Urban planning and the 

contradictions of sustainable development." In Readings in Planning Theory, edited by 

Scott Campbell and Susan S. Fainstein, 435‐458. Malden, MA, USA: Blackwell Publishing. 

Cardona, O.D. 1999. "Environmental management and disaster prevention: Two related topics: 

A holistic risk assessment and management approach." In Natural Disaster 

Management, edited by J. Ingleton. Lundon: Rudor Rose. 

Page 165: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

146 

Cardona, O.D. , and A.H. Barbat. 2000. El riesgo sısmico y su prevencion. Madrid: Calidad 

Siderurgica. 

Carter, T. R., M. L. Parry, H. Harasawa, and S. Nishioka. 1994. IPCC technical guidelines for 

assessing climate change impacts and adaptations. In Special Report to Working Group 

II. London: Department of Geography. 

Cash, David. 2011. Massachusetts climate change adaptation report. edited by Executive Office 

of Energy and Environmental Affairs and the Adaptation Advisory Committee. 

Chen, J., F. P. Brissette, and R. Leconte. 2011. "Uncertainty of downscaling method in 

quantifying the impact of climate change on hydrology." Journal of Hydrology no. 401 

(3‐4):190‐202. 

Chiew, F.H.S. , T.I.  Harrold, L.  Siriwardena, R.N.  Jones, and R. Skrikanthan. 2003. Simulation of 

climate change impact on runoff using rainfall scenarios that consider daily patterns of 

change from GCMs. In Proceedings of the International Congress on Modelling and 

Simulation. Townsville: MODSIM. 

Colten, C. E. 2006. "Vulnerability and place: Flat land and uneven risk in New Orleans." American 

Anthropologist no. 108 (4):731‐734. 

Costanza, R., L. Wainger, C. Folke, and K. G. Maler. 1993. "Modeling complex ecological 

economic systems: Toward an evolutionary, dynamic understanding of people and 

nature." Bioscience no. 43 (8):545‐555. 

Crichton, David. 1999. "The risk triangle." In Natural Disaster Management, edited by Jon 

Ingleton, 102‐103. London: Tudor Rose. 

 

 

Page 166: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

147 

Cutter, S. L., L. Barnes, M. Berry, C. Burton, E. Evans, E. Tate, J. Webb, vulnerabilities Local 

evidence on, and change adaptations to global environmental. 2008. "A place‐based 

model for understanding community resilience to natural disasters." Global 

Environmental Change no. 18 (4):598‐606. 

Cutter, Susan L. 1996. "Vulnerability to environmental hazards." Progress in Human Geography 

no. 20 (4):529‐539. 

Cutter, Susan L., Bryan J. Boruff, and W. Shirley. 2003. "Social vulnerability to environmental 

hazards." Social Science Quarterly (Blackwell Publishing Limited) no. 84 (2):242‐261. 

Cutter, Susan L., Christopher G. Burton, and Christopher T. Emrich. 2010. "Disaster resilience 

indicators for benchmarking baseline conditions." Journal of Homeland Security and 

Emergency Management no. 7 (1). 

Cutter, Susan L., and Christina Finch. 2008. "Temporal and spatial changes in social vulnerability 

to natural hazards." Proceedings of the National Academy of Sciences of the United 

States of America no. 105 (7):2301‐2306. 

Cutter, Susan L., and Daniel P. Morath. 2013. "The evolution of the Social Vulnerability Index." In 

Measuring vulnerability to natural hazards (Second Edition), edited by Jörn Birkmann. 

New York: United Nations University. 

Danford, Rachel S., Chingwen Cheng, Michael W Strohbach, Robert L. Ryan, Craig Nicolson, and 

Paige S. Warren. in review. "What does it take to achieve equitable urban tree canopy 

distribution? A Boston case study." Cities and the Environment. 

Davidson, R. . 1997. An urban earthquake disaster risk index. Standford: The John A. Blume 

Earthquake Engineering Center, Standford University. 

Davis, Kingsley. 1955. "The origin and growth of urbanization in the world." American Journal of 

Sociology no. 60 (5):429‐437. 

Page 167: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

148 

De Geus, Arie P. 1988. "Planning as learning." Harvard Business Review no. 66 (2). 

De Wrachien, D., S. Mambretti, and A. Sole. 2008. "Risk analysis and vulnerability assessment in 

flood protection and river basin management." In Flood Recovery, Innovation and 

Response, edited by D. Proverbs, C. A. Brebbia and E. PenningRowsell, 3‐15. 

Douglas, Ellen M., Paul H. Kirshen, Michael Paolisso, Chris Watson, Jack Wiggin, Ashley Enrici, 

and Matthias Ruth. 2012. "Coastal flooding, climate change and environmental justice: 

Identifying obstacles and incentives for adaptation in two metropolitan Boston 

Massachusetts communities." Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change 

no. 17 (5):537‐562. 

Douglas, Ian, Kurshid Alam, Maryanne Maghenda, Yasmin McDonnell, Louise McLean, and Jack 

Campbell. 2008. "Unjust waters: climate change, flooding and the urban poor in Africa." 

Environment and Urbanization no. 20 (1):187‐205. 

Ellis, J. B., B. J. D. Arcy, and P. R. Chatfield. 2002. "Sustainable urban‐drainage systems and 

catchment planning." Water and Environmental Management Journal no. 16 (4):286‐

291. 

Ellis, J. B., and T. HvitvedJacobsen. 1996. "Urban drainage impacts on receiving waters." Journal 

of Hydraulic Research no. 34 (6):771‐783. 

Ellis, J. B., and J. Marsalek. 1996. "Overview of urban drainage: Environmental impacts and 

concerns, means of mitigation and implementation policies." Journal of Hydraulic 

Research no. 34 (6):723‐731. 

EPA. 2012. Green Infrastructure. EPA, April 23, 2013 2013 [cited March 28 2012]. Available from 

http://water.epa.gov/infrastructure/greeninfrastructure/. 

Fabos, J. G. 1995. "Introduction and overview: The greenway movement, uses and potentials of 

greenways." Landscape and Urban Planning no. 33 (1‐3):1‐13. 

Page 168: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

149 

Fainstein, Susan S. 2000. "New directions in planning theory " In Readings in Planning Theory, 

edited by Scott Campbell and Susan S. Fainstein, 173‐195. Malden, MA, USA: Blackwell 

Publishing. 

Ficklin, D. L., Y. Luo, E. Luedeling, and M. Zhang. 2009. "Climate change sensitivity assessment of 

a highly agricultural watershed using SWAT." Journal of Hydrology no. 374 (1‐2):16‐29. 

Fielding, J., and K. Burningham. 2005. "Environmental inequality and flood hazard." Local 

Environment no. 10 (4):379‐395. 

Fohrer, N., S. Haverkamp, K. Eckhardt, and H. Frede. 2000. Policy induced land use changes and 

their effects on land degradation: a modeling approach. Paper read at Congress of ESSC, 

at Valencia. 

Folke, C. 2006. "Resilience: The emergence of a perspective for social‐ecological systems 

analyses." Global Environmental Change‐Human and Policy Dimensions no. 16 (3):253‐

267. 

Folke, Carl, Thomas Hahn, Per Olsson, and Jon Norberg. 2005. "Adaptive governance of social‐

ecological systems." Annual Review of Environment & Resources no. 30 (1):441‐473. 

Fontaine, T. A., J. F. Klassen, T. S. Cruickshank, and R. H. Hotchkiss. 2001. "Hydrological response 

to climate change in the Black Hills of South Dakota, USA." Hydrological Sciences Journal 

no. 46 (1):27‐40. 

Fowler, H.J., C.G.  Kilsby, and J. Stunell. 2007. "Modelling the impacts of potential future climate 

change on water resources in north‐west England." Hydrology and Earth System 

Sciences (11):1115‐26. 

Frederick, K. D., and D. C. Major. 1997. "Climate change and water resources." Climatic Change 

no. 37 (1):7‐23. 

Page 169: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

150 

Gall, Melanie, Kevin A. Borden, Christopher T. Emrich, and Susan L. Cutter. 2011. "The 

unsustainable trend of natural hazard losses in the United States." Sustainability no. 3 

(11):2157‐2181. 

Gates, W. Lawrence. 1985. "The use of general circulation models in the analysis of the 

ecosystem impacts of climatic change." Climatic Change no. 7 (3):267‐284. 

Gill, S. E., J. F. Handley, A. R. Ennos, and S. Pauleit. 2007. "Adapting cities for climate change: The 

role of the green infrastructure." Built environment. no. 33 (1):115‐132. 

Godschalk, D. R. 2004. "Land use planning challenges: Coping with conflicts in visions of 

sustainable development and livable communities." Journal of the American Planning 

Association no. 70 (1):5‐13. 

Godschalk, David R. 1999. Natural hazard mitigation: Recasting disaster policy and planning. 

Washington, D.C.: Island Press. 

———. 2003. "Urban hazard mitigation: Creating resilient cities." Natural Hazards Review no. 4 

(3):136. 

Graham, L.P. , S.  Hagemann, S.  Jaun, and M. Beniston. 2007. "On interpreting hydrological 

change from regional climate models." Climatic Change (81):97‐122. 

Griffiths, G. A., C. P. Pearson, and A. I. McKerchar. 2009. "Climate variability and the design flood 

problem." Journal of Hydrology, New Zealand no. 48 (1):29‐38. 

Gutkind, Erwin Anton. 1952. Our world from the air: an international survey of man and his 

environment. Garden City, New York: Doubleday. 

Harding, D. M., and Dennis J. Parker. 1979. "Natural hazard evaluation, perception and 

adjustment." Geography. 

Hardoy, Jorgelina, and Gustavo Pandiella. 2009. "Urban poverty and vulnerability to climate 

change in Latin America." Environment and Urbanization no. 21 (1):203‐224. 

Page 170: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

151 

He, J., C. Valeo, and F. J. C. Bouchart. 2006. "Enhancing urban infrastructure investment planning 

practices for a changing climate." Water Science and Technology no. 53 (10):13‐20. 

Hewitt, Kenneth, and Ian Burton. 1971. The hazardousness of a place: a regional ecology of 

damaging events. Toronto: University of Toronto Press. 

Holling, C. S. 1973. "Resilience and stability of ecological systems." Annual Review of Ecology & 

Systematics no. 4:1‐23. 

———. 2001. "Understanding the complexity of economic, ecological, and social systems." 

Ecosystems no. 4 (5):390‐405. 

Hollis, G. E. 1975. "Effects of urbanization on floods of different recurrence interval " Water 

Resources Research no. 11 (3):431‐435. 

Hosseinzadeh, S. R. 2005. "The effects of urbanization on the natural drainage patterns and the 

increase of urban floods: Case study Metropolis of Mashhad‐Iran." Sustainable 

Development and Planning II, Vols 1 and 2 no. 84:423‐432. 

Humphries, C. 2012. "The science of cities: Life in the concrete jungle." Nature no. 491 

(7425):514‐5. 

Hung, Hoang Vinh, Rajib Shaw, and Masami  Kobayashi. 2007. "Flood risk management for the 

RUA of Hanoi: Importance of community perception of catastrophic flood risk in disaster 

risk planning." Disaster Prevention & Management no. 16 (2):245‐258. 

Huq, Saleemul, Sari Kovats, Hannah Reid, and David Satterthwaite. 2007. "Editorial: Reducing 

risks to cities from disasters and climate change." Environment and Urbanization no. 19 

(1):3‐15. 

IPCC. 2007. "Mitigation of climate change." In Climate Change 2007. Cambridge; New York: 

Cambridge University Press. 

Page 171: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

152 

———. 2012. Managing the risks of extreme events and disasters to advance climate change 

adaptation. Edited by V. Barros C.B. Field, T.F. Stocker, D. Qin, D.J. Dokken, K.L. Ebi, M.D. 

Mastrandrea, K.J. Mach, G.‐K. Plattner, S.K. Allen, M. Tignor, P.M. Midgley. Cambridge, 

England: Cambridge University Press. 

Jones, Julia A., Irena F. Creed, Kendra L. Hatcher, Robert J. Warren, Mary Beth Adams, Melinda 

H. Benson, Emery Boose, Warren A. Brown, John L. Campbell, Alan Covich, David W. 

Clow, Clifford N. Dahm, Kelly Elder, Chelcy R. Ford, Nancy B. Grimm, Donald L. Henshaw, 

Kelli L. Larson, Evan S. Miles, Kathleen M. Miles, Stephen D. Sebestyen, Adam T. Spargo, 

Asa B. Stone, James M. Vose, and Mark W. Williams. 2012. "Ecosystem Processes and 

Human Influences Regulate Streamflow Response to Climate Change at Long‐Term 

Ecological Research Sites." bisi BioScience no. 62 (4):390‐404. 

Karl, Thomas R., Jerry M. Melillo, and Thomas C. Peterson. 2009. Global climate change impacts 

in the United States, A State of Knowledge Report from the U.S. Global Change Research 

Program. New York, NY: Cambridge University Press. 

Kato, Sadahisa, and Jack Ahern. 2008. "'Learning by doing': adaptive planning as a strategy to 

address uncertainty in planning." Journal of Environmental Planning & Management no. 

51 (4). 

Kirshen, Paul, Kelly Knee, and Matthias Ruth. 2008. "Climate change and coastal flooding in 

Metro Boston: impacts and adaptation strategies." Climatic Change no. 90 (4):453‐473. 

Krumholz, Norman, and John Forester. 1990. Making equity planning work : leadership in the 

public sector, Conflicts in urban and regional development. Philadelphia: Temple 

University Press. 

Page 172: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

153 

Lammert, M., and J. D. Allan. 1999. "Assessing biotic integrity of streams: Effects of scale in 

measuring the influence of land use/cover and habitat structure on fish and 

macroinvertebrates." Environmental management no. 23 (2):257‐270. 

Leary, Neil. 2008. Climate change and vulnerability. London; Sterling, VA: Earthscan. 

Leopold, Aldo. 1949. "The land ethic." In Sustainable Urban Development Reader, edited by 

Stephen M. Wheeler and Timothy Beatley, 23‐32. New York: Routledge. 

Leopold, Luna B. 1968. Hydrology for urban planning: A guidebook on the hydrologic effects of 

urban land use. USGS Circular. 

Lindh, Gunnar. 1972. "Urbanization: A hydrological headache." AMBIO: A Journal of the Human 

Environment no. 1 (6):185‐201. 

Liu, J. G., T. Dietz, S. R. Carpenter, M. Alberti, C. Folke, E. Moran, A. N. Pell, P. Deadman, T. Kratz, 

J. Lubchenco, E. Ostrom, Z. Ouyang, W. Provencher, C. L. Redman, S. H. Schneider, and 

W. W. Taylor. 2007. "Complexity of coupled human and natural systems." Science no. 

317 (5844):1513‐1516. 

Lynch, Amanda H. 2008. "Adaptive governance: how and why does government policy change?" 

Ecos (146):31‐31. 

Lynn, Kathy, Katharine MacKendrick, and Ellen M. Donoghue. 2011. Social vulnerability and 

climate change: synthesis of literature. USDA Forest Service. 

Maantay, Juliana, and Andrew Maroko. 2009. "Mapping urban risk: flood hazards, race, and 

environmental justice in New York." Applied Geography no. 29 (1):111‐124. 

MAPC. 2009. From plan to action: a MetroFuture summary edited by Jessie Grogan: 

Metropolitan Area Planning Council. 

———. 2011. The State of Equity in Metro Boston. edited by Mariana Arcaya and Jessie Grogan: 

Metropolitan Area Planning Council. 

Page 173: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

154 

McHarg, Ian L. 1969. Design with nature. Garden City, N.Y.: Published for the American Museum 

of Natural History [by] the Natural History Press. 

Means, E. G., N. West, and R. Patrick. 2005. "Population growth and climate change will pose 

tough challenges for water utilities." Journal American Water Works Association no. 97 

(8). 

Meppem, Tony, and Roderic Gill. 1998. "Planning for sustainability as a learning concept." 

Ecological Economics no. 26 (2):121‐137. 

Michael, D. N. 1973. On learning to plan– and planning to learn. San Francisco, CA: Jossey‐Bass. 

Miguez, M. G., F. C. B. Mascarenhas, and L. P. C. Magalhaes. 2005. "Multifunctional landscapes 

for urban flood control in developing countries." In Sustainable Development and 

Planning II, Vols 1 and 2, edited by A. Kungolos, C. A. Brebbia and E. Beriatos, 1579‐

1588. 

Muller, Mike. 2007. "Adapting to climate change: water management for urban resilience." 

Environment and Urbanization no. 19 (1):99‐113. 

NECIA. 2006. Climate change in the U.S. Northeast. Northeast Climate Impacts Assessment. 

Neitsch, S. L., J. G. Arnold, J. R. Kiniry, J. R. Williams, and K. W. King. 2009. Soil and Water 

Assessment Tool theoretical documentation. Texas A&M University. 

Nemec, J., and J. Schaake. 1982. "Sensitivity of water resources systems to climate variation." 

Hydrological Sciences (27):327‐343. 

Newman, Peter, and Isabella Jennings. 2008. "Modeling cities as ecosystems." In Cities as 

sustainable ecosystems: Principles and practices, 92‐142. Washington D. C.: Island Press. 

NRC. 2009. Urban stormwater management in the United States. Edited by Pollution National 

Research Council . Committee on Reducing Stormwater Discharge Contributions to 

Water. Washington, D.C.: National Academies Press. 

Page 174: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

155 

———. 2010. Adapting to the impacts of climate change. Edited by National Research Council. 

Washington DC: The National Academies Press. 

NRCS. 1998. "Disturbance affecting stream corridors." In Federal Stream Corridor Restoration 

Handbook. USDA Natural Resources Conservation Service. 

O'Keefe, Phil, Ken Westgate, and Ben Wisner. 1976. "Taking the naturalness out of natural 

disasters." Nature Nature no. 260 (5552):566‐567. 

O'Riordan, Timothy. 1986. "Coping with environmental hazards." In Themes from the work of 

Gilbert F. White, edited by Gilbert F. White, Robert W. Kates and Ian Burton, 272‐309. 

Chicago: University of Chicago Press. 

Oliver‐Smith, Anthony. 1986. The martyred city: death and rebirth in the Andes. Albuquerque: 

University of New Mexico Press. 

Oliver‐Smith, Anthony 2003. "Theorizing vulnerability in a globalized world: a political ecological 

perspective." In Mapping vulnerability : disasters, development, and people, edited by 

Greg Bankoff, Georg Frerks and Thea Hilhorst, 10‐24. London; Sterling, VA: Earthscan 

Publications. 

Oven, K. J., S. E. Curtis, S. Reaney, M. Riva, M. G. Stewart, R. Ohlemuller, C. E. Dunn, S. Nodwell, 

L. Dominelli, R. Holden, and A. Geographic Perspective The Health Impacts of Global 

Climate Change. 2012. "Climate change and health and social care: Defining future 

hazard, vulnerability and risk for infrastructure systems supporting older people's health 

care in England." Applied Geography no. 33:16‐24. 

Paul, Michael J., and Judy L. Meyer. 2001. "Streams in the urban landscape." Annual Review of 

Ecology and Systematics (32):333‐365. 

Page 175: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

156 

PCSD. 1999. Towards a sustainable America: Advancing prosperity, opportunity, and a healthy 

environment for the 21st century. Washington D.C.: The President's Council on 

Sustainable Development. 

Pendall, Rolf, Kathryn A. Foster, and Margaret Cowell. 2010. "Resilience and regions: Building 

understanding of the metaphor." Cambridge Journal of Regions, Economy and Society 

no. 3 (1):71‐84. 

Pickett, S. T. A., and M. L. Cadenasso. 2006. "Advancing urban ecological studies: Frameworks, 

concepts, and results from the Baltimore Ecosystem Study." Austral Ecology no. 31 

(2):114‐125. 

Pickett, S. T. A., M. L. Cadenasso, and J. M. Grove. 2004. "Resilient cities: Meaning, models, and 

metaphor for integrating the ecological, socio‐economic, and planning realms." 

Landscape and Urban Planning no. 69 (4):369‐384. 

Pickett, S. T. A., M. L. Cadenasso, J. M. Grove, C. H. Nilon, R. V. Pouyat, W. C. Zipperer, and R. 

Costanza. 2001. "Urban ecological systems: Linking terrestrial ecological, physical, and 

socioeconomic components of metropolitan areas." Annual Review of Ecology and 

Systematics no. 32:127‐157. 

Platt, Rutherford H. 1999. Disasters and democracy: The politics of extreme natural events. 

Washington, D.C.: Island Press. 

Polsky, Colin, Rob Neff, and Brent Yarnal. 2007. "Building comparable global change vulnerability 

assessments: The vulnerability scoping diagram." Global environmental change : human 

and policy dimensions. no. 17 (3):472. 

Praskievicz, Sarah, and Heejun Chang. 2009. "A review of hydrological modelling of basin‐scale 

climate change and urban development impacts." Progress in Physical Geography no. 33 

(5):650‐671. 

Page 176: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

157 

Price, Katie. 2011. "Effects of watershed topography, soils, land use, and climate on baseflow 

hydrology in humid regions: A review." Progress in Physical Geography no. 35 (4):465‐

492. 

Prudhomme, C., R. L. Wilby, S. Crooks, A. L. Kay, and N. S. Reynard. 2010. "Scenario‐neutral 

approach to climate change impact studies: Application to flood risk." Journal of 

Hydrology no. 390 (3–4):198‐209. 

Reed, Seann, Dennis Johnson, and Timothy Sweeney. 2002. "Application and national 

geographic information system database to support two‐year flood and threshold runoff 

estimates." Journal of Hydrologic Engineering (May/June):209. 

Reid, Colleen, Marie O'Neill, Carina Gronlund, Shannon Brines, Dan Brown, Ana Diez‐Roux, and 

Joel Schwartz. 2009. "Mapping Community Determinants of Heat Vulnerability." 

Environ. Health Perspect. Environmental Health Perspectives (4). 

Richards, C. E., C. L. Munster, D. M. Vietor, J. G. Arnold, and R. White. 2008. "Assessment of a 

turfgrass sod best management practice on water quality in a suburban watershed." 

Journal of Environmental Management Journal of Environmental Management no. 86 

(1):229‐245. 

Rittel, Horst W. J., and Melvin M. Webber. 1973. "Dilemmas in a general theory of planning " 

Policy Sciences no. 4:155‐169. 

Rock, Barrett N., Lynne Carter, Henry Walker, James Bradbury, S. Lawrence Dingman, and C. 

Anthony Federer. 2001. Climate impacts on regional water. In The New England 

Regional Assessment: University of New Hampshire. 

Rogers, George Oliver, and Buren B. DeFee Ii. 2005. "Long‐term impact of development on a 

watershed: early indicators of future problems." LAND Landscape and Urban Planning 

no. 73 (2):215‐233. 

Page 177: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

158 

Rosen, Christine Meisner. 1986. The limits of power: Great fires and the process of city growth in 

America. Cambridge; New York: Cambridge University Press. 

Roth, N. E., J. D. Allan, and D. L. Erickson. 1996. "Landscape influences on stream biotic integrity 

assessed at multiple spatial scales." Landscape Ecology no. 11 (3):141‐156. 

Ryan, Robert L., Paige S. Warren, Craig Nicolson, Chingwen Cheng, Rachel Danford, and Michael 

Strohbach. 2013. Scenario planning for the Boston metropolitan region: Exploring 

environmental and social implications of alternative futures. Paper read at Fábos 

Conference on Landscape and Greenway Planning 2013: Pathways to Sustainability, at 

Amherst, Massachusetts. 

Sala, Maria. 2003. "Floods triggered by natural conditions and by human activities in a 

mediterranean coastal environment." Geografiska Annaler. Series A, Physical Geography 

no. 85 (3/4):301‐312. 

Santhi, C., N. Kannan, J. G. Arnold, and M. Di Luzio. 2008. "Spatial calibration and temporal 

validation of flow for regional scale hydrologic modeling." Journal of the American 

Water Resources Association no. 44 (4):829‐846. 

Satterfield, T. A., C. K. Mertz, and P. Slovic. 2004. "Discrimination, vulnerability, and justice in the 

face of risk." Risk Analysis no. 24 (1):115‐129. 

Savini, John, and J. C. Kammerer. 1961. "A review, classification, and preliminary evaluation of 

the significance of the effects of urbanization on the hydrologic regimen." U. S. 

Geological Survey Water‐Supply Paper:A1‐A42. 

Schneiderbauer, Stefac, and Daniele Ehrlich. 2006. "Social levels and hazard (in)dependence in 

determining vulnerability." In Measuring vulnerability to natural hazards towards 

disaster resilient societies, edited by Jörn Birkmann, 78‐102. New York: United Nations 

University. 

Page 178: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

159 

Schueler, Thomas R. 1994. "The Importance of Imperviousness." Watershed Protection 

Techniques no. 1 (3):100‐111. 

Schueler, Thomas R., Lisa Fraley‐McNeal, and Karen Cappiella. 2009. "Is impervious cover still 

important? Review of recent research." Journal of Hydrologic Engineering no. 14 

(4):309‐315. 

Semadeni‐Davies, A., C. Hernebring, G. Svensson, and L. G. Gustafsson. 2008. "The impacts of 

climate change and urbanisation on drainage in Helsingborg, Sweden: Suburban 

stormwater." Journal of Hydrology no. 350 (1‐2):114‐125. 

Sheridan, S. C., and T. J. Dolney. 2003. "Heat, mortality, and level of urbanization: measuring 

vulnerability across Ohio, USA." Clim. Res. Climate Research no. 24:255‐265. 

Shuster, W. D., J. Bonta, H. Thurston, E. Warnemuende, and D. R. Smith. 2005. "Impacts of 

impervious surface on watershed hydrology: A review." Urban Water Journal no. 2 

(4):263‐275. 

Simmons, D. L., and R. J. Reynolds. 1982. "Effects of urbanization on base‐flow of selected 

South‐shore streams, Long Island, New York." Water Resources Bulletin no. 18 (5):797‐

805. 

Skiles, J. W. , and J. D. Hanson. 1994. "Responses of arid and semiarid watersheds to increasing 

carbon dioxide and climate change as shown by simulation studies." Climatic Change 

(26):377‐397. 

Slovic, P. 1999. "Trust, emotion, sex, politics, and science: Surveying the risk‐assessment 

battlefield (Reprinted from Environment, ethics, and behavior, pg 277‐313, 1997)." Risk 

Analysis no. 19 (4):689‐701. 

Spirn, Anne Whiston. 1984. The granite garden: Urban nature and human design. New York: 

Basic Books. 

Page 179: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

160 

Steiner, Frederick R. 2002. Human ecology: Following nature's lead. Washington D.C.: Island 

Press. 

Steinschneider, S., and C. Brown. in review. "A semiparametric multivariate, multi‐site weather 

generator with low‐frequency variability for use in climate risk assessments." Water 

Resources Research. 

Takle, Eugene S., Manoj Jha, and Christopher J. Anderson. 2005. "Hydrological cycle in the upper 

Mississippi River basin: 20th century simulations by multiple GCMs." Geophysical 

research letters. no. 32 (18):n.p. 

TAMU. 2011. SWAT: Soil & Water Assessment Tool 2011 [cited December 11 2011]. Available 

from http://swatmodel.tamu.edu/. 

Tate, E., S. L. Cutter, and M. Berry. 2010. "Integrated multihazard mapping." Environ. Plann. B 

Plann. Des. Environment and Planning B: Planning and Design no. 37 (4):646‐663. 

Thomas, Kevin, and Steve Littlewood. 2010. "From green belts to green infrastructure? The 

evolution of a new concept in the emerging soft governance of spatial strategies." 

Planning Practice & Research no. 25 (2):203‐222. 

Thornthwaite, C. W., and John Russell Mather. 1955. The water balance. Centerton, N.J. 

Tjallingii, Sybrand. 2012. "Water flows and urban planning." In Sustainable urban environments : 

an ecosystem approach, edited by Ellen van Bueren, Laure Itard, Hein van Bohemen and 

Henk Visscher. Dordrecht [Netherlands]; New York: Springer. 

Turner, B. L., R.E. Kasperson, P.A. Matson, J.J. McCarthy, R.W. Corell, L. Christensen, N. Eckley, 

J.X. Kasperson, A. Luers, M.L. Martello, C. Polsky, A. Pulsipher, and A. Schiller. 2003. "A 

framework for vulnerability analysis in sustainability science." Proceedings of the 

National Academy of Sciences (14):8074‐8079. 

Page 180: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

161 

Urbonas, B. R., and J. T. Doerfer. 2005. "Master planning for stream protection in urban 

watersheds." Water Science and Technology no. 51 (2):239‐247. 

Vale, Lawrence J., and Thomas J. Campanella. 2005. The resilient city: How modern cities recover 

from disaster. New York: Oxford University Press. 

Walker, Brian H., and David Salt. 2006. Resilience thinking: Sustaining ecosystems and people in 

a changing world Washington, D.C.: Island Press. 

Walker, G., and K. Burningham. 2011. "Flood risk, vulnerability and environmental justice: 

evidence and evaluation of inequality in a UK context." Critical Social Policy no. 31 

(2):216‐240. 

White, Gilbert F. 1945. Human adjustment to floods: A geographical approach to the flood 

problem in the United States, University of Chicago, Chicago, Illinois. 

White, Gilbert F., and J. Eugene Haas. 1975. Assessment of research on natural hazards. 

Cambridge, Mass.: MIT Press. 

Wilkinson, Cathy. 2012. "Social‐ecological resilience: Insights and issues for planning theory." 

Planning Theory no. 11 (2):148‐169. 

Wolsink, Maarten. 2006. "River basin approach and integrated water management: Governance 

pitfalls for the Dutch Space‐Water‐Adjustment Management Principle." Geoforum no. 

37 (4):473‐487. 

Woltjer, Johan Al Niels. 2007. "Integrating water management and spatial planning." Journal of 

the American Planning Association no. 73 (2):211‐222. 

Wood, Andrew W., Dennis P. Lettenmaier, and Richard N. Palmer. 1997. "Assessing Climate 

Change Implications for Water Resources Planning." Climatic Change no. 37 (1):203‐228. 

Page 181: Social vulnerability, green infrastructure, urbanization and climate

 

162 

Wu, Kangsheng, and Carol A. Johnston. 2007. "Hydrologic response to climatic variability in a 

Great Lakes watershed: A case study with the SWAT model." Journal of Hydrology no. 

337 (1/2). 

Yeh, C. H., and J. W. Labadie. 1997. "Multiobjective watershed‐level, planning of storm water 

detention systems." Journal of Water Resources Planning and Management‐Asce no. 

123 (6):336‐343. 

Yohe, G., and R. S. J. Tol. 2002. "Indicators for social and economic coping capacity: Moving 

toward a working definition of adaptive capacity." Global Environmental Change: 

Human and Policy Dimensions no. 12 (1):25‐40. 

Zhang, Yang. 2010. "Residential housing choice in a multihazard environment: Implications for 

natural hazards mitigation and community environmental justice." Journal of Planning 

Education and Research no. 30 (2):117‐131.