Jens Grundmann, Niels Schütze, Gerd Schmitz, Franz Lennartz. 2. IWAS- Statuskolloquium KUBUS Leipzig, 15. April 2011

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1 Internationale WasserforschungsAllianz Sachsen Integrierte Wasserbewirtschaftung in ariden Regionen durch Einsatz simulationsbasierter Optimierung am Beispiel landwirtschaftlich geprägter gter Gebiete im Oman Jens Grundmann, Niels Schütze, Gerd Schmitz, Franz Lennartz 2. IWAS- Statuskolloquium KUBUS Leipzig, 15. April 2011 Gefördert vom

2 The IWAS research initiative 1 Problemstellung & Ziele Eastern Europe Ukraine 2 Methodik Bewirtschaftungsmodell Ersatzmodelle Optimierung Middle East Oman/Saudi-Arabia Central Asia Mongolia South-East Asia Vietnam 3 Exemplarische Anwendung APPM Prognosis: Future Climate Scenarios Assessment Water Resources Availability Water Demand 4 Zusammenfassung 5 Perspektiven Latin America Brazil Monitoring Surface and Subsur Water supply Agriculture Potential and actual face Water Module Technical System water use Groundwater Module Water Backbone Irrigation Module Aquifer Pumping Artificial Recharge Water Productivity Robust Simulation of Agriculture Tool of Water Resources System (ANN) Optimisation and Management Tool Management: optimal and sustainable management strategies of water resources operative optimal control of the technical system Planning: Evaluating the effects of planning scenarios for a most beneficial policy Decision Making: Objectives, Management Options, Constraints, etc. Socio economic Development

3 1 Problemstellung & Ziele Untersuchungsgebiet the Batinah plain

4 1 Problemstellung & Ziele Übernutzung der Wasserressourcen Pilotregion: Al-Batinah im Norden Omans wichtigste landwirtschaftliche und bevölkerungsreichste Region Omans Starkes Bevölkerungswachstum (3%) Knappe Wasserressourcen mit hoher raumzeitlicher Variabilität und Dynamik Wasserbedarf der Landwirtschaft >90% Bei geringer Effizienz der Wassernutzung (hohe Verluste) Übernutzung der Grundwasservorkommen für die Bewässerung Salzwassereintritte vom Meer in das Grundwasser Bewässerung mit salzhaltigen Wasser -- Bodenversalzung Einkommenseinbußen, Aufgabe von Farmen, Landflucht

5 1 Problemstellung & Ziele Übernutzung der Wasserressourcen Pilotregion: Al-Batinah im Norden Omans wichtigste landwirtschaftliche und bevölkerungsreichste Region Omans Starkes Bevölkerungswachstum (3%) Knappe Wasserressourcen mit hoher raumzeitlicher Variabilität und Dynamik Wasserbedarf der Landwirtschaft >90% Bei geringer Effizienz der Wassernutzung (hohe Verluste) Übernutzung der Grundwasservorkommen für die Bewässerung Salzwassereintritte vom Meer in das Grundwasser Bewässerung mit salzhaltigen Wasser -- Bodenversalzung Einkommenseinbußen, Aufgabe von Farmen, Landflucht

6 1 Problemstellung & Ziele Übernutzung der Wasserressourcen Pilotregion: Al-Batinah im Norden Omans wichtigste landwirtschaftliche und bevölkerungsreichste Region Omans Starkes Bevölkerungswachstum (3%) Knappe Wasserressourcen mit hoher raumzeitlicher Variabilität und Dynamik Wasserbedarf der Landwirtschaft >90% Bei geringer Effizienz der Wassernutzung (hohe Verluste) Übernutzung der Grundwasservorkommen für die Bewässerung Salzwassereintritte vom Meer in das Grundwasser Bewässerung mit salzhaltigen Wasser -- Bodenversalzung Einkommenseinbußen, Aufgabe von Farmen, Landflucht Saline intrusion in coastal areas

7 1 Problemstellung & Ziele Probleme Gekoppeltes dynamisches Küstenaquifer - Landwirtschaft System Wasserbedarf >> Verfügbarkeit natürlicher Wasserressourcen Anhaltendes Vordringen der Salzwasserfront & Zerstörung wertvoller landwirtschaftlicher Ressourcen Ziele Anpassung des Wasserbedarfs and die Verfügbarkeit von Wasser Verbesserung der Wassernutzungseffizenz in der Bewässerungslandwirtschaft durch neuartige Bewässerungstechniken Integrierte Wasserbewirtschaftung und optimale langfristige Planung für Wassermenge und -güte Saline intrusion in coastal areas

8 Optimale Bewirtschaftung gekoppelter Hydrosysteme Wie kann ein interagierendes, dynamisches Grundwasser Landwirtschaftssystem nachhaltig im Hinblick auf Wassermenge und Güte unter dem Einfluss unsicherer klimatischer & demografischer Entwicklungen bewirtschaftet werden? 3-dimensionale dichteabhängige Grundwasserströmung Pflanzenwachstum und -ertrag bei salzhaltigem Bewässerungswasser Herausforderungen Lange Rechenzeiten und Komplexität physikalisch basierter Modelle sowie von globalen Optimierungsverfahren Berücksichtigung / Erhalt der Modellinteraktionen im Optimierungsprozess

9 Optimale Bewirtschaftung gekoppelter Hydrosysteme Wie kann ein interagierendes, dynamisches Grundwasser Landwirtschaftssystem nachhaltig im Hinblick auf Wassermenge und Güte unter dem Einfluss unsicherer klimatischer & demografischer Entwicklungen bewirtschaftet werden? 3-dimensionale dichteabhängige Grundwasserströmung Methodik 1. Entwicklung geeigneter Ersatzmodelle Pflanzenwachstum und -ertrag bei salzhaltigem Bewässerungswasser 2. Simulationsbasierte Optimierung

10 Methodik: 1) Ersatzmodell Grundwasser ANN 3-dimensionale dichteabhängige Grundwasserströmung

11 Methodik: 1) Ersatzmodell Grundwasser ANN meerseitige Randbedingung: konstanter Druck mit konstanter Salzkonzentration gebirgsseitige Randbedingung: konstanter Fluss Beobachtungspunkte x k 53m Quellterme: variable Flussrandbedingung in Abhängigkeit der Anbauperiode 6000m MLP-net RMSE Grundwasserstand m Salinität dS/m ANN ca. 1000fach schneller

12 Methodik: 1) Ersatzmodell Landwirtschaft 2D-CWPF 0.9 Ermittlung von Ertragsfunktionen (Crop Water Production Function - CWPF) Pflanzenwachstum und -ertrag bei salzhaltigem Bewässerungswasser GET-OPTIS: N. Schütze, M. de Paly, and U. Shamir: Novel simulation-based algorithms for optimal open-loop and closed-loop scheduling of deficit irrigation systems. Journal of Hydroinformatics, in print.

13 Methodik: 1) Ersatzmodell Landwirtschaft 2D-CWPF 0.9 Ermittlung von Ertragsfunktionen (Crop Water Production Function - CWPF) Potential yield seasonal applied water Kloss, S., Schütze, N. and G.H. Schmitz (in review): Comparison of SVAT models for simulating and optimizing deficit irrigation systems in arid and semi-arid countries under climate variability. Water Resources Management

14 Methodik: 1) Ersatzmodell Landwirtschaft 2D-CWPF 0.9 Schütze, N. ; Schmitz, G. H.: OCCASION: A new Planning Tool for Optimal Climate Change Adaption Strategies in Irrigation. In: Journal of Irrigation and Drainage Engineering 136 (2010), Nr.12.

15 Derivate der stochastischen Ertragsfunktion Ertragsfunktion Wasserproduktivitätsfunktion Schütze, N., Kloss, S., Lennartz, F., Al Bakri, A., and G.H. Schmitz (in review): Optimal planning and operation of irrigation systems under water resource constraints in Oman considering climatic Uncertainty. Environmental Earth Sciences Profitfunktion

16 Methodik: 1) Ersatzmodell Landwirtschaft 2D-CWPF 0.9 Stochastische CWPF Auswahl der CWPF mit 90% Ertragssicherheit salinity tolerance index (Steppuhn u. a. 2005) Kombination mit Salzstressfunktion 2D-CWPF dimensionale Ertragsfunktion für eine Ertragssicherheit von 90%

17 Optimale Bewirtschaftung gekoppelter Hydrosysteme Wie kann ein interagierendes, dynamisches Grundwasser Landwirtschaftssystem nachhaltig im Hinblick auf Wassermenge und Güte unter dem Einfluss unsicherer klimatischer & demografischer Entwicklungen bewirtschaftet werden? OGS-ANN 2D-CWPF 0.9 Methodik 1. Entwicklung geeigneter Ersatzmodelle 2. Simulationsbasierte Optimierung

18 Methodik: 2) Multikriterielle simulationsbasierte Optimierung Wie kann ein interagierendes, dynamisches Grundwasser Landwirtschaftssystem nachhaltig im Hinblick auf Wassermenge und Güte unter dem Einfluss unsicherer klimatischer & demografischer Entwicklungen bewirtschaftet werden? Bewirtschaftungsziel Grundwasser langfristig verfügbare Wasserressource guter Qualität of (t )= 2 n + end ( ) abs S(t,x )-S(t,x ) 1 k n k s abs h(t,x )-h(t,x ) k=1 max end 1 k n k ( ) h k=1 max Bewirtschaftungsziel Landwirt höchst möglicher Profit n m of 1 = PjY j(t i )L(t i ) - CI j(t i ) - CP(t i ) i=1 j=1 Zielfunktion (OF): max (OF) = { of 1, of 2 } pareto-optimale Lösungen ( bester Kompromiss ) * (A 1(t 1) A 1(t n ),A m(t 1) A m(t n ),L(t 1) L(t n ),Q(t 1 ) Q(t n )) =argmax(of)

19 Methodik: 2) Multikriterielle simulationsbasierte Optimierung Optimisation framework Water demands Q j Global Evolutionary Technique for Optimal Water Management Optimisation Module Cropping pattern A j Water demands Q j Cultivated Acrage L j Aquifer State S(t i 1 ), h(t i 1 ) OpenGeoSys 2D Groundwater Model packed in ANN Aquifer State [S(t n ), h(t n )] [S(t 0 ), h(t 0 )] Sustainability Index Maximize Profit and Sustainability Objective Function 2D CWPF s for m crops Yields Y j for m crops Irrigation Water Salinity S(t i ) Irrigation Schedule Aquifer State S(t i ), h(t i ) Groundwater Pumping Cost CP j Water Resources Module Revenues P j *Y j Irrigation Costs CI j Agricultural Module

20 3 Exemplarische Anwendung Model setup und experimental design Wadi Ma awil Einzugsgebiet: 3D-dichteahängiges Grundwasserströmungsmodell physikalisch basiertes Boden-Pflanze- Atmosphäre-Transfer (SVAT) & landw. Produktions Modell APSIM (APSRU Australia) Beispielszenario: Mais: salz-sensitive cash crop & Hirse: geringer gewinnbringend, aber salz resistentere Pflanze ( 2 Saisons pro Jahr ) Fixe und variable Kosten für Installation und Betrieb 100 m yield [t/ha] Multikriterielle Optimierung: 20 Jahre 60 Entscheidungsvariablen Hirse Mais applied water volume [mm] 2D CWPF yield [t/ha] 3000 m Hirse Mais salinity of irrigation water [ds/m]

21 3 Exemplarische Anwendung - Ergebnisse Szenario: Long term profit Szenario: multi-objective

22 3 Exemplarische Anwendung - Ergebnisse Long term profit Multi-objective Anteil Pflanze [%] Hirse Mais Hirse Mais Salinität [ds] Profit [$]

23 4 Zusammenfassung Der Prototyp eines simulationsbasierten Wasserbewirtschaftungsmodells für die nachhaltige Bewirtschaftung der Wasserressourcen in ariden Gebieten im Hinblick auf Wassermenge und Güte wurde präsentiert. Die Methoden der künstlichen Intelligenz ermöglichen die Integration der physikalisch basierten Prozessmodelle in eine Optimierungssumgebung. Durch Einsatz simulationsbasierter Optimierung können die Interaktionen zwischen den Modellen im Optimierungsprozess berücksichtigt werden. Die Grundlagen für die Optimierung eines gekoppelten Hydro-Ökonomischen Systems wurden gelegt. Farmbetriebe, die ausschließlich auf Profitmaximierung ausgerichtet sind, führen früher oder später zu weiterem Fortschritt der Salzwasserintrusion. Die Nachhaltigkeit muss als zweites Optimierungsziel berücksichtigt werden. Eine multikriterielle Optimierung kann nachhaltige Lösungen im Sinne der Umwelt und Sozioökonomie bereitstellen. Dabei können sich paretooptimale Lösungen als geeignetes Werkzeug zur Entscheidungsunterstützung erweisen. Methodik ist übertragbar

24 5 Perspektiven Weiterentwicklung des Prototypen zu einem großskaligen Bewirtschaftungsmodell & Integration in das APPM-Tool hierarchische Konzepte für Optimierung & Upscaling Monitoring APPM Prognosis: Future Climate Scenarios Assessment Water Resources Availability Water Demand Surface and Subsur Water supply Agriculture Potential and actual face Water Module Technical System water use Groundwater Module Water Backbone Irrigation Module Aquifer Pumping Artificial Recharge Water Productivity Robust Simulation of Agriculture Tool of Water Resources System (ANN) Optimisation and Management Tool Management: optimal and sustainable management strategies of water resources operative optimal control of the technical system Planning: Evaluating the effects of planning scenarios for a most beneficial policy Socio economic Development Decision Making: Objectives, Management Options, Constraints, etc.

25 5 Perspektiven Entwurf eines Wasserverteilungssystems (Water-Backbone) für die Wasserversorgung der Farmen Implementierung eines IWRM auf Basis des APPM-Tools in einem Pilotgebiet in der Batinah-Region, unter aktiver Mitwirkung der omanischen Behörden und Experten. Entwicklung und Bewertung von Bewirtschaftungsszenarien neighboring catchments Suitable Sites for Groundwater Extraction Aflaj? Desalination Technical realisation by Supply System Water of better quality delivered to consumers Extraction of groundwater at suitable sites new wellfields water reuse

26 5 Perspektiven Stand der Implementierung: IWRM-Büro gegründet Projektausschreibung des MRMWR für IWRM- Implementierung (Umfang ca ) Nächster Workshop im Oman: Pilotfarm-Programm zur Demonstration der erarbeiteten Methoden für eine effiziente Bewässerung Vor-Ort Auswahl geeigneter Kandidaten (Farmen) erfolgt Konzeptentwicklung eines Guidebook for best managing practice in der Bewässerungslandwirtschaft Zielgruppenorientiertes Capacity Development Katalog von CD-Maßnahmen erstellt Ersatzmodell für 3D-GW-Modell Bewässerungsexperimente zur Defizitbewässerung mit dem Ministry of Agriculture (seit 1/2011) Entwicklung eines Microcontrollers für optimale Bewässerungspläne und -steuerung

27 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dank an Niels Schütze, Gerd H. Schmitz, Marco Brettschneider, Marc Walther Gefördert von Im Rahmen des Programms "Spitzenforschung & Innovation in den Neuen Ländern", FKZ: 02WM1166

28 Journal papers Schütze, N.; Schmitz, G. H.: OCCASION: A new Planning Tool for Optimal Climate Change Adaption Strategies in Irrigation. In: Journal of Irrigation and Drainage Engineering 136 (2010), Nr. 12, S /(ASCE)IR Schütze, N.; Grundmann, J.; Schmitz, G.H.: Perspektiven für die integrierte Wasserbewirtschaftung durch den Einsatz simulationsbasierter Optimierungsmethoden am Beispiel landwirtschaftlich genutzter küstennaher arider Gebiete im Oman. IN: Hydrologie und Wasserbewirtschaftung (2011), Nr.2. Schütze, N.; de Paly, M. ; Shamir, U.: Novel simulation-based algorithms for optimal open-loop and closed-loop scheduling of deficit irrigation systems. In: Journal of Hydroinformatics (2011). im Druck Kloss, S., Schütze, N. and G.H. Schmitz: Comparison of SVAT models for simulating and optimizing deficit irrigation systems in arid and semi-arid countries under climate variability. Water Resources Management (in review). Schütze, N.; Kloss, S.; Lennartz, F.; Al Bakri, A. and Schmitz, G.H.: Optimal planning and operation of irrigation systems under water resource constraints in Oman considering climatic uncertainty. In: Environmental Earth Sciences (in review). Grundmann, J., Schütze, N., Schmitz, G.H., Al Shaqsi, S.: Towards an integrated arid zone water management using simulation based optimisation. In: Environmental Earth Sciences (in review).

29 Agricultural water demand the the experimental part Controlled deficit irrigation experiments at different scales Greenhouse (Dresden) Vegetation hall (Munich) Rain shelter (Munich) Field (Montpellier, France) OMAN

30 Agricultural water demand Auswertung, Analyse & Modellierung d. durchgeführten Experimente Pilotfarmprogramm Konzeptentwicklung für Guidebook for best management practice in irrigated agriculture Erstellung von Bewässerungsplänen für vorhandene Kombinationen von Pflanze und Boden Konzeptentwicklung für Microcontroller zur Bewässerungssteuerung Hardwarebeschaffung Weitere Experimenten zur Defizitbewässerung Feldexperimente im Oman (Kooperation mit National Agricultural Research Farm) Start im Januar, Durchführung durch 2 omanische Doktoranden Meßtechnik und Ausrüstung durch omainsches Ministerium für Landwirtschaft beschafft (ca ) Vegetationshalle in München (Kooperation mit TU München) Schütze, N. ; de Paly, M. ; Shamir, U. (in press): Novel simulation-based algorithms for optimal open-loop and closed-loop scheduling of deficit irrigation systems. Journal of Hydroinformatics (2011). Kloss, S., Schütze, N. and G.H. Schmitz (in review): Comparison of SVAT models for simulating and optimizing deficit irrigation systems in arid and semi-arid countries under climate variability. Water Resources Management Schütze, N., Kloss, S., Lennartz, F., Al Bakri, A., and G.H. Schmitz (in review): Optimal planning and operation of irrigation systems under water resource constraints in Oman considering climatic Uncertainty. Environmental Earth Sciences OMAN