Quantifying environmental impact assesments using fuzzy logic

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Making Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Decision Support Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1.1 Multi-Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.1.2 Multi-Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.2 Expert Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.3 Decision-Making in the EIA Process . . . . . . . . . . . . 7 Part I The Traditional Approach 2 General Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1 Definition of EIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Objectives of EIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3 EIA Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3.1 Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.2 Operating Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4 Other Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5 Problem Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 xii Contents 2.6 EIA Process Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3 Scoping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4 Baseline Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.1 What To Include . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.2 Collecting Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.2.1 Literature Reports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.2.2 Field Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.3 Baseline Condition Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.4 Missing or Insufficient Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5 Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6 Impact Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 6.1 Impact Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 6.2 Impact Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.3 Impact Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.3.1 Individual Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.3.2 Alternatives Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 6.3.3 Cumulative Effects Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 7 Writing the Impact Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Part II The Modern Approach 8 Moving to the New Paradigm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 8.1 Tools for the New Paradigm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 8.2 Progress Toward Adoption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 8.2.1 Mercury Bioaccumulation Risks . . . . . . . . . . . . . . . . 58 8.2.2 Checklist Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 8.2.3 Fuzzy Logic GIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 8.2.4 Fuzzy Decision Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 8.2.5 Fuzzy EIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 9 Introduction to Fuzzy Sets and Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 9.1 Measurement and Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 9.2 From Subjectivity to Objectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 9.3 Linguistic Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Contents xiii 9.4 Ranking of Preferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 9.5 Fuzzy Sets (Type-1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 9.5.1 Crisp Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 9.5.2 Fuzzy Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 9.5.3 Fuzzy Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 9.5.4 Membership Function Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 9.5.5 Alpha Cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 9.5.6 Fuzzy Hedges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 9.6 Fuzzy Sets (Type-2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 9.7 Fuzzy Set Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 9.8 IF-THEN Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 9.9 Defuzzification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 9.10 Fuzzy Implication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 9.10.1 Min-Max Implication Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 9.10.2 Additive Implication Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 9.10.3 Weighted Geometric Mean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 9.10.4 Symmetric Summation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 9.10.5 Ordered Weighted Aggregators . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 9.11 Compatibility Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 9.11.1 Unit Compatibility Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 9.11.2 Statistical Compatibility Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 9.11.3 Compatibility Height Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 10 Environmental Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 10.1 Inadequate Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 10.2 Fuzzy Set Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 10.3 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 11 Impact Inference and Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 11.1 Societal Values and Beliefs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 11.2 Fuzzy Expert System Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 11.2.1 Designing the Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 11.2.1.1 Universe of Discourse . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 11.2.1.2 Name Convention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 11.2.1.3 Hedge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 11.2.1.4 Membership Function Shape, Overlap, and Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 11.2.1.5 Defuzzification and Output Processing . . 136 11.2.2 Rule Creation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 xiv Contents 11.2.2.1 Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 11.2.2.2 Rule Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 11.2.2.3 Logic Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 11.2.2.4 Implication Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 11.2.2.5 Aggregation Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 11.2.2.6 Defuzzification Method . . . . . . . . . . . . . . . . 147 11.2.2.7 Importance Weights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 11.3 Significance, Acceptability, Sustainability . . . . . . . . . . . . . . 149 11.3.1 Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 11.3.1.1 Likelihood of Occurrence . . . . . . . . . . . . . . 151 11.3.1.2 Direction and Magnitude . . . . . . . . . . . . . . 153 11.3.1.3 Areal Extent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 11.3.1.4 Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 11.3.1.5 Reversibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 11.3.1.6 Mitigation Degree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 11.3.1.7 Occurrence Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 11.3.1.8 Geographic Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 11.3.2 Acceptability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 11.3.3 Sustainability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 12 Multi-Objective, Multi-Criteria Decision-Making . . . . . . . . 167 Part III Application 13 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 13.1 What This Part Includes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 13.2 Description of the Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 13.3 Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 13.4 Need . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 14 Scoping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 14.1 Determining Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 14.2 Public Participation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 14.3 Conflicting Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Contents xv 15 Baseline Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 15.1 Vegetation and Wildlife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 15.1.1 Vegetation Cover Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 15.1.2 Sensitive, Threatened, and Endangered Plant Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 15.1.3 Wildlife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 15.1.4 Threatened and Endangered Wildlife Species . . . . 202 15.2 Wetlands, Hydrology, and Water Quality . . . . . . . . . . . . . . 204 15.2.1 Wetlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 15.2.2 Hydrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 15.2.3 Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 15.3 Aesthetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 15.4 Transportation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 15.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 15.4.2 Existing Traffic Volumes and Operations . . . . . . . . 210 15.4.3 Nonautomobile Transportation Facilities . . . . . . . . 211 15.4.3.1 Public Bus Transportation . . . . . . . . . . . . . . 211 15.4.3.2 Airports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 15.4.3.3 Bicycle Facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 15.4.3.4 Pedestrian Facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 15.5 Fuzzifying Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 15.6 Environmental Condition Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 16 Project Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 16.1 The Affected Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 16.1.1 Vegetation and Wildlife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 16.1.1.1 Alternative 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 16.1.1.2 Alternative 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 16.1.1.3 Alternatives 3 and 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 16.1.1.4 Alternative 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 16.1.2 Threatened and Endangered Species . . . . . . . . . . . . 224 16.1.2.1 Bald Eagle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 16.1.2.2 Sandhill Crane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 16.1.3 Wetlands, Hydrology, and Water Quality . . . . . . . . 225 16.1.3.1 Wetlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 16.1.3.2 Hydrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 16.1.3.3 Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 16.1.4 Aesthetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 16.1.4.1 Alternative 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 xvi Contents 16.1.4.2 Alternative 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 16.1.4.3 Alternative 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 16.1.4.4 Alternative 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 16.1.4.5 Alternative 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 16.1.5 Transportation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 16.1.5.1 Alternative 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 16.1.5.2 Alternative 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 16.1.5.3 Alternative 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 16.1.5.4 Alternative 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 16.1.5.5 Alternative 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 16.1.6 Cumulative Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 17 Results and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 17.1 Running the Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 17.2 Environmental Condition Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 17.3 Making and Supporting Policy Decisions . . . . . . . . . . . . . . 251 17.4 Caveats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 17.5 What the Future Holds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253