Instream רציף ניטור של חומרים מזינים, משקעים ב פרשות מים לחקלאות
Summary
עם התקדמות הטכנולוגיה ועם עליית שתסכים הציפיות, הגבירה הצורך ואת השימוש נתונים ברזולוציה הטמפורלית גבוה יותר עבור מזהמים עומס שערוך. פרוטוקול זה מתאר שיטה לניטור רציף בחיי עיר המים איכות כדי לקבל נתונים ברזולוציה הטמפורלית גבוה יותר עבור מים מושכלת החלטות ניהול משאבים.
Abstract
ריכוזי מזהמים והמון ב פרשות מים להשתנות במידה ניכרת עם זמן ומרחב. מידע מדויק ומתוזמן על הגודל של מזהמים במשאבי מים הוא תנאי הכרחי להבנת נהגי עומסי מזהמים ולקבלת החלטות מושכלות מים משאב ניהול. השיטה הנפוצה “לתפוס הדגימה” מספק את ריכוזי המזהמים בזמנו של דגימה (קרי, ריכוז בזק), ייתכן תחת- או overpredict את ריכוזי מזהמים והמון. ניטור רציף של חומרים מזינים, משקעים לאחרונה קיבל יותר תשומת לב בשל ההתקדמות בתחום המיחשוב, חישה, וטכנולוגיה התקני אחסון. פרוטוקול זה מדגים את השימוש חיישנים sondes, מכשור כדי לפקח באופן רציף בחיי עיר חנקת אמוניום, עכירות, pH, מוליכות, טמפרטורה, חמצן מומס (DO) וכדי לחשב את עומסי שני נחלים (תעלות) ב שתי פרשות מים לחקלאות. עם כיול נכונה, אחזקה, הפעולה של חיישנים, sondes, מים טובים איכות הנתונים ניתן להשיג על ידי התגברות על מצבים מאתגרים כמו עכירות הצטברות פסולת. השיטה יכול להיות גם בשימוש פרשות מים בגדלים שונים, המאופיינת קרקע חקלאית, מיוער, ו/או עירוני.
Introduction
ניטור איכות המים מספק מידע על ריכוזי המזהמים בקני מידה שונים מרחבי, בהתאם לגודל של אזור תורם, אשר יכול לנוע בין מגרש שדה או על קו פרשת מים. ניטור זה מתרחש על פני תקופה של זמן, כגון אירוע אחד, יום, עונה או שנה. המידע שנלמדו לפי ניטור איכות המים, הקשורים בעיקר חומרים מזינים (למשל, חנקן וזרחן) משקעים, ניתן להשתמש כדי: 1) להבין תהליכים, את התחבורה ואת הפיכתו של מזהמי נחלים, כגון תעלות ניקוז חקלאי; 2) להעריך את היעילות של שיטות ניהול חלה על פרשת המים כדי להפחית את העומס התזונתי, משקעים וכדי להגדיל את איכות המים; 3) להעריך את המסירה של משקעים וחומרים מזינים למים במורד הזרם; . ו-4) לשפר את הדגמים של חומרים מזינים, משקעים כדי להבין את הידרולוגי ומים תהליכי איכות הקובעות מזהמים התחבורה ואת הדינמיקה מעל טווח סולמות הגיאופוליטיות והמרחביות טמפורלית.
מידע זה חיוני כדי שיחזור המערכת האקולוגית הימית תכנון בר קיימא, הניהול של משאבי המים1.
שיטת שנמצאות בשימוש נפוץ ביותר עבור מזין, משקעים ניטור בפרשת קח דגימה. קח דגימה מייצגת במדויק ריכוז בזק בזמנו של דגימה2. זה יכול גם מתארים וריאציה של ריכוזי מזהמים עם הזמן אם מבוצעת דגימה בתדירות גבוהה. אולם, דגימה בתדירות גבוהה הוא זמן אינטנסיבי ויקר, לעיתים קרובות הפיכתה מעשי2. בנוסף, ייתכן דגימה לתפוס תחת- או בהערכת יכולתו של ריכוז מזהמים בפועל מחוץ3,42,זמן הדגימה. כתוצאה מכך, נטען באמצעות ריכוז כזה וייתכן שלא תהיה מדויקת.
לחלופין, ניטור רציף מספקת מידע מדויק ומתוזמן על איכות המים בתוך מרווח זמן מוגדרים מראש, כגון דקה, שעה, או יום. המשתמשים יכולים לבחור את מרווחי הזמן המתאים בהתאם לצרכים שלהם. ניטור רציף מאפשר את החוקרים, המתכננים ומנהלי למטב את המדגם אוסף; לפתח ולעקוב אחר מדדי זמן משולבת, כגון הכולל המון היומי המרבי (TMDLs); להעריך את השימוש בגוף המים; השוררים הבסיס הנחל; והערכת במרחב של חנותם הווריאציות של מזהמים לקבוע קשרי סיבה-תוצאה ולפתח ניהול תוכנית5,6. ניטור רציף של חומרים מזינים, משקעים לאחרונה קיבלה תשומת לב מוגברת בשל התקדמות טכנולוגיית מחשוב, חיישן, את יכולת משופרת של התקני אחסון ו דרישות הנתונים גובר הצורך ללמוד תהליכים מורכבים יותר 1 , 5 , 7. סקר גלובלי של למעלה מ-700 אנשי מקצוע מים, השימוש בפרמטר מרובה sondes עלה מ 26% ל-61% משנת 2002 עד 2012, צפויה להגיע 66% עד 20225. בסקר אותו, 72% מהמשיבים ציינו הצורך הרחבת רשת ניטור שלהם להכיר את הנתונים שלהם צריך5. מספר תחנות ניטור ברשת ואת מספר משתנים לכל תחנת בפיקוח 2012 צפויים לגדול ב-53% ו- 64%, בהתאמה, על ידי 20225.
עם זאת, כמות מהפיקוח פרשות מים לחקלאות ואיכות מים רציפה הוא מאתגר. אירועי גשם גדול לשטוף את המשקע ואת macrophytes, לתרום עומס משקעים גבוהה הצטברות פסולת חיישנים, sondes. נגר של עודף חנקן וזרחן חלה על שטחים חקלאיים יוצר תנאים אידיאליים עבור הצמיחה של אורגניזמים מיקרוסקופיים, מאקרוסקופית, עכירות של חיישנים instream sondes, בעיקר בחודשי הקיץ. עכירות הצטברות משקעים יכול לגרום חיישנים להיכשל, הסחף של להפיק נתונים לא אמינים. למרות האתגרים הללו, עדינה יותר רזולוציה טמפורלית (כמו נמוך לפי דקות) נתונים נדרשים ללמוד על תהליכי נגר ו הלא-נקודת מקור זיהום, כפי שהם מושפעים מאפיינים קו פרשת המים (למשל, גודל, אדמה, מדרון, ועוד. ) ואת התזמון והעוצמה של המשקעים7. תצפית שדה זהיר, כיול בתדירות גבוהה, ו נאות ניקוי ותחזוקה יכול להבטיח נתונים באיכות טובה מן החיישנים sondes, אפילו ברזולוציה זמן עדינה יותר.
כאן נדון שיטת ה בחיי עיר רציף פיקוח על שתי פרשות מים חקלאיים באמצעות פרמטר ריבוי מים באיכות sondes, אזור מהירות, חיישני מתמר לחץ autosamplers; כיול ותחזוקה השדה שלהם; עיבוד נתונים. הפרוטוקול מדגים דרך שבה ניטור איכות המים מתמשך יכול להתבצע. הפרוטוקול חל בדרך כלל מים רציפה איכות וכמות ניטור כל סוג או גודל של קו פרשת המים.
הפרוטוקול בוצע ב ארקנסו הצפון הקטן תעלות. אגן נהר (ההיברו 080202040803, 53.4 km2 אזור) ואגן התחתונה סנט פרנסיס (ההיברו 080202030801, נמצא 23.4 km2 אזור). אלה שתי פרשות מים נשפכים מיובליו של נהר המיסיסיפי. הצורך בניטור מיובליו של נהר המיסיסיפי זוהה על ידי ועדת שימור התחתון של נהר המיסיסיפי, מפרץ של מקסיקו היפוקסיה כוח המשימה לפתח תוכנית ניהול קו פרשת המים וכדי להקליט את ההתקדמות של פעילויות ניהול 8 , 9. בנוסף, פרשות מים אלה מאופיינים בעושר המוקד פרשות מים על ידי שירות שימור (USDA-NRCS), משאבים טבעיים מחלקת החקלאות של ארצות הברית בהתבסס על הפוטנציאל להפחתת זיהום התזונתי, משקעים ועבור שיפור איכות המים10. פיקוח על קצה השדה מתבצע בפרשות מים אלה כחלק ברחבי המדינה רשת נהר המיסיסיפי אגן בריא פרשת יוזמה (MRBI)11. עוד פרטים על פרשות המים (קרי, לאתר מיקומים, מאפיינים קו פרשת המים, וכו ‘) הינם מסופקים בחדרי Aryal, ריבה (2017)6. בקיצור, באגן תעלות. הנהר הקטן יש בעיקר קרקעות חמרה סחופת, כותנה, סויה הגידולים העיקריים, ואילו התחתונה סנט פרנסיס האגן יש בעיקר אדמת חימר שארקי, אורז, סויה הם הגידולים העיקריים. על כל פרשת המים, בחיי עיר רציף מים בכמות ובאיכות ניטור (קרי, הפרשות טמפרטורה, pH, לעשות, עכירות, מוליכות, חנקתי ו אמוניום) בוצע בבית שלוש תחנות בזרם המרכזי באמצעות פרוטוקול זה כדי להבין ההשתנות יכולות את עומסי מזהמים ותהליכים ההידרולוגי. בנוסף, דגימות מים שבועי היו אסף וניתח עבור co משקעים על תנאיncentration.
Protocol
Representative Results
Discussion
בסך הכל, ניטור רציף של חומרים מזינים, משקעים יש מספר יתרונות על ניטור באמצעות שיטת הדגימה לתפוס. תהליכי איכות הידרולוגי ומים מושפעים גשמים במשך תקופה קצרה מאוד של זמן. משתמשים יכולים לקבל נתונים זמני ברזולוציה גבוהה על חומרים מזינים, משקעים ללמוד בעיות מורכבות. ניתן לקבל פרמטרים איכות מים …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחקר התאפשרה בשל מימון של פרוייקט הערכה אפקטים השימור (CEAP). אנו מודים במיוחד עבור גישה לאתרי רשות מן המפיקים, סיוע במחקר מחברי יחידת המחקר של ניהול המים משרד החקלאות-ARS-דלתא, וניתוח לדוגמה על ידי צוות במתקן המחקר Ecotoxicology, אוניברסיטת מדינת ארקנסו. החלק של מחקר זה נתמך על ידי פעילות התוכנית השתתפות ARS, מנוהל על ידי המכון אוק רידג על מדע, חינוך (ORISE) דרך הסוכנויות הסכם בין מחלקת האנרגיה של ארצות הברית לבין משרד החקלאות. ORISE מנוהלת על ידי ORAU תחת מספר חוזה דו דה-AC05-06OR23100. כל הדעות המובעות הנייר הזה של המחבר, אינן משקפות בהכרח את מדיניות ונופים של משרד החקלאות, ארס, דו או 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).
