Chapter 3
Surface Water Quality and Analysis
Hamidi Abdul Aziz, Salem S. Abu Amr, and Yung-Tse Hung
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.1 Water Quality Monitoring and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.2 Classification of Surface Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
1.3 Water Quality Indices (WQIs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2 Water Quality Module Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.1 Module Subdivision and Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3 Oxygen Consumption and Replenishment in Receiving Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1 Effect of Physical Characteristics of Water on Dissolved Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2 Biochemical Decay of Organic Waste Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3 Reaeration Portion of the DO Mass Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4 Oxygen Percent Saturation and Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.5 Quantifying the DO Mass Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 100
3.6 Nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4 Microbiological Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.1 Indicator of Microbiological Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2 Monitoring of Microbiological Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3 Fecal Coliform Bacterial Die-Off in Urban Watershed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
H. A. Aziz
School of Civil Engineering, Engineering Campus, Universiti Sains Malaysia,
Nibong Tebal, Penang, Malaysia
Solid Waste Management Cluster, Science & Engineering Research Centre (SERC)
Engineering Campus, Universiti Sains Malaysia, Nibong Tebal, Penang, Malaysia
e-mail: cehamidi@usm.my
S. S. Abu Amr
Faculty of Engineering, Karabuk University, Demir Campus, Karabuk, Turkey
Y.-T. Hung (*)
Department of Civil and Environmental Engineering, Cleveland State University,
Strongsville, OH, USA
© Springer Nature Switzerland AG 2021
L. K. Wang, M. -H. S. Wang, Y. -T. Hung, N. K. Shammas (eds.), Integrated Natural
Resources Management, Handbook of Environmental Engineering 20,
https://doi.org/10.1007/978-3-030-55172-8_3
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Surface Water Quality and Analysis
Hamidi Abdul Aziz, Salem S. Abu Amr, and Yung-Tse Hung
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.1 Water Quality Monitoring and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.2 Classification of Surface Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
1.3 Water Quality Indices (WQIs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2 Water Quality Module Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.1 Module Subdivision and Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3 Oxygen Consumption and Replenishment in Receiving Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1 Effect of Physical Characteristics of Water on Dissolved Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2 Biochemical Decay of Organic Waste Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3 Reaeration Portion of the DO Mass Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4 Oxygen Percent Saturation and Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.5 Quantifying the DO Mass Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 100
3.6 Nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4 Microbiological Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.1 Indicator of Microbiological Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2 Monitoring of Microbiological Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3 Fecal Coliform Bacterial Die-Off in Urban Watershed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
H. A. Aziz
School of Civil Engineering, Engineering Campus, Universiti Sains Malaysia,
Nibong Tebal, Penang, Malaysia
Solid Waste Management Cluster, Science & Engineering Research Centre (SERC)
Engineering Campus, Universiti Sains Malaysia, Nibong Tebal, Penang, Malaysia
e-mail: cehamidi@usm.my
S. S. Abu Amr
Faculty of Engineering, Karabuk University, Demir Campus, Karabuk, Turkey
Y.-T. Hung (*)
Department of Civil and Environmental Engineering, Cleveland State University,
Strongsville, OH, USA
© Springer Nature Switzerland AG 2021
L. K. Wang, M. -H. S. Wang, Y. -T. Hung, N. K. Shammas (eds.), Integrated Natural
Resources Management, Handbook of Environmental Engineering 20,
https://doi.org/10.1007/978-3-030-55172-8_3
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