Review of Mathematical Models of Water Quality

• Authors: Aleksandra Ziemińska-Stolarska , Jerzy Skrzypski
• Languages of publication: EN

Abstracts

EN

Water is one of the main elements of the environment which determine the existence of life on the Earth, affect the climate and limit the development of civilization. Water resources management requires constant monitoring in terms of its qualitative-quantitative values. Proper assessment of the degree of water pollution is the basis for conservation and rational utilization of water resources. Water quality in lakes and dams is undergoing continuous degradation caused by natural processes resulting from eutrophication and due to anthropogenic reasons. One of the tools that are used to solve problems of surface water pollution is modelling of changes which take place in lake waters and associated water quality changes. In the last thirty years a rapid development of mathematical modelling of water resources quality has been observed. A number of computer models have been designed which are successfully applied in practice in many countries, including Poland. This paper presents an overview of mathematical models for assessment of water quality in dam reservoirs. Description of the WASP program which will be used for modelling water quality in the Sulejow Reservoir was the focal point.

PL

Jednym z narzędzi znajdujących zastosowanie w rozwiązywaniu problemów ochrony wód powierzchniowych przed zanieczyszczeniem jest modelowanie matematyczne. Odpowiedni model może zostać wykorzystany do przeprowadzenia prognoz jakości wody, przy uwzględnieniu zmian czynników oddziałujących na jakość wód czy też zmian ich natężenia. O prawidłowości oceny stanu środowiska za pomocą modeli decydują z jednej strony znajomość procesów zachodzących w środowisku i odpowiedni dobór równań matematycznych je opisujących, a z drugiej dostępne zbiory danych, czyli wyników pomiarowych wskaźników jakości wody, które są wykorzystywane do estymacji parametrów i współczynników danego modelu. W ostatnich latach coraz powszechniej w badaniach naukowych wykorzystuje się metody symulacji komputerowych, dotyczy to zwłaszcza badań nad jakością środowiska wodnego. Metody analizy komputerowej stały się samodzielną gałęzią badań naukowych, która w zasadniczy sposób zwiększa możliwości badawcze nowoczesnych inżynierów-ekologów. W ostatnich trzydziestu latach nastąpił dynamiczny rozwój modelowania matematycznego jakości zasobów wodnych. Opracowano wiele skomputeryzowanych modeli, które zostały z powodzeniem zastosowane w praktyce w wielu państwach, w tym w Polsce. W niniejszej pracy przedstawiono przegląd modeli matematycznych, służących ocenie jakości wód w zbiornikach zaporowych. Bardziej szczegółowo skupiono się na omówieniu programu WASP, który posłuży do modelowania jakości wód w Zbiorniku Sulejowskim (woj. łódzkie).

Keywords

EN

mathematical models; eutrophication; WASP; quality of surface water

PL

modele matematyczne; eutrofizacja; WASP; jakość wód powierzchniowych

• Publisher: De Gruyter Open
• Journal: Ecological Chemistry and Engineering S
• Year: 2012
• Volume: 19
• Issue: 2
• Pages: 197-211

Dates

published

1 - 1 - 2012

online

24 - 5 - 2012

Contributors

author

Aleksandra Ziemińska-Stolarska

• Faculty of Process and Environmental Engineering, Technical University of Lodz, ul. Wólczańska 213, 90-924 Łódź, Poland

author

Jerzy Skrzypski

• Faculty of Process and Environmental Engineering, Technical University of Lodz, ul. Wólczańska 213, 90-924 Łódź, Poland

References

• Gromiec MJ. Mathematical Modeling of the Quality of Surface Waters. Warszawa: Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej; 2008.
• Holnicki P, Nahorski Z, Żochowski A. Modelling of Environment Processes. Warszawa: Wydawnictwo Wyższej Szkoły Informatyki Stosowanej i Zarządzania; 2000.
• Chapra SC. Surface Water - Quality Modeling. New York - Toronto, USA: McGraw-Hill Companies, Inc.; 1997.
• Bielak S. Assess and predict the ecological status of river ecosystem in Biebrza National Park. [PhD Thesis]. Kraków: Technical University of Krakow; 2009.
• Balcerzak W. Application of selected mathematical models to evaluate changes in water quality. In: International Conference on Water Supply, Water Quality and Protection. Kraków; 2000.
• Cole T, Buchak, E. CE-QUAL-W2: A Two-Dimensional, Laterally Averaged, Hydrodynamic and Water Quality Model - Version 2.0. Tech. Rpt. Waterways Experiments Station. Vicksburg, MS; 1995.
• Chau KW. A three-dimensional eutrophication modeling in Tolo Harbour. Applied Mathematical Modelling. 2004; 28:849-861. DOI: 10.1016/j.apm.2004.04.002.[Crossref]
• Manache G, Melching SC. Sensitivity analysis of a water quality model using Latin hypercube sampling. Journal of Water Resources Planning and Management. 2006;130:232-242. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9496(2004)130:3(232).[Crossref]
• Blumberg AF, Mellor GL. A coastal ocean numerical model. In: Proc. Int. Symp. on Math. Modelling of Estuarine Phys. Sundermann J, Holz KP, editors. Berlin: Springer; 1980:202-19. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9429(1999)125:8(799).[Crossref]
• Onishi Y, Trent D. Mathematical Simulation of Sediment and Radionuclide Transport in Surface Waters. NUREG/CR-1034, Washington D. C.; 1981. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9429(2008)134:1(1)[Crossref]
• Papanicolaou AN, Elhakeem M, Krallis G, Prakash S, Edinger J. Sediment transport modeling review - current and future developments. J Hydraul Eng. 2008;134:1-14. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9429(2008)134:1(1)[Crossref]
• Schwarzenbach RP, Gschwend PM, Imboden DM. Environmental Organic Chemistry. New York: John Wiley & Sons; 1993.
• Wool TA, Ambrose RB, Martin JL, Comer EA. Water Quality Analysis Simulation Program (WASP) - version 6.0. USEPA, Graft: User's Manual. US EPA: Atlanta G.A; 2001.
• Di Toro DM, Connolly JP. Mathematical Models of Water Quality in Large Lages, Part 2: Lake Erie. USEPA. EPA-600/3-80-065, 1980.
• Ambrose RB. WASP4, A Hydrodynamic and Water Quality Model. Theory, User's Manual, and Programmer's Guide. USEPA, Athens, GA. EPA/600/3-87-039; 1988.
• Balcerzak W, Zimoch I. Mathematical modelling of water quality variations. Ochrona Środowiska. 1997;3:69-72.
• Caruso BS. Modeling metals transport and sediment/water interactions in a mining impacted mountain stream. Journal of the American Water Resources Association. 2004;40:1603-1615. DOI: 10.1111/j.1752-1688.2004.tb01609.[Crossref]
• Wagner I, Izydorczyk K, Kiedrzyńska E, Mankiewicz-Boczek J, Jurczak T, Bednarek A, et al. Ecohydrological system solutions to enhance ecosystem services: the Pilica River Demonstration Project. Ecohydrol Hydrobiol. 2009;9:13-39. DOI: 10.2478/V10104-009-0042-8.[Crossref]
• Zimoch I, Kłos M. Application of computer techniques to the estimation of surface water quality. Ochrona Środowiska. 2003;25:73-76.
• Biedka P, Dzienis L. Modelling of dissolved oxygen changes in water of lakes. Middle Pomeranian Science Society Environment Protection. 2009;11:849-860
• Balcerzak W. Application of WASP-6 program for modelling of eutrophication process. Czasopismo Techniczne Technical University of Krakow. 2003;7:15-26.

Identifiers

DOI

10.2478/v10216-011-0015-x