Integrated Watershed Management 2015/16 - Técnico … · manually / Exige a identificação manual...

Water management and planning models

Integrated Watershed Management

2015/16

Modelling

• A model is a conceptualized and simplified version

of reality / Um modelo é uma versão conceptualizada e

simplificada da realidade;

• Establishes the relationship between the pressures

and the state of a water body, and gives insights

on how the system work / Permite relacionar pressões

com estado da massa de água e perceber o funcionamento do

sistema;

• Enables the testing of possible solutions / Permite

“experimentar” soluções.

• Modeling / Modelação:

– Physical models / Modelos físicos;

– Mathematical models / Modelos matemáticos.

IST: Integrated watershed management 2015/16 © Rodrigo Proença de Oliveira, 2015 2

MODEL

Natural

conditions

State

Decisions

Pressures

Physical modelling


Mathematical modeling

• Simple mathematical model: Q = C x i x A

• More complex mathematical models are now

Computer models:


Models and the decision making proccess

Models are needed to support our decisions / Os modelos são úteis para

apoiar o processo de decisão:

How do we decide? / Como decidimos?

• We define the problem / Definimos o problema;

• We identify possible alternative solutions / Identificação de soluções

viáveis (admissíveis), i.e. que satisfazem as condicionantes do problema;

• We evaluate different alternatives / Avaliamos as alternativas:

– Alternative 1 –> benefits, Costs, State;

– Alternative 2 –> benefits, Costs, State;

– …..

– Alternative n –> benefits, Costs, State;

• We identify the most adequate alternative /Identificação da a

alternativa mais adequada.


Simulation

• The model evaluates the performance of the system if a

given alternative is adopted / Modelo matemático que estima o

desempenho do sistema se adoptada determinada solução;

• The user tests different alternatives and evaluates the

results / O utilizador testa várias alternativas e avalia os resultados.

• The best alternative is identified by trial and error / Por

tentativa e erro, é identificada a melhor alternativa.


Model Alternative 1 State 1

Model Alternative 2 State 2

Model Alternative i State 3

Model Alternative n State 4

Best

alternative

Melhor

alternativa

Comparative

analysis

• Disadvantage: This may be time consuming. Desvantagem: Pode existir

um número muito elevado, por vezes infinito, de alternativas para solucionar o problema /

Optimization

• The model identifies a possible solution / O modelo identifica uma

possível solução:

• Evaluates the system performance / Estima o desempenho do

sistema;

• The model improves the solution / Aperfeiçoa a solução;

• The model automatically identifies the best solution / Identifica a melhor alternativa de forma automática;


Simulation Alternative x Consequences

Genetate new alternative

• Disadvantage: There is usually a need to simplify the problem

to be able to solve it / Desvantagem: É frequentemente preciso simplificar

o problema para poder resolvê-lo por optimização.

Best

alternative

Melhor

alternativa

IST: Integrated watershed management 2015/16 © Rodrigo Proença de Oliveira, 2015

Simulation versus optimization

• Simulation

– Simulates the real world in a more

realistic way / Permite simular o sistema de

forma mais realista;

– Possible alternatives must be identified

manually / Exige a identificação manual das

alternativas viáveis;

– The best alternative must be identified by

trial and error / Exige identificação da melhor

alternativa por tentativa e erro;

– When the number of alternatives is large,

it is hard to find the best one / Quando

existe um número infinito de alternativas, é difícil

identificar a melhor.

• Optimization

– The simulation of each alternative

must be simplified / Simulação

simplificada do sistema;

– The identification of the best

alternative is done automatically / Identificação da melhor solução de forma

automática.

– The alternative identified as the

best one, may not be the best one

in the real world / A solução identificada

como melhor pode não ser a melhor no mundo

real.

Solution

• Use optimization to find a set of promising solutions;

• Use simulation to evaluate the promising solutions and perform some fine tuning; 8

Modelo de simulação

(simplificado)Alternativa i

Função objectivo

(Indicador de

desempenho

Proposta de nova alternativa (processo iterativo automático)

Optimização

Modelo de

simulaçãoAlternativa i

Indicadores de

desempenhoAnálise

pericial

Proposta de nova alternativa

Simulação

Simulation models: There are many models

• Hydrology / Hidrologia:

– HEC-HMS (HEC1)

– Temez

– Mike -11

– Mike – Flood

– SWAT

• Urban hydrology / Hidrologia

urbana:

– SWM

– Mike-Urban

• Hydraulics / Hidráulica:

– HEC-RAS (HEC2)

– Mike -11

– Mike-21

• Water management / Planeamento

de recursos hídricos

– AQUATOOL

– BASINS

– WEAP

– WRAP

• Water quality / Qualidade da água

– QUAL2-E

– CE-QUAL-W2

– WRQSS

• Integrated watershed models / Modelos integrados

– SWAT

– MOHID


Hydrologic modeling

• Types of models

– Physical models

– Mathematical models

• Types of mathematical models

– Empiric vs conceptual

– Event vs continuous

– Lumped vs distributed

– Deterministic vs stochastic

• Examples of hydrological models:

– Thorthwaite-Matter (conceptual, continuous, lumped)

– Stanford Watershed Model (Linsley, 1960) (conceptual, continuous, lumped)

– MIKE11 and MIKE-SHE (DHI) (conceptual, continuous, distributed)

– SWAT (conceptual, continuous pseudo-distributed

– HEC-HMS (ex HEC1) (conceptual, event, lumped)

10 IST: Integrated watershed management 2015/16 © Rodrigo Proença de Oliveira, 2015

Simulation models: Water balance models

HYDROLOGIC

MODEL

Precipitation

Potential

evapotranspiration

Streamflow

Real evapotranspiration

Infiltration

Model

parameters

Input variables:

Output variables


Simulation models: Hydrologic modeling

• Continuous

model vs event

model:

• Lumped model

vs distributed

model:


Evento 1

Evento 2Evento 3

Evento 4Escoamento

Caudal

TempoSimulação contínua

Simulação de eventos

Novas

condições

iniciais

Novas

condições

iniciais

Novas

condições

iniciais

Lumped

model

Distributed

model

Pseudo-distributed

model

HEC-HMS: Hydrological flood model


Conceptual model / Event model / Lumped ou pseudo-distributed model

Modelo conceptual / Modelo de evento / Modelo agregado ou pseudo distribuido

HEC-RAS – Unidimensional hydraulic model


Water management models

• IRAS, Cornell University

• AQUATOOL, Universidade Politécnica de Valência

• WEAP, Stockholm Hydraulic Institute

• MikeBasin, DHI-Danish Hydraulics

• WRAP, Texas A&M


B.Montargil

B.Maranhão

Ac.Furadouro

Ac.Gameiro

Rib.Sor

Rib.Seda

Rio Tera

Pte V. Formosa

Pavia

Rib.Divor

Rib.Trejoito

Rib.Erra

Rib.Almadale

Canal do

Sorraia

Canal de

Salvaterra

Canal do M

onta

rgil

Pte Canal

Sta Justa

Sifão

Boicilhos

Dist. das

Gamas

Pte Canal

do Peso

Pte Canal

das Gamas

Dist. da

Erra

Dis

t. d

a M

obra

nco

Canal do M

ara

nhão

Dis

t. d

a C

ovada

Dist. de

Reguengos

Canal do

Maranhão

Dist.Gameiro

Dist.Mora

Dist. Franzina

Dist.Paços

Dist.Paços Dist. Engal

Canal do

Sorraia

Dist. Entre Aguas

Reg.

Escusa

Reg.da

Açorda

Dis

t. S

ebes

Dist.

Formosa

Dist. do

Vinagre

Dist. de

Trejoito

Dist. de

Samora

Sifão da

Foz

Dist. de

Montalvo

B.

Magos

R. Magos

Rib.Raia

Rio Raia

Pte Erra

Moinho Novo

Simulation models: Water quality models


Oxigénio

O2

Amonia

NH3

Nitrito

NO2-

Nitrato

NO3-

Amoníaco

NH4+

Fósfoto organico

(não disponível)Fitoplancton

(C, N, P, Cl-a)

Radiação

solar

morte

Matéria orgânica - Carbono,

CCBO

Degradação

rápida

Degradação

lenta

Detritos

Fósforo inorgânico

(disponivel para

plantas)

Azoto

organico

fotosintese

fotosintese

respiração

arejamento

hidrólise

hidrólise

degradaçãoCarbono

inorganico

fotosintese

Bentos

excreção

excreção

Most common models: • QUAL2K: 1D

• CE-QUAL-W2: 2D

• Basins (includes QUAL2K)

• SWAT

Inputs: Water and pollutant discharges

Output: Pollutant concentrations

Simulated processes: – Dilution

– Transport

– Bio-chemical transformations

– Dispersion

– Sedimentation

Model

Simulation models: SWAT model (Soil Water Assessment Tool)

SWAT (Soil Water Assessment Tool): Evaluates the impacts of land

use changes and contaminant discharge / Permite a avaliação à escala de uma

bacia do impacto das alterações do uso do solo na água, sedimentos e produção

agrícola.


• Continuous / Modelo contínuo

• Physically based / Modelo fisicamente baseado

• Distributed / Modelo distribuído

• Watershed (basin) / Bacia;

• Sub-basin / Sub-bacia;

• HRU.

• Antecendents / Antecedentes

• SWRBB,

• CREAMS

• GLEAMS

• EPIC

• Includes QUAL2E

17

Optimization models:

Formulation of na optimization problem

• Each alternative is decribed by the values assumed by teh set

of decision variables / Cada alternativa é representada pelos valores que

um conjunto de variáveis assume;

• Decision variables / Variáveis de decisão: X1, X2, ….,Xn

• Objective function: B(X1, X2, ….,Xn) (e.g. the benefits or the

costs of the alternative) / Função objectivo: beneficios ou custos

da alternativa.

Max B(X1, X2, ….,Xn)

subject to / sujeito a

F1(X1, X2, ….,Xn) <= b1

F2(X1, X2, ….,Xn) <= b2

.......

Fn(X1, X2, ….,Xn) <= bn


Constraints: They define the set of

feasible solutions. Restrições: Definem o conjunto de soluções

possíveis.

Optimization models:

Optimization techniques

• Linear programming / Programação linear:

– Only linear equations may be include in the model / Só podem ser incluídas equações lineares

g(X1, X2, …, Xn) = c1 X1 + c2 X2 + … + cn Xn

• Dynamic programming / Programação dinâmica:

– The objective function must be separable / A função objectivo tem de ser separável.

F(X1, X2, …, Xn) = f1(x1) + f1(x2) + … + fn(xn)

– Curse of dimensionality / Maldição da dimensão

• Non-linear programming / Programação não linear:

– The are are no garanties that the best solution is found / Não há garantia de identificação da melhor

solução.

• Heuristic methods / Técnicas heurísticas:

– Neural networks / Redes neuronais;

– Genetic algorithms / Algoritmos genéticos;

– Simulated annealing / Recozimento simulado;

• Integer programming / Programação inteira:

– A linear programming variant to allow for integer variables / Variante da PL que permite considerar

variáveis não contínuas

• Stochastic dynamic programming; control theory / Programação dinâmica

estocástica; teoria do controlo:

– Variants of dynamic programming / Variantes da programação dinâmica


Occam’s razor

Occam’s razor: Principio da parcimónia

Pluralitas non est ponenda sine neccesitate

A plurality is not to be posited without necessity

A pluralidade não deve ser posta sem necessidade

Entia non sunt multiplicanda praeter necessitatem

Entities must not be multiplied beyond necessity

As entidades não devem ser multiplicadas além do necessário


William of Ockham

(XIV century).

Simpler explanations are, other things being equal, generally

better than more complex ones. Se em tudo o mais forem idênticas as várias explicações de um fenómeno, a mais

simples é a melhor.

Occam’s razor


Leonardo da Vinci: Simplicity is the ultimate sophistication.

Isaac Newton: We are to admit no more causes of natural things than such as are both

true and sufficient to explain their appearances.

Albert Einstein: Everything should be kept as simple as possible, but no simpler.

Mies Van Der Rohe's: Less is more.

Antoine de Saint Exupéry: Perfection is reached not when there is nothing left to add,

but when there is nothing left to take away.

KISS: Keep It Simple, Stupid or Keep It Simple and Stupid or Keep It Simple and Safe

Occam’s razor


Problem conceptualization: Scope definition

• The concept of a system / Conceito de Sistema:

– A set that works has a whole, with its components

interacting between each other, which means they have to

be analyzed in a integrated way. Conjunto que funciona como um todo

e que inclui vários componentes que interagem entre si, e por isso precisam por

isso de ser estudadas de forma integrada

• Components of a water resources system / Componentes de um

sistema de recursos hídricos:

– Natural component / Componente natural

• Atmospheric cycle / Ciclo Aéreo

• Land cycle / Ciclo Terrestre (superficial e subterrâneo)

– Human component / Componente humana

• Social / Social

• Legal / Legal

• Economical / Económica


Time scales

• Ano / Year

– Preliminary estimates of water resources availability / Estimativas grosseiras de disponibilidades hídricas

• Month / Mês

– Performance analysis of water resources systems / Análise do desempenho de sistemas de recursos hídricos;

– Water balance of a watershed / Balanço necessidades disponibilidades à escala da bacia.

• Day / Dia

– Urban networks performance analysis / Análise do desempenho de redes de distribuição e drenagem urbana;

– Water balance of an urban area / Balanço necessidades-disponibilidades à escala de um

rede urbana.

• 1 – 6 hours / 1- 6 horas

– Urban networks performance analysis / Análise do desempenho de redes de distribuição e drenagem urbana;

– Water balance of an urban area / Balanço necessidades disponibilidades à escala de um

rede urbana.

– Water quality analysis / Avaliação da qualidade da água

– Flood studies / Estudos de cheias

• 15 -30 minutes / 15 -30 minutos

– Small watersheds flood studies / Estudos de cheias em bacias pequenas


Modeling steps


MODELOVariáveis de

entrada

Variáveis

de saída

Parâmetros

do modeloConjunto de

observações

1

Conjunto de

observações

1

MODELOVariáveis de

entradaVariáveis

de saída

Parâmetros

do modelo

Resultados

2

MODELOVariáveis de

entradaVariáveis

de saída

Parâmetros

do modelo

CALIBRAÇÃO

VALIDAÇÃO

APLICAÇÃO

Valores dos

parametros

Valores dos

parametros

Valores dos

parametros

Conjunto de

observações

2

Conjunto de

observações

2

Conjunto de

observações

3

Resultados

3

Calibration

Validation

Aplication

Water quality modeling

Water quality modeling


Water body

27

Q2 = Qo + Q1

C2 = (C0 x Qo + C1 x Q1 ) / (Qo + Q1 )

Inputs: Water and pollutant discharges

Output: Pollutant concentrations

Simulated processes: – Dilution

– Transport

– Bio-chemical transformations

– Dispersion

– Sedimentation

Dilution


Concentration = Mass / Volume

Concentração = Massa / Volume

Units / Unidades:

– mg/l

– mg/l

– ppm

Q2 = Qo + Q1

C2 = (C0 x Qo + C1 x Q1 ) / (Qo + Q1 )

28

Transport or advection


iRAKQ 32

Uniform regimen: Manning-Strickler:

– K – Manning coeficient (its inverse)

• 20 - 40 m1/3s-1 Sand bed

• 10 - 25 m1/3s-1 Pebble bed

• 10 - 50 m1/3s-1 Banks with vegetation

– R = A / P – Hydraulic radius

– A – Cross-section area

– i – Channel slope

29

Chemical transformations

• Conservatives substances: substances that do not suffer

biochemical transformations; they are only subject to transport

and dillution / Substâncias conservativas: Não sujeitas a transformações

bioquimicas, apenas ao transporte e diluição

• Non-conservative substances: Substances that undergo

biochemical transformations / Substâncias não conservativas: Sujeitas a

transformações bioquimicas

• aA + bB -> cC + dD

• aA + bB <-> cC + dD

• 1st order reactions: Reacções de 1ª ordem:


Example

X = 12 km , C = 46500 #/100 ml

X = 24 km , C = 16700 #/100 ml

X = 36 km , C = 9000 #/100 ml

X = 48 km , C = 2800 #/100 ml


3.2 km 4,8 km

QA = 40 l/s

CA = 3x106 #/100 ml

Qo = 1500 l/s

U = 0,21 m/s 1 2 3 4

31 3.2 km 4,8 km

QA = 40 l/s

CA = 3x106 #/100 ml

QB = 20 l/s

CB = 3x106 #/100 ml

Qo = 1500 l/s

U = 0,21 m/s 1 2 3 4

C1 = ??? #/100 ml

C2= ??? #/100 ml

C3= ??? #/100 ml

C4 = ??? #/100 ml

Example: solution


mlxxx

QQ

QCC

oA

AA 100/#109,77150040

40103 36

1

kt

o eCC

151023.6

21.01200048000

280046500lnlnln

seg

Ux

CC

t

CCk oo

mleC 100/#1085,1109,77 321.048001023.63

2

5

ml

xxx

QQQ

QCQQCC

BAo

BBAo 100/#5674920401500

10320154018525 6

23

mleC 100/#219521,56749 21.032002310,6

4

5

3.2 km 4,8 km

QA = 40 l/s

CA = 3x106 #/100 ml

Qo = 1500 l/s

U = 0,21 m/s 1 2 3 4

4,8 km

QA = 40 l/s

CA = 3x106 #/100 ml

QB = 20 l/s

CB = 3x106 #/100 ml

Qo = 1500 l/s

U = 0,21 m/s 1 2 3 4

Organic matter degradation. Oxygen consumption

Organic matter / Matéria orgânica:

– Measured in BOD (Biochemical oxygen demand) / Medida em CBO (Carência

bioquímica de oxigénio);

– A 1st order degradation can be assumed / Assume-se decaimento de primeira

ordem.


CBOCBO

Ckdt

dC

33

ktCBOCBO eCCot

Water reaeration


)( ODODkF sat

arej

arej

• Dissolved oxygen / Oxigénio dissolvido:

• Reaeration flux / Arejamento: fluxo de arejamento através da superficie

de água:

arejcons

ttt tFFODOD 1consarej ffdt

dOD

34

Rearation coeficient

• O’Connor and Dobbs

– H: 0,3 – 9,0 m

– U: 0,1 – 0,5 m/s

• Churchil

– H: 0,6 – 3,3 m

– U: 1,8 – 5,0 m/s

• Owen and Gibbs

– H: 0,1 – 0,7 m

– U: 0,1 – 1,8 m/s


Oxygen saturation content

The oxygen saturation content depends on / O

teor de saturação do oxigénio depende:

• Water temperature (key factor) / Temperatura

da água;

• Water salinity / Salinidade da água;

• Atmospheric pressure / Pressão atmosférica (ou

da altitude do corpo de água) - afecta a concentração

de oxigénio da atmosfera.

Key values / Valores guia:

OD < 3 mg/l – fish die / morte de peixes

3 mg/l < OD < 5 mg/l – risk of dying fish, but

torabe for short periods of time / risco de

morte de peixes, mas tolerável por períodos curtos

OD > 6 mg/l – healthy ecosystems / ecossistema

saudável

OD: 80%-120% - healthy ecosystems / ecossistema

saudável


Temperature

(degrees C)

DO

(mg/L)

Temperature

(degrees C)

DO

(mg/L)

0 14.60 23 8.56

1 14.19 24 8.40

2 13.81 25 8.24

3 13.44 26 8.09

4 13.09 27 7.95

5 12.75 28 7.81

6 12.43 29 7.67

7 12.12 30 7.54

8 11.83 31 7.41

9 11.55 32 7.28

10 11.27 33 7.16

11 11.01 34 7.05

12 10.76 35 6.93

13 10.52 36 6.82

14 10.29 37 6.71

15 10.07 38 6.61

16 9.85 39 6.51

17 9.65 40 6.41

18 9.45 41 6.31

19 9.26 42 6.22

20 9.07 43 6.13

21 8.90 44 6.04

22 8.72 45 5.95

36

SAG Curve - Streater-Phelps Model


Descarga

Distância á descarga

Co

nc

en

tra

çã

o

Mat.orgânica Oxigénio dissolvido

CBOsat

arej CkODODkdt

dOD )(

37

SAG Curve - Streater-Phelps Model



Exercise: Contamination control

To meet the established requirements, the project promoters are studying the possibility to request additional downloads reservoir located upstream to complement the treatment scheme that is to be installed. Treatment costs are 30 euros for each mg/s removed, but treatment rates above 60% are not possible. The reservoir has energy production contracts that require it to unload permanently 1 m3/s. The cost of additional downloads are 30 thousand euro/(m3/s). The reservoir managers are not interested in downloading more than 3 m3/s above the power generation discharges.

What is the most economical solution to meet the established requirements ?


20 km

1

T

2

Consider the watercourse where you want to install a plant that produces 4 g/s of a pollutant effluent. Environmental authorities only authorize this installation if the concentration of values resulting from the discharge do not exceed the 0.8 mg/l in section 1 and 0.5 mg/l in Section 2. Assume a coefficient of degradation 0.25 1/day and a flow of 0.15 m/s.

Considere o curso de água onde se pretende instalar uma unidade fabril que produz 4 g/s de um efluente poluente. As autoridades ambientais apenas autorizam essa instalação se os valores de concentração resultantes da descarga não excederem os 0,8 mg/l na secção 1 e os 0,5 mg/l na secção 2. Assuma um coeficiente de degradação de 0,25 1/dia e uma velocidade de escoamento de 0,15 m/s.

Para satisfazer os requisitos estabelecidos, os promotores do projecto estão a estudar a hipótese de solicitarem descargas adicionais de albufeira localizada a montante para complementar o tratamento de efluentes que estão a instalar. Os custos de tratamento são de 30 euros por cada mg/s removido, não sendo possível obter taxas de tratamento superiores a 60%. A albufeira tem contratos de produção de energia que a obrigam a descarregar de forma permanente 1 m3/s. O custo das descargas adicionais são de 30 mil euros/(m3/s). Os gestores da albufeira não estão interessados em descarregar mais de 3 m3/s, acima das descargas de produção de energia.

Qual a solução mais económica ?

Date post:	27-Sep-2018
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