uu.seUppsala University Publications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Inter-Calibration of Optical Sensors and Implications for Water Quality Monitoring
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences.
2017 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Interkalibrering av optiska sensorer och konsekvenser för övervakning av vattenkvaliteten (Swedish)
Abstract [en]

Expected changes in water quality due to a changing climate associated with variabilities in rainfall, runoff and diffusive spreading of pollution pose an emerging risk for the drinking water supply. Extensive monitoring of water quality parameters is of importance and the possibility of sudden extreme events brings up the need of high-frequency measurements. Dissolved organic carbon (DOC) has frequently been used as indicator for quality due to its capability of transporting contaminants and heavy metals, and its negative influence on the water treatment process.

Hence, two sensors equipped with optical probes measuring fluorescence at an excitation of 365 nm and emission at 480 nm (EXO) and absorbance from 220 to 720 nm (s::can) were deployed in the Fyris river in Uppsala, central Sweden to approximate DOC concentrations. This is possible as the wavelength at which absorbance and fluorescence occur are unique for each molecule. Furthermore, the EXO carried a temperature and a turbidity probe. Measurements were conducted every 15 minutes for a period of about four months. Supplementary experiments improved the development of a calibration method for compensating temperature and turbidity effects on fluorescence measurements, as well as the generation of an algorithm to estimate DOC and turbidity from spectral absorbance data.

Very stable weather and discharge conditions allowed calibration only for a small data range in all variables. However, this condition favored the chance of observing a change in DOC character throughout the measuring period, which was confirmed by performing monthly laboratory analysis of DOC, TOC (total OC), fluorescence and absorbance at four different stations along the river. It became apparent that both sensors do not capture this change in composition very well, whereupon the s::can performs slightly better. The rather simple algorithm delivers reasonable estimates of DOC and turbidity, which can be improved when data with a greater variability are available. Inter-calibration of the sensors demonstrated systematic errors between the two and laboratory measurements. The dry-spell in Uppsala revealed how the parameters from different stations become more alike as the groundwater fraction of the stream water increases. The change in character depicted by the specific absorbance in the ultraviolet range suggests that during water treatment greater effort in the flocculation process will be needed.

Abstract [sv]

Generellt förväntar sig många i Sverige att kranvattnet är drickbart. Många av oss set det som en självklarhet att kunna dricka friskt kranvatten. Därför, är det extra viktigt att upprätthålla denna goda kvalité.

Kostsamma laborationsmätningar görs regelbundet på enstaka vattenprover för att kontrollera vattenkvalitén. Mätningarna som görs är mycket pålitliga och noggranna, men problemet med övervakningen av vattenkvalitén är att förändringar sker väldigt fort. Exempelvis, skapar en kraftigt men kort regnskur en våg av partiklar, vilket kan ger problem vid reningen av vatten. Det är nästintill omöjligt, både tidsmässigt och pengamässigt, att gå ut i fält, samla extra vattenprover varje gång det regnar och samtidigt jobba och ta vanliga prover.

Tänk om du, istället för att konstant vara fysiskt närvarande, hade ett par extra händer och ögon på plats som kan ta mätningar åt dig, på olika platser exakt samtidigt. Dessa extra händer existerar i form av sensorer som placeras direkt i vattnet och övervakar vattenkvalitén.

Det här projektet fokuserar på att jämföra förmågan att mäta indikatorer för vattenkvalité hos två sensorer. Varför indikatorer? Kvalitén på vatten är ett komplext system som är beroende på många faktorer, som exempelvis temperatur, pH, olika partiklar och föroreningar som flyter i vattnet. Sensorerna kan inte mäta allt, de fokuserar istället på några få parametrar som är kända för att ge en indikation om hur bra vattenkvalitén är i allmänhet. En indikator som ofta används, bland annat för dess förmåga att transportera föroreningar, är löst organiskt kol (DOC; t. ex. nedbrytningsprodukter från växter). Idag finns det ingen enkel sensor för att mäta DOC. Men DOC skapar färg i vatten och har därför optiska egenskaper. Optiska sensorer (ljusstråle) mäter vattenfärg och man kan använda de för att bestämma koncentration av DOC.

Särskilt enkelt är det inte att bara placera sensorn för fluorescensmätningar i vattnet. Ljusstrålarna är lättpåverkade av såväl partiklar som flyter i vattnet och av vattentemperaturen, vilket gör att korrigeringar för dessa behöver göras. Det har visat sig att temperaturen har en betydande effekt på mätningarna. Korrigeringar av optiska mätningar med två olika sensorer behövde därför korrigeras för att kunna jämföras mot laborationsmätningarna.

Metoderna som används i den här studien behandlar utvärdering av DOC-halter. Under provperioden var väderförhållandena mycket stabila. Eftersom ingen hänsyn har tagits till extrema väderförhållanden (ex. storm) kan ingen slutsats dras angående pålitligheten hos resultaten under extrema förhållanden. En annan viktig felkälla i resultaten identifierades. När sammansättningen av kolet ändras, så kan mätresultatet vara missvisande. Framtida analyser måste ta hänsyn till detta.

Place, publisher, year, edition, pages
2017. , 61 p.
Series
Examensarbete vid Institutionen för geovetenskaper, ISSN 1650-6553 ; 412
Keyword [en]
Absorbance, fluorescence, optical sensors, DOC, turbidity, water quality
Keyword [sv]
Absorbans, fluorescens, optiska sensorer, DOC, turbiditet, vattenkvalité
National Category
Oceanography, Hydrology, Water Resources
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-329935OAI: oai:DiVA.org:uu-329935DiVA: diva2:1143805
Educational program
Master Programme in Earth Science
Presentation
2017-08-24, Norrland 1, Geocentrum, Villavägen 16, Uppsala, 11:00 (English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2017-09-22 Created: 2017-09-22 Last updated: 2017-09-22Bibliographically approved

Open Access in DiVA

The full text will be freely available from 2019-01-29 00:01
Available from 2019-01-29 00:01

By organisation
Department of Earth Sciences
Oceanography, Hydrology, Water Resources

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 78 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf