Surveillance de Instream continu de nutriments et de sédiments dans les bassins hydrographiques agricoles
Summary
Avec l’avancement de la technologie et de la hausse des attentes de l’utilisateur final, le besoin et l’utilisation des données de résolution temporelle plus élevées pour l’estimation de charge de polluants a augmenté. Ce protocole décrit une méthode pour continue in situ eau surveillance de la qualité pour obtenir des données de résolution temporelle plus élevées pour l’eau éclairée décisions de gestion des ressources.
Abstract
Des concentrations de polluants et de charges dans les bassins versants varient considérablement avec le temps et l’espace. Une information exacte et opportune sur l’ampleur des polluants dans les ressources en eau est une condition sine qua non pour comprendre les pilotes des charges polluantes et pour faire eau informée des décisions de gestion des ressources. La méthode couramment utilisée de « saisir d’échantillonnage » fournit les concentrations de polluants au moment de l’échantillonnage (c’est-à-dire une concentration instantané) et peut sous- ou surestimer les concentrations de polluants et les charges. Surveillance continue des nutriments et de sédiments a récemment reçu plus d’attention en raison des progrès en informatique, télédétection technologie et périphériques de stockage. Ce protocole illustre l’utilisation de capteurs, sondes et instrumentation pour surveiller en continu in situ de nitrate d’ammonium, turbidité, pH, conductivité, température et oxygène dissous (OD) et de calculer les charges de deux ruisseaux (fossés) dans deux bassins hydrographiques agricoles. Avec l’étalonnage approprié et l’entretien des capteurs et des sondes, une eau de bonne qualité données peut être obtenue en surmontant les conditions exigeantes telles que l’accumulation de salissures et les débris. La méthode peut également être utilisée dans les bassins de différentes tailles et se caractérise par des terres agricoles, forestiers ou urbains.
Introduction
La surveillance de la qualité de l’eau fournit des informations sur les concentrations de polluants à différentes échelles spatiales, selon la taille de la zone qui contribue, qui peut varier d’un complot ou d’un champ à un bassin hydrographique. Ce suivi se déroule sur une période de temps, comme un seul événement, une journée, une saison ou une année. Les renseignements recueillis de la surveillance de la qualité de l’eau, principalement liés aux éléments nutritifs (p. ex., azote et phosphore) et les sédiments, peuvent être utilisés pour : 1) comprendre les processus hydrologiques, le transport et la transformation des polluants dans les cours d’eau, comme les fossés de drainage agricole ; 2) évaluer l’efficacité des pratiques de gestion appliquées au bassin pour réduire la charge de nutriments et de sédiments et d’augmenter la qualité de l’eau ; 3) évaluer la prestation des sédiments et des nutriments dans l’eau en aval ; et 4) améliorer la modélisation des nutriments et de sédiments pour comprendre l’hydrologie et des processus de qualité qui déterminent la dynamique et le transport des polluants dans la gamme d’échelles spatiales et temporelles de l’eau.
Cette information est essentielle à la restauration de l’écosystème aquatique, la planification et la gestion des ressources de l’eau1.
La plupart de méthode couramment utilisée pour des éléments nutritifs et surveillance de sédiments dans un bassin hydrographique est grab échantillonnage. Grab échantillonnage représente précisément une concentration de capture instantanée au moment de l’échantillonnage2. Il peut aussi représentent une variation des concentrations de polluants avec le temps si fréquente échantillonnage est effectué. Cependant, échantillonnage fréquent est temps intensive et coûteuse, souvent rendant impraticable2. En outre, grab échantillonnage peut sous- ou surestimer les concentrations réelles de polluants à l’extérieur de l’échantillonnage temps2,3,4. Par conséquent, les charges calculées à l’aide de telles concentrations ne soient pas exactes.
Alternativement, une surveillance continue fournit des informations exactes et à jour sur la qualité de l’eau dans un intervalle de temps prédéterminé, par exemple une minute, une heure ou une journée. Les utilisateurs peuvent sélectionner les intervalles de temps appropriés selon leurs besoins. Surveillance continue permet les chercheurs, les planificateurs et les gestionnaires à optimiser le prélèvement de l’échantillon ; développer et surveiller les paramètres intégrée dans le temps, tels que les charges quotidiennes maximums totales (TMDL) ; évaluer l’usage récréatif du cours d’eau ; évaluer les conditions de flux de données de référence ; et spatialement et temporellement évaluer la variation de polluants afin de déterminer les relations cause-effet et d’élaborer un plan de gestion5,6. Surveillance continue des nutriments et de sédiments a récemment reçu une attention accrue en raison des progrès dans la technologie informatique et de capteur, l’amélioration de la capacité des dispositifs de stockage et les exigences croissantes de données nécessaires pour étudier les processus plus complexes 1 , 5 , 7. dans une enquête mondiale de plus de 700 professionnels de l’eau, l’utilisation de sondes multiparamètres est passé de 26 % à 61 % de 2002 à 2012 et devrait atteindre 66 % d’ici 20225. Dans le même sondage, 72 % des répondants ont indiqué la nécessité pour l’expansion de leur réseau de surveillance de respecter leurs données doit5. Le nombre de stations dans un réseau de surveillance et le nombre de variables surveillées par station en 2012 devraient augmenter de 53 % et 64 %, respectivement, par 20225.
Cependant, la qualité continue de l’eau et la quantité de surveillance dans les bassins hydrographiques agricoles est difficile. Grandes pluies laver des sédiments et des macrophytes, qui contribuent à l’accumulation de débris et de charge élevé de sédiments dans les capteurs et sondes. Le ruissellement de l’excès d’azote et de phosphore appliqués aux champs agricoles crée des conditions idéales pour la croissance des organismes microscopiques et macroscopiques et l’encrassement des instream capteurs et sondes, surtout pendant l’été. Accumulation de salissures et les sédiments peut causer des capteurs à échouer, dériver et produire des données fiables. Malgré ces défis, plus fines données de résolution temporelle (comme faible selon les minute) doivent étudier les processus de ruissellement et les sources non ponctuelles de contamination, comme ils sont influencés par les caractéristiques du bassin versant (par exemple, la taille, du sol, pente, etc.. ) et le calendrier et l’intensité des précipitations,7. Observation sur le terrain prudent, calibrage fréquent et bon nettoyage et entretien peuvent garantir la bonne qualité des données des capteurs et sondes, même à la résolution plus fine du temps.
Ici, nous discutons une méthode pour in situ surveillance continue de deux bassins versants agricoles, à l’aide de sondes de qualité de l’eau multiparamètres, zone de vitesse et capteurs de transducteur de pression et échantillonneurs ; leur étalonnage et l’entretien de terrain ; et traitement des données. Le protocole montre une façon dont la surveillance de la qualité de l’eau continue peut être effectuée. Le protocole est généralement applicable à la qualité de l’eau continue et quantité de surveillance à n’importe quel type ou la taille du bassin versant.
Le protocole a été réalisé en Arkansas nord-est en petit bassin de fossés (HUC 080202040803, zone de 53,4 km2 ) et Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, zone de 23,4 km2 ). Ces deux bassins versants déversent dans des affluents du fleuve Mississippi. Une nécessité pour la surveillance des affluents du Mississippi a été identifiée par le Lower Mississippi River Conservation Committee et le golfe du Mexique, hypoxie Task Force d’élaborer un plan de gestion du bassin hydrographique et d’enregistrer l’état d’avancement des activités de gestion 8 , 9. en outre, ces bassins sont caractérisées comme des bassins de la mise au point par l’United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service (USDA-NRCS), basées sur le potentiel pour réduire la pollution de nutriments et de sédiments et amélioration de la qualité de l’eau10. Surveillance de la lisière des champs est menée dans ces bassins dans le cadre du réseau par État du Mississippi bassin sain Watershed Initiative (MRBI)11. Plus de détails sur les bassins versants (c.-à-d., les emplacements de sites, caractéristiques des bassins versants, etc.) sont fournis en Aryal et Reba (2017)6. En bref, le bassin peu fossés a principalement sols loameux Limon et coton et soya sont les principales cultures, tandis que le Lower St. Francis Basin a principalement sol argileux Sharkey et riz et soja sont les principales cultures. Dans chaque bassin, in situ la quantité d’eau continu et surveillance (c.-à-d., décharge température, pH,, turbidité, conductivité, nitrate et ammonium) de la qualité a été réalisée à trois stations dans le courant dominant à l’aide de ce protocole à comprendre la variabilité spatiale et temporelle dans les charges de polluants et les processus hydrologiques. En outre, des échantillons d’eau hebdomadaires ont été recueillies et analysées pour le co de sédiments en suspensionconcentration.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans l’ensemble, la surveillance continue des nutriments et de sédiments a plusieurs avantages sur la surveillance à l’aide de la méthode d’échantillonnage de grab. Processus hydrologiques et de l’eau de la qualité sont affectés par les précipitations pendant un très court laps de temps. Les utilisateurs peuvent obtenir hautes résolution temporelle de données sur les nutriments et de sédiments pour étudier des problèmes complexes. Autres paramètres de qualité de l’eau, telles que la conductivité…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La recherche n’a pas été possible en raison du financement de projet d’évaluation pour les effets Conservation (CEAP). Nous sommes particulièrement reconnaissants pour l’autorisation d’accès à des sites auprès des producteurs, aide à la recherche de membres de l’USDA-ARS-Delta eau unité de recherche en gestion et analyse de l’échantillon par le personnel du centre de recherche d’écotoxicologie, Université d’Etat de l’Arkansas. Cadre de cette recherche était accompagnée d’un rendez-vous pour le programme de Participation de ARS, administré par l’Institut d’Oak Ridge pour la Science et l’éducation (Siero) grâce à un accord interinstitutions entre le U.S. Department of Energy et l’USDA. ORISE est gérée par ORAU sous le numéro de contrat DE-AC05-06OR23100 DOE. Toutes les opinions exprimées dans ce document sont de l’auteur et ne reflètent pas nécessairement les politiques et les vues de l’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 |
Referências
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