Multi-objective optimization approach for land use allocation based on water quality criteria

Abstract

Surface water contamination by point and nonpoint sources of pollution is a major concern for public and government agencies around the world due to the excessive contamination of water bodies. Water is an important resource for any community to support life, economic development, recreation facilities, and aesthetic values. According to estimates by the United States Environmental Protection Agency (USEPA), about 40% of the monitored national water supplies does not meet established quality standards. For Puerto Rico, the 2002 water quality inventory reports 70% of monitored river miles impaired (PREQB, 2002). Sediment loadings and nutrients concentrations are one of the major contaminants reaching water bodies producing serious consequences in ecological systems, human health, water provisioning, and recreational activities. Additionally, the list of impaired waters of Puerto Rico states that all the reservoirs fail to meet existing aquatic life criteria for dissolved oxygen resulting in an eutrophication condition characterized by an elevated nutrient levels status (PREQB, 2003). Puerto Rico is facing the need to develop and implement Total Maximum Daily Loads (TMDL’s) for impaired lakes and rivers listed by the USEPA. As part of the efforts to reduce and mitigate the pollution issue, this investigation is presented to evaluate the Río Grande de Arecibo watershed, located in the north-central Puerto Rico using an integrated land use planning metodology at the watershed. The integrated land use allocation scheme developed in this research consist firstly of a water quality analysis and simulation for a ten years period (1995-2005) using the Hydrological Simulation Program Fortran (HSPF). The watershed simulation includes the hydrology, sediments, and nutrients components (Total Nitrogen species and Total Phosphorus). These variables will provide data to generate the annual loadings and annual export coefficients intervals of the species by land use in the watershed and are used as input in the second stage of the methodology. The second stage of this research consists of a multi-objective optimization approach using the Multi-objective Linear Programming (MOLP) method and taking into account the inherent uncertainty associated with the watershed in terms of hydrometereological, physical, and socio-economic conditions. For this reason, the land use export coefficients intervals were used as input for the decision variables in the MOLP model. A total of six different hypothetical scenarios were evaluated reflecting possible conditions in the future growth pattern at the watershed in the time study horizon (year 2025). Complementing the previous stages, a Geographycal Information System (GIS) was developed for the optimal land use suggested ranges allocation from the MOLP model. This part of the research incorporates the concept of spatial optimal units based on the constraints in the watershed from a spatial point of view and seeks for the available areas that comply with the MOLP requirements. At this stage, additional constraints were incorporated in the land use integrated planning metodology responding to physical and socioeconomic characteristics in the study area. Finally, the watershed integrated land use planning methodology is combined with an analysis and evaluation of institutional, political, fiscal, and environmental indicators for municipalities that integrates the Río Grande de Arecibo (RGA) watershed. This component allows defining the environmental capability of each municipality in order to forecast successful level in the implementation of the complete methodology suggested by this research in terms of optimal land use planning. Findings of this research will provide the base work to find possible solutions to difficult issues related to land use planning for preservation, forestry, agriculture, and urban development while maintaining the viability of water quality and quantity. The final purpose of this research is not to designate a particular landuse for an area within RGA, rather, it is to establish the landuse distribution within RGA that help the municipalities comply with USEPA and the Puerto Rico Environmental Quality Board (PREQB) water quality standards. Puerto Rico is one of the most densely countries in the world, consequently has the future conditions of many locations around the world with limited land resources and a very high population density that demands jobs, infrastructure, and housing. The proposed methodology offers a unique way to incorporate modeling approaches for watershed management, individual system components and the administrative capability of participating municipalities.

La contaminación en aguas superficiales por fuentes puntuales y no puntuales es una preocupación actual para agencias públicas y de gobierno alrededor del mundo debido a la excesiva contaminación de los cuerpos de agua. El agua es un recurso importante para cualquier comunidad como soporte de vida, desarrollo económico, facilidades de recreación y valor estético. De acuerdo a estimados de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de Norteamérica (USEPA, por sus siglas en inglés), cerca de un 40% de los cuerpos de agua monitoreados no cumplen con los estándares de calidad de agua. En Puerto Rico, el inventario de calidad de agua del año 2002 reporta que el 70% de los ríos monitoreados están afectados (JCA, 2002). Las cargas de sedimentos así como las altas concentraciones de nutrientes figuran como las causas principales del deterioro produciendo serias consecuencias a los sistemas ecológicos, la salud humana, abasto y actividades recreacionales. Además, la lista de aguas deterioradas de Puerto Rico estipula que todos los reservorios violan los estándares de calidad de agua para el oxígeno disuelto resultando en una condición de eutrofización caracterizada por un elevado estatus nutricional. Actualmente Puerto Rico está experimentando un desarrollo con respecto al programa de Cargas Diarias Máximas Permitidas (TMDL’s, por sus siglas en inglés) para los ríos y lagos definidos como impactados y deteriorados de acuerdo a la lista de la Junta de Calidad Ambiental. Como parte de este esfuerzo para reducir y mitigar los problemas de contaminación, se presenta esta investigación para evaluar la cuenca hidrográfica del Río Grande de Arecibo localizada en la región Central-Norte de Puerto Rico usando una metodología integrada de planeamiento de uso del suelo en la cuenca. La metodología integrada de planeamiento de uso del suelo desarrollada en esta investigación consiste de varias etapas, la primera de ellas consiste en la simulación y análisis de un modelo de calidad de agua por diez años (1995-2005) usando el programa Hydrological Simulation Program Fortran (HSPF). El modelo de calidad de agua en la cuenca incluye la simulación hidrológica, de sedimentos y de nutrientes (Nitrógeno Total y Fósforo Total) para generar las cargas anuales e intervalos de los coeficientes de exportación por uso del suelo de las especies analizadas en la cuenca, utilizados como insumo para la segunda parte de la metodología desarrollada en esta investigación. La segunda etapa de la metodología consiste de un análisis de optimización multiobjetivo utilizando Programación Lineal Multi-Objetivo (MOLP, por sus sigla en inglés) y considerando la incertidumbre inherente asociada a la cuenca en términos de condiciones hidrometereológicas, físicas y socio-económicas. Por esta razón los intervalos de los coeficientes de exportación generados por uso de suelo y contaminante fueron utilizados como entrada en las variables de decisión del modelo de optimización. Un total de seis escenarios hipotéticos que reflejan las posibles condiciones en el patrón de crecimiento en la cuenca en el horizonte de tiempo de análisis (año 2025), fueron evaluados. Como complemento de las etapas previas, un Sistema de Infromación Geográfico (SIG) fue desarrollado para la localización espacial de los rangos sugeridos por el modelo de optimización. Esta parte de la investigación incorpora el concepto de unidades espaciales óptimas basado en restricciones en la cuenca de tipo espacial buscando las áreas óptimas disponibles que cumplan con los requirimientos de la etapa de optimización multiobjetivo. En esta etapa se incorporan restricciones adicionales en la metodología integrada de planeamiento de uso del suelo que responden a características físicas y socioeconómicas en el área de estudio analizada. Finalmente, la metodología desarrollada se combina con un análisis y evaluación de indicadores institucionales, fiscales, políticos y ambientales para las municipalidades pertenecientes a la cuenca del Río Grande de Arecibo. Este componente permite definir la capacidad ambiental asociada a cada municipalidad así como pronosticar el nivel de éxito en la implantación de la metodología de planeamiento de uso del suelo desarrollada en esta investigación. Las conclusiones de esta investigación proveen la base para encontrar posibles soluciones a temas díficiles relacionados a planeamiento de uso del suelo para preservación, conservación forestal, desarrollo agrícola y urbano manteniendo la viabilidad en la cantidad y calidad de agua. Puerto Rico es uno de los países más densamente poblados del mundo, razón por la cual reúne las condiciones a futuro de muchos sitios alrededor del mundo con recursos limitados y una alta densidad poblacional que demanda trabajos, infraestructura y vivienda. La metodología propuesta ofrece una manera única de de incorporar distintos componentes de simulación para manejo integrado de cuencas, componentes individuales y capacidad administrativa de los municipios participantes.