Kontinuerlig Instream overvåking av næringsstoffer og sedimenter i landbruket nedslagsfelt
Summary
Med fremme av teknologi og økningen i sluttbruker forventninger økt behovet for og bruk av høyere midlertidig løsning data for forurensende Last estimering. Denne protokollen beskriver en metode for kontinuerlig i situ vann kvalitet overvåking for å få høyere midlertidig løsning data for informert vann ressurs ledelse beslutninger.
Abstract
Forurensende konsentrasjoner og laster i elvene variere betydelig med tid og rom. Nøyaktig og rettidig informasjon om omfanget av miljøgifter i vannressurser er en forutsetning for å forstå driverne av forurensende laster og for å gjøre informerte vann ressurs ledelse beslutninger. Brukte “grip prøvetaking” metoden gir konsentrasjonen av forurensning ved prøvetaking (dvs. en mellomkopi konsentrasjon) og kan- eller overpredict forurensende konsentrasjoner og laster. Kontinuerlig overvåking av næringsstoffer og sediment har nylig fått mer oppmerksomhet på grunn av fremskritt i databehandling, sensing teknologi og lagringsenheter. Denne protokollen demonstrerer bruken av sensorer, sondes og instrumentering å kontinuerlig overvåke i situ nitrat, ammonium, turbiditet, pH, ledningsevne, temperatur og oppløst oksygen (DO) og beregne belastningene fra to bekker (grøfter) i to landbruket nedslagsfelt. Med riktig kalibrering, vedlikehold og drift av sensorer og sondes, kan godt vann kvalitetsdata fås ved å overvinne utfordrende forhold som begroing og rusk buildup. Metoden kan også brukes i elvene i ulike størrelser og preget av landbruk, skogkledde eller urban land.
Introduction
Vann kvalitet overvåking gir informasjon om konsentrasjonen av miljøgifter på forskjellige romlige skalaer, avhengig av størrelsen på medvirkende området, som kan variere fra et komplott eller et felt til et vannskille. Denne overvåking foregår over en tidsperiode, for eksempel en enkelt hendelse, en dag, en sesong eller et år. Informasjonen fått fra avlytting vannkvalitet, hovedsakelig knyttet til næringsstoffer (f.eks nitrogen og fosfor) og sedimenter og kan brukes til: 1) hydrologiske prosesser samt transport og transformasjon av bekker, som landbruket dreneringsgrøfter; 2) evaluere effektiviteten av ledelsesmetoder på vannskillet å redusere næringsstoff og sedimenter belastningen og øke vannkvaliteten; 3) vurdere levering av sedimenter og næringsstoffer til vann nedstrøms; og 4) forbedre modellering av næringsstoffer og sedimenter å forstå den hydrologiske og vann kvalitet prosesser som bestemmer forurensende transport og dynamikk over omfanget av timelige og romlig skalaer.
Denne informasjonen er avgjørende for akvatisk økosystem restaurering, bærekraftig planlegging og styring av vann ressurser1.
Mest brukte metoden for næringsstoffer og sedimenter overvåking i et vannskille er Grip prøvetaking. Grab prøvetaking representerer nøyaktig en mellomkopi konsentrasjon ved prøvetaking2. Det kan også skildrer en variant av forurensende konsentrasjoner tid hvis hyppige prøvetaking er gjort. Hyppige prøvetaking er imidlertid intensiv og dyrt, ofte gjør det upraktisk2. I tillegg ta prøvetaking kan- overvurdere faktiske forurensende konsentrasjonen utenfor prøvetaking tid2,3,4. Derfor kan laster beregnet med slike konsentrasjoner ikke være nøyaktig.
Alternativt, kontinuerlig overvåking gir nøyaktig og rettidig informasjon med vannkvaliteten i en forhåndsbestemt tidsintervall, for eksempel et minutt, en time eller en dag. Brukere kan velge riktig tidsintervallene basert på deres behov. Kontinuerlig overvåking gjør de forskere, planleggere og ledere å optimalisere prøvetaking; utvikle og overvåke tid integrert beregninger, som totalt maksimal daglig belastning (TMDLs); evaluere rekreasjonsbruk av vannmassen; vurdere planlagt strømmen forhold; og romlig og timelig vurdere variasjonen av å bestemme årsak-virkning relasjoner og utvikle en management plan5,6. Kontinuerlig overvåking av næringsstoffer og sediment har nylig fått økt oppmerksomhet på grunn av fremskritt i databehandling og sensor teknologi, forbedret kapasitet lagringsenheter og økende data kravene for å studere mer komplekse prosesser 1 , 5 , 7. i en global undersøkelse av over 700 vann fagfolk, bruk av flere parameter sondes økt fra 26% til 61% fra 2002 til 2012 og forventes å nå 66% av 20225. I samme undersøkelse indikerte 72% av respondentene behovet for utvidelsen av deres Overvåkingsnettverk å møte sine data trenger5. Antall stasjoner i et Overvåkingsnettverk og antall variabler overvåket per stasjon i 2012 forventes å øke med 53% og 64%, henholdsvis av 20225.
Men er kontinuerlig vannkvalitet og mengde overvåking i landbruket elvene utfordrende. Stor regnskyll hendelser vaske bort sedimenter og macrophytes, bidrar til høy sediment belastning og rusk buildup i sensorer og sondes. Avrenning av overflødig nitrogen og fosfor på landbruket felt skaper ideelle forhold for veksten av mikroskopiske og makroskopisk organismer og begroing av instream sensorer og sondes, spesielt om sommeren. Begroing og sedimenter buildup kan forårsake sensorer for å mislykkes, drift og produsere upålitelige data. Til tross for disse utfordringene, er finere midlertidig løsning (så lavt som per minutt) data påkrevd å studere avrenning prosesser og ikke-kilde forurensning, så de påvirkes av vannskille egenskaper (f.eks størrelse, jord, skråningen, osv. ) og tidsberegningen og intensiteten av nedbør7. Forsiktig feltet observasjon, hyppige kalibrering og riktig rengjøring og vedlikehold kan sikre god kvalitet data fra sensorer og sondes, selv på finere tid oppløsningen.
Her diskuterer vi en metode for i situ kontinuerlig overvåking av to landbruket nedslagsfelt flere parameter vann kvalitet sondes, området hastighet og trykk svinger sensorer og autosamplers; deres kalibrering og feltet vedlikehold; og databehandling. Protokoll viser en måte som kontinuerlig vann kvalitet overvåking kan utføres. Protokollen er generelt gjelder for kontinuerlig vannkvalitet og mengde for enhver type og størrelse vannskille.
Protokollen ble gjennomført i nordøst Arkansas i liten grøfter vassdraget (Høgskolen 080202040803, 53.4 km2 området) og Lower St. Francis Basin (Høgskolen 080202030801, 23,4 km2 området). Disse to elvene tappes i sideelvene til Mississippielven. Behov for overvåking sideelvene til Mississippielven ble identifisert av lavere Mississippielven bevaring komiteen og Gulf Mexico hypoksi Task Force å utvikle en plan for vannskille og registrere fremdriften for ledelse aktiviteter 8 , 9. videre disse elvene er karakterisert som fokus nedslagsfelt av United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service (USDA-NRC), basert på potensial for å redusere næringsstoff og sedimenter forurensning og bedre vann kvalitet10. Edge-of-field overvåking blir utført i disse elvene som en del av delstaten Mississippielven bassenget sunn vannskille Initiative (MRBI) nettverket11. Flere detaljer om nedslagsfelt (dvs. området steder, vannskille egenskaper, etc.) er gitt i Aryal og Reba (2017)6. Kort sagt, liten grøfter vassdraget har hovedsakelig silt leirjord jord, og bomull og soyabønner er store avlinger, mens Lower St. Francis Basin har hovedsakelig Sharkey leire jord, og ris og soyabønner er store avlinger. På hver vassdraget, ble i situ kontinuerlig vannmengden og overvåking (dvs. utslipp Temperatur, pH,, turbiditet, ledningsevne, nitrat og ammonium) gjennomført på tre stasjoner i mainstream bruker denne protokollen til forstå romlige og tidsmessige variasjon i forurensende laster og hydrologiske prosesser. I tillegg ble ukentlige vannprøver innhentet og analysert for suspendert sediment concentration.
Protocol
Representative Results
Discussion
Total, kontinuerlig overvåking av næringsstoffer og sediment har flere fordeler over overvåking ved hjelp av grab sampling metoden. Hydrologiske og vann kvalitet prosesser påvirkes av nedbør over et svært kort tidsrom. Brukere kan få høy timelige oppløsning data på næringsstoffer og sedimenter å studere komplekse problemer. Andre vann kvalitet parameterene som ledningsevne, pH, temperatur og gjøre, kan hentes samtidig og til samme pris som for overvåking nitrat, ammonium og turbiditet. Videre er det andre s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskningen var mulig på grunn av finansiering fra bevaring effekter vurdering Project (CEAP). Vi er spesielt takknemlig for områdetilgang tillatelse fra produsentene forskning assistanse fra medlemmer av USDA-ARS-Delta vann Management Research Unit og eksemplar analyse av personalet på økotoksikologi forskning anlegget, Arkansas State University. En del av denne forskningen ble støttet av en avtale til ARS deltakelse programmet, administrert av Oak Ridge Institutt for vitenskap og utdanning (ORISE) gjennom en interagency avtale mellom US Department of Energy og USDA. ORISE administreres av ORAU under DOE kontraktnummeret DE-AC05-06OR23100. Alle meninger uttrykt på dette papiret er forfatterens og reflekterer ikke nødvendigvis politikk og utsikt over USDA, ARS, DOE eller 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 |
References
- 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).
