8
200 Radwan et al.: Modeling of Nitrogen in River Water TheScientificWorld (2001) 1(S2), 200–206 Research Article Optimizing Nitrogen Management in Food and Energy Production and Environmental Protection: Proceedings of the 2nd International Nitrogen Conference on Science and Policy TheScientificWorld (2001) 1(S2), 200–206 ISSN 1532-2246; DOI 10.1100/tsw.2001.351 * Corresponding author. E-mail: [email protected] © 2001 with author. To model catchment surface water quantity and quality, different model types are available. They vary from detailed physically based models to sim- plified conceptual and empirical models. The most appropriate model type for a certain application depends on the project objectives and the data availability. The detailed models are very useful for short-term simulations of representative events. They cannot be used for long-term statis- tical information or as a management tool. For those purposes, more simplified (conceptual or meta-) models must be used. In this study, nitro- gen dynamics are modeled in a river in Flanders. Nitrogen sources from agricultural leaching and domestic point sources are considered. Based on this input, concentrations of ammonium (NH 4 -N) and nitrate (NO 3 -N) in the river water are modeled in MIKE 11 by taking into consideration advection and dispersion and the most important biological and chemical processes. Model calibration was done on the basis of available measured water quality data. To this detailed model, a more sim- plified model was calibrated with the objective to more easily yield long-term simulation results that can be used in a statistical analysis. The results show that the conceptual simplified model is 1800 times faster than the MIKE 11 model. Moreover the two models have almost the same accuracy. The detailed models are recommended for short- term simulations unless there are enough data for model input and model parameters. The concep- tual simplified model is recommended for long- term simulations. KEY WORDS: ammonium, nitrate, water quality modeling, simplified model, sensitivity analysis DOMAINS: nutrition, agronomy, soil systems, environmen- tal technology, environmental management and policy, en- vironmental technology, ecosystems management, agricultural biotechnology, modeling, environmental mod- eling, environmental monitoring INTRODUCTION Planning and management activities require the assessment of hydraulic and water quality conditions often beyond the range of observed field data In this context both hydraulic and water qual- ity models must be formulated that are general enough to (1) describe observed conditions and (2) predict planning scenarios that may be substantially different from observed conditions In stream water pollution control, the main objective is to assess whether the system complies with the maximum pollutant releases, allowed from point and nonpoint source pollution, so that pollut- ant levels in the receiving streams meet water quality standards Water quality models for in-stream water pollution control have been calibrated and verified with data collected prior to model development during surveys designed to check basin-wide water Modeling of Nitrogen in River Water Using a Detailed and a Simplified Model Mona Radwan 1, *, Alaa El-Sadek 1 , Patrick Willems 1 , Jan Feyen 2 , and Jean Berlamont 1 1 K.U.Leuven, Hydraulics laboratory, Faculty of Engineering, Kasteelpark 40, B-3001 Heverlee, Belgium; 2 K.U.Leuven, Institute for Land and Water Management, Vital Decosterstraat 102, B-3000 Leuven, Belgium

Modeling of Nitrogen in River Water Using a Detailed …downloads.hindawi.com/journals/tswj/2001/207295.pdfMona Radwan1,*, Alaa El-Sadek 1, Patrick Willems1, Jan Feyen2, and Jean Berlamont1

Embed Size (px)

Citation preview

200

Radwan et al.: Modeling of Nitrogen in River Water TheScientificWorld (2001) 1(S2), 200–206

Research ArticleOptimizing Nitrogen Management in Food and Energy Productionand Environmental Protection: Proceedings of the 2nd InternationalNitrogen Conference on Science and PolicyTheScientificWorld (2001) 1(S2), 200–206ISSN 1532-2246; DOI 10.1100/tsw.2001.351

* Corresponding author.E-mail: [email protected]© 2001 with author.

To model catchment surface water quantity andquality, different model types are available. Theyvary from detailed physically based models to sim-plified conceptual and empirical models. The mostappropriate model type for a certain applicationdepends on the project objectives and the dataavailability. The detailed models are very usefulfor short-term simulations of representativeevents. They cannot be used for long-term statis-tical information or as a management tool. Forthose purposes, more simplified (conceptual ormeta-) models must be used. In this study, nitro-gen dynamics are modeled in a river in Flanders.Nitrogen sources from agricultural leaching anddomestic point sources are considered. Based onthis input, concentrations of ammonium (NH4-N)and nitrate (NO3-N) in the river water are modeledin MIKE 11 by taking into consideration advectionand dispersion and the most important biologicaland chemical processes. Model calibration wasdone on the basis of available measured waterquality data. To this detailed model, a more sim-plified model was calibrated with the objective tomore easily yield long-term simulation results thatcan be used in a statistical analysis. The resultsshow that the conceptual simplified model is 1800times faster than the MIKE 11 model. Moreoverthe two models have almost the same accuracy.The detailed models are recommended for short-

term simulations unless there are enough data formodel input and model parameters. The concep-tual simplified model is recommended for long-term simulations.

KEY WORDS: ammonium, nitrate, water quality modeling,simplified model, sensitivity analysis

DOMAINS: nutrition, agronomy, soil systems, environmen-tal technology, environmental management and policy, en-vironmental technology, ecosystems management,agricultural biotechnology, modeling, environmental mod-eling, environmental monitoring

INTRODUCTION

������������������������ ��������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������ ��������� �������������������� ����������������� ��������������������� ������ �������������������������������������������������������� �������������������������� ����������������!����������"��� ���������������������������� ����������������� ��������������!����������� ������������ ����������� ��������!��������� ����������� ������������ �����������������������������������#���������������������������������� ������������������� ����������������� ������������������������ ������������ �� ������������� ����������������$���������������

Modeling of Nitrogen in River WaterUsing a Detailed and a Simplified Model

Mona Radwan1,*, Alaa El-Sadek1, Patrick Willems1,Jan Feyen2, and Jean Berlamont1

1K.U.Leuven, Hydraulics laboratory, Faculty of Engineering,Kasteelpark 40, B-3001 Heverlee, Belgium; 2K.U.Leuven,Institute for Land and Water Management, Vital Decosterstraat 102,B-3000 Leuven, Belgium

201

Radwan et al.: Modeling of Nitrogen in River Water TheScientificWorld (2001) 1(S2), 200–206

������������������������ �����%�&��'����������� �� ��������������������������������������(

• )���� $������� �������� ������������ ��� �� ���� ��� ��������������� ��� �� ������ ������������������ ��� ������� ��� �� �������� �������� ����������� ��� ��� ��������������������� �� �������������������������

• '������������������ ������������������������������������������������������� �!���������������������$����������$��������������� ������%�&�

• '���������������������������������������������������

'������������������������������������������$��$����� ��������� ������������������� ����������� ���������������� ��������������� ���������������������� ������� ��������'�������� ����������������������������������������$������������� ���������������������� �������������

��� ����� �����!� ��� ������ ���� ��� �����*�� ���� �������������������������������������������� ������� ���������������� ��������'�� �������������������������������������� ���(� ��������������� ������� ����������� ������� ��

NITROGEN CYCLE IN RIVER WATER

+��� ���������������������������������*�����������������������,�������'��������� ������������������������������������������ �����������������������������������������'�������� �������������������������� ��������������������$���������������������������������%-&�

• ������������������������������������������������������$��������������������� �������������./����#��012� ����������� ������ ������ �������� ���� �������������!������ �������$���������������������������012������ �������������./�� ����������

• ����������������� �����������������������������*���� ������� ���� ������!� �������� ����� ���� ��� ���

����������'������� ����������������������� �� ������������������������������������*���������������������������3���������!����������������*��������������������������

• � ������������������ ���������������������������������� ������� ���������'���� ������ ��� ���� ��� ��������� ��������� '��� ��������� ��������� ��� ��� ������� ��������������������� ����������$���������������������������� �����������.1�

�������������������������������� ��������4�� ������������������������������ ���������%-&�

����������!�������������������������������� ������������������� ������������������ �������� ����*���!���������������������������������� ��������������������������.��������������������������������������������������������������������������������������� ���������������*������������������������� ��������2���������� ������������!������������������������������ ������������������������������������������*�����������������������������������������������������������������)��������������������������������� �������'��������� �������� �������������������������������������������������������������������������������������3������������������������� ����������� ������������������������������������������������%5&�

Sources of Nitrogen in River Water

Nitrate

Nonpoint Source

• +���������(� �������������������������������������������� ����$���������������������!� ������!���������!������!����������������������������������6�����������������*��6�����������������������6�������� ������ ���������%7&�

• 8������������������(� ��������������������������������������������������������*�����������������������!���$�

�������� ��������������������� ��������������������������������������

202

Radwan et al.: Modeling of Nitrogen in River Water TheScientificWorld (2001) 1(S2), 200–206

������������������� ����9� ���������!������������ �������

• 1���(� ��� ���������� ��� ������� ����!� ����������� ����������������������������������������������������!��������!������������ ���������������������������� ������������������4 ������������������������� ������ ��������������������������������������������� ������������������������������ ����������������������������� ����������������������� ������ ���� �� ������� ����� ������� ��� ��������������� ���������������������%:&��+����������������������� ������� ������ ����� ��������� ������� ��� ����������������������!���������������������������������� �������� ����!� ���������� ����� ��������� ���� ����� �������

Point Source

• ���������� ����� ��� �������� ������������������� ������������������������������.���������������������������� ������(����������!� �������������������*�!�� ���� �!�����!������������������!������������������������������������� � ���������%;&��+���������� �������� ��� ������������ ��� ����� ������� ������ ���� ����������� ������������������������� �������

Ammonium

Nonpoint Source

• .������(��������� ���������������������� ���������� ��������������������������������������������������������������������������+���������������������������������������������������������������%<&�

• +�����������(� ��� ������ ������������� ������� ������������������������������������������*�������������� ������������� ������������!����������������������!��������������6������� ����$��������������������!�������! ������!���������������

• 8������������������(���������������������������������������� �������� ���� � �� �� ��� ����� ��� ����� ��������������������������� ����� ���������

• 1���(� ������������������������� ������ ������������������������������� ������������������������������� ���������������������������� ������������������������������������������ ����� ���������� �������������� �� ���� ������������������+��������������� ��������� ��������������� ����������������������������!���������������� �������!�����������������������������

Point Source

'����������������������� ������� �����������������������������(���� �������������������$������$� �����!������������� �������!������� ���������!����� ������!������������

������������������!���������������!����� ��������!���������������!������������� �����!��������������� ���� ���������!� ���������������������������� ��!� ���������������������������!������������!���������� ��������%<&�

METHODS

Modeling System MIKE 11

'�������������������� ������)�=4������������ �� ����>=��#����?���������������%@&�������������������������������������������� ��������� ������������������������������������������� ���������!�������� ����������������� ���������������������������������������'���������������������� ��������������� ���������������������������������������� ������� �������!�������!����������������������������������� ��

A�����������������������./��.��������������.1��.�����������������)�=4�����.�������������������������������� ���������������� �����(�����������*���������������������������*����������������.����������������������������������� �����������������������������������'��� ���������������������� ������ ����������� ����������� ��A9���A�!�������� ��������� �����������+����������������A9����'!������'����� �������������� ��������'����������� ������������ ����������������������� �������������������� ����������������������� ��������� �����������������������'���������� ������������������� ���������������������������� ���������� ������� ��������� ������������������%�B&�

'�����������������������������������������������������(

( ) ( )( )

( ) ( ) ( )

4 T 20nitr 4 nitr

T 20deg rad deg rad resp h s

3 T 20 T 20nitr 4 nitr denitr 3 denitr

d NH Nk NH N

dt

y BOD y p r

d NO Nk NH N k NO N

dt

-

-

- -

-= - - q

+ q - -

-= - q - - q

����./��.�C�������������������!�.1��.�C���������������������!�012�C���������������������!���������C����������������� ���������������� �B��@���.9��012�!�$�������C������������������������������������BDA��B�79����!�$���C������������������������BDA��B�759����!�����C��������������������������������������������������������������5�5;���1�9��.�!������

C�+��������� ��������������������������������� ��������B�5�!���C�+��������� ������������������������������������� ����������-�!�'�C������� �������DA�!���� ��C������������9� ��$���������� �������9 ��������������B�B::���.9��1��!�$�����C����������������������9����!�����C�+���������� ������������������������������������� ����������:�!�� �C���� ����������������BDA��-���1�9�9����!����� ��C�������� �������������������-�7���1�9�9���������������������

'������ �����������������������������������������������������!� ������������!������� ���������+����������������������012�������������������������'���������������������������������������������������������������������������������'�

203

Radwan et al.: Modeling of Nitrogen in River Water TheScientificWorld (2001) 1(S2), 200–206

�����������������������������������������������������������������������������������������������������.1��.������������� �������)�=4���!����������E�� ���2��������)�����F�����������)�=4��������������������������� �����+����������,�����!��������������������������� �����������������������������������������.1��.���������������������������������������� ����� ����������������� ������ ��������'������ �� ��������������������75����B�75!�������������� �����������������������������������������.1��.���������,����������� ������!������������������������������������ ��������� ���������������+������������������������� ������������������������������������������� ��������������������6������������������ ������ �����������%@&�

Conceptual Simplified Model

'�������������������������������������� ������� ������� ��������������������������������0����������������������������������� �����������!�������������� ������� �������������������'�� ������������������������������ ������!�������� ����������������������������0����������������!������ �������� �������������������������� ��'��������������� ���������������������������)�=4�������!������������������ ��������������)�=4������������������������������!���������� ��������� ������ ��������������������������������������������!����������������� �������������������������0���� ���������������������������������������������������!���������������������������������������������������� ������������������#����%��&�

Sensitivity Analysis of Water QualityProcesses

'����������������� ������������������������������������������������� ������������������� ���������������������� ����3����$����������� ��������������� ������������� �������������������!�������������� ������������������������ ������������� ������������ ����!������-���������������������� ������� ��� ����������������+� ������ ���� ��������� ����������������������������������������� ����������� ������������������������������ � ����������� ������������� �� �������� ������������������������������� �����

+��� �������������������������������������������������� ������ ��������������������������������� ������� ����������������������������'��������������������������������� ������������������������������������������!��������� ������������������� �����������0����������������!��� ������������������������������������������������������������������������ ������� �����������'�� �������������������������� ���������������(��������������!���������������!012�����!� ������������!������� ���������4�� �������������������� �������� ���������,����-��'��������� ������������������������)����$�8� �����0������������� ���������� ���������4� �)���'��������������������������������������� �������������������8�����������%��!�-&�

,������)����$�8� �����������!����������������������������������������� ����������������������������������������������� �������� ,���./��.!� ��� ������������� ���������������������� ����������������������������012������ ���

������� ������������������������������������������������

204

Radwan et al.: Modeling of Nitrogen in River Water TheScientificWorld (2001) 1(S2), 200–206

'�� ��������������������������������������� �����������������������������������������������,�����4� ����������+������>))���������������������������

RESULTS AND DISCUSSION

'��)�=4������������������� ������� �������������������������� ��������<�������1��� �������!�����!������� ������������������������� ������@@B�����@@;�������������'������������������ ��������������������������'������������������������������,����5�����,����7����������������������� ����������� ��� ��������� ��� ������������������ ��� ���������������������������8�������������������������������������!����������������������������������������������./��.��'���� ���������������������������������������������������������������������������������� ����������������./��.���2��������� �������������������������!��������������������������������������'���� ��������������������������������������� ������� �������������� ����������������������)�=4��������

'����� �������������������������������������������������6������������������������ ���)�������������������������������������������������������� �� �������)����� �������������� ���� ������������������ �������������������������������������*������ ����������������������������������������������������� ���������������������� ����������������������������������!�����������������!�������� �����������������+���������������� �!�������� ������ ����������������������������)�=4���������'����������������������������)�=4�������!�������������0�������������� ������� ���������!������������������'������� ������� ��������������<BB������������'������������������������������������������������������������������ ����������������'������������������������ ������!�������������'������������ ����������������������������������������������� ������������ ��������������������������������������������������� ��������'���G���,��� ���� ������!� ��� ������ ��������� ����� ��� ���������� �����������������

������0���������������������� ������!����������������� �������� ������������ �(

( ) ( )( ) ( ) ( )

4 T 20 T 20nitr 4 nitr deg rad deg rad deg rad

3 T 20 T 20nitr 4 nitr denitr 3 denitr

d NH Nk NH N y k BOD

dtd NO N

k NH N k NO Ndt

- -

- -

-= - - q + q

-= - q - - q

Input Data and Models

+��������)����$�8� �!�����"������������� �������������������������������� ���� ����������� ��������������������+���������������� ����������������������������;:H�������������������'����������������������!���28+�.)12�.����%�5&��������+������������� ������������ ����������� ���������� ����������� ���������������.�������������,������������ ����4��3��$������%�7&������� ����������������)����$�8� ������ �����8�����������%�-&��'��������!�����!���� !�������� ������������������������ �������������������������������� �����������������������'����������������� �������������������������� ��������������������������� �������� ��������������I�3��A�������������������� ���������������������������������������������-����������J������������<����� �� ������5����� �������� ���'���������������� ����� ������������ ������ ������������� �������������!�����!��� �����������!�������������� ���������� ������������������������� ����������28+�.)12������'���������� ����������K��������!��@@B����2����-�!��@@;���������������������������.1��.������������������2�����:!��@<@�������������������������'������������������������������� ������)�=4�����+��������)����$�8� ����������������������� � ���������� ���������������,������� ��������������� � ���������������������������������������%�:&!�������������������������������������������� ���������������������������������������������������B��� ���� ���� �����%�;&��'��������������������������������������������������������� �����������������������������������������������������������������������������������������������������������B�@@BG$�

�������� �������������������������� ���� ������������������������������������������������������������� ���� �

205

Radwan et al.: Modeling of Nitrogen in River Water TheScientificWorld (2001) 1(S2), 200–206

TABLE 1Comparison of the Standard Deviation for both the

MIKE 11and the Conceptual Simplified Model

The Standard Deviation

Modeled Conceptual SimplifiedParameter MIKE 11 Model

NO3-N 1.32 1.3

NH4-N 1.45 1.44

�������� �������������������������� ���!��� �������������� ����� ����

������� �������������������������� ���!��� �������������� ����� ����

206

Radwan et al.: Modeling of Nitrogen in River Water TheScientificWorld (2001) 1(S2), 200–206

CONCLUSION

'���������������������������������!��������������� ����� ��������'��� ��������������� ������������������������ ���������� ��������� �������������'������� ��� ����������� ��������������� ���������� ���������� ��"����"��� ��������������� ������������.������������������������������������������������ ��������������������������� ��������������� � ���3 ���������������������������������./��.��������������.1��.���������������������������������������� �������� �������'������������������������������������� ��������������������������������'������������������������ ���������������������������������"��� ������������������������������������������!�������������������������������������������'����� ��������������������������������������������6�����!������������������ ���'������ ������� ��������������<BB������������������)�=4���������)��� ���������������� ����������������������'�����!� ������� ������� �������������������������������������������������������������������� ����������������� � ���������������������������!��������� ��������������������������� ���������!������������������������������������������������������������ � �������� ������ ����� �� ��� ������������ ��� �������� ,��������� ������� ����� ��� ������� ���� ����������������������������������������������������� ���������� �������

REFERENCES

�� �������� ������������ ���� ����������������������������������� ���!"�#��������$���������%������������������� �����������������������&'(��)�

!� *��+��,��������-���.������������#$���#����������������������������+��#���#����������������������������&�(����

)� �#�����*�/������&�����������������������������0�������1��$�� ������2�3���������4�,����+�

0� ��,����5�������6&�������������������������������������7���8�����9������4�,����+�

'� �����3�� �2�����6��� ���������������� ��!���"��������������������� * �2������:����*�����;/�

�� 2������1�8���;�������/������:������2�8������)��5�#��$�������������$�����������������,�����<� �#$�������������#����$��#���� $��������� ��� � ���=�� #����� �������� �����0'�(0�0�

-� ��3�+��2�:�����*�3��������2�>������&��>��+��8���������������!�&<� �#$�����?���#����������#��2����%����������@��

%�������>�$���#������5��������������:���������"������@�%�������2��+��25�

6� 4�������*�������� ����������-�����3��##��������5##����@�%�������2��+�2������:����#������>�

�� >�����1���������?�������������)���?�"�����5��������#$�����:�����������������#�����*�%������� �������@����9�*����������������A����)����>1?��1������#��>�#��+�

�&� 8����#���2���1�����������1������:����#����7���������5�,����B�������#����������#���#���������?�2�����8";� ���������@�3��8���8�������2��������� ��3���

��� 8����#���2���!&&&��2��3�3���������##������#��������������%�����������,������C.�����D�� ��������@�%����������/��%���:�����#�

�!� *��,�������8����#���2������:����#����7���������*������������#���������$����������������,���������#���#����?�2�������"��5"E��?������������8������?���8��+���$��������������.���$����2��������������������A�����������������$������.�#���4�%�#3���!0(!���/��%���:����#��$$��-''(-�0�

�)� *��,�������8����#���2���"������+��5������:����#����7���!&&&�?�������� �����#���#�����<� �� �$$�������� �������3��+�����#����:����#��'���?���8�����.�������� �����5��=��������"�$���$$���-'(�6'�

�0� :��%F����5����+���*�8���2�������7�"������������#��7�8������-�>*5?4�G>�4����������#�����������������������������������#�����$%$�������&�-(�&-'�

�'� "������+��5���8����#���2��� ��������������� ��������� ���>��������������;�����7�� �!&&&������������ ����4������:��������*���������������� �� ������.,��>�#������������������������� �#3������,�����?���������!&&&� �������G����3���!!(!-�� �$��.�,��������5������� >�*G��

��� A���#����������#�������$�H� �A����� ����'��1����������H+���I���$���582??���$�����I��$�������%����J:��������2����E��5������:����#����>������

�-� A���#���������#�������$$�H��A���������!�����%����J:�������2���E��5������:����#��G�,��$�582�??�>����� �����+���>������

����� �����������������������������

*��,�������"������+��5���8����#���2���;�����7������:����#����7��!&&��� ������� ��� ������ �� ��%��� ,����� ���� �� ��������� ��� ���#$�������#������ ?�G$��#�I��4����������#��� ��;������"����2������������"%���#�����2��������<�2���������������!�� ?���������� 4������ �������� �� ������� ��� 2������#��%������!��������������!&&(!&��

"����#��$ %��& '(��'))*"�#����$ ���!�� +��'))*,������$ ��#� !�� *��'))*��!������$ ��#� !�� '(��'))*

Submit your manuscripts athttp://www.hindawi.com

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Inorganic ChemistryInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com Volume 2014

International Journal ofPhotoenergy

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Carbohydrate Chemistry

International Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Journal of

Chemistry

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Advances in

Physical Chemistry

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com

Analytical Methods in Chemistry

Journal of

Volume 2014

Bioinorganic Chemistry and ApplicationsHindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

SpectroscopyInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

The Scientific World JournalHindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com Volume 2014

Medicinal ChemistryInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Chromatography Research International

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Applied ChemistryJournal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Theoretical ChemistryJournal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Journal of

Spectroscopy

Analytical ChemistryInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Quantum Chemistry

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Organic Chemistry International

ElectrochemistryInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com Volume 2014

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

CatalystsJournal of