Kontinuerlig Instream övervakning av näringsämnen och Sediment i jordbruket vattendelare
Summary
Med främjande av teknik och ökningen av slutanvändaren förväntningar, har behov och användning av högre temporal upplösning data för förorenande last uppskattning ökat. Det här protokollet beskriver en metod för kontinuerlig i situ vatten kvalitetsövervakning för att erhålla högre temporal upplösning data för informerade vatten resurs ledningsbeslut.
Abstract
Koncentrationer av förorenande ämnen och laster i vattendelare varierar avsevärt med tid och utrymme. Korrekt och aktuell information om omfattningen av föroreningar i vatten är en förutsättning för att förstå förare av förorenande laster och för att göra välgrundade vatten resurs ledningsbeslut. Metoden används ofta ”grab provtagning” ger koncentrationerna av föroreningar vid tidpunkten för provtagning (dvs. en ögonblicksbild koncentration) och får inte under- eller overpredict de koncentrationer av förorenande ämnen och belastningar. Kontinuerlig övervakning av näringsämnen och sediment har nyligen fått mer uppmärksamhet på grund av framsteg i computing, sensing teknik och lagringsenheter. Detta protokoll visar användningen av sensorer, Kerstin och instrumentation att kontinuerligt övervaka i situ nitrat, ammonium, turbiditet, pH, konduktivitet, temperatur och upplöst syre (DO) och beräkna lasterna från två strömmar (diken) i två jordbruks vattendelare. Med ordentlig kalibrering, underhåll och drift av sensorer och Kerstin, kan bra vatten kvalitetsdata erhållas genom att övervinna utmanande förhållanden såsom påväxt och skräp uppbyggd. Metoden kan också användas i avrinningsområden i olika storlekar och kännetecknas av jordbruket, skogsklädda eller urban mark.
Introduction
Övervakning av vatten ger information om koncentrationerna av föroreningar i olika rumsliga skalor, beroende på storleken av området bidragande, som kan variera från en tomt eller ett fält till en vattendelare. Denna övervakning sker över en tidsperiod, till exempel en enskild händelse, en dag, en säsong eller ett år. Informationen samlat från övervakning av vattenkvalitet, främst avseende näringsämnen (t.ex. kväve och fosfor) och sediment, kan användas för att: 1) förstå hydrologiska processer och transport och omvandling av föroreningar i vattendrag, till exempel jordbruket dräneringsdiken; (2) bedöma effektiviteten av skötselmetoder tillämpas på vattendelaren att minska näringsämnen och sediment belastningen och öka vattenkvaliteten; (3) bedöma leverans av sediment och näringsämnen till vattnet nedströms; och 4) förbättra modellering av näringsämnen och sediment att förstå den hydrologiska och vatten kvalitetsprocesser som avgör förorenande transporter och dynamik över urvalet av de tidsmässiga och rumsliga skalor.
Denna information är avgörande för akvatiska ekosystem restaurering, hållbar planering och förvaltning av vatten resurser1.
Den vanligaste metoden för näringsämnen och sediment övervakning i en vattendelare är grab provtagning. Grab provtagning representerar exakt en ögonblicksbild koncentration vid tidpunkten för provtagning2. Det kan också skildra en variant av koncentrationer av förorenande ämnen med tiden om frekvent provtagning görs. Frekvent provtagning är dock dags intensiva och dyr, ofta gör det opraktiskt2. Dessutom grab provtagning får inte under- eller överskatta de faktiska föroreningen koncentrationerna utanför provtagning tid2,3,4. Följaktligen kan laster beräknas med hjälp av sådana koncentrationer inte vara exakta.
Alternativt, kontinuerlig övervakning ger korrekt och aktuell information om vattenkvaliteten i ett förutbestämt tidsintervall, till exempel en minut, timme, eller en dag. Användare kan välja lämpliga tidsintervall baserat på deras behov. Kontinuerlig övervakning möjliggör forskare, planerare, och chefer att optimera provtagning; utveckla och övervaka tid-integrerade mätvärden, såsom totala maximala dagliga laster (TMDLs); utvärdera rekreation av vattenförekomsten; bedöma baslinjen stream villkor; och spatialt och temporalt utvärdera variationen av föroreningar att avgöra orsak-verkan relationer och utveckla en management plan5,6. Kontinuerlig övervakning av näringsämnen och sediment har nyligen fått ökad uppmärksamhet på grund av framsteg i datoranvändning och sensorteknik, förbättrad kapacitet för lagringsenheter och det ökande data krävs för att studera mer komplexa processer 1 , 5 , 7. i en global undersökning av över 700 vatten proffs, användning av multi-parameter Kerstin ökade från 26% till 61% från 2002 till 2012 och väntas nå 66% av 20225. I samma undersökning anges 72% av de svarande behovet av utbyggnad av deras nätverk för övervakning att möta sina data behöver5. Antalet stationer i ett nätverk för övervakning och antalet variabler som övervakas per station 2012 förväntas öka med 53% och 64%, respektive, med 20225.
Men är kontinuerlig vattnets kvalitet och kvantitet övervakning i jordbruket vattendelare utmanande. Stora regn händelser tvätta bort sediment och makrofyter, bidrar till hög sediment belastning och skräp uppbyggd i sensorer och Kerstin. Avrinning av överskott av kväve och fosfor som tillämpas på åkrar skapar idealiska förhållanden för tillväxten av mikroskopiska och makroskopiska organismer och påväxt av instream sensorer och Kerstin, särskilt under sommaren. Påväxt och sediment uppbyggd kan orsaka sensorer för att misslyckas, drift och producerar otillförlitliga uppgifter. Trots dessa utmaningar krävs finare temporal upplösning (som låga per minut) data att studera avrinning processer och icke-punktkälla kontaminering, eftersom de påverkas av vattendelare egenskaper (t.ex. storlek, jord, lutning, etc. ) och timing och intensiteten hos nederbörden7. Försiktig fält observation, täta kalibrering, och ordentlig rengöring och underhåll kan säkerställa god kvalitet data från sensorer och Kerstin, även på de finare tidsupplösningen.
Här diskuterar vi en metod för i situ kontinuerlig övervakning av två jordbruks vattendelare använder multi-parameter vatten kvalitet Kerstin och givaren tryckgivare, område-hastighet och autosamplers; deras kalibrering och fältet underhåll. och databehandling. Protokollet visar ett sätt som kontinuerlig vatten kvalitetsövervakning kan utföras. Protokollet är allmänt tillämpliga på kontinuerlig vattenkvalitet och kvantitet övervakning på någon typ eller storlek av vattendelare.
Protokollet genomfördes i nordöstra Arkansas i lilla diken avrinningsområde (HUC 080202040803, 53,4 km2 område) och Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, 23.4 km2 -område). Dessa två avrinningsområden rinna in bifloder till floden Mississippi. Ett behov för övervakning av bifloder till floden Mississippi identifierades av den lägre Mississippifloden Conservation Committee och golfen av Mexico hypoxi arbetsgruppen utveckla en plan för hantering av vattendelare och protokollföra framsteg för hanteringsaktiviteter 8 , 9. Dessutom dessa vattendelare karaktäriseras som fokus vattendelare av United States Department of Agriculture naturliga resurser Conservation Service (USDA-NRC), baserat på potentialen för att minska förorening av näringsämnen och sediment och att förbättra vatten kvalitet10. Edge-of-field övervakning genomförs i dessa avrinningsområden som en del av hela delstaten Mississippi River Basin friska vattendelare initiativ (MRBI) nätverk11. Mer information om vattendelare (dvs plats för platser, vattendelare egenskaper, etc.) finns i Aryal och Reba (2017)6. Kort sagt, lite diken avrinningsområdet har huvudsakligen silt loam smutsar, och bomull och sojabönor är de stora grödorna, medan i Lower St. Francis Basin har huvudsakligen Sharkey lerjord och ris och soja är de viktigaste grödorna. Vid varje vattendelare genomfördes i situ fortlöpande bevattnar kvantitet och kvalitet övervakning (dvs ansvarsfrihet temperatur, pH,, grumlighet, konduktivitet, nitrat och ammonium) vid tre stationer i mainstream använder detta protokoll att förstå den rumsliga och tidsmässiga variationen i förorenande laster och hydrologiska processer. Dessutom veckans Vattenprover samlades in och analyserades för svävande sediment concentration.
Protocol
Representative Results
Discussion
Övergripande, kontinuerlig övervakning av näringsämnen och sediment har flera fördelar över övervakning med hjälp av grab provtagningsmetod. Hydrologiska och vatten kvalitetsprocesser påverkas av nederbörden under en mycket kort tidsperiod. Användare kan erhålla hög temporal upplösning data på näringsämnen och sediment att studera komplexa problem. Andra vatten kvalitetsparametrar, såsom konduktivitet, pH, temperatur och DO, kan erhållas samtidigt och till samma kostnad som för övervakning nitrat, am…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskningen var möjligt tack vare finansiering från bevarande effekter bedömning projekt (CEAP). Vi är särskilt tacksamma för webbplats-behörighet från producenterna, forskning hjälp från medlemmar av USDA-ARS-Delta vatten Management Research Unit och provanalys av Personalen på ekotoxikologi forskningsanläggningen, Arkansas State University. En del av denna forskning stöddes av en avtalad tid till ARS deltagande programmet administreras av Oak Ridge Institutet för vetenskap och utbildning (ORISE) via en institutionsöverskridande avtal mellan US Department of Energy och USDA. ORISE hanteras av ORAU under DOE kontraktsnummer DE-AC05-06OR23100. Alla åsikter som uttrycks i detta dokument är författarens och återspeglar inte nödvändigtvis de riktlinjer och visningar av USDA, ARS, DOE eller 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).
