Optimal Management of Regional Water Supply Systems Using a Reduced Finite-Element Groundwater ModelOptimierte Bewirtschaftung von regionalen Wasserversorgungssystemen unter Nutzung eines reduzierten Finite-Elemente Grundwassermodells

Abstract

The sustainable management of water resources and a reliable supply of safe drinking water will play a key role for the human prosperity in the following decades. This paper presents an optimal control approach for the management of water resources in a rapid developing region with critical water shortage. A model of the water allocation system is developed which considers both surface and groundwater resources and the distribution network. A reduced model of the complex spatially distributed 3D Finite Element groundwater model is applied. Hence the optimization problem, which is formulated as a large scale structured non-linear programming problem, can be solved with appropriate computation effort. The performance of the proposed concept is analyzed using realistic optimization scenarios.Zusammenfassung Das nachhaltige Management von Wasserressourcen und die gesicherte Versorgung mit Trinkwasser wird in den nächsten Jahren weiter an Bedeutung gewinnen. In diesem Beitrag wird ein Konzept zum Management der Wasserressourcen in einer sich schnell entwickenden Metropole mit starker Wasserknappheit vorgestellt, das auf einem modellbasierten Optimalsteuerungsansatz basiert. Es wird ein Modell der Wasserressourcen (Grund-und Oberflächenwasser) und des Verteilungssystems entwickelt. Eine Besonderheit dabei ist die Berücksichtigung des räumlich verteilten Grundwassersystems. Es wird ein komplexes 3D Finite-Elemente-Modell mittels einem trajektorienbasierten Ansatz so weit reduziert, dass das Optimierungsproblem, das als hochdimensionales, strukturiertes nichtlineares Programm formuliert ist, in angemessener Rechenzeit gelöst werden kann. Die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Management-Konzeptes wird anhand realitätsnaher Optimierungsszenarien demonstriert.