Chaire de Recherche du Canada Modélisation de la Qualité de l Eau

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1 modeleau Chaire de Recherche du Canada Modélisation de la Qualité de l Eau Cours en gestion des eaux pluviales Peter Vanrolleghem & Leiv Rieger 17 juin 08 Chaire de Recherche du Canada en Modélisation de la Qualité de l Eau modeleau : son logo Localisation Québec, le long d une rivière iè Liens avec nos objectifs à long terme Récolte de données Eaux urbaines En continu (automatisé) Qualité des données Son nom : Modélisation des systèmes des eaux 2 1

2 modeleau : Histoire Février 2005: Chaire de Recherche du Canada en modélisation de la qualité de l eau attribuée Février 2006: Début de modeleau Avril 2006: Premier collaborateur (Leiv Rieger) Septembre 2010: World Water Congress à Montréal! 3 Gestion intégrée par bassins versants Immission Plus de degrés de liberté Émission 4 2

3 Eau de surface: Problématiques Eutrophisation 5 6 3

4 7 Eau de surface: Problématiques Pesticides 8 4

5 Politique nationale de l eau (2001) Schéma du cycle de gestion intégrée de l eau par bassin versant 9 Les 33 bassins versants prioritaires Bassins étudiés par les chercheurs du département 10 5

6 UE Directive Cadre de l Eau (2000) Une politique de référence: Le rôle des modèles dans le cycle de gestion intégrée de l eau par bassin versant modelling Implementation modelling Evaluation WFD process modelling Identification Designing modelling 11 modeleau : Objectifs Amélioration de la qualité de l eau en bassin versants rivières urbaines réseaux d égouts usines de traitement d eaux usées En utilisant les méthodologies suivantes: modélisation instrumentation, contrôle et automatisation logiciels de traitement des données, de modélisation et de simulation 12 6

7 modeleau Software: WEST Modelling & Simulation (WEST, Biomath - Hemmis) 13 modeleau Software: WEST Modelling & Simulation (WEST, Biomath - Hemmis) 14 7

8 Integrated Urban Water Management Case study Brussels... Evaluation Integrated Urban Water Management Effect of 2 design options on river water quality One large and different small rain events in summer 8

9 Integrated Urban Water Management River water quality (dissolved oxygen) Downstream of CSO, upstream of WWTP Clear positive effect of storage basins Integrated Urban Water Management River water quality (dissolved oxygen) Downstream of WWTP Positive effect of basins is reduced due to lower WWTP-efficiency under the increased loading 9

10 Projet stratégique: riveau Prendre une décision Polluants Polluants Polluants Optimiser la qualité des eaux modeleau : Instrumentation Data collection and treatment (LabView) 20 10

11 modeleau : Instrumentation New sensors: robust hardware + interpretation Settlometer SBH (m m) mg/l mg/l 1200 mg/l 800 mg/l 2800 mg/l time (d) Titrimeter 21 modeleau : Monitoring station Traditional set-up : PUMP river Water level hydraulic loop Telemonitoring Turbidit ph y Ammoni Nitratea Redox Oxyge n Conductivit Temperature y SAMPLE R STATION TRANSMITTE R MONITO R TRANSMITTE MONITO R R TRANSMITTE R MONITO R TRANSMITTE R MONITO R Precipitation Solar radiation SM S EmLog DATA LOGGER 22 11

12 modeleau : Monitoring station moneau concept Back-up Server moneau Base Station 1 Ethernet/DSL GSM/UMTS Radio moneau Base Station 2 n moneau Central Server Maintenance requirement/ Warning/Alarm Ethernet/DSL GSM/UMTS Radio notification Industrial computer (IC) Mobile Handheld Industrial computer (IC) Programmable Logic Controllers (PLC) Programmable Logic Controllers (PLC) I/O modules Interfaces for diff. protocols In-line sensors On-line sensors O 2 Sensors I/O modules Interfaces for diff. protocols In-line sensors On-line sensors O 2 Sensors Filtration unit Filtration unit 23 modeleau : Monitoring station IMW Endbericht (2005) 24 12

13 modeleau : Monitoring station IMW Endbericht (2005) 25 modeleau : Monitoring station IMW Endbericht (2005) 26 13

14 modeleau : Monitoring station 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, NH4-N_ISE [mg/l] tägl. um 06:00 NH4-N_ISE [mg/l] tägl. um 18:00 NH4-N_ISE [mg/l] XX:XX: IMW Endbericht (2005) 27 modeleau : Data quality From lots of data to reliable information? Data drowning 28 14

15 modeleau : Data quality Variable 2 Varia able Variable 1 3σ -3σ Variable 1 3σ Upper Control Limit -3σ Lower Control Limit The deviation is not detected unless the variables are combined Many variables are correlated The key to early fault detection is the correlation structure, not the original variables 29 modeleau ICA: Data quality Fault detection and diagnosis 3 x Aeration problem Air flowrate increase Q 1 Drain problem Influent disturbance T % confidence limit Batches

16 modeleau : Messages Amélioration de la qualité de l eau en bassin versants riviéres urbaines réseau d égouts usines de traitement d eaux usées En utilisant les méthodologies suivantes: modélisation instrumentation, contrôle et automatique logiciels de traitement des données, de modélisation et de simulation 31 3D schematic of modeleau s research ( cubeau ) System Metho odology Experimental Data Quality Modelling ICA, optimization Software Nu utrients µ-pollutants Energy-CO 2 µ 32 16