Comparison of Sharp Interface to Variable Density Models in Pumping Optimisation of Coastal Aquifers

Kopsiaftis, George; Christelis, Vasileios; Mantoglou, Aristotelis

doi:10.1007/s11269-019-2194-7

Cited by 17 publications

(14 citation statements)

References 32 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Order By: Relevance

“…In island aquifers, SI models are commonly used to assess the extent of freshwater lenses and establish water budgets (Izuka et al., 2021; Lotti et al., 2021; Shuler & Mariner, 2020), while their fast simulation times also facilitate parameter estimation and quantification of predictive uncertainty (Coulon et al., 2021). Because of their rapid simulation times, SI models are widely used to optimize pumping rates in continental coastal aquifers, which are faced with the threat of lateral seawater intrusion (Kopsiaftis et al., 2019). However, they have not yet been used for pumping optimization in island freshwater lenses where vertical seawater intrusion (i.e., upconing) is a major risk.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Pumping Optimization Under Uncertainty in an Island Freshwater Lens Using a Sharp‐Interface Seawater Intrusion Model

Coulon

Lemieux

Pryet

et al. 2022

Water Resources Research

View full text Add to dashboard Cite

Island groundwater resources often form freshwater lenses overlying saline groundwater. When water is withdrawn from a freshwater lens by a pumping well, saline groundwater migrates upwards toward the well. This vertical seawater intrusion process, also called saltwater upconing, is a major concern when managing well fields. Freshwater lenses of island aquifers have been described as being more vulnerable than continental coastal aquifers, since vertical migration distances associated with upconing are shorter than horizontal ones (Jiao &

show abstract

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Pumping Optimization Under Uncertainty in an Island Freshwater Lens Using a Sharp‐Interface Seawater Intrusion Model

Coulon

Lemieux

Pryet

et al. 2022

Water Resources Research

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…An important issue in the linked S/O approach is that directly employing the numerical model in the optimization process is computationally difficult (Kopsiaftis et al 2019). Surrogate models, which are designed to mimic the input-output relationships of original simulators, can significantly reduce the computational burden.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Surrogate-Based Stochastic Multiobjective Optimization for Coastal Aquifer Management under Parameter Uncertainty

Zheng

Fan

et al. 2021

Water Resour Manage

View full text Add to dashboard Cite

Linked simulation-optimization (S/O) approaches have been extensively used as tools in coastal aquifer management. However, parameter uncertainties in seawater intrusion (SI) simulation models often undermine the reliability of the derived solutions. In this study, a stochastic S/O framework is presented and applied to a real-world case of the Longkou coastal aquifer in China. The three conflicting objectives of maximizing the total pumping rate, minimizing the total injection rate, and minimizing the solute mass increase are considered in the optimization model. The uncertain parameters are contained in both the constraints and the objective functions. A multiple realization approach is utilized to address the uncertainty in the model parameters, and a new multiobjective evolutionary algorithm (EN-NSGA2) is proposed to solve the optimization model. EN-NSGA2 overcomes some inherent limitations in the traditional nondominated sorting genetic algorithm-II (NSGA-II) by introducing information entropy theory. The comparison results indicate that EN-NSGA2 can effectively ameliorate the diversity in Pareto-optimal solutions. For the computational challenge in the stochastic S/O process, a surrogate model based on the multigene genetic programming (MGGP) method is developed to substitute for the numerical simulation model. The results show that the MGGP surrogate model can tremendously reduce the computational burden while ensuring an acceptable level of accuracy.

show abstract

“…It should be noted that previous SWI studies have shown that this sharp interface model leads to conservative estimations of the optimal pumping rates compared to the VDST models (Pool and Carrera 2011;Christelis and Mantoglou 2013;Christelis and Mantoglou 2016a;Kopsiaftis et al 2019a). Also, Llopis-Albert and Pulido-Velazquez ( 2014) have demonstrated that depending on the hydraulic properties of the coastal aquifer, the sharp interface model may deviate significantly from the SWI predictions provided by the VDST model.…”

Section: Multi-fidelity Optimization Using Co-kriging Metamodelsmentioning

confidence: 92%

“…Using a one-off correction of the density ratio cannot ensure that the resulting optimal solution would be comparable with that obtained from the VDST model, given that a specific iso-salinity contour is usually set as a threshold in the constraint functions (Christelis and Mantoglou 2016a). On the contrary, it is possible that such a correction would result in non-feasible solutions when the optimal pumping rates will be evaluated using the VDST model (Kopsiaftis et al 2019a). Therefore, instead of using the corrected LF sharp interface However, it should be noted that the sequential adjustment of the density ratio, during the operations of the evolutionary algorithm, does not imply a continuous improvement of the sharp interface model.…”

Section: Sbo In Coastal Aquifer Managementmentioning

confidence: 99%

“…Furthermore, if the two SWI models are in good agreement for a certain range of pumping rates, the algorithm might unnecessarily call the expensive VDST model for evaluation. It should be noted that the success of this multi-fidelity optimization strategy is strongly depended on the parameterization of the SWI models as well as, the type of constraints utilized in the pumping optimization problem Kopsiaftis et al (2019a),. examined the concept of density ratio modification by forming ensembles of corrected sharp interface models to approximate the optimal solution of the VDST model.…”

mentioning

confidence: 99%

See 1 more Smart Citation

Surrogate-based optimization methods for coastal aquifer management

Χριστέλης¹

View full text Add to dashboard Cite

Η ανάλυση ευαισθησίας, η ανάλυση αβεβαιότητας, η βελτιστοποίηση και άλλες επαναληπτικές μεθοδολογίες βασίζονται στην χρήση πολλαπλών προσομοιώσεων υψηλής πιστότητας, για την αποτελεσματική εφαρμογή τους σε πολύπλοκα φυσικά συστήματα. Η σύζευξη των εν λόγω μεθοδολογιών με λεπτομερή αριθμητικά μοντέλα συχνά κρίνεται ως μη πρακτική λόγω του μεγάλου υπολογιστικού φόρτου. Ένα αντίστοιχο πρόβλημα πραγματεύεται και η παρούσα διατριβή στην οποία η χρήση μοντέλων υψηλής πιστότητας για την προσομοίωση της παράκτιας υπόγειας ροής στην βελτιστοποίηση αντλήσεων, εμποδίζει την εφαρμογή καθιερωμένων σχημάτων προσομοίωσης-βελτιστοποίησης λόγω αυξημένου υπολογιστικού φόρτου. Μια διαθέσιμη μέθοδος, αναγνωρισμένη στην βιβλιογραφία για την επιτυχή μείωση του υπολογιστικού κόστους κατά την βελτιστοποίηση, είναι η χρήση μετα-μοντέλων στην οποία εστιάζει η παρούσα διδακτορική διατριβή. Ως κύριος στόχος της εργασίας είναι η ανάπτυξη νέων αποτελεσματικών σχημάτων προσομοίωσης-βελτιστοποίησης με χρήση μετα-μοντέλων στην διαχείριση παράκτιων υδροφορέων. Επιχειρείται επίσης μια εκτενής ανασκόπηση των μεθοδολογιών βελτιστοποίησης με χρήση μετα-μοντέλων τόσο στους διάφορους κλάδους της μηχανικής όσο και στον χώρο της διαχείρισης των υδατικών πόρων. Δίνεται έμφαση στην ανάπτυξη και ταυτόχρονα διεξοδική σύγκριση ανάλογων μεθόδων σε προβλήματα βελτιστοποίησης αντλήσεων με διαφορετική διάσταση και διαφορετικό αριθμό προϋπολογισμένων προσομοιώσεων με το υπολογιστικά απαιτητικό αριθμητικό μοντέλο παράκτιας ροής. Σημειώνεται ότι η διατριβή παρουσιάζει την αποτελεσματικότητα και τις συγκρίσεις των διαφόρων μεθοδολογιών βάσει πολλαπλών ανεξάρτητων δοκιμών βελτιστοποίησης. Αναπτύσσονται και προτείνονται τα παρακάτω σχήματα βελτιστοποίησης με μετα-μοντέλα: (α) Σχήμα βελτιστοποίησης βασισμένο σε μετα-μοντέλα, ενσωματωμένο στις διαδικασίες εξελικτικού αλγόριθμου και εφαρμογή στρατηγικής στοχευμένης εκμετάλλευσης. (β) Σχήμα βελτιστοποίησης βασισμένο σε πολλαπλά μετα-μοντέλα (επιλογή καλύτερου μετα-μοντέλου ή δημιουργία συνόλου μετα-μοντέλων με υπολογισμό βέλτιστων βαρών), ενσωματωμένο στις διαδικασίες εξελικτικού αλγόριθμου και εφαρμογή στρατηγικής στοχευμένης εκμετάλλευσης. (γ) Σχήμα αναδρομικής-προσαρμοστικής βελτιστοποίησης βασισμένο σε μετα-μοντέλα, με στρατηγική αναζήτησης ισορροπίας μεταξύ ευρείας εξερεύνησης και στοχευμένης εκμετάλλευσης. (δ) Βελτιστοποίηση βασισμένη σε μοντέλα υφαλμύρωσης πολλαπλής πιστότητας με χρήση της μεθοδολογίας co-Kriging. Με την χρήση των προτεινόμενων μεθοδολογιών προέκυψαν αξιόπιστες λύσεις στην περιοχή του ολικού βέλτιστου, ικανοποιώντας ταυτόχρονα την ανάγκη για μικρό αριθμό προσομοιώσεων με το υπολογιστικά απαιτητικό μοντέλο μεταβλητής πυκνότητας και μεταφοράς ρύπου. Η ύπαρξη πολλαπλών μη γραμμικών περιορισμών στο πρόβλημα βελτιστοποίησης αντλήσεων που εξετάζεται, αντιμετωπίστηκε επιτυχώς με τα προτεινόμενα σχήματα και την χρήση συναρτήσεων ακτινικής βάσης (RBF) ως μετα-μοντέλα. Επιπλέον οι προτεινόμενες μεθοδολογίες συγκρίνονται επαρκώς με δημοσιευμένες τεχνικές βελτιστοποίησης με χρήση μετα-μοντέλων που χαίρουν ευρείας αποδοχής στην αντίστοιχη επιστημονική περιοχή. Το καινοτόμο προτεινόμενο σχήμα βελτιστοποίησης πολλαπλής πιστότητας που αναπτύχθηκε αξιοποιώντας τις δυνατότητες της μεθοδολογίας co-Kriging, παρείχε ενθαρρυντικά αποτελέσματα για την χρήση του σε προβλήματα βελτιστοποίησης αντλήσεων παράκτιων υδροφορέων με πολύ υψηλό υπολογιστικό κόστος.

show abstract

Comparison of Sharp Interface to Variable Density Models in Pumping Optimisation of Coastal Aquifers

Cited by 17 publications

References 32 publications

Pumping Optimization Under Uncertainty in an Island Freshwater Lens Using a Sharp‐Interface Seawater Intrusion Model

Pumping Optimization Under Uncertainty in an Island Freshwater Lens Using a Sharp‐Interface Seawater Intrusion Model

Surrogate-Based Stochastic Multiobjective Optimization for Coastal Aquifer Management under Parameter Uncertainty

Surrogate-based optimization methods for coastal aquifer management

Contact Info

Product

Resources

About