Instream continuo monitoraggio delle sostanze nutrienti e sedimenti nei bacini agricoli
Summary
Con l’avanzamento della tecnologia e l’aumento delle aspettative dell’utente finale, è aumentata la necessità e l’uso di dati di risoluzione temporale superiore per la stima del carico inquinante. Questo protocollo descrive un metodo per il continuo in situ acqua qualità monitoraggio per ottenere maggiore risoluzione temporale dati per acqua informato le decisioni di gestione di risorse.
Abstract
Concentrazioni di inquinanti e carichi nei bacini di variano considerevolmente con il tempo e lo spazio. Informazioni accurate e tempestive sulla grandezza di inquinanti delle risorse idriche sono un prerequisito per comprendere i driver dei carichi inquinanti e per prendere acqua informato decisioni di gestione risorse. Il metodo comunemente utilizzato di “afferrare il campionamento” fornisce le concentrazioni degli inquinanti al momento del campionamento (cioè, una concentrazione istantanea) e può sotto- o overpredict le concentrazioni di inquinanti ed i carichi. Monitoraggio continuo di sostanze nutritive e sedimenti, recentemente ha ricevuto più attenzione dovuto gli avanzamenti in informatica, tecnologia e dispositivi di storage di rilevamento. Questo protocollo viene illustrato l’utilizzo di sensori, sonde e strumentazione per il monitoraggio continuo in situ nitrati, ammonio, torbidità, pH, conducibilità, temperatura e ossigeno disciolto (DO) e per calcolare i carichi da due flussi (fosse) in due bacini agricoli. Con la corretta calibrazione, manutenzione e funzionamento di sensori e sonde, dati di acqua di buona qualità possono essere ottenuti superando condizioni difficili come l’accumulo di incrostazioni e residui. Il metodo può anche essere utilizzato nei bacini di varie dimensioni e caratterizzato da terreni agricoli, forestali e/o urbano.
Introduction
Monitoraggio della qualità dell’acqua fornisce informazioni sulle concentrazioni di sostanze inquinanti a diverse scale spaziali, in base alle dimensioni dell’area che contribuisce, che può variare da una trama o un campo a un punto di svolta. Questo controllo avviene in un periodo di tempo, come un singolo evento, un giorno, una stagione o un anno. Le informazioni che ha raccolse dal monitoraggio qualità dell’acqua, principalmente relativi alle sostanze nutritive (ad es., azoto e fosforo) e sedimenti, possono essere utilizzate per: 1) comprendere i processi idrologici, trasporto e trasformazione degli inquinanti nei flussi, come fossati di drenaggio agricolo; 2) valutare l’efficacia delle pratiche di gestione applicate allo spartiacque per ridurre il carico di nutrienti e di sedimento e di aumentare la qualità dell’acqua; 3) valutare la consegna di sedimenti e nutrienti all’acqua a valle; e 4) migliorare la modellazione delle sostanze nutrienti e sedimento per capire l’idrologico e processi di qualità che determinano il trasporto di sostanze inquinanti e le dinamiche sopra la gamma di scale temporali e spaziali delle acque.
Questa informazione è cruciale per il ripristino dell’ecosistema acquatico, pianificazione sostenibile e la gestione delle risorse di acqua1.
Metodo il più comunemente usato per nutriente e monitoraggio dei sedimenti in un bacino idrografico è afferrare campionamento. Gru a benna campionamento rappresenta accuratamente una concentrazione istantanea al momento del campionamento2. Possa rappresentare anche una variazione delle concentrazioni di inquinanti con tempo se campionamento frequente è fatto. Tuttavia, campionamento frequente è tempo intensivo e costoso, spesso rendendo impraticabile2. Inoltre, afferrare campionamento può sotto- o sopravvalutare le concentrazioni di inquinante reale di fuori il tempo di campionamento2,3,4. Di conseguenza, carichi calcolate utilizzando tali concentrazioni potrebbero non essere accurati.
In alternativa, un monitoraggio continuo fornisce informazioni accurate e tempestive sulla qualità dell’acqua in un intervallo di tempo predeterminato, ad esempio un minuto, un’ora o un giorno. Gli utenti possono selezionare gli intervalli di tempo appropriati in base alle loro esigenze. Monitoraggio continuo consente i ricercatori, progettisti e Manager ottimizzare la raccolta del campione; sviluppare e monitorare metriche tempo integrato, quali carichi giornalieri massimi totale (TMDLs); valutare l’uso ricreativo del corpo idrico; valutare le condizioni di flusso basale; e spazialmente e temporalmente valutare la variazione delle sostanze inquinanti a determinare rapporti di causa-effetto e sviluppare un piano di gestione5,6. Monitoraggio continuo di sostanze nutritive e sedimento ha recentemente ricevuto attenzione aumentata dovuto gli avanzamenti nella tecnologia informatica e sensore, il miglioramento delle capacità dei dispositivi di archiviazione e i crescenti requisiti di dati necessari per lo studio dei processi più complessi 1 , 5 , 7. in un’indagine globale di oltre 700 professionisti di acqua, l’uso di multi-parametro sondes aumentata dal 26% al 61% dal 2002 al 2012 e dovrebbe raggiungere il 66% entro il 20225. Nella stessa indagine, 72% degli intervistati ha indicato la necessità per l’espansione della loro rete di monitoraggio per soddisfare i propri dati ha bisogno di5. Il numero di stazioni in una rete di monitoraggio e il numero delle variabili monitorate per ogni stazione nel 2012 si prevede di aumentare di 53% e 64%, rispettivamente, entro il 20225.
Tuttavia, continuo dell’acqua qualità e quantità di monitoraggio nei bacini agricoli è impegnativo. Eventi di pioggia grande mondare i sedimenti e macrofite, contribuendo all’accumulo di sedimenti alto carico e detriti in sensori e sonde. Il deflusso di eccesso di azoto e fosforo applicato a campi agricoli crea le condizioni ideali per la crescita di organismi microscopici e macroscopici e per la formazione di incrostazioni di instream sensori e sonde, soprattutto durante l’estate. Accumulo di incrostazioni e sedimenti può causare sensori fallire, deriva e produrre dati inaffidabili. Nonostante queste sfide, più fine risoluzione temporale (come basso secondo minuto) dati sono richiesti per studiare i processi di deflusso e la contaminazione di origine non-punto, come essi sono influenzati dalle caratteristiche del bacino idrografico (ad esempio, le dimensioni, terreno, pendenza, ecc. ) e la tempistica e l’intensità di pioggia7. Osservazione del campo di attenzione, frequente calibrazione e corretta pulizia e manutenzione può garantire buona qualità dati dai sensori e sonde, anche a una risoluzione di tempo.
Discutiamo qui, un metodo per l’ in situ continuo monitoraggio dei due bacini agricoli utilizzando acqua di multi-parametro qualità sondes, zona-velocità e sensori di pressione trasduttore e autocampionatori; loro taratura e manutenzione sul campo; ed elaborazione dei dati. Il protocollo viene illustrato il modo in cui può essere eseguita il monitoraggio della qualità dell’acqua continua. Il protocollo è generalmente applicabile al continuo dell’acqua qualità e quantità di monitoraggio a qualsiasi tipo o dimensione di spartiacque.
Il protocollo è stato effettuato in Northeast Arkansas nel bacino del piccolo fiume Fossati (HUC 080202040803, area2 km 53,4) e Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, area2 km 23,4). Questi due bacini idrografici vuotano nel affluenti del fiume del Mississippi. Un’esigenza di monitoraggio affluenti del fiume del Mississippi è stata identificata dal comitato di conservazione inferiore di fiume del Mississippi e il Golfo del Messico ipossia Task Force per sviluppare un piano di gestione del bacino idrografico e registrare lo stato di avanzamento delle attività di gestione 8 , 9. Inoltre, questi bacini sono caratterizzati come bacini di messa a fuoco per la United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service (USDA-NRCS), sulla base del potenziale di riduzione dell’inquinamento dei sedimenti e degli elementi nutritivi e per migliorare la qualità di acqua10. Monitoraggio di bordo di campo avviene in questi bacini idrografici come parte di tutto lo stato del Mississippi River Basin sano spartiacque iniziativa (MRBI) rete11. Più dettagli dei bacini (cioè, posizioni di siti, caratteristiche del bacino idrografico, ecc.) sono forniti in Aryal e Reba (2017)6. In breve, il piccolo bacino di fossati ha prevalentemente limo terriccio terreni e cotone e soia sono le colture principali, mentre il Lower St. Francis Basin ha principalmente il terreno argilloso Sharkey, e riso e soia sono le colture principali. A ogni bacino idrografico, in situ continuo acqua quantità e qualità (cioè, temperatura di scarico, pH,, torbidità, conducibilità, nitrato e ammonio) di monitoraggio è stato effettuato in tre stazioni nel mainstream usando questo protocollo per comprendere la variabilità spaziale e temporale dei carichi inquinanti e i processi idrologici. Inoltre, i campioni di acqua settimanali sono stati raccolti e analizzati per sedimenti sospesi concentration.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nel complesso, il controllo continuo di sostanze nutritive e sedimenti presenta parecchi vantaggi sopra monitoraggio utilizzando il metodo di campionamento della gru a benna. Processi di qualità idrologici e acqua sono interessati da precipitazioni sopra un arco di tempo molto breve. Gli utenti possono ottenere alti risoluzione temporale dati su sostanze nutritive e sedimento per studiare problemi complessi. Altri parametri di qualità dell’acqua, come conducibilità, pH, temperatura e, possono essere ottenuti contempor…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La ricerca è stata possibile a causa di finanziamento da progetto di valutazione di effetti di conservazione (CEAP). Siamo particolarmente grati per l’autorizzazione di accesso al sito dai produttori, la ricerca di assistenza da parte dei membri della unità di ricerca di USDA-ARS-Delta acqua gestione e analisi dei campioni di personale presso la struttura di ricerca di ecotossicologia, Arkansas State University. Parte di questa ricerca è stata sostenuta da un appuntamento per il programma di partecipazione di ARS, amministrato dall’Istituto Oak Ridge per scienza e formazione (ORISE) attraverso un accordo tra agenzie tra l’US Department of Energy e la USDA. ORISE è gestito da ORAU DOE contratto numero DE-AC05-06OR23100. Tutte le opinioni espresse in questo documento sono dell’autore e non riflettono necessariamente le politiche e le vedute di USDA, ARS, DOE o 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
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