US-TMDL. Bijdragen aan negatieve effecten op rivierkwaliteit (US EPA, 1994)

Inhoud

BIOMATH Department of Applied Mathematics, Biometrics and Process Control

• Scharnieren van de wetgeving (EU - USA) • Gevolgen voor het stedelijk waterbeheer

Scharnieren van “Emissie” naar “Immissie”

• Een mogelijke aanpak: – een visie voor 2015 – moeilijkheden

Het belang van de integrale aanpak van de waterketen

• Eerste stappen in die richting (3 gevallenstudies): Peter A. Vanrolleghem et al.

– Infrastructuur afvalwatertransport en -zuivering Brussel – Immissiegebaseerde Real-time Controle aanpak te Tielt – GREAT-ER waterkwaliteitsbeheer van het Rupelbekken

Zuiveringsbeheer in Oost-Brabant op een scharnierpunt ? Boxtel, 6 juni 2002 RUG-Biomath, Coupure 653, 9000 Gent, Belgium (e-mail [email protected])

BIOMATH

P. Vanrolleghem - 06-02 - 2

Bijdragen aan negatieve effecten op rivierkwaliteit 1990-1991 (US EPA, 1994)

Het geïntegreerd stedelijk watersysteem RAIN SURFACE RUNOFF & WASHOFF

WASTE WATER

SEWER INLET COMBINED SEWER SEWER NETWORK

R I V E R

CSO

STORM TANK EFFLUENT WWTP

BIOMATH


EU-WFD / US-TMDL

RIVER RIVERBASIN BASINMANAGEMENT MANAGEMENTPLAN PLAN

• EU Richtlijn Water (EU Water Framework Directive) – o2000 (in voorbereiding sinds 1996) – Vele richtlijnen (o1975) worden erin geïntegreerd – (Nog) geen concrete invulling, (Nog) niet coherent Working Groups werken hieraan – Achieve “Good Status” and “No deterioration” biologisch, morfologisch, fysico-chemisch – Bekken-gebaseerd (Rijn, Donau, …) – Stakeholder participation – Strikt tijdsschema


BIOMATH


BIOMATH

2004

R R ee vv is is ii oo nn ii nn

2006 ee vv ee rr yy 66

2009

2015

yy ee aa rr ss

Characteristics Characteristicsofofriver river basins/water basins/waterbodies bodies

Human Humanactivities activities

Monitoring, Monitoring, environm. environm.status status Environmental Environmentalobjectives objectives Programme Programmeof ofmeasures measures (economics) (economics) Implementation Implementation

SS tt aa kk ee hh oo ll dd ee rr ss

E E cc oo nn oo m m ii cc cc rr ii tt ee rr ii aa

II nn ss tt ii tt uu titi oo nn aa ll cc oo oo rr dd ii nn aa titi oo nn

1

US-TMDL

US-TMDL

• Onderdeel van de Clean Water Act (1972) • TMDL = Total Maximum Daily Load – berekening van de hoeveelheid vervuiling die in een ontvangende waterloop mag geloosd worden met naleving van de gestelde waterkwaliteitsnormen – vergunningsgever bepaalt de toegelaten vervuiling – toewijzing van de toegelaten vervuiling aan punt- en diffuse lozingen (stakeholder participation in 1970 !) – houdt rekening met seizoenvariaties en veiligheidsmarge – moet toekomstige groei toelaten (duurzaamheid in 1970 !) – bekken-gebaseerd BIOMATH


• Eerste 30 jaar van Clean Water Act: vooral technologisch gebaseerde normen/wetten voor puntvervuilingen worden geïmplementeerd • Waterkwaliteitsgerichte wetten (immissie !) werden niet opgevolgd tot einde jaren ‘90 • Milieu-organizaties gaan hiervoor een rechtszaak aan tegen de US-EPA eind jaren ‘90 • Uitspraken in Californië in 2000 ==> TMDL-koorts BIOMATH


US-TMDL

US-TMDL

• Essentiële componenten: – TMDL – Toewijzing van vervuiling (incl. huishoudelijke vuillast en landbouw) – Veiligheidsmarge (conservatief) – Toekomstvisie

• De toekomst van TMDL: Future Grow th

Non-Point Sources

– “Pollutant trading” tussen bv. industrie/landbouw is toegelaten indien de handel verifieerbaar is – Markten voor “vuilvracht-handel” worden gecreëerd Margin of Safety

Point Sources

• Implementatieplan • Monitoring programma BIOMATH


Gevolgen voor het beheer • Schaal:

– Depositie vanuit de lucht en transport over lange afstand zullen ook in rekening gebracht worden – Onderlinge verbanden tussen lucht-, water- en vaste vervuiling worden erkend BIOMATH


Gevolgen voor het beheer • Kwaliteitscriteria:

1 WZI of 1 rioolstelsel

Chemische indicatoren (NO3, CZV, Ptot)

↕

↕

Geïntegreerde aanpak op rivierbekken-niveau (overstijgt organisaties, landsgrenzen) Þ Reorganisatie (andere spelers, eg. landbouw) Þ Invoer van Geografische Informatie Systemen


– TMDL wordt her-bepaald op basis van “best science today” – Monitoring als input om TMDL’s bij te stellen

BIOMATH

Ecologische kwaliteit (bio-diversiteit, biotische index) Þ Kennisopbouw (nog meer multi-disciplinair) Þ Andere (technische) beheersmaatregelen nodig


BIOMATH

2

Visie voor 2015

Moeilijkheden

– GIS-systemen – Kennis-banken (modellen, regels)

• Onderhandelingen tussen de “Stakeholders”: – Waterkwaliteitsbeheerders – Landbouw & Industrie (Pollutant trading ?) – Bevolking & Overheid (European Environmental Agency ?)

• Geïntegreerd operationeel beheer – Veel meer informatie - Automatische Meetstations – Veel meer aangrijpingspunten - Real-time sturing BIOMATH


Eerste stappen voor oplossingen • • • •

Veelheid aan disciplines vereist Relatie fysico-chemie --> ecologie Hoeveelheden benodigde data/kennis zijn enorm Modellen zijn niet adequaat

Veelheid aan disciplines vereist Relatie fysico-chemie --> ecologie Hoeveelheden benodigde data/kennis zijn enorm Modellen zijn niet adequaat – – – –

niet compatibel voor verschillende deelsystemen procedure voor modelbouw is te log/veeleisend verschillende simulatoren nodig berekeningen zijn te traag

• Onzekerheid is groot, maar blijft zelf onbe(re)kend • Aantal aangrijpingspunten voor beheer is heel groot BIOMATH


Relatie Fysico-chemie / Ecologie • Black box aanpak – RIVPACS (UK, multi-variate regressie) – Neurale netwerken


• Onzekerheid is groot, maar blijft zelf onbe(re)kend • Aantal aangrijpingspunten voor beheer is heel groot

Ecologie

– – – –

• • • •

Fysico-chemie

• Geïntegreerd data- & kennisbeheer

Getraind met waterkwaliteitsdata BIOMATH


BIOMATH

BIOMATH


RWQM1 voor Glatt rivier (Zwitserland)

Department of Applied Mathematics, Biometrics and Process Control

Nitrite, Nitrite, July July 1990 1990

Peter A. Vanrolleghem et al.

gN/m3 gN/m3

River Water Quality Model No. 1 RWQM1

0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 00 7/17/90 7/17/90

7/18/90 7/18/90

7/19/90 7/19/90

7/20/90 7/20/90

IWA Scientific and Technical Report No. 12 RUG-Biomath, Coupure 653, 9000 Gent, Belgium (e-mail [email protected])


BIOMATH

3

RWQM1 voor Glatt rivier (Zwitserland)

Integrale modellering: Simulatoren • Manuele sequentiële simulatie – file transfers – file formaten – geen interactie tussen deelsystemen mogelijk

pH, pH, July July 1990 1990 log10(mol/l) log10(mol/l)

9.5 9.5 99

• SYNOPSIS (Schuetze, 1998)

8.5 8.5

– koppelingsroutines tussen simulatoren riool/WZI

88 7.5 7.5 7/17/90 7/17/90

• Integrated Catchment Simulator (ICS) 7/18/90 7/18/90

7/19/90 7/19/90

7/20/90 7/20/90

BIOMATH


Integrale Modellering: WEST-IUWS

– verbindt MOUSE, STOAT & MIKE11 simulatoren – organiseert communicatie tussen simulatoren – te veel overhead ==> traag P. Vanrolleghem - 06-02 - 20

BIOMATH

Integrale Modellering: WEST-IUWS

• Integrated Urban Wastewater System in WEST® • WEST® (Hemmis NV, Kortrijk, België) – – – –

state-of-the-art simulator (vergelijkbaar met SIMBA) open (eigen modellen inbrengen) hierarchisch modelleren parameterschattingsroutines

– bevat state-of-the-art modellen voor WZI – bevat RWQM1 voor riviermodellering – bevat KOSIM-model voor rioolstelsel

BIOMATH


Inhoud


BIOMATH

Integraal Stedelijk Waterbeheer

• Scharnieren van de wetgeving (EU - USA)

Gevallenstudie Brussel...

Evaluatie

• Gevolgen voor het stedelijk waterbeheer • Een mogelijke aanpak: – een visie voor 2015 – moeilijkheden

• Eerste stappen in die richting (3 gevallenstudies): – Infrastructuur afvalwatertransport en -zuivering Brussel – Immissiegebaseerde Real-time Controle aanpak te Tielt – GREAT-ER waterkwaliteitsbeheer van het Rupelbekken P. Vanrolleghem - 06-02 - 23

BIOMATH


BIOMATH

4

Effect van 2 ontwerp-opties op Rivierwaterkwaliteit

Eén grote en verschillende kleine regengebeurtenissen in de zomer van 1986 BIOMATH


Rivierwaterkwaliteit (zuurstof)

Rivierwaterkwaliteit (zuurstof) Stroomafwaarts CSO, Stroomopwaarts WZI

Duidelijk positief effect van bekkens (BAS) in rioolsysteem ! BIOMATH


Integraal Stedelijk Waterbeheer: RTC

Stroomafwaarts CSO, Stroomafwaarts WZI

Positief effect van bekkens is gereduceerd door de lagere WZI-efficiëntie onder de toegenomen belasting uit de bekkens BIOMATH


Gevallenstudie: Systeem Tielt Belangrijke overstort

Effluent

Upstream

BIOMATH


Immissie-gebaseerde regeling: Resultaten

Ammonia sensor 2km Downstream

Speibeek

Sewer system

Storm tank Treatment plant

Combined sewer overflow Side stream


Bypass WZI

Referentie BIOMATH


BIOMATH

5



Controle-acties ter hoogte van WZI

Controle-acties ter hoogte van WZI en rioolstelsel

BIOMATH


BIOMATH



Immission based control: Results

Evaluatie nevendoelstellingen (zuurstof)

Evaluatie nevendoelstellingenSneller (zuurstof) herstel Overall DO-minimum in the river (space independent)

Overall DO-minimum in the river (space independent)

3 2 1 0 10.2

10.7

4 3 2 1 0 10.2

11.2 time (d)

DO (mg/l)

4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

5

10.7

base case rain

11.2

Rain (mm)

DO (mg/l)

5

6

Rain (mm)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

6

base case 1 mg/l rain

time (d)

Absoluut minimum verbetert niet BIOMATH


BIOMATH


GREAT-ER: overzicht

GREAT-ER

WASTEWATER CHEMICALS

HYDROLOGY

GIS

DATA

DATA

Geography referenced Regional Exposure Assessment Tool for European Rivers

DATA

End User GIS

OUTPUT

MODEL MODEL

MONITORING P. Vanrolleghem - 06-02 - 36

BIOMATH

6

Deterministisch Model

Analyse Behaviour

EMISSION Treated Discharge

• directe GREAT-ER simulatieresultaten geografisch gerefereerde concentratiedistributies

Sewer

WWTP

EMISSION

CSO Untreated Discharge

River

Local Treatment BIOMATH


BIOMATH


GREAT-ER Validatie

GREAT-ER Validatie

Rivierbekken in Yorkshire (UK)

Concentraties in de riviersecties

Lozingspunt

BIOMATH


GREAT-ER Validatie

Onzekerheidsanalyse: Monte Carlo

Concentraties in de hoofdstroom

250

voorspelling

...

meting

200

150

Inputs

Monte Carlo

Distributies

Simulatie

‘Shot’

Deterministisch Model

200

Discreet 175

Concentratie

Concentratie

BIOMATH


Resultaat

150

100

Probabilistisch

125 100

50

0 0

20

40

60

80

Afstand (km)

100

Deterministisch

75 50 25 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

Afstand P. Vanrolleghem - 06-02 - 41

BIOMATH


BIOMATH

7

Onzekerheidsanalyse: Monte Carlo Pan-Europese expansie: Pilootgebieden ...

Inputs

Monte Carlo

Distributies

Simulatie

‘Shot’

– Frankrijk: Mayenne (Loire-Bretagne Basin) – Spanje: Llobregat – Duitsland: Rijn, Roer, Main

Deterministisch Went - Rother Aire - Calder UK

Model

200

Resultaat Distributies

Statistische 175 Analyse

Concentratie

...

Discreet

Probabilistisch

125

Itter Duitsland

Resultaat

90 %ile

150

Deterministisch

100

Rupel België

75 50

Gemiddelde

25

Lambro Italië

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

Afstand BIOMATH


GREAT-ER: overzicht

Rupelbekken

WASTEWATER CHEMICALS

HYDROLOGY

GIS

DATA

DATA

DATA

End User GIS

OUTPUT

MODEL MODEL

MONITORING P. Vanrolleghem - 06-02 - 45

BIOMATH


BIOMATH

RWZI’s 30 %

RWZI Data (AQUAFIN)

Ø Locatie + rivier Ø Type zuivering Ø Inwoner equivalenten Ø Capaciteit Ø Andere parameters…


BIOMATH

8

Ongezuiverde lozingen 70 %

Ongezuiverde Emissies (VMM) Ø Locatie van de lozingen Ø Inwoner equivalenten Waterkwaliteitsdata (VMM) Ø DO Ø NH4+, NO3Ø BOD, COD Ø PO43BIOMATH


laagste concentratie

Hydrologische Gegevens (AMINAL + AWZ) Meetstation: Ø Debiet tijdreeksen Ø Diepte indirect Ø Breedte Ø Snelheid Digitaal rivier netwerk: Ø Ligging op kaart

hoogste concentratie P. Vanrolleghem - 06-02 - 51

BIOMATH

Scenario 1: Geen zuivering Scenario’s voor de Aa bij Turnhout

4,5 4 geen zuivering Huidige situatie

3,5

PEC (mg/l)

3 2,5

RWZI Oud-Turnhout 8000 I.E.

2

Samenvloeiing de Laak

Samenvloeiing Wouwerloop

1,5 RWZI Turnhout 32500 I.E.

1 0,5 0

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

Afstand (m) P. Vanrolleghem - 06-02 - 53

BIOMATH

9

Scenario 2: Oxydatiebed <-> Actief slib

• Scharnieren van de wetgeving (EU - USA)

RWZI Turnhout 32500 I.E.

0,3

Huidige situatie

0,25

alle RWZI's zijn actief slib-systemen

• Gevolgen voor het stedelijk waterbeheer • Een mogelijke aanpak:

0,2 PEC (mg/l)

Take home

0,15

– een visie voor 2015 (GIS, kennis, pollutant trading) – moeilijkheden

0,1

• Eerste stappen in die richting (3 gevallenstudies):

0,05

0

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

– Infrastructuur afvalwatertransport en -zuivering Brussel – Immissiegebaseerde Real-time Controle aanpak te Tielt – GREAT-ER waterkwaliteitsbeheer van het Rupelbekken

Afstand (m) P. Vanrolleghem - 06-02 - 56

BIOMATH

Take home: Moeilijkheden • • • •

Veelheid aan disciplines vereist Relatie fysico-chemie --> ecologie Hoeveelheden benodigde data/kennis zijn enorm Modellen zijn niet adequaat – – – –


• Onzekerheid is groot, maar blijft zelf onbe(re)kend • Aantal aangrijpingspunten voor beheer is heel groot P. Vanrolleghem - 06-02 - 57

BIOMATH

10

US-TMDL. Bijdragen aan negatieve effecten op rivierkwaliteit (US EPA, 1994)

Recommend Documents