Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-250
Authors: Schneck, Alexander
Title: Optimierung der Grundwasserbewirtschaftung unter Berücksichtigung der Belange der Wasserversorgung, der Landwirtschaft und des Naturschutzes
Other Titles: Optimization of groundwater management considering the demands of water supply, agriculture and ecology
Issue Date: 2006
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
Series/Report no.: Mitteilungen / Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Universität Stuttgart;153
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-28841
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/267
http://dx.doi.org/10.18419/opus-250
ISBN: 3-933761-56-5
Abstract: Grundwasserentnahmen zum Zwecke der öffentlichen Trinkwasserversorgung führen in den Wassergewinnungsgebieten zur Absenkung der natürlichen Grundwasserstände und können sich daher negativ auf andere Grundwassernutzer auswirken. Sie bewirken beispielsweise Änderungen in den Standortbedingungen für die grundwasserabhängige Tier- und Pflanzenwelt und die landwirtschaftliche Nutzung. Bei der Existenz mehrerer Gewinnungsanlagen lässt sich die Gesamtentnahme auf die verschiedenen Brunnen verteilen, so dass hier eine Möglichkeit zur aktiven Steuerung der Förderraten gegeben ist. Dadurch ist es möglich, die Eingriffsintensität der Entnahme auf die anderen Nutzer zu minimieren. Doch durch die Entnahme aus verschiedenen Brunnen ergeben sich auch für die Wasserversorgung Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich der Qualität des Mischwassers. Vor diesem Hintergrund gilt es, ein Werkzeug zu entwickeln, mit dessen Hilfe die optimalen Förderraten schnell errechnet werden können, wobei die verschiedenartigen Anforderungen der Wasserversorgung, der Landwirtschaft und des Naturschutzes berücksichtigt werden. Gleichzeitig muss aber auch der Frage nachgegangen werden, welche Gesamtförderrate optimal im Sinn einer nachhaltigen Entwicklung des Wassergewinnungsgebietes ist. Dazu wird in der vorliegenden Arbeit ein Bewertungs- und Optimierungssystem für die Grundwasserbewirtschaftung entwickelt und anhand des Langenauer Donaurieds seine Praxistauglichkeit unter Beweis gestellt. Das System nutzt die Rechenergebnisse von numerischen Grundwassermodellen und wertet diese zusammen mit anderen ökologischen und sozioökonomischen Bewertungskriterien aus. Der errechnete Gesamtnutzwert einer Bewirtschaftungsalternative erlaubt nun eine Aussage darüber, wie nah man der angestrebten nachhaltigen Lösung ist und macht verschiedene Alternativenbewertungen direkt miteinander vergleichbar. Mit Hilfe eines gekoppelten Optimierungsalgorithmus‘ lässt sich so schnell die bestmögliche Bewirtschaftungsstrategie unter vorgegebenen Randbedingungen ermitteln. Eine solch umfassende Betrachtung der Auswirkungen von Grundwasserentnahmen erfordert den Einsatz eines multikriteriellen Bewertungssystems. Bei den durchgeführten Untersuchungen hat sich das Bewertungsverfahren Composite Programming als am besten geeignet für die vorliegende Fragestellung dargestellt. Die Arbeit stellt Schritt für Schritt dar, wie die einzelnen Bewertungskriterien und Zielvorgaben zu ermitteln sind, wie die einzelnen Teilbewertungen zu einer nachvollziehbaren Gesamtbewertung gebündelt werden und wie die gewonnenen Informationen genutzt werden können, um die Grundwasserbewirtschaftung zu optimieren. Umfassend wird in der Arbeit die Sensitivität der Bewertungs- und Optimierungsergebnisse auf die einwirkenden Randbedingungen untersucht und dargestellt. Aus den Untersuchungsergebnissen werden weiterhin Hinweise zum Umgang mit den nicht objektivierbaren Parametern abgeleitet, um die Anwendbarkeit und Übertragbarkeit auf andere Gebiete zu erleichtern. Als Ergebnis der Arbeit steht ein Werkzeug zur Verfügung, mit dessen Hilfe Grundwasserentnahmen zukünftig für die Nutzergruppen Wasserversorgung, Landwirtschaft und Natur verträglicher gestaltet werden können. Ein solches Werkzeug ist insbesondere vor dem Hintergrund der in den kommenden Jahren umzusetzenden EU-Wasserrahmenrichtlinie (Vermeidung signifikanter Schädigungen grundwasserabhängiger Landökosysteme) dringend notwendig.
The abstraction of groundwater for public water supply causes the drawdown of the piezometric heads within water catchment areas. Hence it may affect other groundwater users negatively. For example, it may change the environmental conditions for groundwater-dependent flora and fauna as well as the agricultural usability of the area. If there is more than one water abstraction site, the total extraction rate can be distributed on the various wells in manifold ways. This means that it is possible to manage the extraction rates actively and to minimize the impacts of the withdrawal on other stakeholders. However, mixing raw waters from different wells also leads to specific requirements for water supply itself, e.g. with regard to quality problems. Against this background a new tool has to be developed to calculate ideal extraction rates quickly taking into account the diverse demands and requirements of water supply, agriculture and ecology simultaneously. At the same time, it has to be investigated which is the ideal total extraction rate to support a sustainable development of the water catchment area. In the thesis at hand an evaluation and optimization system is developed and tested for practical use by applying it in the Langenauer Donauried. The system uses calculation results of numerical groundwater models and evaluates them in combination with other ecological and socio-economic evaluation criteria. The calculated total utility value allows to assess the sustainability of a groundwater management strategy and makes different management strategies directly comparable. With the aid of a conjunct optimization algorithm the best possible groundwater management strategy for predetermined boundary conditions can be calculated within a short time. A comprehensive consideration of the impacts of groundwater abstractions as such demands the use of a multicriterial evaluation system. The evaluation method Composite Programming turned out to be most suitable for the given problem. The thesis demonstrates step by step how relevant evaluation criteria and objectives are derived, and how single evaluations are bundled up into an objective total evaluation. It also shows how the results of the optimization can be used to improve groundwater management. A focus is put on the investigation and explanation of the sensitivity of evaluation and optimization results to the relevant boundary conditions and constraints. Furthermore hints for the use of the subjective parameters are derived from the investigations to ease the adaptability of the system to other areas. The result is a tool that allows the user to find better groundwater management strategies, taking into account the demands of all stakeholders. Regarding the targets of the European Water Framework Directive (avoid significant deterioration of groundwater-dependent terrestrial ecosystems) such a tool is urgently needed.
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