A comprehensive sharp-interface simulation-optimization model for fresh and saline groundwater management in coastal areas

Abstract

Both fresh and saline groundwater may be of some value to coastal communities. A comprehensive simulation-optimization model was developed to identify optimal solutions for managing both types of groundwater in coastal areas. The model may be used for conventional management problems of fresh groundwater development and of seawater intrusion control. In addition, the model can be used for problems of concurrent development of fresh and saline/brackish groundwater for beneficial uses. A set of hypothetical examples is given to demonstrate the applicability of the proposed model. In the protection of an over-exploiting freshwater pumping well, the saltwater pumping scheme was less efficient than the freshwater injection scheme. Although the former scheme may be more advantageous in some limited cases, the latter should be considered first as it retains more freshwater in the aquifer. The example of the concurrent development of fresh and brackish groundwater exhibited two different sets of optimal solutions: one with a large amount of freshwater and a small amount of brackish water with high salinity, and the other with a small amount of freshwater and a large amount of brackish water with low salinity.

Résumé

L’eau souterraine douce tout comme salée peut représenter une certaine valeur pour les communautés côtières. Un modèle complet de simulation et d’optimisation a été développé pour identifier les solutions optimales pour gérer les deux types d’eau souterraine dans les zones côtières. Le modèle peut être utilisé pour les problèmes classiques de gestion d’eau souterraine douce et de contrôle de l’intrusion d’eau de mer. En outre, le modèle peut être utilisé pour les problèmes d’exploitation concurrentielle d’eau souterraine douce et salée/saumâtre à des fins bénéfiques. Un ensemble d’exemples hypothétiques est donné pour démontrer l’applicabilité du modèle proposé. Dans le cas de la protection d’un puits de pompage surexploitant l’eau douce, un scénario de pompage d’eau salée était moins efficace qu’un scénario d’injection d’eau douce. Bien que le scénario précédent peut être plus avantageux dans certains cas limités, le dernier devrait être considéré en premier du fait qu’il favorise la conservation de l’eau douce dans l’aquifère. L’exemple d’une exploitation concurrentielle d’eaux souterraines douces et saumâtres présentait deux ensembles différents de solutions optimales : une avec un grand volume d’eau douce et un faible volume d’eau saumâtre avec une forte salinité, et l’autre avec un faible volume d’eau douce et un grand volume d’eau saumâtre avec une faible salinité.

Resumen

Tanto el agua subterránea dulce como la salada pueden tener algún valor para las comunidades costeras. Se desarrolló un modelo comprensivo de simulación-optimización para identificar soluciones óptimas para la gestión de ambos tipos de aguas subterráneas en las zonas costeras. El modelo puede ser usado para problemas convencionales de manejo de agua subterránea dulce y de control de la intrusión de agua de mar. Además el modelo puede ser usado para problemas de desarrollo concurrente de agua subterránea dulce y salina / salobre para usos útiles. Se da un conjunto de ejemplos hipotéticos para demostrar la aplicabilidad del modelo propuesto. En la protección de un pozo de bombeo de agua dulce sobreexplotado, el esquema de bombeo de agua salada fue menos eficiente que el esquema de inyección de agua dulce. A pesar de que el primer esquema puede tener más ventajas en algunos casos limitados, este último debiera ser considerado primeramente, ya que retiene más agua dulce en el acuífero. El ejemplo del desarrollo concurrente de agua subterránea dulce y salobre exhibió dos diferentes conjuntos de soluciones óptimas: uno con una gran cantidad de agua dulce y una pequeña cantidad de agua salobre con alta salinidad, y el otro con una pequeña cantidad de agua dulce y una gran cantidad de agua salobre con baja salinidad.

摘要

地下淡水和咸水对沿海地区的社区可能具有一定的价值。开发了一个综合模拟-最优化模型以确定管理沿海地区这两种类型地下水的最佳方法。模型可用于解决地下淡水开发及咸水入侵控制的常规管理问题。另外,模型还可以用于解决地下淡水及咸水/微咸水同时开发利用出现的问题。本文列出了一组假设的例子以展示所述模型的适用性。在保护超采的淡水抽水井过程中,咸水抽水方案不如淡水注入方案效率高。尽管前者方案在一些有限制的情况下可能更有利,但后者方案应当首先给予考虑,因为此方案在含水层中保留了更多的淡水。地下淡水和咸水同时开采的例子展示出两种不同的最佳解决方法:一种是开采大量的淡水和开采少量的高盐度微咸水,另一种是开采少量的淡水和大量的低盐度微咸水。

Resumo

Ambas águas subterrâneas, doces e salgadas, podem ser de elevada importância para comunidades costeiras. Um modelo abrangente de simulação-otimização foi desenvolvido para identificar soluções ótimas para o gerenciamento de ambos os tipos de agua subterrânea nestas regiões. Este modelo pode ser utilizado para o gerenciamento de problemas típicos de desenvolvimento de recursos hídricos subterrâneos e controle de intrusão de agua salina. Adicionalmente, o modelo pode ser utilizado para problemas de uso concomitante de água doce e salgada para uso proveitoso. Uma série de situações hipotéticas são apresentados para demonstrar a aplicabilidade do modelo proposto. No caso da proteção de um poço de água doce superexplorado, o método de bombeamento de água salina se mostrou menos eficiente do que o método de injeção de água doce. Apesar de o último ser mais vantajoso em alguns casos, o primeiro deveria ser considerado como primeira opção, uma vez que resulta em maior retenção de água doce no aquífero. O exemplo de desenvolvimento concomitante de águas doce e salinas exibiu dois conjuntos de soluções ótimas: um com grande quantidade de água doce e pequena quantidade de água salobra com alto teor de salinidade, e outro com uma pequena quantidade de água doce e grande quantidade de água salobra com baixa salinidade.