MATHEMATICAL MODEL FOR DISSOLVED OXYGEN IN THREE SOUTHERN ONTARIO RESERVOIRS

Abstract

A mathematical model for dissolved oxygen has been developed and applied to three reservoirs in the Grand River System in Southern Ontario. The modelling approach is to calibrate its predictions of vertical transport using temperature and its predictions of dissolved oxygen using biochemical data from one reservoir and then to attempt model verification using the remaining two reservoirs. Input-output material and hydrological budgets were made for two years. Measurements of hypolimnetic water column respiration (WCR) and sediment oxygen demand (SOD) were made for one year. WCR is approximately 0.2 mg/L-day while SOD is approximately 0.5 mg O2/m2-day. Using a vertical one-dimensional, wind-driven temperature model, model predictions agreed with observations to within 2 °C during stratification in 1978. During 1979, predictions are significantly improved due to the use of better wind data. Estimation of decay in the oxygen model is based upon mass inputs of phosphorus to the reservoirs and internal phosphorus cycling controlling the rate of decay of organics formed in situ. Calibration of an oxygen model was judged to be successful but verification was not due to fall overturn occurring too early.

Un modèle mathématique pour l’oxygène dissous a été développé et appliqué à trois réservoirs du Grand River System dans le sud de l’Ontario. L’approche consistait à calibrer les prédictions pour le transport vertical en utilisant les témperatures, et les prédictions pour l’oxygène dissous en utilisant les données biochimiques, pour ensuite vérifier la prédictabilite du modèle à l’aide des deux autres réservoirs. Les bilans massiques et hydrauliques pour les entrées et sorties furent réalisés pour une période de deux ans alors que les mesures de la respiration dans la colonne d’eau de l’hypolimnion (RCE) et de la demande en oxygène des sédiments (DOS) furent obtenues sur une période d’une année. Les valeurs de la RCE se situent autour de 0.2 mg/l-jour alors que celles de la DOS sont d’environ 0.5 g O2/m2-jour. En utilisant un modèle de type vertical à une dimension, où le vent sert comme force motrice, les prédictions de température se rapprochent des observations à moins de 2 °C dans les premières phases de stratification tandis qu’elles deviennent substantiellement inférieures aux températures prédites lors des dernières phases de stratification en 1978. Pendant 1979, les prédictions sont meilleures à cause des données plus précises pour le vent. La demande en oxygene pour le modèle mathématique utilise l’information pour le phosphore d’entrée des réservoirs et un rapport entre la respiration et le cycle du phosphore dans chaque réservoir du quel le dépérissement des organes est une partie. La calibration du modèle fut jugée adéquate mais, sa vérification n’a pu être réalisée du au mélange automnal hatif de la masse d’eau.