Multi-hazard assessment and risk management in volcanic islands

Abstract

[eng] Our planet is impacted by diverse natural and human-induced events, including weather-related events (floods, droughts, forest fires, etc.) and geological events (landslides, earthquakes, volcanic eruptions, etc.). These events disrupt the geosphere and the biosphere. Understanding these hazards is crucial to anticipate and provide warnings to exposed populations. Interconnections between phenomena are being discovered, such as volcanic eruptions impacting the ocean, atmosphere, and climate. These events can lead to economic losses, fatalities, infrastructure destruction, and mental health burdens. The frequency and magnitude of these events, especially weather-related hazards, are increasing due to climate change. Preparation, information, and decision support systems are needed to mitigate their impact. Volcanic islands are highly vulnerable due to their isolation, fragile economies, and multi- hazard nature, being often the source of complex successions of disastrous events. Moreover, climate change exacerbates vulnerability by increasing the magnitude and frequency of these events, as well as contributing to rising sea levels. Anticipating and preparing for such events are crucial to ensuring safe and sustainable lifestyles. The island of Tenerife in the Canary Archipelago is an excellent example of where both cascading non-extreme and extreme hazards have occurred along its history and could occur again in the future. Both phonolitic and basaltic volcanic eruptions on Tenerife have occurred frequently during the Holocene. These eruptions cause ash falls, lava flows, and explosive projections of pyroclasts. They also generate seismic activity, risking damage to buildings and infrastructure, which adds to the tectonic seismicity experienced by the region, with a lower magnitude and intensity. Therefore, the probability of a volcanic eruption on the island in the next few years is not negligible. This is higher for basaltic eruptions along the rift zones, as they have been all the historical eruptions, which today could have a significant affectation on the surrounding areas, as most of them are now highly populated. However, the probability of an eruption from Teide is also high, assuming the level of current activity and the fact that its last eruption occurred 1,000 years ago. In this case, volcanic and associated hazards would be of much higher intensity and could affect mostly the northern side of the island, in particular the Icod and La Orotava valleys. In addition, annual floods and torrential episodes, triggered by storms, produce severe human and economic losses and affect cities like Santa Cruz de Tenerife and San Cristóbal de La Laguna. Sediment transport, debris flows, and rock falls occur during these events. The island also experiences phenomena such as Sahara haze, forest fires, and the possibility of tsunamis in the surrounding Atlantic Ocean. On the other hand, a cascading sequence involving a caldera-forming eruption, high-magnitude seismicity, mega-landslides and

tsunamis occurred at least twice during the construction of this island and could occur again in the future. Its population growth and consequent urban expansion, especially focused on the construction of tourist infrastructure on the coast, lead to the population encroaching on areas with higher risk of these events. However, scientific knowledge and protocols mainly focus on individual hazards and risks. Predicting the outcomes of multi-hazard scenarios remains challenging. The multi-hazard concept emerged in the 1990s to address this issue. However, conflicting perspectives hinder its implementation in disaster reduction policies. This contribution presents a methodological development based on scientific knowledge for decision-making in vulnerable regions facing natural hazards, using Tenerife as a case study. To accomplish this, we first explored and clarified the issues surrounding the implementation of a multi-hazard perspective in disaster risk reduction strategies to understand the main challenges of this approach. Following this, a comprehensive long-term multi-hazard assessment was conducted for the island of Tenerife, covering both non-extreme and extreme events. For the former, a Bayesian-inferred Event Tree framework was applied to calculate the probabilities of natural hazards in Tenerife based on its historical event records from 1496 to 2020. On the other hand, to address the existing gap in risk management protocols regarding cascade effects for extreme events, we simulated the extent and potential impact of a multiple, extreme geohazard episode similar to the last recorded one that took place on the island of Tenerife around 180 ka. According to these analyses, the island is facing a high probability of future floods, which have caused the most significant human and economic losses to date in the island. Furthermore, a potential caldera-forming eruption in Teide could generate Pyroclastic Density Currents that would cover almost the entire island, along with high-magnitude seismic activity that could trigger large-scale landslides in the north resulting in tsunami waves reaching up to 200 meters in height. Land management based on long-term assessments of multiple hazards, as carried out here, is crucial to strengthen Tenerife's current risk mitigation plans. This will enable the sustainable development of the island through the sustainable use of currently exploited energy and material resources, as well as through a two-way relationship between sustainable tourism exploitation and the education of its population, both focused on the conservation of its geological heritage. All of this will contribute to increasing society's resilience to multiple hazards in the context of climate change, without having to forego the opportunities offered by volcanic regions like Tenerife. For this reason, this doctoral thesis emphasizes the importance of establishing a cross- cutting, climate change-oriented, socially inclusive, and scientifically based multi-hazard risk management system. This system should be aligned with the critical needs and solutions of society.

[spa] Nuestro planeta se ve afectado por diversos eventos naturales e inducidos por el ser humano, como eventos relacionados con el clima (inundaciones, sequías, incendios forestales, etc.) y eventos geológicos (deslizamientos de tierra, terremotos, erupciones volcánicas, etc.). Estos eventos perturban la geosfera y la biosfera. Comprender estos peligros es crucial para anticiparse y proporcionar advertencias a las poblaciones expuestas. Se están descubriendo interconexiones entre fenómenos, como las erupciones volcánicas que impactan en el océano, la atmósfera y el clima. Estos eventos pueden provocar pérdidas económicas, víctimas mortales, destrucción de infraestructuras y cargas para la salud mental. La frecuencia y magnitud de estos eventos, especialmente los peligros relacionados con el clima, están aumentando debido al cambio climático. Se necesitan sistemas de preparación, información y apoyo a la toma de decisiones para mitigar su impacto. Las islas volcánicas son altamente vulnerables debido a su aislamiento, economías frágiles y naturaleza multi-peligro, siendo a menudo el origen de sucesiones complejas de eventos desastrosos. Además, el cambio climático exacerba la vulnerabilidad al aumentar la magnitud y frecuencia de estos eventos, así como contribuir al aumento del nivel del mar. Anticipar y prepararse para tales eventos es crucial para garantizar estilos de vida seguros y sostenibles. La isla de Tenerife en el archipiélago de Canarias es un excelente ejemplo de donde han ocurrido tanto peligros no-extremos como extremos a lo largo de su historia y podrían volver a ocurrir en el futuro. Tanto las erupciones volcánicas fonolíticas como basálticas en Tenerife han ocurrido con frecuencia durante el Holoceno. Estas erupciones, que duran no más de tres meses, causan caídas de cenizas, flujos de lava y proyecciones explosivas de piroclastos. Generan actividad sísmica, con el riesgo de dañar edificios e infraestructuras, que se suma a la sismicidad tectónica experimentada por la región, de menor magnitud e intensidad. Por lo tanto, la probabilidad de una erupción volcánica en la isla en los próximos años no es despreciable. Esto es especialmente cierto para las erupciones basálticas a lo largo de las zonas de rift, ya que todas las erupciones históricas han sido de este tipo, lo que hoy podría afectar significativamente a las áreas circundantes, ya que la mayoría de ellas están ahora altamente pobladas. Sin embargo, la probabilidad de una erupción en el Teide también es alta, dado el nivel de actividad actual y el hecho de que su última erupción ocurrió hace 1,000 años. En este caso, los peligros volcánicos y asociados serían de mucha mayor intensidad y podrían afectar principalmente el norte de la isla, en particular los valles de Icod y La Orotava. Sin embargo, las inundaciones anuales y los episodios torrenciales, desencadenados por tormentas, causan graves pérdidas humanas y económicas y afectan a ciudades como Santa Cruz de Tenerife y San Cristóbal de La Laguna.

Durante estos eventos ocurre el transporte de sedimentos, flujos de escombros y caídas de rocas. La isla también experimenta fenómenos como la calima del Sahara, incendios forestales y la posibilidad de tsunamis en el océano Atlántico circundante. Por otro lado, se han producido al menos dos veces en la construcción de esta isla secuencias en cascada que involucran una erupción de formación de caldera, sismicidad de alta magnitud, mega-deslizamientos y tsunamis, las cuales podrían volver a ocurrir en un futuro. El crecimiento demográfico y la consecuente expansión urbana, especialmente centrada en la construcción de infraestructura turística en la costa, hacen que la población se adentre en zonas con mayor riesgo de estos eventos. Sin embargo, el conocimiento científico y los protocolos se centran principalmente en peligros y riesgos individuales. Predecir los resultados de escenarios de múltiples peligros sigue siendo un desafío. El concepto de multi-peligro surgió en la década de 1990 para abordar este problema. Sin embargo, las perspectivas contradictorias dificultan su implementación en las políticas de reducción de desastres. Esta contribución presenta un desarrollo metodológico basado en el conocimiento científico para la toma de decisiones en regiones vulnerables frente a peligros naturales, utilizando Tenerife como caso de estudio. Para lograr esto, primero exploramos y aclaramos los problemas relacionados con la implementación de una perspectiva multi-peligro en las estrategias de reducción de riesgos de desastres para comprender los principales desafíos de este enfoque. A continuación, se realizó una evaluación integral de múltiples peligros a largo plazo para la isla de Tenerife, que abarcó tanto eventos no-extremos como extremos. Para los primeros, se aplicó un marco de Árbol de Eventos con inferencia Bayesiana para calcular las probabilidades de peligros naturales en Tenerife basándose en su registro histórico de eventos desde 1496 hasta 2020. Por otro lado, para abordar el vacío existente en los protocolos de gestión de riesgos con respecto a los efectos en cascada de eventos extremos, simulamos la extensión y el impacto potencial de un episodio múltiple y extremo de geopeligros similar a la última erupción de formación de caldera que tuvo lugar en la isla de Tenerife alrededor de 180 mil años atrás. Según estos análisis, la isla se enfrenta a una alta probabilidad de futuras inundaciones, que hasta la fecha han causado las mayores pérdidas humanas y económicas en la isla. Además, una erupción de formación de caldera en el Teide podría generar Corrientes de Densidad Piroclástica que cubrirían casi toda la isla, junto con una actividad sísmica de alta magnitud que podría desencadenar deslizamientos a gran escala en el norte resultando en olas de tsunami de hasta 200 metros de altura. La gestión del territorio basada en evaluaciones previas a largo plazo de múltiples peligros como la llevada a cabo aquí es crucial para fortalecer los planes actuales de mitigación de riesgos de Tenerife. Esto permitirá el desarrollo sostenible de la isla mediante, por un lado, el uso sostenible de los recursos energéticos y materiales actualmente explotados, y por otro una

relación bidireccional entre la explotación del turismo sostenible y la educación de su población, ambas orientadas hacia la conservación de su patrimonio geológico. Todo ello contribuirá al incremento de la resiliencia de la sociedad frente a múltiples peligros en el contexto del cambio climático, sin tener que renunciar a las posibilidades que ofrecen regiones volcánicas como Tenerife. Es por ese motivo que esta tesis doctoral destaca la importancia de establecer un sistema de gestión de riesgos multi-peligro, transversal, orientado al cambio climático, inclusivo socialmente y basado en el conocimiento científico. Este sistema debe estar alineado con las necesidades críticas y las soluciones de la sociedad.