מאמר שיטה

לכידת משוקלל זרימת מים, חלקיקים מן התעלות חקלאית במהלך אירועים ניקוז

DOI:

10.3791/56088

⸱

7 בנובמבר 2017

 ,  ,  , 
1Soil and Water Sciences Department, University of Florida, 2Everglades Research and Education Center, University of Florida

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

חומרים מזינים מתנה בצורת חלקיקים יכול לתרום באופן משמעותי עומסי הכוללת במים חקלאית ניקוז. מחקר זה מתאר שיטה כדי ללכוד חלקיקים מן החווה תעלת ניקוז ומים משוקלל זרימה מעל לכל אורך האירוע ניקוז.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מטרתו של מחקר זה היא לתאר את שיטות השתמשו כדי ללכוד משוקלל זרימת מים, חלקיקים של תעלות החווה במהלך ניקוז הפרשות אירועים. תעלות החווה יכול להיות מועשר על ידי חומרים מזינים כגון זרחן (P) כי הם רגישים תחבורה. זרחן בצורה של חלקיקים לתרום באופן משמעותי עומסי P הכולל ניקוז המים. ניסוי טנק שיקוע נערך כדי ללכוד חלקיקים במהלך אירועים בדידים ניקוז. החווה תעלת מים פריקה נאסף בסדרה של שני מיכלי שיקוע 200 L מעל לכל אורך האירוע ניקוז, כדי לייצג את subsample ללא הפרדות צבע של המים משחררים. קונוסים שיקוע Imhoff משמשים בסופו של דבר ליישב את החלקיקים. זו מושגת על ידי לשאוב מים מן מיכלי שיקוע באמצעות הקונוסים. . החלקיקים נאספים ואז עבור ניתוחים הכימי פיזיקלי.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

גורל ותעבורה של חלקיקים כבר הנושא של מחקרים רבים בשל תפקידה אאוטריפיקציה, בפרט ומערכות חקלאיות1,2. הערכה מקיפה של חומרים מזינים הכלול חלקיקים בתוך מערכת המים יש צורך לחקור נושאים סביבתיים רבים כגון, רכיבה פנימית של חומרים מזינים ולשחרר שמעליה מים עמודה3, המצע יציבות, זמינות אור בתוך עמודת המים, ובסופו מים באיכות דאגות אקולוגיות במורד הזרם4. הכמות של זרחן (P) מאוחסנים בצורת חלקיקים (חומר אורגני או משקעים) הוא בדרך כלל גדול יותר מים בטור5. מחקר שנערך על ידי קני ואח. 6 הראו כי משקעים האחרונים נרשמו בפלורידה, אגם Lochloosa היו בין את טווח הגילאים של 1900 ו- 2006. משקעים אלה צעיר הכיל P כמעט פי 55 יותר מזה אשר היה נוכח עמודת המים. גישה אחת לאפיין את ההשפעה הפוטנציאלית שיש חלקיקים על מערכת מסוימת היא לערוך ספירת מלאי כמותית של הזרחן המאוחסן משקעים שוחרר במהלך אירועים ניקוז. איסוף וניתוח של חלקיקים משוחררים אלה יכולים לסייע להעריך במורד הזרם העשרת מזון משפיע על מערכות אקולוגיות רגיש.

סערה אירועים בדרך כלל מייצגים חלק קטן של הזמן, עדיין יכול לתרום הרוב המכריע של P פריקה טעינה ב חווה ניקוז. זה כי על מנת למנוע הצפה שדות, מנוקז כמויות גדולות של מים על פני פרקי זמן קצרים. עוצמת הגשמים וקצבי זרימה חיוניים נהיגה הגורמים יכול לשלוט ריכוז מהמשקעים ב אוברלנד נגר7. תכנון פיקוח על שיטות הלוכד דגימות משוקלל זרימת מים ללא הפרדות צבע יעזור למנוע השגיאות המשויכות אירועי גשם בעוצמה גבוהה, מורכבת. במהלך אירועי הפרשה גבוהה כמו סערות, השינויים מהיר, דרסטית בריכוזים לא יכול להיות נציג של ריכוז מזהמים הממוצע עבור אמצעי האחסון מצטבר. לכן, דגימות מים משוקלל הזרימה מייצג בדיוק רב יותר את הריכוז של אירוע הפרשות כפי שהוא סיכום של עומסים על פני תקופה של זמן8. הדגימות משוקלל זרימה הנפוצים ביותר הם הדוגמאות שנאספו באופן אוטומטי דיסקרטית או ללא הפרדות צבע. על-ידי לכידתו של חלקיקים המיוצא מהחווה ניקוז במהלך פריקה מאפשר לנו לכמת את חומרת האירוע ב- P טעינה. השיטה המתוארת בעלון לכידה זו עוזרת מחקר. החלקיקים זה ניתן לאפיין מאוחר יותר עבור תכונות פיסיקליות וכימיות שונות. החידוש של דגימה ניקוז הפרשות באמצעות שיטה זרימה רציפה ללא הפרדות צבע נגד גזל הדגימה היא שזה ייצוג טוב יותר של תנאי המגרש מעל לכל אורך האירוע ניקוז. ואילו, קח דגימה "תמונה" בזמן, אולי לא לגמרי מייצגים את ההשפעה של האירוע כולו.

אוורגליידס חקלאי האזור (אאה) בדרום פלורידה, ארה ב היא מרחב גדול של האברגליידס המקורי זה היה מחולק לערוצים, גמע לחקלאות, פיתוח מסחריים, ובתי מגורים. כמעט מיליון 1,100 מ'3 של מים משוחרר מדי שנה מכל, דרך את אאה לדרום ודרום-מזרח9. קרקעות באזורים אאה הם Histosols בדרך כלל מכילים מעל 85% אורגני מחומר לפי משקל, יש פחות מ- 35% מינרלי תוכן10. תעלת משקעים בדרך כלל יש צפיפות בצובר נמוך (בין 0.14 g ס מ-3 ל 0.35 g ס מ-3), חומר אורגני גבוהה תוכן (בין 31-35%) ואת הערכים הכולל P (TP) הנעים בין-1,089 מ"ג 726 ק ג-1 11.

לצורך ההדגמה, חווה בתוך אאה נבחר. Hydroscape של מה מים זורמים בתוך אאה תלוי משאבות כוח המשיכה. כל אחד חווה אאה כוללת על התעלה המרכזית אחד לפחות, ואת מספר תעלות שדה. השדה תעלות בניצב לרוץ אל התעלה הראשית. המשאבות בדרך כלל לשרת מטרה כפולה; לספק מים להשקיה לחווה, והם גם הפרשות ניקוז מים מרחוק. כאשר השדות צריך להיות מנוקז, מים בתוך התעלה המרכזית היא יורדת, ניקוז המים מן השדה לתוך התעלות, מונע על ידי מעבר הדרגתי הידראולי. עקב רק מדרון קלה ברוב השטח כמות המשקעים המתרחשת על שדות זורם דרך הפרופיל אדמה במעבר לשדה תעלות.  במהלך השקיה, המערכת זה מתהפך. יש אין רשת של ניקוז אריח אאה. מי התהום נשמר בגובה מסוים בשל שכבת סלע גיר הזוטר חונק את קרקעות.  מים מובא דרך תעלות הראשי; שדה חפירים מלאים, ומותר המים מחלחלים לתוך הפרופיל אדמה כדי להעלות את רמות המים טבלה בשדות. בדרך כלל, דרישות השקיה במים אאה להתרחש במהלך חודש מרץ, April ו- May (העונה היבשה), עם מעט מאוד ניקוז הפרשות. לעומת זאת, נפח המים משחררים בין יוני לאוקטובר (העונה הרטובה) הוא גבוה יותר באופן משמעותי. הנוכחות של תעלת בנק berms, תעלות מאפשר נגר מינימלית כמו מקור פוטנציאלי של P טעינה אל החווה תעלות12.

בניסוי זה חזותי, אנו מציגים שיטה של לכידת משוקלל זרימת חלקיקים במהלך אירועים ניקוז יכול לשמש לאחר מכן הכימי פיזיקלי אפיון כגון צפיפות בצובר, חומר אורגני תוכן ו- P fractionation13 ,14.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. התקנה אוגר נתונים של פעולתו

  1. לזהות חווה המחקר ולהתקין אוגר נתונים שמפעיל של תעשיה לאסוף דגימות זרימה מורכבים על בסיס יחסי תזרים, המחייב ניטור רמות תעלת, מהפכות ראש משאבת, משאבת כיול משוואת.

figure-protocol-1
איור 1: סמפלר ישקו נהגה תוכנית auto-דגימה נהלי ניקוז ללא הפרדות צבע המים ואת החלקיקים מים דגימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. לנטר את רמות תעלת החווה באמצעות לחץ מתמרים המותקן התעלות תזרים, יצוא הסמוך לתחנה משאבת.
  2. משאבה צג מהירות באמצעות מתגי קירבה המותקנים על הראש משאבת; מהירות מתועדים על ידי אוגר נתונים סיבובים לדקה (סל ד).
    הערה: מתגי קירבה הם חתיכות מתכת אשר עבר אחד את השני לספור את מספר rpms. הם נמצאים מרותך ראשי משאבת.
  3. גשמים מדידה באמצעות גלגלי של דלי מד גשם מחובר אליו אוגר נתונים.
    הערה: אוגר נתונים מתקשר על ידי בדיקות וטלמטריה רדיו לתחנת רדיו הבסיס ממוקם המרכז לחינוך ומחקר אוורגליידס UF/IFAS. טלמטריה אין צורך לשליטה איסוף הדגימה, רק עבור איסוף נתונים ואחסון.

2. ניקוז משוקלל זרימת מי שופכין

  1. חישוב ניקוז זרימה של אוגר נתונים באמצעות משוואה כיול משאבות עבור כל משאבה. ניקוז משוקלל זרימה דגימה מושגת על ידי מזהמי מזון זה הוא actuated מאת אוגר נתונים לאחר אמצעי ניקוז ההדק מושגת.
    הערה: משאבת ומהירות הזרימה התעריפים משתנים מעל 24 שעות. דגימה ישקו מופעלת על ידי נפח המים משתחרר, לא את הקצב. מזהמי מזון מתוכנת כדי לאסוף דוגמה משנה לאחר פריקה נפח קבוע של מים. הנפח של מים פריקה מכויל מבוסס על מספר משאבת rpms.
  2. לאסוף דגימת מים ללא הפרדות צבע (מינימום 500 mL) באמצעות בחיי עיר אוטומטיות סמפלר ממוקם בתחנה משאבת ופתח ללכוד דגימת מים מורכבים מדי יום במהלך אירועים ניקוז.
    הערה: הדוגם ישקו הוא plumed אל מיכלי איסוף באמצעות צינורות מהגרעין דרך אוגר נתונים זה לוקח דגימה 2 ל' כל 2 דקות עד 400 ל'
  3. תוכנית דגימה המפעיל אמצעי אחסון כדי לאפשר לכל היותר דגימות 30 לכל 24 שעות פריקה נקודה.
    1. תוכנית אוגר נתונים לאסוף דגימות זרימה מורכב על-ידי ביצוע השלבים הבאים: הזן תוכנית → תוכנית → זרימה דגימה → לדגום כל 1 פולסים → 30 דוגמאות ללא הפרדות צבע → נפח דגימה של 130 מ ל → כיול לדגום נפח [לא] → להזין שעת ההתחלה [לא] → תוכנית משימה הושלמה.
  4. לאחסן הדגימות מרוכבים משוקלל זרימה מקרר באתר ב 4 ° C עד ליקוט ושינוע בחזרה אל המעבדה ניתוחים ב מקרר מלא קרח.
  5. לנתח דגימות מים עבור P תגובתי מסיסים בתוך 24 שעות ממועד איסוף הדגימה. יכול להיות acidified והם מאוחסנים ב 4 ° C עד 28 ימים 15 דגימות המשמשות לצורך ניתוח הכולל P (TP).

3. לכידת מושעה חלקיקים

  1. במקום סדרה של שיקוע-טנקים שני של 200 L PVC, את החווה תעלת פריקה המים על-פני משך תקופת ניקוז כדי ללכוד ולאפיין את החלקיקים.
    1. תוכנית אוגר נתונים כדי לאסוף חלקיקים דוגמאות על-ידי ביצוע השלבים הבאים: תוכנית → זמן דגימה → לטעום כל 2 דקות → דגימות ללא הפרדות צבע [200] → נפח דגימה לכייל [לא] → להזין שעת התחלה [לא] → רצף מלא → הכפתור דגימה.
  2. לאסוף ניקוז משוקלל זרימת מים במיכלים הגדרה (2 L כל 2 דקות) בהתבסס על נפח המים על פני תקופה איסוף 24 שעות.

figure-protocol-2
איור 2: טנקים שני 200 L המשמש לאיסוף ניקוז המים. חלקיקים ליישב בתחתית המיכל, מועברים בדליים 5 ליטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. לשאוב את עודפי המים באמצעות צינורות כמו חלקיקים מתחילים להתיישב בתוך הטנקים.
  2. להעביר את החלקיקים דליים 5, ומובילים אותם בחזרה מעבדה ומניחים במקרר 4 ° C.
  3. לשאוב תוריד את המים העודפים לאחר שקאהן התיישב במשך 24 שעות ביממה, ולהעביר את החלקיקים לתוך Imhoff להתיישב קונוסים.
  4. לאחר מלהתפשר על פחות שעה, לשאוב את עודפי המים בפעם האחרונה לפני חלקיקים שיוחסו מועברים לתוך צנצנות פקק מתברג מראש שנשקל 500 מ"ל לאחסון ב-4 מעלות צלזיוס
  5. שוקל צנצנות עם דגימות חלקיקים.
  6. להמשיך עם זרחן fractionation ניתוחים כפי שתואר על ידי הדלי, סטיוארט 14.

figure-protocol-3
איור 3: Imhoff להתיישב קונוסים נהג לאסוף חלקיקים בשבי למיכל שיקוע. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

השיטה המתוארת במחקר זה מאפשר לנו ללכוד מים וחומר חלקיקי כי היא משוחררת במהלך השאיבה אירועים בתוך תעלות החוות. המים ואת החלקיקים הנאספות הן משוקלל זרימה, ומשמעות הדבר היא כי הם נציג לכל אורך האירוע שאיבה, לא רק תמונה חד-פעמי; מה שהופך אותו נציג מאוד של סוג החומר טענתו. ניתן לאחסן את המים ואת חלקיקים כדי להיות מנותח על פרמטרים שונים הפיסיקליות והכימיות. במאמר זה, אנחנו סיכם חלק מהמאפיינים של החלקיקים מתוך שלוש תעלות החוות בתוך אאה. חלק מן הבדיקות הכימי פיזיקלי של החלקיקים מראים כי הם מאוד א...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autosamplers ניקוז מים אוסף חלקיקי הוצבו ליד היציאה משאבה אוגרי נתוני התחנה. כוח סופקו על ידי סוללות V 12 הנגבים על ידי פאנלים סולאריים. Autosamplers היו בשליטת אוגרי נתוני באתר, וזה הפך את autosamplers על מתי המשאבות יציאה רץ, ולא לבטל אותם כאשר שאיבה הפסיקה. פתחים של הקווים צריכת סמפלר היו מוצבים 0.5 m מעל התעלה התחתונה של upflow מן תחנת משאבת. הקווים צריכת נערכו במקום על-ידי התקנת של מתכת רצפתיים לתוך התעלה התחתונה ו zip קשירת צריכת לתור מוטות מברזל. דוגמאות 2 ל' נאספו לתוך בחיצים 200 להתיישב טנקים מינימלית 3 כל הדגימ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ישנם אין גילויים הקשורים במחקר זה.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אנחנו רוצים להודות פבלו חיוניים, ג'וני מוסלי לעזרה עם שדה דגימה, ואת ויויאנה נדאל אירינה Ognevich לעזרה עם המעבדה ניתוחים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
DataloggerCampbell Scientificדגם CR1000
דגימה אוטומטיתISCOדגם 3700
מתמר לחץKPSIדגם 700
מד גשם דלי הטיהטקסס אלקטרוניקהדגם TR-525
אשלגן כלוריפישר7447-40-7
נתרן הידרוקסידפישר1310-73-2
חומצה הידרוכלוריתפישר7647-01-0
חומצה גופרתיתפישר7664-93-9
אשלגן פרסולפטפישר7727-21-1
אמוניום מוליבדט טטרהידרטפישר12054-85-2
L-חומצה אסקורביתפישר50-81-7
100 מ"ג/ליטר פוספט נטול מים תקןERA061
אנטימון אשלגן טרטרט טריהידרטפישר28300-74-5
מסנני ממברנה DuraporeMilliporeHVLP04700
Whatman #41 נייר סינוןWhatman1441-150
שייקר הדדי במהירות קבועה E6010Eberbach CorporationE6010.00
צינורות תרבות חד פעמייםפישר14-961-29
Allegra 25R צנטריפוגהבקר קולטרארה"ב 605168-AC
ParafilmBemis Company Inc PM 99913-374-12
צינורות צנטריפוגה אוק רידג'Nalgene3119-0050
Fisherbrand 20 מ"ל HDPE בקבוקוני נצנוץ עם כובע אוריאהפישר03-337-23C
פישרברנד  צנצנות פוליפרופילן טבעיות עם כובע פוליפרופילן לבן לא מרופדפישר02-912-024A
0.45 מסנני ממברנהCole-Parmerפריט # UX-15945-25
צינורות עיכול 100 מ"לFisher TC1000-0735
משפכי זכוכיתפישר03-865
ספקטרוניק 20 GenesysThermo-Fisher4001-000
QuikChemLatchat8500

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sims, J. T., et al. Phosphorus loss in agricultural drainage: historical perspective and current research. J. Environ. Qual. 27, 277-293 (1997).
  2. Van Esbroeck, C. J., et al. Surface and subsurface phosphorus export from agricultural fields during peak flow events over the non-growing season in regions with cool, temperate climates. J. Soil Water Conserv. 72, 65-76 (2017).
  3. Bhadha, J. H., et al. Phosphorus mass balance and internal load in an impacted subtropical isolated wetland. Water Air Soil Pollut. 218, 619-632 (2011).
  4. Eyre, B. D., McConchie, D. The implications of sedimentological studies for environmental pollution assessment and management: Examples from fluvial system in north Queensland and western Australia. Sediment. Geol. 85, 235-252 (1993).
  5. Bhadha, J. H., et al. Soil phosphorus release and storage capacity from an impacted subtropical wetland. Soil Sci. Soc. Amer. J. , 74(2010).
  6. Kenney, W. F., et al. Whole-basin, mass-balance approach for identifying critical phosphorus-loading thresholds in shallow lakes. Journal of Paleolim. 51, 515-528 (2014).
  7. Freebairn, D. N., Wockner, G. H. A study of soil erosion on vertisols of the Eastern Darling Downs, Queensland. Effects of surface conditions on soil movement within contour bay catchments. Aust. J.Soil Res. 24, 135-158 (1986).
  8. Erickson, A. J., et al. Optimizing stormwater treatment practices: a handbook of assessment and maintenance. , Springer. New York. (2013).
  9. Abtew, W., Obeysekera, J. Drainage Generation and Water Use in the Everglades Agricultural Area Basin. J. Amer. Water Res. Asso. 32, 1147-1158 (1996).
  10. Daroub, S. H., et al. Best management practices and long-term water quality trends in the Everglades Agricultural Area. Cri. Rev. Environ. Sci. Technol. 41, 608-632 (2011).
  11. Bhadha, J. H., et al. Influence of suspended particulates on phosphorus loading exported from farm drainage during a storm event in the Everglades Agricultural Area. J. Soil Sed. 17, 240-252 (2017).
  12. Diaz, O. A., et al. Sediment inventory and phosphorus fractions for water conservation area canals in the Everglades. Soil Sci. Soc. Amer. J. 70, 863-871 (2006).
  13. Reddy, K. R., et al. Forms of soil phosphorus in selected hydrologic units of Florida Everglades. Soil Sci. Soc. Amer. J. 62, 1134-1147 (1998).
  14. Hedley, M. J., Stewart, J. W. Method to measure microbial phosphate in soils. Soil Biol. Biochem. 14, 377-385 (1982).
  15. EPA. Method 365.1, Revision 2.0: Determination of Phosphorus by Semi-Automated Colorimetry. O'Dell, J. W. , (1993).
  16. Bhadha, J. H., et al. Effect of aquatic vegetation on phosphorus loads in the Everglades Agricultural Area. J. Aqu. Pla. Man. 53, 44-53 (2015).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים