High mountain regions including the Andean region are very sensitive to climate change. Farmers in the central Andes of Peru are increasingly being exposed to the impacts of climate variability. This transdisciplinary research uses field laboratories, combining the farming system and the sustainable livelihood approaches, to carry out social, ecological, and financial assessments so as to identify sustainable and resilient livelihood strategies for small-scale Andean farmers. The first research step studies and characterizes farm household systems, influenced by their biophysical and socioeconomic contexts, for which two vulnerability indices were elaborated. Focused on the climate variability, the five livelihood assets and the three IPCC’s vulnerability components, these indices show the highly sensitive conditions of most communities with poor health conditions, access to infrastructure and public services. Farmers’ capacity of response is often limited by the low on-farm diversity and lack of organization. Thereafter, sustainable livelihood strategies were identified. These include on-farm intensification and non-farm labor intensification for lowland and better-access communities. In the middle-access and highland communities, where temporary migration is a common coping strategy, sustainable scenarios include an increment in diversification strategies through agrobiodiversity and a larger share of tree-based production systems. Furthermore, research step II explores local strategies to cope with agricultural droughts and evaluates, by means of natural resource assessment methods, agroforestry systems as an alternative to reduce their negative effects. Mainly affected by the increasing variation in precipitation events, farmers identify off-farm and on-farm diversification as adaptive strategies against agricultural droughts that reduce the weather dependence and covariance between livelihood activities. Among the introduction of more resistant crop and pasture varieties, the incorporation of trees in their system is desired because of their positive influence in soil moisture and crop yields. Soil moisture in agroforestry systems with eucalyptus trees is 10-20% higher than in agricultural systems during the beginning of the wet season. Differences in the soil moisture during the end of the dry season and in the potato yield are not evident between these systems, although an area without sowing reduced the agricultural output in 13-17% in agroforestry systems. Research step III seeks to maximize the efficiency of resource allocation in farm household systems by developing a linear programming optimization model. This financial assessment underpinned the need of additional off-farm activities for resource-scarcer farmers. In addition, under interest rates below 15% the model includes tree-based production systems as part of the optimal solution. However, with increasing interest rates, a higher share of land is used to cover household’s basic needs and fewer resources are available for capital accumulation activities such as forestry. Variations introduced in the model show that pasture systems are more sensitive to changes in the production outputs, whereas variation in farm worker wages and tree prices affected less the optimal solutions, making farming systems less sensitive to these market changes. Finally, the incorporation of tree-based systems have proved to be a sustainable and resilient livelihood strategy against climate variability available for particular farm household systems of the study area. / Las zonas montañosas, incluyendo la región andina son muy sensibles al cambio climático. Los agricultores de los Andes centrales del Perú están cada vez más expuestos a los efectos de la variabilidad climática. Esta investigación transdisciplinaria utiliza laboratorios de campo (field laboratories), combinando los enfoques de sistemas agrícolas y de medios de vida sostenibles, para llevar a cabo evaluaciones sociales, ecológicas y financieras con el fin de identificar estrategias sostenibles y resilientes para los agricultores andinos de pequeña escala. La primera fase de la investigación caracteriza a los sistemas agrícolas familiares, influenciados por sus contextos biofísicos y socioeconómicos, para lo cual se elaboraron dos índices de vulnerabilidad centrados en la variabilidad del clima, los cinco activos de los medios de vida y los tres componentes de la vulnerabilidad del IPCC. Estos índices muestran las condiciones de alta sensibilidad de la mayoría de las comunidades, con malas condiciones de salud y poco acceso a la infraestructura y a los servicios públicos. La capacidad de respuesta de los agricultores es a menudo limitada por la baja diversidad en las actividades agrícolas y la falta de organización. Posteriormente se identificaron las estrategias de medios de vida sostenibles. Estas incluyen la intensificación en las actividades agrícolas y la intensificación del trabajo no agrícola en las comunidades de zonas bajas y con mejor acceso. En las comunidades con menor acceso y zonas altas la migración temporal es una estrategia de afrontamiento común. Los escenarios sostenibles en estas comunidades incluyen un incremento en las estrategias de diversificación p. ej. a través de un aumento de la biodiversidad agrícola y una mayor proporción de sistemas de producción asociados con árboles. Por otra parte, la segunda fase de la investigación explora las estrategias locales para hacer frente a las sequías agrícolas y evalúa, por medio de métodos de evaluación de recursos naturales, los sistemas agroforestales como alternativa para reducir sus efectos negativos. Afectados principalmente por el aumento en la variación de las precipitaciones, los pequeños agricultores identifican a la diversificación de actividades dentro y fuera de sus parcelas agrícolas como una estrategia de adaptación frente a las sequías agrícolas que reduce la dependencia climática y la covarianza entre las actividades de subsistencia. Dentro de la introducción de variedades de cultivos y pastos más resistentes, como parte de la solución, los agricultores desean la incorporación de árboles en su sistema debido a su influencia positiva en la humedad del suelo y en los rendimientos de los cultivos. La humedad del suelo en sistemas agroforestales con árboles de eucalipto es un 10-20% mayor que en los sistemas agrícolas durante el comienzo de la estación húmeda. Las diferencias en la humedad del suelo durante el final de la estación seca y en el rendimiento de los cultivos de papa no son evidentes entre estos dos sistemas. A pesar de esto, el espacio sin siembra dejado en los sistemas agroforestales redujo la producción agrícola en un 13-17%. La tercera fase de la investigación busca maximizar la eficiencia en la asignación de recursos en los sistemas agrícolas familiares mediante el desarrollo de un modelo de optimización de programación lineal. Esta evaluación financiera respalda la necesidad de actividades adicionales no-agrícolas para agricultores con recursos más escasos. Además, con tasas de interés por debajo del 15%, el modelo siempre incluye a los sistemas de producción forestales y/o agroforestales como parte de las soluciones óptimas. Sin embargo, con el aumento de las tasas de interés, una mayor proporción de tierra se utiliza para cubrir las necesidades básicas del hogar y menos recursos están disponibles para las actividades de acumulación de capital como la silvicultura. Las variaciones introducidas en el modelo muestran que los sistemas de pastoreo son más sensibles a los cambios en los condiciones de producción. Por otro lado, la variación en los salarios de los trabajadores agrícolas y en los precios de los árboles afectan en un menor grado las soluciones óptimas, proporcionando sistemas agrícolas menos sensibles a estos cambios en el mercado. Finalmente, la incorporación de árboles en los sistemas agrícolas ha demostrado ser una estrategia de vida sostenible y resiliente a la variabilidad climática disponible para determinados sistemas agrícolas familiares de la zona de estudio. / Hochgebirgsregionen einschließlich der Andenregion sind gegenüber dem Klimawandel sehr empfindlich. Die in den zentralen Anden von Peru lebenden Bauern sind mehr und mehr den Auswirkungen durch Klimaschwankungen ausgesetzt. Diese transdisziplinäre Forschung nutzt Feldlabore, die das System der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung und Ansätze zur nachhaltigen Lebensunterhaltssicherung kombinieren, um soziale, ökologische und ökonomische Erhebungen durchzuführen, so dass nachhaltige Livelihood-Strategien für die Kleinbauern in den Anden aufgezeigt werden können. Der erste Forschungsschritt untersucht und charakterisiert die bäuerlichen Haushaltssysteme, die durch ihre biophysikalischen und sozioökonomischen Kontexte beeinflusst sind. Hierfür wurden zwei Vulnerabilitätsindizes herausgearbeitet, die Klimavariabilität und die fünf Güter des Sustainable Livelihood-Konzepts im Fokus haben, sowie die drei Vulnerabilitätskomponenten des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Diese Indizes decken die hochgradige Sensitivität für die meisten Gemeinden auf, aufgrund des schlechten Gesundheitszustandes sowie dem Mangel an Infrastruktur und öffentlichen Dienstleistungen. Die Fähigkeit der Bauern damit umzugehen, ist zumeist begrenzt durch eine geringe Diversität und fehlende Organisation auf den Farmen. Anschließend werden nachhaltige Livelihood-Strategien aufgezeigt. Diese umfassen die Intensivierung der Arbeit in der Landwirtschaft und der Arbeitskraft außerhalb der Landwirtschaft für Gemeinden im Flachland sowie besser erreichbare Gemeinden. In Hochlandgemeinden und Gemeinden die schwer zugänglich sind, ist temporäre Migration eine geläufige Bewältigungsstrategie. Nachhaltige Szenarien in diesen Gemeinden beinhalten eine höhere Anzahl an Diversifizierungsstrategien wie die Steigerung von Agro-Biodiversität und dem Anteil an baumbasierten Produktionssystemen. Forschungsschritt II untersucht lokale Strategien, um die landwirtschaftliche Dürre zu bewältigen und bewertet – mit Hilfe von Naturressourcenbewertungsverfahren – Agroforstsysteme als eine Alternative, um die negativen Auswirkungen der Trockenzeiten zu verringern. Beeinträchtigt durch zunehmende Niederschlagsschwankungen, identifizieren Bauern die Diversifizierung von landwirtschaftlichen und nicht-landwirtschaftlichen Aktivitäten als Anpassungsstrategie bei landwirtschaftliche Dürre, wodurch die Abhängigkeit vom Wetter und die Kovarianz zwischen den Aktivitäten für den Lebensunterhalt reduziert werden kann. Neben der Einführung resistenterer Kultur- und Weidepflanzen, ist die Einbeziehung von Bäumen in das System wünschenswert, aufgrund ihres positiven Einflusses auf die Bodenfeuchte und Erträge. Die Bodenfeuchte in agroforstwirtschaftlichen Systemen mit Eukalyptusbäumen ist während der beginnenden Feuchtperiode 20% höher als in landwirtschaftlichen Systemen. Die Unterschiede der Bodenfeuchte am Ende der Trockenzeit und bezüglich des Kartoffelertrags sind zwischen diesen Systemen nicht markant, obwohl eine Fläche, auf der keine Saat ausgebracht wurde, den landwirtschaftlichen Ertrag in Agroforstsystemen um 13 bis 17% mindert. Forschungsschritt III versucht die Effizienz der Ressourcenzuordnung in Farmhaushaltssystemen zu maximieren, indem ein Optimierungsmodell mit Hilfe der linearen Programmierung entwickelt wird. Diese ökonomische Erhebung unterstreicht die Notwendigkeit zusätzlicher nichtlandwirtschaftlicher Aktivitäten für ressourcenärmere Bauern. Bei Zinsraten unter 15% umfasst das Model baumbasierte Produktionssysteme als einen Teil der optimalen Lösung. Mit steigenden Zinsraten wird jedoch eine größere Bodenfläche dazu verwendet, um die Grundbedürfnisse der Haushalte zu decken und es stehen weniger Ressourcen für Aktivitäten zur Kapitalanhäufung wie Forstwirtschaft zur Verfügung. Die in das Modell involvierten Variationen zeigen, dass Weidesysteme sensibler auf Veränderungen des Produktionsausstoßes reagieren. Schwankungen bei den Löhnen der Farmer und Veränderungen der Baumpreise beeinträchtigen hingegen die optimalen Lösungen weniger. Dadurch sind die landwirtschaftlichen Systeme gegenüber Marktschwankungen weniger anfällig. Abschließend erweist sich, dass – für bestimmte Farmhaushaltssysteme im Untersuchungsgebiet – die Einbeziehung baumbasierter Systeme als nachhaltige und resiliente Livelihood-Strategie angesichts von Klimaschwankungen nützlich ist. / Regiões altomontanas, incluindo os Andes são extremamente sensíveis aos impactos das mudanças climáticas. Pequenos agricultores da região central dos Andes Peruanos estão progressivamente sendo expostos aos impactos das variações climáticas. A presente investigação transdisciplinar utiliza “field laboratories”, combinando os enfoques de sistemas rurais e dos meios de subsistência sustentáveis, visando uma avaliação social, ecológica e financeira, com intuito de se identificar estratégias resilientes e sustentáveis para os pequenos agricultores Andinos. A primeira etapa do presente estudo investiga e caracteriza os sistemas rurais, influenciados por seus contextos biofísicos e socioeconômicos, para os quais foram elaborados dois índices de vulnerabilidade focados na variabilidade climática, nos recursos dos meios de vida (cinco capitais) e nos três componentes da vulnerabilidade do IPCC. Esses índices mostram as condições altamente sensíveis da maioria das comunidades, com más condições de saúde, acesso à infra-estrutura e serviços públicos. A capacidade de resposta dos pequenos agricultores é frequentemente limitada pela baixa diversificação de actividades na exploração agricola e falta de organização. Posteriormente, foram identificadas estratégias de subsitência sustentáveis. Estas incluem a intensificação tanto do trabalho rural, quanto do não-agrícola para as comunidades de terras baixas e mais acessíveis. Para as comunidades altomontanas e com menor acesso, a migração temporária é uma estratégia de enfrentamento comum. Cenários sustentáveis para essas comunidades incluem um incremento nas estratégias de diversificação p. ex. aumentando a agrobiodiversidade e a parcela dos sistemas de produção florestais. A segunda etapa da pesquisa explora estratégias locais para lidar com as secas agrícolas e investiga, por meio de métodos de avaliação de recursos naturais, sistemas agroflorestais como alternativa para reduzir os seus efeitos negativos. Afetado principalmente pelo aumento da variação da precipitação, os agricultores identificam a diversificação tanto no trabalho rural, quanto no não-agrícola, como estratégias adaptativas contra secas agrícolas que reduzam a dependência do clima e covariância entre atividades de subsitência. Entre a introdução de culturas e de pastagens de variedades mais resistentes, a incorporação de árvores em seu sistema é desejada por conta da sua influência positiva na umidade do solo e no rendimento das culturas. A umidade do solo em sistemas agroflorestais com árvores de eucalipto é de 10-20% maior do que em sistemas agrícolas durante o início da estação chuvosa. As diferenças na umidade do solo durante o final da estação seca e na produtividade da batata não são evidentes entre estes dois sistemas. Apesar disso, o espaço sem semeadura deixado em sistemas agroflorestais reduziu a produção agrícola em 13-17%. A terceira etapa da presente investigação visa maximizar a eficiência da alocação de recursos em sistemas agrícolas familiares por meio do desenvolvimento de um modelo de otimização de programação linear. Esta avaliação financeira sustenta a necessidade de atividades não-agrícolas adicionais para agricultores com recursos escassos. Ademais, sob taxas de juros abaixo de 15%, o modelo inclui sistemas de produção florestais como parte da solução ideal. Contudo, com o aumento das taxas de juros, uma parcela maior da propriedade é usada para garantir as necessidades básicas, e portanto, menos recursos do agregado familiar estão disponíveis para atividades de acumulação de capital, tais como a silvicultura. Variações introduzidas no modelo mostram que sistemas de pastagem são mais sensíveis a mudanças nas condições de produção. Ademais, variaçãoes nos salários dos trabalhadores agrícolas e nos preços de árvores afetam menos as soluções ótimas, tornando os sistemas agrícolas menos sensíveis a estas mudanças do mercado. Por fim, a incorporação de sistemas florestais provaram ser uma estratégia de subsistência sustentável e resiliente contra a variação climática para determinados sistemas de agricultura familiar da área de estudo.

High mountain regions including the Andean region are very sensitive to climate change. Farmers in the central Andes of Peru are increasingly being exposed to the impacts of climate variability. This transdisciplinary research uses field laboratories, combining the farming system and the sustainable livelihood approaches, to carry out social, ecological, and financial assessments so as to identify sustainable and resilient livelihood strategies for small-scale Andean farmers. The first research step studies and characterizes farm household systems, influenced by their biophysical and socioeconomic contexts, for which two vulnerability indices were elaborated. Focused on the climate variability, the five livelihood assets and the three IPCC’s vulnerability components, these indices show the highly sensitive conditions of most communities with poor health conditions, access to infrastructure and public services. Farmers’ capacity of response is often limited by the low on-farm diversity and lack of organization. Thereafter, sustainable livelihood strategies were identified. These include on-farm intensification and non-farm labor intensification for lowland and better-access communities. In the middle-access and highland communities, where temporary migration is a common coping strategy, sustainable scenarios include an increment in diversification strategies through agrobiodiversity and a larger share of tree-based production systems. Furthermore, research step II explores local strategies to cope with agricultural droughts and evaluates, by means of natural resource assessment methods, agroforestry systems as an alternative to reduce their negative effects. Mainly affected by the increasing variation in precipitation events, farmers identify off-farm and on-farm diversification as adaptive strategies against agricultural droughts that reduce the weather dependence and covariance between livelihood activities. Among the introduction of more resistant crop and pasture varieties, the incorporation of trees in their system is desired because of their positive influence in soil moisture and crop yields. Soil moisture in agroforestry systems with eucalyptus trees is 10-20% higher than in agricultural systems during the beginning of the wet season. Differences in the soil moisture during the end of the dry season and in the potato yield are not evident between these systems, although an area without sowing reduced the agricultural output in 13-17% in agroforestry systems. Research step III seeks to maximize the efficiency of resource allocation in farm household systems by developing a linear programming optimization model. This financial assessment underpinned the need of additional off-farm activities for resource-scarcer farmers. In addition, under interest rates below 15% the model includes tree-based production systems as part of the optimal solution. However, with increasing interest rates, a higher share of land is used to cover household’s basic needs and fewer resources are available for capital accumulation activities such as forestry. Variations introduced in the model show that pasture systems are more sensitive to changes in the production outputs, whereas variation in farm worker wages and tree prices affected less the optimal solutions, making farming systems less sensitive to these market changes. Finally, the incorporation of tree-based systems have proved to be a sustainable and resilient livelihood strategy against climate variability available for particular farm household systems of the study area.:1 Introduction - 1 - 1.1 Introduction and justification - 1 - 1.2 Objectives and thesis statements - 2 - 1.3 Outline - 3 - 1.4 Definition of terms - 5 - 1.4.1 Vulnerability - 5 - 1.4.2 Resilience - 7 - 1.4.3 Agroforestry systems - 8 - 1.4.4 Farming system approach - 9 - 1.4.5 Farm household system - 10 - 1.4.6 Sustainable livelihood approach - 10 - 2 Framework and study site - 14 - 2.1 Theoretical framework - 14 - 2.2 Methodological framework - 18 - 2.2.1 Field laboratories - 18 - 2.2.2 Methods - 19 - 2.2.3 Methodology applied in research step I: Vulnerability in Achamayo - 21 - 2.2.4 Methodology applied in research step II: Agroforestry systems and agricultural droughts - 29 - 2.2.5 Methodology applied in research step III: Modeling small farm production systems - 33 - 2.2.6 Selection of case studies - 34 - 2.3 Study area - 35 - 2.3.1 Soils and topography - 35 - 2.3.2 Weather - 37 - 2.3.3 Agro-ecological zones and vegetation - 38 - 2.3.4 Climate change - 40 - 2.3.5 Socioeconomic characteristics - 42 - 2.3.6 Population - 43 - 2.3.7 External determinants - 71 - 2.4 Case studies - 47 - 2.4.1 Lowland communities (L) - 49 - 2.4.2 Middle access communities (M) - 50 - 2.4.3 Highland communities (H) - 51 - 3 Vulnerability in Achamayo - 53 - 3.1 Results - 53 - 3.1.1 Sustainable Livelihood Vulnerability Index (S-LVI) - 53 - 3.1.2 IPCC Livelihood Vulnerability Index (LVI-IPCC) - 68 - 3.2 Discussion - 71 - 3.2.1 Climate variability and extreme events - 71 - 3.2.2 Human capital - 71 - 3.2.3 Social capital - 71 - 3.2.4 Natural capital - 71 - 3.2.5 Physical capital - 71 - 3.2.6 Financial capital - 71 - 3.2.7 Livelihood strategies following the S-LVI and LVI-IPCC indices - 86 - 3.3 Conclusion - 92 - 4 Agroforestry systems and agricultural droughts - 95 - 4.1 Results - 96 - 4.1.1 Farmers’ experience and perception on climate variability and agricultural droughts - 96 - 4.1.2 Agricultural droughts in the farm household systems - 97 - 4.1.3 Farming forestry systems and land-use decision-making - 102 - 4.1.4 Influence of trees in the soil moisture and yield - 104 - 4.2 Discussion - 110 - 4.2.1 Climate change and agricultural droughts - 110 - 4.2.2 Farm forestry systems and land-use decision-making - 115 - 4.2.3 Influence of trees in the soil moisture and yield - 117 - 4.3 Conclusion - 121 - 5 Modeling small farm production systems: optimization of resource allocation - 123 - 5.1 Methodology - 124 - 5.1.1 Optimization Model - 126 - 5.1.2 Plan of optimization - 128 - 5.1.3 Production systems - 131 - 5.1.4 Constraints - 134 - 5.2 Results - 138 - 5.2.1 Model - 138 - 5.2.2 Interest rates - 142 - 5.2.3 Sensitivity analyses - 146 - 5.3 Discussion - 151 - 5.3.1 Cash flows - 151 - 5.3.2 Model outcomes - 152 - 5.3.3 Interest rates - 155 - 5.3.4 Sensitivity analyses - 159 - 5.4 Conclusion - 169 - 6 Synthesis - 171 - 6.1 Lessons learned - 171 - 6.1.1 Research step I - 172 - 6.1.2 Research step II - 175 - 6.1.3 Research step III - 176 - 6.2 Conclusions & outlook - 179 - 6.2.1 General conclusions - 179 - 6.2.2 Outlook - 181 - References - 185 - Appendix - 199 - / Las zonas montañosas, incluyendo la región andina son muy sensibles al cambio climático. Los agricultores de los Andes centrales del Perú están cada vez más expuestos a los efectos de la variabilidad climática. Esta investigación transdisciplinaria utiliza laboratorios de campo (field laboratories), combinando los enfoques de sistemas agrícolas y de medios de vida sostenibles, para llevar a cabo evaluaciones sociales, ecológicas y financieras con el fin de identificar estrategias sostenibles y resilientes para los agricultores andinos de pequeña escala. La primera fase de la investigación caracteriza a los sistemas agrícolas familiares, influenciados por sus contextos biofísicos y socioeconómicos, para lo cual se elaboraron dos índices de vulnerabilidad centrados en la variabilidad del clima, los cinco activos de los medios de vida y los tres componentes de la vulnerabilidad del IPCC. Estos índices muestran las condiciones de alta sensibilidad de la mayoría de las comunidades, con malas condiciones de salud y poco acceso a la infraestructura y a los servicios públicos. La capacidad de respuesta de los agricultores es a menudo limitada por la baja diversidad en las actividades agrícolas y la falta de organización. Posteriormente se identificaron las estrategias de medios de vida sostenibles. Estas incluyen la intensificación en las actividades agrícolas y la intensificación del trabajo no agrícola en las comunidades de zonas bajas y con mejor acceso. En las comunidades con menor acceso y zonas altas la migración temporal es una estrategia de afrontamiento común. Los escenarios sostenibles en estas comunidades incluyen un incremento en las estrategias de diversificación p. ej. a través de un aumento de la biodiversidad agrícola y una mayor proporción de sistemas de producción asociados con árboles. Por otra parte, la segunda fase de la investigación explora las estrategias locales para hacer frente a las sequías agrícolas y evalúa, por medio de métodos de evaluación de recursos naturales, los sistemas agroforestales como alternativa para reducir sus efectos negativos. Afectados principalmente por el aumento en la variación de las precipitaciones, los pequeños agricultores identifican a la diversificación de actividades dentro y fuera de sus parcelas agrícolas como una estrategia de adaptación frente a las sequías agrícolas que reduce la dependencia climática y la covarianza entre las actividades de subsistencia. Dentro de la introducción de variedades de cultivos y pastos más resistentes, como parte de la solución, los agricultores desean la incorporación de árboles en su sistema debido a su influencia positiva en la humedad del suelo y en los rendimientos de los cultivos. La humedad del suelo en sistemas agroforestales con árboles de eucalipto es un 10-20% mayor que en los sistemas agrícolas durante el comienzo de la estación húmeda. Las diferencias en la humedad del suelo durante el final de la estación seca y en el rendimiento de los cultivos de papa no son evidentes entre estos dos sistemas. A pesar de esto, el espacio sin siembra dejado en los sistemas agroforestales redujo la producción agrícola en un 13-17%. La tercera fase de la investigación busca maximizar la eficiencia en la asignación de recursos en los sistemas agrícolas familiares mediante el desarrollo de un modelo de optimización de programación lineal. Esta evaluación financiera respalda la necesidad de actividades adicionales no-agrícolas para agricultores con recursos más escasos. Además, con tasas de interés por debajo del 15%, el modelo siempre incluye a los sistemas de producción forestales y/o agroforestales como parte de las soluciones óptimas. Sin embargo, con el aumento de las tasas de interés, una mayor proporción de tierra se utiliza para cubrir las necesidades básicas del hogar y menos recursos están disponibles para las actividades de acumulación de capital como la silvicultura. Las variaciones introducidas en el modelo muestran que los sistemas de pastoreo son más sensibles a los cambios en los condiciones de producción. Por otro lado, la variación en los salarios de los trabajadores agrícolas y en los precios de los árboles afectan en un menor grado las soluciones óptimas, proporcionando sistemas agrícolas menos sensibles a estos cambios en el mercado. Finalmente, la incorporación de árboles en los sistemas agrícolas ha demostrado ser una estrategia de vida sostenible y resiliente a la variabilidad climática disponible para determinados sistemas agrícolas familiares de la zona de estudio.:1 Introduction - 1 - 1.1 Introduction and justification - 1 - 1.2 Objectives and thesis statements - 2 - 1.3 Outline - 3 - 1.4 Definition of terms - 5 - 1.4.1 Vulnerability - 5 - 1.4.2 Resilience - 7 - 1.4.3 Agroforestry systems - 8 - 1.4.4 Farming system approach - 9 - 1.4.5 Farm household system - 10 - 1.4.6 Sustainable livelihood approach - 10 - 2 Framework and study site - 14 - 2.1 Theoretical framework - 14 - 2.2 Methodological framework - 18 - 2.2.1 Field laboratories - 18 - 2.2.2 Methods - 19 - 2.2.3 Methodology applied in research step I: Vulnerability in Achamayo - 21 - 2.2.4 Methodology applied in research step II: Agroforestry systems and agricultural droughts - 29 - 2.2.5 Methodology applied in research step III: Modeling small farm production systems - 33 - 2.2.6 Selection of case studies - 34 - 2.3 Study area - 35 - 2.3.1 Soils and topography - 35 - 2.3.2 Weather - 37 - 2.3.3 Agro-ecological zones and vegetation - 38 - 2.3.4 Climate change - 40 - 2.3.5 Socioeconomic characteristics - 42 - 2.3.6 Population - 43 - 2.3.7 External determinants - 71 - 2.4 Case studies - 47 - 2.4.1 Lowland communities (L) - 49 - 2.4.2 Middle access communities (M) - 50 - 2.4.3 Highland communities (H) - 51 - 3 Vulnerability in Achamayo - 53 - 3.1 Results - 53 - 3.1.1 Sustainable Livelihood Vulnerability Index (S-LVI) - 53 - 3.1.2 IPCC Livelihood Vulnerability Index (LVI-IPCC) - 68 - 3.2 Discussion - 71 - 3.2.1 Climate variability and extreme events - 71 - 3.2.2 Human capital - 71 - 3.2.3 Social capital - 71 - 3.2.4 Natural capital - 71 - 3.2.5 Physical capital - 71 - 3.2.6 Financial capital - 71 - 3.2.7 Livelihood strategies following the S-LVI and LVI-IPCC indices - 86 - 3.3 Conclusion - 92 - 4 Agroforestry systems and agricultural droughts - 95 - 4.1 Results - 96 - 4.1.1 Farmers’ experience and perception on climate variability and agricultural droughts - 96 - 4.1.2 Agricultural droughts in the farm household systems - 97 - 4.1.3 Farming forestry systems and land-use decision-making - 102 - 4.1.4 Influence of trees in the soil moisture and yield - 104 - 4.2 Discussion - 110 - 4.2.1 Climate change and agricultural droughts - 110 - 4.2.2 Farm forestry systems and land-use decision-making - 115 - 4.2.3 Influence of trees in the soil moisture and yield - 117 - 4.3 Conclusion - 121 - 5 Modeling small farm production systems: optimization of resource allocation - 123 - 5.1 Methodology - 124 - 5.1.1 Optimization Model - 126 - 5.1.2 Plan of optimization - 128 - 5.1.3 Production systems - 131 - 5.1.4 Constraints - 134 - 5.2 Results - 138 - 5.2.1 Model - 138 - 5.2.2 Interest rates - 142 - 5.2.3 Sensitivity analyses - 146 - 5.3 Discussion - 151 - 5.3.1 Cash flows - 151 - 5.3.2 Model outcomes - 152 - 5.3.3 Interest rates - 155 - 5.3.4 Sensitivity analyses - 159 - 5.4 Conclusion - 169 - 6 Synthesis - 171 - 6.1 Lessons learned - 171 - 6.1.1 Research step I - 172 - 6.1.2 Research step II - 175 - 6.1.3 Research step III - 176 - 6.2 Conclusions & outlook - 179 - 6.2.1 General conclusions - 179 - 6.2.2 Outlook - 181 - References - 185 - Appendix - 199 - / Hochgebirgsregionen einschließlich der Andenregion sind gegenüber dem Klimawandel sehr empfindlich. Die in den zentralen Anden von Peru lebenden Bauern sind mehr und mehr den Auswirkungen durch Klimaschwankungen ausgesetzt. Diese transdisziplinäre Forschung nutzt Feldlabore, die das System der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung und Ansätze zur nachhaltigen Lebensunterhaltssicherung kombinieren, um soziale, ökologische und ökonomische Erhebungen durchzuführen, so dass nachhaltige Livelihood-Strategien für die Kleinbauern in den Anden aufgezeigt werden können. Der erste Forschungsschritt untersucht und charakterisiert die bäuerlichen Haushaltssysteme, die durch ihre biophysikalischen und sozioökonomischen Kontexte beeinflusst sind. Hierfür wurden zwei Vulnerabilitätsindizes herausgearbeitet, die Klimavariabilität und die fünf Güter des Sustainable Livelihood-Konzepts im Fokus haben, sowie die drei Vulnerabilitätskomponenten des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Diese Indizes decken die hochgradige Sensitivität für die meisten Gemeinden auf, aufgrund des schlechten Gesundheitszustandes sowie dem Mangel an Infrastruktur und öffentlichen Dienstleistungen. Die Fähigkeit der Bauern damit umzugehen, ist zumeist begrenzt durch eine geringe Diversität und fehlende Organisation auf den Farmen. Anschließend werden nachhaltige Livelihood-Strategien aufgezeigt. Diese umfassen die Intensivierung der Arbeit in der Landwirtschaft und der Arbeitskraft außerhalb der Landwirtschaft für Gemeinden im Flachland sowie besser erreichbare Gemeinden. In Hochlandgemeinden und Gemeinden die schwer zugänglich sind, ist temporäre Migration eine geläufige Bewältigungsstrategie. Nachhaltige Szenarien in diesen Gemeinden beinhalten eine höhere Anzahl an Diversifizierungsstrategien wie die Steigerung von Agro-Biodiversität und dem Anteil an baumbasierten Produktionssystemen. Forschungsschritt II untersucht lokale Strategien, um die landwirtschaftliche Dürre zu bewältigen und bewertet – mit Hilfe von Naturressourcenbewertungsverfahren – Agroforstsysteme als eine Alternative, um die negativen Auswirkungen der Trockenzeiten zu verringern. Beeinträchtigt durch zunehmende Niederschlagsschwankungen, identifizieren Bauern die Diversifizierung von landwirtschaftlichen und nicht-landwirtschaftlichen Aktivitäten als Anpassungsstrategie bei landwirtschaftliche Dürre, wodurch die Abhängigkeit vom Wetter und die Kovarianz zwischen den Aktivitäten für den Lebensunterhalt reduziert werden kann. Neben der Einführung resistenterer Kultur- und Weidepflanzen, ist die Einbeziehung von Bäumen in das System wünschenswert, aufgrund ihres positiven Einflusses auf die Bodenfeuchte und Erträge. Die Bodenfeuchte in agroforstwirtschaftlichen Systemen mit Eukalyptusbäumen ist während der beginnenden Feuchtperiode 20% höher als in landwirtschaftlichen Systemen. Die Unterschiede der Bodenfeuchte am Ende der Trockenzeit und bezüglich des Kartoffelertrags sind zwischen diesen Systemen nicht markant, obwohl eine Fläche, auf der keine Saat ausgebracht wurde, den landwirtschaftlichen Ertrag in Agroforstsystemen um 13 bis 17% mindert. Forschungsschritt III versucht die Effizienz der Ressourcenzuordnung in Farmhaushaltssystemen zu maximieren, indem ein Optimierungsmodell mit Hilfe der linearen Programmierung entwickelt wird. Diese ökonomische Erhebung unterstreicht die Notwendigkeit zusätzlicher nichtlandwirtschaftlicher Aktivitäten für ressourcenärmere Bauern. Bei Zinsraten unter 15% umfasst das Model baumbasierte Produktionssysteme als einen Teil der optimalen Lösung. Mit steigenden Zinsraten wird jedoch eine größere Bodenfläche dazu verwendet, um die Grundbedürfnisse der Haushalte zu decken und es stehen weniger Ressourcen für Aktivitäten zur Kapitalanhäufung wie Forstwirtschaft zur Verfügung. Die in das Modell involvierten Variationen zeigen, dass Weidesysteme sensibler auf Veränderungen des Produktionsausstoßes reagieren. Schwankungen bei den Löhnen der Farmer und Veränderungen der Baumpreise beeinträchtigen hingegen die optimalen Lösungen weniger. Dadurch sind die landwirtschaftlichen Systeme gegenüber Marktschwankungen weniger anfällig. Abschließend erweist sich, dass – für bestimmte Farmhaushaltssysteme im Untersuchungsgebiet – die Einbeziehung baumbasierter Systeme als nachhaltige und resiliente Livelihood-Strategie angesichts von Klimaschwankungen nützlich ist.:1 Introduction - 1 - 1.1 Introduction and justification - 1 - 1.2 Objectives and thesis statements - 2 - 1.3 Outline - 3 - 1.4 Definition of terms - 5 - 1.4.1 Vulnerability - 5 - 1.4.2 Resilience - 7 - 1.4.3 Agroforestry systems - 8 - 1.4.4 Farming system approach - 9 - 1.4.5 Farm household system - 10 - 1.4.6 Sustainable livelihood approach - 10 - 2 Framework and study site - 14 - 2.1 Theoretical framework - 14 - 2.2 Methodological framework - 18 - 2.2.1 Field laboratories - 18 - 2.2.2 Methods - 19 - 2.2.3 Methodology applied in research step I: Vulnerability in Achamayo - 21 - 2.2.4 Methodology applied in research step II: Agroforestry systems and agricultural droughts - 29 - 2.2.5 Methodology applied in research step III: Modeling small farm production systems - 33 - 2.2.6 Selection of case studies - 34 - 2.3 Study area - 35 - 2.3.1 Soils and topography - 35 - 2.3.2 Weather - 37 - 2.3.3 Agro-ecological zones and vegetation - 38 - 2.3.4 Climate change - 40 - 2.3.5 Socioeconomic characteristics - 42 - 2.3.6 Population - 43 - 2.3.7 External determinants - 71 - 2.4 Case studies - 47 - 2.4.1 Lowland communities (L) - 49 - 2.4.2 Middle access communities (M) - 50 - 2.4.3 Highland communities (H) - 51 - 3 Vulnerability in Achamayo - 53 - 3.1 Results - 53 - 3.1.1 Sustainable Livelihood Vulnerability Index (S-LVI) - 53 - 3.1.2 IPCC Livelihood Vulnerability Index (LVI-IPCC) - 68 - 3.2 Discussion - 71 - 3.2.1 Climate variability and extreme events - 71 - 3.2.2 Human capital - 71 - 3.2.3 Social capital - 71 - 3.2.4 Natural capital - 71 - 3.2.5 Physical capital - 71 - 3.2.6 Financial capital - 71 - 3.2.7 Livelihood strategies following the S-LVI and LVI-IPCC indices - 86 - 3.3 Conclusion - 92 - 4 Agroforestry systems and agricultural droughts - 95 - 4.1 Results - 96 - 4.1.1 Farmers’ experience and perception on climate variability and agricultural droughts - 96 - 4.1.2 Agricultural droughts in the farm household systems - 97 - 4.1.3 Farming forestry systems and land-use decision-making - 102 - 4.1.4 Influence of trees in the soil moisture and yield - 104 - 4.2 Discussion - 110 - 4.2.1 Climate change and agricultural droughts - 110 - 4.2.2 Farm forestry systems and land-use decision-making - 115 - 4.2.3 Influence of trees in the soil moisture and yield - 117 - 4.3 Conclusion - 121 - 5 Modeling small farm production systems: optimization of resource allocation - 123 - 5.1 Methodology - 124 - 5.1.1 Optimization Model - 126 - 5.1.2 Plan of optimization - 128 - 5.1.3 Production systems - 131 - 5.1.4 Constraints - 134 - 5.2 Results - 138 - 5.2.1 Model - 138 - 5.2.2 Interest rates - 142 - 5.2.3 Sensitivity analyses - 146 - 5.3 Discussion - 151 - 5.3.1 Cash flows - 151 - 5.3.2 Model outcomes - 152 - 5.3.3 Interest rates - 155 - 5.3.4 Sensitivity analyses - 159 - 5.4 Conclusion - 169 - 6 Synthesis - 171 - 6.1 Lessons learned - 171 - 6.1.1 Research step I - 172 - 6.1.2 Research step II - 175 - 6.1.3 Research step III - 176 - 6.2 Conclusions & outlook - 179 - 6.2.1 General conclusions - 179 - 6.2.2 Outlook - 181 - References - 185 - Appendix - 199 - / Regiões altomontanas, incluindo os Andes são extremamente sensíveis aos impactos das mudanças climáticas. Pequenos agricultores da região central dos Andes Peruanos estão progressivamente sendo expostos aos impactos das variações climáticas. A presente investigação transdisciplinar utiliza “field laboratories”, combinando os enfoques de sistemas rurais e dos meios de subsistência sustentáveis, visando uma avaliação social, ecológica e financeira, com intuito de se identificar estratégias resilientes e sustentáveis para os pequenos agricultores Andinos. A primeira etapa do presente estudo investiga e caracteriza os sistemas rurais, influenciados por seus contextos biofísicos e socioeconômicos, para os quais foram elaborados dois índices de vulnerabilidade focados na variabilidade climática, nos recursos dos meios de vida (cinco capitais) e nos três componentes da vulnerabilidade do IPCC. Esses índices mostram as condições altamente sensíveis da maioria das comunidades, com más condições de saúde, acesso à infra-estrutura e serviços públicos. A capacidade de resposta dos pequenos agricultores é frequentemente limitada pela baixa diversificação de actividades na exploração agricola e falta de organização. Posteriormente, foram identificadas estratégias de subsitência sustentáveis. Estas incluem a intensificação tanto do trabalho rural, quanto do não-agrícola para as comunidades de terras baixas e mais acessíveis. Para as comunidades altomontanas e com menor acesso, a migração temporária é uma estratégia de enfrentamento comum. Cenários sustentáveis para essas comunidades incluem um incremento nas estratégias de diversificação p. ex. aumentando a agrobiodiversidade e a parcela dos sistemas de produção florestais. A segunda etapa da pesquisa explora estratégias locais para lidar com as secas agrícolas e investiga, por meio de métodos de avaliação de recursos naturais, sistemas agroflorestais como alternativa para reduzir os seus efeitos negativos. Afetado principalmente pelo aumento da variação da precipitação, os agricultores identificam a diversificação tanto no trabalho rural, quanto no não-agrícola, como estratégias adaptativas contra secas agrícolas que reduzam a dependência do clima e covariância entre atividades de subsitência. Entre a introdução de culturas e de pastagens de variedades mais resistentes, a incorporação de árvores em seu sistema é desejada por conta da sua influência positiva na umidade do solo e no rendimento das culturas. A umidade do solo em sistemas agroflorestais com árvores de eucalipto é de 10-20% maior do que em sistemas agrícolas durante o início da estação chuvosa. As diferenças na umidade do solo durante o final da estação seca e na produtividade da batata não são evidentes entre estes dois sistemas. Apesar disso, o espaço sem semeadura deixado em sistemas agroflorestais reduziu a produção agrícola em 13-17%. A terceira etapa da presente investigação visa maximizar a eficiência da alocação de recursos em sistemas agrícolas familiares por meio do desenvolvimento de um modelo de otimização de programação linear. Esta avaliação financeira sustenta a necessidade de atividades não-agrícolas adicionais para agricultores com recursos escassos. Ademais, sob taxas de juros abaixo de 15%, o modelo inclui sistemas de produção florestais como parte da solução ideal. Contudo, com o aumento das taxas de juros, uma parcela maior da propriedade é usada para garantir as necessidades básicas, e portanto, menos recursos do agregado familiar estão disponíveis para atividades de acumulação de capital, tais como a silvicultura. Variações introduzidas no modelo mostram que sistemas de pastagem são mais sensíveis a mudanças nas condições de produção. Ademais, variaçãoes nos salários dos trabalhadores agrícolas e nos preços de árvores afetam menos as soluções ótimas, tornando os sistemas agrícolas menos sensíveis a estas mudanças do mercado. Por fim, a incorporação de sistemas florestais provaram ser uma estratégia de subsistência sustentável e resiliente contra a variação climática para determinados sistemas de agricultura familiar da área de estudo.:1 Introduction - 1 - 1.1 Introduction and justification - 1 - 1.2 Objectives and thesis statements - 2 - 1.3 Outline - 3 - 1.4 Definition of terms - 5 - 1.4.1 Vulnerability - 5 - 1.4.2 Resilience - 7 - 1.4.3 Agroforestry systems - 8 - 1.4.4 Farming system approach - 9 - 1.4.5 Farm household system - 10 - 1.4.6 Sustainable livelihood approach - 10 - 2 Framework and study site - 14 - 2.1 Theoretical framework - 14 - 2.2 Methodological framework - 18 - 2.2.1 Field laboratories - 18 - 2.2.2 Methods - 19 - 2.2.3 Methodology applied in research step I: Vulnerability in Achamayo - 21 - 2.2.4 Methodology applied in research step II: Agroforestry systems and agricultural droughts - 29 - 2.2.5 Methodology applied in research step III: Modeling small farm production systems - 33 - 2.2.6 Selection of case studies - 34 - 2.3 Study area - 35 - 2.3.1 Soils and topography - 35 - 2.3.2 Weather - 37 - 2.3.3 Agro-ecological zones and vegetation - 38 - 2.3.4 Climate change - 40 - 2.3.5 Socioeconomic characteristics - 42 - 2.3.6 Population - 43 - 2.3.7 External determinants - 71 - 2.4 Case studies - 47 - 2.4.1 Lowland communities (L) - 49 - 2.4.2 Middle access communities (M) - 50 - 2.4.3 Highland communities (H) - 51 - 3 Vulnerability in Achamayo - 53 - 3.1 Results - 53 - 3.1.1 Sustainable Livelihood Vulnerability Index (S-LVI) - 53 - 3.1.2 IPCC Livelihood Vulnerability Index (LVI-IPCC) - 68 - 3.2 Discussion - 71 - 3.2.1 Climate variability and extreme events - 71 - 3.2.2 Human capital - 71 - 3.2.3 Social capital - 71 - 3.2.4 Natural capital - 71 - 3.2.5 Physical capital - 71 - 3.2.6 Financial capital - 71 - 3.2.7 Livelihood strategies following the S-LVI and LVI-IPCC indices - 86 - 3.3 Conclusion - 92 - 4 Agroforestry systems and agricultural droughts - 95 - 4.1 Results - 96 - 4.1.1 Farmers’ experience and perception on climate variability and agricultural droughts - 96 - 4.1.2 Agricultural droughts in the farm household systems - 97 - 4.1.3 Farming forestry systems and land-use decision-making - 102 - 4.1.4 Influence of trees in the soil moisture and yield - 104 - 4.2 Discussion - 110 - 4.2.1 Climate change and agricultural droughts - 110 - 4.2.2 Farm forestry systems and land-use decision-making - 115 - 4.2.3 Influence of trees in the soil moisture and yield - 117 - 4.3 Conclusion - 121 - 5 Modeling small farm production systems: optimization of resource allocation - 123 - 5.1 Methodology - 124 - 5.1.1 Optimization Model - 126 - 5.1.2 Plan of optimization - 128 - 5.1.3 Production systems - 131 - 5.1.4 Constraints - 134 - 5.2 Results - 138 - 5.2.1 Model - 138 - 5.2.2 Interest rates - 142 - 5.2.3 Sensitivity analyses - 146 - 5.3 Discussion - 151 - 5.3.1 Cash flows - 151 - 5.3.2 Model outcomes - 152 - 5.3.3 Interest rates - 155 - 5.3.4 Sensitivity analyses - 159 - 5.4 Conclusion - 169 - 6 Synthesis - 171 - 6.1 Lessons learned - 171 - 6.1.1 Research step I - 172 - 6.1.2 Research step II - 175 - 6.1.3 Research step III - 176 - 6.2 Conclusions & outlook - 179 - 6.2.1 General conclusions - 179 - 6.2.2 Outlook - 181 - References - 185 - Appendix - 199 -

[ES] En esta tesis doctoral se desarrollan modelos de programación matemática para el diseño estratégico-táctico de una red de transporte intermodal que combina dos tipos de problemas de decisiones: la localización de instalaciones y el diseño de la red de transporte. Esta combinación se reconoce en la literatura como problemas combinados LI-DR. El problema combinado se estudia para una situación real y se analizan el comportamiento de la solución óptima, a partir de distintos aspectos como: la disponibilidad del presupuesto de inversión, capacidad de las instalaciones intermodales, múltiples periodos de decisiones, interdependencia en la priorización de las decisiones, múltiples fuentes de financiación y criterios de optimización para las tres dimensiones de sostenibilidad. Para la situación real se referencian las condiciones de acceso y conectividad de la Zona de Desarrollo Económico y Social (ZODES) Magdalena Medio del departamento de Bolívar en Colombia, y el potencial de la industria agroalimentaria para esta subregión. Con el propósito de identificar factores clave que perfilen la formulación respecto a la composición y funcionamiento de los sistemas intermodales y en los problemas combinados LI-DR se analiza la literatura desde estas dos perspectivas. El análisis de la literatura ha permitido aportar dos clasificaciones novedosas e identificar retos para la investigación futura. Para la formulación de los modelos se lleva a cabo la sistemática de pasos definidos para la aplicación de las técnicas de programación matemática. Con estos pasos se logra transformar el problema del mundo real a un problema manejable con estas técnicas. La transformación favorece la interpretación matemática del problema combinado LI-DR intermodal, la modelación de los datos y la definición de una estructura de red de entrada para indexar las decisiones estratégicas y tácticas. Los modelos de programación matemática se construyen de manera gradual. En concreto, se proponen 2 versiones que se representan en 5 variantes. Se comienza formulando un modelo de programación lineal entero-mixto (MPLEM) mono-periodo para analizar, desde un enfoque económico, la sensibilidad de las capacidades del sistema intermodal, la capacidad financiera de los tomadores de decisiones y la variación de la demanda. A continuación, sobre la base de este modelo se propone un MPLEM multi-periodo y dos variantes para validar las condiciones de interdependencia en la toma de decisiones estratégica y la participación de múltiples actores en la financiación de los proyectos de inversión. Finalmente, se formula un MPLEM multi-objetivo para optimizar simultáneamente las tres dimensiones de sostenibilidad. Para resolver y validar los modelos se implementaron dos esquemas de resolución. En los esquemas se utilizan los lenguajes de programación R y Python con el software de optimización matemática Gurobi Optimizer. Se realizan experimentos numéricos para distintos escenarios y se analiza el comportamiento de las soluciones considerando distintos valores a los parámetros. Los resultados obtenidos permiten comprobar la utilidad de los modelos matemáticos e identificar las principales limitaciones y futuras líneas de trabajo. / [CA] En aquesta tesi doctoral es desenvolupen models de programació matemàtica per al disseny estratègic-tàctic d'una xarxa de transport intermodal que combina dos tipus de problemes de decisions: la localització d'instal·lacions i el disseny de la xarxa de transport. Aquesta combinació es reconeix en la literatura com problemes combinats LI-DR. El problema combinat s'estudia per a una situació real i s'analitzen el comportament de la solució òptima, a partir de diferents aspectes com: la disponibilitat de l'pressupost d'inversió, capacitat de les instal·lacions intermodals, múltiples períodes de decisions, interdependència en la priorització de les decisions, múltiples fonts de finançament i criteris d'optimització per a les tres dimensions de sostenibilitat. Per a la situació real es referencien les condicions d'accés i connectivitat de la Zona de Desenvolupament Econòmic i Social (ZODES) Magdalena Medio de el departament de Bolívar a Colòmbia, i el potencial de la indústria agroalimentària per a aquesta subregió. Amb el propòsit d'identificar factors clau que perfilin la formulació respecte a la composició i funcionament dels sistemes intermodals i en els problemes combinats LI-DR s'analitza la literatura des d'aquestes dues perspectives. L'anàlisi de la literatura ha permès aportar dues classificacions noves i identificar reptes per a la investigació futura. Per a la formulació dels models es porta a terme la sistemàtica de passos definits per l'aplicació de les tècniques de programació matemàtica. Amb aquests passos s'aconsegueix transformar el problema de l'món real a un problema manejable amb aquestes tècniques. La transformació afavoreix la interpretació matemàtica de el problema combinat LI-DR intermodal, la modelació de les dades i la definició d'una estructura de xarxa d'entrada per indexar les decisions estratègiques i tàctiques. Els models de programació matemàtica es construeixen de manera gradual. En concret, es proposen 2 versions que es representen en 5 variants. Es comença formulant un model de programació lineal sencer-mixt (MPLEM) mono-període per analitzar, des d'un enfocament econòmic, la sensibilitat de les capacitats de sistema intermodal, la capacitat financera dels prenedors de decisions i la variació de la demanda. A continuació, sobre la base d'aquest model es proposa un MPLEM multi-període i dues variants per validar les condicions d'interdependència en la presa de decisions estratègica i la participació de múltiples actors en el finançament dels projectes d'inversió. Finalment, es formula un MPLEM multi-objectiu per optimitzar simultàniament les tres dimensions de sostenibilitat. Per resoldre i validar els models es van implementar dos esquemes de resolució. En els esquemes s'utilitzen els llenguatges de programació R i Python amb el programari d'optimització matemàtica Gurobi Optimizer. Es realitzen experiments numèrics per a diferents escenaris i s'analitza el comportament de les solucions considerant diferents valors als paràmetres. Els resultats obtinguts permeten comprovar la utilitat dels models matemàtics i identificar les principals limitacions i futures línies de treball. / [EN] In this doctoral thesis, mathematical programming models are developed aiming at the strategic-tactical design of an intermodal transport network that combines two types of decision problems: the location of facilities and the transport network design. In the literature, this combination is recognized as combined LI-DR problems. The combined problem is studied for a real situation and the performance of the optimal solution is analyzed in relation to different aspects such as the investment budget availability, the intermodal facilities capacity, multiple decision periods, interdependence in the prioritization of the decisions, multiple sources of funding and optimization criteria for the three dimensions of sustainability. In what concern to the real situation, the access and connectivity conditions of the Magdalena Medio Economic and Social Development Zone (ZODES, for its acronym in Spanish) of the Bolívar department in Colombia, and the potential of the agri-food industry for this subregion, are considered. Aiming the identification of key factors that outlines the formulation regarding the composition and operation of intermodal systems and, in combined LI-DR problems, the literature is reviewed from these two perspectives. The literature analysis has made it possible to provide two novel classifications and to identify challenges for future research. The formulation of models follows the systematic steps already defined for the application of mathematical programming techniques. Following these steps, it is possible to transform the problem from a real-world problem to a manageable one. The transformation promotes the mathematical interpretation of the intermodal LI-DR combined problem, the data modeling, and the definition of an input network structure to index strategic and tactical decisions. Mathematical programming models are built gradually. Specifically, 2 versions are proposed, which are represented by 5 variants. Firstly, it is formulated a single-period mixed-integer linear programming model (MILPM) in order to analyze, from an economic perspective, the sensitivity of the intermodal system capacities, the financial capacity of the decision-makers, and the demand changes. Based on the aforementioned model, a multi-period MILPM and two variants are proposed aiming to validate the conditions of interdependence in strategic decision-making and the participation of multiple actors in the investment projects financing. Finally, a multi-objective MILPM is formulated to simultaneously optimize all three dimensions of sustainability. To solve and validate the models, two resolution schemes were implemented. The schematics use the R and Python programming languages with the mathematical optimization software Gurobi Optimizer. Numerical tests are carried out for different scenarios and the performance of the solutions is analyzed considering different values for the parameters. The results obtained allow us to verify the usefulness of the models proposed and identify the main limitations and future lines of work. / Agamez Arias, ADM. (2021). Modelos de optimización para el diseño estratégico-táctico de una red de transporte intermodal [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/177015

[ES] La Gestión del Patrimonio Cultural (GPC) es una operación muy compleja cuyo objetivo es preservar la integridad física de los Bienes Culturales y, al mismo tiempo, difundir los valores históricos y permitir el disfrute del Patrimonio. Debido a las múltiples fases que componen la GPC (documentación, intervención, conservación preventiva, uso), el gestor se ve sometido a un gran esfuerzo de coordinación de las interacciones creadas por figuras profesionales muy diferentes, tanto por formación como por necesidades específicas en el ámbito de la gestión. En los últimos años, la aplicación de las tecnologías digitales al Patrimonio Cultural se ha convertido en una parte indispensable de la GPC. Las metodologías más utilizadas para la adquisición de datos, como el escaneo láser terrestre y la fotogrametría digital, también se han convertido en una práctica habitual en las actividades profesionales. Sin embargo, el uso de modelos 3D para la gestión se limita hasta ahora a algunas investigaciones académicas, que a menudo no tienen continuidad tras la finalización del proyecto. Además, hasta la fecha existen pocas normas supranacionales que guíen a las instituciones en el proceso de creación y uso de modelos 3D para la GPC. Por tanto, la falta de herramientas para controlar la calidad de los datos y productos digitales adquiridos afecta negativamente a la interacción entre el sector de la investigación académica, el sector de la gestión y el mundo profesional. La investigación propone el uso de los modelos 3D como una herramienta válida de apoyo en todas las fases de la gestión, ya sea utilizando los datos tridimensionales como base del archivo digital, o explotando todos los productos obtenidos a partir de los datos básicos para las múltiples acciones de cada fase. Por lo tanto, el objetivo de la tesis doctoral es desarrollar directrices para la producción de modelos 3D con el fin de gestionar, introducir y preservar eficazmente los datos. Estas directrices investigan todos los aspectos del proceso que va desde la adquisición de datos, pasando por su catalogación y archivo, hasta su tratamiento y la creación de un sistema de información simplificado para su gestión. Cada directriz guía al usuario a través de una fase específica del tratamiento y el uso de los datos digitales, y proporciona indicaciones adaptadas al nivel de conocimientos respecto a las tecnologías y metodologías digitales. De este modo, el gestor puede utilizar los modelos 3D para su gestión y controlar su calidad y sus estándares mínimos. Se ha optado por un enfoque interdisciplinar e internacional con el fin de elaborar directrices que se adapten al mayor número posible de Bienes Culturales, desarrollando la tesis en el marco de un acuerdo de cotutela entre la Universidad de Bolonia y la Universitat Politècnica de València. Con el fin de obtener unas pautas universales, las metodologías analizadas en el estudio del estado del arte se aplicaron a una serie de casos de estudio. Los principales son los monumentos paleocristianos de Rávena (Italia), pertenecientes a la Lista del Patrimonio Mundial de la UNESCO, y un panteón neogótico situado en Castellón de la Plana (España). Las experiencias realizadas sobre la GPC en los dos países han contribuido a la elaboración de directrices y normas universales que mejoren las interacciones entre el mundo académico, los gestores y el sector profesional. La investigación, al poner de manifiesto los problemas inherentes a la GPC, ha permitido identificar las principales cuestiones abiertas que se deben explorar en futuras líneas de investigación, como la aplicación de estándares a un gran número de Bienes Culturales para conducir a la puesta a punto de los mismos estándares; la búsqueda de sistemas para la clasificación automática de los datos brutos; el tratamiento de los datos recogidos para la creación de relaciones, estrategias y métodos de clasificación, integración y optimización de datos heterogéneos. / [CA] La Gestió del Patrimoni Cultural (GPC) és una operació molt complexa l'objectiu de la qual és preservar la integritat física del els Béns Culturals i, al mateix temps, difondre els valors històrics i permetre el gaudi del Patrimoni. A causa de les múltiples fases que componen la GPC (documentació, intervenció, conservació preventiva, ús) , el gestor es veu sotmés a un gran esforç de coordinació de les interaccions creades per figures professionals molt diferents, tant per formació com per necessitats específiques en l'àmbit de la gestió. En els últims anys, l'aplicació de les tecnologies digitals al Patrimoni Cultural s'ha convertit en una part indispensable de la GPC, des de les fases de documentació fins a les d'intervenció. Les metodologies més utilitzades per a l'adquisició de dades, com l'escaneig làser terrestre i la fotogrametria digital, també s'han convertit en una pràctica habitual en les activitats professionals. No obstant això, l'ús de models 3D per a la gestió es limita fins ara a algunes investigacions i aplicacions acadèmiques, que sovint no tenen continuïtat després de la finalització del projecte. A més, fins a la data hi ha poques normes supranacionals que guien a les institucions en el procés de creació i ús de models 3D. Per tant, la falta de ferramentes per a controlar la qualitat de les dades i productes digitals adquirits afecta negativament la interacció entre el sector de la investigació acadèmica, el sector de la gestió i el món professional. La investigació proposa l'ús dels models 3D com una ferramenta vàlida de suport en totes les fases de la gestió, ja siga utilitzant les dades tridimensionals com a base de l'arxiu digital, o explotant tots els productes obtinguts a partir de les dades bàsiques per a les múltiples accions de cada fase. Per tant, l'objectiu de la tesi doctoral és desenrotllar directrius per a la producció de models 3D a fi de gestionar, introduir i preservar eficaçment les dades. Estes directrius investiguen tots els aspectes del procés que va des de l'adquisició de dades, passant per la seua catalogació i arxiu, fins al seu tractament i la creació d'un sistema d'informació simplificat per a la seua gestió. Cada directriu particular guia l'usuari a través d'una fase específica del tractament i l'ús de les dades digitals, i proporciona indicacions adaptades al nivell de coneixements respecte a les tecnologies i metodologies digitals. D'esta manera, el gestor pot utilitzar els models 3D per a la seua gestió i controlar la seua qualitat i els seus estàndards mínims. S'ha optat per un enfocament interdisciplinari i internacional a fi d'elaborar directrius que s'adapten al nombre més gran possible de tipus de Béns Culturals Cultural, desenrotllat la tesi en el marc d'un acord de cotutela entre la Universitat de Bolonya i la Universitat Politècnica de València. A fi d'obtindre unes pautes universals, les metodologies analitzades en l'estudi de l'estat de l'art es van aplicar a una sèrie de casos d'estudi. Els principals són els monuments paleocristians de Ravenna (Itàlia), pertanyents a la Llista del Patrimoni Mundial de la UNESCO, i una capella neogòtica situada a Castelló de la Plana (Espanya). Les experiències realitzades sobre la GPC en els dos països han contribuït a l'elaboració de directrius i normes universals que milloren les interaccions entre el món acadèmic, els gestors i el sector professional. La investigació, al posar de manifest els problemes inherents a la GPC, permet identificar les principals qüestions obertes que s'han d'explorar en futures línies d'investigació, com l'aplicació d'estàndards a un gran nombre de Béns Culturals per a conduir a la posada al punt dels mateixos estàndards; la busca de sistemes per a la classificació automàtica de les dades brutes; el tractament de les dades arreplegats per a la creació de relacions, estratègies i mètodes de classificació, integració i optimització de dades heterogènies. / [EN] The Management of Cultural Heritage (MCH) is a very complex operation aimed at protecting the physical integrity of Cultural Heritage assets, while promoting their historical value and development of tourism industry. Composed by distinct phases (documentation, intervention, monitoring and use), MCH implies a great effort for the project manager to coordinate the interactions among very different professional figures. In recent years, the use of digital technologies has become an essential part of the MCH delicate process, from early documentation to late intervention phases. The most commonly used methodologies for digital data acquisition, such as terrestrial laser scanning and digital photogrammetry, have become common practice in a broad range of professional activities. On the contrary, the use of 3D models for MCH is still limited to few academic research to date, often lacking continuity and wide application after the end of specific projects. Furthermore, very few supra-national standard guidelines regulating their use are available to date. As a consequence, the operator who decides to use a 3D model as a basis for management is faced with the scarcity and fragmentation of standards and guidelines. Moreover, the lack of standard on quality of acquired data and digital products negatively influences the interaction between the academic research sector, the managers and the professional world. The focus is on the use of 3D models as a valid support tool in the MCH process, highlighting their advantages in all the distinct phases of the management. As an example, 3D data can constitute themselves the basis for the digital database, gathering all available information concerning a Cultural Heritage site, exploitable for restoration works or for scientific dissemination. In particular, the aim of this PhD research is to develop guidelines to produce 3D models for MCH, with the purpose to efficiently entry, store and manage digital data. The here provided guidelines investigate every aspect of the process leading from data acquisition to cataloguing and archiving, processing and creation of a simplified information system. Each recommendation guides the user through the management of digital data, by adapting to his/her level of knowledge with respect to digital technologies and methodologies. In this way, the manager can efficiently use 3D models in MCH projects. In order to elaborate guidelines that could be suitable for as many typologies of Cultural Heritage as possible an international approach was chosen, developing the thesis in joint supervision under the University of Bologna and the Universitat Politècnica de València. We decided to apply state-of-the-art technologies and methodologies to a variety of case studies. The main ones are the early Christian monuments of Ravenna (Italy) belonging to the UNESCO World Heritage List, and a small neogothic chapel located in Castellón de la Plana (Spain). The fruitful collaboration between two different countries allowed an invaluable exchange of MCH expertise and, more broadly, contributed to the elaboration of standardized and universally applicable MCH guidelines that will allow a better interaction between managers, the academic research world and the professional one. The investigation, by highlighting the problems inherent to the MCH, made it possible to identify the main open issues that need to be explored in future lines of research, such as the application of standards to a large number of cultural assets in an iterative, continuous and automatic way, in order to perfecting the standards; the search for automatic classification of raw data; the processing of collected data for the creation of relations, strategies and methods for the classification, integration and optimisation of heterogeneous data. / Bertacchi, G. (2022). Guidelines for the Management of Cultural Heritage Using 3D Models for the Insertion of Heterogeneous Data [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182419