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Methodenartikel

Kontinuierliche Instream Überwachung von Nährstoffen und Sediment in landwirtschaftlichen Wasserscheiden

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DOI:

10.3791/56036

⸱

26. September 2017

 , 
1Oak Ridge Institute of Science and Education (ORISE), 2Delta Water Management Research Unit, United States Department of Agriculture, Agriculture Research Unit USDA-ARS

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Mit der Weiterentwicklung der Technologie und der Anstieg der Endkunden Erwartungen die Notwendigkeit und die Verwendung von höheren zeitlichen Auflösung Daten für Schadstoff-Belastung-Schätzung gestiegen. Dieses Protokoll beschreibt ein Verfahren zur kontinuierlichen in Situ Überwachung der Wasserqualität um höhere zeitliche Auflösung Daten für fundierte Wasser Ressourcen Management-Entscheidungen zu erhalten.

Zusammenfassung

Schadstoffkonzentrationen und Lasten in Einzugsgebieten unterschiedlich mit Zeit und Raum. Genaue und aktuelle Informationen über das Ausmaß von Schadstoffen in Wasser-Ressourcen ist eine Voraussetzung für das Verständnis der Fahrer von der Schadstofffrachten und Entscheidungen informiert Wasser Ressourcen Management. Die häufig verwendete "greifen Probenahme" Methode bietet die Konzentrationen von Schadstoffen zum Zeitpunkt der Probenahme (d. h. eine Snapshot-Konzentration) und kann unter- oder overpredict die Schadstoffkonzentrationen und Lasten. Kontinuierliche Überwachung der Nährstoffe und Sediment erhielt vor kurzem mehr Aufmerksamkeit aufgrund der Fortschritte in computing, sensing Technologie und Speichergeräte. Dieses Protokoll zeigt den Einsatz von Sensoren, Sonden und Instrumentierung, in Situ Nitrat, Ammonium, Trübung, pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperatur und gelösten Sauerstoff (DO) kontinuierlich zu überwachen und zu berechnen, die Lasten aus zwei Bächen (Gräben) in zwei landwirtschaftliche Wasserscheiden. Mit der richtigen Kalibrierung, Wartung und Betrieb von Sensoren und Sonden erhalten Sie Daten zur guten Wasserqualität durch Überwindung der schwierige Bedingungen wie Ablagerungen und Schmutz Anhaftungen. Die Methode kann auch verwendet in Einzugsgebieten in verschiedenen Größen und zeichnet sich durch Landwirtschaft, bewaldeten und/oder urban Land.

Einleitung

Überwachung der Wasserqualität gibt Auskunft über die Konzentrationen von Schadstoffen auf verschiedenen räumlichen Ebenen, abhängig von der Größe des Gebiets beitragen, die von einem Grundstück oder ein Feld um eine Wasserscheide reichen können. Diese Kontrolle erfolgt über einen Zeitraum von Zeit, wie ein einzelnes Ereignis, einen Tag, eine Saison oder ein Jahr. Die Informationen aus der Überwachung der Wasserqualität, vor allem in Bezug auf Nährstoffe (z. B. Stickstoff und Phosphor) und Sediment, kann verwendet werden, um: 1) verstehen hydrologische Prozesse, Transport und Umwandlung von Schadstoffen in Strömen, wie landwirtschaftliche Entwässerungsgräben; (2) Bewertung der Effizienz von Management-Praktiken angewendet um die Wasserscheide, die Nährstoff- und Sediment Last zu reduzieren und die Qualität des Wassers zu erhöhen; (3) die Lieferung von Sedimenten und Nährstoffen an das Wasser flussabwärts zu beurteilen; und 4) verbessern die Modellierung von Nährstoffen und Sediment zu verstehen die hydrologischen und Wasser Qualitätsprozesse, die Schadstoff-Transport und Dynamik über den Bereich der zeitlichen und räumlichen Skalen zu bestimmen.

Diese Information ist entscheidend für aquatische Ökosystem Restaurierung, nachhaltige Planung und das Management von Wasser-Ressourcen-1.

Die am häufigsten verwendete Methode für Nährstoff und Sediment Überwachung in eine Wasserscheide ist greifen Probenahme. Greifer Probenahme repräsentiert genau eine Snapshot-Konzentration zum Zeitpunkt der Probenahme2. Es kann auch eine Variation der Schadstoffkonzentrationen mit der Zeit zeigen, wenn häufige Probenahme erfolgt. Häufige Stichproben ist jedoch Zeit, intensive und teuer, so dass es oft unpraktisch2. Darüber hinaus greifen Probenahme kann unter- oder überschätzen die tatsächlichen Schadstoffkonzentrationen außerhalb der Probenahme Zeit2,3,4. Infolgedessen können Lasten mit solchen Konzentrationen berechnet ungenau sein.

Alternativ bietet kontinuierliche Überwachung genaue und aktuelle Informationen über die Wasserqualität in einem vorgegebenen Zeitintervall, z. B. eine Minute, eine Stunde oder einen Tag. Benutzer können die entsprechenden Zeitabständen je nach ihren Bedürfnissen auswählen. Kontinuierliche Überwachung ermöglicht die Forscher, Planer und Manager, Entnahme von Proben zu optimieren; Entwicklung und Überwachung der Zeit integriert Metriken, wie maximale tägliche Gesamtlasten (TMDLs); Bewerten der Erholungsnutzung des Gewässers; Grundlinie Stream Bedingungen zu beurteilen; und räumlich und zeitlich zu bewerten die Variation der Schadstoffbelastung von Ursache-Wirkungs-Beziehungen zu bestimmen und entwickeln eine Management Plan5,6. Kontinuierliche Überwachung der Nährstoffe und Sediment erhielt vor kurzem erhöhte Aufmerksamkeit aufgrund der Fortschritte in computing und Sensortechnik, die verbesserte Kapazität der Speichermedien und die zunehmende Anforderungen benötigt, um komplexe Prozesse zu studieren 1 , 5 , 7. in einer weltweiten Umfrage von mehr als 700 Wasser Profis, die Verwendung von Multi-Parameter-Sonden stieg von 26 % auf 61 % von 2002 bis 2012 und 20225auf 66 % steigen dürfte. In der gleichen Umfrage 72 % der Befragten angegeben, dass die für den Ausbau ihres Netzwerks zur Überwachung ihrer Daten genügen5Bedürfnisse. Die Anzahl der Stationen in ein Messnetz und die Anzahl der Variablen überwacht pro Station im Jahr 2012 werden voraussichtlich bis 20225bzw. um 53 % und 64 %, zu erhöhen.

Kontinuierliche Wasserqualität und Quantität Überwachung in landwirtschaftlichen Wasserscheiden ist jedoch schwierig. Große Niederschlagsereignisse abwaschen, Sediment und Makrophyten, einen Beitrag zu hoher Last und Schutt Sedimentanhäufung in den Sensoren und Sonden. Der Abfluss von überschüssigem Stickstoff und Phosphor auf landwirtschaftlichen Feldern angewendet schafft ideale Bedingungen für das Wachstum der makroskopischen und mikroskopischen Organismen und für die Verschmutzung des Instream-Sensoren und Sonden, besonders im Sommer. Verschmutzung und Sediment Anhäufung kann Sensoren zu scheitern, drift und erzeugen unzuverlässige Daten verursachen. Trotz dieser Herausforderungen sind feinere zeitliche Auflösung (so niedrig wie pro Minute) Daten erforderlich, um die Stichwahl Prozesse und Punkt-Quelle Kontamination zu studieren wie sie, Wasserscheide Merkmale (z.B. Größe, Boden, Neigung, etc. betroffen sind. ) und das Timing und die Intensität der Niederschläge7. Sorgfältige Feld Beobachtung, häufige Kalibrierung und ordnungsgemäße Reinigung und Wartung garantieren qualitativ hochwertige Daten von den Sensoren und Sonden, auch bei den feineren Zeitauflösung.

Hier diskutieren wir eine Methode für die in Situ kontinuierliche Überwachung von zwei landwirtschaftlichen Wasserscheiden Multiparameter Wasser Qualität Sonden, Bereich-Geschwindigkeit und Wandler Drucksensoren und Probengeber verwenden; Ihre Kalibrierung und Wartung; und Datenverarbeitung. Das Protokoll zeigt einen Weg in dem fortlaufende Gewässerüberwachung durchgeführt werden kann. Das Protokoll ist generell für kontinuierliche Wasserqualität und Quantität Überwachung auf jeder Art und Größe des Einzugsgebietes.

Das Protokoll wurde im nordöstlichen Arkansas in kleinen Gräben Einzugsgebiet (HUC 080202040803, 53,4 km2 Fläche) und Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, 23,4 km2 Fläche) durchgeführt. Diese zwei Wasserscheiden fließen in die Nebenflüsse des Mississippi River. Eine Notwendigkeit für die Überwachung der Nebenflüsse des Mississippi Flusses wurde von der unteren Mississippi River Conservation Committee und der Golf von Mexiko Hypoxie Task Force, einen Wasserscheide-Management-Plan zu entwickeln und den Fortschritt der Management-Aktivitäten aufzeichnen identifiziert. 8 , 9. Darüber hinaus zeichnen sich diese Wasserscheiden als Fokus Wasserscheiden durch die United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service (USDA-NRCS), basierend auf das Potenzial zur Reduzierung der Nährstoff- und Sediment Verschmutzung und für Wasser Qualität10zu verbessern. Edge-Bereich Überwachung wird in diesen Einzugsgebieten im Rahmen der landesweiten Mississippi River Basin gesunde Watershed Initiative (MRBI) Netzwerk11durchgeführt. Mehr sind die Wasserscheiden (z. B. Standorte, Wasserscheide Merkmale usw.)in Aryal und Reba (2017)6erläutert. Kurzum, das kleine Gräben Einzugsgebiet hat überwiegend Schluff-Lehm-Böden, und Baumwolle und Soja sind die wichtigsten Kulturen, während die Lower St. Francis Basin überwiegend Sharkey Lehmboden hat, und Reis und Soja die wichtigsten Kulturen sind. An jeder Wasserscheide in Situ kontinuierliche Wassermenge und Qualitätsüberwachung (d. h. Entlastung Temperatur, pH-Wert,, Trübung, Leitfähigkeit, Nitrat und Ammonium) erfolgte an drei Stationen im Mainstream unter Verwendung dieses Protokolls die räumliche und zeitliche Variabilität in der Schadstofffrachten und die hydrologischen Prozesse zu verstehen. Darüber hinaus wurden wöchentlich Wasserproben gesammelt und analysiert für suspendierten Sediment coNcentration.

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Protokoll

1. Standortwahl

  1. Wasserscheide Auswahl
    1. Wählen Sie basierend auf das Ausmaß der Verschmutzung Problem, Priorität der Wasserscheide, Nähe zur Forschungseinrichtung, Zugriff auf die Website Watershed(s) und Daten Ziele.
  2. Stream Probenahme Standorten
    1. Wählen Sie Stream Probenahme Speicherorte basierend auf der Studie Zweck.
      Hinweis: Optimale Probenahme Standorten sind gut gemischt in einem Querschnitt, sicher und leicht zugänglich, physikalisch stabil (d.h. konstantem Querschnitt und einer Bank unterstützt Bahnhof Gerätegehäuse) und Vertreter 12 , 13 , 14. Stationen aus dem Zusammenfluss der beiden Ströme und in einem geraden Kanal-Abschnitt nicht unmittelbar nachgeschalteten ohne eine konvergierende oder abweichende Kanal Querschnitt, sind mehr homogen und repräsentativ 14.
    2. Co-locate hydrologischen und Wasser Qualitätsmessungen an einen Querschnitt der Lasten berechnen.
      Hinweis: Wenn die räumliche Variation der Nährstoffe und Sediment in einen Wendepunkt zu ermitteln, wählen Sie mehrere Stationen auf potenzielle Quellen im gesamten Einzugsgebiet.

2. Instrument und Sensorauswahl

  1. Wählen Sie Instrumente und Sensoren zur Messung von Entlastung und Wasserqualität und Wasserproben im gewünschten Intervall zu sammeln. Wählen Sie das Instrument und Sensoren, basierend auf Daten bedarf, Wasserscheide und verfügbaren Ressourcen.
    Hinweis: Ideal Sensoren sind zuverlässig, präzise, sensibel, präzise, kostengünstige und für die Stream-Umgebung geeignet und erfordern begrenzte Wartung und Schulung der Bereich Techniker 13. In eine landwirtschaftliche Wasserscheide Ablagerungen und Schmutz Anhaftungen sind die größten Ursachen von Bedenken. Infolgedessen werden Sonden ausgestattet mit Selbstreinigung und Antifouling-Eigenschaften bevorzugt.
    1. Verwendung eine Autosampler, Sonden, einer Gegend-Geschwindigkeit Sensor, ein Druckaufnehmer und ein tragbarer Durchflussmesser.
      Hinweis: Die Sonde sollte ein Abstreifer reinigen den Trübungssensor und einer Bürste zu reinigen, pH-Wert, Ammonium, Nitrat, und tue Sensoren.
      Hinweis: Das Instrument in diesem Protokoll bezieht sich auf eine Wasser-Probenahme-Einheit, bestehend aus einem Autosampler, Schlauch, Sieb oder Flow-Modul und Umgebung-Geschwindigkeitssensor.
  2. Select Wasserwerte Qualität basierend auf den Daten Ziel, Sensor Kosten und Verfügbarkeit. Messen Sie die Temperatur, pH-Wert,, Leitfähigkeit, Trübung, Ammonium und Nitrat alle 15 min.
    Hinweis:, Temperatur, pH-Wert und Leitfähigkeit sind die am häufigsten verwendeten Parameter gewählt und sind gemessen am USGS Stationen während Nitrat, Ammonium und Trübung seltener sind, aber Popularität 1 , gewinnen 14.
    Hinweis: die Daten Ziele richten sich nach der Wasserscheide-Eigenschaften. Zum Beispiel Stickstoff und Phosphor Überwachung möglicherweise wichtiger in landwirtschaftlichen Wasserscheiden im Vergleich zu Phosphor Überwachung in städtischen Einzugsgebieten.

3. Kalibrierung der Sonde und Programmierung

  1. Kalibrieren der Sensoren auf der Sonde nach Empfehlungen des Herstellers. Die Kalibrierung Protokoll ändern Sie nach Bedarf anhand der lokalen Umweltbedingungen.
    Hinweis: Die Häufigkeit der Kalibrierung hängt das Umfeld, in dem die Sensoren ausgesetzt sind. Im allgemeinen fällt es innerhalb von 2-4 Wochen. Hier die Sonden sind alle 2 Wochen während der Vegetationsperiode kalibriert und alle 3 Wochen in nicht wachsenden Jahreszeit (November bis April).
  2. Im Labor, reinigen Sie die Sonde gründlich vor der Kalibrierung. Reinigen Sie die Sensor-Oberflächen mit weichen Bürsten (z.B. Zahnbürsten) und Seife oder Allzweckreiniger. Entfernen Sie Umwälzthermostat Wischer und Pinsel mit einem Sechskant Inbusschlüssel; Wischer und Pinsel reinigen.
  3. Gießen das Elektrolyt in die pH-Referenz-Elektrode, füllen Sie ihn mit frischem Elektrolytlösung und Hinzufügen einer Kaliumchlorid Salztablette um die Leitfähigkeit der Elektrolyt-Lösung zu erhalten. Schließen Sie die Kappe, so dass es luftdicht ist; einige Elektrolyt wird ergießen, während die Kappe aufgeschraubt wird. Spülen der Sonde mit entionisiertem Wasser.
  4. Unterbrechen die Sonde auf eine stabile Unterlage, so dass am Ende der Sonde ca. 20-30 cm über der Tischplatte liegt, so dass für einfache Verarbeitbarkeit. Schließen Sie die Sonde über ein Kommunikationskabel an den Computer an. Starten Sie den Hersteller ' s-Software. Drücken Sie " betreiben Sonde " Sonde Programm einzugehen.
  5. Anzahl der Kalibrierstandards an der " Parametereinstellungen " Registerkarte ". Kalibrieren der Sensoren in der folgenden Reihenfolge: Leitfähigkeit, pH-Wert, DO, Trübung, Nitrat und Ammonium.
    Hinweis: Die Reihenfolge der Kalibrierung ist wichtig, als Nitrat und Ammonium Sensoren verwenden Leitfähigkeit und pH Werte.
    Hinweis: Die Anzahl der Kalibrierstandards sind 2 für Leitfähigkeit, 2 oder 3 für pH, 1, 2 oder 4 für Trübung, 2 für Nitrat und 2 für Ammonium.
  6. Sensoren mit VE-Wasser mehrmals spülen und trocknen Sie die Sensoren Fläche(n) mit Tüchern vor der Einführung einer normales auf den Sensor um Kreuzkontaminationen zu vermeiden.
    Hinweis: Vor der Kalibrierung jedes Sensors, notieren Sie die Werte des Sensors die folgenden Standards liest: tun, pH 7, für DI und 50 NTU Trübung für 50 mg/L und Ammonium für 50 mg/l Nitrat Diese Werte können verwendet werden, zu beurteilen, ob die Sensoren im Feld genau waren. Sie können auch umsichtig verwendet werden, um die Feldwerte korrigieren.
  7. Nach der Kalibrierung jedes Sensors (Schritte 3,8-3.13) für einen Standard " Kalibrierung erfolgreich " erscheinen, wenn die Kalibrierung nicht, setzt den Sensor und versuchen Sie es erneut. Wenn der Sensor immer noch nicht, die Verbrauchsmaterialien können Ersatz oder der Sensor kann Fabrik Reparatur benötigen.
    Hinweis: Zurücksetzen des Nitrat oder Ammonium Sensors beide Sensoren zurückgesetzt wird.
  8. Kalibrieren den Leitfähigkeitssensor mit 2-Punkt Kalibrierung; 0 µs/cm für einen trockenen Sensor und 1.412 µs/cm für die standard-Lösung. Wählen Sie " SpCond [µs/cm] " in der " Kalibrierung " Registerkarte ". Trocknen Sie den ovale Teil des Sensors komplett mit Tüchern. Geben Sie " 0.0 " in µs/cm und geben Sie " kalibrieren. "
    1. Einfügen der Standard in einem Beutel der ovale Teil des Sensors vollständig abdecken. Warten Sie bis der Sensorwert stabilisiert (~ 2 bis 5 min), geben Sie " 1412 " in µs/cm, und geben Sie " kalibrieren. " " Kalibrierung erfolgreich " erscheint; Wenn die Kalibrierung ausfällt, Zurücksetzen den Sensor und versuchen Sie es erneut.
  9. Kalibrierung der pH-Sensor mit pH 7 und pH 10 Standards und überprüfen Sie die Linearität der Kalibrierung mit pH 4. Wählen Sie die " pH-Wert [Geräte] " "auf die Registerkarte" Kalibrierung "Einfügen in einen Beutel für die pH-Kreuzung und die Bezugselektrode pH 7 standard. Warten Sie etwa 5 min dafür zu stabilisieren. Geben Sie " 7.0 " als der pH Wert und geben Sie " kalibrieren. "
    1. der Elektroden zu spülen und trocknen Sie sie mit Tüchern. Einlegen von pH 10 und folgen den gleiche Vorgehensweise wie bei pH 7. Legen Sie pH 4 zu überprüfen, ob die Linearität der Eichkurve erfüllt ist; der kalibrierte Sensor sollte 4 ± 0,2 pH 4.0 standard lesen.
  10. Den DO-Sensor mit Temperatur stabilisiert, Luft gesättigt, deionisiertes Wasser zu kalibrieren (18 M Ω-cm) als Einzelpunkt-Standard.
    1. Wählen Sie die " LDO % [SA] " tab. DI Wasser fast voll auf die Kalibrierung Tasse einfüllen und stellen Sie die Tasse auf die Sonde. Invertieren der Sonde um sicherzustellen, dass der Temperaturfühler und Membranen vollständig vom Wasser bedeckt sind.
    2. Warten Sie ca. 5 min, die prozentuale Sättigung Lesung zu stabilisieren. Nach der Stabilisierung, geben Sie " 100 " für die prozentuale Sättigung. Geben Sie den barometrischen Druck in MmHg anhand einer lokalen Wetterstation und " zu kalibrieren. "
      Hinweis: VE-Wasser ist Temperatur stabilisiert und Luft gesättigt mit geöffnetem Atmosphäre mindestens über Nacht in das Labor für Gasaustausch, Sättigung und Temperaturstabilisierung. Barometrischer Druck muss angegeben werden, da die Sättigung abhängig vom Luftdruck neben der Temperatur (gemessen von der Sonde selbst).
    3. Überprüfen Sie den Skalierungsfaktor, die 0,5 - 1,5, für akzeptable Kalibrierung. Kalibrierungsprogramm zu beenden, geben Sie terminal-Modus, verwenden Sie die Pfeile um zu markieren " Log In, " und drücken Sie " eingeben. " markieren " Stufe 3 " und drücken Sie " eingeben. " markieren " Setup " und drücken Sie " eingeben. " markieren " Sensoren " und drücken Sie " eingeben. " markieren Sie " tun " und drücken Sie " eingeben. " markieren " % saß " und drücken Sie " eingeben. " beachten Sie den Skalierungsfaktor.
    4. Presse " Esc " zu verlassen und in " Arbeiten Sonde " wieder. Wählen Sie die " Registerkarte "Kalibrierung" " weiterhin die Kalibrierung.
    5. Die Sonde wieder umkehren und aussetzen, damit die Sensoren die Erde begegnen.
  11. Kalibrieren den Trübungssensor mit 4 Normen: DI, 50 NTU, 100 NTU und 200 NTU. Wählen Sie die " Trübung [NTUs] " Registerkarte ". Setzen Sie in einer Tasse Kalibrierung genügend DI Wasser mindestens unten den Trübungssensor bedecken. Lassen Sie die Trübung Lesung zu stabilisieren. Geben Sie Punkt " 1 " für den DI-Standard, ein " 0,6 " NTU Trübungswert und " zu kalibrieren. "
    1. in ähnlicher Weise kalibrieren den Trübungssensor für andere Standards. Verhindert Blasenbildung durch Homogenisieren den Standards, die Flasche nach oben und unten drehen (nicht schütteln) und gießen den Standards entlang der Cup.
    2. Nach der Kalibrierung alle Standards überprüfen der Sensorwerte für DI und 50 NTU zu sehen, ob die Kalibrierung war akzeptabel (d. h. innerhalb von ±1 %).
  12. Kalibrieren den Nitrat-Sensor mit zwei Standards: hoch (50 mg/L Nr. 3 –-N) und low (5 mg/L Nr. 3 –-N). Wählen Sie die " Nr. 3 – [mg/L-N] " Registerkarte ".
    1. Pour 50 mg/L standard um die Kalibrierung Tasse bis zu Dreiviertel füllen voll und stellen Sie die Tasse auf der Sonde, eine wasserdichte Verbindung herzustellen. Drehen Sie die Sonde, so dass die Nitrat und Temperatursensoren vollständig bedeckt sind. Warten Sie 15 Minuten (oder bis sich der Messwert stabilisiert hat). Nach der Stabilisierung, geben Sie die standard-Niveau " 1 " und ein Wert von " 46,2. " Aufzeichnen der Temperatur und der mV Lesung in einem Notebook. Geben Sie " kalibrieren. "
      Hinweis: der Nitrat-Sensor nutzt der Temperaturfühler neben der Leitfähigkeit und pH Sensoren.
    2. Die Sensoren mit VE-Wasser mehrmals spülen und trocknen Sie sie mit Tüchern. Wiederholen Sie den Vorgang für den niedrigen Standard. Der Unterschied zwischen den beiden Spannung Lesungen sollte 50-65 mV, und der Unterschied zwischen der Temperaturwerte sollte nicht mehr als 5 ° C für die Kalibrierung akzeptiert werden.
  13. Den Ammonium-Sensor ähnlich wie bei der Nitrat-Sensor kalibrieren.
  14. Neuinstallation und Kalibrieren der Wischer und Pinsel. Wählen Sie die " Antikalk [Rev] " tab. Wählen Sie " 1 " Drehung, und geben Sie " kalibrieren. "
    Hinweis: die Scheibenwischer und die Bürste dreht sich einmal.
  15. Sobald alle Sensoren kalibriert sind, Programmieren der Sonde. Geben Sie " Uhrzeiteinstellung, pc-Zeit " in der " System " Registerkarte Synchronisierung. Die älteste Protokolldatei gibt es 4 vorhandenen Log-Dateien zu löschen und eine neue Protokolldatei erstellen. Sobald die Protokolldatei erstellt wurde, wählen Sie die Überwachungs-Parameter und die Parameter für die Anmeldung. Wählen Sie die Überwachung Dauer (d.h., bis die nächste Kalibrierung, in der Regel 2-3 Wochen in landwirtschaftlichen Wasserscheiden) und Intervall (15 min) durch die Wahl von Beginn und Endzeit der Log-Datei und das Logging-Intervall. Speichern Sie die Logdatei.
    Hinweis: Zu jeder Zeit eine Sonde kann bis zu 4 Logdateien speichern.
  16. Die interne Batteriespannung prüfen und ggf. die internen Batterien.
    1. Wählen Sie die " Online-Überwachung " Registerkarte, und starten Sie die Online-Überwachung.
    2. Überprüfen Sie die interne Batterie-Spannung. Wenn es unter 10,5 V ist, ersetzen Sie es mit acht neuen C-Batterien.
      Hinweis: Die Sonde beendet Aufnahmedaten sinkt die Spannung der internen Batterie unter ~9.0 V.
    3. Silikon-Dichtstoff, um der Deckel des Batteriefachs, eine wasserdichte Verbindung herzustellen zu versiegeln verwenden.
  17. Befestigen Sie den Sensorschutz und steckte es in einen Eimer halbvoll mit Wasser.
    Hinweis: Die Sonden im Eimer sind bereit für den Transport und (neu-) Installation an den Standorten. Die Sonden müssen für die pH-Elektrode ordnungsgemäß ins Wasser getaucht werden.

4. Instrument und Sensor Installation

  1. Bereich-Geschwindigkeit Sensor und Flow-Modul
    1. Mount Bereich-Geschwindigkeitssensor sicher auf einer Stahlplatte auf einen ausgewählten Querschnitt. Montieren Sie die Stahlplatte auf der " L " Halterung ( Abbildung 1), die in der Telspar post getrieben cuando des Streams (d. h., die tiefste Stelle des Kanals) angebracht ist ( Abbildung 1). die Verlängerung der " L " Halterung oberhalb der Telspar Post sollte lang genug sein, so dass die Strömung durch die Anwesenheit der Telspar Post im Stream nicht beeinträchtigt wird. Stellen Sie den Sensor auf die " L " Halterung auf das Bachbett, so dass die Spitze des Sensors flussaufwärts entlang der Fließlinien Gesichter.
      Hinweis: Die Wirkung der Telspar Post kann visuell ausgewertet werden, wenn die Einführung der Post Flow Störung bei der Sensorposition stromaufwärts oder quantitativ mit Sensor-Werte mit und ohne die Telspar Post erstellt. In diesem Protokoll Cross-sectional Variabilität als vernachlässigbar angesehen. Wenn es werden ausgewertet soll, können mehrere Sonden oder Sensoren an einen Querschnitt platziert werden. Der Bereich Geschwindigkeit Sensor misst durchschnittlich Geschwindigkeit mit Hilfe der Ultraschall-Doppler-Methode. Es erfordert keinen Umrechnungsfaktor basierend auf Fluss Tiefe oder Geschwindigkeit Profilierung und Kalibrierung vor Ort. Das Flow-Modul misst Geschwindigkeit von-1.5 bis 6,1 m/s und Tiefe von 0,01 m bis 9,15 m. So gilt es für verschiedene Wasserscheiden.
    2. Zur Berechnung der Entlastung, Messen Sie die Fläche des Querschnitts.
      Hinweis: Die Software kann direkt berechnen Sie die Fläche wird die Form des Kanals oder eine Gleichung angegeben.
      Hinweis: Die Daten des Sensors werden direkt in den Fluss-Modul erfasst und können auf einen Computer unter Verwendung des Herstellers heruntergeladen werden ' s Software und ein Kommunikationskabel.

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Abbildung 1. Layout eines typischen Instream Monitoring-Station (nicht auf einer Skala).
Die Station enthält einen Telspar Beitrag an dem die Sonde ausgesetzt ist mit einem Stahlseil, einem Karabiner und Aderendhülsen. Die Beschläge werden nicht angezeigt. Die L-Halterung auf der Gebiet-Geschwindigkeitssensor montiert ist wird an das Bachbett platziert und ist eng an die Post mit Schrauben und Muttern befestigt. Der Autosampler (nicht in der Abbildung dargestellt) zieht die Wasserprobe aus einem Schlauch, die ein Sieb an der Spitze enthält. Das Kabel aus dem Bereich-Geschwindigkeitssensor ist das Flow-Modul (nicht gezeigt) verbunden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Druckaufnehmer (PT-Sensor)
    1. Wenn die Bereich-Geschwindigkeitssensor nicht verfügbar ist, Messen Sie die Tiefe mit einem Druckaufnehmer.
    2. Montieren Sie den PT-Sensor in der Telspar-Post und sichern Sie es mit einem Stahldraht und Aderendhülsen; die Spitze des Sensors sollte nur das Bachbett berühren. Programmieren Sie den PT-Sensor, die Wassertiefe in 15-Minuten-Abständen zu messen.
  2. Manuelle Entlastung Messung
    1. für Stationen mit einem PT-Sensor als ein Messgerät, Entlastung machen Bühne Entladekurve manuell messen die Entlastung über einen Bereich von fließt, bedeckt mindestens niedriger, mittlerer und hoher fließt. Teilen Sie die Querschnittsfläche in mehrere Segmente (30-60 cm breit), abhängig von der Breite des Flusses. Messen Sie die mittlere Geschwindigkeit in der Mittellinie des Segments mit einem tragbaren Durchflussmesser. Wenn die Tiefe ist < 10 cm, die maximale Geschwindigkeit zu messen und multiplizieren Sie mit 0,9 bis die mittlere Geschwindigkeit zu bekommen. Wenn Tiefe 10-75 cm, Messen Sie Geschwindigkeit auf 0,6 der Tiefe zu bestimmen, die mittlere Geschwindigkeit 15. Für Tiefen von mehr als 75 cm, Messen von Geschwindigkeiten in drei tiefen (0,2 0,6 und 0,8 für die Tiefe von der Wasseroberfläche) und Durchschnitt sie 15.
    2. Die Entlastung eines Segments mit der Durchschnittsgeschwindigkeit, Breite und Tiefe des Segments zu berechnen und die Summe der Einleitungen aus allen Segmenten um eine Tiefentladung zu erhalten.
    3. Das Verfahren für die Bereiche fließt für niedrige, mittlere und hohe Ströme folgen.
    4. Bestimmen Sie die Beziehung zwischen der Bühne (z.B. Tiefe des Flusses, die zum Zeitpunkt der Messung manuelle Entlastung durch den Drucksensor gemessen) und die gemessene Entladungen.
      Hinweis: Wenn die Entladung zur Messung der Geschwindigkeit manuell zu hoch ist, einen temporären Bereich-Geschwindigkeitssensor einsetzbar machen eine Beziehung zwischen der Entlastung durch die Gegend-Geschwindigkeitssensor gemessen und durch den PT-Sensor gemessenen Tiefe.
  3. Wasser Qualität-Multiparameter Sonde
    1. montieren Sie die Sonde auf der Telspar-Post mit einem Stahldraht, Beschläge und Karabiner für Sonde Sicherheit und einfache Montage und Demontage ( Abbildung 1). Legen Sie die Sonde auf der downstream-Seite der Telspar Post zu Schäden durch Fremdkörper oder Holz Protokolle zu verhindern, das Schwimmen mit dem Strom-Wasser, vor allem bei Hochwasser kommen kann. Legen Sie den Boden der Sonde mindestens 1-10 cm über dem Bachbett zur Senkung der Wahrscheinlichkeit von Sedimentanhäufung auf die Sonde.
      Hinweis: Die Sonde sollte immer in das Wasser getaucht werden. In einem Strom mit unterschiedlichen Strömungen sollte die Sonde hoch genug, um den Aufbau des Sediments auf die Sonde zu reduzieren und niedrig genug, um zu verhindern, dass die Sonde immer Luft ausgesetzt daher. Jedoch für einen Kanal mit weniger variablem Durchfluss der Sonde kann werden so platziert, dass die Sensoren ca. 10 cm unter der Wasseroberfläche sind.
      Hinweis: Wenn die Sonde einen Tiefensensor hat, die Höhe des Tiefensensors von der Gerinnesohle sollte gemessen werden Konto für die Tiefe der Einbau des Tiefensensors über die Gewässersohle.
    2. Macht die Sonde mit internen Batterien und/oder externe Batterien. Verwenden Sie eine tragbare Batteriebox externe Batterie und eine Kommunikationskabel zum Anschluss an die Sonde. Programmieren der Sonde zur Datenerhebung alle 15 min und laden Sie die Daten direkt an den Computer mithilfe des Kommunikationskabels.
  4. Autosampler
    1. einem Autosampler in Wetter-Schutz-Gehäuse an der Spitze der Stream Bank auf stabilen Boden zu installieren. Macht den Autosampler mit einer Blei-Säure-Batterie. Eine 20-W Solar-Panel zum Aufladen der Batterie vor Ort installieren.
    2. Sichern ein Sieb Rohr unter Wasser mit Telspar Post oder L-Bracket und verbinden Sie es mit den Autosampler mit einem Schlauch.
      Hinweis: Der Autosampler zieht Wasser aus dem Datenstrom über das Sieb und Schlauch.
      Hinweis: Die Positionierung der Schmutzfänger Pipe ist wichtig um repräsentative Daten zu erhalten. In diesem Protokoll war es positioniert, vorausgesetzt keine Cross-sectional Variabilität.
    3. Programm den Autosampler zu Probenwasser wöchentlich oder nach Bedarf. Finden Sie im Autosampler-Handbuch des Herstellers.
      Hinweis: Der Autosampler zu Probenwasser basierend auf Niederschlag, Flow, Zeit oder einer Kombination programmierbar. Der Sampler kann programmiert werden, probieren Sie eine Probe in vielen Flaschen, viele Proben in einer Flasche (Composite) oder eine Kombination.
      Hinweis: Der Autosampler sammelt eine Volumen von Wasser (2.000 mL) für die Analyse der zusätzliche Parameter im Labor notwendig. Neben der kontinuierlichen Überwachung der Wasserqualität mit der Sonde, Proben werden analysiert, auf einer wöchentlichen Basis für abgehängte Sedimentkonzentration.

5. Sensor und Sonde Wartung

  1. sauberen Bereich-Geschwindigkeitssensor bei jedem Besuch die Trümmer auf oder nahe der Sensorflächen reduzieren.
  2. Häufig die Sensoren auf der Sonde kalibrieren.
    Hinweis: Frequenz ist abhängig von der Saison, Hydrologie, Wasserscheide, Sensortyp und Rate von Bewuchs. In den Einzugsgebieten hier gewählt, war Kalibrierung alle 2 Wochen erforderlich, um qualitativ hochwertige Daten zu sammeln.
  3. Ersetzen Verschleißteile, wie vom Hersteller empfohlen.
    Hinweis: Dazu gehören eine pH-Elektrode/Referenzkappe, eine Kappe (Membran) für den DO-Sensor, Ion-Tip Sensoren (Nitrat und Ammonium), und eine umlaufende Abstreifer und Pinsel.
  4. Der Sonde zur Fabrik Reparatur zu senden, falls erforderlich (d.h., wenn der Sensor auch nach dem Zurücksetzen und Neukalibrierung nicht zulässige Werte für die Standards liest oder die Sensoren kalibrieren ausfallen).

6. Feld-Probenahme und Laboranalyse

  1. Vorbereitung im Voraus für die Exkursion zu die Sensoren zu pflegen und automatisch gesammelte Wasserproben oder manuell Probe und sammle Wasserproben zu sammeln, wenn einem Autosampler am Standort nicht verfügbar ist. Achten Sie darauf, die in der Checkliste (Tabelle 1) aufgeführten Elemente enthalten.
  2. Sammeln die Wasserproben in einem sauberen (d. h. Säure gewaschen und gespült) und Glas (10 L) zu trocknen, beschriften und transportieren sie auf dem Eis so schnell wie möglich ins Labor Analyse.
    Hinweis: Die gesammelten Wasserprobe ist eine repräsentative Stichprobe unter realen Bedingungen zum Zeitpunkt der Probenahme und an den bestimmten Ort; die Integrität der gesammelten Probe sollte vor Verschmutzung bewahrt werden und physikalischen, chemischen und biologischen Veränderungen 12.
    Hinweis: Das Behältermaterial erforderlich möglicherweise für einige Analyten von Interesse, Versauerung und/oder Filtration vor Ort verlangt werden kann.
  3. Analysieren colausgewählt Wasser Proben im Labor mit Standardmethoden, bevor die genehmigten Betrieb 16 Mal.
    Hinweis: Wasserproben können mit EPA 353.2 analysiert werden; 4500-NO3 für Nitrat, EPA 353.2; 4500-NO2 für Nitrit, EPA 365.1; 4500-PI für Phosphat, EPA 350.1; 4500-PJ für Gesamtstickstoff, EPA 365.4; 4500-PJ für Phosphor, 2540-D für insgesamt Schwebstoffe, 2540-C für total gelöste Feststoffe und D 3977-97 für die suspendierten Sediment Konzentration 16 , 17.
  4. Folgen die angemessene Qualitätskontrolle und Prüfungen, wie z. B. Leerzeichen, Normen, Wiederholungen, etc., während der Analyse. Folgen Sie dem Projekt Qualitätssicherungsplan (QAPP).
  5. Füllen Sie die Kette der Gewahrsam Blätter der Probensammler und das Laborpersonal und behalten Sie eine Kopie von jedem. Beachten Sie jede ungewöhnliche oder bemerkenswerte Ereignisse beobachtet im Feld auf die Kette der Gewahrsam Blätter.

7. Datenerfassung und Analyse

  1. sammeln Wasser qualitative und quantitative Daten aus den Sonden, Flow-Modul und Labor.
  2. Speichern Sie eine Kopie aller Rohdaten vor dem arbeiten mit der Datenkorrektur und Analyse.
  3. Sorgfältig überprüfen die gesammelten Daten auf Trübung und entfernen Sie alle Null (z. B. 0.0 NTU), NAN oder unzumutbare Werte (z. B. 3.000 NTU; Obergrenze der Erkennung des Sensors) vor weiteren Analyse.
    Hinweis: Vorsicht sollte ausgeübt werden, wenn keine Daten zu entfernen. Sie werden nur entfernt, wenn standortspezifische Bedingungen im Feld Bemerkungen zu identifizieren und feststellen, dass die Daten nicht zumutbar sind.
  4. Verwenden Sie die Bühne-Entlastung-Beziehung, um die Entlastung von den PT-Sensor zu berechnen.
    Hinweis: Die Tiefe gemessen an den PT-Sensor muss Druck kompensiert werden.
    1. Verwendung des Herstellers (In Situ Inc.) Software, " Baromerge, ", PT-Sensor-Daten nach dem korrigieren.
      Hinweis: Die Daten können durch einen festen Luftdruckwert durch viele Luftdruck Werte manuell eingeben und automatisch mit einer BaroTroll-Log-Datei korrigiert werden. Dieses Protokoll verwendet eine BaroTroll-Log-Datei auf einem nahe gelegenen bereitgestellt um den PT-Sensor-Daten automatisch zu korrigieren.
  5. Für Bereich-Geschwindigkeitsdaten Sensor entfernen negativen Strom, der Sensor Artefakt sein könnte.
    Achtung: Manchmal es könnte tatsächlich sein negativer Flow, je nach Standort. In diesem Fall ignorieren Sie nicht die negativen Geschwindigkeit.
  6. Fehlende Entlastung Daten über eine lineare Regression zwischen vor- oder nachgelagerten Entlastung und die Entlastung an der Station berechnen.
    Hinweis: Die Beziehung sollte sein statistisch signifikant, was normalerweise der Fall zwischen Entlastung für alle vor- und nachgelagerten Stationen ist. In den Einzugsgebieten hier getestet, die Beziehung war signifikant (p < 0,01) und der Korrelationskoeffizient war mehr als 93 %. Jedoch die fehlende Entlastung Daten können nur ausgefüllt werden mit dieser Methode, wenn der Abstand zwischen den Standorten kurz ist und die Wasserscheide Merkmale ähnlich bleiben.
  7. Füllen Sie nicht fehlende Daten zur Wasserqualität.
    Hinweis: Daten zur Wasserqualität viele Variablen (d.h., Timing und Anwendung von Dünger, ob die Entlastung zu- oder abnimmt, spezifischen Standortbedingungen, etc.) betroffen sind.
  8. Durchführen eine Regressionsanalyse zwischen der suspendierten Sedimentkonzentration (SSC) aus der Laborergebnisse und die Trübung (NTU) gemessen am Bach.
    Hinweis: Solche eine Regression ist empfindlich auf Sediment Größenverteilung, so dass Sand einen signifikanten, aber Variable Bruchteil des SSC dar, die Regression Arm sein. Jedoch kann verbessert werden, wenn Sand und Geldbußen bei Probenanalyse getrennt sind und die Geldstrafen an das SSC korreliert sind. Verwenden Sie die Regression, um kontinuierliche SSC-Werte zu berechnen.
  9. Da Schadstoffkonzentrationen mit Entlastung, variieren berechnen fließen gewichtet Konzentrationen mit Formel-1- 6. Die Fluss-gewichtete mittlere Konzentrationen (FWMC) auf einer täglichen Basis mit stündlichen Daten zu berechnen. Alternativ berechnen Sie es auf Stundenbasis mit 15-min-Daten; die FWMCs sind ebenso Zeit integriert.
    figure-protocol-1
    wo
    FWMC = Fluss-gewichtete mittlere Konzentration auf einer täglichen Basis
    c ich = Konzentration von i th Probe
    t ich Zeit, 1 h =
    q ich = Entlastung für ich th Probe
    ich = 1 bis 24
  10. gelten entsprechende statistische Techniken, um die Daten-Ziele zu erreichen. Wenn die Daten nicht Normal sind, verwandeln Sie die Daten, um normal zu machen oder die mittlere ± Interquartilbereich verwenden. Nicht-parametrische Tests durchführen, für nicht-normale Daten.

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Ergebnisse

In der Aryal und Reba (2017) Publikation wurde dieses Protokoll verwendet, um den Transport und die Umwandlung der Nährstoffe und Sediment in zwei kleinen landwirtschaftlichen Wasserscheiden6zu studieren. Weitere Ergebnisse aus diesem Protokoll werden nachfolgend beschrieben.

Niederschlag-Abfluss-Wasser-Qualität-Beziehungen:

Die Stärke einer kontin...

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Diskussion

Insgesamt hat die kontinuierliche Überwachung von Nährstoffen und Sediment mehrere Vorteile gegenüber monitoring mittels Greifer-Sampling-Methode. Hydrologische und Wasser Qualitätsprozesse sind in einer sehr kurzen Zeitspanne von Regenfällen betroffen. Benutzer erhalten hohe zeitliche Auflösung Daten über Nährstoffe und Sediment, komplexe Probleme zu studieren. Andere Wasser Qualitätsparameter, wie Leitfähigkeit, pH-Wert, Temperatur und, erhalten Sie gleichzeitig und zu den gleichen Kosten für die Überwachung, Nitrat, A...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

Die Forschung wurde durch Finanzierung von Erhaltung Effekte Bewertung Projekt (CEAP) möglich. Wir sind besonders dankbar für Website-Zugriffsberechtigung von den Herstellern Forschung Unterstützung von Mitgliedern des USDA-ARS-Delta Wasser Management Research Unit und Analyse von Proben von den Mitarbeitern der Ökotoxikologie Forschungseinrichtung, Arkansas State University. Teil dieser Forschung wurde durch eine Anstellung an der ARS-Beteiligungsprogramm, verwaltet vom Oak Ridge Institut für Wissenschaft und Bildung (ORISE) durch eine interinstitutionelle Vereinbarung zwischen dem US-Department of Energy und der USDA unterstützt. ORISE wird von ORAU unter DOE Vertragsnummer DE-AC05-06OR23100. Alle Meinungen in diesem Papier sind des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Politik und die Aussicht auf USDA, ARS, DOE oder ORAU/ORISE.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Die MultiparametersondeHach HydrolabDS5Xmisst Temperatur, pH-Wert, Leitfähigkeit, gelösten Sauerstoff, Nitrat, Ammonium, Trübung
Strömungsmodul und der Sensor der FlächengeschwindigkeitTeledyne Isco2150misst die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit und -tiefe und berechnet die Durchflussrate und den Gesamtdurchfluss auf der Grundlage der bereitgestellten Querschnittsfläche des Grabens. Die gespeicherten Daten können direkt auf den Computer heruntergeladen werden.
Der automatische tragbare WasserschöpferTeledyne Isco ISCO6712nimmt automatisch Wasserproben im eingestellten Intervall oder in Verbindung mit dem Durchflussmodul und dem Sensor
DruckmessumformerIn-situRugged Troll 100misst Druck, Füllstand und Temperatur im Wasser. Gespeicherte Daten können direkt auf den Computer heruntergeladen werden
Tragbarer DurchflussmesserFlo-mate (Hach)Marsh-McBirney 2000Für die manuelle Entladungsmessung
Batterie, 12 V, wiederaufladbarUPGUB 1270Zur Stromversorgung
der Sonde Batterie, 12 V, wiederaufladbareInterstate-BatterienSRM 27Blei-Säure-Batterie zur Stromversorgung des Autosamplers
SolarpanelAlt EALT20-12PZum Aufladen der Batterie vor Ort
C-8-Batterien
KalibrierstandardsHach oder Fisher ScientificmehrereStandards für pH (4,7,10), Leitfähigkeit (1412 uS/cm), Nitrat (5 und 50 mg/L), Ammonium (5 und 50 mg/L) und Trübung (50,100,200 NTU)
Standard für hohe NitrateHach013810HY50 mg/L
Standard für niedrige NitrateHach013800HY5 mg/L
Hoher AmmoniumstandardHach002588HY50 mg/L
Niedriger AmmoniumstandardHach002587HY5 mg/L
TrübungsstandardFisher scientificR8819050-500G50 NTU
TrübungsstandardFisher scientific88-061-6100 NTU
TrübungsstandardFisher scientificR8819200500 C200 NTU
Kaliumchlorid-SalzpelletsHach005376HYzur Aufrechterhaltung des Elektrolyten für die pH-Elektrode
Kaliumchlorid-StandardFisher scientific5890-161412 us/cm
Pufferlösung, pH 4Fisher scientificSB99-1für die Kalibrierung von pH-Sensoren
Pufferlösung, pH 7Fisher scientificSB108-1für die Kalibrierung von pH-Sensoren
Pufferlösung, pH 10Fisher scientificSB116-1für die Kalibrierung von pH-Sensoren
SilikondichtstoffHach00298HYZum Abdichten der Sensorbatterieabdeckung wasserdicht
AllzweckreinigerSunshine Makers IncEinfache grüne
TücherKimberly-Clark
L-Halterung
Telsbar PostUnistrut Service CompanySensoren und Sonden im Strom sichern
StahldrahtStützsonde und PT-Sensor
KarabinerStoßsonde und PT-Sensor
Inbusschlüssel
KupferdrahtgeflechtB GoneNagetier- und Vogelbekämpfung Kupfernetzrolle
KlebebandAgri Drain CorporationFliesenklebeband, funktioniert bei nassem und kaltem Wetter
Das Vogel

Referenzen

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