随着技术的进步和终端用户期望的提升，污染物负荷估算对更高时间分辨率数据的需求和使用日益增加。本方案描述了一种连续 原位 水质监测以获取更高时间分辨率的数据，为科学的水资源管理决策提供依据。
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摘要
摘要
流域中污染物的浓度和负荷在时间和空间上变化显著。准确及时地掌握水资源中污染物数量的信息，是理解污染物负荷驱动因素以及做出科学水资源管理决策的前提。常用的 "瞬时采样" 该方法可提供采样时刻污染物的浓度即， 瞬时浓度），可能导致污染物浓度和负荷的低估或高估。近年来，由于计算技术、传感技术和存储设备的进步，对营养物质和沉积物的连续监测受到越来越多关注。本方案展示了利用传感器、探头和仪器进行连续监测的方法 原位 硝酸盐、铵、浊度、pH、电导率、温度和溶解氧（DO），并计算两个农业流域内两条沟渠的污染物负荷。通过适当的传感器和探头校准、维护与操作，可在克服生物污垢和杂物堆积等不利条件的情况下，获得高质量的水质数据。该方法也可应用于不同规模的流域，适用于以农业、林地和/或城市用地为特征的流域。
引言
水质监测可提供不同空间尺度下污染物的浓度信息，其监测范围取决于汇水区域的大小，可从小块样地或田块到整个流域。监测通常在一定时间段内进行，例如单次事件、一天、一个季节或一年。通过水质监测获得的信息主要涉及养分（例如氮和磷）以及泥沙，可用于：1）理解水文过程及污染物在溪流（如农业排水沟）中的迁移与转化过程；2）评估在流域内实施的管理措施在削减养分和泥沙负荷、提升水质方面的有效性；3）评估泥沙和养分向下游水体的输送情况；以及 4）改进对养分和泥沙的模型模拟，以深入理解在不同时间和空间尺度下决定污染物迁移与动态变化的水文及水质过程。
这些信息对于水生生态系统的恢复、可持续规划以及水资源管理至关重要1。
流域内营养物质和沉积物监测最常用的方法是瞬时采样。瞬时采样能够准确反映采样时刻的浓度状况2。如果进行频繁采样，该方法也可描述污染物浓度随时间的变化情况。然而，频繁采样耗时且成本高昂，通常难以实施2。此外，在非采样时段，瞬时采样可能低估或高估实际的污染物浓度2,3,4。因此，基于此类浓度计....
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方案
1. 位点选择
- 流域选择
- 根据污染问题的严重程度、流域的优先级、与研究设施的距离、现场可进入性以及数据目标来选择流域。
- 河流采样点位置
- 根据研究目的选择河流采样点位置。
注意：理想的采样点应在横断面上水流充分混合，安全且易于到达，地貌稳定（即 横断面恒定且河岸可支撑仪器站房），并具有代表性12,13,14。位于两条河流汇合口下游不远处、处于顺直河段且横断面无收敛或扩散的站点，其水流更均质且更具代表性14。 - 在同一横断面内同步开展水文与水质测量，以计算负荷量。
注意：若需识别流域内营养物质和泥沙的空间变化特征，应在整个流域内选择多个站点，以覆盖潜在的污染源区域。
- 根据研究目的选择河流采样点位置。
2. 仪器与传感器的选择
- 根据所需数据、流域特征和可用资源，选择用于测量径流和水质以及按预定时间间隔采集水样的仪器和传感器。
注意：理想的传感器应具备可靠性高、准确....
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结果
在Aryal和Reba（2017年）发表的研究中，该方案被用于研究两个小型农业流域中养分和沉积物的迁移与转化过程6。该方案的其他应用成果如下所述。
降雨-径流水质量关系：
连续监测的优势在于用户可以选择较细的时间分辨率来研究因果关系，例如利用15分钟间隔的数据来分析降雨、径流与浊度之间的关系（图2A）。降雨数据来自气象站（www.weather.astate.edu），其中一个位于小河沟流域内，另一个距离下圣弗朗西斯流域6.3英里。在7月22日00:00至09:00期间，累计降雨量为25.4 mm。降雨使流量从7月22日00:00的0.71 m3/s 增加到17:45的4.89 m3/s。.......
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讨论
总体而言，与采用瞬时采样法相比，对养分和沉积物进行连续监测具有多项优势。水文和水质过程在很短的时间内就会受到降雨的影响。用户可以获得高时间分辨率的养分和沉积物数据，以研究复杂的科学问题。其他水质参数，如电导率、pH、温度和溶解氧（DO），可以与硝酸盐、铵盐和浊度监测以相同的成本同步获取。此外，还有来自不同制造商的其他传感器，能够同时测量更多水质参数，例如叶绿素、盐度和氧化还原电位，以及养分和沉积物。
本方案可用于确定所选研究时段内污染物的时间变化；若在多个监测点进行监测，可确定流域内污染物的空间变化；若在某一断面的多个点位进行监测，可确定污染物的断面分布变化。如本方案所示，pH、电导率、溶解氧、硝酸盐、铵、浊度和温度的昼夜变化能够揭示因果关系，有助于更好地理解污染物负荷的驱动因素。
尽管营养盐和沉积物的连续测量已成功实现，但该方法最大的局限性在于传感器故障、断电以及沉积物或碎屑堆积导致的数据丢失或低质量数据采集。虽然站点选择至关重要，但同样重要的是定期检查校准情况，并在必要时进行校准，更换内部和外部电池（若非太阳能供电），以及.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究得益于保护效果评估项目（Conservation Effects Assessment Project, CEAP）的资金支持。我们特别感谢生产者提供的场地访问许可，美国农业部农业研究局-三角洲水资源管理研究组（USDA-ARS-Delta Water Management Research Unit）成员提供的研究协助，以及阿肯色州立大学生态毒理学研究设施工作人员提供的样品分析。本研究的部分工作得到了农业研究局参与计划（ARS Participation Program）的支持，该计划由橡树岭科学与教育研究所（Oak Ridge Institute for Science and Education, ORISE）通过美国能源部与美国农业部之间的跨部门协议进行管理。ORISE 由橡树岭联合大学（ORAU）负责管理，美国能源部合同编号为 DE-AC05-06OR23100。本文所表达的所有观点均为作者个人观点，不一定反映美国农业部、农业研究局、能源部或 ORAU/ORISE 的政策与立场。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 多参数探头 | Hach Hydrolab | DS5X | 测量温度、pH、电导率、溶解氧、硝酸盐、铵、浊度 |
| 流速-面积流量模块与传感器 | Teledyne Isco | 2150 | 测量溪流平均流速和水深，并根据提供的沟渠横截面积计算流量和总流量。存储的数据可直接下载到计算机 |
| 自动便携式水样采集器 | Teledyne Isco | ISCO 6712 | 按设定时间间隔自动采样，或与流量模块和传感器联动采样 |
| 压力变送器 | In-situ | Rugged Troll 100 | 测量水中压力、水位和温度。存储的数据可直接下载到计算机 |
| 便携式流速仪 | Flo-mate (Hach) | Marsh-McBirney 2000 | 用于人工测量流量 |
| 12 V 可充电电池 | UPG | UB 1270 | 为探头供电 |
| 12 V 可充电电池 | Interstate Batteries | SRM 27 | 铅酸电池，为自动采样器供电 |
| 太阳能板 | Alt E | ALT20-12P | 用于现场为电池充电 |
| C-8 电池 | |||
| 校准标准液 | Hach 或 Fisher Scientific | 多种 | pH（4、7、10）、电导率（1412 µS/cm）、硝酸盐（5 和 50 mg/L）、铵（5 和 50 mg/L）、浊度（50、100、200 NTU）的标准溶液 |
| 高浓度硝酸盐标准液 | Hach | 013810HY | 50 mg/L |
| 低浓度硝酸盐标准液 | Hach | 013800HY | 5 mg/L |
| 高浓度铵标准液 | Hach | 002588HY | 50 mg/L |
| 低浓度铵标准液 | Hach | 002587HY | 5 mg/L |
| 浊度标准液 | Fisher scientific | R8819050-500G | 50 NTU |
| 浊度标准液 | Fisher scientific | 88-061-6 | 100 NTU |
| 浊度标准液 | Fisher scientific | R8819200500 C | 200 NTU |
| 氯化钾盐片 | Hach | 005376HY | 用于维持 pH 电极的电解液 |
| 氯化钾标准液 | Fisher scientific | 5890-16 | 1412 µS/cm |
| 缓冲液，pH 4 | Fisher scientific | SB99-1 | 用于 pH 传感器校准 |
| 缓冲液，pH 7 | Fisher scientific | SB108-1 | 用于 pH 传感器校准 |
| 缓冲液，pH 10 | Fisher scientific | SB116-1 | 用于 pH 传感器校准 |
| 硅酮密封胶 | Hach | 00298HY | 用于密封传感器电池盖，确保防水 |
| 通用清洁剂 | Sunshine Makers Inc | Simple green | |
| 擦拭布 | Kimberly-Clark | ||
| L 型支架 | |||
| Telsbar 立柱 | Unistrut Service Company | 用于在溪流中固定传感器和探头 | |
| 钢丝 | 悬挂探头和压力变送器（PT 传感器） | ||
| 卡扣锁 | 悬挂探头和压力变送器（PT 传感器） | ||
| 内六角扳手 | |||
| 铜丝网 | Bird B Gone | 防鼠防鸟用铜丝网卷 | |
| 胶带 | Agri Drain Corporation | 管道专用胶带，适用于潮湿和寒冷天气 |
参考文献
- 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 Measur....
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重印与许可
