Deducing water parameters in rivers via statistical modelling

Advanced monitoring of water quality in order to perform a real-time hazard analysis prior to Water Treatment Works (WTW) is more of a necessity nowadays, both to give warning of any contamination and also to avoid downtime of the WTW. Downtimes could be a major contributor to risk. Any serious accident will cause a significant loss in customer and investor confidence. This has challenged the industry to become more efficient, integrated and attractive, with benefits for its workforce and society as a whole. The reality is that water companies are not yet prepared to invest heavily in trials, before another company announces its success in implementing a new monitoring strategy. This has slowed down the development of the water industry. This research has taken the theoretical idea that the use of advanced online monitoring technique in the water industry would be beneficial and a step further; demonstrating by means of a state-of-the-art assessment, usability trials, case studies and demonstration that the barriers to mainstream adoption can be overcome. The findings of this work have been presented in four peer-reviewed papers. The research undertaken has shown that Turbidity levels in rivers can be measured from the rivers’ mean flow rate, using either Doppler Ultrasound device for real-time readings or based on past performance history. In both cases, the Turbidity level can also help estimate both the Colour and Conductivity levels of the subject river. Recalibration of the equations used is a prerequisite as each individual river has its own unique “finger print”

Remote Sensing and Problems of the Hydrosphere

A discussion of freshwater and marine systems is presented including areas of the classification of lakes, identification and quantification of major functional groups of phytoplankton, sources and sinks of biochemical factors, and temporal and regional variability of surface features. Atmospheric processes linked to hydrospheric process through the transfer of matter via aerosols and gases are discussed. Particle fluxes to the aquatic environment and global geochemical problems are examined

Optimal resolutions for modeling and monitoring the water quality dynamics of Passaúna\u27s reservoir

Die Untersuchungen zur Optimierung der Überwachungsauflösungen des Passaúna-Stausees ergaben, dass die Überwachung des Gesamtphosphors (TP) am Hauptzufluss (Passaúnas-Fluss) während mittlerer und hoher Abflüsse mehr Informationen über den TP-Lasteintrag liefert als die höhere Frequenz an einer großen Anzahl von Standorten während Grundfluss. Das Passaúna-Reservoir wurde von Februar 2018 bis April 2019 in 11 Feldkampagnen überwacht, die sich aus monatlichen Wasserproben, In-situ-Messungen mit Sensoren und Laboranalysen zusammensetzten. Zusätzlich wurden Messungen mit hoher zeitlicher Auflösung durch optische Sensoren durchgeführt, die Konzentrationen von Nitrat, DOC und Chlorophyll-a (Chl-a) lieferten. Die erhaltenen Daten wurden verarbeitet und als Anfangsbedingung für den Simulationszeitraum verwendet, um ein nulldimensionales Wasserqualitätsmodell des Stausees von Passaúna zu kalibrieren und zu validieren. Das Passaúna-Reservoir wurde als vollständig gemischtes System angenommen, und ein Continuously Stirred Tank Reactor (CSTR)-Modell wurde angewendet und als stationäre und instationäre Lösungen getestet. Die stationäre Lösung ergab eine gute Übereinstimmung mit gemessenen Daten auf Jahresskala, und die instationäre Lösung zeigte eine gute Übereinstimmung mit gemessenen in monatlicher Auflösung. Ergebnisse von Szenariensimulationen auf der Grundlage der Verringerung der zeitlichen Auflösung von Eingabedaten auf weniger häufige Messungen zeigten, dass vierteljährliche zeitliche Auflösungen für die Überwachung von TP am Reservoir eine angemessene Frequenz sind. Darüber hinaus wurde anhand der verarbeiteten Überwachungsdaten und der Anwendung in einem nulldimensionalen Wasserqualitätsmodell die optimale Überwachungshäufigkeit in Bezug auf die Bewirtschaftung bewertet, wobei Strategien vorgeschlagen wurden, um die Überwachungsauflösungen unter Berücksichtigung der räumlich-zeitlichen Integration zu optimieren. Die Integration der räumlich-zeitlichen Dynamik der Wasserqualität im Überwachungszeitraum wurde anhand von Vergleichskarten von TP, Chl-a und Gesamtstickstoff (TIN) bewertet, die nach dem Wasserqualitätsindex der Stauseen klassifiziert wurden. Die Ergebnisse deuteten auf eine zumindest saisonale TN-Überwachung entlang des Stausees von Passaúna hin. Darüber hinaus ergab eine Bewertung der Auswirkungen auf die TP-Eintragsbelastung aufgrund von Sturmereignissen, dass sich Phosphor Überwachungs programme auf Sturmereignisse konzentrieren sollten, um realistischere Berechnungen des Phosphoreintrags zu erreichen. Schließlich deutete die Variabilität, die in den Chl-a-Datenreihen mit 15-minütiger und täglicher Auflösung identifiziert wurde, darauf hin, dass das Messdatum entscheidend für die Klassifizierung des WQIR-Status des Reservoirs sein kann. Ergebnisse aus der Analyse des Prozentsatzes des Auftretens zeigen, dass eine zweimonatliche Häufigkeitsüberwachung der Chl-a Konzentrationen höher ist geeignet für die Kontrolle und das vorbeugende Management der Wasserqualität

Laboratory requirements for in-situ and remote sensing of suspended material

Recommendations for laboratory and in-situ measurements required for remote sensing of suspended material are presented. This study investigates the properties of the suspended materials, factors influencing the upwelling radiance, and the various types of remote sensing techniques. Calibration and correlation procedures are given to obtain the accuracy necessary to quantify the suspended materials by remote sensing. In addition, the report presents a survey of the national need for sediment data, the agencies that deal with and require the data of suspended sediment, and a summary of some recent findings of sediment measurements

Quarterly literature review of the remote sensing of natural resources

The Technology Application Center reviewed abstracted literature sources, and selected document data and data gathering techniques which were performed or obtained remotely from space, aircraft or groundbased stations. All of the documentation was related to remote sensing sensors or the remote sensing of the natural resources. Sensors were primarily those operating within the 10 to the minus 8 power to 1 meter wavelength band. Included are NASA Tech Briefs, ARAC Industrial Applications Reports, U.S. Navy Technical Reports, U.S. Patent reports, and other technical articles and reports

Literature review of the remote sensing of natural resources

Abstracts of 596 documents related to remote sensors or the remote sensing of natural resources by satellite, aircraft, or ground-based stations are presented. Topics covered include general theory, geology and hydrology, agriculture and forestry, marine sciences, urban land use, and instrumentation. Recent documents not yet cited in any of the seven information sources used for the compilation are summarized. An author/key word index is provided

Third Earth Resources Technology Satellite Symposium. Volume 3: Discipline summary reports

Presentations at the conference covered the following disciplines: (1) agriculture, forestry, and range resources; (2) land use and mapping; (3) mineral resources, geological structure, and landform surveys; (4) water resources; (5) marine resources; (6) environment surveys; and (7) interpretation techniques

A Comprehensive Review on Water Quality Parameters Estimation Using Remote Sensing Techniques

Remotely sensed data can reinforce the abilities of water resources researchers and decision makers to monitor waterbodies more effectively. Remote sensing techniques have been widely used to measure the qualitative parameters of waterbodies (i.e., suspended sediments, colored dissolved organic matter (CDOM), chlorophyll-a, and pollutants). A large number of different sensors on board various satellites and other platforms, such as airplanes, are currently used to measure the amount of radiation at different wavelengths reflected from the water’s surface. In this review paper, various properties (spectral, spatial and temporal, etc.) of the more commonly employed spaceborne and airborne sensors are tabulated to be used as a sensor selection guide. Furthermore, this paper investigates the commonly used approaches and sensors employed in evaluating and quantifying the eleven water quality parameters. The parameters include: chlorophyll-a (chl-a), colored dissolved organic matters (CDOM), Secchi disk depth (SDD), turbidity, total suspended sediments (TSS), water temperature (WT), total phosphorus (TP), sea surface salinity (SSS), dissolved oxygen (DO), biochemical oxygen demand (BOD) and chemical oxygen demand (COD)

Sensors in the stream: the high-frequency wave of the present

New scientific understanding is catalysed by novel technologies that enhance measurement precision, resolution or type, and that provide new tools to test and develop theory. Over the last 50 years, technology has transformed the hydrologic sciences by enabling direct measurements of watershed fluxes (evapotranspiration, streamflow) at time scales and spatial extents aligned with variation in physical drivers. High frequency water quality measurements, increasingly obtained by in-situ water quality sensors, are extending that transformation. Widely available sensors for some physical (temperature) and chemical (conductivity, dissolved oxygen) attributes have become integral to aquatic science, and emerging sensors for nutrients, dissolved CO2, turbidity, algal pigments, and dissolved organic matter are now enabling observations of watersheds and streams at timescales commensurate with their fundamental hydrological, energetic, elemental, and biological drivers. Here we synthesize insights from emerging technologies across a suite of applications, and envision future advances, enabled by sensors, in our ability to understand, predict, and restore watershed and stream systems

Algal dynamics in Lake Taihu, an example for shallow eutrophic lakes - from monitoring to modelling = Algendynamik im Taihu See, ein Beispiel für flache eutrophe Seen - vom Monitoring zur Modellierung

Algenblüten kommen häufig in eutrophen Seen vor und sind in vielen Ländern der Welt zu einem großen Problem geworden. Ein Beispiel hierfür ist der flache und eutrophe Taihu-See in China. Im Taihu-See treten Algenblüten oft mehrmals im Jahr auf und führen zu wachsenden Herausforderungen bei der Trinkwasserversorgung. Besonders die Trinkwasserkrise im Jahr 2007 war ein Weckruf für die Regierung, Zivilbevölkerung und Forscher, weshalb über die letzten Jahre verschiedenste Maßnahmen ergriffen wurden, um diesem Problem entgegenzuwirken. Die Ergebnisse dieser Maßnahmen sind jedoch bis heute nicht zufriedenstellend. Es ist daher dringend erforderlich, die Algendynamik im Taihu-See in den verschiedenen Jahreszeiten zu verstehen sowie die treibenden Faktoren der Algenblüten zu identifizieren, um auf Basis dieses Wissens angepasste Strategien und Lösungen zu entwickeln. Herkömmliche traditionelle Methoden zur Messung der Wasserqualität liefern in der Regel verzögerte Messdaten, die meist nie die Echtzeit-Situation eines Gewässers widerspiegeln. Zudem ignorieren die meisten Messverfahren vertikale Unterschiede der Wasserqualität, die insbesondere bei flachen und geschichteten Wasserkörpern einen großen Einfluss haben können. In dieser Studie wurde daher ein stationäres Online-Hochfrequenz-Multisensorsystem (BIOLIFT) eingesetzt, um die Veränderungen der Wasserqualität über die gesamte Wassersäule zu analysieren. Gleichzeitig wurde eine an den BIOLIFT angeschlossene Wetterstation genutzt, um meteorologische Echtzeit-Daten zu erfassen. Zur Messung der räumlichen Verteilung der Wasserqualität kam zudem ein Online-Multisensorsystem (BIOFISH) zum Einsatz, welches von einem Boot aus betrieben wurde. Parallel zu diesen Aktivitäten wurden Wasser- und Sedimentproben entnommen, um den Zustand und die Dynamik der im Taihu-See auftretenden Nährstoffe und Spurenmetalle zu charakterisieren. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde anschließend ein Simulationsmodell sowie ein konzeptionelles Modell erstellt, das in naher Zukunft dazu beitragen soll, ein Frühwarnsystem für das Wassermanagement am Taihu-See und den Betrieb von Trinkwasseranlagen zu entwickeln. Darüber hinaus wurden die ermittelten Online-Messdaten mit entsprechenden Daten des tieferen und weniger stark eutrophierten Westensees in Deutschland verglichen. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit geht hervor, dass die Eutrophierung in Kombination mit geringen Wassertiefen vorteilhafte Bedingungen für das Algenwachstum schafft und auch die Remobilisierung von Metallen verstärkt. Es wurde ein Sauerstoffmangel beobachtet, der durch die Zersetzung von Algen und die Reduzierung des ins Wasser einfallenden Sonnenlichts durch Algenschäume verursacht wurde. Dieser Sauerstoffmangel führt zum Tod von Wassertieren und zur Verringerung der Artenvielfalt. Die Algendynamik, die Klima- und Witterungsbedingungen sowie die Wasserqualität (z.B. Nährstoffgehalte, Wassertemperatur, etc.) weisen außerdem starke jahreszeitliche Unterschiede auf. Selbst im flachen Taihu-See wurde im Sommer und zeitweilig im Herbst eine Stratifizierung beobachtet, was auf die Notwendigkeit eines vertikalen Tiefenprofil-Monitorings der Wasserqualität hinweist. Die vertikale Verteilung der Algen variiert in Abhängigkeit der Algenarten und wird durch windinduzierte Vermischungs- und Resuspensions-Ereignisse beeinflusst. Resuspensionsprozesse stellen eine der zentralen Nährstoffquellen dar und können insbesondere den benthischen Algen zu besseren Lebensbedingungen verhelfen sowie nahe der Wasseroberfläche auftretende Balualgenkolonien in tiefere Wasserschichten zurückbringen. Blaualgen sammeln sich im Sommer und Herbst, vor allem am Nachmittag, bevorzugt an der Wasseroberfläche an. Sonnenlicht ist wichtig für das Algenwachstum, jedoch führen Fluoreszenzlöschung- und/oder Photoinhibitionseffekte durch das starke Sonnenlicht zu einem Anstieg der Algenfluoreszenz in der Nacht, aufgrund der Erholung von Lichtschäden. Im Allgemeinen weisen flache Seen wie der Taihu eine bessere Lichtverfügbarkeit auf, allerdings kann diese auch leichter durch windbedingte Resuspensionsprozesse reduziert werden. Neben der Resuspension beeinflussen auch Blaualgenschäume die Lichtverhältnisse im Wasser. Grundsätzlich treten Blaualgenblüten vorzugsweise an warmen, sonnigen und ruhigen Tagen auf, wenn das Wasser außerdem einen hohen pH-Wert aufweist. Es besteht zudem eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass Blaualgenblüten nach einem starken Windereignis auftreten. Blaualgen tolerieren auch Schwachlichtbedingungen, indem sie sich durch Auftriebsänderungen an die Wasseroberfläche bewegen. Daher kann präventive Arbeit im Vorfeld geleistet wurden. Mit den Ergebnissen dieser Studie wurde ein Modell entwickelt, mit dem auf Basis von hochfrequenten Multisensor- sowie Wetterdaten die Chlorophyll-a-Fluoreszenz-Veränderungsraten von Grün- und Kieselalgen sowie die Phycocyanin-Fluoreszenz von Blaualgen an der Wasseroberfläche simuliert werden können und sich darüber hinaus über einen kurzfristigen Zeitraum (2-3 Tage) vorhersagen lassen. Dies kann in Trinkwasseranlagen zur weiteren Entscheidungsfindung über notwendige Wasseraufbereitungsverfahren und die Menge des in verschiedene Einzugsgebiete gepumpten Rohwassers genutzt werden. Diese Dissertation zeigt neue Methoden zur Messung und Analyse der Wasserqualität in flachen und eutrophen Seen. Neben dem Taihu-See kann dieses System auch in anderen Oberflächengewässern (z.B. den Westensee) angewendet werden. Die Erkenntnisse und Modelle über die Wasser- und Algendynamik lassen sich zudem auf andere Seen in der Welt übertragen