Flood-control reservoirs experience water level fluctuations that control survival of their biota. I explored diverse but related aspects of water-level management. Three frameworks were indentified for directing rule curve (i.e., daily targets for water levels) changes in flood-control reservoirs managed by the U.S. Army Corps of Engineers (USACE), with differing scopes and requirements. Framework choice depends on the reservoir’s primary authorization and magnitude of the contemplated change. Changes without congressional approval must be based on flood risk. Quantile regression was used to model a maximum water level with a user-specified level of risk. Because actions that request changes to water levels from natural resource professionals should have a sound ecological basis, I analyzed the relationships between water level fluctuations and vegetation in reservoirs. Remote sensing methods were used to calculate a greenness index from vegetation in the reservoir based on 14 years of satellite imagery and water levels.

Wasserwirtschaftliche Speichersysteme sind unverzichtbar, um weltweit die Trinkwasserversorgung, Nahrungsmittelproduktion und Energieversorgung sicherzustellen. Die multikriterielle simulationsbasierte Optimierung (MK-SBO) ist eine leistungsfähige Methodik, um für Mehrzweck-Talsperrenverbundsysteme (MZ-TVS) eine Pareto-optimale Menge an Kompromisslösungen zwischen konträren Zielen bereitzustellen. Der rechentechnische Aufwand steigt jedoch linear mit der Länge des Simulationszeitraums der Talsperrenbewirtschaftung an. Folglich begrenzen sich MK-SBO-Studien bisher auf Simulationszeiträume von wenigen Jahrzehnten. Diese Zeiträume sind i.d.R. unzureichend, um Unsicherheiten, die aus der stochastischen Natur der Zuflüsse resultieren, adäquat zu beschreiben. Bewirtschaftungsoptimierungen von MZ-TVS hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit, z.B. durch die Maximierung von Versorgungssicherheiten, können sich als wenig belastbar und ermittelte Steuerungsstrategien als wenig robust erweisen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wird ein neues modulares Framework zur multikriteriellen simulationsbasierten Bewirtschaftungsoptimierung von MZ-TVS (Frams-BoT) entwickelt. Eine Informationserweiterung zu stochastischen Zuflussprozessen erfolgt über ein weiterentwickeltes Zeitreihenmodell mittels generierter Zeitreihen von mehreren Tausend Jahren Länge. Eine neue Methode zur Monte-Carlo-Rekombination von Zeitreihen ermöglicht dann die Nutzung dieser Informationen in der MK-SBO in wesentlich kürzeren Simulationszeiträumen. Weitere Rechenzeit wird durch Parallelisierung und eine fortgeschrittene Kodierung von Entscheidungsvariablen eingespart. Die Simulation von Zuflussdargeboten für multikriterielle Klimafolgenanalysen erfolgt durch ein prozessorientiertes Wasserhaushaltsmodell. Level-Diagramme (Blasco et al., 2008) unterstützten den komplexen Prozess der Entscheidungsfindung. Die Wirksamkeit und Flexibilität des Frameworks wurden in zwei Fallstudien gezeigt. In einer ersten Fallstudie konnten in einer Klimafolgenanalyse Versorgungssicherheiten von über 99% als ein Ziel eines multikriteriellen Optimierungsproblems maximiert werden, um die Verlässlichkeit der Bewirtschaftung eines MZ-TVS in Sachsen (Deutschland) zu steigern. Eine zweite Fallstudie befasste sich mit der Maximierung der Leistungsfähigkeit eines MZ-TVS in Äthiopien unter verschiedenen Problemformulierungen. In beiden Fallstudien erwiesen sich die erzielten Pareto-Fronten und Steuerungsstrategien gegenüber 10 000-jährigen Zeiträumen als robust. Die benötigten Rechenzeiten der MK-SBO ließen sich durch das Framework massiv senken. / Water resources systems are worldwide essential for a secure supply of potable water, food and energy production. Simulation-based multi-objective optimization (SB-MOO) is a powerful method to provide a set of Pareto-optimal compromise solutions between various contrary goals of multi-purpose multi-reservoir systems (MP-MRS). However, the computational costs increases with the length of the time period in which the reservoir management is simulated. Consequently, MK-SBO studies are currently restricted to simulation periods of several decades. These time periods are normally insufficient to describe the stochastic nature of the inflows and the consequent hydrological uncertainties. Therefore, an optimization of the reliability of management of MP-MRS, e.g. through the maximization of the security of supply, may not be resilient. Obtained management strategies may not prove robust. To address these challenges, a new modular framework for simulation-based multiobjective optimization of the reservoir management of multi-purpose multi-reservoir systems (Frams-BoT) is developed. A refined time series model provides time series of several thousand years to extend the available information about the stochastic inflow processes. Then, a new Monte-Carlo recombination method allows for the exploitation of the extended information in the SB-MOO on significantly shorter time periods. Further computational time is saved by parallelization and an advanced coding of decision variables. A processoriented water balance model is used to simulate inflows for multi-objective climate impact analysis. Level-Diagrams [Blasco et al., 2008] are used to support the complex process of decision-making. The effectiveness and flexibility of the framework is presented in two case studies. In the first case study about a MP-MRS in Germany, high securities of supply over 99% where maximized as part of a multi-objective optimization problem in order to improve the reliability of the reservoir management. A second case study addressed the maximization of the performance of a MP-MRS in Ethiopia under different formulations of the optimization problem. In both case studies, the obtained Pareto-Fronts and management strategies proved robust compared to 10 000 year time periods. The required computational times of the SB-MOO could be reduced considerably.

Wasserwirtschaftliche Speichersysteme sind unverzichtbar, um weltweit die Trinkwasserversorgung, Nahrungsmittelproduktion und Energieversorgung sicherzustellen. Die multikriterielle simulationsbasierte Optimierung (MK-SBO) ist eine leistungsfähige Methodik, um für Mehrzweck-Talsperrenverbundsysteme (MZ-TVS) eine Pareto-optimale Menge an Kompromisslösungen zwischen konträren Zielen bereitzustellen. Der rechentechnische Aufwand steigt jedoch linear mit der Länge des Simulationszeitraums der Talsperrenbewirtschaftung an. Folglich begrenzen sich MK-SBO-Studien bisher auf Simulationszeiträume von wenigen Jahrzehnten. Diese Zeiträume sind i.d.R. unzureichend, um Unsicherheiten, die aus der stochastischen Natur der Zuflüsse resultieren, adäquat zu beschreiben. Bewirtschaftungsoptimierungen von MZ-TVS hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit, z.B. durch die Maximierung von Versorgungssicherheiten, können sich als wenig belastbar und ermittelte Steuerungsstrategien als wenig robust erweisen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wird ein neues modulares Framework zur multikriteriellen simulationsbasierten Bewirtschaftungsoptimierung von MZ-TVS (Frams-BoT) entwickelt. Eine Informationserweiterung zu stochastischen Zuflussprozessen erfolgt über ein weiterentwickeltes Zeitreihenmodell mittels generierter Zeitreihen von mehreren Tausend Jahren Länge. Eine neue Methode zur Monte-Carlo-Rekombination von Zeitreihen ermöglicht dann die Nutzung dieser Informationen in der MK-SBO in wesentlich kürzeren Simulationszeiträumen. Weitere Rechenzeit wird durch Parallelisierung und eine fortgeschrittene Kodierung von Entscheidungsvariablen eingespart. Die Simulation von Zuflussdargeboten für multikriterielle Klimafolgenanalysen erfolgt durch ein prozessorientiertes Wasserhaushaltsmodell. Level-Diagramme (Blasco et al., 2008) unterstützten den komplexen Prozess der Entscheidungsfindung. Die Wirksamkeit und Flexibilität des Frameworks wurden in zwei Fallstudien gezeigt. In einer ersten Fallstudie konnten in einer Klimafolgenanalyse Versorgungssicherheiten von über 99% als ein Ziel eines multikriteriellen Optimierungsproblems maximiert werden, um die Verlässlichkeit der Bewirtschaftung eines MZ-TVS in Sachsen (Deutschland) zu steigern. Eine zweite Fallstudie befasste sich mit der Maximierung der Leistungsfähigkeit eines MZ-TVS in Äthiopien unter verschiedenen Problemformulierungen. In beiden Fallstudien erwiesen sich die erzielten Pareto-Fronten und Steuerungsstrategien gegenüber 10 000-jährigen Zeiträumen als robust. Die benötigten Rechenzeiten der MK-SBO ließen sich durch das Framework massiv senken. / Water resources systems are worldwide essential for a secure supply of potable water, food and energy production. Simulation-based multi-objective optimization (SB-MOO) is a powerful method to provide a set of Pareto-optimal compromise solutions between various contrary goals of multi-purpose multi-reservoir systems (MP-MRS). However, the computational costs increases with the length of the time period in which the reservoir management is simulated. Consequently, MK-SBO studies are currently restricted to simulation periods of several decades. These time periods are normally insufficient to describe the stochastic nature of the inflows and the consequent hydrological uncertainties. Therefore, an optimization of the reliability of management of MP-MRS, e.g. through the maximization of the security of supply, may not be resilient. Obtained management strategies may not prove robust. To address these challenges, a new modular framework for simulation-based multiobjective optimization of the reservoir management of multi-purpose multi-reservoir systems (Frams-BoT) is developed. A refined time series model provides time series of several thousand years to extend the available information about the stochastic inflow processes. Then, a new Monte-Carlo recombination method allows for the exploitation of the extended information in the SB-MOO on significantly shorter time periods. Further computational time is saved by parallelization and an advanced coding of decision variables. A processoriented water balance model is used to simulate inflows for multi-objective climate impact analysis. Level-Diagrams [Blasco et al., 2008] are used to support the complex process of decision-making. The effectiveness and flexibility of the framework is presented in two case studies. In the first case study about a MP-MRS in Germany, high securities of supply over 99% where maximized as part of a multi-objective optimization problem in order to improve the reliability of the reservoir management. A second case study addressed the maximization of the performance of a MP-MRS in Ethiopia under different formulations of the optimization problem. In both case studies, the obtained Pareto-Fronts and management strategies proved robust compared to 10 000 year time periods. The required computational times of the SB-MOO could be reduced considerably.