A hydro ‐ economic modeling framework for optimal management of groundwater nitrate pollution from agriculture

Abstract

Diffuse groundwater pollution is a growing concern everywhere in the world and one of the most problematic and widespread of the vast number of potential groundwater contaminants are nitrates, which often primarily comes from the intense use of fertilizer in agriculture. Groundwater pollution has provoked a normative and a recommendation development. In Europe the Nitrate Directive was established in 1991, and the Water Framework Directive (WFD) in 2000. The WFD states that all water bodies have to reach a good quality status by 2015. The WFD explicitly recognizes the role of economics in reaching environmental and ecological objectives. One of the elements that the WFD mentions is the cost‐effectiveness analysis (CEA) as a method to obtain the most cost‐ effective program of measures to reach good water status. A hydro‐economic modeling framework is developed for determining optimal management of ground water nitrate pollution from agriculture. A holistic optimization model determines the spatial and temporal fertilizer application rate that maximizes the net benefits in agriculture constrained by the quality requirements in groundwater at various control sites. Since emissions (nitrogen loading rates) are what can be controlled, but the concentrations are the policy targets, we need to relate both. Agronomic simulation models are used to obtain crop yield and nitrate leaching functions in terms of water and fertilizer use, while numerical groundwater flow and solute transport simulation models were used to develop unit source solutions that were assembled into a pollutant concentration response matrix. The integration of the response matrix in the constraints of the management model allows simulating by superposition the evolution of groundwater nitrate concentration over time at different points of interest throughout the aquifer resulting from multiple pollutant sources distributed over time and space. In this way, the modeling framework relates the fertilizer loads with the nitrate concentration at the control sites. The benefits in agriculture were determined through crop prices and crop production functions. In this way, this framework provides a practical tool for analyzing the opportunity cost of measures for reducing nitrogen loadings and assessing their effectiveness for maintaining groundwater nitrate concentration within the target levels. The management model was applied to a hypothetical groundwater system. Optimal solutions of fertilizer use to problems with different initial conditions, planning horizons, and recovery times were determined. The illustrative example shows the importance of the location of the pollution sources in relation to the control sites, and how both the selected planning horizon and the target recovery time can strongly influence the limitation of fertilizer use and the economic opportunity cost for meeting the environmental standards. There is clearly a trade‐off between the time horizon to reach the standards (recovery time) and the economic losses from nitrogen use reductions. In decision‐making processes, reliability and risk‐aversion play a decisive role. This dissertation presents a stochastic optimization framework to incorporate the effects of the hydraulic conductivity uncertainty on the least‐cost allocation of nitrogen reduction among the agriculture pollution sources in order to meet the groundwater nitrate concentration targets in a groundwater basin under heterogeneous physical conditions. Four different formulations were applied: Monte Carlo simulation with pre‐assumed parameter field, Monte Carlo optimization, stacking management, and mixed‐integer stochastic model with predefined reliability. These formulations were tested in an illustrative example were 100 realizations were performed for two cases with different hydraulic conductivity field variance. The methodology was applied also to a real case‐study, “El Salobral‐Los Llanos” (within the Mancha Oriental groundwater body). The model yields the optimal fertilizer application that meets the groundwater nitrate standard for a 50 year planning horizon. The average fertilizer application has to be reduced by 39 kg/ha in order to comply with the environmental standard. This reduction implies a smaller production, which represents a forgone benefit of about 1.2 M€/year. Despite the necessary limitations of any modeling approach, the relevance and complexity of real‐world groundwater diffuse pollution issues call for the development of integrated hydro‐economic models in order to address the problem of multiple pollution sources under heterogeneous conditions, integrating the main agronomic, economic and biophysical elements of the process (including the associated uncertainty) at the groundwater basin scale. This research provides a useful methodology and tool for decision‐making in the ongoing process of implementation of the Water Framework Directive and the Groundwater Daughter Directive criteria to the groundwater bodies. Further research would be required in order to extend the representation of the diversity of potential on‐farm management decisions and other policy options apart from fertilizer use limitations. Resumen La contaminación difusa de las aguas subterráneas es una creciente preocupación en cualquier parte del mundo, y los nitratos, principalmente originados por el uso intensivo de fertilizantes en la agricultura, son uno de los contaminantes en el agua subterránea problemáticos y extendidos. La contaminación de los acuíferos ha provocado el desarrollo de numerosas normativas y recomendaciones. En Europa, la Directiva de Nitratos fue establecida en 1991, y la Directiva Europea Marco del Agua (DMA) en 2000. La DMA establece que todas las masas de agua deben alcanzar el buen estado en el año 2015. La DMA explícitamente reconoce el rol que la economía puede tener el alcanzar los objetivos ecológicos y ambientales. Uno de los elemento que la DMA menciona es el análisis coste‐eficacia (ACE), éste análisis puede ser usado para obtener el programa de medidas más coste‐eficaz para alcanzar el buen estado de las masas de agua. En este trabajo se presenta el desarrollo de un modelo hidro‐económico para determinar la gestión óptima de la contaminación por nitratos de las agua subterráneas. El modelo holístico de optimización determina la distribución espacio‐temporal de la tasa de aplicación de fertilizantes que maximiza los beneficios netos en la agricultura, limitada por los requerimientos de calidad en el agua subterránea en diferentes puntos de control. Dado que las emisiones (cantidad de nitrógeno) son controlables pero los objetivos se refieren a concentraciones, es necesario relacionar ambos aspectos. Mediante modelos de simulación agronómica se obtienen las funciones de producción y de lixiviado de nitratos en función del uso de agua y fertilizantes, mientas que se emplean modelos numéricos de simulación del flujo y transporte para obtener soluciones unitarias que se integraron en el modelo de optimización por medio de matrices de respuesta. La integración de las matrices de respuesta en el modelo de gestión permite simular la evolución de la concentración de nitratos en el agua subterránea mediante superposición en diferentes puntos de control a largo del tiempo, debido a la emisión de contaminantes en diferentes zonas distribuidas en el espacio y variables en el tiempo. De este modo el modelo relaciona la aplicación de fertilizantes con la concentración de nitratos en el agua subterránea. Los beneficios de la agricultura se determinaron a través de las funciones de producción y el precio de los cultivos. De esta forma, se obtiene una herramienta práctica para analizar el coste de oportunidad de medidas para reducir la carga de nitrógeno y evaluar su eficacia para mantener las concentraciones de nitratos en los acuíferos dentro de los niveles fijados como objetivo. El modelo desarrollado se aplicó a un sistema acuífero sintético. Se obtuvo la aplicación óptima de fertilizantes para problemas con diferentes condiciones iniciales, horizontes de planeación y tiempos de recuperación. Los resultados del caso sintético muestran la importancia de la localización de las fuentes contaminantes en relación con los puntos de control. Los horizontes de planeación y los tiempos de recuperación pueden tener una gran influencia en la aplicación de fertilizantes y en el coste de oportunidad para alcanzar los estándares medioambientales. Hay un claro intercambio entre el horizonte de planeación para alcanzar los estándares de calidad (tiempo de recuperación) y las pérdidas económicas debidas a la reducción de nitratos en la agricultura. En el proceso de toma de decisiones, la fiabilidad y la aversión al riesgo juegan un papel importante. Se presenta un modelo de optimización estocástico para la analizar los efectos de la incertidumbre en la conductividad hidráulica sobre la solución de menor coste de la distribución de reducciones en la aplicación de nitrógeno entre las diferentes fuentes de contaminación para alcanzar los objetivos de concentración de nitratos en una masa subterránea heterogénea. Se analizaron cuatro métodos diferentes: simulación Monte Carlo con campo de conductividad pre‐definido, optimización Monte Carlo, optimización por grupos y un modelo estocástico con optimización entera mixta y nivel de fiabilidad definido a priori. Los modelos se probaron en el caso sintético con 100 realizaciones y dos casos con diferente varianza en el campo de conductividad. Finalmente la metodología se aplicó al acuífero “El Salobral‐Los Llanos” (en el dominio de la masa subterránea Mancha Oriental), para el que se obtuvo la aplicación óptima de fertilizantes para una horizonte de planeación de 50 años. La aplicación promedio tiene que ser reducida en 39 kg/ha, lo cual provoca una reducción en la producción con un coste (pérdida de beneficios) de 1.2 M€/año. A pesar de las limitaciones necesarias de cualquier modelo, la relevancia y complejidad de los problemas reales de contaminación difusa de aguas subterráneas requiere el desarrollo de modelos integrales hidro‐económicos para resolver el problema de múltiples fuentes de contaminación en condición heterogéneas, integrando los principales elementos agronómicos, biofísicos y económicos del proceso (incluyendo la incertidumbre) a escala de masa de agua subterránea. De esta forma, el trabajo desarrollado proporciona una metodología y unas herramientas que pueden ser de utilidad para la toma de decisiones en el proceso de implementación de los requerimientos de la Directiva Marco y la reciente Directiva Hija de protección de Aguas Subterráneas frente a la contaminación. Una línea de trabajo futura sería ampliar la diversidad de decisiones de gestión en parcelas y otras opciones de política de control, aparte de las de limitación en el uso de fertilizantes. Resum La contaminació difusa de les aigües subterrànies és una creixent preocupació en qualsevol part del món, i els nitrats, principalment originats per l’ús intensiu de fertilitzants en l’agricultura, són un dels contaminants en l’aigua subterrània problemàtics i estesos. La contaminació dels aqüífers ha provocat el desenrotllament de nombroses normatives i recomanacions. A Europa, la Directiva de Nitrats va ser establida en 1991, i la Directiva Europea Marco de l’Aigua (DMA) en 2000. La DMA establix que totes les masses d’aigua han d’aconseguir el bon estat l’any 2015. La DMA explícitament reconeix el rol que l’economia pot tindre l’assolir els objectius ecològics i ambientals. Un dels element que la DMA menciona és l’anàlisi cost‐eficàcia (ACE), esta anàlisi pot ser usat per a obtindre el programa de mesures més cost‐eficaç per a aconseguir el bon estat de les masses d’aigua. En este treball es presenta el desenrotllament d’un model hidro‐económico per a determinar la gestió òptim de la contaminació per nitrats de les aigua subterrànies. El model holístic d’optimització determina la distribució espai‐temporal de la taxa d’aplicació de fertilitzants que maximitza els beneficis nets en l’agricultura, limitada pels requeriments de qualitat en l’aigua subterrània en diferents punts de control. Atés que les emissions (quantitat de nitrogen) són el controlable però els objectius són les concentracions, és necessari relacionar ambdós aspectes. Per mitjà de models de simulació agronòmica es obtenen les funcions de producció i de lixiviat de nitrats en funció de l’ús d’aigua i fertilitzants, esmentes que s’empren models numèrics de simulació del flux i transport per a obtindre solucions unitàries que es van integrar en el model d’optimització per mitjà de matrius de resposta. La integració de les matrius de resposta en el model de gestió permet simular l’evolució de les concentració de nitrats en l’aigua subterrània per mitjà de superposició en diferents punts de control a llarg del temps, resultat de l’emissió de contaminants en diferents zones distribuïdes en l’espai i variables en el temps. D’esta manera el model relaciona l’aplicació de fertilitzants amb la concentració de nitrats en l’aigua subterrània. Els beneficis de l’agricultura es van determinar a través de les funcions de producció i el preu dels cultius. D’esta manera, s’obté una ferramenta pràctica per a analitzar el cost d’oportunitat de mesures per a reduir la càrrega de nitrogen i avaluar la seua eficàcia per a mantindre les concentracions de nitrats en els aqüífers dins dels nivells objectiu. El model desenrotllat es va aplicar a un sistema aqüífer sintètic. Es va obtindre l’aplicació òptima de fertilitzants per a problemes amb diferents condicions inicials, horitzons de planeación i temps de recuperació. Els resultats del cas sintètic mostren la importància de la localització de les fonts contaminants en relació amb els punts de control. Els horitzons de planeación i els temps de recuperació poden tindre una gran influència en l’aplicació de fertilitzants i en el cost d’oportunitat per a aconseguir els estàndards mediambientals. Hi ha un clar intercanvi entre l’horitzó de planeación per a aconseguir els estàndards de qualitat (temps de recuperació) i les pèrdues econòmiques degudes a la reducció de nitrats en l’agricultura. En el procés de presa de decisions, la fiabilitat i l’aversió al risc juguen un paper important. Es presenta un model d’optimització estocástico per a l’analitzar els efectes de la incertesa en la conductivitat hidràulica sobre la solució de menor cost de la distribució de reduccions en l’aplicació de nitrogen entre les diferents fonts de contaminació per a assolir els objectius de concentració de nitrats en una massa subterrània heterogènia. Es van analitzar quatre mètodes diferents: simulació Muntanya Carlo amb camp de conductivitat predefinit, optimització Monte Carlo, optimització per grups i un model estocástico amb optimització sencera mixta i nivell de fiabilitat definit a priori. Els models es van provar en el cas sintètic amb 100 realitzacions i dos casos amb diferent varianza en el camp de conductivitat. Finalment la metodologia es va aplicar a l’aqüífer “El Salobral‐Los Plans” (en el domini de la massa subterrània Manxa Oriental), per al que es va obtindre l’aplicació òptima de fertilitzants per a una horitzó de planeación de 50 anys. L’aplicació mitjana ha de ser reduïda en 39 kg/ha, la qual cosa provoca una reducció en la producció amb un cost (pèrdua de beneficis) de 1.2 €/M’any. A pesar de les limitacions necessàries de qualsevol model, la rellevància i complexitat dels problemes reals de contaminació difusa d’aigües subterrànies requerix el desenrotllament de models integrals hidro‐económicos per a resoldre el problema de múltiples fonts de contaminació en condició heterogènies, integrant els principals elements agronòmics, biofísics i econòmics del procés (incloent la incertesa) a escala de massa d’aigua subterrània. D’esta manera, el treball desenrotllat proporciona una metodologia i unes ferramentes que poden ser d’utilitat per a la presa de decisions en el procés d’implementació dels requeriments de la Directiva Marco i la recent Directiva Filla d’Aigües Subterrànies a les masses subterrànies. Una línia de treball futura seria estendre la representació de la diversitat de decisions de gestió en parcel∙la i altres opcions de política de control, a banda de les de limitació en l’ús de fertilitzants. Acknowledgments The work of several years is summarized in this thesis. A thesis is more than a scientific work; many years and personal growth are in it. Besides the normal scientific struggling, many personal difficulties had to be overcome. Additionally, a work as the one presented here, includes experiences and knowledge shared with lots of other people. In the following lines I would like to thank and leave a small acknowledgment to all the people that supported me in all these years, in the academic as well in my personal life. First, I want to thank Andres Sahuquillo for providing me with the opportunity to do a PhD in Valencia and for his suggestions to improve this thesis. I am grateful to my advisor Manuel Pulido Velazquez for his commitment and enthusiasm, I enormously appreciate his support and friendship. I would furthermore like to thank my co‐advisor David Pulido Velazquez. This research was supported by Consejo Nacional de Ciencia y Tecnnologia (CONACyT) to which I am deeply grateful. The last months were partially supported by the EU GENESIS project on groundwater systems (www.thegenesisproject.eu), financed by the European Community 7th Framework Programme (contract number 226536), and by the EU project AQUAMONEY, on the economics of the Water Framework Directive (contract 22723; 6th FP) One part of the thesis was done at the EAWAG (Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology). Special thanks to Hong Yang for inviting me, and Junguo Liu for showing me GEPIC. For the case study I needed a lot of information, thanks to the Instituto de Desarollo Regional for providing it, in special to David Sanz, Juan José Gómez, Angel Moratalla, Santiago Castaño and Alfonso Calera, as well as to the Jucar Water Agency (Confederacion Hidrografica del Jucar), and in particular to Javier Ferrer, head of the Planning Office. Further thanks to the Junta Central de Regantes de la Mancha Oriental especially to Pedro Olivas. Finally, I would like to thank Carlos Llopis for his help and comments, and also the external referees: Jean Daniel Rinaudo, Francisco Martín de Santa Olalla Mañas and Fritz Stauffer for their suggestion to improve this thesis. I would like to extend my thanks to all of my working colleagues and friends for making my stay in Valencia a very nice one, especially to all members of “La Secta” and Rafa Gonzalez. Also to my friends at EAWAG, who made my stay in Switzerland very pleasant. I deeply thank my parents and sister for always encouraging me, no matter what. Anne, for the inspiration in the last push. Publications The following publications were done from this thesis: S. Peña‐Haro, M. Pulido‐Velazquez, A. Sahuquillo. A hydro‐economic modeling framework for optimal management of groundwater nitrate pollution from agriculture. Journal of Hydrology. doi:10.1016/j.jhydrol.2009.04.024. S. Peña‐Haro, C. Llopis‐Albert, M. Pulido‐Velazquez. Stochastic hydro‐economic modeling for optimal management of groundwater nitrate pollution under parameter uncertainty. Water Resources Research. Under review S. Peña‐Haro, C. Llopis‐Albert, M. Pulido‐Velazquez, D. Pulido‐Velazquez. Fertilizer standards for controlling nitrate pollution in groundwater. El Salobral‐Los Llanos case study. Submitted to the Journal of Hydrology.

Extracted Key Phrases

Cite this paper

@inproceedings{Haro2010AH, title={A hydro ‐ economic modeling framework for optimal management of groundwater nitrate pollution from agriculture}, author={Salvador Pe{\~n}a Haro and Manuel A Pulido Vel{\'a}zquez and David Pulido Vel{\'a}zquez and Ingenier{\'i}a Hidr{\'a}ulica and Medio Ambiente and George Edward Pelham Box and Resumen La}, year={2010} }