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Article de méthode

Surveillance de Instream continu de nutriments et de sédiments dans les bassins hydrographiques agricoles

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⸱

DOI :

10.3791/56036

⸱

26 septembre 2017

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

Dans cet article

Résumé

Avec l’avancement de la technologie et de la hausse des attentes de l’utilisateur final, le besoin et l’utilisation des données de résolution temporelle plus élevées pour l’estimation de charge de polluants a augmenté. Ce protocole décrit une méthode pour continue in situ eau surveillance de la qualité pour obtenir des données de résolution temporelle plus élevées pour l’eau éclairée décisions de gestion des ressources.

Résumé

Des concentrations de polluants et de charges dans les bassins versants varient considérablement avec le temps et l’espace. Une information exacte et opportune sur l’ampleur des polluants dans les ressources en eau est une condition sine qua non pour comprendre les pilotes des charges polluantes et pour faire eau informée des décisions de gestion des ressources. La méthode couramment utilisée de « saisir d’échantillonnage » fournit les concentrations de polluants au moment de l’échantillonnage (c'est-à-dire une concentration instantané) et peut sous- ou surestimer les concentrations de polluants et les charges. Surveillance continue des nutriments et de sédiments a récemment reçu plus d’attention en raison des progrès en informatique, télédétection technologie et périphériques de stockage. Ce protocole illustre l’utilisation de capteurs, sondes et instrumentation pour surveiller en continu in situ de nitrate d’ammonium, turbidité, pH, conductivité, température et oxygène dissous (OD) et de calculer les charges de deux ruisseaux (fossés) dans deux bassins hydrographiques agricoles. Avec l’étalonnage approprié et l’entretien des capteurs et des sondes, une eau de bonne qualité données peut être obtenue en surmontant les conditions exigeantes telles que l’accumulation de salissures et les débris. La méthode peut également être utilisée dans les bassins de différentes tailles et se caractérise par des terres agricoles, forestiers ou urbains.

Introduction

La surveillance de la qualité de l’eau fournit des informations sur les concentrations de polluants à différentes échelles spatiales, selon la taille de la zone qui contribue, qui peut varier d’un complot ou d’un champ à un bassin hydrographique. Ce suivi se déroule sur une période de temps, comme un seul événement, une journée, une saison ou une année. Les renseignements recueillis de la surveillance de la qualité de l’eau, principalement liés aux éléments nutritifs (p. ex., azote et phosphore) et les sédiments, peuvent être utilisés pour : 1) comprendre les processus hydrologiques, le transport et la transformation des polluants dans les cours d’eau, comme les fossés de drainage agricole ; 2) évaluer l’efficacité des pratiques de gestion appliquées au bassin pour réduire la charge de nutriments et de sédiments et d’augmenter la qualité de l’eau ; 3) évaluer la prestation des sédiments et des nutriments dans l’eau en aval ; et 4) améliorer la modélisation des nutriments et de sédiments pour comprendre l’hydrologie et des processus de qualité qui déterminent la dynamique et le transport des polluants dans la gamme d’échelles spatiales et temporelles de l’eau.

Cette information est essentielle à la restauration de l’écosystème aquatique, la planification et la gestion des ressources de l’eau1.

La plupart de méthode couramment utilisée pour des éléments nutritifs et surveillance de sédiments dans un bassin hydrographique est grab échantillonnage. Grab échantillonnage représente précisément une concentration de capture instantanée au moment de l’échantillonnage2. Il peut aussi représentent une variation des concentrations de polluants avec le temps si fréquente échantillonnage est effectué. Cependant, échantillonnage fréquent est temps intensive et coûteuse, souvent rendant impraticable2. En outre, grab échantillonnage peut sous- ou surestimer les concentrations réelles de polluants à l’extérieur de l’échantillonnage temps2,3,4. Par conséquent, les charges calculées à l’aide de telles concentrations ne soient pas exactes.

Alternativement, une surveillance continue fournit des informations exactes et à jour sur la qualité de l’eau dans un intervalle de temps prédéterminé, par exemple une minute, une heure ou une journée. Les utilisateurs peuvent sélectionner les intervalles de temps appropriés selon leurs besoins. Surveillance continue permet les chercheurs, les planificateurs et les gestionnaires à optimiser le prélèvement de l’échantillon ; développer et surveiller les paramètres intégrée dans le temps, tels que les charges quotidiennes maximums totales (TMDL) ; évaluer l’usage récréatif du cours d’eau ; évaluer les conditions de flux de données de référence ; et spatialement et temporellement évaluer la variation de polluants afin de déterminer les relations cause-effet et d’élaborer un plan de gestion5,6. Surveillance continue des nutriments et de sédiments a récemment reçu une attention accrue en raison des progrès dans la technologie informatique et de capteur, l’amélioration de la capacité des dispositifs de stockage et les exigences croissantes de données nécessaires pour étudier les processus plus complexes 1 , 5 , 7. dans une enquête mondiale de plus de 700 professionnels de l’eau, l’utilisation de sondes multiparamètres est passé de 26 % à 61 % de 2002 à 2012 et devrait atteindre 66 % d’ici 20225. Dans le même sondage, 72 % des répondants ont indiqué la nécessité pour l’expansion de leur réseau de surveillance de respecter leurs données doit5. Le nombre de stations dans un réseau de surveillance et le nombre de variables surveillées par station en 2012 devraient augmenter de 53 % et 64 %, respectivement, par 20225.

Cependant, la qualité continue de l’eau et la quantité de surveillance dans les bassins hydrographiques agricoles est difficile. Grandes pluies laver des sédiments et des macrophytes, qui contribuent à l’accumulation de débris et de charge élevé de sédiments dans les capteurs et sondes. Le ruissellement de l’excès d’azote et de phosphore appliqués aux champs agricoles crée des conditions idéales pour la croissance des organismes microscopiques et macroscopiques et l’encrassement des instream capteurs et sondes, surtout pendant l’été. Accumulation de salissures et les sédiments peut causer des capteurs à échouer, dériver et produire des données fiables. Malgré ces défis, plus fines données de résolution temporelle (comme faible selon les minute) doivent étudier les processus de ruissellement et les sources non ponctuelles de contamination, comme ils sont influencés par les caractéristiques du bassin versant (par exemple, la taille, du sol, pente, etc.. ) et le calendrier et l’intensité des précipitations,7. Observation sur le terrain prudent, calibrage fréquent et bon nettoyage et entretien peuvent garantir la bonne qualité des données des capteurs et sondes, même à la résolution plus fine du temps.

Ici, nous discutons une méthode pour in situ surveillance continue de deux bassins versants agricoles, à l’aide de sondes de qualité de l’eau multiparamètres, zone de vitesse et capteurs de transducteur de pression et échantillonneurs ; leur étalonnage et l’entretien de terrain ; et traitement des données. Le protocole montre une façon dont la surveillance de la qualité de l’eau continue peut être effectuée. Le protocole est généralement applicable à la qualité de l’eau continue et quantité de surveillance à n’importe quel type ou la taille du bassin versant.

Le protocole a été réalisé en Arkansas nord-est en petit bassin de fossés (HUC 080202040803, zone de 53,4 km2 ) et Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, zone de 23,4 km2 ). Ces deux bassins versants déversent dans des affluents du fleuve Mississippi. Une nécessité pour la surveillance des affluents du Mississippi a été identifiée par le Lower Mississippi River Conservation Committee et le golfe du Mexique, hypoxie Task Force d’élaborer un plan de gestion du bassin hydrographique et d’enregistrer l’état d’avancement des activités de gestion 8 , 9. en outre, ces bassins sont caractérisées comme des bassins de la mise au point par l’United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service (USDA-NRCS), basées sur le potentiel pour réduire la pollution de nutriments et de sédiments et amélioration de la qualité de l’eau10. Surveillance de la lisière des champs est menée dans ces bassins dans le cadre du réseau par État du Mississippi bassin sain Watershed Initiative (MRBI)11. Plus de détails sur les bassins versants (c.-à-d., les emplacements de sites, caractéristiques des bassins versants, etc.) sont fournis en Aryal et Reba (2017)6. En bref, le bassin peu fossés a principalement sols loameux Limon et coton et soya sont les principales cultures, tandis que le Lower St. Francis Basin a principalement sol argileux Sharkey et riz et soja sont les principales cultures. Dans chaque bassin, in situ la quantité d’eau continu et surveillance (c.-à-d., décharge température, pH,, turbidité, conductivité, nitrate et ammonium) de la qualité a été réalisée à trois stations dans le courant dominant à l’aide de ce protocole à comprendre la variabilité spatiale et temporelle dans les charges de polluants et les processus hydrologiques. En outre, des échantillons d’eau hebdomadaires ont été recueillies et analysées pour le co de sédiments en suspensionconcentration.

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Protocole

1. choix du site

  1. sélection du bassin
    1. choisir watershed(s) basé sur l’ampleur du problème de la pollution, priorité du bassin versant, proximité du centre de recherche, l’accès au site, et objectifs données.
  2. Sites d’échantillonnage stream
    1. Sélectionnez flux d’échantillonnage Bureau (x) basée sur l’objectif de l’étude.
      Remarque : Les points d’échantillonnage Optimal sont bien mélangés dans une coupe transversale, en toute sécurité et facilement accessible, géophysiquement stable (c'est-à-dire constante transversale et une banque solidaire du boîtier gare instrument) et représentant 12 , 13 , 14. Les stations pas immédiatement en aval de la confluence de deux cours d’eau et dans une section de voie droite, sans une section de canal convergentes ou divergentes, sont plus homogènes et représentatives 14.
    2. Co-implanter hydrologique et mesures de la qualité à un échantillon représentatif de calculer les charges d’eau.
      Remarque : Si identifier la variation spatiale des nutriments et de sédiments dans un bassin hydrographique, sélectionnez plusieurs stations pour cibler les sources potentielles dans tout le bassin.

2. Instrument et capteur de sélection

  1. choisir instruments et capteurs pour mesurer le débit et la qualité de l’eau et de recueillir des échantillons d’eau aux intervalles prévus. Choisissez l’instrument et les capteurs basés sur les données nécessaire, bassin versant et des ressources disponibles.
    Remarque : Les capteurs idéales sont fiables, précises, sensibles, précis, peu coûteux et adaptée à l’environnement de flux et nécessitent un entretien limité et une formation minimale de la zone technicien 13. Dans un bassin versant agricole, accumulation de salissures et les débris sont les principales causes des préoccupations. Par conséquent, les sondes équipés de fonctions d’auto-nettoyage et antisalissure sont préférables. Capteur
    1. emploi l’auto-échantillonneur, sondes, une zone de vitesse, un capteur de pression et un débitmètre portable.
      Remarque : La sonde doit avoir un chiffon pour nettoyer le capteur de turbidité et une brosse pour nettoyer le pH, ammonium, le nitrate et capteurs.
      Remarque : L’instrument dans le présent Protocole se réfère à une unité d’échantillonnage de l’eau consistant en un échantillonneur automatique, tuyau, crépine ou débit module et capteur de vitesse zone.
  2. Paramètres de qualité de l’eau select basée sur l’objectif de données, capteur coût et disponibilité. Mesurer la température, pH,, conductivité, turbidité, ammonium et nitrate chaque 15 min.
    Remarque : La température, le pH, conductivité et sont les plus courants choisis de paramètres et sont mesurées aux stations de l’USGS, tandis que le nitrate, ammonium et la turbidité sont moins fréquentes mais gagnent en popularité 1 , 14.
    Remarque : les objectifs de données dépendent des caractéristiques du bassin versant. Par exemple, azote et phosphore suivi peuvent être plus importants dans les bassins hydrographiques agricoles par rapport à la surveillance de phosphore dans les bassins hydrographiques urbains.

3. Étalonnage de la sonde et programmation

  1. étalonner des capteurs sur la sonde selon les recommandations du fabricant. Modifier le protocole d’étalonnage au besoin selon les conditions environnementales locales.
    Remarque : La fréquence d’étalonnage dépend des conditions dans lesquelles les capteurs sont exposés. Généralement, il relève de 2 à 4 semaines. Ici, les sondes sont calibrés toutes les 2 semaines pendant la saison de croissance, et toutes les 3 semaines de non croissance saison (de novembre à avril).
  2. Au laboratoire, nettoyer la sonde avant étalonnage. Nettoyer les surfaces de capteur à l’aide de brosses souples (p. ex., brosses à dents) et de savon ou de nettoyant. Supprimer le circulateur d’essuie-glace et le pinceau à l’aide d’une clé Allen hexagonale ; nettoyer les essuie-glace et les broussailles.
  3. Verser l’électrolyte dans l’électrode de référence, remplissez-le avec la solution d’électrolyte fraîche et ajouter une pastille de sel de chlorure de potassium pour maintenir la conductivité de la solution d’électrolyte. Fermez le bouchon pour qu’il soit étanche à l’air ; certains électrolytes renversera dehors alors que la PAC étant vissée. Rincer la sonde avec de l’eau désionisée.
  4. Suspendre la sonde sur un support solide pour que la partie inférieure de la sonde repose environ 20 à 30 cm au-dessus du haut de tableau, ce qui permet une maniabilité facile. Connecter la sonde à l’ordinateur via un câble de communication. Démarrer le fabricant ' logiciel s. Presse " exploiter sonde " pour entrer dans le programme « sonde ».
  5. Définir le nombre d’étalons à le " paramétrage " onglet. Étalonner les capteurs dans l’ordre suivant : conductivité, pH, turbidité,, nitrate et ammonium.
    Remarque : L’ordre de l’étalonnage est important, comme le nitrate d’ammonium et de capteurs utilisent les valeurs de conductivité et pH.
    Remarque : Le nombre d’étalons est 2 pour la conductivité, 2 ou 3 pour le pH, 1 pour, 2 ou 4 pour la turbidité, 2 pour les nitrates et 2 d’ammonium.
  6. Rincer la sonde avec l’eau distillée plusieurs fois et sécher les surfaces ou les capteurs avec lingettes avant d’introduire une norme pour le capteur à prévenir la contamination croisée.
    Remarque : Avant de calibrer chaque capteur, notez les valeurs du capteur indique pour les normes suivantes : faire, pH 7, turbidité pour DI et NTU 50, nitrates à 50 mg/L et de l’ammonium pour 50 mg/L. Ces valeurs peuvent être utilisées pour déterminer si les capteurs sont exactes dans le domaine. Ils peuvent également servir avec prudence pour corriger les valeurs de champ.
  7. Après l’étalonnage de chaque capteur (étapes 3.8-3.13) pour un étalon, " calibration réussie " apparaîtra ; si le calibrage échoue, réinitialiser le capteur et réessayez. Si le capteur ne fonctionne toujours pas, les consommables peuvent doivent être remplacés ou le capteur peut avoir besoin de réparation en usine.
    Remarque : La réinitialisation de la sonde de nitrate ou d’ammonium remettra les deux capteurs.
  8. Calibrer le capteur de conductivité à l’aide de calibration 2 points ; 0 µs/cm pour un capteur sec et 1 412 µs/cm pour la solution étalon. Choisissez " SpCond [µs/cm] " dans le " calibration " onglet. Sécher la partie ovale du capteur complètement avec des lingettes. Entrez " 0,0 " en µs/cm et entrez " étalonner. "
    1. Insert la norme dans un sachet pour couvrir entièrement la partie ovale du capteur. Attendre que le capteur de lecture se stabilise (~ 2-5 min), entrez " 1412 " en µs/cm et entrez " étalonner. " " Calibration réussie " apparaîtra ; Si le calibrage échoue, réinitialiser le capteur, puis réessayez.
  9. Calibrer le capteur de pH à l’aide de pH 7 et normes pH 10 et vérifier la linéarité de l’étalonnage à pH 4. Sélectionnez le " pH [unités] " onglet dans l’onglet calibration Insérez le pH 7 standard dans une pochette qui couvre aussi bien la jonction de pH et l’électrode de référence. Attendre environ 5 min pour qu’il se stabilise. Entrez " 7.0 " lorsque le pH de valeur et entrez " étalonner. "
    1. rincer les électrodes et séchez-les à l’aide de lingettes. Insérez le pH 10 et suivez les même procédure que pH 7. Insérer pH 4 pour vérifier si la linéarité de la courbe d’étalonnage est remplie ; le capteur étalonné doit se lire 4 ± 0,2 pour le pH 4.0 standard.
  10. Calibrer le capteur à l’aide de l’eau température stabilisée, saturée d’air, déionisée (18 M Ω-cm) comme point unique standard.
    1. Sélectionnez le " LDO % [Sat] " onglet remplissez le calibrage avec l’eau distillée jusqu’au niveau presque plein et placer la tasse sur la sonde. Inverser la sonde pour s’assurer que le capteur de température et les membranes sont entièrement couverts par les eaux.
    2. Attendre environ 5 min pour stabiliser la lecture du pourcentage de saturation. Une fois stabilisée, entrez " 100 " pour la saturation pour cent. Entrez la pression barométrique en mmHg en vérifiant une station météo locale et " étalonner. "
      Remarque : l’eau distillée est stabilisé à la température et l’air saturé en le laissant ouvert à l’atmosphère au moins une nuit dans le laboratoire pour les échanges gazeux, saturation et la stabilisation de la température. La pression atmosphérique doit être fournie, car la saturation dépend de la pression atmosphérique en plus de la température (mesurée par la sonde elle-même).
    3. Vérifier le facteur d’échelle, qui devrait être de 0,5 - 1,5, pour étalonnage acceptable. Quitter le programme d’étalonnage, en mode terminal, utilisez les flèches pour sélectionner " Log In, " et appuyez sur " entrez. " souligner " niveau 3 " et appuyez sur " entrez. " souligner " configuration " et appuyez sur " entrez. " souligner " capteurs " et appuyez sur " entrez. " souligner " " et appuyez sur " entrez. " souligner " % Sam " et appuyez sur " entrez. " noter le facteur d’échelle.
    4. Presse " Esc " pour sortir et entrer " exploiter sonde " à nouveau. Sélectionnez le " onglet calibration " de poursuivre le calibrage.
    5. Inverser la sonde arrière et suspendez-le pour que les capteurs font face à la terre.
  11. Calibrer le capteur de turbidité à l’aide des 4 normes : DI, NTU 50, NTU 100 et 200 NTU. Sélectionnez le " turbidité [UTN] " onglet. Dans une tasse d’étalonnage, mettre suffisamment d’eau pour couvrir au moins la partie inférieure de la sonde de turbidité DI. Laissez la lecture de turbidité se stabiliser. Entrez point " 1 " de la norme DI un " 0,6 " valeur de turbidité NTU, et " calibrer. "
    1. de la même façon, calibrer le capteur de turbidité pour d’autres normes. Empêcher la formation de bulles par l’homogénéisation des normes, en tournant la bouteille de haut en bas (ne pas secouer) et verser les normes le long de la Coupe du.
    2. Après le calibrage de l’ensemble des normes, vérifier les lectures de capteur pour DI et NTU 50 voir si l’étalonnage était acceptable (c'est-à-dire moins de ± 1 %).
  12. Calibrer le capteur de nitrate à l’aide de deux normes : élevée (50 mg/L NO 3 –-N) et faible (5 mg/L NO 3 –-N). Sélectionnez le " NO 3 – [mg/L-N] " onglet.
    1. Pour les 50 mg/L norme pour remplir la tasse d’étalonnage jusqu'à trois quarts plein et placez la tasse sur la sonde, faire un raccord étanche. Inverser la sonde pour que les capteurs de nitrate et de température sont complètement couverts. Attendre 15 min (ou jusqu'à ce que la lecture est stable). Une fois stabilisée, entrer le niveau standard " 1 " et une valeur de " 46,2. " enregistrer les lectures de température et mV dans un cahier. Entrez " étalonner. "
      Remarque : le capteur de nitrate utilise le capteur de température en plus des capteurs de conductivité et pH.
    2. Rincer les capteurs avec l’eau distillée plusieurs fois puis séchez-les avec lingettes. Répétez la même procédure pour la norme peu exigeante. La différence entre les lectures de deux tension devrait être de 50 à 65 mV, et la différence entre la lecture de la température ne doit pas dépasser 5 ° F pour l’étalonnage acceptable.
  13. Calibrer le capteur de même pour le capteur de nitrate d’ammonium.
  14. Reinstall et calibrer les essuie-glace et les broussailles. Choisissez la " autonettoyage [Rev] " onglet choisir " 1 " rotation et entrez " étalonner. "
    Remarque : l’essuie-glace et la brosse tourne une fois.
  15. Une fois que tous les capteurs sont calibrés, programme de la sonde. Entrez " réglage de l’horloge à l’heure du pc " dans le " système " onglet pour la synchronisation. Supprimer le fichier journal le plus ancien, s’il y a 4 fichiers journaux existants et créer un nouveau fichier journal. Une fois que le fichier journal est créé, sélectionnez les paramètres de surveillance et des paramètres pour vous connecter. Sélectionnez le contrôle durée (c'est-à-dire, jusqu'à ce que le prochain étalonnage, habituellement 2-3 semaines dans les bassins hydrographiques agricoles) et l’intervalle (15 min) en choisissant le début et heure de fin du fichier journal et l’intervalle d’enregistrement. Enregistrez le fichier de log.
    NOTE : À tout moment, une sonde peut stocker jusqu'à 4 fichiers de log.
  16. Vérifier la tension de la batterie interne et éventuellement remplacer les piles internes.
    1. Sélectionnez le " suivi en ligne " onglet et commencer à surveiller en ligne.
    2. Vérifier la lecture de tension de la batterie interne. Si elle est inférieure à 10,5 V, remplacez-le par huit piles neuves de C.
      Remarque : La sonde s’arrête enregistrement données si la tension de la batterie interne est inférieure à ~9.0 c.
    3. Utiliser le silicone pour sceller le couvercle du compartiment à piles pour établir une connexion étanche à l’eau.
  17. Fixer la protection du capteur et le mettre dans un seau d’eau à moitié plein.
    Remarque : Les sondes dans le seau sont prêtes pour le transport et (ré) installation sur les sites. Les sondes doivent être immergées pour l’électrode de pH au bon fonctionnement.

4. Instrument et Installation du capteur

  1. module de capteur et le débit vitesse zone
    1. monter le capteur de vitesse zone en toute sécurité sur une plaque d’acier à un échantillon sélectionné. Monter la plaque d’acier sur le " L " support ( Figure 1) est monté dans le Telspar post conduit au thalweg du flux de données (c'est-à-dire, la partie la plus profonde du chenal) ( Figure 1) ; l’extension de le " L " support en amont du poste Telspar doit être suffisamment long pour que le débit n’est pas affecté par la présence de la poste de Telspar dans le flux. Placez le capteur sur le " L " sur le lit du ruisseau de support tels que la pointe de la sonde est confrontée en amont le long des lignes de flux.
      Remarque : L’effet de Telspar post peut être évaluée visuellement si la mise en place de la poste crée perturbation du flux à la position de la sonde en amont, soit quantitativement à l’aide de lectures du capteur avec et sans le poste de Telspar. Dans ce protocole, variabilité transversale est considérée comme négligeable. Si elle doit être évaluée, plusieurs sondes ou capteurs peuvent être placés à un échantillon représentatif. Les mesures de capteur de zone-Vitesse moyenne vitesse à l’aide de la méthode ultrasonique Doppler. Il ne nécessite pas un facteur de conversion basé sur le tirant d’eau ou de vitesse de profilage et d’étalonnage sur place. Le module de flux mesure Vitesse de -1,5 à 6,1 m/s et la profondeur de 0,01 m à 9,15 m. À ce titre, elle s’applique aux différents bassins versants.
    2. Pour calculer la décharge, mesurer l’aire de la section transversale.
      Remarque : Le logiciel peut calculer directement la zone si la forme de la chaîne ou une équation est fournie.
      NOTE : Les données du capteur sont enregistrées directement dans le module de flux et peuvent être téléchargées sur un ordinateur en utilisant le constructeur ' s logiciel et un câble de communication.

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Figure 1. Présentation d’un cours d’eau typique surveillance Station (pas à l’échelle).
La station contient un poste de Telspar, sur lequel la sonde est suspendue à l’aide d’un câble d’acier, un mousqueton et viroles. Les bagues ne sont pas affichés. Le support en L sur laquelle est monté le capteur de vitesse zone est placé dans le lit du ruisseau et est fixé solidement au poteau à l’aide des écrous et des boulons. L’échantillonneur automatique (non illustré sur la figure) tire l’échantillon d’eau d’un tuyau qui contient un filtre à l’extrémité. Le câble du capteur de vitesse zone est relié au module de flux (non illustré). s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. capteur de pression (capteur PT)
    1. chaque fois que le capteur de vitesse zone n’est pas disponible, mesurer la profondeur à l’aide d’un transducteur de pression.
    2. Installer la sonde PT à l’intérieur du poste de Telspar et le fixer avec un fil d’acier et bagues ; la pointe du capteur doit toucher juste le lit du ruisseau. Programmer le capteur PT pour mesurer la profondeur d’eau à intervalles de 15 min.
  2. Manuel décharge mesure
    1. stations avec une sonde PT comme une décharge mesureur, décréter une courbe hauteur-débit par mesure manuellement la décharge sur une plage de débits, couvrant au moins faible, moyen et élevé flux. Diviser la section transversale en plusieurs segments (30-60 cm de large), selon la largeur de l’écoulement. Mesurer la vitesse moyenne dans l’axe du segment à l’aide d’un débitmètre portable. Si la profondeur est < 10 cm, mesurer la vitesse maximale et multiplier par 0,9 pour obtenir la vitesse moyenne. Si la profondeur est de 10 à 75 cm, mesurer la vitesse à 0,6 de la profondeur pour déterminer la vitesse moyenne de 15. Pour les profondeurs supérieures à 75 cm, mesurer des vitesses à trois profondeurs (0,2, 0,6 et 0,8 de la profondeur de la surface de l’eau) et leur moyen 15.
    2. Calculer le rejet d’un segment à l’aide de la vitesse moyenne, la largeur et la profondeur du segment et les rejets de tous les secteurs pour obtenir un rejet total de la somme.
    3. Suivre la procédure pour les gammes de flux couvrant basse, moyenne et hautes flux.
    4. Déterminer la relation entre la scène (c.-à-d., la profondeur du débit mesuré par le capteur de pression au moment de la mesure de décharge manuelle) et les rejets mesurées.
      Remarque : Si la décharge est trop élevée pour mesurer la vitesse manuellement, un capteur de vitesse zone temporaire permet faire une relation entre la décharge mesurée par le capteur de vitesse surface et la profondeur mesurée par le capteur PT.
  3. Eau qualité multiparamétrique sonde
    1. monter la sonde sur le post de Telspar avec un fil d’acier, viroles et un mousqueton pour sonde sécurité et facilité d’installation et l’enlèvement ( Figure 1). Placer la sonde sur le côté en aval du poste Telspar pour prévenir les dommages causés par les débris ou bois bûches qui peuvent venir flottant avec le cours d’eau, particulièrement durant les inondations. Placez la partie inférieure de la sonde au moins 1 à 10 cm au-dessus du lit du ruisseau pour réduire la probabilité d’accumulation de sédiments sur la sonde.
      Remarque : La sonde doit toujours être immergée dans l’eau. Par conséquent, dans un ruisseau avec des débits variables, la sonde doit être suffisamment élevées pour réduire l’accumulation des sédiments sur la sonde et suffisamment bas pour empêcher que la sonde s’exposés à l’air. Toutefois, pour un canal à débit variable de moins, la sonde peut être placée tel que les capteurs sont environ 10 cm sous la surface de l’eau.
      Remarque : Si la sonde dispose d’un capteur de profondeur, la hauteur de la sonde de profondeur dans le lit du canal doit être mesurée pour tenir compte de la profondeur de montage de la sonde de profondeur au-dessus du lit du canal.
    2. Puissance de la sonde avec des batteries internes et/ou des batteries externes. Utilisez une boîte de batterie portable pour loger la batterie externe et un câble de communication pour se connecter à la sonde. La sonde à recueillir des données toutes les 15 min et télécharger les données directement à l’ordinateur via le câble de communication du programme.
  4. Échantillonneur automatique
    1. installer un échantillonneur automatique dans le logement de la météo-protection en haut de la berge sur sol stable. Puissance de l’échantillonneur automatique avec une batterie au plomb. Installer un panneau solaire de 20 W pour charger la batterie sur le site.
    2. Fixer un tuyau filtre sous l’eau avec le poteau de Telspar ou le support en L et branchez-le sur l’échantillonneur automatique avec un tuyau de.
      Remarque : L’échantillonneur automatique tire l’eau du flux via le filtre et le tuyau.
      Remarque : Le positionnement de la conduite de la crépine est important pour obtenir des données représentatives. Dans ce protocole, il a été placé en supposant aucune variabilité transversale.
    3. Programmer l’échantillonneur automatique d’échantillon d’eau hebdomadaire ou selon besoin. Consultez le manuel de l’échantillonneur automatique fourni par le fabricant.
      Remarque : L’échantillonneur automatique peut être programmé pour l’échantillon d’eau issu des précipitations, débit, temps ou une combinaison. L’échantillonneur peut être programmé pour goûter un échantillon dans des bouteilles de beaucoup, beaucoup d’échantillons dans un biberon (composite), ou une combinaison.
      Remarque : L’auto-échantillonneur recueille un volume d’eau (2 000 mL) nécessaire à l’analyse des paramètres supplémentaires dans le laboratoire. En plus de suivi qualité continue de l’eau à l’aide de la sonde, les échantillons sont analysés sur une base hebdomadaire pour la concentration des sédiments en suspension.

5. Capteur et Sonde entretien

  1. capteur de vitesse zone propre à chaque visite pour réduire les débris sur ou près de la surface du capteur.
  2. Fréquemment étalonner des capteurs sur la sonde.
    Remarque : La fréquence est dépendant de la saison, l’hydrologie, bassin versant, type de capteur et taux d’encrassement. Dans les bassins versants choisis ici, étalonnage devait toutes les 2 semaines pour recueillir des données de bonne qualité.
  3. Remplacer les consommables tel que recommandé par le fabricant.
    Remarque : Ceci inclut un pH référence électrode/hab, un cap (membrane) pour le capteur, ion-Astuce capteurs (nitrate et ammonium) et un essuie-glace de circulation et brosses.
  4. Envoyer la sonde pour réparation en usine si nécessaire (par exemple, si le capteur ne lit pas les valeurs acceptables pour les normes, même après réinitialisation et de recalibrer, ou si les capteurs ne parviennent pas d’étalonnage).

6. Échantillonnage sur le terrain et des analyses de laboratoire

  1. préparer à l’avance pour l’excursion de maintenir les capteurs et de recueillir les échantillons d’eau prélevés automatiquement ou les échantillons manuellement l’échantillon et de recueillir de l’eau si un échantillonneur automatique n’est pas disponible sur le site. Assurez-vous d’inclure les éléments répertoriés dans la liste de contrôle (tableau 1).
  2. Recueillir les échantillons d’eau dans un endroit propre (c'est-à-dire, l’acide lavé et rincé) et sécher le pot (10 L), étiquetez-les et les transporter sur la glace le plus tôt possible d’analyse au laboratoire.
    Remarque : L’échantillon de l’eau recueillie est un échantillon représentatif des conditions réelles au moment de l’échantillonnage et à l’endroit donné ; l’intégrité de l’échantillon prélevé doit être préservée contre la contamination et physiques, chimiques et biologiques change 12.
    Remarque : Le matériel de conteneur requis peut-être être différent pour certains analytes d’intérêt, alors que l’acidification et/ou filtration peut-être être requise sur le site.
  3. Analyser le colsélectionné l’eau des échantillons en laboratoire au moyen de méthodes normalisées avant l’exploitation agréée fois 16.
    Remarque : Les échantillons d’eau peuvent être analysés 353.2 EPA ; 4500-NO3 pour les nitrates, EPA 353.2 ; 4500-NO2 pour les nitrites, EPA 365.1 ; 4500-PI pour le phosphate, EPA 350,1 ; 4500-PJ pour l’azote total, EPA 365,4 ; 4500-PJ pour le phosphore total, 2540-D pour les matières en suspension, 2540-C pour total des solides dissous et D 3977-97 pour les sédiments en suspension concentration 16 , 17.
  4. Suivre le contrôle approprié de la qualité et les contrôles, tels que les flans, les normes, les répétitions, etc., pendant l’analyse. Suivre le Plan de projet d’Assurance de la qualité (PPAQ).
  5. Remplir la chaîne des feuilles de garde pour le collecteur d’échantillon et le personnel de laboratoire et conserver une copie de chacun. Notez tous les événements inhabituels ou notables observées sur le terrain sur la chaîne des feuilles de garde.

7. Collecte de données et d’analyse

  1. eau frais virés des données qualité et quantité de sondes, le module de flux et de laboratoire.
  2. Enregistrer une copie de toutes les données brutes avant de travailler avec la correction des données et l’analyse.
  3. Soigneusement examiner les données recueillies sur la turbidité et supprimer tout zéro (par exemple, 0.0 NTU), NAN, ou valeurs déraisonnables (par exemple, 3 000 NTU ; limite supérieure de détection du capteur) avant une analyse plus approfondie.
    Remarque : Il faut être prudent lorsque vous retirez toutes les données. Elles sont supprimées uniquement lorsque les conditions particulières au site dans les notes de champ identifient et déterminer que les données ne sont pas raisonnables.
  4. Utiliser la relation hauteur-débit pour calculer la décharge de la sonde PT.
    NOTE : La profondeur mesurée par le capteur PT doit être pression compensée.
    1. Utilisation du fabricant (In situ Inc.) logiciel, " Baromerge, " de corriger après les données du capteur PT.
      NOTE : Les données peuvent être corrigées par une valeur fixe de la pression barométrique en saisissant des valeurs de la pression barométrique nombreux manuellement et automatiquement avec un fichier de journal de baroTroll. Ce protocole utilise un fichier de log baroTroll déployé à un emplacement à proximité de corriger automatiquement les données des capteurs PT.
  5. Pour les données de zone-Vitesse de capteur, supprimer n’importe quel flux négatif qui pourrait être artefact capteur.
    ATTENTION : Parfois il pourrait en fait être des flux négatif, selon le site. Dans ce cas, ne pas ignorer la vitesse négative.
  6. Calculer des données manquantes de décharge, une régression linéaire entre le débit en amont ou en aval et de la décharge à la station de.
    Remarque : La relation devrait être statistiquement significative, qui est habituellement le cas entre les décharges pour toutes les stations en amont et en aval. Dans les bassins versants testés ici, la corrélation est significative (p < 0,01) et le coefficient de corrélation est supérieur à 93 %. Toutefois, les données manquantes de la décharge ne peuvent être remplies à l’aide de cette méthode, si la distance entre les sites est courte et les caractéristiques du bassin versant demeurent semblables.
  7. Ne pas remplir les données manquantes de qualité de l’eau.
    NOTE : Les données de qualité de l’eau sont touchées par de nombreuses variables (p. ex., dates et application d’engrais, si la décharge augmente ou diminue, des conditions locales spécifiques, etc.).
  8. Effectuer une analyse de régression entre la concentration des sédiments en suspension (SSC) d’après les résultats de laboratoire et de la turbidité (NTU), mesurée dans le flux.
    Remarque : Une telle régression est sensible à la distribution de taille des sédiments, telle que si sable constitue une fraction importante, mais variable de la SSC, la régression sera médiocre. Toutefois, elle peut être améliorée si les sables et les amendes sont séparés au cours de l’analyse des échantillons et si les amendes sont corrélés à la SSC. La régression permet de calculer des valeurs continues de SSC.
  9. Puisque les concentrations de polluants varient avec décharge, calculer la concentration pondérée en fonction du débit à l’aide de l’équation 1 6. Calculer la concentration moyenne pondérée en fonction du débit (selon) sur une base journalière, en utilisant les données horaires. Vous pouvez également calculer sur une base horaire à l’aide de données de 15 min ; les FWMCs sont intégrée dans le temps ainsi.
    figure-protocol-1
    où
    selon = concentration moyenne pondérée en fonction du débit sur une base quotidienne
    ch. j’ai = concentration d’i e échantillon
    t j’ai = temps, 1 h
    q je = j’ai décharge ème échantillon
    j’ai = 1 à 24
  10. appliquer les techniques statistiques appropriées pour atteindre les objectifs de données. Lorsque les données sont non normal, transformer les données pour les rendre normal ou utiliser la médiane ± écart interquartile. Effectuer des tests non paramétriques pour données non-normales.

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Résultats

Dans la publication (2017) Aryal et Reba, ce protocole a été utilisé pour étudier le transport et la transformation des nutriments et de sédiments dans deux petits bassins hydrographiques agricoles6. Résultats complémentaires du présent protocole sont décrites ci-dessous.

L’eau de pluie-débit qualité relations :

La force de surveillance continue, c...

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Discussion

Dans l’ensemble, la surveillance continue des nutriments et de sédiments a plusieurs avantages sur la surveillance à l’aide de la méthode d’échantillonnage de grab. Processus hydrologiques et de l’eau de la qualité sont affectés par les précipitations pendant un très court laps de temps. Les utilisateurs peuvent obtenir hautes résolution temporelle de données sur les nutriments et de sédiments pour étudier des problèmes complexes. Autres paramètres de qualité de l’eau, telles que la conductivité, pH, température et DO, p...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

La recherche n’a pas été possible en raison du financement de projet d’évaluation pour les effets Conservation (CEAP). Nous sommes particulièrement reconnaissants pour l’autorisation d’accès à des sites auprès des producteurs, aide à la recherche de membres de l’USDA-ARS-Delta eau unité de recherche en gestion et analyse de l’échantillon par le personnel du centre de recherche d’écotoxicologie, Université d’Etat de l’Arkansas. Cadre de cette recherche était accompagnée d’un rendez-vous pour le programme de Participation de ARS, administré par l’Institut d’Oak Ridge pour la Science et l’éducation (Siero) grâce à un accord interinstitutions entre le U.S. Department of Energy et l’USDA. ORISE est gérée par ORAU sous le numéro de contrat DE-AC05-06OR23100 DOE. Toutes les opinions exprimées dans ce document sont de l’auteur et ne reflètent pas nécessairement les politiques et les vues de l’USDA, ARS, DOE ou ORAU/ORISE.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
La sonde multiparamétriqueHach HydrolabDS5Xmesure la température, le pH, la conductivité, l’oxygène dissous, le nitrate, l’ammonium, la turbidité
Le module et le capteur de vitesse de zoneTeledyne Isco2150mesure la vitesse moyenne du courant et la profondeur d’écoulement, et calcule le débit et le débit total en fonction de la section transversale fournie du fossé. Les données stockées peuvent être téléchargées directement sur l’ordinateur.
L’échantillonneur d’eau portable automatiqueTeledyne IscoISCO 6712échantillonne automatiquement l’eau dans l’intervalle défini ou en conjonction avec le module de débit et le
capteur Le transducteur de pressionIn-situ RuggedTroll 100mesure la pression, le niveau et la température dans l’eau. Les données stockées peuvent être téléchargées directement sur l’ordinateur
Débitmètre portableFlo-mate (Hach)Marsh-McBirney 2000Pour la mesure manuelle de la décharge
Batterie, 12 v, rechargeableUPGUB 1270Pour alimenter la sonde
Batterie, 12 v, rechargeableInterstate BatteriesSRM 27Batterie au plomb pour alimenter l’échantillonneur
automatique Panneau solaireAlt EALT20-12PPour recharger la batterie sur le site
C-8
Étalonsd’étalonnage Hach ou Fisher ScientificPlusieursétalons de pH (4,7,10), de conductivité (1412 uS/cm), de nitrate (5 et 50 mg/L), d’ammonium (5 et 50 mg/L) et de turbidité (50,100,200 NTU)
Étalon élevé en nitrateHach013810HY50 mg/L
Étalon faible en nitrateHach013800HY5 mg/L
Étalon à haute teneur en ammoniumHach002588HY50 mg/L
Étalon à faible teneur en ammoniumHach002587HY5 mg/L
Étalon de turbiditéFisher scientificR8819050-500G50 UTN
Étalon de turbiditéFisher scientific88-061-6100 UTN
Étalon de turbiditéFisher scientificR8819200500 C200 NTU
Pastilles de sel de chlorure de potassiumHach005376HYpour maintenir l’électrolyte pour l’électrode de pH
Chlorure de potassiumétalon Fisher scientific5890-161412 us/cm
Solution tampon, pH 4Fisher scientificSB99-1pour l’étalonnage de la sonde
de pH Solution tampon, pH 7Fisher scientificSB108-1pour l’étalonnage de la sonde de pH
Solution tampon, pH 10Fisher scientificSB116-1pour l’étalonnage du capteur
de pH Mastic siliconeHach00298HYPour l’étanchéité du couvercle de la batterie du capteur
Nettoyant tout usageétanche Sunshine Makers IncLingettes vertes
Kimberly-Clark
Support
Poteau TelsbarUnistrut Service CompanyCapteurs et sondes sécurisés dans le flux
Sonde de soude ded’acier
MousquetonSonde de descente et capteur PT
Clé
Treillis métallique en cuivreOiseau B GoneRouleau de maille de cuivre de contrôle des rongeurs et des oiseaux
Ruban adhésifAgri Drain CorporationRuban pour carrelage, fonctionne par temps humide et froid
Batteries simplesen Lfil et capteur PTAllen

Références

  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).
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  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).

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