連続インストリームの栄養素と農業生態系流域における堆積物の監視
Summary
技術とエンドユーザーの期待の上昇の伴い必要と汚濁負荷推定のため時間分解能の高いデータの使用が増加しています。このプロトコルでは、その場で連続水質監視リソース管理意思決定情報に基づいた水を高い時間分解能データを取得する方法について説明します。
Abstract
汚染物質濃度と流域における荷重は、時間と空間のかなり変わる。水資源の汚染物質の大きさに正確かつタイムリーな情報は、リソース管理の情報水の意思、汚濁負荷のドライバーを理解するための前提条件です。一般的に使用される”サンプリングをつかむ”方法 (すなわち、スナップショット濃度) のサンプリング時に汚染物質の濃度を提供しの下で可能性があります- または汚染物質の濃度と負荷を overpredict。栄養素および沈殿物の継続的な監視と、最近、コンピューティング、センシング技術、およびストレージ デバイスの進歩のためのより多くの注意を受信しています。このプロトコルでインストルメンテーションその場で硝酸塩、アンモニウム、濁度、pH、導電率、温度、および溶存酸素量 (DO) を継続的に監視し、2 つのストリーム (溝) から荷重を計算します、ゾンデ、センサーの使用に示します2 つの農業生態系流域。適切な校正、保守、およびセンサーとゾンデの操作を汚れや破片の蓄積など困難な条件を克服して良い水質データを取得できます。メソッドの様々 なサイズの分水界で使用され農業、森林、および/または都市の土地によって特徴付けられるもことができます。
Introduction
水質モニタリング プロットまたはフィールドから流域の範囲することができます貢献の領域のサイズに応じて、さまざまな空間スケールでの汚染物質の濃度に関する情報を提供します。この監視は 1 つのイベント、日、季節、年などの時間の期間にわたって起こる。主に (例えば窒素とリン) の栄養素と、堆積物に関する水質監視から集めた情報はするために使用することができます: 1) 水文過程とトランスポート ストリームにおける汚染物質の変容を理解します。農業排水溝;2) 養分と堆積物の負荷を減らすため、水の質を向上する流域に適用される経営の効率性を評価します。3) 水を下流の堆積物および栄養素の配信を評価します。・ 4) 栄養素と水を理解し、時間と空間のスケールの範囲にわたって汚染物質輸送とダイナミクスを決定する品質プロセスを水堆積物のモデリングを改善します。
この情報は、水生生態系の回復、持続可能な計画と水資源1の管理に不可欠です。
栄養のため最もよく使用されるメソッド、グラブ サンプリングは、流域における土砂監視します。グラブ サンプリング サンプリング2の時点でスナップショット濃度を正確に表します。頻繁にサンプリングが行われる場合にも時間で汚染物質濃度の変化を描写できます。しかし、頻繁なサンプリングは、集中的に高価な多くの場合ことが非現実的な2時間です。また、グラブ サンプリングはの下で可能性があります- またはサンプリング時間2,3,4外実際汚染物質濃度を過大評価。その結果、このような濃度を算出負荷が正確かもしれません。
また、継続的な監視について説明します正確かつタイムリーな水質、分、時間、または日など、あらかじめ決められた時間間隔で。ユーザーは、彼らのニーズに基づいて適切な時間間隔を選択できます。継続的な監視により、サンプル コレクションを最適化するには、研究者、プランナー、およびマネージャー開発し、合計の最大負荷量 (TMDLs); などの時間統合指標を監視水体のレクリエーション利用を評価します。評価基準のストリーム条件;時空間因果関係を決定し、管理計画5,6への物質の変化を評価します。最近コンピューティングとセンサー技術、ストレージ ・ デバイスの改善された容量およびより複雑なプロセスを勉強するために必要なデータ要件の増加で進歩のための高められた注意を受けている栄養素および沈殿物の継続的な監視1,5,7. 700 以上の水の専門家の世界的な調査、マルチパラ メーター ゾンデの使用は 26% から 2002 年から 2012 年までの 61% に増加し、2022年566% に達するとされます。同じ調査では、回答者の 72% は、自分のデータに合わせて、監視ネットワークの拡大の必要性が必要5示されます。監視ネットワークの局数と 2012 年に駅につき監視する変数の数は、2022年5, 53%、64% 増加する予定です。
ただし、連続的な水の品質と量の農業生態系流域における監視は挑戦にあります。堆積物と植物、センサー ゾンデで高い沈殿物の負荷および残骸蓄積に貢献する大規模な降雨を洗い流します。過剰な窒素とリンを農業分野に応用の流出は、特に夏のインストリーム センサー、ゾンデ、汚、微視的および巨視的生物の成長のための理想的な条件を作成します。汚れと堆積物の蓄積は、失敗し、ドリフト、信頼性の低いデータを生成するセンサーを可能性があります。これらの課題にもかかわらず、細かい (分あたりの低) と時空間解像度のデータに必要な流出過程と非点源汚染研究彼らが影響を受ける流域特性 (サイズなど地盤、斜面、など。) タイミングと降雨7の強さ。注意深い観測, 頻繁に校正し、適切なクリーニングとメンテナンスできますセンサーや細かい時間分解能でも、ゾンデから質の良いデータを確認します。
ここでは、その場で多項目水質品質ゾンデ、面積速度と圧力トランスデューサー センサー、オートサンプラー; を使用して 2 つの農業流域の連続モニタリング手法を検討します。校正データおよびフィールド メンテナンス;およびデータ処理。プロトコルは、継続的な水質監視を実行するのに方法を示します。プロトコルは、一般的に連続的な水の質と量であらゆるタイプやサイズの分岐点の監視に適用されます。
プロトコルは少し溝流域 (フク 080202040803、53.4 km2の領域) の北東アーカンソーと下流聖フランシス (フク 080202030801、23.4 km2の領域) を行った。これらの 2 つの流域は、ミシシッピ川の支流に流出します。ミシシッピ川の支流の監視の必要性はより低いミシシッピー川保全委員会とメキシコ低酸素タスク フォース湾流域管理計画を開発し、管理活動の進捗状況を記録するによって識別されます。8,9しますさらに、これらの流域は、養分と堆積物の汚染を減らすため、ポテンシャルに基づくアメリカ合衆国農務省自然資源保全局 (米国農務省 NRCS)、別にフォーカス流域として特徴づけられる。10水の品質を向上させます。エッジ フィールドの監視が行われてこれらの流域の州全体のミシシッピ川流域健全な流域イニシアチブ (MRBI) ネットワーク11の一部として。分水界 (すなわちサイトの場所、流域特性、等) の詳細については、(2017)6Aryal とレバで提供されます。一言で言えば、主にシルト ローム土を持っている少し溝流域、ワタとダイズ主要作物下流聖フランシスは主に・ シャーキー粘土土壌とが主要な作物の米と大豆に対し。各流域でその場で連続水量及び水質監視 (すなわち、吐出温度、pH、DO、濁度、電気伝導度、硝酸、およびアンモニウム) を行ったこのプロトコルを使用する主流の 3 地点で汚濁負荷と水文過程の時空間変動を理解します。さらに、毎週水のサンプルを収集され、浮遊 co を分析ncentration。
Protocol
Representative Results
Discussion
全体的にみて、栄養素および沈殿物の連続的な監視には、グラブ サンプリング メソッドを使用して監視をいくつかの利点があります。水と水の品質プロセスは、時間の非常に短いスパンで降雨に影響されます。ユーザーは、栄養素と複雑な問題を研究する堆積物の高時間分解能データを取得できます。同時に、硝酸塩、アンモニウム、および濁度監視と同じコストで、伝導率、pH、温度、DO …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
研究は、保全効果評価プロジェクト (CEAP) からの資金調達のために可能だった。生産者は、米国農務省-アルス-デルタ水管理研究部と生態毒性研究施設、アーカンソー州立大学のスタッフによるサンプル分析のメンバーの研究支援サイト アクセス許可を特に感謝しております。本研究の一部は、米国エネルギー省と米国農務省の省庁間の契約を通じて科学と教育 (ORISE) のオークリッジ国立研究所によって管理アルス参加プログラムに予定によって支えられました。ORISE は、DOE の契約数・ デ ・ AC05 06OR23100 下 ORAU によって管理されます。本稿で表明したすべての意見は、著者のポリシーおよび米国農務省、アルス、DOE、または ORAU/ORISE の景色を必ずしも反映していません。
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).
