Непрерывного потока мониторинг питательных веществ и осадков в бассейнах рек сельскохозяйственного
Summary
С развитием технологии и рост ожиданий конечного пользователя возросла и необходимость использования выше временного разрешения данных для оценки нагрузки загрязнителей. Этот протокол описывает метод для непрерывной в situ мониторинга качества воды для получения выше временное разрешение данных для информированного водных ресурсов управленческих решений.
Abstract
Концентрации загрязнителей и нагрузок в водосборных бассейнах различаются с времени и пространства. Точной и своевременной информации о масштабах загрязняющих веществ в водных ресурсов является необходимым условием для понимания движущих сил нагрузок загрязнителей и для принятия информированных водных ресурсов управленческих решений. Часто используемый метод «захватить выборки» предоставляет концентрации загрязняющих веществ во время выборки (т.е., снимок концентрации) и может под- или overpredict концентрации загрязнителей и нагрузок. Непрерывный мониторинг питательных веществ и осадков недавно получил больше внимания из-за достижения в вычисления, зондирования технологии и устройств хранения данных. Этот протокол демонстрирует использование датчиков, зонды и приборостроение непрерывно контролировать в situ нитрат, аммония, мутность, pH, проводимость, температуры и растворенного кислорода (ДУ) и для расчета нагрузок от двух потоков (траншей) два сельскохозяйственных водосборов. С правильной калибровки, обслуживанию и эксплуатации датчиков и зонды хорошей воды качества данные могут быть получены путем преодоления сложных условий, таких как накопление обрастания и мусора. Метод может также использоваться в водосборных бассейнах различных размеров и характеризуется сельскохозяйственной, лесной и/или городских земель.
Introduction
Мониторинг качества воды предоставляет информацию о концентрации загрязнителей в различных пространственных масштабах, в зависимости от размера области вклад, который может варьироваться от участка или поле водоразделом. Этот мониторинг происходит в течение определенного периода времени, такие как отдельное событие, день, сезон или год. Полученная от мониторинга качества воды, главным образом касающимся питательных веществ (например, азот и фосфор) и в отложениях, могут быть использованы для: 1) понять гидрологических процессов и транспорта и преобразования загрязнителей в потоки, Например, сельскохозяйственных дренажных рвов; 2) оцените эффективность методов управления применяется к водосборного бассейна для снижения нагрузки питательных веществ и осадков и повышения качества воды; 3) оценить доставки отложений и питательных веществ для воды вниз по течению; и 4) улучшения моделирования питательных веществ и осадков для понимания гидрологического и воды качества процессов, которые определяют переноса загрязнителей и динамика в диапазоне временных и пространственных масштабов.
Эта информация имеет решающее значение для восстановления водных экосистем, устойчивого планирования и управления водных ресурсов1.
Наиболее часто используемый метод для питательных веществ и осадков мониторинг в переломный момент является захватить выборки. Схватить выборки точно представляет снимок концентрации во время выборки2. Он может также изображают вариации концентраций загрязнителей с течением времени, если делается часто выборки. Однако частое выборка является время интенсивных и дорого, часто делает это непрактично2. Кроме того, захватить выборки может под- или переоценить концентрации фактических загрязнителей за пределами выборки время2,3,4. Следовательно нагрузок, рассчитанных с использованием таких концентрациях может оказаться неточным.
Кроме того непрерывный мониторинг обеспечивает точную и своевременную информацию о качестве воды в заданной временной интервал, например за минуту, час, или в день. Пользователи могут выбрать соответствующие временные интервалы, исходя из их потребностей. Непрерывный мониторинг позволяет исследователи, плановиков и руководителей для оптимизации сбора проб; развивать и контролировать время интегрированных метрик, таких как общее максимальное количество ежедневных нагрузок (TMDLs); оценки рекреационного использования водоемов; оценить поток исходных условий; и пространственном и временном отношении оценки вариации загрязняющих веществ для определения причинно следственных связей и разработать план управления5,6. Непрерывный мониторинг питательных веществ и осадков недавно получил повышенное внимание из-за достижения в технологии вычислений и датчик, улучшение возможностей устройств хранения и возрастающие потребности данных необходимо изучить более сложные процессы 1 , 5 , 7. в глобальном обзоре более 700 специалистов, использование Многопараметрический зонды увеличилась с 26% до 61% от 2002 до 2012 и ожидается, достигнет 66% 20225. В того же обследования 72% респондентов указали, что необходимо для расширения их сети мониторинга для удовлетворения их данных потребностей5. Количество станций мониторинга сети и количество переменных, контроль на станции в 2012 году ожидается увеличение на 53% и 64%, соответственно, 20225.
Однако непрерывная воды качество и количество мониторинг сельскохозяйственных водосборных бассейнов является сложной задачей. Больших осадков вымывают отложений и макрофиты, способствует высокой отложений нагрузки и мусора нарастание в датчиков и зонды. Стока избыток азота и фосфора, применяется для сельскохозяйственных полей создает идеальные условия для роста микроскопических и макроскопические организмов и обрастания датчики потока и зонды, особенно в летнее время. Загрязнений и отложений накопления может вызвать датчики неудачу, дрейф, и производят ненадежных данных. Несмотря на эти проблемы тонкие временное разрешение (как низко как минута) данные необходимы для изучения процессов стока и неточечных источников загрязнения, как они страдают от водораздела характеристиками (например, размер, почвы, уклон, и т.д. ) и времени и интенсивности осадков7. Тщательное поле наблюдения частые калибровки и надлежащего обслуживания и очистки может обеспечить качественных данных от датчиков и зонды, даже разрешением точного времени.
Здесь мы рассмотрим метод для в situ непрерывный мониторинг два сельскохозяйственных водосборных бассейнов, с использованием Многопараметрический воды качества зонды, площадь скорости и датчика датчики давления и автосампл; их калибровка и обслуживание области; и обработки данных. Протокол демонстрирует способ, в котором может выполняться мониторинг качества непрерывного воды. Протокол обычно применяется для мониторинга в любой тип или размер водораздел непрерывной воды качества и количества.
Протокол был проведен в северо-восточной Арканзас в маленькой речными канавы (ЮК 080202040803, район 53,4 км2 ) и Нижняя St. Фрэнсис бассейна (ЮК 080202030801, район 23,4 км2 ). Эти два водосборов слейте в притоках реки Миссисипи. Была выявлена необходимость мониторинга притоков реки Миссисипи ниже Комитет по охране реки Миссисипи и залив Мексики гипоксии целевой группой для разработки плана управления водосборами и записать ход деятельности по управлению 8 , 9. Кроме того, эти водосборов характеризуются как фокус водосборов по сохранению службы Соединенных Штатов Департамента сельского хозяйства и природных ресурсов (USDA NRCS), опираясь на потенциал для сокращения загрязнения питательными веществами и отложений и улучшение качества воды10. Края поля мониторинг осуществляется в бассейнах этих рек в рамках штата сети реки Миссисипи инициативы здорового водораздела бассейна (MRBI)11. Более подробная информация о водоразделах (то есть, места, водораздел характеристики и т.д.) предоставляются в Арьял и Реву (2017)6. Короче говоря мало рвы бассейна реки имеет преимущественно ила суглинок почвы, и хлопка и соевых бобов являются основных сельскохозяйственных культур, тогда как нижний St. Фрэнсис бассейна имеет преимущественно Шарки глинистой почве, и основных сельскохозяйственных культур являются риса и сои. На каждом водораздела в месте постоянного количества и качества воды мониторинга (т.е. температура нагнетания, рН, ДУ, мутность, проводимость, нитрата и аммония) было проведено на трех станциях в мейнстрим, используя этот протокол к понимаете пространственной и временнóй вариативности в нагрузок загрязнителей и гидрологических процессов. Кроме того были собраны и проанализированы для взвешенных наносов co загрузок пробы водыncentration.
Protocol
Representative Results
Discussion
В целом непрерывный мониторинг питательных веществ и осадков имеет ряд преимуществ над мониторинга с использованием метода выборки схватить. Гидрологии и водных ресурсов качество процессов влияет осадков за очень короткий промежуток времени. Пользователи могут получить высокого вр?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Исследование стало возможным благодаря финансированию от сохранения проекта оценки воздействия (СЕАР). Мы особенно благодарны за доступ к сайту разрешение от производителей, исследовательской помощи от членов USDA-ARS-Delta воды управления исследовательской группы и анализа проб сотрудниками на объекте исследований экотоксикология, Арканзас государственный университет. Часть этого исследования была поддержана на прием к программе участия ARS, ведении Окриджская институт науки и образования (ORISE) через межведомственного соглашения между Департаментом энергетики США и USDA. ORISE находится в ведении ORAU под номером договора Доу де-AC05-06OR23100. Все мнения, выраженные в настоящем документе являются автора и не обязательно отражают политику и взгляды USDA, ARS, DOE, или 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).
