Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.

Artículo de método

Caudal continuo monitoreo de nutrientes y sedimentos en las cuencas agrícolas

10.4K visualizaciones

⸱

DOI:

10.3791/56036

⸱

26 de septiembre de 2017

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

En este artículo

Resumen

Con el avance de la tecnología y el aumento de las expectativas del usuario final, la necesidad y uso de datos de resolución temporal más alta para la estimación de la carga de contaminantes ha aumentado. Este protocolo describe un método para continua en situ agua monitoreo de la calidad para obtener mayores datos de resolución temporal para agua informado las decisiones de gestión de recursos.

Resumen

Las concentraciones de contaminantes y cargas en cuencas varían considerablemente con el tiempo y el espacio. Información precisa y oportuna sobre la magnitud de los contaminantes en los recursos hídricos es un prerrequisito para la comprensión de los conductores de las cargas contaminantes y para hacer agua informada decisiones de gestión de recursos. El método comúnmente utilizado para "tomar muestras" proporciona las concentraciones de contaminantes en el momento de muestreo (es decir, una concentración instantánea) y puede debajo- o overpredict las concentraciones de contaminantes y cargas. Monitoreo continuo de nutrientes y sedimentos ha recibido recientemente más atención debido a los avances en informática, tecnología de detección, dispositivos de almacenamiento. Este protocolo muestra el uso de sensores, sondas e instrumental para monitorear en situ nitratos, amonio, turbidez, pH, conductividad, temperatura y oxígeno disuelto (OD) y para calcular las cargas de dos arroyos (zanjas) en dos cuencas agrícolas. Con la calibración adecuada, mantenimiento y operación de sensores y sondas, pueden obtenerse datos de calidad de agua buena por superar condiciones difíciles tales como la acumulación de suciedad y escombros. El método también puede utilizado en las cuencas de varios tamaños y caracterizado por terrenos agrícolas, forestales o urbanas.

Introducción

Monitoreo de la calidad del agua proporciona información sobre las concentraciones de contaminantes en diferentes escalas espaciales, dependiendo del tamaño del área que contribuyen, que puede ir desde un campo o una parcela hasta una cuenca. Este control tiene lugar durante un período de tiempo, como un solo evento, un día, una temporada o un año. La información de monitoreo de calidad del agua, principalmente relativos a los nutrientes (por ejemplo, nitrógeno y fósforo) y el sedimento, puede utilizarse para: 1) entender los procesos hidrológicos y el transporte y la transformación de contaminantes en corrientes, tales como zanjas de drenaje agrícola; 2) evaluar la eficiencia de las prácticas de gestión aplicada a la cuenca para reducir la carga de nutrientes y sedimentos y a aumentar la calidad del agua; 3) evaluar la entrega de los sedimentos y nutrientes a las aguas río abajo; y 4) mejorar el modelado de nutrientes y sedimentos para entender el hidrológico y procesos de calidad que determinan el transporte de contaminantes y dinámica sobre la gama de escalas temporales y espaciales del agua.

Esta información es crucial para la restauración de ecosistemas acuáticos, planificación sostenible y la gestión de los recursos de agua1.

El más de uso general método de nutrientes y control de sedimentos en una cuenca hidrográfica es muestra del gancho agarrador. Gancho agarrador muestreo representa exactamente una concentración instantánea en el momento de muestreo2. También puede representar a una variación de las concentraciones de contaminantes con el tiempo si se realiza el muestreo frecuente. Sin embargo, el muestreo frecuente es tiempo intensivo y costoso, a menudo haciéndolo práctico2. Además, puede agarrar muestreo bajo- o sobreestimar las concentraciones de contaminante real fuera el tiempo de muestreo2,3,4. En consecuencia, calculadas tales concentraciones de cargas pueden no ser precisas.

Por otra parte, monitoreo continuo proporciona información precisa y oportuna sobre la calidad del agua en un intervalo de tiempo predeterminado, como un minuto, una hora o un día. Los usuarios pueden seleccionar los intervalos de tiempo apropiados en función de sus necesidades. Monitoreo continuo permite a los investigadores, planificadores y gerentes optimizar la recogida de la muestra; desarrollar y monitorear métricas integrado de tiempo, tales como cargas diarias máximas totales (TMDLs); evaluar el uso recreativo de lo cuerpo de agua; evaluar las condiciones de corriente de línea de base; y espacial y temporal evaluar la variación de contaminantes para determinar relaciones de causa-efecto y desarrollar un plan de manejo5,6. Monitoreo continuo de nutrientes y sedimentos ha recibido recientemente mayor atención debido a los avances en tecnología informática y el sensor, la capacidad mejorada de dispositivos de almacenamiento y las crecientes necesidades de datos necesarias para el estudio de procesos más complejos 1 , 5 , 7. en una encuesta global de más de 700 profesionales del agua, el uso de sondas multiparámetro de aumentó del 26% al 61% de 2002 a 2012 y se espera que alcance el 66% por 20225. En la misma encuesta, el 72% de los encuestados indicó la necesidad de la expansión de su red de vigilancia para conocer sus datos necesita5. Se espera que el número de estaciones en una red de monitoreo y el número de variables monitoreadas por estación en 2012 aumentar en 53% y 64%, respectivamente, en 20225.

Sin embargo, continua calidad y cantidad de monitoreo en cuencas agrícolas es un reto. Eventos de lluvia grandes lavan sedimento y macrófitas, contribuyendo a la acumulación de carga y residuos de sedimentos alta en los sensores y sondas. El escurrimiento del exceso de nitrógeno y el fósforo aplicado a campos agrícolas crea condiciones ideales para el crecimiento de organismos microscópicos y macroscópicos y el sucio de instream sensores y sondas, especialmente durante el verano. La acumulación de suciedad y sedimentos puede causar sensores fallan, deriva y producir datos poco fiables. A pesar de estos desafíos, más datos de resolución temporal (como baja según minutos) están obligados a estudiar los procesos de escorrentía y contaminación no puntual, como se ven afectados por las características de la cuenca (por ejemplo, tamaño, suelo, pendiente, etcetera. ) y el tiempo y la intensidad de lluvia7. Observación cuidadosa del campo, calibración frecuente, correcta limpieza y mantenimiento pueden asegurar datos de calidad de los sensores y sondas, incluso en el tiempo de resolución más fina.

Aquí, discutimos un método para la en situ continua monitoreo de dos cuencas agrícolas utilizando sondas de calidad de agua del multiparámetro, área de velocidad y sensores del transductor de presión y muestreadores automáticos; su calibración y mantenimiento de campo; y procesamiento de datos. El protocolo muestra una forma en que puede realizarse el monitoreo de la calidad del agua. El protocolo es generalmente aplicable a agua continua calidad y cantidad de monitoreo en cualquier tipo o tamaño de cuenca.

El protocolo se llevó a cabo en Arkansas nordestal en pequeñas zanjas cuenca (HUC 080202040803, área de 53,4 km2 ) y Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, área de2 km 23,4). Estas dos cuencas drenan en afluentes del río de Mississippi. Una necesidad de control de afluentes del río de Mississippi fue identificada por el Comité de conservación menor de Río de Mississippi y el Golfo de México hipoxia de tareas para desarrollar un plan de manejo de cuencas hidrográficas y para registrar el progreso de las actividades de gestión 8 , 9. por otra parte, estas cuencas se caracterizan como foco las cuencas hidrográficas por el servicio de conservación de recursos de naturales del Departamento de agricultura de Estados Unidos (USDA-NRCS), basadas en el potencial para reducir la contaminación de nutrientes y sedimento y para mejorar la calidad de agua10. Borde de campo supervisión lleva a cabo en estas cuencas como parte de la estatal de red de río Mississippi Cuenca Cuenca saludable iniciativa (MRBI)11. Más detalles de las cuencas hidrográficas (es decir, lugares del sitio, características de la cuenca, etc.) son proporcionados en Aryal y Reba (2017)6. En Resumen, la cuenca zanjas poco predominante tiene suelos de Marga de cieno, y algodón y la soja son los cultivos principales, mientras que Lower St. Francis Basin tiene predominante arcillosa Sharkey, y arroz y la soja son los cultivos principales. En cada cuenca, en situ continua agua cantidad y calidad (es decir, alta temperatura, pH,, turbidez, conductividad, nitrato y amonio) se llevó a cabo en tres estaciones en la corriente principal usando este protocolo para entender la variabilidad espacial y temporal en las cargas de contaminantes y los procesos hidrológicos. Además, se colectaron muestras de agua semanal y analizadas para sedimento suspendido concentration.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Protocolo

1. selección del sitio

  1. selección de cuenca
    1. Seleccione o basado en la magnitud del problema de la contaminación, prioridad de la cuenca, proximidad a las instalaciones de investigación, acceso al sitio, y objetivos de los datos.
  2. Localidades de muestreo de flujo
    1. Seleccione secuencia localización de muestreo basados en el propósito del estudio.
      Nota: Ubicaciones de muestreo óptimo están bien mezclados en un corte transversal, con seguridad y fácilmente accesible, geofísico estable (es decir, de sección transversal constante y un banco solidario de la vivienda de la estación del instrumento) y el representante 12 13 , de , 14. Las estaciones no inmediatamente aguas abajo de la confluencia de dos arroyos y en una sección recta del canal, sin una sección de canal convergentes o divergentes, son más homogéneas y representativas 14.
    2. Ubicar hidrológico y mediciones de calidad en una muestra representativa para calcular las cargas de agua.
      Nota: Si identificar la variación espacial de nutrientes y sedimentos en una cuenca hidrográfica, seleccione múltiples estaciones de apuntar posibles fuentes a lo largo de la cuenca a.

2. Instrumento y selección de Sensor

  1. elegir instrumentos y sensores para medir la descarga y la calidad del agua y recoger muestras de agua en el intervalo previsto. Elegir el instrumento y sensores basados en la necesidad de datos, cuencas hidrográficas y recursos disponibles.
    Nota: Sensores Ideal son confiable, precisa, sensible, precisa, bajo costo y adecuadas para el entorno de la corriente y requieren mantenimiento limitado y un mínimo de entrenamiento del campo técnico 13. En una cuenca agrícola, acumulación de suciedad y los residuos son las mayores causas de preocupación. Por consiguiente, se prefieren los sondas equipadas con funciones de autolimpieza y antiincrustantes.
    1. Uso un muestreador automático, sondas, una zona de velocidad sensor, transductor de presión y un medidor de caudal portátil.
      Nota: La sonda debe tener un limpiador para limpiar el sensor de turbidez y un cepillo para limpiar el pH, amonio, nitrato y realizar sensores.
      Nota: El instrumento en este protocolo se refiere a una unidad de muestreo de agua que consta de un muestreador automático, manguera, módulo de filtro o flujo y sensor de velocidad zona.
  2. Parámetros de calidad de agua Seleccione basan en el objetivo de datos, sensor costo y disponibilidad. Medir la temperatura, pH, hace, conductividad, turbidez, amonio y nitrato cada 15 minutos
    Nota: Temperatura, pH, conductividad y hacer son los elegidos de los parámetros más comunes y son medidos en las estaciones de la USGS, mientras que el nitrato de amonio y turbidez son menos comunes pero están ganando popularidad 1 , 14.
    Nota: los objetivos de datos dependen de las características de la cuenca. Por ejemplo, nitrógeno y fósforo de monitoreo pueden ser más importantes en las cuencas agrícolas en comparación con el fósforo de monitoreo en cuencas urbanas.

3. Programación y calibración de sonda

  1. calibrar los sensores de la sonda según recomendaciones del fabricante. Modificar el protocolo de calibración según sea necesario en las condiciones ambientales locales.
    Nota: La frecuencia de la calibración depende del ambiente en el que los sensores están expuestos. Por lo general, cae dentro de 2-4 semanas. Aquí, las sondas se calibran cada 2 semanas durante la temporada de cultivo y cada 3 semanas en el no cultivo de temporada (noviembre a abril).
  2. En el laboratorio, limpiar la sonda antes de calibración. Limpiar la superficie del sensor utilizando cepillos suaves (por ejemplo, cepillos de dientes) y un jabón o limpiador para todo propósito. Retire el limpiador del circulador y cepillo utilizando una llave Allen hexagonal; Limpie el limpiador y el cepillo de.
  3. Mojar el electrolito con el electrodo de referencia de pH, rellenarlo con solución electrolítica fresca y añadir una pelotilla sal de cloruro de potasio para mantener la conductividad de la solución electrolítica. Cierre la tapa para que sea hermético; algunos electrolitos se derrama hacia fuera mientras que la tapa esté siendo bien. Enjuague la sonda con agua desionizada.
  4. Suspender la sonda en un soporte robusto para que la parte inferior de la sonda descanse aproximadamente 20-30 cm por encima de la mesa, lo que permite workability fácil. Conecte la sonda al ordenador mediante un cable de comunicación. Iniciar el fabricante ' software s. Prensa " operar sonda " para entrar en el programa de la sonda.
  5. Establecer el número de estándares de calibración en el " configuración de parámetros " ficha. Calibrar los sensores en el siguiente orden: conductividad, pH,, turbiedad, nitratos y amonio.
    Nota: El orden de la calibración es importante, como el nitrato y el amonio sensores utilizan valores de conductividad y pH.
    Nota: El número de estándares de calibración es 2 para conductividad, 2 o 3 pH, 1 para, 2 o 4 de turbidez, 2 para el nitrato y 2 para amonio.
  6. Lavar el sensor con agua desionizada varias veces y seque la superficie del sensor (es) con toallitas antes de introducir un estándar en el sensor para prevenir la contaminación cruzada.
    : Antes de calibrar cada sensor, nota los valores que el sensor Lee las siguientes normas: hacer, pH 7, turbidez para DI y 50 NTU, nitrato 50 mg/L y amonio para 50 mg/L. Estos valores pueden utilizarse para evaluar si los sensores eran precisos en el campo. Puede también ser prudentemente utilizaron para corregir los valores de campo.
  7. Después de la calibración de cada sensor (pasos 3.8-3.13) para un estándar, " calibración exitosa " aparecerá; si la calibración falla, restablecer el sensor y vuelva a intentarlo. Si el sensor falla todavía, los consumibles pueden necesitar un reemplazo o el sensor necesite reparación de fábrica.
    Nota: El sensor de nitrato o amonio se reajustando ambos sensores.
  8. Calibrar el sensor de conductividad con calibración de 2 puntos; 0 μS/cm para un sensor seco y 1.412 μS/cm para la solución estándar. Elija " SpCond [μS/cm] " en el " calibración " ficha. Secar la parte ovalada del sensor totalmente con toallitas. Entrar en " 0.0 " en μS/cm y " calibre. "
    1. Insertar el estándar en una bolsa para cubrir totalmente la parte ovalada del sensor. Espere hasta que el sensor se estabilice la lectura (~ 2-5 minutos), escriba " 1412 " en μS/cm y " calibre. " " calibración exitosa " aparecerá; Si la calibración falla, restablecer el sensor e inténtelo de nuevo.
  9. Calibrar el sensor de pH con pH 7 y pH 10 normas y comprobar la linealidad de la calibración a pH 4. Seleccione la " pH [unidades] " ficha en la ficha de calibración Inserte el pH 7 estándar en una bolsa que cubre el cruce de pH y el electrodo de referencia. Espere aproximadamente 5 minutos para se estabilice. Entrar " 7.0 " como el pH valor e introduzca " calibre. "
    1. enjuague los electrodos y secarlos usando toallitas. Inserte pH 10 y siga las mismo procedimiento en cuanto a pH 7. Insertar pH 4 para comprobar si se cumple la linealidad de la curva de calibración; el sensor calibrado debe leer 4 ± 0,2 pH 4.0 standard.
  10. Calibrar el sensor con agua temperatura estabilizada, saturada de aire, desionizado (18 M Ω-cm) como único punto estándar.
    1. Seleccione el " LDO % [Sat] " Tab. Llene el vaso de calibración con agua desionizada hasta el nivel casi completo y coloque la copa sobre la sonda. Invertir la sonda para asegurarse de que el sensor de temperatura y hacer las membranas están cubiertas totalmente por el agua.
    2. Espere aproximadamente 5 minutos para estabilizar la lectura de la saturación por ciento. Una vez estabilizado, introducir " 100 " de la saturación por ciento. Ingrese la presión barométrica en mmHg marcando una estación meteorológica local y entrar en " calibre. "
      Nota: agua desionizada es estabilizado con temperatura y aire saturado dejando abierto a la atmósfera al menos durante la noche en el laboratorio para intercambio del gas, la saturación y la estabilización de la temperatura. Presión barométrica debe preverse, ya que la saturación de depende de la presión atmosférica además de la temperatura (medida por la sonda sí mismo).
    3. Comprobar el factor de escala, que debe ser 0.5 - 1.5, para la calibración aceptable. Salir del programa de calibración, entrar en modo terminal, utilice las flechas para resaltar " Log In, " y pulse " entrar. " destacar " nivel 3 " y pulse " entrar. " destacar " configuración " y pulse " entrar. " destacar " sensores " y pulse " entrar. " destacar " hacer " y pulse " entrar. " destacar " % Sat " y pulse " entrar. " tenga en cuenta el factor de escala.
    4. Prensa " Esc " a salir y entrar en " funcionar la sonda " otra vez. Seleccione la " ficha de calibración " para continuar con la calibración.
    5. Invertir la sonda hacia atrás y suspenderlo de modo que los sensores hacia la tierra.
  11. Calibrar el sensor de turbidez utilizando 4 estándares: 200 NTU, DI, 50 NTU y 100 NTU. Seleccione la " turbidez [UTNs] " ficha. En una taza de calibración, poner suficiente agua DI para cubrir al menos la parte inferior del sensor de turbidez. Deje que la lectura de turbiedad a estabilizar. Introduzca punto " 1 " para la norma de DI, un " 0.6 " valor de turbidez NTU, y " calibre. "
    1. Asimismo, calibrar el sensor de turbidez para otras normas. Evitar formación de burbujas por homogeneizar las normas, da vuelta la botella hacia arriba y hacia abajo (no agite) y los estándares a lo largo de la Copa.
    2. Después de todos los estándares de calibración, compruebe las lecturas del sensor para DI y 50 NTU ver si la calibración es aceptable (es decir, dentro de ±1%).
  12. Calibrar el sensor de nitrato utilizando dos estándares: alta (50 mg/L 3 –-N) y baja (5 mg/L 3 –-N). Seleccione el " 3 – [mg/L-N] " ficha.
    1. Pour la 50 mg/L para llenar la Copa hasta las tres cuartas partes de calibración estándar completo y coloque la copa sobre la sonda, haciendo una conexión estanca al agua. Invierta la sonda para que los sensores de temperatura y nitrato están completamente cubiertos. Espere 15 minutos (o hasta que la lectura es estable). Una vez estabilizado, introducir el nivel " 1 " y un valor de " 46.2. " registrar las lecturas de temperatura y mV en un cuaderno. Entrar en " calibre. "
      Nota: el sensor de nitrato utiliza el sensor de temperatura además de los sensores de conductividad y pH.
    2. Enjuague los sensores con agua DI varias veces y secar con toallitas. Repita el mismo procedimiento para el bajo estándar. La diferencia entre las lecturas de voltaje de dos debe ser 50-65 mV, y la diferencia entre las lecturas de temperatura no debe exceder 5 ° F para la calibración aceptable.
  13. Calibrar el sensor de amonio de manera similar al sensor de nitrato.
  14. Vuelva a instalar y calibrar el limpiador y el cepillo. Elegir el " autolimpieza [Rev] " ficha elige " 1 " rotación y entrar " calibre. "
    Nota: el limpiador y el cepillo girará una vez.
  15. Una vez que todos los sensores están calibrados, programa de la sonda. Entrar en " reloj para tiempo de pc " en el " sistema " ficha para la sincronización. Eliminar el archivo de registro más antigua si hay 4 archivos de registro existentes y crear un nuevo archivo de registro. Una vez creado el archivo de registro, seleccione los parámetros de monitorización y los parámetros para iniciar la sesión. Seleccione la duración de seguimiento (es decir, hasta la próxima calibración, generalmente de 2 a 3 semanas en cuencas agrícolas) y el intervalo (15 min) el inicio y fin de tiempo del archivo de registro y el intervalo de registro. Guardar el archivo de registro.
    Nota: En cualquier momento, una sonda puede almacenar archivos de registro de hasta 4.
  16. Revise el voltaje de la batería interna y reemplace las baterías internas si es necesario.
    1. Seleccionar el " en línea supervisión " tab y empezar el monitoreo en línea.
    2. Comprobar la lectura de voltaje de la batería interna. Si está por debajo de 10,5 V, sustituirla por ocho nuevas baterías de C.
      Nota: La sonda detiene grabación de datos si el voltaje de la batería interna cae por debajo de ~9.0 V.
    3. Utilizar sellador de silicona para sellar la tapa del compartimento de pilas para hacer una conexión estanca al agua.
  17. Conecte el protector del sensor y ponerlo en un cubo medio lleno de agua.
    Nota: Las sondas en el cubo están listos para el transporte y (re) instalación en los sitios. Las sondas deben estar sumergida para que el electrodo de pH funcionar correctamente.

4. Instrumento y montaje del Sensor de

  1. módulo de sensor y el flujo de área-velocidad
    1. Monte el sensor de área-velocidad sobre una placa de acero en una sección seleccionada. Monte la placa de acero en la " L " soporte ( figura 1) que se monta en el Telspar post conducido en la vaguada de la corriente (es decir, la parte más profunda del canal) ( figura 1); la extensión de la " L " soporte aguas arriba del post de Telspar debe ser lo suficientemente largos para que el flujo no se ve afectado por la presencia del post de Telspar en la corriente. Coloque el sensor en el " L " soporte en el lecho del río de manera que la punta del sensor apunte hacia arriba a lo largo de las líneas de flujo.
      Nota: El efecto de Telspar el post puede ser evaluado visualmente si la introducción del post crea disturbio del flujo en la posición del sensor de corriente arriba o cuantitativamente mediante lecturas del sensor con y sin el post de Telspar. En este protocolo, variabilidad transversal era considerada insignificante. Si va a ser evaluado, varias sondas o sensores pueden colocarse en una sección transversal. Las medidas de sensor de área-velocidad promedio velocidad, utilizando el método Doppler ultrasónico. No requiere un factor de conversión basado en la profundidad de flujo o velocidad de perfiles y calibración in situ. El módulo de flujo mide velocidad de -1,5 a 6,1 m/s y la profundidad de 0.01 m m 9,15. Como tal, es aplicable a cuencas hidrográficas diferentes.
    2. Para calcular la descarga, medir el área de la sección transversal.
      Nota: El software puede directamente calcular el área es siempre la forma del canal o una ecuación.
      Nota: Los datos del sensor se registran directamente en el módulo de flujo y puede descargarse a una computadora usando el fabricante ' s y un cable de comunicación.

< img alt = "Figura 1" class = "xfigimg" src = "archivos/ftp_upLoad/56036/56036fig1.jpg"/ >
figura 1. Diseño de un caudal típico estación (no a escala).
La estación contiene un post de Telspar en el que la sonda está suspendida mediante un cable de acero, un mosquetón y virolas. Las férulas no se muestran. El soporte en L en el que se monta el sensor de área-velocidad se coloca en el lecho del río y se asegura firmemente al poste mediante pernos y tuercas. El inyector automático (no se muestra en la figura) tira de la muestra de agua de una manguera que contiene un filtro en la punta. El cable del sensor de velocidad zona está conectado al módulo de flujo (no mostrado). haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. transductor de presión (sensor PT)
    1. cuando el sensor de velocidad de la zona no está disponible, medir la profundidad, usando un transductor de presión.
    2. Instalar el sensor PT dentro del post Telspar y asegúrelo con un alambre de acero y casquillos, la punta del sensor debe apenas tocar el lecho del río. El sensor PT para medir la profundidad del agua a intervalos de 15 minutos del programa.
  2. Medición de la descarga de manual de
    1. para estaciones con un sensor PT como una descarga medidor, haga una curva de la etapa de descarga midiendo manualmente la descarga en un rango de flujos, cubriendo al menos baja, media y alta flujos. Dividir el área seccionada transversalmente en varios segmentos (30-60 cm de ancho), dependiendo de la anchura del flujo. Medir la velocidad media en la línea de centro del segmento usando un medidor de caudal portátil. Si la profundidad es de < 10 cm, medir la velocidad máxima y multiplique por 0,9 para obtener la velocidad media. Si la profundidad es de 10-75 cm, mida la velocidad a 0.6 de la profundidad para determinar la velocidad media de 15. Para profundidades superiores a 75 cm, medir las velocidades en tres profundidades (0.2, 0.6 y 0.8 de la profundidad de la superficie del agua) y los promedio de 15.
    2. Calcular la descarga de un segmento utilizando el promedio de la velocidad, anchura y profundidad del segmento y las descargas de todos los segmentos para obtener una descarga total de la suma.
    3. Seguir el procedimiento para rangos de corrientes de baja, media y flujos de alta.
    4. Determinar la relación entre la etapa (es decir, profundidad de flujo medido por el transductor de presión en el momento de la medición de descarga manual) y las descargas mide.
      Nota: Si la descarga es demasiado alta para medir la velocidad manualmente, un sensor de velocidad zona temporal puede ser utilizado hacer una relación entre la descarga medida por el sensor de velocidad del área y la profundidad medido por el sensor PT.
  3. Sonda de múltiples parámetro de calidad de agua
    1. montar la sonda en el post de Telspar con un alambre de acero, casquillos y un mosquetón para sonda seguridad y fácil instalación y desinstalación ( figura 1). Coloque la sonda en el lado aguas abajo del post de Telspar para evitar daños de troncos desechos o madera que puede venir flotando con el agua corriente, sobre todo durante las inundaciones. Coloque la parte inferior de la sonda al menos 1-10 cm sobre el lecho del río para reducir la probabilidad de acumulación de sedimento en la sonda de.
      Nota: La sonda siempre debe estar sumergida en el agua. Por lo tanto, en un arroyo con flujos variables, la sonda debe ser lo suficientemente alto como para reducir la acumulación de sedimento en la sonda y lo suficientemente bajo como para impedir que la sonda que está expuesto al aire. Sin embargo, para un canal con flujo menos variable, la sonda puede colocar que los sensores son aproximadamente 10 cm por debajo de la superficie del agua.
      Nota: Si la sonda tiene un sensor de profundidad, la altura del sensor de profundidad de la cama del canal debe medir para tener en cuenta la profundidad de instalación del sensor de profundidad por encima de la cama del canal.
    2. Potencia la sonda con baterías internas o baterías externas. Utilice una caja de batería portátil para alojar la batería externa y un cable de comunicación para conectar a la sonda. Programa de la sonda para recolectar datos cada 15 minutos y descargar los datos directamente al ordenador mediante el cable de comunicación.
  4. Muestreador automático
    1. instalar un automuestreador en vivienda del tiempo de protección en la parte superior del Banco de flujo sobre terreno estable. El inyector automático con una batería de plomo de la energía. Instalar un panel solar de 20 W para cargar el batería en el sitio.
    2. Asegurar un tubo colador bajo el agua con el Telspar poste o soporte y conecte el inyector automático con una manguera de.
      Nota: El inyector automático tira agua de la corriente a través del filtro y manguera de.
      Nota: La colocación de la tubería de filtro es importante para obtener datos representativos. En este protocolo, fue colocado asumiendo que no hay variabilidad transversal.
    3. Programa el inyector automático de muestra de agua cada semana o según necesidad. Consulte el manual del muestreador automático proporcionado por el fabricante.
      Nota: El inyector automático puede programarse para muestra de agua basado en la precipitación, caudal, tiempo o una combinación. El muestreador puede ser programado para la muestra una muestra en muchas botellas, muchas muestras en una botella (compuesto), o una combinación.
      Nota: El inyector automático recoge un volumen de agua (2.000 mL) necesaria para el análisis de parámetros adicionales en el laboratorio. Además de agua continuo monitoreo de la calidad mediante la sonda, las muestras se analizan sobre una base semanal para la concentración de sedimento suspendido.

5. Mantenimiento de la sonda y sensor

  1. sensor de velocidad zona limpia en cada visita para reducir los desechos en o cerca de la superficie del sensor.
  2. Con frecuencia calibrar los sensores de la sonda.
    Nota: Frecuencia depende temporada, hidrología, Cuenca, tipo de sensor y tipo de suciedad. En las cuencas del aquí elegidas, calibración fue necesaria cada 2 semanas para recopilar datos de buena calidad.
  3. Reemplazar las piezas consumibles como recomendado por el fabricante.
    Nota: Esto incluye un pH referencia electrodo/casquillo, un casquillo (membrana) para el sensor de OD, ion-punta sensores (nitrato y amonio) y un limpiador circulante y cepillos de.
  4. Enviar la sonda para la reparación de la fábrica si es necesario (es decir, si el sensor no lee los valores aceptables para los estándares, incluso después de reiniciar y volver a calibrar, o si los sensores no calibración).

6. Muestreo de campo y análisis de laboratorio

  1. preparar con antelación para el viaje de campo para mantener los sensores y para recoger las muestras de agua recolectadas automáticamente o manualmente muestra y recoger muestras si un muestreador automático no está disponible en el sitio. Asegúrese de incluir los elementos que aparecen en la lista de verificación (tabla 1).
  2. Recoger las muestras de agua en un limpio (es decir, ácido lavados y enjuagados) seca tarro (10 L), etiquetarlos y transporte en hielo al laboratorio tan pronto como sea posible para su análisis.
    Nota: La muestra de agua recogida es una muestra representativa en condiciones reales en el momento de muestreo y en el lugar en particular; la integridad de la muestra recogida debe ser preservada contra la contaminación y cambios de físicos, químicos y biológicos 12.
    Nota: El material de envase requerido puede ser diferente para algunos analitos de interés, mientras que la acidificación o la filtración puede ser necesaria en el sitio.
  3. Analizar la colmuestras de agua seleccionada en el laboratorio utilizando métodos estándar antes de la celebración aprobada veces 16.
    Nota: Las muestras de agua pueden ser analizadas utilizando EPA 353.2; 4500-NO3 para el nitrato, EPA 353.2; 4500-NO2 para nitritos, EPA 365.1; 4500-PI fosfato, EPA 350.1; 4500-PJ para nitrógeno total, EPA 365.4; 4500-PJ para fósforo total, 2540-D para sólidos totales suspendidos, 2540-C para el total de sólidos disueltos y D 3977-97 para la concentración de sedimento suspendido 16 , 17.
  4. Seguir el apropiado control de calidad y controles, tales como espacios en blanco, estándares, repeticiones, etc., durante el análisis. Seguir el Plan de proyecto de aseguramiento de calidad (QAPP).
  5. Llenar la cadena de hojas de custodia para el colector de muestra y al personal del laboratorio y mantener una copia de cada uno. Tenga en cuenta cualquier eventos inusuales o notables observados en el campo de la cadena de las hojas de custodia de.

7. Recopilación de datos y análisis

  1. recoger agua calidad y cantidad de datos de las sondas, el módulo de flujo y laboratorio.
  2. Guardar una copia de los datos antes de trabajar con el análisis y corrección de los datos.
  3. Cuidadosamente Inspeccione los datos recogidos en turbidez y retire cualquier cero (por ejemplo, 0.0 NTU), NAN o valores irracionales (por ejemplo, 3.000 NTU; límite de detección del sensor) antes de análisis.
    Nota: Debe ejercerse precaución al sacar los datos. Se retiran únicamente cuando las condiciones específicas en las notas de campo identifican y determinan que los datos no son razonables.
  4. Utiliza la relación de la etapa de descarga para calcular la descarga del sensor PT.
    Nota: La profundidad medida por el sensor PT debe ser presión compensada.
    1. Uso el fabricante (In situ Inc.) software, " Baromerge, " para después corregir los datos del sensor PT.
      Nota: Los datos pueden corregirse con un valor fijo de presión barométrica introduciendo muchos valores de la presión barométrica manualmente y automáticamente con un archivo de registro baroTroll. Este protocolo utiliza un archivo de registro de baroTroll en un lugar cercano para corregir automáticamente los datos del sensor PT.
  5. De datos de sensor de área-velocidad, quitar cualquier flujo negativo que podría ser sensor artefacto.
    PRECAUCIÓN: Algunas veces podría realmente haber flujo negativo, dependiendo del sitio. En ese caso, no ignore la velocidad negativa.
  6. Calcular datos faltantes de la descarga utilizando una regresión lineal entre aguas arriba o aguas abajo de la descarga y la descarga en la estación de.
    Nota: La relación debe ser estadísticamente significativa, que suele ser el caso entre descargas para las estaciones aguas arriba y aguas abajo. En las cuencas probadas aquí, la relación fue significativa (p < 0.01) y el coeficiente de correlación fue superior al 93%. Sin embargo, los datos que faltan de descarga pueden sólo ser llenados utilizando este método si la distancia entre los sitios es corta y las características de la cuenca siguen siendo similares.
  7. No llene datos de calidad de agua que falta.
    Nota: Datos de calidad de agua son afectados por muchas variables (es decir, sincronización y aplicación de fertilizante, si está aumentando o disminuyendo la descarga, condiciones específicas del sitio, etc.).
  8. Realizar un análisis de regresión entre la concentración de sedimento en suspensión (SSC) de los resultados de laboratorio y la turbiedad (NTU) medido en la corriente de.
    Nota: Dicha regresión es sensible a la distribución de tamaño de sedimento, tal que si arena constituye una fracción importante, pero variable de la SSC, la regresión será pobre. Sin embargo, puede mejorarse si se separan arenas y multas durante el análisis de la muestra y las multas están correlacionadas con la SSC. Utilizar la regresión para calcular valores SSC continuados.
  9. Puesto que las concentraciones de contaminantes varían con descarga, calcular las concentraciones de flujo ponderado usando la ecuación 1 6. Calcular las concentraciones promedios ponderado por el flujo (FWMC) sobre una base diaria, usando los datos por hora. O bien, calcular por horas con 15 minutos de datos; los FWMCs están integrados por el tiempo así.
    figure-protocol-1
    donde
    FWMC = concentración media ponderada flujo diariamente
    c = concentración de la i ésima muestra
    t = tiempo de 1 h,
    q me = descarga de i ésima muestra
    i = 1 a 24
  10. aplicar técnicas estadísticas apropiadas para alcanzar los objetivos de datos. Cuando los datos son no normales, transformar los datos para hacerlos normales o usar el rango intercuartil de mediana ±. Realizar pruebas no paramétricas para datos no-normal.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Resultados

En la publicación Aryal y Reba (2017), este protocolo fue utilizado para estudiar el transporte y la transformación de nutrientes y sedimentos en dos pequeñas cuencas agrícolas6. A continuación se describen los resultados adicionales del presente Protocolo.

Relaciones de calidad de agua de lluvia-escurrimiento:

La fuerza de monitoreo continuo es qu...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Discusión

En general, el monitoreo continuo de nutrientes y sedimento tiene varias ventajas sobre monitoreo utilizando el método de muestreo de grab. Procesos hidrológicos y de agua de calidad son afectados por lluvias en un lapso muy corto de tiempo. Los usuarios pueden obtener datos de alta resolución temporal de nutrientes y sedimentos para el estudio de problemas complejos. Otros parámetros de calidad de agua, tales como conductividad, pH, temperatura y hacer, se pueden obtener simultáneamente y con el mismo costo en cuanto a ...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

La investigación fue posible gracias al financiamiento de la conservación de efectos evaluación de proyecto (CEAP). Estamos especialmente agradecidos por el permiso de acceso al sitio de los productores, asistencia de investigación de los miembros de la unidad de investigación de gestión de agua de USDA-ARS-Delta y análisis de la muestra por el personal en el centro de investigación de ecotoxicología, Universidad del estado de Arkansas. Parte de esta investigación fue apoyada por una cita para el programa de participación de ARS, administrado por el Instituto Oak Ridge para la ciencia y educación (ORISE) a través de un acuerdo interagencial entre el Departamento de energía de Estados Unidos y el USDA. ORISE es administrado por ORAU DOE contrato número DE-AC05-06OR23100. Todas las opiniones expresadas en este documento son del autor y no reflejan necesariamente las políticas y puntos de vista de USDA, ARS, DOE o ORAU/ORISE.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Sonda multiparamétricaHach HydrolabDS5Xmide la temperatura, el pH, la conductividad, el oxígeno disuelto, el nitrato, el amonio, la turbidez Velocidad
área Módulo de flujo y sensorTeledyne Isco2150mide la velocidad media del flujo y la profundidad del flujo, y calcula el caudal y el caudal total en función del área de la sección transversal proporcionada de la zanja. Los datos almacenados se pueden descargar directamente a la computadora.
El muestreador de agua portátil automáticoTeledyne IscoISCO 6712toma muestras automáticamente del agua en el intervalo establecido o junto con el módulo de caudal y el sensor
El transductor de presiónIn-situRugged Troll 100mide la presión, el nivel y la temperatura en el agua. Los datos almacenados se pueden descargar directamente al ordenador
Caudalímetro portátilFlo-mate (Hach)Marsh-McBirney 2000Para la medición manual de descargas
Batería, 12 v, recargableUPGUB 1270Para alimentar la sonda
Batería, 12 v, recargableBaterías InterstateSRM 27Batería de plomo-ácido para alimentar el muestreador automático
Panel solarAlt EALT20-12PPara recargar la batería en el sitio
C-8
Estándares de calibraciónHach o Fisher ScientificEstándaresmúltiples de pH (4,7,10), conductividad (1412 uS/cm), nitrato (5 y 50 mg/L), amonio (5 y 50 mg/L) y turbidez (50,100,200 NTU)
Estándar de nitrato altoHach013810HY50 mg/L
Estándar de nitrato bajoHach013800HY5 mg/L Estándar
de amonio altoHach002588HY50 mg/L
Estándar de amonio bajoHach002587HY5 mg/L
Estándar de turbidezFisher scientificR8819050-500G50 NTU
Estándar de turbidezFisher scientific88-061-6100 NTU
Estándar de turbidezFisher scientific R8819200500C200 NTU
Pellets de sal de cloruro de potasioHach005376HYpara mantener el electrolito para el electrodo de pH
Estándar de cloruro de potasioFisher scientific5890-161412 us/cm
Solución tampón, pH 4Fisher scientificSB99-1para la calibración del sensor de pH
Solución tampón, pH 7Fisher scientificSB108-1para la calibración del sensor de pH
Solución tampón, pH 10Fisher scientificSB116-1para la calibración del sensor
pH Sellador de siliconaHach00298HYPara sellar la tapa de la batería del sensor hermético
Limpiador multiusosSunshine Makers IncToallitas verdes
simples Kimberly-Clark
L-bracket
Poste Telsbarservicios UnistrutSensores y sondas seguros en el arroyo
Sonda supend dealambre
Mosquetónsonda supend y sensor PT
Llave
Malla de alambre de cobreBird B Gone Rollomalla de cobre para control de roedores y aves
Cinta adhesivaAgri Drain CorporationCinta para baldosas, funciona en climas húmedos y fríos
del Baterías deEmpresa de de acero y sensor PTAllen de

Referencias

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Hamilton, S. Global hydrological monitoring industry trends. , Aquatic Informatics. Vancouver, B.C. (2012).
  6. 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).
  7. National Research Council (U.S.). Confronting the nation's water problems: The role of research. , National Academies Press. (2004).
  8. LMRRA (Lower Mississippi River Resource Assessment). Final Assessment in Response to Section 402 of WRDA 2000 Public Review Draft. , (2015).
  9. MWNTF (Mississippi River/Gulf of Mexico Watershed Nutrient Task Force). New Goal Framework. , Washington, DC. (2008).
  10. USDA-NRCS (The United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service). Mississippi River Basin Healthy Watersheds Initiative Maps and List of Watershed. , Available from: http://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detailfull/national/programs/initiatives/?cid=nrcsdev11_023896 (2016).
  11. 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).
  12. Duncan, D., Harvey, F., Walker, M. Australian Water Quality Centre. , Environment Protection Authority. Australia. (2007).
  13. Hamilton, S. The 5 essential elements of a hydrological monitoring program. , Aquatic Informatics. (2012).
  14. Wagner, R. J., Boulger, R. W. Jr, Oblinger, C. J., Smith, B. A. Guidelines and standard procedures for continuous water-quaity monitors-Station operation, record computation, and data reporting: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 1-D3. , Virginia. (2006).
  15. World Metorological Organization. Manual on Stream Gauging Volume I-Fieldwork. , (2010).
  16. American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. Standard methods for the examination of water & wastewater. , 21st ed, American Public Health Association. (2005).
  17. ASTM (American Society of Testing and Materials) D3977-97. Standard test methods for determining sediment concentration in water samples. , ASTM International. West Conshohocken, PA. (1997).
  18. O'Connor, D. J. The temporal and spatial distribution of dissolved oxygen in streams. Water Resour Res. 3 (1), 65-79 (1967).
  19. Dabney, S. M. Cover crop impacts on watershed hydrology. J Soil Water Conserv. 53 (3), 207-213 (1998).
  20. 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).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Reimpresiones y permisos

Explorar más artículos

Monitoreo continuocalidad del aguaanálisis de nutrientesmedición de sedimentoscalibración de sensoresdespliegue de sondasdetección in situcargas de contaminantesrecolección de datos
Caudal continuo monitoreo de nutrientes y sedimentos en las cuencas agrícolas
Contáctenos
Recomendar a la biblioteca

Privacidad

Términos de uso

Políticas

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Todos los derechos reservados.