Kontinuierliche Instream Überwachung von Nährstoffen und Sediment in landwirtschaftlichen Wasserscheiden

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Wasserqualität von landwirtschaftlichen Wassereinzugsgebieten in situ in einem gewählten Zeitintervall mit hoher zeitlicher Auflösung genau zu messen. Diese Methode kann dazu beitragen, zentrale Fragen im Bereich der Wasserressourcen zu räumlichen und zeitlichen Variationen der Schadstofffrachten, ihren Treibern sowie hydrologischen Prozessen und Wasserqualitätsprozessen zu beantworten. Der Hauptvorteil dieses Protokolls besteht darin, dass Benutzer Daten mit hoher zeitlicher Auflösung über Nährstoffe und Sedimente erhalten können, um komplexe Umweltprobleme zu untersuchen.

Genaue und zeitnahe Informationen zur Wasserqualität sind eine Voraussetzung, um fundierte Entscheidungen im Wassermanagement zu treffen, da die Verschmutzung durch nicht punktuelle Quellen durch die Eigenschaften der Wassereinzugsgebiete sowie den Zeitpunkt und die Intensität der Niederschläge beeinflusst wird. Obwohl diese Methode Einblicke in landwirtschaftliche Wassereinzugsgebiete geben kann, kann sie auch auf andere Arten und Größen von Wassereinzugsgebieten angewendet werden, z. B. städtische, bewaldete und von Minen betroffene Wassereinzugsgebiete. Reinigen Sie zunächst die Oberflächen des Sondensensors gründlich mit weichen Bürsten, Pads und Seife oder Allzweck-Reinigungslösung.

Spülen Sie die Sensoren mit entionisiertem Wasser. Entfernen und reinigen Sie den Abstreifer des Trübungssensors und die Reinigungsbürste des Sensors. Schrauben Sie dann die Kappe von der PTFE-Referenzstelle des pH-Sensors ab.

Entsorgen Sie die Elektrolytlösung. Geben Sie ein Kaliumchlorid-Salzpellet in den Sensor und füllen Sie den Sensor mit frischer Elektrolytlösung. Schrauben Sie die Kappe der Referenzstelle luftdicht ab und spülen Sie die verdrängte Elektrolytlösung ab.

Hängen Sie die Sonde 20 bis 30 Zentimeter über der Arbeitsfläche mit Stahldraht und einem Karabiner auf. Schließen Sie die Sonde an den Steuercomputer an. Starten Sie die Software und wählen Sie die zu kalibrierende Sonde aus.

Legen Sie auf der Registerkarte Parameter Setup die Anzahl der Standards fest, die für jede Kalibrierung verwendet werden sollen. Spülen Sie den Sensor vor der Kalibrierung jedes Sensors gründlich mit entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie den Sensor mit Labortüchern. Um mit der Kalibrierung des Leitfähigkeitssensors zu beginnen, stellen Sie zunächst sicher, dass die ovale Sensoroberfläche vollständig trocken ist.

Wählen Sie auf der Registerkarte Kalibrierung die Option Spezifischer Leitwert und Mikrosiemens pro Zentimeter aus. Stellen Sie den Trockensensor auf Null. Tauchen Sie den Sensor dann in das entsprechende Kalibriernormal ein.

Sobald sich der Messwert stabilisiert hat, stellen Sie den Sensor auf 1.412 Mikrosiemens pro Zentimeter ein. Spülen Sie den kalibrierten Sensor mit entionisiertem Wasser ab. Tauchen Sie anschließend den pH-Sensor in eine pH-7-Standardlösung.

Wählen Sie die Registerkarte pH-Wert, warten Sie, bis sich der Messwert stabilisiert hat, und stellen Sie den Sensor auf 7,0 ein. Spülen und trocknen Sie den Sensor gründlich und wiederholen Sie den Vorgang mit einer pH-10-Lösung. Spülen Sie den pH-Sensor aus und überprüfen Sie den Messwert in pH 4-Standardlösung, um sicherzustellen, dass die Kalibrierkurve linear ist.

Spülen Sie dann die restliche Standardlösung mit entionisiertem Wasser vom Sensor ab. Füllen Sie als Nächstes den Sondenkalibrierbecher mit temperaturstabilisiertem, luftgesättigtem, entionisiertem Wasser und setzen Sie den Becher auf die Sonde ein. Drehen Sie die Sonde um, um sicherzustellen, dass die Sensoren für Temperatur und gelösten Sauerstoff vom Wasser bedeckt sind.

Wählen Sie LDO in Prozent Sättigung aus, warten Sie, bis sich der Messwert stabilisiert hat, und stellen Sie den Luftdruck auf den lokalen Druck in Millimeter Quecksilbersäule ein. Richten Sie dann die Sonde nach rechts und entfernen Sie den Kalibrierbecher. Geben Sie frisches, entionisiertes Wasser in den Kalibrierbecher, achten Sie darauf, dass sich keine Luftblasen bilden, und setzen Sie den Kalibrierbecher auf die Sonde auf.

Wählen Sie Trübung in NTU aus. Sobald sich der Messwert stabilisiert hat, stellen Sie die Trübung für den ersten Kalibrierungspunkt auf 0,6 NTU ein. Wiederholen Sie diesen Vorgang für die drei Trübungsstandards, um die verbleibenden Kalibrierpunkte festzulegen, spülen Sie dann die Sensoren aus und trocknen Sie sie.

Füllen Sie dann den Kalibrierbecher zu drei Vierteln mit einer Nitrat-Standardlösung von 50 Milligramm pro Liter und setzen Sie den Becher auf die Sonde. Drehen Sie die Sonde so um, dass die Temperatur- und Nitratsensoren abgedeckt sind. Wählen Sie Nitrat in Milligramm pro Liter Stickstoff aus.

Sobald sich die Messwerte stabilisiert haben, notieren Sie die Temperatur in Spannung. Legen Sie den ersten Kalibrierungspunkt auf 46.2 fest. Spülen Sie die Sensoren gründlich mit entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie die Sensoren mit Labortüchern.

Wiederholen Sie den Vorgang mit der Nitrat-Standardlösung von fünf Milligramm pro Liter für den zweiten Kalibrierpunkt. Stellen Sie sicher, dass die Spannungsdifferenz zwischen 50 und 65 Millivolt liegt und dass die Temperaturdifferenz fünf Grad Fahrenheit nicht überschreitet. Kalibrieren Sie den Ammoniumsensor auf die gleiche Weise.

Sobald die Kalibrierung abgeschlossen ist, setzen Sie den sauberen Wischer und die Bürste wieder ein. Wählen Sie in der Software SelfClean und kalibrieren Sie den Wischer und die Bürste mit einer Umdrehung. Synchronisieren Sie die Sondenuhr, und löschen Sie die älteste Sondenprotokolldatei.

Erstellen Sie eine neue Protokolldatei und wählen Sie die gewünschten Parameter aus, die gemessen werden sollen. Geben Sie die Überwachungsdauer und das Überwachungsintervall ein, und speichern Sie dann die Protokolldatei. Überprüfen Sie vor dem Einbau der Sonde die Sondenbatterie und tauschen Sie sie gegebenenfalls aus.

Wickeln Sie die Sondenoberflächen mit Allwetterklebeband ein. Und decken Sie den Sensorschutz mit Kupferband oder -netz ab, um die Reinigung zu vereinfachen und das Wachstum von Mikroorganismen zu reduzieren. Um mit der Installation zu beginnen, fahren Sie ein teleskopierbares Vierkant-Montagerohr am Thalweg des zu überwachenden Baches ein.

Montieren Sie einen Flächengeschwindigkeitssensor mit einer Stahlplatte und einer L-Halterung sicher am Rohr, so dass die Sensorspitze entlang der Durchflussleitungen stromaufwärts zeigt. Wenn kein Bereich für einen Geschwindigkeitssensor verfügbar ist, installieren Sie einen Druckmessumformer im Teleskoppfosten, wobei die Sensorspitze nur das Bachbett berührt. Stellen Sie den Druckmessumformer so ein, dass er alle 15 Minuten die Wassertiefe misst.

Verwenden Sie die Messwerte des Druckmessumformers und die Messungen des tragbaren Durchflussmessers, um eine Stufenentladungskurve über einen Bereich von Durchflüssen zu erstellen. Als nächstes montieren Sie die Sonde mit Aderendhülsen und einem Karabiner an der stromabgewandten Seite des Teleskoppfostens, wobei sich die Unterseite der Sonde mindestens einen bis 10 Zentimeter über dem Bachbett befindet. Stellen Sie sicher, dass die Sonde immer in Wasser getaucht ist.

Schließen Sie die Sonde bei Bedarf an eine externe Stromquelle an. Positionieren Sie dann einen Autosampler in einem Wetterschutzgehäuse, das auf stabilem, ebenem Boden am oberen Ende des Bachufers installiert ist. Befestigen Sie dann ein Siebrohr unter Wasser auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Teleskoppfostens.

Verbinden Sie das Siebrohr mit einem Schlauch mit dem Autosampler. Stellen Sie das gewünschte Sampling-Intervall ein und starten Sie den Autosampler. Reinigen und kalibrieren Sie die Sonde in Intervallen, die den Strömungsbedingungen entsprechen.

Laden Sie die erfassten Daten regelmäßig herunter, sammeln Sie Wasserproben und ersetzen Sie die Sammelgläser durch saubere, getrocknete 10-Liter-Gläser. Transportieren Sie die Proben zur weiteren Analyse auf Eis ins Labor. Untersuchen Sie die Daten auf Lücken, Drift oder unregelmäßige Messungen, die darauf hinweisen, dass eine Wartung erforderlich ist.

Die aufgezeichneten Wasserqualitätsdaten werden mit den Niederschlagsdaten lokaler Wetterstationen verglichen. Jedes Regenereignis führte zu einem erhöhten Abfluss. Die mehrfachen lokalen Abflussspitzen innerhalb der beiden Hauptspitzen wurden auf die räumliche Variabilität der Niederschläge und die Entwässerungsmuster der Reis- und Sojabohnenfelder zurückgeführt, die zum Abfluss beitrugen.

Auch die Trübungen nahmen mit dem Ausfluss zu. Die höchste Trübungen wurden in Perioden zunehmender Entladung auf der Ganglinie beobachtet. Die Nitratkonzentration stieg während der ersten Spülungen an, was darauf hindeutet, dass kürzlich ausgebrachter löslicher Stickstoff von den Feldern gewaschen worden war.

Geringe Ammoniumanstiege während der ersten Spülungen wurden ebenfalls beobachtet. Es wurde eine umgekehrte Beziehung zwischen Leitfähigkeit und Abfluss beobachtet, was darauf hindeutet, dass Nitrat und Ammonium nicht wesentlich zur Leitfähigkeit des Wassers beitragen. Die verminderte Leitfähigkeit wurde auf die Verdünnung durch Regenwasser zurückgeführt.

Schadstofffrachten schwankten im Laufe der Zeit, wobei die Belastungen im Frühsommer und Spätherbst am höchsten waren. Die geringe Schadstoffbelastung im September und Oktober wurde auf einen insgesamt geringen Durchfluss zurückgeführt. Hohe Regenfälle auf zuletzt gestörten Feldern im November und Dezember schlugen sich in höheren und variableren Schadstofffrachten nieder.

Auch die Schadstofffracht schwankte, je weiter das Wasser flussabwärts floss. Biofouling und Sedimentansammlung in der Sonde und den umgebenden Sensoren sind wirklich die größte Herausforderung in den landwirtschaftlichen Wassereinzugsgebieten, vor allem aufgrund der hohen Sedimentfrachten und Nährstoffgehalte. Vor allem nach großen Niederschlagsereignissen.

Die korrekte Positionierung von Sensor und Sonde mit einer externen Batterie, das Umwickeln der Sonde mit Kupfernetz, das häufige Herunterladen der Daten, das häufige Reinigen der Sonden- und Sensoroberflächen am Standort und die regelmäßige Kalibrierung der Sonde im Labor sind wichtig, um Daten mit hoher Wasserqualität zu erhalten. Die Datenqualität kann durch einen Stromausfall der Sonde oder durch Biofouling und Sedimentansammlung auf der Sonde beeinträchtigt werden. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, einen Projektplan für die Qualitätssicherung zu erstellen und zu befolgen.

Vergessen Sie nicht, dass die Feldarbeit Sicherheitsbedenken wie Überschwemmungen, Schlangen, schlechtes Wetter und Blitzschlag mit sich bringen kann. Achten Sie darauf, einen Sicherheits-, Gesundheits- und Sozialplan zu erstellen, der Sicherheitsbedenken und Notfallvorsorge identifiziert. Diese sollten erdacht und befolgt werden.

Sobald dieses Verfahren beherrscht wird, kann es gute kontinuierliche In-situ-Wasserqualitätsdaten liefern, die für Entscheidungen zum Wasserressourcenmanagement in landwirtschaftlichen und anderen Wassereinzugsgebieten erforderlich sind.