Optimization of Sustainable Groundwater Management in a Rapidly Developing Urban Setting

Abstract

The growing population of the city of Lucknow, India has resulted in an increased water demand which is met by enormous groundwater withdrawal, with the consequences of fast depletion of water resources. The current study aims at implementing a sustainable pumping rate (SPR) concept to calculate groundwater extractions at different wells across the city and the pre-assessment of any artificial groundwater recharge scheme to be implemented in the city. The SPR concept used in previous studies are used in different ways without actually addressing the principal components of water budget changes, due to groundwater extraction. In this study the groundwater extraction rates were calculated by maximizing the total extraction at all wells, subject to constraints with regards to socially and environmentally relevant measures which were similar or same while accounting for the water budget terms. The constraints were varied to find different groundwater extractions, by developing a groundwater model and coupling it with an optimization code. The analysis of resulting different groundwater extractions illustrates the wells to be preferred and avoided for groundwater extraction. An analysis of the sum of the groundwater extraction rates and corresponding values of constraints showed that the higher values of either of the constraints have resulted in the same amount of total groundwater extraction, and such groundwater extraction should be avoided by the water manager. The analysis also showed that on increasing the value of either of the constraint, the resulting groundwater extraction usually favored extraction at well locations spatially distant from the particular constraint. Hence, this study aims at helping a water manager to estimate groundwater extractions, based on water demand at locations which are spatially close to either of the constraints and in providing the deficit amount of water that needs to be supplied in parts of the city, where the application of a SPR concept has resulted in a smaller amount of groundwater extraction. The artificial groundwater recharge systems are installed as a solution to the water problems in order to augment the groundwater reservoir for later use during the dry period. The artificial groundwater recharge should aim at the social and economic benefits of the investments involved, keeping in mind other space and geological constraints while applying such systems. Hence, the pre-assessment of the applications of such systems can be advantageous in order to achieve these objectives. The groundwater model was used in the second part of this thesis, which gives a pre-assessment of the socio-economic benefits, along with a planned artificial groundwater recharge system. The social and economic benefits of the artificial groundwater recharge system are compared with a scenario where no artificial groundwater recharge system was implemented by optimizing the objective functions associated. The social and economic benefits of the artificial groundwater recharge systems were shown using the unit groundwater extraction prices. Also, the amount of risk associated with the application of such systems can be reduced if the investments to such systems are made carefully. Although the total costs of planned and unplanned artificial groundwater recharge systems were almost the same, it was found out that a planned artificial groundwater recharge system lowers the investment costs implying less risks associated.

Die stetig steigende Bevölkerungszahl der Metropole Lucknow, Indien führt zu einem gleichfalls steigenden Bedarf an Trinkwasser. Diesem Bedarf wurde mit einer Erhöhung der Grundwasserentnahme entgegengetreten, der jedoch zu einer schnellen Reduzierung der Wasserreserven führt. Die vorliegende Arbeit setzt sich zum Einen zum Ziel ein Konzept anzuwenden, das eine Pumprate berechnet, die eine nachhaltige Grundwasserentnahme an verschiedenen Brunnen im Stadtgebiet gewährleistet (SPR-Konzept). Des Weiteren soll eine frühzeitige Bewertung des Einflusses jeglicher künstlicher Grundwassererneuerung im Gebiet von Lucknow erfolgen. Die SPR-Konzepte, die auf verschiedene Art und Weise in vorherigen Studien angewandt wurden, haben sich bisher nicht den Komponenten gewidmet, die entscheidend sind, wenn der Grundwasserhaushalt durch Grundwasserentnahme beeinflusst wird. Diese Grundwasserentnahmeraten wurden berechnet, indem der Gesamtbetrag der Entnahme unter Einhaltung bestimmter Grenzwerte bezüglich Grundwassersabsenkung maximiert wurde. Um verschiedene Grundwasserentnahmeraten ermitteln zu knnen, wurden diese Grenzwerte variiert, indem ein Grundwassermodell erstellt und dieses mit einem Optimierungscode gekoppelt wurde. Eine Untersuchung der verschiedenen Grundwasserentnahmeraten verdeutlicht, welche Brunnen für die Grundwasserentnahme bevorzugt verwendet und welche vermieden werden sollten. Bei Betrachtung der Summe der Grundwasserentnahmeraten und der zugehörigen Grenzwerte des SPR-Konzepts zeigte sich, dass bestimmte Brunnenkombinationen bei gleicher Grundwasserentnahme zu st¨arkerer Absenkung führen. Diese Brunnenkombinationen sollten vonWasserwirtschaftlern vermieden werden. Es zeigte sich ebenfalls, dass bei Erhöhung des Grenzwertes der Grundwasserabsenkung an einer bestimmten Stelle, die Grundwasserentnahme an Brunnen stattfinden sollte, die sich räumlich deutlich abseits dieser Stelle befinden. Die vorliegende Studie eignet sich daher als unterst¨utzendes Werkzeug, das es einem Wasserwirtschaftler erlaubt, Grundwasserentnahmeraten sowohl aufgrund des Wasserbedarfs als auch aufgrund der Grenzwerte bezüglich Grundwasserabsenkung an dicht beieinander liegenden Lokationen abzuschätzen. Weiterhin liefert diese Studie Informationen, welche es dem Wasserwirtschaftler erlauben eventuelle Defizite in der Wasserversorgung in bestimmten Bereichen des Stadtgebietes, in denen die Anwendung des SPRKonzeptes zu einer Reduzierung der Grundwasserentnahme geführt hat, zu kompensieren. Die künstlichen Grundwassererneuerungssysteme wurden installiert, um vorhandeneWasserreserven für zukünftige Trockenperioden zu erweitern. Die künstliche Grundwasserneubildung sollte auf sozialen und ökonomischen Nutzen der investierten Ausgaben ausgelegt sein, wobei auch immer die vorhandenen räumlichen und geologischen Faktoren berücksichtigt werden müssen. Aus diesem Grund kann eine frühzeitige Bewertung des sozio-ökonomische Nutzens einer Anwendung solcher Systeme von Vorteil sein. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde das Grundwassermodell zu Zweck verwendet, der frühzeitigen Bewertung des sozio-ökonomischen Nutzens eines geplanten künstlichen Grundwasseranreicherungssystems. Um den sozialen und ökonomischen Nutzen von künstlichen Grundwasseranreicherungssystems hervorzuheben, wurde ein solches Szenario mit einem anderen Szenario verglichen, in dem kein solches System eingebaut wurde. Dies geschahüber die Optimierung der dazugehörigen Zielfunktionen. Als Maß für den soziale und ökonomischen Nutzen dient der Preis pro entnommener Grundwassermenge. Das Risiko bei der Installation solcher Systeme kann reduziert werden, wenn die Investitionen sorgfältig geplant werden. Obwohl die Gesamtkosten sowohl geplanter als auch ungeplanter Grundwasseranreicherungssystems etwa gleich sind, zeigte es sich, dass die geplanten Systeme die Investitionskosten durch eine Senkung der damit verbundenen Risiken herabsetzen.