Besin ve tortu tarım havza içinde sürekli Instream izleme
Summary
Teknoloji ve son kullanıcı beklentileri artış ilerlemesi ile ihtiyaç ve kirletici yükü tahmini için daha yüksek zamansal çözünürlük veri kullanımı artmıştır. Bu iletişim kuralı sürekli situ su kalitesi izleme kaynak yönetim kararları bilinçli su için daha yüksek zamansal çözünürlük verileri elde etmek için bir yöntem açıklanır.
Abstract
Kirletici konsantrasyonu ve havza içinde yük önemli ölçüde zaman ve mekan ile değişebilir. Su kaynaklarında kirleticilerin büyüklüğü hakkında doğru ve zamanında bilgi kirletici yükler sürücüleri anlamak için ve bilinçli su kaynak yönetimi kararları için bir önkoşuldur. Yaygın olarak kullanılan “örnekleme yakala” yöntemi (Yani, bir anlık konsantrasyon) örnekleme zamanında kirleticiler konsantrasyonları sağlar ve altında olabilir- veya kirletici konsantrasyonu ve yükleri overpredict. Sürekli besin ve tortu izlemenin son gelişmeler nedeniyle daha fazla dikkat aldı bilgisayar, teknoloji ve depolama aygıtları algılama. Bu iletişim kuralı, sensörler, sondes ve araçları situ içinde nitrat, amonyum, bulanıklık, pH, iletkenlik, sıcaklık ve çözünmüş oksijen () sürekli olarak izlemek ve iki akarsu (hendek) üzerinden yükler hesaplamak için kullanımını gösterir iki tarım havza. Uygun kalibrasyon, bakım ve işletme sensörler ve sondes ile iyi bir su kalitesi veri kirlenme ve enkaz birikmesi gibi zorlu koşullar üstesinden tarafından elde edilebilir. Bu yöntem da irili ufaklı havza içinde kullanılan ve tarım, ormanlık ve/veya kentsel arazi tarafından karakterize.
Introduction
Su kalitesi izleme kirletici bir arsa veya bir alan için bir dönüm noktası arasında olabilir katkıda bulunan alanının boyutuna bağlı olarak farklı ölçeklerde kayma, konsantrasyonları hakkında bilgiler sağlar. Bu izleme, tek bir olay, bir gün, bir mevsim veya bir yıl gibi bir süre içinde yer alır. Su kalitesi, esas olarak besin (Örneğin, azot ve fosfor) ve tortu, ilgili izleme topladı bilgi-ebilmek var olmak kullanılmış-e: 1) hidrolojik süreçler ve taşıma ve dönüştürme akarsu, kirleticilerin anlamak Tarım drenaj hendekleri gibi; 2) bir dönüm noktası için besin ve sediment yükü azaltmak için ve su kalitesini artırmak için uygulanan yönetim uygulamalarını verimliliğini değerlendirmek; 3) su aşağı için tortu ve besin teslim değerlendirmek; ve 4) besin ve hidrolojik anlamak ve kirletici ulaşım ve dinamikleri zamansal ve mekansal ölçekler aralığında belirlemek kalite süreçleri su tortu modellenmesi geliştirmek.
Bu bilgileri sucul ekosistem restorasyon, sürdürülebilir planlama ve yönetimi ile su kaynakları1için önemlidir.
En sık kullanılan yöntem için besin ve tortu bir dönüm noktası izleme kapmak örnektir. Kapmak örnekleme doğru bir şekilde örnekleme2zamanda bir anlık konsantrasyon temsil eder. Sık örnekleme yapılırsa da kirletici konsantrasyonu zamanla bir varyasyon tasvir. Ancak, sık sık örnekleme yoğun ve pahalı, sık sık pratik2yapma zamanı. Ayrıca, altında kapmak örnekleme olabilir- veya örnekleme zaman2,3,4dışında gerçek kirletici konsantrasyonu gözünde çok büyütüyorsun. Sonuç olarak, böyle konsantrasyonları kullanılarak hesaplanan yük doğru olmayabilir.
Alternatif olarak, sürekli izlenmesi doğru ve zamanında bilgi su kalitesi gibi bir dakika, bir saat veya bir gün önceden belirlenen zaman aralığında sağlar. Kullanıcıların gereksinimlerine göre uygun zaman aralıkları seçebilirsiniz. Sürekli izlenmesi araştırmacılar, planlamacıları ve yöneticileri örnek toplama en iyi duruma getirmek sağlar; geliştirmek ve monitör zaman entegre ölçümleri, toplam en fazla günlük gibi yükler (TMDLs); su vücut eğlence kullanımını değerlendirmek; temel akış koşulları değerlendirmek; ve dağınık şekilde ve geçici kirleticiler sebep-sonuç ilişkileri belirlemek ve yönetim planı5,6geliştirmek için varyasyon değerlendirmek. Sürekli besin ve tortu izlemenin son zamanlarda artan ilgi gelişmeler nedeniyle bilgi işlem ve sensör teknolojisi, depolama aygıtları geliştirilmiş kapasitesi ve daha karmaşık işlemlerin çalışmaya artan veri gereksinimleri aldı 1 , 5 , 7. 700’den fazla su uzmanları küresel bir anketin, çok parametreli sondes kullanımı 2012 2002’den %61 %26 arttı ve 20225tarafından % 66’ya ulaşması bekleniyor. Aynı ankete katılanların % 72’verilerine karşılamak için kendi izleme ağ genişlemesi ihtiyacını5ihtiyacı belirtti. Merkezi izleme ağ sayısı ve 2012 yılında istasyonu izlenen değişkenlerin sayısını % 53 ve % 64, sırasıyla, 20225tarafından artırması bekleniyor.
Ancak, sürekli su kalitesi ve miktarı tarım havza izleme zor. Büyük yağış olayları tortu ve macrophytes yüksek tortu yük ve enkaz birikimi sensörler ve sondes katkıda bulunmak, silsin. Aşırı azot ve fosfor tarım alanlarına uygulanan ikinci tur makroskopik ve mikroskopik canlılar büyüme için ve özellikle yaz aylarında instream sensörleri ve sondes, kirlenme için ideal koşulları oluşturur. Kirlenme ve tortu birikimi sensörler başarısız, drift ve güvenilir olmayan veriler üretmek neden olabilir. Havza özelliklere göre (Örneğin, boyut, toprak, yamaç, vb. etkilenmiş gibi bu zorluklara rağmen ince zamansal çözünürlük (dakika başına düşük) olarak veri akış süreçleri ve nokta kaynak kirlenme, eğitim için gereklidir ) ve zamanlama ve yağış7yoğunluğunu. Dikkatli alan gözlem, sık sık kalibrasyon ve uygun temizlik ve bakım iyi kalitede veri sensörleri ve daha hassas zaman çözünürlükte bile sondes emin olabilirsiniz.
Burada, in situ sürekli iki tarım havza çok parametreli su kalite sondes, alan-hız ve basınç detektörler sensörleri ve autosamplers kullanarak izleme için bir yöntem tartışmak; alan bakım ve Kalibrasyon; ve veri işleme. Protokol içinde sürekli su kalitesi izleme yapılabilir bir yol gösterir. Protokol genellikle sürekli su kalitesi ve miktarı herhangi bir türünü veya boyutunu dönüm noktası izleme için geçerlidir.
Protokol kuzeydoğu Arkansas küçük hendek Havzası (HUC 080202040803, 53.4 km2 alan) ve alt St. Francis Havzası (HUC 080202030801, 23.4 km2 alan) gerçekleştirilmiştir. Bu iki havza Mississippi Nehri’nin kolları drenaj. Mississippi Nehri’nin kolları izlemek için bir ihtiyaç daha düşük Mississippi Nehri koruma Komitesi ve Körfez Meksika hipoksi görev gücü tarafından bir dönüm noktası yönetim planı geliştirmeye ve yönetiminden ilerlemesini kaydetmek için tespit edildi 8 , 9. Ayrıca, ABD Tarım Bakanlığı-doğal kaynakları koruma hizmeti (USDA-URM’leri), tarafından odak havzaların potansiyeli ve besin ve sediment kirliliği azaltmak için temel olarak bu havzaların karakterizedir su kalite10iyileştirilmesi. Alan kenar izleme bu havzaların eyalet çapında Mississippi Nehri Havzası sağlıklı bir dönüm noktası girişimi (MRBI) ağ11bir parçası olarak yürütülmektedir. Havza (Yani, site konumları, dönüm noktası özellikleri, vb) daha fazla bilgi Aryal ve Reba (2017)6temin edilmektedir. Kısacası, bırakıp giden küçük nehir havzası ağırlıklı olarak silt bereketli topraklar ve pamuk ve soya büyük bitkileri alt St. Francis Havzası ağırlıklı olarak Sharkey kil toprak ve pirinç ve soya büyük bitkileri vardır Oysa vardır. Her dönüm noktası in situ sürekli su miktarı ve kalitesi (Yani, deşarj sıcaklık, pH,, bulanıklık, iletkenlik, nitrat ve amonyum) izleme gerçekleştirildiği için bu iletişim kuralını kullanan mainstream üç istasyonları kirletici yükler ve hidrolojik süreçler kayma ve temporal değişkenlik anlıyorum. Ayrıca, haftalık su örnekleri toplanmış ve askıya alınan tortu co için analizncentration.
Protocol
Representative Results
Discussion
Genel olarak, besin ve tortu sürekli izleme kapmak örnekleme yöntemi kullanılarak izleme üzerinde çeşitli avantajları vardır. Hidroloji ve su kalite süreçleri çok kısa bir sürede üzerinde yağış tarafından etkilenir. Kullanıcılar besin ve karmaşık sorunları çalışmaya tortu yüksek zamansal çözünürlük verileri elde edebilirsiniz. İletkenlik, pH, sıcaklık ve, gibi diğer su kalite parametreleri aynı anda ve nitrat, amonyum ve bulanıklık izleme gelince aynı maliyetle elde edilebilir. Da…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Araştırma koruma etkileri değerlendirme Projesi (CEAP) üzerinden finansman nedeniyle mümkün. Biz özellikle üreticilerden site erişim izni üyeleri USDA-ARS-Delta su yönetimi araştırma birimi ve örnek analysis Ecotoxicology araştırma tesisi, Arkansas State Üniversitesi personeli tarafından araştırma yardım için müteşekkir olan. Bu araştırmanın bir parçası ARS Participation Program, bilim ve eğitim (ORISE) için ABD Enerji Bakanlığı ve ABD Tarım Bakanlığı arasında bir kurumlararası anlaşma ile Oak Ridge Enstitüsü tarafından yönetilen bir randevuya tarafından desteklenmiştir. ORISE DOE sözleşme numarası DE-AC05-06OR23100 altında ORAU tarafından yönetilir. Bu yazıda ifade tüm görüş ve yazarın bulunmaktadır ilkeleri ve USDA, ARS, DOE veya ORAU/ORISE yansıtmak değildir.
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).
