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Decision Support for Managed Aquifer Recharge (MAR) Project Planning to Mitigate Water Scarcity based on Non-conventional Water Resources

dc.contributor.advisorSauter, Martin Prof. Dr.de
dc.contributor.authorRahman, Mohammad Azizurde
dc.date.accessioned2011-09-16T15:24:02Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T11:23:18Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:13Zde
dc.date.issued2011-09-16de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B300-0de
dc.description.abstractDie Implementation von Managed Aquifer Recharge (MAR)-Anlagen macht eine sorgfältige Planung zur effizienten Integration in das Wasserressourcensystem und Realisiserung der wesentlichen Wasserbewirtschaftsziele notwendig. MAR-Systeme ermöglichen durch kontrollierte Wassereinleitung in das Aquifersystem und, sofern notwendig, spätere Wiederentnahme das kombinierte Management von Oberflächenwasser, Grundwasser und sogar Abwasserressourcen. Somit leistet MAR einen Beitrag zum Integrierten Management von Wasserressourcen (IWRM). Ungeachtet der Wichtigkeit dieser IWRM Komponente mangelt es der Planung und dem Management von MAR-Projekten bis jetzt an angemessenen Entscheidungshilfen und Richtlinien.Um die Planung von MAR-Projekten unter Wasserknappheit umfassend zu unterstützen, wurde im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes GARBADINE ein innovatives Decision Support System (G-DSS) entworfen, welches die folgenden Systemmodule enthält: (a) GIS basiertes Datenmanagementmodul, (b) DPSIR-Modul, (c) MAR-Planungsmodul, (d) Modul für räumliche multi-kriterielle Analysen (MCA) zur Unterstützung der MAR-Standortsbestimmung sowie (e) ein MCA-Modul für den Vergleich und die Bewertung von MAR-Planungsoptionen.Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein umfassendes Entscheidungskonzept für die Planung von MAR-Projekten unter Wasserknappheit zu erarbeiten. Ein strukturiertes sowie , standardisiertes Entscheidungskonzept wurde formuliert und als Grundlage für die Entwicklung des G-DSS verwendet. Die oben genannten Module c, d und e wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und in das G-DSS integriert. Ein weiterer wesentlicher Beitrag bezieht sich auf die Entwicklung des DPSIR-Moduls. Zur Validierung des G-DSS wurden im Rahmen dieser Arbeit einzelne Planungsschritte auf dem Weg zur MAR-Implementierung im Detail untersucht.Im Folgenden warden die im Rahmen der Arbeit entwickelten Systemmodule kurz dargestellt: · Das DPSIR (Driver, Pressure, State, Impact and Response)-Modul ermöglicht durch die Analyse kausaler Zusammenhänge die Strukturierung von Wasserressourcenproblemen und hilft, potentielle Antwort -Strategien zu identifizieren und Problemkomponenten aufzuzeigen. · Im MAR-Planungsmodul können die notwendigen Planungs- und Entscheidungsschritte aufgezeigt und abgearbeitet werden. Die Planungsschritte beziehen sich u.a. auf die Prüfung der Wasserverfügbarkeit und qaulität. Auch werden durch dieses Modul Entscheidungen zur Standort- und Technologieauswahl sowie die Definition und der Verleich von MAR-Planungsoptionen unterstützt. . · Zur Unterstützung der MAR-Standortauswahl wurde ein innovatives multikriterielles Verfahren zur Raumanalysse Spatial Multi-Criteria Decision Analysis (SMCDA) ung entwickelt. Das neue SMCDA-Tool ist auf Grund seiner Flexibilität für die Entscheidungsunterstützung bei unterschiedlichen Problemen der Standortauswahl einsetzbar. · Mit dem MCA-Modul, das für die Bewertung und den Vergleich von MAR-Planungsoptionen entwickelt wurde, können unterschiedliche Entscheidungskriterien und Analysetechniken eingesetzt werden. Dazu zählen beispielsweise der Analytical Hierarchy Process (AHP) und Weighted Linear Combination (WLC).Das G-DSS berücksichtigt wichtige Informationen zur Charakterisierung des Wasserressourcensystems, wie die Wasserverfügbarkeit und Wasserbedarfentwicklung in der Region. Auf Grund der ArcGIS-Platform profitiert das G-DSS von verschiedenen Verfahren für räumliche Analysen, die Datenverarbeitung und graphische Darstellung der Ergebnisse deutlich erleichtern. . Das G-DSS verfügt über eine interaktive, intelligente graphische Benutzerbenutzeroberfläche.Die folgenden vier wichtigen MAR-Planungsaufgaben wurden im Rahmen dieser Arbeit anhand von Fallbeispielen näher untersucht: (1) Beurteilung der Machbarkeit (Pre-Feasibility) von von MAR, (2) Standortsbestimmung und Ranking, (3) Beurteilung, Vergleich und Ranking der MAR-Planungs- und Bewirtschaftungsoptionen sowie die (4) Beurteilung des Betriebs- und der Umweltauswirkungen von Soil-Aquifer-Treatment (SAT)-Systemen. Ein Fallbeispiel in Bangladesch und drei Gabardine-Fallstudien wurden zur Untersuchung der oben genannten MAR- Planungsaufgaben (1) bis (4) ausgewählt: (1) Für Dhaka, Bangladesch, wurde eine MAR-Pre-Feasibility-Studie durchgeführt. Hauptproblem der Wasserversorgung ist die Übernutzung des Grundwassers. Die Studie unterstreicht die Unabdingbarkeit einer umfassenden hydrologischen Vorstudie. Zudem bestätigt sie, wie wichtig die Analyse aller Komponenten des Wasserressourcensystems bereits im frühen Stadium der MAR-Projektplanung ist , um alternative Planungsstrategien rechtzeitig entwerfen und ausreichend bewerten zu können. (2A) Eine praktische Anwendung des Entscheidungstools zur MAR-Standortauswahl (SMCDA-Tools) am Querença Silves Grundwasserleiter in der Algarve bestätigt die Tauglichkeit des Werkzeugs zur systematischen Identifizierung von Standortalternativen, ihrer Bewertung und abschließenden Auswahl. (2B) Eine zweite Anwendung des SMCDA-Tools im nördlichen Küstenaquifer des Gazastreifens hebt die Flexibilität des entwickelten Verfahrens hervor. Die MAR-Fallstudie zur Standortbestimmung für Infiltrationsanlagen im Gazastreifen zeigt, dass die SMCDA-Analyse erheblich von einer hydrogeologischer Folgenabschätzung mit Hilfe mathematischer Modelle zur Simulation von Grundwasserströmung und -transport profitiert. (3) Alternative MAR-Managementstrategien für den nördlichen Gazastreifen wurden mit Hilfe multikriterieller Verfahren auf der Grundlage sozio-ökonomischer und ökologischer Entscheidungskriterien miteinander verglichen und und gemäß ihrer Effizienz bewertet. Die Auswahl der Kriterien erfolgte in enger Kooperation mit lokalen Interessenvertretern und Entscheidungsträgern. Mit Hilfe der entwickelten Verfahren konten die vielversprechendsten MAR-Planungs- und -Bewirtschaftungsoptionen klar identifiziert werden. (4) Die letzte Fallstudie untersucht den den Einfluss der Aquifereigenschaften auf Transportprozesse unter Soil Aquifer Treatment -Bedingungen. An einem semi-ariden Standort in Südeuropa. Verwendet wurde ein integrativer Ansatz, der sowohl Feld- und Laboruntersuchungen als auch mathematische Modellrechnungen berücksichtigt. Auf Grundlage der Ergebnisse des integrativen Ansatzes empfiehlt die Studie weitere Grundwasserbeobachtungen und einen optimierten Betrieb der Infiltrationsbecken.Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Implementation von MAR nicht als lokale oder fallspezifische Aufgabe zu verstehen ist, sondern vielmehr als Teil eines regionalen IWRM Ansatzes auf Wassereinzugsgebietsebene. Die im Rahmen dieser Studie entworfenen MAR-Planungsstrukturen und die aus den Fallbeispielen gezogenen Schlussfolgerungen tragen zur einer effizienteren Planung von MAR-Anlagen bei. Die entwickelten Konzepte und Modellwerkzeuge wurden so strukturiert, dass sie bei unterschiedlichsten Randbedingungen zur Planung vom MAR-Anlagen in wasserarmen Regionen eingestzt werden können.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleDecision Support for Managed Aquifer Recharge (MAR) Project Planning to Mitigate Water Scarcity based on Non-conventional Water Resourcesde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedEntscheidungsunterstützung für die Projektplanung künstlicher Grundwasseranreicherungsmaßnahmen basierend auf unkonventionellen Wasserressourcende
dc.contributor.refereePtak-Fix, Thomas Prof. Dr.de
dc.date.examination2011-07-18de
dc.subject.dnb500 Naturwissenschaftende
dc.description.abstractengThe efficient integration into the water resources system and the implementation of Managed Aquifer Recharge (MAR) facilities requires careful planning if the overall water resources management objectives are to be fulfilled. The conjunctive management of surface water, groundwater, and even waste water resources is the aim of any viable MAR system and this is achieved by controlled recharge of these various water resources and, if required, subsequent extraction. MAR is thus part of the Integrated Water Resources Management (IWRM) concept yet until recently, the planning and management of MAR projects have lacked proper decision support and guidelines.For comprehensive support in MAR project planning under water scarce conditions, an innovative geospatial decision support system (G-DSS) has been developed within the scope of the European Research Project GABARDINE. The G-DSS contains the following system modules: (a) GIS-based DATA management module, (b) DPSIR module, (c) MAR PLANNING module, (d) Spatial Multi-Criteria-Analysis (MCA) module for MAR site selection, and (e) MCA module for comparison and ranking of MAR planning options.The objective of this dissertation is to present the development of a comprehensive decision framework for the planning of MAR projects under water scarce conditions, within the overall framework of the Gabardine project. A structured and standard planning framework was formulated, which served as a basis for the development of the G-DSS (mentioned above). The modules c, d, and e from the above paragraph were developed and introduced into the G-DSS. Once again, these modules are: (c) MAR PLANNING module, (d) Spatial MCA module for MAR site selection, and (e) MCA module for MAR option comparison and ranking. A further significant contribution was made concerning the development of the DPSIR module (b) of the G-DSS.The following are descriptions of the G-DSS modules developed under this dissertation: · The DPSIR (Driver, Pressure, State, Impact and Response) module facilitates the structuring of water resources problems by causal chain analysis and helps to determine potential response(s) and to spatially display the components of the problem. · The MAR planning module offers the explicit decision steps that are required to plan a project. The planning steps consist of checking the available water quantity and the required water quality. The selection of suitable locations together with relevant MAR technologies and planning options for construction and for project ranking are included. · An innovative Spatial Multi Criteria Decision Analysis (SMCDA) tool was developed to support MAR site selection, which is considered as a component of the planning tree for the system. The SMCDA tool is non-site specific, adaptive, and comprehensive, and may be applied to any type of site-selection problem. · The MCA module is able to consider a wide range of criteria and analysis techniques, namely the Analytical Hierarchy Process (AHP) and the Weighted Linear Combination (WLC) to perform the evaluation, comparison, and ranking of MAR planning optionsThe G-DSS considers important information on the water resources system, such as the water budget as well as the present and future water demand of the area. Integrated into ArcGIS, the G-DSS benefits from GIS procedures for spatial analysis, and the data herein may be processed and displayed. In order to use the modules and related components of the G-DSS, an interactive user-friendly interface was designed in the present work.In order to validate the newly developed MAR planning framework of the G-DSS and modules, which was created for this dissertation, the following four MAR planning tasks were focused on: (1) MAR pre-feasibility analysis, (2) Site selection and ranking, (3) Analysis, comparison, and ranking of MAR planning and management options, and (4) Soil-Aquifer-Treatment (SAT) system operation and impact assessment. In total five case studies, one in Bangladesh and three of the GABARDINE project were selected to evaluate the MAR planning tasks (1) to (4): (1) A MAR pre-feasibility analysis (MAR PLANNING module (c) and MAR planning task 1) in Dhaka, Bangladesh indicates the necessity of an extensive hydrological pre-study and a study of each component of the water resources system. This is important for the development of a tangible planning strategy at the very early stage of MAR project implementation. Dhaka, Bangladesh faces severe water supply problems related to groundwater over-exploitation. (2A) A practical application of the SMCDA tool (Site selection module (d) and MAR planning task 2) at Querença Silves Aquifer in the Algarve Region indicates the efficiency of spatial MCA as a decision support (DS) tool towards the ranking and final selection of suitable MAR locations. (2B) A second application of the SMCDA tool at the northern Gaza Coastal Aquifer shows the flexibility of the developed tool. The MAR site and technology selection case study at the Gaza Strip shows that SMCDA analysis substantially benefits from the hydrogeological impact assessment that was supported by mathematical modeling techniques. (3) MAR management strategies for the northern Gaza strip were compared and ranked based on MCA analysis (MCA module (e) and MAR Planning Task 3). The most relevant decision criteria were selected and quantified in close cooperation with local stakeholders and decision makers. The most promising MAR planning and management strategies were identified. (4) In Southern Europe, an investigation was undertaken to demonstrate an integrated approach based on field investigations, laboratory and field experiments, and mathematical modeling to understand the impact of aquifer properties on the transport processes of emerging pollutants under soil aquifer treatment (MAR planning task 4). Based on the integrated approach, the study recommends further groundwater monitoring and optimized pond operation.The present work clearly suggests that the implementation of MAR is not only a local or site specific task, restricted to aquifer storage and water quality attenuation via recharge, but rather is part of a regional IWRM approach on basin scale. The MAR planning framework developed in this study and the conclusions drawn from the case studies facilitate decision makers in dealing with the non-straight forward decision-making process of MAR planning. The MAR planning workflow, an accompanying guideline and the G-DSS with its modules and functionalities, are generally conceptualized and, therefore, are applicable to any water scarcity affected region that is considering MAR implementation.de
dc.contributor.coRefereeRusteberg, Bernd Dr.de
dc.subject.topicGeosciences and Geographyde
dc.subject.gerIntegrierten Management von Wasserressourcende
dc.subject.gerkünstlicher Grundwasseranreicherungsmaßnahmende
dc.subject.gerEntscheidungsunterstützungde
dc.subject.gerUnkonventionellen Wasserressourcende
dc.subject.gerRäumliche multi-kriterielle Analysende
dc.subject.engIntegrated water resources managementde
dc.subject.engManaged aquifer rechargede
dc.subject.engDecision supportde
dc.subject.engNon-conventional water resourcesde
dc.subject.engSpatial muliticriteria analysisde
dc.subject.bk38.86de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3144-9de
dc.identifier.purlwebdoc-3144de
dc.affiliation.instituteFakultät für Geowissenschaften und Geographiede
dc.subject.gokfullUC 000: Angewandte Hydrologiede
dc.subject.gokfullUBG 600: Grundwasserhaushalt {Hydrologiede
dc.subject.gokfullUnterirdische Gewässer}de
dc.identifier.ppn679849858de


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