Continu Instream bewaking van voedingsstoffen en Sediment in agrarische waterscheidingen
Summary
Met de vooruitgang van de technologie en de stijging van de verwachtingen van de eindgebruiker, de noodzaak en het gebruik van hogere temporele resolutie gegevens voor verontreinigende lading schatting toegenomen. Dit protocol beschrijft een methode voor het continu in situ Waterkwaliteit monitoring hogere temporele resolutie om gegevens te verkrijgen voor op de hoogte van de water resource managementbeslissingen.
Abstract
Verontreinigende stof concentraties en ladingen in waterscheidingen variëren aanzienlijk met tijd en ruimte. Accurate en tijdige informatie over het trillingsniveau van verontreinigende stoffen in waterbronnen is een voorwaarde voor het begrijpen van de stuurprogramma’s van de verontreinigende stof wordt geladen en voor het maken van geïnformeerde water resource managementbeslissingen. De gebruikte methode van de “grab bemonstering” biedt de concentraties van verontreinigende stoffen op het tijdstip van bemonstering (dat wil zeggen, een momentopname concentratie) en onder bepaalde voorwaarden rechtstreekse- of overpredict van de concentraties van verontreinigende stoffen en de lasten. Continue monitoring van voedingsstoffen en sediment heeft onlangs ontvangen meer aandacht vanwege vooruitgang in computing, sensing technologie en opslagapparaten. Dit protocol demonstreert het gebruik van sensoren en sondes instrumentatie continu volgen in situ nitraat, ammonium, troebelheid, pH, geleidbaarheid, temperatuur en gehalte aan opgeloste zuurstof (DO) en voor het berekenen van de ladingen uit twee stromen (sloten) in twee landbouw waterscheidingen. Met de juiste kalibratie, onderhoud en werking van de sensoren en sondes, kan goede waterkwaliteitsgegevens worden verkregen door het overwinnen van uitdagende omstandigheden zoals aangroei en puin opbouw. De methode kan ook worden gebruikt in de waterscheidingen van verschillende grootte en gekenmerkt door landbouw, bebost, en/of stedelijke grond.
Introduction
Waterkwaliteit monitoring verschaft informatie over de concentraties van verontreinigende stoffen op verschillende ruimtelijke schalen, afhankelijk van de grootte van de bijdragende ruimte, die van een perceel of een veld tot een keerpunt variëren kan. Dit toezicht vindt plaats over een periode van tijd, zoals een enkele gebeurtenis, een dag, een seizoen of een jaar. De informatie vergaard uit de monitoring van de kwaliteit van het water, vooral met betrekking tot voedingsstoffen (bijvoorbeeld stikstof en fosfor) en sediment, kan worden gebruikt om: 1) begrijp hydrologische processen en het transport en transformatie van verontreinigende stoffen in stromen, zoals landbouw drainage sloten; 2) evaluatie van de doeltreffendheid van beheerpraktijken toegepast op de waterscheiding om de voedingsstoffen en sediment lading te verminderen en te verhogen van de kwaliteit van het water; 3) het evalueren van de levering van het sediment en voedingsstoffen aan het water stroomafwaarts; en 4) verbetering van het modelleren van voedingsstoffen en sedimenten te begrijpen de hydrologische en water van kwaliteitsprocessen die bepalend zijn voor vervoer van verontreinigende stoffen en dynamiek over het bereik van temporele en ruimtelijke schalen.
Deze informatie is cruciaal voor de restauratie van het aquatische ecosysteem, duurzame planning en het beheer van water bronnen1.
De meest gebruikte methode voor nutriënt en sediment toezicht op een keerpunt is grab bemonstering. Grab bemonstering vertegenwoordigt nauwkeurig een momentopname concentratie op het tijdstip van bemonstering2. Het kan ook een variatie van de concentraties van de verontreinigende stof met tijd verbeelden als frequente bemonstering wordt gedaan. Frequente bemonstering is echter tijd intensieve en dure, waardoor het vaak onpraktisch2. Bovendien kan grab bemonstering onder- of overschat de werkelijke verontreinigende stof concentraties buiten de bemonstering tijd2,3,4. Bijgevolg ladingen berekend aan de hand van dergelijke concentraties mogelijk niet nauwkeurig.
Anderzijds verschaft continue monitoring accurate en tijdige informatie over waterkwaliteit in een vooraf bepaalde tijdsinterval, bijvoorbeeld een minuut, een uur of een dag. Gebruikers kunnen het selecteren van de juiste tijdsintervallen op basis van hun behoeften. Continue monitoring kan de onderzoekers, planners en managers te optimaliseren sample collectie; ontwikkelen en bewaken van de tijd geïntegreerde statistieken, zoals totale maximale dagelijkse belasting (TMDLs); evalueren van het recreatieve gebruik van het waterlichaam; beoordelen van de uitgangssituatie van het stroom; en ruimtelijk en stoffelijk evalueren de variatie van verontreinigende stoffen te bepalen van de oorzaak-effect relaties en een management plan5,6te ontwikkelen. Continue monitoring van voedingsstoffen en sediment heeft onlangs toegenomen aandacht te wijten aan voorschotten ontvangen in computing en sensor technologie, de verbeterde capaciteit van opslagapparaten en de toenemende vereiste gegevens die nodig zijn om meer complexe processen te bestuderen 1 , 5 , 7. in een wereldwijde enquête van meer dan 700 water professionals, het gebruik van Multi-parameter sondes gestegen van 26% tot 61% van 2002 tot 2012 en 20225tot 66% verwacht. In dezelfde enquête, 72% van de respondenten aangegeven dat de noodzaak voor de uitbreiding van hun monitoringnetwerk te voldoen aan hun gegevens moet5. Het aantal stations in een netwerk en het aantal variabelen per station gecontroleerd in 2012 naar verwachting stijgen met 53% en 64%, respectievelijk door 20225.
Echter, continu waterkwaliteit en kwantiteit toezicht op agrarische waterscheidingen is uitdagend. Grote regenval gebeurtenissen wegwassen sediment en macrofyten, bij te dragen aan de belasting en puin opbouw hoge sediment in de sensoren en sondes. De afvoer van overtollige stikstof en fosfor toegepast op landbouwgronden creëert ideale omstandigheden voor de groei van microscopische en macroscopische organismen en voor de aangroei van instream sensoren en sondes, vooral tijdens de zomer. Aangroei en sediment opbouw kan sensoren te mislukken, drift en onbetrouwbare gegevens te produceren. Ondanks deze uitdagingen, zijn fijnere temporele resolutie (zo laag als per minuut) gegevens verplicht tot het bestuderen van de processen van de afvoer en de niet-puntbron besmetting, zoals ze worden beïnvloed door waterscheiding kenmerken (bijvoorbeeld grootte, bodem, helling, enz. ) en de timing en intensiteit van de neerslag7. Zorgvuldige veld observatie, frequente kalibratie, en goede reiniging en onderhoud kunnen zorgen voor kwalitatief goede gegevens van de sensoren en sondes, zelfs bij de resolutie van de fijnere tijd.
Hier bespreken we een methode voor het in situ continue monitoring van twee landbouw waterscheidingen met Multi-parameter water kwaliteit sondes, gebied-snelheid en transducer druksensoren en autosamplers; hun kalibratie en veld onderhoud; en gegevensverwerking. Het protocol toont een manier waarin continu Waterkwaliteit monitoring kan worden uitgevoerd. Het protocol is in het algemeen toepasbaar op continu waterkwaliteit en kwantiteit monitoring op elke soort of de omvang van waterscheiding.
Het protocol werd uitgevoerd in het noordoosten van Arkansas in kleine sloten stroomgebied (HUC 080202040803, 53,4 km2 -gebied) en Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, 23.4 km2 -gebied). Deze twee stroomgebieden afwateren in zijrivieren van de rivier van de Mississippi. Een behoefte aan toezicht zijrivieren van de rivier van de Mississippi was vastgesteld door de lagere Mississippi River Conservation Committee en de Golf van Mexico hypoxie Task Force te ontwikkelen van een plan voor het beheer van het stroomgebied en het optekenen van de voortgang van de vermogensbeheeractiviteiten 8 , 9. Bovendien deze waterscheidingen worden gekenmerkt als de waterscheidingen van de focus door de United States Department of Agriculture-natuurlijke hulpbronnen instandhouding Service (USDA-referentiecentra), gebaseerd op de mogelijkheden voor vermindering van de vervuiling van de voedingsstoffen en sediment en voor verbetering van de water kwaliteit10. Toezicht op de rand-van-veld wordt uitgevoerd in deze stroomgebieden als onderdeel van de Mississippi River Basin gezonde waterscheiding initiatief (MRBI) netwerk van statewide11. Meer details van de waterscheidingen (dat wil zeggen, sitelocaties, waterscheiding kenmerken, enz.) vindt u in Aryal en Reba (2017)6. Kortom, de Little River Basin sloten heeft overwegend slib leem bodem en katoen en soja zijn de belangrijkste gewassen, terwijl de Lower St. Francis Basin overwegend Sharkey kleigrond heeft en rijst en sojaboon de belangrijkste gewassen zijn. Op elke keerpunt, werd in situ continu water kwantiteit en kwaliteit controle (dat wil zeggen, geen kwijting temperatuur, pH,, troebelheid, geleidbaarheid, nitraat en ammonium) uitgevoerd op drie stations in de heersende stroming met behulp van dit protocol aan de ruimtelijke en temporele variabiliteit in de verontreinigende ladingen en de hydrologische processen te begrijpen. Bovendien werden per watermonsters verzameld en geanalyseerd voor zwevende sedimenten concentration.
Protocol
Representative Results
Discussion
Globaal, is de continue monitoring van voedingsstoffen en sediment heeft verschillende voordelen ten opzichte van controle met behulp van de grijper bemonsteringsmethode. Hydrologische en water kwaliteitsprocessen worden beïnvloed door neerslag over een zeer korte spanwijdte van tijd. Gebruikers kunnen het verkrijgen van hoge temporele resolutie gegevens over voedingsstoffen en sediment complexe problemen te bestuderen. Andere water kwaliteitsparameters, zoals conductiviteit, pH, temperatuur en, kunnen worden verkregen …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het onderzoek werd mogelijk als gevolg van financiering van de instandhouding effecten beoordeling Project (CEAP). Wij zijn vooral dankbaar voor toegang tot de site toestemming van de producenten, onderzoek bijstand uit leden van de USDA-ARS-Delta Water Management Research Unit, en analyse van het monster door het personeel op de ecotoxicologie Research Facility, Arkansas State University. Onderdeel van dit onderzoek werd gesteund door een afspraak aan het ARS deelname programma, beheerd door het Oak Ridge Instituut voor wetenschap en onderwijs (ORISE) door een interdepartementale overeenkomst tussen het Amerikaanse ministerie van energie en de USDA. ORISE wordt beheerd door ORAU onder contractnummer DOE DE-AC05-06OR23100. Alle meningen in dit document zijn de blogauteur en weerspiegelen niet noodzakelijk het beleid en de standpunten van USDA, ARS, DOE of ORAU/ORISE.
Materials
| Multiparameter sonde | Hach Hydrolab | DS5X | measures temperature, pH, conductivity, dissolved oxygen, nitrate, ammonium, turbidity |
| Area velocity flow module and sensor | Teledyne Isco | 2150 | measures average stream velocity and flow depth, and calculates flow rate and total flow based on provided cross-section area of the ditch. Stored data can be downloaded directly to computer. |
| Automatic portable water sampler | Teledyne Isco | ISCO 6712 | automatically samples water in the set interval or in conjunction with flow module and sensor |
| Pressure Transducer | In-situ | Rugged Troll 100 | measures presure, level and temperature in the water. Stored data can be directly downloaded to the computer |
| Portable flow meter | Flo-mate (Hach) | Marsh-McBirney 2000 | For manual discharge measurement |
| Battery, 12 v, rechargeable | UPG | UB 1270 | To power sonde |
| Battery, 12 v, rechargeable | Interstate Batteries | SRM 27 | Lead acid battery to power autosampler |
| Solar panel | Alt E | ALT20-12P | To recharge battery at the site |
| C-8 batteries | |||
| Calibration standards | Hach or Fisher Scientific | mulitple | Standards of pH (4,7,10), conductivity (1412 uS/cm), nitrate (5 and 50 mg/L), ammonium (5 and 50 mg/L), and turbidity (50,100,200 NTU) |
| High nitrate standard | Hach | 013810HY | 50 mg/L |
| Low nitrate standard | Hach | 013800HY | 5 mg/L |
| High ammonium standard | Hach | 002588HY | 50 mg/L |
| Low ammonium standard | Hach | 002587HY | 5 mg/L |
| Turbidity standard | Fisher scientific | R8819050-500G | 50 NTU |
| Turbidity standard | Fisher scientific | 88-061-6 | 100 NTU |
| Turbidity standard | Fisher scientific | R8819200500 C | 200 NTU |
| Potassium chloride salt pellets | Hach | 005376HY | to maintain electrolyte for pH electrode |
| Potassium chloride standard | Fisher scientific | 5890-16 | 1412 us/cm |
| Buffer solution, pH 4 | Fisher scientific | SB99-1 | for pH sensor calibration |
| Buffer solution, pH 7 | Fisher scientific | SB108-1 | for pH sensor calibration |
| Buffer solution, pH 10 | Fisher scientific | SB116-1 | for pH sensor calibration |
| Silicon sealant | Hach | 00298HY | For sealing sensor battery cover water tight |
| All purpose cleaner | Sunshine Makers Inc | Simple green | |
| Wipes | Kimberly-Clark | ||
| L-bracket | |||
| Telsbar post | Unistrut Service Company | Secure sensors and sondes in the stream | |
| Steel wire | supend sonde and PT sensor | ||
| Carabiner | supend sonde and PT sensor | ||
| Allen wrench | |||
| Copper wire mesh | Bird B Gone | Rodent and bird control copper mesh roll | |
| Adhesive Tape | Agri Drain Corporation | Tile tape, works in wet and cold weather |
Riferimenti
- Pellerin, B. A., et al. Emerging Tools for Continuous Nutrient Monitoring Networks: Sensors Advancing Science and Water Resources Protection. J Am Water Resour Assoc. 52 (4), 993-1008 (2016).
- Rozemeijer, J., et al. Application and Evaluation of a New Passive Sampler for Measuring Average Solute Concentrations in a Catchment Scale Water Quality Monitoring Study. Environ Sci Tech. 44 (4), 1353-1359 (2010).
- Cassidy, R., Jordan, P. Limitations of instantaneous water quality sampling in surface-water catchments: Comparison with near-continuous phosphorus time-series data. J. Hydrol. 405 (1-2), 182-193 (2011).
- Facchi, A., Gandolfi, C., Whelan, M. J. A comparison of river water quality sampling methodologies under highly variable load conditions. Chemosphere. 66 (4), 746-756 (2007).
- Hamilton, S. . Global hydrological monitoring industry trends. , (2012).
- Aryal, N., Reba, M. L. Transport and transformation of nutrients and sediment in two agricultural watersheds in Northeast Arkansas. Agric Ecosyst Environ. 236, 30-42 (2017).
- National Research Council (U.S.). . Confronting the nation’s water problems: The role of research. , (2004).
- LMRRA (Lower Mississippi River Resource Assessment). . Final Assessment in Response to Section 402 of WRDA 2000 Public Review Draft. , (2015).
- MWNTF (Mississippi River/Gulf of Mexico Watershed Nutrient Task Force). . New Goal Framework. , (2008).
- Reba, M. L., et al. A statewide network for monitoring agricultural water quality and water quantity in Arkansas. J. Soil Water Conserv. 68 (2), 45a-49a (2013).
- Duncan, D., Harvey, F., Walker, M. . Australian Water Quality Centre. , (2007).
- Hamilton, S. . The 5 essential elements of a hydrological monitoring program. , (2012).
- Wagner, R. J., Boulger, R. W., Oblinger, C. J., Smith, B. A. . , (2006).
- World Metorological Organization. . Manual on Stream Gauging Volume I-Fieldwork. , (2010).
- American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. . Standard methods for the examination of water & wastewater. , (2005).
- ASTM (American Society of Testing and Materials) D3977-97. . Standard test methods for determining sediment concentration in water samples. , (1997).
- O’Connor, D. J. The temporal and spatial distribution of dissolved oxygen in streams. Water Resour Res. 3 (1), 65-79 (1967).
- Dabney, S. M. Cover crop impacts on watershed hydrology. J Soil Water Conserv. 53 (3), 207-213 (1998).
- Udawatta, R. P., Motavalli, P. P., Garrett, H. E., Krstansky, J. J. Nitrogen losses in runoff from three adjacent agricultural watersheds with claypan soils. Agric Ecosyst Environ. 117 (1), 39-48 (2006).
