Methodology for the integration of citizen participation in early warning systems for flash floods in mountainous rivers. Case study of the Manizales Creek

Abstract

Early warning systems (EWS), particularly for flood events, are crucial for disaster risk reduction. Involving citizen participation in these systems is not only convenient but also challenging. In particular, it requires understanding stakeholders' local needs, identifying existing community strategies, taking strategic actions, and implementing the methodologies designed to support this goal. Citizen participation in EWS fosters a more inclusive, people-centered approach to disaster risk management, particularly in regions where communities must implement local strategies due to administrative delays and budget constraints during flash-flood events. Institutional early warning systems (IEWS) often fail to integrate the local knowledge and capabilities of vulnerable communities, resulting in gaps in flash flood warning monitoring, inadequate warning information, and insufficient responses. Despite significant emphasis on shifting towards people-centered EWS, a lack of methodological frameworks and case studies in mountainous regions persists, especially regarding the integration of community-based early warning systems (CBEWS) and IEWS across the four pillars of an EWS and other cross-cutting factors. So far, only a few case studies have analyzed this integration and the value of citizen science in this field, particularly in mountainous regions. To work towards contributing to narrowing this gap, the overall objective of this work is to develop a methodology for integrating citizen participation into EWS for flash floods in mountainous regions, incorporating concepts from citizen science. The hypotheses guiding this work are a) CBEWS and IEWS for flash floods are not mutually exclusive; on the contrary, they can work together as one, embracing the notion of "people-centered EWS. b) Participatory approaches can increase local awareness, foster community resilience and an understanding of flash flood risks, while also empowering citizens in the design, implementation, and continuous improvement of EWS. In this thesis, a cumulative approach integrating peer-reviewed scientific articles and a book chapter is structured as follows: Chapter 1, the introduction, presents the research background on integrating citizen participation in EWS for flash floods, identifies the research gaps found in this study, describes the scope of this study, and concludes with an outline of this thesis. Chapter 2, the methodology section, outlines the research approach and the case study context. Chapter 3, the results section, is the main body of this thesis and comprises peer-reviewed journal articles, one article in preparation, and one book chapter. Article 1 provides a literature review on assessing flood EWS for flash floods in the context of flash-flood prediction systems using rainfall thresholds, indicators, and predictive variables in mountainous regions. Article 2 provides a framework that separately identifies the strengths, opportunities, weaknesses, and threats of each early warning system, and then identifies aspects for their integration and improvement, following the four pillars of a modern EWS, in the context of the Manizales Creek Basin. The first and second papers clarify the importance of incorporating citizen science approaches into two key pillars of EWS (risk knowledge and monitoring and forecasting) in the Manizales Creek Basin and provide the conceptual foundation for all subsequent studies. The book chapter documents a community environmental monitoring workshop held in La Guajira (Colombia) with the women defenders of the Wayuu indigenous tribe's territory. Article 3 presents a citizen science case study, outlining a methodology for integrating CBEWS and IEWS, with flood risk knowledge and monitoring as key pillars for improving CBEWS, working towards a people-centered EWS in the targeted area. Article 4 outlines the design approach for implementing low-cost sensors for community environmental monitoring in CBEWS, with a focus on floods in mountainous regions. Chapter 4 is a discussion section. Each subsection provides answers to one of the research questions, based on the quantitative and qualitative findings from the publications and the book chapter. Through the research findings, the hypothesis cannot be rejected. Chapter 5 presents conclusions, highlighting the key messages derived from the knowledge developed in this thesis. Furthermore, this section lists the limitations and aspects requiring further study. The main conclusions are summarized as follows: Integrating citizen participation into EWS for flash floods in mountainous regions enhances data collection and community resilience. Citizen observatories and crowdsourced data can significantly improve the efficacy of EWS, providing valuable real-time information through hybrid monitoring networks, particularly in data-scarce regions. By integrating citizen-generated data, EWS can address gaps in rainfall and flood records, thereby enhancing the accuracy of rainfall thresholds and reducing uncertainties in flash-flood predictions. Moreover, engaging local communities in the design and operation of EWS fosters awareness and preparedness for flash floods and other natural hazards. Citizen participation ensures that the system is tailored to local conditions, such as geography, climate, and social vulnerabilities (Article 1). Integrating CBEWS and IEWS ensures a more robust and inclusive system. Citizen participation bridges gaps in institutional systems by providing localized observations and enhancing communication channels. Joint training, participatory monitoring, and co-created protocols strengthen preparedness and response capabilities, making EWS more adaptable to the unique challenges of mountainous regions prone to flash floods. Participatory approaches, such as workshops and interviews, empower citizens to contribute to flood risk mapping, monitoring, and response planning, fostering resilience and trust between communities and institutions (Article 2). Community-based monitoring emphasizes the inclusion of ancestral and local knowledge alongside academic methodologies. For flash flood EWS in mountainous areas, this integration can improve the accuracy and relevance of warning systems by incorporating community insights into river patterns, historical flood events, and terrain-specific vulnerabilities. Such collaboration ensures that EWS are tailored to the region's unique needs and conditions, promoting effective disaster preparedness and response. Citizen participation in environmental monitoring enhances local communities' analytical capacities, enabling them to proactively identify and address environmental risks (Book chapter). Integrating CBEWS with IEWS is crucial for effective flood risk management. Citizen-generated data, combined with institutional monitoring networks, captures spatial rainfall variability and provides real-time observations and measurements of extreme events. By involving local communities in monitoring rainfall and water levels, using low-cost sensors, and conducting capacity-building workshops, the integration of local knowledge and scientific data improves the accuracy of warnings. This participatory approach fosters trust, strengthens local capabilities, and ensures that EWS are people-centered and addresses the specific vulnerabilities of affected populations (Article 3). Community collaboration in the design, implementation, and maintenance of EWS fosters long-term sustainability. Training workshops and hands-on involvement empower residents to manage and interpret data from low-cost sensors, ensuring the system remains functional and reliable. This model of combining social innovation with technical solutions can be scaled to other regions. By integrating local knowledge and active community participation, such as monitoring water levels and setting alert thresholds, communities gain ownership of the system and strengthen their resilience. This participatory approach ensures timely and accurate warnings, enabling vulnerable populations to take preventive action during flash-flood events (Article 4). Note: In this thesis, I used Generative AI tools (such as Perplexity AI, Adobe Acrobat AI, Quillbot, and Grammarly AI) to aid in idea generation and exploration, summarize key ideas from articles, classify literature, and enhance language skills (Texto tomado de la fuente).

Los sistemas de alerta temprana (SAT), especialmente los destinados a las inundaciones, son fundamentales para la reducción del riesgo de desastres. Involucrar a los ciudadanos en estos sistemas no solo resulta conveniente, sino que también supone un reto. En concreto, requiere comprender las necesidades locales de las partes interesadas, identificar las estrategias comunitarias existentes, adoptar medidas estratégicas y aplicar las metodologías diseñadas para apoyar este objetivo. La participación ciudadana en los SAT fomenta un enfoque más inclusivo y centrado en las personas para la gestión del riesgo de desastres, especialmente en regiones donde las comunidades deben implementar estrategias locales debido a retrasos administrativos y restricciones presupuestarias durante los eventos de crecidas súbitas. Los sistemas institucionales de alerta temprana (SATI) a menudo no logran integrar los conocimientos y capacidades locales de las comunidades vulnerables, lo que da lugar a lagunas en el seguimiento de las alertas de crecidas súbitas, a una información de alerta inadecuada y a respuestas insuficientes. A pesar del importante énfasis en la transición hacia SAT centrados en las personas, persiste la falta de marcos metodológicos y estudios de casos en las regiones montañosas, especialmente en lo que respecta a la integración de los sistemas comunitarios de alerta temprana (SATC) y los SATI en los cuatro pilares de un SAT y otros factores transversales. Hasta ahora, solo unos pocos estudios de caso han analizado esta integración y el valor de la ciencia ciudadana en este ámbito, especialmente en las regiones montañosas. Con el fin de contribuir a reducir esta brecha, el objetivo general de este trabajo es desarrollar una metodología para integrar la participación ciudadana en los SAT ante crecidas súbitas en regiones montañosas, incorporando conceptos de la ciencia ciudadana. Las hipótesis que guían este trabajo son: a) los SATC y los SATI ante crecidas súbitas no son mutuamente excluyentes; por el contrario, pueden funcionar juntos como un SAT integral, adoptando la noción de «sistemas de alerta temprana centrados en las personas»; b) los enfoques participativos pueden aumentar la concienciación local, fomentar la resiliencia de la comunidad y la comprensión de los riesgos de crecidas súbitas, al tiempo que empoderan a los ciudadanos en el diseño, la implementación y la mejora continua de los SAT. En esta tesis, se estructura un enfoque acumulativo que integra artículos científicos revisados por pares y un capítulo de libro de la siguiente manera: El capítulo 1, la introducción, presenta los antecedentes de la investigación sobre la integración de la participación ciudadana en los SAT ante crecidas súbitas, identifica las lagunas de investigación detectadas en este estudio, describe el alcance del mismo y concluye con un resumen de esta tesis. El capítulo 2, la sección de metodología describe el enfoque de investigación y el contexto del estudio de caso. El capítulo 3, dedicado a los resultados, constituye el cuerpo principal de esta tesis e incluye artículos de revistas científicas revisados por pares, un artículo de un congreso y un capítulo de libro. El artículo 1 ofrece una revisión bibliográfica sobre la evaluación de los SAT ante crecidas súbitas en el contexto de los sistemas de predicción que utilizan umbrales de precipitación, indicadores y variables predictivas en regiones montañosas. El artículo 2 proporciona un marco que identifica por separado las fortalezas, oportunidades, debilidades y amenazas de cada sistema de alerta temprana, y a continuación identifica aspectos para su integración y mejora, siguiendo los cuatro pilares de un SAT moderno, en el contexto de la cuenca de la quebrada Manizales. Los artículos primero y segundo aclaran la importancia de incorporar enfoques de ciencia ciudadana en dos pilares clave de los sistemas de alerta temprana (conocimiento del riesgo y monitoreo y pronóstico) en la cuenca de la quebrada Manizales, y proporcionan la base conceptual para todos los estudios posteriores. El capítulo del libro documenta un taller comunitario de monitoreo ambiental celebrado en La Guajira (Colombia) con las mujeres defensoras del territorio de la tribu indígena Wayuu. El artículo 3 presenta un estudio de caso de ciencia ciudadana en el que se describe una metodología para integrar los SATC y los SATI, considerando el conocimiento y el monitoreo del riesgo de inundaciones como pilares fundamentales para mejorar los SATC, con el objetivo de lograr un sistema de alerta temprana centrado en las personas en la zona de interés. El artículo 4 describe el enfoque de diseño para la implementación de sensores de bajo costo destinados al monitoreo comunitario en los SATC, centrándose en las inundaciones en regiones montañosas. El capítulo 4 es una sección de discusión. Cada subsección ofrece respuestas a una de las preguntas de investigación, basadas en los resultados cuantitativos y cualitativos de las publicaciones y del capítulo del libro. A la luz de los resultados de la investigación, las hipótesis no pueden rechazarse. El capítulo 5 presenta las conclusiones, destacando los mensajes clave derivados de los conocimientos desarrollados en esta tesis. Además, esta sección enumera las limitaciones y los aspectos que requieren un estudio más detallado. Las principales conclusiones se resumen de la siguiente manera: la integración de la participación ciudadana en los SAT ante crecidas súbitas en regiones montañosas mejora la recopilación de datos y la resiliencia de las comunidades. Los observatorios ciudadanos y los datos de colaboración colectiva pueden mejorar significativamente la eficacia de los SAT, proporcionando información valiosa en tiempo real a través de redes de vigilancia híbridas, especialmente en regiones con escasez de datos. Al integrar los datos generados por los ciudadanos, los SAT pueden subsanar las lagunas en los registros de precipitaciones e inundaciones, mejorando así la precisión de los umbrales de precipitación y reduciendo las incertidumbres en las predicciones de crecidas repentinas. Además, la participación de las comunidades locales en el diseño y el funcionamiento de los sistemas de alerta temprana fomenta la concienciación y la preparación ante las crecidas repentinas y otros riesgos. La participación ciudadana garantiza que el sistema se adapte a las condiciones locales, como la geografía, el clima y las vulnerabilidades sociales (artículo 1). La integración de los SATC y los SATI garantiza un sistema más sólido e inclusivo. La participación ciudadana colma las lagunas de los sistemas institucionales al aportar observaciones localizadas y mejorar los canales de comunicación. La formación conjunta, el seguimiento participativo y los protocolos elaborados de forma conjunta refuerzan las capacidades de preparación y respuesta, lo que hace que los sistemas de alerta temprana se adapten mejor a los retos específicos de las regiones montañosas propensas a las crecidas repentinas. Los enfoques participativos, como los talleres y las entrevistas, empoderan a los ciudadanos para que contribuyan a la cartografía del riesgo de inundaciones, al seguimiento y a la planificación de la respuesta, fomentando la resiliencia y la confianza entre las comunidades y las instituciones (artículo 2). El monitoreo participativo hace hincapié en la inclusión de los conocimientos ancestrales y locales junto con las metodologías académicas. En el caso de los SAT ante crecidas súbitas en zonas montañosas, esta integración puede mejorar la precisión y la pertinencia de los sistemas de alerta al incorporar los conocimientos de la comunidad sobre los patrones fluviales, los eventos históricos de inundaciones y las vulnerabilidades específicas del terreno. La participación ciudadana en el monitoreo ambiental mejora las capacidades analíticas de las comunidades locales, permitiéndoles identificar y abordar de manera proactiva los riesgos ambientales (capítulo del libro). La integración de los sistemas de alerta temprana es fundamental para una gestión eficaz del riesgo de inundaciones. Los datos generados por los ciudadanos, combinados con las redes de vigilancia institucionales, permiten captar la variabilidad espacial de las precipitaciones y proporcionan observaciones y mediciones en tiempo real de los fenómenos extremos. Al involucrar a las comunidades locales en el monitoreo de las precipitaciones y los niveles de agua, mediante el uso de sensores de bajo costo y la organización de talleres de capacitación, la integración de los conocimientos locales y los datos científicos mejora la precisión de las alertas. Este enfoque participativo fomenta la confianza, refuerza las capacidades locales y garantiza que los SAT estén centrados en las personas y aborden las vulnerabilidades específicas de las poblaciones afectadas (artículo 3). La colaboración de la comunidad en el diseño, la implementación y el mantenimiento de los SAT fomenta la sostenibilidad a largo plazo. Los talleres de formación y la participación activa empoderan a los residentes para gestionar e interpretar los datos de los sensores de bajo costo, lo que garantiza que el sistema siga siendo funcional y fiable. Este modelo, que combina la innovación social con soluciones técnicas, puede ampliarse a otras regiones. Al integrar los conocimientos locales y la participación activa de la comunidad, como el monitoreo de los niveles de agua y el establecimiento de umbrales de alerta, las comunidades se apropian del sistema. Este enfoque participativo garantiza alertas oportunas y precisas, lo que permite a las poblaciones vulnerables tomar medidas preventivas durante las crecidas repentinas (artículo 4). Nota: En esta tesis, he utilizado herramientas de IA generativa (como Perplexity AI, Adobe Acrobat AI, Quillbot y Grammarly AI) para facilitar la generación y exploración de ideas, resumir las ideas clave de los artículos, clasificar la bibliografía y mejorar mis habilidades lingüísticas.