Managing coastal aquifers in climate and socio-economic change: An indicator-based multi-criteria decision system approach

<p>Worldwide, climate change as well as socio-economic changes are increasing pressure on water supply in coastal regions and lead to major changes in groundwater recharge as well as the regional water balance as parts of the hydrosystem. These changes are threatening water security and, thereby, impede the fulfillment of the SDG 6 targets, esp. SDG targets 6.2., 6.4. and 6.6 of the UN 2030 Agenda for Sustainable Development. Thus, a modern water management demands innovative and profound methods and tools that comprehensively cover these complex changes. To address this challenge,  in the BMBF project "go-CAM" (Implementing strategic development goals in Coastal Aquifer Management) we took the methodological approach of developing new groundwater status indicators (e.g. chloride concentration in groundwater, position of saltwater/freshwater interface, freshwater volume) and corresponding target functions implemented in a new online-based management and evaluation tool called "CAM" (Coastal Aquifer Management). Both the physically based indicators as well as the target functions tackle economic as well as ecological issues. The groundwater status indicators are directly derived from the results of high-resolution, process-based (hydrological and hydrogeological) modeling of coastal hydrosystems. Due to their physical nature, the indicators are only applicable with appropriately designed climate and socio-economic scenarios for coastal water management if they are generated with models that also capture the system-relevant processes: Groundwater recharge, groundwater abstraction, discharge dynamics through drainage systems, sea level rise and groundwater discharge to the sea and saltwater intrusion.</p><p>The CAM platform is a tool that provides a way to make the results of the complex and extensive numerical modeling usable for a wider community and thus allow for a more efficient result exploitation. Building on the indicators and the selection of target functions and weighting factors the CAM tool uses Multi-Criteria Decision Analysis techniques (MCDA) to strengthen transparency and objectivity in decision-making processes and encourage communication between decision-makers in the water sector of coastal regions. In this way, the application of the CAM tool contributes to the establishment of an integrated water resources management and to derive and discuss future water management strategies as well as concrete measures.</p><p>Our methodological approach as well as the results are presented applied to a regional coastal groundwater study area in the northwestern part of Germany, the Sandelermöns region, which covers an area of about 1,000 km².</p>

Surrogate-based optimization methods for coastal aquifer management

Η ανάλυση ευαισθησίας, η ανάλυση αβεβαιότητας, η βελτιστοποίηση και άλλες επαναληπτικές μεθοδολογίες βασίζονται στην χρήση πολλαπλών προσομοιώσεων υψηλής πιστότητας, για την αποτελεσματική εφαρμογή τους σε πολύπλοκα φυσικά συστήματα. Η σύζευξη των εν λόγω μεθοδολογιών με λεπτομερή αριθμητικά μοντέλα συχνά κρίνεται ως μη πρακτική λόγω του μεγάλου υπολογιστικού φόρτου. Ένα αντίστοιχο πρόβλημα πραγματεύεται και η παρούσα διατριβή στην οποία η χρήση μοντέλων υψηλής πιστότητας για την προσομοίωση της παράκτιας υπόγειας ροής στην βελτιστοποίηση αντλήσεων, εμποδίζει την εφαρμογή καθιερωμένων σχημάτων προσομοίωσης-βελτιστοποίησης λόγω αυξημένου υπολογιστικού φόρτου. Μια διαθέσιμη μέθοδος, αναγνωρισμένη στην βιβλιογραφία για την επιτυχή μείωση του υπολογιστικού κόστους κατά την βελτιστοποίηση, είναι η χρήση μετα-μοντέλων στην οποία εστιάζει η παρούσα διδακτορική διατριβή. Ως κύριος στόχος της εργασίας είναι η ανάπτυξη νέων αποτελεσματικών σχημάτων προσομοίωσης-βελτιστοποίησης με χρήση μετα-μοντέλων στην διαχείριση παράκτιων υδροφορέων. Επιχειρείται επίσης μια εκτενής ανασκόπηση των μεθοδολογιών βελτιστοποίησης με χρήση μετα-μοντέλων τόσο στους διάφορους κλάδους της μηχανικής όσο και στον χώρο της διαχείρισης των υδατικών πόρων. Δίνεται έμφαση στην ανάπτυξη και ταυτόχρονα διεξοδική σύγκριση ανάλογων μεθόδων σε προβλήματα βελτιστοποίησης αντλήσεων με διαφορετική διάσταση και διαφορετικό αριθμό προϋπολογισμένων προσομοιώσεων με το υπολογιστικά απαιτητικό αριθμητικό μοντέλο παράκτιας ροής. Σημειώνεται ότι η διατριβή παρουσιάζει την αποτελεσματικότητα και τις συγκρίσεις των διαφόρων μεθοδολογιών βάσει πολλαπλών ανεξάρτητων δοκιμών βελτιστοποίησης. Αναπτύσσονται και προτείνονται τα παρακάτω σχήματα βελτιστοποίησης με μετα-μοντέλα: (α) Σχήμα βελτιστοποίησης βασισμένο σε μετα-μοντέλα, ενσωματωμένο στις διαδικασίες εξελικτικού αλγόριθμου και εφαρμογή στρατηγικής στοχευμένης εκμετάλλευσης. (β) Σχήμα βελτιστοποίησης βασισμένο σε πολλαπλά μετα-μοντέλα (επιλογή καλύτερου μετα-μοντέλου ή δημιουργία συνόλου μετα-μοντέλων με υπολογισμό βέλτιστων βαρών), ενσωματωμένο στις διαδικασίες εξελικτικού αλγόριθμου και εφαρμογή στρατηγικής στοχευμένης εκμετάλλευσης. (γ) Σχήμα αναδρομικής-προσαρμοστικής βελτιστοποίησης βασισμένο σε μετα-μοντέλα, με στρατηγική αναζήτησης ισορροπίας μεταξύ ευρείας εξερεύνησης και στοχευμένης εκμετάλλευσης. (δ) Βελτιστοποίηση βασισμένη σε μοντέλα υφαλμύρωσης πολλαπλής πιστότητας με χρήση της μεθοδολογίας co-Kriging. Με την χρήση των προτεινόμενων μεθοδολογιών προέκυψαν αξιόπιστες λύσεις στην περιοχή του ολικού βέλτιστου, ικανοποιώντας ταυτόχρονα την ανάγκη για μικρό αριθμό προσομοιώσεων με το υπολογιστικά απαιτητικό μοντέλο μεταβλητής πυκνότητας και μεταφοράς ρύπου. Η ύπαρξη πολλαπλών μη γραμμικών περιορισμών στο πρόβλημα βελτιστοποίησης αντλήσεων που εξετάζεται, αντιμετωπίστηκε επιτυχώς με τα προτεινόμενα σχήματα και την χρήση συναρτήσεων ακτινικής βάσης (RBF) ως μετα-μοντέλα. Επιπλέον οι προτεινόμενες μεθοδολογίες συγκρίνονται επαρκώς με δημοσιευμένες τεχνικές βελτιστοποίησης με χρήση μετα-μοντέλων που χαίρουν ευρείας αποδοχής στην αντίστοιχη επιστημονική περιοχή. Το καινοτόμο προτεινόμενο σχήμα βελτιστοποίησης πολλαπλής πιστότητας που αναπτύχθηκε αξιοποιώντας τις δυνατότητες της μεθοδολογίας co-Kriging, παρείχε ενθαρρυντικά αποτελέσματα για την χρήση του σε προβλήματα βελτιστοποίησης αντλήσεων παράκτιων υδροφορέων με πολύ υψηλό υπολογιστικό κόστος.

Surrogate-based pumping optimization of coastal aquifers under limited computational budgets

The computationally expensive variable density and salt transport numerical models hinder the implementation of simulation-optimization routines for coastal aquifer management. To reduce the computational cost, surrogate models have been utilized in pumping optimization of coastal aquifers. However, it has not been previously addressed whether surrogate modelling is effective given a limited number of numerical simulations with the seawater intrusion model. To that end, two surrogate-based optimization (SBO) frameworks are employed and compared against the direct optimization approach, under restricted computational budgets. The first, a surrogate-assisted algorithm, employs a strategy which aims at a fast local improvement of the surrogate model around optimal values. The other, balances global and local improvement of the surrogate model and is applied for the first time in coastal aquifer management. The performance of the algorithms is investigated for optimization problems of moderate and large dimensionalities. The statistical analysis indicates that for the specified computational budgets, the sample means of the SBO methods are statistically significantly better than those of the direct optimization. Additionally, the selection of cubic radial basis functions as surrogate models, enables the construction of very fast approximations for problems with up to 40 decision variables and 40 constraint functions.