Upload
hoangquynh
View
214
Download
1
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