Name: 农业流域营养盐和泥沙的连续河道监测 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 50 s
Description: 了解农业流域营养盐和泥沙的连续原位监测方法，获取高时间分辨率数据以分析污染物动态变化。该技术适用于多种流域类型，为水资源管理决策提供及时准确的水质信息。

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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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作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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，基于此类浓度计算的负荷量可能不够准确。
或者，连续监测可按照预设的时间间隔（例如每分钟、每小时或每天）提供准确且及时的水质信息。用户可根据自身需求选择合适的时间间隔。连续监测使研究人员、规划人员和管理人员能够优化样品采集；开发并监测时间积分指标（如最大日负荷总量，TMDLs）；评估水体的娱乐用途；评价河流的基础状况；以及在时空尺度上评估污染物的变化，以确定因果关系并制定管理方案5,6。近年来，由于计算技术和传感器技术的进步、存储设备容量的提升，以及研究更复杂过程所需数据量的增加，对营养物质和沉积物的连续监测日益受到关注1,5,7。在一项针对全球700多名水环境专业人员的调查中，多参数探头的使用率从2002年的26%上升至2012年的61%，预计到2022年将达到66%5。在同一项调查中，72%的受访者表示需要扩展其监测网络以满足数据需求5。预计到2022年，监测网络中的站点数量以及每个站点监测的变量数量将分别比2012年增加53%和64%5。
然而，在农业流域中持续监测水质和水量具有挑战性。强降雨事件会冲刷走泥沙和大型水生植物，导致传感器和探头中沉积物负荷过高以及杂物堆积。施用于农田的过量氮和磷随径流流失，为微观和宏观生物的生长创造了理想条件，尤其在夏季，容易造成水道中传感器和探头的生物污损。污损和沉积物堆积可能导致传感器失效、读数漂移并产生不可靠的数据。尽管存在这些挑战，研究径流过程和非点源污染仍需要更高时间分辨率（低至每分钟）的数据，因为这些过程受流域特征（例如，面积、土壤、坡度，等）以及降雨时机和强度的影响7。通过仔细的野外观测、频繁校准以及适当的清洁与维护，即使在较高时间分辨率下，也能确保传感器和探头获取高质量的数据。
这里，我们介绍一种方法 原位 使用多参数水质探头、面积-流速传感器和压力传感器以及自动采样器对两个农业流域进行连续监测；相关设备的校准与野外维护；以及数据处理。本方案展示了一种实施连续水质监测的方法，可广泛适用于各类规模和类型的流域在水质与水量方面的连续监测。
该实验方案在阿肯色州东北部的小河沟流域（HUC 080202040803，53.4 km）实施2 区域）和下圣弗朗西斯流域（HUC 080202030801，23.4 km2 区域）。这两个流域汇入密西西比河的支流。下密西西比河保护委员会和墨西哥湾缺氧问题工作组已指出，有必要对密西西比河的支流进行监测，以制定流域管理计划并记录管理活动的进展8,9此外，根据减少养分和沉积物污染以及改善水质的潜力，这些流域被美国农业部自然资源保护局（USDA-NRCS）列为重点关注流域。10在这些流域中，作为全州范围的密西西比河盆地健康流域倡议（MRBI）网络的一部分，正在开展田间边缘监测。11. 流域的更多详细信息（即， 站点位置、流域特征， 等等。）见Aryal和Reba（2017）6简而言之，小河沟流域以粉砂壤土为主，主要种植棉花和大豆；而下圣弗朗西斯流域则以夏基黏土为主，主要种植水稻和大豆。在每个流域， 原位 连续水质水量监测（即， 在干流的三个站点，利用该方案对排放温度、pH、溶解氧、浊度、电导率、硝酸盐和铵进行测定，以了解污染物负荷及水文过程在时空上的变化特征。此外，每周采集水样并分析悬浮沉积物浓度。

<table><tbody><tr><td>多参数探头</td><td>Hach Hydrolab</td><td>DS5X</td><td>测量温度、pH、电导率、溶解氧、硝酸盐、铵、浊度</td></tr><tr><td>流速-面积流量模块与传感器</td><td>Teledyne Isco</td><td>2150</td><td>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</td></tr><tr><td>自动便携式水样采集器</td><td>Teledyne Isco</td><td>ISCO 6712</td><td>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</td></tr><tr><td>压力变送器</td><td>In-situ</td><td>Rugged Troll 100</td><td>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</td></tr><tr><td>便携式流速仪</td><td>Flo-mate (Hach)</td><td>Marsh-McBirney 2000</td><td>用于人工测量流量</td></tr><tr><td>12 V 可充电电池</td><td>UPG</td><td>UB 1270</td><td>为探头供电</td></tr><tr><td>12 V 可充电电池</td><td>Interstate Batteries</td><td>SRM 27</td><td>铅酸电池，为自动采样器供电</td></tr><tr><td>太阳能板</td><td>Alt E</td><td>ALT20-12P</td><td>用于现场为电池充电</td></tr><tr><td>C-8 电池</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>校准标准液</td><td>Hach 或 Fisher Scientific</td><td>多种</td><td>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</td></tr><tr><td>高浓度硝酸盐标准液</td><td>Hach</td><td>013810HY</td><td>50 mg/L</td></tr><tr><td>低浓度硝酸盐标准液</td><td>Hach</td><td>013800HY</td><td>5 mg/L</td></tr><tr><td>高浓度铵标准液</td><td>Hach</td><td>002588HY</td><td>50 mg/L</td></tr><tr><td>低浓度铵标准液</td><td>Hach</td><td>002587HY</td><td>5 mg/L</td></tr><tr><td>浊度标准液</td><td>Fisher scientific</td><td>R8819050-500G</td><td>50 NTU</td></tr><tr><td>浊度标准液</td><td>Fisher scientific</td><td>88-061-6</td><td>100 NTU</td></tr><tr><td>浊度标准液</td><td>Fisher scientific</td><td>R8819200500 C</td><td>200 NTU</td></tr><tr><td>氯化钾盐片</td><td>Hach</td><td>005376HY</td><td>用于维持 pH 电极的电解液</td></tr><tr><td>氯化钾标准液</td><td>Fisher scientific</td><td>5890-16</td><td>1412 µS/cm</td></tr><tr><td>缓冲液，pH 4</td><td>Fisher scientific</td><td>SB99-1</td><td>用于 pH 传感器校准</td></tr><tr><td>缓冲液，pH 7</td><td>Fisher scientific</td><td>SB108-1</td><td>用于 pH 传感器校准</td></tr><tr><td>缓冲液，pH 10</td><td>Fisher scientific</td><td>SB116-1</td><td>用于 pH 传感器校准</td></tr><tr><td>硅酮密封胶</td><td>Hach</td><td>00298HY</td><td>用于密封传感器电池盖，确保防水</td></tr><tr><td>通用清洁剂</td><td>Sunshine Makers Inc</td><td>Simple green</td><td></td></tr><tr><td>擦拭布</td><td>Kimberly-Clark</td><td></td><td></td></tr><tr><td>L 型支架</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Telsbar 立柱</td><td>Unistrut Service Company</td><td></td><td>用于在溪流中固定传感器和探头</td></tr><tr><td>钢丝</td><td></td><td></td><td>悬挂探头和压力变送器（PT 传感器）</td></tr><tr><td>卡扣锁</td><td></td><td></td><td>悬挂探头和压力变送器（PT 传感器）</td></tr><tr><td>内六角扳手</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>铜丝网</td><td>Bird B Gone</td><td></td><td>防鼠防鸟用铜丝网卷</td></tr><tr><td>胶带</td><td>Agri Drain Corporation</td><td></td><td>管道专用胶带，适用于潮湿和寒冷天气</td></tr></tbody></table>

农业流域中养分和沉积物的连续在线监测

Continuous Instream Monitoring of Nutrients and Sediment in Agricultural Watersheds

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 &#34;瞬时采样&#34; 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。

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。...

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。

流域中污染物的浓度和负荷在时间和空间上变化显著。有关污染物含量水平的准确且及时的信息……

本方案的总体目标是在选定的时间间隔内，以高时间分辨率原位准确测量农业流域的水质。该方法有助于回答水资源领域中关于污染物负荷及其驱动因素、水文与水质过程的空间和时间变化的关键问题。本方案的主要优势在于，使用者可获得养分和沉积物的高时间分辨率数据，以研究复杂的环境问题。准确且及时的水质信息是做出科学水资源管理决策的前提，因为非点源污染受到流域特征以及降雨时间和强度的影响。尽管该方法可为农业流域提供研究依据，但也同样适用于其他类型和规模的流域，例如城市、森林以及受采矿活动影响的流域。首先，使用软毛刷、擦拭垫以及肥皂或通用清洗液彻底清洁探头传感器表面。用去离子水冲洗传感器。取下并清洁浊度传感器的刮水器和传感器清洁刷。然后拧下 pH 传感器 PTFE 参比结处的帽盖。弃去电解液溶液。向传感器中加入一粒氯化钾盐粒，并用新鲜的电解液溶液填充传感器。拧紧参比接头的帽盖以形成气密密封，并冲洗掉被置换出的电解液溶液。使用钢丝和卡比纳器将探头悬挂在工作台面上方 20 至 30 厘米处。将探头连接至控制计算机。启动软件并选择需要校准的探头。在“参数设置”选项卡中，设置每次校准所使用的标准品数量。每次校准传感器前，需用去离子水彻底冲洗传感器，并用实验室擦拭纸将传感器擦干。开始校准电导率传感器时，首先确保传感器的椭圆形表面完全干燥。在“校准”选项卡下，选择电导率和微西门子/厘米。将干燥的传感器调零，然后将传感器浸入合适的校准标准液中。待读数稳定后，将传感器设定为 1,412 微西门子每厘米。用去离子水冲洗已校准的传感器。接着，将 pH 传感器浸入 pH 7 的标准溶液中。选择 pH 选项卡，等待读数稳定，然后将传感器设置为 7.0。彻底冲洗并干燥传感器，再使用 pH 10 溶液重复该过程。冲洗 pH 传感器后，用 pH 4 标准溶液检查读数，以验证校准曲线的线性。然后用去离子水冲洗传感器上残留的标准溶液。接着，将温度恒定且被空气饱和的去离子水倒入探头校准杯中，并将校准杯安装到探头上。将探头倒置，确保温度和溶解氧传感器完全浸没在水中。选择以百分比饱和度表示的溶解氧（LDO），等待读数稳定，并将大气压设置为当地以毫米汞柱为单位的气压值。然后将探头垂直放置，并取下校准杯。在校准杯中加入新鲜的去离子水，确保不产生气泡，再将校准杯安装到探头上。选择以 NTU 为单位的浊度。待读数稳定后，将第一个校准点的浊度设为 0.6 NTU。重复此步骤，对另外三个浊度标准品进行操作以设定其余校准点，然后冲洗传感器并将其干燥。 接下来，将校准杯装入四分之三的50毫克/升硝酸盐标准溶液，并将杯子安装到探头上。将探头倒置，使温度和硝酸盐传感器完全浸没。选择以氮的毫克/升为单位的硝酸盐浓度。待读数稳定后，记录电压中的温度值。将第一个校准点设置为 46.2。用去离子水彻底冲洗传感器，并用实验室擦拭纸将传感器擦干。使用五

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