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A concept for the long term optimization of regional water supply systems using a reduced finite element groundwater model

 
: Bernard, T.; Linke, H.; Krol, O.

VDI/VDE-Gesellschaft Meß- und Automatisierungstechnik -GMA-, Düsseldorf:
GMA-Kongress 2007 Erfolgsfaktor Automation. Automation im gesamten Lebenszyklus : Kongress Baden-Baden. 12. und 13. Juni 2007
Düsseldorf: VDI-Verlag, 2007 (VDI-Berichte 1980)
ISBN: 978-3-18-091980-5
S.751-762
VDI/VDE-Gesellschaft Meß- und Automatisierungstechnik (Kongress) <2007, Baden-Baden>
Englisch
Konferenzbeitrag
Fraunhofer IITB ( IOSB) ()

Abstract
Zur Entscheidungsunterstützung bei der langfristigen Bewirtschaftung der Wasserressourcen in einer Region mit großer Wasserknappheit wurde ein Optimalsteuerungsansatz entwickelt. Dazu wurde das vollständige Oberflächenwassersystem sowie der Grundwasserleiter des großen Modellgebietes (6300 km²) realitätsnah modelliert. Das komplexe 3D-Grundwassermodell wird zu einem linearen Zustandsraum-Modell ausreichend kleiner Ordnung (~ 20) reduziert, so dass zusammen mit dem hoch effizienten numerischen Optimierungsalgorithmus HQP das Optimalsteuerungsproblem auch für Langzeithorizonte mit kurzen Berechnungszeiten gelöst werden kann. Die Leistungsfähigkeit des implementierten Konzeptes wird anhand von Ergebnissen aus zwei Optimierungsszenarien nachgewiesen. Weiter wird gezeigt, dass das reduzierte Grundwassermodell eine sehr gute Approximation des vollen 3D-Modells darstellt.

 

This paper presents an optimal control approach for the management of the surface and groundwater resources in a region with extreme water scarcity. For this purpose realistic models of the complete surface water system as well as a groundwater model of a large model area (6300 km²) have been developed. The key point of the proposed approach is the reduction of the detailed 3D-Finite Element groundwater model to a linear state space model of sufficient low order (~20). In combination with the highly efficient numerical solution algorithm HQP the optimal control problem can be solved even for a long term horizon in a user-friendly response time. The results of two optimization scenarios demonstrate the performance of the implemented concept. Furthermore, it is shown that the approximation quality of the reduced linear model is very good.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-58755.html