Development of an integrated Multi-Objective modelling tool to assess water and nutrient pressure of agriculture

Pastori, Marco (2017). Development of an integrated Multi-Objective modelling tool to assess water and nutrient pressure of agriculture. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.52886.

Descripción

Título: Development of an integrated Multi-Objective modelling tool to assess water and nutrient pressure of agriculture
Autor/es:
  • Pastori, Marco
Director/es:
  • Udias Moinelo, Angel
  • Elorza Tenreiro, Francisco Javier
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM)
Departamento: Matemática Aplicada y Métodos Informáticos [hasta 2014]
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El crecimiento actual de la población mundial combinado con un consumo creciente de recursos naturales aumenta las presiones sobre los sectores de la energía, el agua y el suministro de alimentos. El crecimiento esperado de las poblaciones también estará asociado con cambios en los hábitos de consumo que influirían profundamente en la demanda de alimentos en todo el mundo. Una mayor competencia por la tierra y los recursos hídricos caracterizará el mercado futuro y la escasez de agua exacerbará aun mas la cuestión debido a la estimación del pronóstico del cambio climático. En este contexto, el concepto de Nexus Energía-Agua-Alimentación es fundamental para la agenda global de investigación, la referencia para el desarrollo sostenible y para la identificación de nuevas y futuras estrategias de gestión y desarrollo. Los enfoques sistemáticos y objetivos son esenciales para comprender y analizar las demandas de diferentes sectores, no sólo a diferentes escalas espaciales y temporales, sino también a través de sectores diversificados y bajo condiciones cambiantes locales. El reto consiste en gestionar eficazmente y aprovechar al máximo los recursos limitados para satisfacer las necesidades socioeconómicas futuras. Se necesitan urgentemente herramientas que facilitan estos estudio con el fin de desarrollar o aumentar la capacidad de producir análisis y evaluaciones que apoyen la implementación de medidas de política. Estas herramientas y enfoques de análisis deben ser capaces de identificar las compensaciones entre diversos sectores en conflicto, generando estrategias y políticas rentables en relación a su coste y efectividad. Es en el contexto del Nexus, donde en esta tesis contribuye mediante la aplicación de técnicas de optimización multi-objetivos integradas con modelos biofísicos. Para ello se aborda la necesidad de una gestión integrada de los recursos hídricos en los países europeos y africanos mediante la exploración del comportamiento de estrategias alternativas de gestión de nutrientes y agua. También, se han desarrollado plataformas integradas de decisión para mejorar los compromisos humanos y ambientales en la gestión agrícola. Los principales objetivos de las buenas prácticas agrícolas (producción de cultivos, lixiviación y escorrentía de nutrientes, estrategias de riego, etc.) se analizan y cuantifican a diferentes escalas y en diferentes contextos y situaciones. Se desarrolló una herramienta GIS para identificar espacialmente y asignar prácticas alternativas de gestión agrícola e hídrico, mediante la integración de un algoritmo de optimización y modelos biofísicos (EPIC) e hidrológicos (SWAT). Se han empleado varios casos de estudio para validar las herramientas y analizar el problema, incluyendo: 1) una aplicación centrada en el problema de la producción de alimentos agrícolas a escala continental en África. Basado en un modelo biofísico integrado y un algoritmo evolutivo multi-objetivo, se identifican los patrones eficientes de gestión del riego y la fertilización en varios países africanos 2) una aplicación en la cuenca del Danubio integrando el modelo hidrológico SWAT y un modelo económico con un algoritmo evolutivo multi-objetiva para identificar las mejores prácticas de gestión en relación a la producción de cultivos y la calidad del agua, así como explorar las sinergias con las estrategias de desarrollo de planes de tratamiento de aguas residuales y 3) una aplicación centrada en la escasez de agua en la isla de Creta para la identificación óptima de estrategias de gestión agrícola. La tesis muestra cómo la integración del modelo biofísico e hidrológico con herramientas de optimización es una metodología eficiente que proporciona respuestas y soluciones alternativas que sirven de ayuda a los responsables de la formulación de políticas con las que mejorar la productividad sin penalizar en la calidad ambiental ni los índices de explotación de las aguas. El enfoque sistemático propuesto utilizado en esta tesis resulta ser una poderosa herramienta tanto para los científicos, los responsables de la formulación de políticas como para las partes interesadas, y podría ampliarse a otros modelos y contextos. ----------ABSTRACT---------- The current growth in global population combined with an increasing consumption of natural resources puts increasing pressures on the energy, water and food sectors. Expected populations growth will be also associated with changing consumption habits that would deeply influence food demand all over the globe. More competition for land and water resources will characterize future market and water scarcity will exacerbate the issue under climate change forecast estimation. In this context the concept of Energy-Water-Food Nexus has become the headline for the global research agenda, the reference for sustainable development, and for the identification of new and future management and development strategies. Systematic and objective approaches are essential for understanding and analyse different sectors demands not only at different spatial and temporal scales but also across diversified sectors and under changing local boundary conditions. The challenge is to effectively manage and make optimal use of limited resources to meet future socioeconomic needs. Tools facilitating this analysis are urgently needed in order to develop or to increase the ability to produce analysis and assessments supporting policy measures implementation. These tools and analysis approaches must be capable of identifying the tradeoffs among various and even conflicting sectors, generating cost-effective planning, strategies and policies. It is within this domain that I wanted to analyse the contribution of multi objective analysis routines combined with biophysical mathematical models in order to provide answers to the various and diversified questions arising from the Nexus approach. This thesis addresses the need for integrated water resources management in European and African countries by exploring the performance of alternative nutrient and water management strategies and developing integrative decision frameworks to improve human and environmental agricultural management tradeoffs. Key agricultural management objectives (crop production, nutrient leaching and runoff, irrigation strategies, etc.) are analyzed and quantified at different scales and under different context and situations. A framework GIS system was developed in order to spatially identify and allocate alternative agricultural and water management practices, by means of the integration of an optimization algorithm and biophysical (EPIC) and hydrological models (SWAT). Different case studies are used to validate the tools and analyze the topic including: 1) an application focused on agricultural food production issue at continental scale in Africa. Based on an integrated biophysical model and a multi-objective evolutionary algorithm efficient irrigation and fertilization management patterns in several African countries are identified 2) an application on the Danube river basin by integrating the hydrological model SWAT and an economic model with a multi-objective evolutionary algorithm to identify Best Management Practices to optimize crop production and water quality in synergy with waste water treatment plans development strategies, and 3) an application focused on water scarcity issue in the island of Crete for the optimal identification of agricultural irrigation management strategies. My thesis demonstrates how the integration of biophysical and hydrological model with an optimization framework is an efficient methodology providing answers and alternative solutions for policy makers in evaluating long-term benefit with a long-term perspective based on simulations of crop productivity, water quality and quantity indicators (i.e. concentration of nitrates in surface water and in the leaching, water use and irrigation requirements), when complex scenarios of Best Management Practices are implemented, i.e. reducing fertilizer application and upgrading waste water treatment plants, irrigation and crop spatial allocation. The proposed systematic approach used in this thesis proves to be a powerful tool both for scientists, policy makers and also stakeholders, and could be extended to other models and context.

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ID de Registro: 52886
Identificador DC: http://oa.upm.es/52886/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:52886
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.52886
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 07 Nov 2018 12:56
Ultima Modificación: 07 Nov 2018 12:56
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