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

Abstract

Die 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.