Monitoramento Contínuo de Nutrientes e Sedimentos em Bacias Agrícolas
Summary
Com o avanço da tecnologia e o aumento nas expectativas do usuário final, aumentou a necessidade e o uso de maior resolução temporal de dados para estimativa de carga poluente. Este protocolo descreve um método para contínua em situ água qualidade acompanhamento para obter dados de resolução temporal maiores para água informado as decisões de gestão de recursos.
Abstract
As concentrações de poluentes e cargas em bacias hidrográficas variam consideravelmente com o tempo e espaço. Informações precisas e oportunas sobre a magnitude dos poluentes nos recursos hídricos são um pré-requisito para a compreensão os drivers das cargas poluentes e para tomar decisões informada água recurso de gerenciamento. O método comumente usado “agarra a amostragem” fornece as concentrações de poluentes no momento da amostragem (ou seja, uma concentração de instantâneo) e pode sob- ou overpredict as concentrações de poluentes e cargas. Monitoramento contínuo de nutrientes e sedimentos recentemente tem recebido mais atenção devido aos avanços em computação, tecnologia e dispositivos de armazenamento de detecção. Este protocolo demonstra o uso de sensores, sondas e instrumentação para monitorar continuamente em situ nitrato de amónio, turbidez, pH, condutividade, temperatura e oxigênio dissolvido (DO) e calcular as cargas dos dois córregos (valas) em duas bacias hidrográficas agrícolas. Com a calibração adequada, manutenção e operação de sensores e sondas, dados de qualidade de água boa podem ser obtidos por superar condições desafiadoras como acúmulo de sujidade e detritos. O método também pode ser usado em bacias de vários tamanhos e caracterizado por terrenos agrícolas, florestais e/ou urbano.
Introduction
Monitoramento de qualidade de água fornece informações sobre as concentrações de poluentes em diferentes escalas espaciais, dependendo do tamanho da área contribuinte, que pode variar de um lote ou um campo a um divisor de águas. Esse monitoramento ocorre sobre um período de tempo, como um evento único, um dia, uma temporada ou um ano. As informações recolhidas dos monitoramento da qualidade da água, principalmente relacionados com nutrientes (por exemplo, nitrogênio e fósforo) e de sedimentos, podem ser usadas para: 1) compreender os processos hidrológicos e o transporte e transformação de poluentes em riachos, como valas de drenagem agrícola; 2) avaliar a eficiência das práticas de gestão aplicadas para o divisor de águas para reduzir a carga de nutrientes e sedimentos e aumentar a qualidade da água; 3) avaliar a entrega dos sedimentos e nutrientes para a água a jusante; e 4) melhorar a modelagem de nutrientes e sedimentos para compreender o hidrológico e processos de qualidade que determinam o transporte de poluentes e dinâmica na gama de escalas temporais e espaciais de água.
Esta informação é crucial para a restauração do ecossistema aquático, planejamento sustentável e a gestão dos recursos de água1.
O método mais usado para nutriente e monitoramento de sedimentos em uma bacia hidrográfica é a amostragem de garra. Amostragem de garra com precisão representa uma concentração de instantâneo no momento da amostragem2. Isso também pode retratar uma variação das concentrações de poluentes, com o tempo se amostragem frequente é feita. No entanto, amostragem frequente é tempo intensivo e caro, muitas vezes tornando-se impraticável2. Além disso, a amostragem de garra pode sob- ou superestimar as concentrações de poluentes reais fora o tempo de amostragem2,3,4. Por conseguinte, calculadas usando tais concentrações de cargas podem não ser precisas.
Alternativamente, monitoramento contínuo fornece informações precisas e oportunas sobre a qualidade da água em um intervalo de tempo pré-determinado, como um minuto, uma hora ou um dia. Os usuários podem selecionar os intervalos de tempo adequados, com base em suas necessidades. Monitoramento contínuo permite que os pesquisadores, planejadores e gestores otimizar a coleta de amostra; desenvolver e monitorar métricas tempo integradas, tais como cargas diárias máximos totais (TMDLs); avaliar o uso recreativo de massas de água; avaliar as condições de fluxo da linha de base; e espacial e temporalmente avaliar a variação de poluentes para determinar relações de causa-efeito e desenvolver um plano de gerenciamento5,6. Monitoramento contínuo de nutrientes e sedimentos recentemente recebeu maior atenção devido aos avanços na tecnologia de computação e o sensor, a capacidade melhorada de dispositivos de armazenamento e os requisitos de dados crescente preciso estudar processos mais complexos 1 , 5 , 7. em uma pesquisa global com mais de 700 profissionais de água, a utilização de sondas multiparâmetros aumentou de 26% para 61% entre 2002 e 2012 e deve chegar a 66% por 20225. Na mesma pesquisa, 72% dos entrevistados indicaram a necessidade de expansão da sua rede de monitoramento para conhecer seus dados precisa de5. O número de estações em uma rede de monitoramento e o número de variáveis monitoradas por estação em 2012 deverão aumentar em 53% e 64%, respectivamente, até 20225.
No entanto, a qualidade contínua de água e quantidade de monitoramento em bacias hidrográficas agrícolas é um desafio. Eventos de grande chuva lavagem o sedimento e macrófitas, contribuindo para o acúmulo de sedimentos de alta carga e detritos nos sensores e sondas. O escoamento de excesso nitrogênio e fósforo aplicado aos campos agrícolas cria condições ideais para o crescimento dos organismos microscópicos e macroscópicos e a incrustação de instream sensores e sondas, especialmente durante o verão. Incrustação e sedimento pode causar sensores falhar, flutuando, e produzir dados confiáveis. Apesar destes desafios, melhores dados de resolução temporal (tão baixo como por minuto) são necessários para estudar os processos de escoamento superficial e contaminação de fontes não-pontuais, como eles são afetados pelas características da bacia hidrográfica (por exemplo, tamanho, solo, inclinação, etc. ) e o tempo e na intensidade de precipitação7. Observações de campo cuidado, calibração frequente e adequada limpeza e manutenção podem garantir boa qualidade dados de sensores e sondas, mesmo com o tempo de resolução mais fina.
Aqui, vamos discutir um método para o em situ contínuo monitoramento de duas bacias hidrográficas agrícolas utilizando sondas de qualidade de água multiparâmetro, área-velocidade e sensores de transdutor de pressão e Rotating; sua calibração e manutenção de campo; e processamento de dados. O protocolo demonstra uma maneira em que monitoramento de qualidade de água contínua pode ser realizada. O protocolo é geralmente aplicável a água contínua qualidade e a quantidade de monitoramento em qualquer tipo ou tamanho da bacia hidrográfica.
O protocolo foi realizado no nordeste Arkansas em pequenas valas das bacias hidrográficas (HUC 080202040803, 53,4 km2 de área) e Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, área de 23,4 km2 ). Estas duas bacias desaguam afluentes do rio Mississippi. A necessidade de monitoramento de afluentes do rio Mississippi foi identificada pelo Comité de conservação inferior do rio Mississippi e o Golfo de México hipóxia força-tarefa para desenvolver um plano de gestão de bacia hidrográfica e anotar o progresso das atividades de manejo 8 , 9. Além disso, essas bacias são caracterizadas como foco as bacias hidrográficas pelos Estados Unidos Departamento de Agricultura-Natural Resources Conservation Service (USDA-CRN), baseadas no potencial para reduzir a poluição de nutrientes e sedimento e para melhoria de qualidade de água10. Borda de campo monitoramento está sendo realizado nestas bacias hidrográficas como parte da rede estadual rio Mississippi bacia hidrográfica saudável iniciativa (MRBI)11. Mais detalhes de bacias hidrográficas (ou seja, locais, características da bacia hidrográfica, etc.) são fornecidas em edu e Reba (2017)6. Em suma, pouco falta à bacia do rio tem predominantemente solos de barro de lodo, e algodão e soja são as principais culturas, Considerando que o Lower St. Francis Basin tem predominantemente Sharkey argila do solo, e arroz e feijão de soja são as principais culturas. Em cada bacia hidrográfica, em situ água contínua quantidade e qualidade (ou seja, a temperatura de descarga, pH, DO, turbidez, condutividade, nitrato e amônio) de monitoramento foi realizado em três estações no mainstream usando esse protocolo para entenda a variabilidade espacial e temporal das cargas poluentes e os processos hidrológicos. Além disso, semanalmente amostras de água foram coletadas e analisadas para sedimentos suspensos concentration.
Protocol
Representative Results
Discussion
No geral, o monitoramento contínuo de nutrientes e sedimentos tem várias vantagens sobre monitoramento usando o método de amostragem de garra. Processos de qualidade hidrológico e a água são afetados pela precipitação sobre um espaço muito curto de tempo. Os usuários podem obter dados de alta resolução temporal em nutrientes e sedimentos para estudar problemas complexos. Outros parâmetros de qualidade de água, tais como condutividade, pH, temperatura e fazer, podem ser obtidos simultaneamente e com o mesmo …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A pesquisa foi possível devido ao financiamento do projeto de avaliação de efeitos conservação (CEAP). Somos especialmente gratos para permissão de acesso ao site dos produtores, pesquisa ajuda de membros da unidade de pesquisa do USDA-ARS-Delta água gestão e análise da amostra pelo pessoal do centro de pesquisa de Ecotoxicologia, Universidade do estado de Arkansas. Parte desta pesquisa foi apoiada por uma entrevista para o programa de participação de ARS, administrado pelo Instituto de Oak Ridge para ciência e educação (ORISE) através de um acordo interinstitucional entre o departamento de energia dos EUA e do USDA. ORISE é gerido pela ORAU sob o número de contrato do DOE DE-AC05-06OR23100. Todas as opiniões expressadas neste artigo são do autor e não refletem necessariamente as políticas e pontos de vista do USDA, ARS, DOE ou 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
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