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Articolo metodologico

Instream continuo monitoraggio delle sostanze nutrienti e sedimenti nei bacini agricoli

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⸱

DOI:

10.3791/56036

⸱

26 settembre 2017

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

In questo articolo

Sommario

Con l'avanzamento della tecnologia e l'aumento delle aspettative dell'utente finale, è aumentata la necessità e l'uso di dati di risoluzione temporale superiore per la stima del carico inquinante. Questo protocollo descrive un metodo per il continuo in situ acqua qualità monitoraggio per ottenere maggiore risoluzione temporale dati per acqua informato le decisioni di gestione di risorse.

Abstract

Concentrazioni di inquinanti e carichi nei bacini di variano considerevolmente con il tempo e lo spazio. Informazioni accurate e tempestive sulla grandezza di inquinanti delle risorse idriche sono un prerequisito per comprendere i driver dei carichi inquinanti e per prendere acqua informato decisioni di gestione risorse. Il metodo comunemente utilizzato di "afferrare il campionamento" fornisce le concentrazioni degli inquinanti al momento del campionamento (cioè, una concentrazione istantanea) e può sotto- o overpredict le concentrazioni di inquinanti ed i carichi. Monitoraggio continuo di sostanze nutritive e sedimenti, recentemente ha ricevuto più attenzione dovuto gli avanzamenti in informatica, tecnologia e dispositivi di storage di rilevamento. Questo protocollo viene illustrato l'utilizzo di sensori, sonde e strumentazione per il monitoraggio continuo in situ nitrati, ammonio, torbidità, pH, conducibilità, temperatura e ossigeno disciolto (DO) e per calcolare i carichi da due flussi (fosse) in due bacini agricoli. Con la corretta calibrazione, manutenzione e funzionamento di sensori e sonde, dati di acqua di buona qualità possono essere ottenuti superando condizioni difficili come l'accumulo di incrostazioni e residui. Il metodo può anche essere utilizzato nei bacini di varie dimensioni e caratterizzato da terreni agricoli, forestali e/o urbano.

Introduzione

Monitoraggio della qualità dell'acqua fornisce informazioni sulle concentrazioni di sostanze inquinanti a diverse scale spaziali, in base alle dimensioni dell'area che contribuisce, che può variare da una trama o un campo a un punto di svolta. Questo controllo avviene in un periodo di tempo, come un singolo evento, un giorno, una stagione o un anno. Le informazioni che ha raccolse dal monitoraggio qualità dell'acqua, principalmente relativi alle sostanze nutritive (ad es., azoto e fosforo) e sedimenti, possono essere utilizzate per: 1) comprendere i processi idrologici, trasporto e trasformazione degli inquinanti nei flussi, come fossati di drenaggio agricolo; 2) valutare l'efficacia delle pratiche di gestione applicate allo spartiacque per ridurre il carico di nutrienti e di sedimento e di aumentare la qualità dell'acqua; 3) valutare la consegna di sedimenti e nutrienti all'acqua a valle; e 4) migliorare la modellazione delle sostanze nutrienti e sedimento per capire l'idrologico e processi di qualità che determinano il trasporto di sostanze inquinanti e le dinamiche sopra la gamma di scale temporali e spaziali delle acque.

Questa informazione è cruciale per il ripristino dell'ecosistema acquatico, pianificazione sostenibile e la gestione delle risorse di acqua1.

Metodo il più comunemente usato per nutriente e monitoraggio dei sedimenti in un bacino idrografico è afferrare campionamento. Gru a benna campionamento rappresenta accuratamente una concentrazione istantanea al momento del campionamento2. Possa rappresentare anche una variazione delle concentrazioni di inquinanti con tempo se campionamento frequente è fatto. Tuttavia, campionamento frequente è tempo intensivo e costoso, spesso rendendo impraticabile2. Inoltre, afferrare campionamento può sotto- o sopravvalutare le concentrazioni di inquinante reale di fuori il tempo di campionamento2,3,4. Di conseguenza, carichi calcolate utilizzando tali concentrazioni potrebbero non essere accurati.

In alternativa, un monitoraggio continuo fornisce informazioni accurate e tempestive sulla qualità dell'acqua in un intervallo di tempo predeterminato, ad esempio un minuto, un'ora o un giorno. Gli utenti possono selezionare gli intervalli di tempo appropriati in base alle loro esigenze. Monitoraggio continuo consente i ricercatori, progettisti e Manager ottimizzare la raccolta del campione; sviluppare e monitorare metriche tempo integrato, quali carichi giornalieri massimi totale (TMDLs); valutare l'uso ricreativo del corpo idrico; valutare le condizioni di flusso basale; e spazialmente e temporalmente valutare la variazione delle sostanze inquinanti a determinare rapporti di causa-effetto e sviluppare un piano di gestione5,6. Monitoraggio continuo di sostanze nutritive e sedimento ha recentemente ricevuto attenzione aumentata dovuto gli avanzamenti nella tecnologia informatica e sensore, il miglioramento delle capacità dei dispositivi di archiviazione e i crescenti requisiti di dati necessari per lo studio dei processi più complessi 1 , 5 , 7. in un'indagine globale di oltre 700 professionisti di acqua, l'uso di multi-parametro sondes aumentata dal 26% al 61% dal 2002 al 2012 e dovrebbe raggiungere il 66% entro il 20225. Nella stessa indagine, 72% degli intervistati ha indicato la necessità per l'espansione della loro rete di monitoraggio per soddisfare i propri dati ha bisogno di5. Il numero di stazioni in una rete di monitoraggio e il numero delle variabili monitorate per ogni stazione nel 2012 si prevede di aumentare di 53% e 64%, rispettivamente, entro il 20225.

Tuttavia, continuo dell'acqua qualità e quantità di monitoraggio nei bacini agricoli è impegnativo. Eventi di pioggia grande mondare i sedimenti e macrofite, contribuendo all'accumulo di sedimenti alto carico e detriti in sensori e sonde. Il deflusso di eccesso di azoto e fosforo applicato a campi agricoli crea le condizioni ideali per la crescita di organismi microscopici e macroscopici e per la formazione di incrostazioni di instream sensori e sonde, soprattutto durante l'estate. Accumulo di incrostazioni e sedimenti può causare sensori fallire, deriva e produrre dati inaffidabili. Nonostante queste sfide, più fine risoluzione temporale (come basso secondo minuto) dati sono richiesti per studiare i processi di deflusso e la contaminazione di origine non-punto, come essi sono influenzati dalle caratteristiche del bacino idrografico (ad esempio, le dimensioni, terreno, pendenza, ecc. ) e la tempistica e l'intensità di pioggia7. Osservazione del campo di attenzione, frequente calibrazione e corretta pulizia e manutenzione può garantire buona qualità dati dai sensori e sonde, anche a una risoluzione di tempo.

Discutiamo qui, un metodo per l' in situ continuo monitoraggio dei due bacini agricoli utilizzando acqua di multi-parametro qualità sondes, zona-velocità e sensori di pressione trasduttore e autocampionatori; loro taratura e manutenzione sul campo; ed elaborazione dei dati. Il protocollo viene illustrato il modo in cui può essere eseguita il monitoraggio della qualità dell'acqua continua. Il protocollo è generalmente applicabile al continuo dell'acqua qualità e quantità di monitoraggio a qualsiasi tipo o dimensione di spartiacque.

Il protocollo è stato effettuato in Northeast Arkansas nel bacino del piccolo fiume Fossati (HUC 080202040803, area2 km 53,4) e Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, area2 km 23,4). Questi due bacini idrografici vuotano nel affluenti del fiume del Mississippi. Un'esigenza di monitoraggio affluenti del fiume del Mississippi è stata identificata dal comitato di conservazione inferiore di fiume del Mississippi e il Golfo del Messico ipossia Task Force per sviluppare un piano di gestione del bacino idrografico e registrare lo stato di avanzamento delle attività di gestione 8 , 9. Inoltre, questi bacini sono caratterizzati come bacini di messa a fuoco per la United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service (USDA-NRCS), sulla base del potenziale di riduzione dell'inquinamento dei sedimenti e degli elementi nutritivi e per migliorare la qualità di acqua10. Monitoraggio di bordo di campo avviene in questi bacini idrografici come parte di tutto lo stato del Mississippi River Basin sano spartiacque iniziativa (MRBI) rete11. Più dettagli dei bacini (cioè, posizioni di siti, caratteristiche del bacino idrografico, ecc.) sono forniti in Aryal e Reba (2017)6. In breve, il piccolo bacino di fossati ha prevalentemente limo terriccio terreni e cotone e soia sono le colture principali, mentre il Lower St. Francis Basin ha principalmente il terreno argilloso Sharkey, e riso e soia sono le colture principali. A ogni bacino idrografico, in situ continuo acqua quantità e qualità (cioè, temperatura di scarico, pH,, torbidità, conducibilità, nitrato e ammonio) di monitoraggio è stato effettuato in tre stazioni nel mainstream usando questo protocollo per comprendere la variabilità spaziale e temporale dei carichi inquinanti e i processi idrologici. Inoltre, i campioni di acqua settimanali sono stati raccolti e analizzati per sedimenti sospesi concentration.

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Protocollo

1. selezione del sito

  1. selezione di spartiacque
    1. selezionare watershed(s) base alla grandezza del problema dell'inquinamento, priorità dello spartiacque, vicinanza con il centro di ricerca, l'accesso al sito, e gli obiettivi dati.
  2. Punti di campionamento del flusso
    1. selezionare la località di campionamento flusso basata allo scopo di studio.
      Nota: Punti di campionamento ottimale sono ben mescolate all'interno di una sezione trasversale, in modo sicuro e facilmente accessibile, geograficamente stabile (cioè, sezione trasversale costante e una banca di appoggio della custodia dello strumento è stazione) e rappresentante 12 , 13 , 14. Stazioni non immediatamente a valle della confluenza di due torrenti e in una sezione di canale rettilineo, senza una sezione di canale convergenti o divergenti, sono più omogenee e rappresentative 14.
    2. Co-localizzare idrologico e misurazioni di qualità a una sezione trasversale per calcolare i carichi di acqua.
      Nota: Se identificare la variazione spaziale di nutrienti e di sedimenti in un bacino idrografico, selezionare stazioni multiple di indirizzare i potenziali fonti in tutto il bacino idrografico.

2. Strumento e selezione sensore

  1. Scegli Strumenti e sensori per misurare lo scarico e la qualità dell'acqua e per raccogliere campioni di acqua in un intervallo previsto. Scegliere lo strumento e sensori basati sulla necessità di dati, spartiacque e risorse disponibili.
    Nota: Ideale sensori sono affidabile, accurata, sensibile, precisa, basso costo e adatto all'ambiente di flusso e richiedono una manutenzione limitata e una formazione minima del campo tecnico 13. In un bacino agricolo, accumulo di incrostazioni e residui sono le maggiori cause di preoccupazioni. Di conseguenza, sondes dotato di caratteristiche autopulenti e antivegetativi sono preferiti.
    1. Uso un autocampionatore, sonde, una zona-velocità sensore, un trasduttore di pressione e un misuratore di portata portatile.
      Nota: La sonda dovrebbe avere un tergicristallo per pulire il sensore di torbidità e una spazzola per pulire il pH, ammonio, nitrato e fare sensori.
      Nota: Lo strumento in questo protocollo si riferisce a un'unità di campionamento di acqua che consiste di un autocampionatore, tubo flessibile, modulo filtro o flusso e zona-sensore di velocità.
  2. Parametri di qualità dell'acqua select basano sull'obiettivo di dati, costo di sensore e disponibilità. Misurare la temperatura, pH, DO, conducibilità, torbidità, ammonio e nitrato ogni 15 min.
    Nota: Temperatura, pH, DO e conducibilità sono i più comuni parametri scelti e sono misurati presso le stazioni USGS, considerando che il nitrato di ammonio e torbidità sono meno comuni, ma stanno guadagnando popolarità 1 , 14.
    Nota: gli obiettivi dati dipendono le caratteristiche del bacino idrografico. Ad esempio, azoto e fosforo di monitoraggio può essere più importante nei bacini agricoli rispetto al fosforo monitoraggio nei bacini urbani.

3. Calibrazione sonda e programmazione

  1. calibrare i sensori sulla sonda conforme alle raccomandazioni del produttore. Modificare il protocollo di calibrazione come necessario in base alle condizioni ambientali locali.
    Nota: La frequenza di taratura dipende dall'ambiente in cui sono esposti i sensori. In genere, cade entro 2-4 settimane. Qui, le sonde sono calibrati ogni 2 settimane durante la stagione di crescita e ogni 3 settimane in crescita non stagione (da novembre ad aprile).
  2. Presso il laboratorio di pulire la sonda accuratamente prima della taratura. Pulire le superfici del sensore utilizzando spazzole morbide (ad es., spazzolini da denti) e sapone o detergente universale. Rimuovere il circolatore tergicristallo e pennello utilizzando una chiave esagonale; pulire il tergicristallo e pennello.
  3. Pour l'elettrolita nell'elettrodo di riferimento di pH, riempirlo con la soluzione dell'elettrolito fresco e aggiungere una pastiglia di sale cloruro di potassio per mantenere la conducibilità della soluzione dell'elettrolito. Chiudere il tappo in modo che sia chiuso ermeticamente; alcuni elettroliti si riverserà fuori mentre è essere chiusa con il tappo. Sciacquare la sonda con acqua deionizzata.
  4. Sospendere la sonda su un robusto supporto in modo che il fondo la sonda riposa circa 20-30 cm sopra il piano del tavolo, permettendo di facile lavorabilità. Collegare la sonda al computer utilizzando un cavo di comunicazione. Avviare il produttore ' software s. Premere " operare sonda " per entrare nel programma sonda.
  5. Impostare il numero di standard di calibrazione presso il " impostazione dei parametri " scheda. Calibrare i sensori nel seguente ordine: conducibilità, pH,, torbidità, nitrato e ammonio.
    Nota: L'ordine della taratura è importante, come nitrato e ammonio sensori utilizzano i valori di conducibilità e pH.
    Nota: Il numero di standard di calibrazione è 2 per conducibilità, 2 o 3 per pH, 1 per, 2 o 4 per torbidità, 2 per il nitrato e 2 per ammonio.
  6. Sciacquare il sensore con acqua DI più volte e asciugare le superfici o dai sensori con salviettine prima di introdurre uno standard al sensore per evitare contaminazioni.
    Nota: Prima di calibrare ogni sensore, prendere nota dei valori il sensore legge per i seguenti standard: fare, pH 7, torbidità per DI e 50 NTU, nitrato per 50 mg/L e ammonio per 50 mg/L. Questi valori possono essere utilizzati per valutare se i sensori erano accurati nel campo. Può anche essere utilizzati con prudenza per correggere i valori dei campi.
  7. Dopo la calibrazione di ogni sensore (passaggi 3.8-3.13) per uno standard, " successo di calibrazione " apparirà; se la taratura fallisce, resettare il sensore e riprovare. Se il sensore non riesce ancora, i materiali di consumo potrebbe essere necessario sostituzione o riparazione di fabbrica il sensore va.
    Nota: Resettare il sensore nitrato o ammonio reimposterà entrambi i sensori.
  8. Calibrare il sensore di conducibilità con calibrazione a 2 punti; 0 µs/cm per un sensore asciutto e 1.412 µs/cm per la soluzione standard. Scegliere " SpCond [µs/cm] " alla " taratura " scheda. Asciugare la parte ovale del sensore completamente con salviette. Immettere " 0.0 " in µs/cm e immettere " calibrare. "
    1. inserto lo standard in un sacchetto per coprire interamente la parte ovale del sensore. Attendere il sensore di lettura si stabilizza (~ 2-5 min), immettere " 1412 " in µs/cm e immettere " calibrare. " " successo di calibrazione " apparirà; Se la taratura fallisce, resettare il sensore e riprovare.
  9. Calibrare il sensore di pH utilizzando pH 7 e pH 10 standard e verificare la linearità della taratura pH 4. Selezionare il " pH [unità] " tab nella scheda calibrazione inserire il pH 7 standard in un sacchetto che coprono sia la giunzione di pH e l'elettrodo di riferimento. Attendere circa 5 minuti per esso per stabilizzare. Immettere " 7.0 " come il pH di valore e immettere " calibrare. "
    1. sciacquare gli elettrodi e asciugarli uso salviettine. Inserire pH 10 e seguire la stessa procedura per quanto riguarda pH 7. Inserire pH 4 per controllare se è soddisfatta la linearità della curva di taratura; il sensore calibrato dovrebbe leggere 4 ± 0,2 per il pH 4.0 standard.
  10. Calibrare il sensore utilizzando acqua temperatura stabilizzata, aria satura, deionizzata (18 M Ω-cm) come unico punto standard.
    1. Selezionare il " LDO % [Sat] " Tab. riempire la tazza di calibrazione con acqua distillata al livello quasi-completa e collocare la tazza sulla sonda. Invertire la sonda per assicurarsi che il sensore di temperatura e membrane sono completamente coperti da acqua.
    2. Attendere circa 5 minuti per stabilizzare la lettura della percentuale di saturazione. Una volta stabilizzato, immettere " 100 " per la saturazione percentuale. Immettere la pressione barometrica in mmHg controllando una stazione meteo locale e immettere " calibrare. "
      Nota: acqua DI è temperatura-stabilizzato e saturo di aria lasciando aperta nell'atmosfera almeno una notte in laboratorio per lo scambio di gas, saturazione e stabilizzazione della temperatura. Pressione barometrica deve essere fornito, poiché la saturazione dipende dalla pressione atmosferica oltre la temperatura (misurata dalla sonda stessa).
    3. Controllare il fattore di scala, che dovrebbe essere di 0.5 - 1.5, per la calibrazione accettabile. Uscire dal programma di calibrazione, entrare in modalità terminale, utilizzare le frecce per evidenziare " Log In, " e premere " immettere. " evidenziare " livello 3 " e premere " immettere. " evidenziare " installazione " e premere " immettere. " evidenziare " sensori " e premere " immettere. " evidenziare " fare " e premere " immettere. " evidenziare " DO % Sat " e premere " immettere. " nota il fattore di scala.
    4. Press " Esc " per entrare e uscire " operare sonda " nuovamente. Selezionare il " scheda Calibrazione " per continuare la calibrazione.
    5. Inverti la sonda indietro e sospenderlo in modo che i sensori verso la terra.
  11. Calibrare il sensore di torbidità utilizzando 4 standard: DI, 50 NTU, NTU 100 e 200 NTU. Selezionare il " torbidità [scorso] " scheda. In una tazza di calibrazione, messo abbastanza DI acqua per coprire almeno il fondo del sensore di torbidità. Lasciate che la lettura di torbidità stabilizzare. Inserire punto " 1 " per gli standard DI, un " 0.6 " valore di torbidità NTU, e " calibrare. "
    1. allo stesso modo, calibrare il sensore di torbidità per altri standard. Prevenire la formazione di bolle di omogeneizzazione delle norme, girando su e giù la bottiglia (non agitare) e versando gli standard lungo la Coppa.
    2. Dopo la taratura di tutti gli standard, controllare le letture del sensore per DI e 50 NTU per vedere se la taratura era accettabile (cioè, all'interno di ± 1%).
  12. Calibrare il sensore di nitrato usando due standard: alta (50 mg/L n. 3 –-N) e basso (5 mg/L n. 3 –-N). Selezionare il " n. 3 – [mg/L-N] " scheda.
    1. Pour la 50 mg/L standard per riempire la tazza di calibrazione fino a tre quarti pieno e collocare la tazza sulla sonda, creazione di una connessione a tenuta stagna. Capovolgere la sonda in modo che i sensori di temperatura e di nitrato sono completamente coperti. Attendere per 15 minuti (o fino a quando la lettura è stabile). Una volta stabilizzato, immettere il livello standard " 1 " e un valore di " 46.2. " registrare le letture di temperatura e mV in un notebook. Immettere " calibrare. "
      Nota: il sensore di nitrato utilizza il sensore di temperatura oltre i sensori di conducibilità e pH.
    2. Risciacquare i sensori con acqua DI varie volte e asciugarle con salviette. Ripetere la stessa procedura per il basso standard. La differenza tra le letture di due tensione dovrebbe essere 50-65 mV, e la differenza tra le letture di temperatura non deve superare 5 ° F per la calibrazione essere accettabile.
  13. Calibrare il sensore di ammonio allo stesso modo il sensore nitrato.
  14. Reinstall e calibrare il tergicristallo e pennello. Scegli la " SelfClean [Rev] " scheda, scegliere " 1 " rotazione e immettere " calibrare. "
    Nota: il tergicristallo e pennello ruoterà una volta.
  15. Una volta che tutti i sensori sono calibrati, programmare la sonda. Immettere " impostare l'orologio di tempo del pc " alla " sistema " scheda per la sincronizzazione. Eliminare il file di registro più antico, se ci sono 4 file di log esistenti e creare un nuovo file di registro. Una volta creato il file di registro, selezionare i parametri di monitoraggio e i parametri per accedere. Selezionare il monitoraggio durata (cioè, fino alla successiva calibrazione, solitamente 2-3 settimane nei bacini di agricole) e l'intervallo (15 min) scegliendo l'inizio e di fine del file registro e l'intervallo di registrazione. Salvare il file di log.
    Nota: In qualsiasi momento, una sonda può memorizzare fino a 4 file di log.
  16. Verifica la tensione della batteria interna ed eventualmente sostituire le batterie interne.
    1. Selezionare il " di monitoraggio online " scheda e avviare il monitoraggio online.
    2. Verifica la lettura della tensione della batteria interna. Se è inferiore a 10,5 V, sostituirlo con otto nuove batterie di C.
      Nota: La sonda si interrompe la registrazione dei dati se la tensione di batteria scende sotto ~9.0 V.
    3. Utilizzare silicone per sigillare il tappo del vano batterie per stabilire una connessione a tenuta stagna.
  17. Montare la protezione del sensore e metterlo in un secchio mezzo pieno d'acqua.
    Nota: Le sonde nel secchio sono pronti per il trasporto e (ri) installazione presso i siti. Le sonde devono essere sommerse per l'elettrodo di pH funzionare correttamente.

4. Strumento e installazione del sensore

  1. modulo sensore e flusso di zona-velocità
    1. montare il sensore di velocità del zona saldamente su un piatto d'acciaio a una sezione selezionata. Montare la piastra d'acciaio sui " L " staffa ( Figura 1) che viene montato in Telspar post guidato al thalweg del flusso (cioè, la parte più profonda del canale) ( Figura 1); l'estensione della " L " staffa a Monte del post Telspar deve essere sufficientemente lungo affinché il flusso non è influenzato dalla presenza del post Telspar nel flusso. Posizionare il sensore il " L " staffa sul letto del torrente in modo tale che la punta del sensore si trova di fronte a Monte lungo le linee di flusso.
      Nota: L'effetto di Telspar post può essere valutata visivamente se l'introduzione del post crea dispersione di flusso nella posizione del sensore a Monte o quantitativamente mediante letture dei sensori con e senza il post di Telspar. In questo protocollo, variabilità della sezione trasversale è stata considerata trascurabile. Se è da valutare, più sonde o sensori possono trovarsi in una sezione trasversale. Le misure di sensore di zona-velocità media velocità usando il metodo Doppler ad ultrasuoni. Non richiede un fattore di conversione basato su flusso profondità o velocità di profilatura e calibrazione on-site. Il modulo di flusso misura la velocità da -1.5 a 6,1 m/s e profondità da 0,01 m a 9,15 m. Come tale, è applicabile a diversi bacini idrografici.
    2. Per calcolare il discarico, misurare l'area della sezione trasversale.
      Nota: Il software direttamente possibile calcolare l'area se viene fornita la forma del canale o un'equazione.
      Nota: I dati dal sensore vengono registrati direttamente nel modulo flusso e può essere scaricati a un computer utilizzando il produttore ' s software e un cavo di comunicazione.

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Figura 1. Layout di un tipico Instream monitoraggio Stazione (non in scala).
La stazione contiene un post di Telspar in cui la sonda è sospesa mediante un cavo d'acciaio, un moschettone e puntali. Le boccole non vengono mostrate. La staffa a L su cui è montato il sensore di velocità di zona è posto al letto del torrente ed è fissata saldamente al post utilizzando dadi e bulloni. L'autocampionatore (non mostrato in figura) tira il campione di acqua da un tubo contenente un filtro all'estremità. Il cavo del sensore di velocità di zona è collegato al modulo di flusso (non mostrato). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. trasduttore di pressione (sensore PT)
    1. ogni volta che il sensore di velocità di zona non è disponibile, misurare la profondità utilizzando un trasduttore di pressione.
    2. Installare il sensore PT all'interno del post di Telspar e fissarla con un filo di acciaio e boccole; la punta del sensore deve toccare appena letto del torrente. Programmare il sensore PT per misurare la profondità dell'acqua a intervalli di 15 min.
  2. Manuale scarico misura
    1. per stazioni con un sensore PT come una Scarica misuratore, fare una curva di fase-scarico misurando manualmente lo scarico sopra una gamma di portate, che copre almeno bassa, media e alta flussi. Dividere l'area della sezione trasversale in diversi segmenti (30-60 cm di larghezza), a seconda della larghezza del flusso. Misurare la velocità media nella linea centrale del segmento utilizzando un misuratore di portata portatile. Se la profondità è < 10 cm, misurare la velocità massima e moltiplicare per 0,9 per ottenere la velocità media. Se la profondità è di 10-75 cm, misurazione della velocità a 0.6 della profondità per determinare la velocità media di 15. Per profondità maggiori di 75 cm, misurare le velocità a tre profondità (0,2, 0,6 e 0,8 della profondità dalla superficie dell'acqua) e li media 15.
    2. Calcolare lo scarico di un segmento utilizzando la velocità media, la larghezza e la profondità del segmento e sommare gli scarichi da tutti i segmenti per ottenere uno scarico totale.
    3. Seguire la procedura per le gamme dei flussi che coprono di bassa, media e alti flussi.
    4. Determinare la relazione tra la fase (cioè, profondità di flusso misurata dal trasduttore di pressione al momento della misurazione manuale di scarico) e gli scarichi misurati.
      Nota: Se lo scarico è troppo alto per misurare la velocità manualmente, un sensore di velocità zona temporanea può essere utilizzato una relazione tra lo scarico misurata dal sensore zona-velocità e la profondità misurata dal sensore PT.
  3. Acqua qualità multi-parametro sonda
    1. montare la sonda sul post Telspar con un filo di acciaio, puntali e un moschettone per sonda sicurezza e facilità di installazione e rimozione ( Figura 1). Posizionare la sonda sul lato a valle del post Telspar per evitare danni da detriti o legno registri che possono venire galleggianti con l'acqua di flusso, specialmente durante le inondazioni. Collocare la parte inferiore della sonda almeno 1-10 cm sopra il letto di flusso per ridurre la probabilità di accumulo di sedimenti sulla sonda.
      Nota: La sonda dovrebbe sempre essere immersa nell'acqua. Pertanto, in un flusso con flussi variabili, la sonda dovrebbe essere abbastanza alto per ridurre l'accumulazione del sedimento sulla sonda e sufficientemente bassa per impedire che la sonda sempre esposte all'aria. Tuttavia, per un canale con meno variabile flusso, è possibile inserire la sonda tale che i sensori sono circa 10 cm sotto la superficie dell'acqua.
      Nota: Se la sonda ha un sensore di profondità, l'altezza del sensore di profondità dalla base della scanalatura dovrebbe essere misurata all'account per la profondità di installazione del sensore di profondità sopra il letto del canale.
    2. Potenza la sonda con batterie interne e/o batterie esterne. Utilizzare una scatola di batteria portatile per ospitare la batteria esterna e un cavo di comunicazione per connettere la sonda. La sonda per raccogliere dati ogni 15 min e scaricare i dati direttamente al computer utilizzando il cavo di comunicazione del programma.
  4. Autocampionatore
    1. installare un autocampionatore in Meteo-protettivo vano nella parte superiore della banca di flusso su un terreno stabile. Potenza l'autocampionatore con una batteria al piombo. Installare un pannello solare 20 W per caricare la batteria in loco.
    2. Fissare un tubo filtro sotto l'acqua con il post di Telspar o L-staffa e collegarlo per l'autocampionatore con un tubo flessibile.
      Nota: L'autocampionatore tira l'acqua dal flusso tramite il filtro e il tubo.
      Nota: Il posizionamento del tubo filtro è importante per ottenere dati rappresentativi. In questo protocollo, è stata posizionata non assumendo nessuna variabilità trasversale.
    3. Programma l'autocampionatore per acqua campione settimanale o basata su necessità. Consultare il manuale di autocampionatore fornito dal produttore.
      Nota: L'autocampionatore può essere programmato per esempio acqua basato su pioggia, flusso, tempo o una combinazione. Il campionatore può essere programmato per assaggiare un campione in molte bottiglie, molti campioni in una bottiglia (composito), o una combinazione.
      Nota: L'autocampionatore raccoglie un volume di acqua (2.000 mL) necessaria per l'analisi dei parametri aggiuntivi in laboratorio. Oltre al continuo dell'acqua qualità monitoraggio utilizzando la sonda, i campioni vengono analizzati su base settimanale per la concentrazione di materiale solido in sospensione.

5. Sensori e Sonde manutenzione

  1. sensore pulito zona-velocità su ogni visita a ridurre i detriti su o vicino le superfici sensore.
  2. Frequentemente calibrare i sensori sulla sonda.
    Nota: La frequenza è dipende dalla stagione, idrologia, spartiacque, tipo di sensore e tasso di fouling. Negli spartiacque scelti qui, calibrazione è necessaria ogni 2 settimane per raccogliere dati di buona qualità.
  3. Sostituire le parti di consumo, come raccomandato dal produttore.
    Nota: Questo comprende un elettrodo di riferimento pH/tappo, un cap (membrana) per il sensore, ione-sensori (sensori di nitrato e ammonio) e un tergicristallo circolo e spazzole.
  4. Inviare la sonda per la riparazione di fabbrica se necessario (ad esempio, se il sensore non è in grado di leggere valori accettabili per gli standard, anche dopo la reimpostazione e ricalibratura, o se i sensori non riescono calibrazione).

6. Campo di campionamento e analisi di laboratorio

  1. preparare in anticipo per il viaggio di campo per mantenere i sensori e per raccogliere l'acqua automaticamente raccolti campioni o manualmente campione e raccogliere acqua se un autocampionatore non è disponibile presso il sito. Assicurarsi di includere gli elementi elencati nella lista di controllo (tabella 1).
  2. Raccogliere i campioni di acqua in un ambiente pulito (cioè, acido lavato e risciacquato) e asciugare il barattolo (10 L), etichettarle e trasportarli su ghiaccio al più presto il laboratorio di analisi.
    Nota: Il campione di acqua raccolta è un campione rappresentativo nelle condizioni reali al momento del campionamento e nella posizione particolare; dovrebbe essere preservata l'integrità dei campioni raccolti contro la contaminazione e cambiamenti fisici, chimici e biologici 12.
    Nota: Il materiale del contenitore richiesto può essere diverso per alcuni analiti di interesse, considerando che l'acidificazione e/o filtrazione può essere richiesto presso il sito.
  3. Analizzare la colonato acqua campioni in laboratorio utilizzando metodi standard prima dell'azienda approvato volte 16.
    Nota: I campioni di acqua possono essere analizzati usando 353.2 EPA; 4500-NO3 per nitrato, EPA 353.2; 4500-NO2 per nitrito, EPA 365.1; 4500-PI per fosfato, 350.1 EPA; 4500-PJ per l'azoto totale, EPA 365,4; 4500-PJ per il fosforo totale, 2540-D ai solidi sospesi totali, 2540-C per totale solidi disciolti e D 3977-97 per la concentrazione di materiale solido in sospensione 16 , 17.
  4. Seguire l'adeguato controllo di qualità e controlli, ad esempio spazi vuoti, standard, repliche, ecc., durante l'analisi. Seguire il piano di progetto di garanzia della qualità (QAPP).
  5. Riempire la catena di fogli di custodia per il collettore del campione e il personale di laboratorio e conservare una copia di ciascuno. Nota qualsiasi eventi insoliti o notevoli osservati nel campo sulla catena di fogli di custodia.

7. Raccolta dati e analisi

  1. dati di qualità e quantità di raccogliere acqua sondes, modulo di flusso, laboratorio e.
  2. Salvare una copia di tutti i dati grezzi prima di lavorare con la correzione dei dati e l'analisi.
  3. i dati raccolti su torbidità di ispezionare con cura e rimuovere qualsiasi zero (ad es., 0.0 NTU), NAN o irragionevoli valori (ad es., 3.000 NTU; limite di rilevazione del sensore) prima di un'ulteriore analisi.
    Nota: Prestare attenzione durante la rimozione di tutti i dati. Vengono rimossi solo quando le condizioni specifiche del sito nel campo note identificano e determinano che i dati non sono ragionevoli.
  4. Utilizzare la relazione di fase-scarico per calcolare lo scarico dal sensore PT.
    Nota: La profondità misurata dal sensore PT deve essere compensate in pressione.
    1. Uso il produttore (In situ Inc.) software, " Baromerge, " post-correggere i dati del sensore PT.
      Nota: I dati possono essere corretti da un valore di pressione barometrica fisso inserendo molti valori di pressione barometrica manualmente e automaticamente con un file di registro baroTroll. Questo protocollo utilizza un file di registro baroTroll distribuito nelle vicinanze per correggere automaticamente i dati del sensore PT.
  5. Per i dati del sensore di velocità di zona, rimuovere qualsiasi flusso negativo che potrebbe essere il sensore manufatto.
    Attenzione: A volte ci potrebbe in realtà essere flusso negativo, a seconda del sito. In tal caso, non ignorare la velocità negativa.
  6. Calcolare dati mancanti di scarico utilizzando una regressione lineare tra mandata a Monte o a valle e lo scarico alla stazione.
    Nota: Il rapporto dovrebbe essere statisticamente significativo, che di solito è il caso tra gli scarichi per tutte le stazioni a Monte e a valle. Negli spartiacque testati qui, la relazione era significativa (p < 0,01) e il coefficiente di correlazione era supera al 93%. Tuttavia, i dati mancanti di scarico possono essere riempiti solo utilizzando questo metodo, se la distanza tra i siti è breve e le caratteristiche di spartiacque rimangono simili.
  7. Non riempire i dati mancanti di qualità acqua.
    Nota: Dati di qualità dell'acqua sono influenzati da molte variabili (cioè, timing e applicazione del fertilizzante, se lo scarico è crescente o decrescente, le condizioni specifiche del sito, ecc.).
  8. Eseguire un'analisi di regressione fra la concentrazione di materiale solido in sospensione (SSC) dai risultati di laboratorio e la torbidità (NTU) misurata al ruscello.
    Nota: Tali una regressione è sensibile alla distribuzione granulometrica dei sedimenti, tale che se sabbia costituisce una frazione significativa ma variabile del CSD, la regressione sarà scarsa. Tuttavia, può essere migliorato se sands e multe sono separate durante l'analisi dei campioni e le multe sono correlate per la SSC. Utilizzare la regressione per calcolare valori continui di SSC.
  9. Dal momento che le concentrazioni di inquinanti variano con scarico, calcolare le concentrazioni di flusso-weighted utilizzando l'equazione 1 6. Calcolare le concentrazioni medie ponderati per flusso (FWMC) su base giornaliera, utilizzando dati orari. In alternativa, calcolare su base oraria e utilizza i dati di 15 min. i FWMCs sono tempo-integrato pure.
    figure-protocol-1
    dove
    FWMC = concentrazione media ponderata di flusso su una base quotidiana
    c ho = concentrazione di i th campione
    t ho = tempo, 1 h
    q ho = scarico per i th campione
    io = 1 a 24
  10. applicare le tecniche statistiche appropriate per conseguire gli obiettivi di dati. Quando i dati sono non-normale, è possibile trasformare i dati per renderli normali o utilizzare il mediano ± scarto interquartile. Eseguire i test non parametrici per dati non normali.

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Risultati

Nella pubblicazione (2017) Aryal e Reba, questo protocollo è stato usato per studiare il trasporto e la trasformazione di sostanze nutritive e dei sedimenti in due piccoli bacini agricoli6. Ulteriori risultati da questo protocollo sono descritti di seguito.

Deflusso acqua qualità relazioni:

La forza di monitoraggio continuo è che gli utenti possono...

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Discussione

Nel complesso, il controllo continuo di sostanze nutritive e sedimenti presenta parecchi vantaggi sopra monitoraggio utilizzando il metodo di campionamento della gru a benna. Processi di qualità idrologici e acqua sono interessati da precipitazioni sopra un arco di tempo molto breve. Gli utenti possono ottenere alti risoluzione temporale dati su sostanze nutritive e sedimento per studiare problemi complessi. Altri parametri di qualità dell'acqua, come conducibilità, pH, temperatura e, possono essere ottenuti contemporane...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

La ricerca è stata possibile a causa di finanziamento da progetto di valutazione di effetti di conservazione (CEAP). Siamo particolarmente grati per l'autorizzazione di accesso al sito dai produttori, la ricerca di assistenza da parte dei membri della unità di ricerca di USDA-ARS-Delta acqua gestione e analisi dei campioni di personale presso la struttura di ricerca di ecotossicologia, Arkansas State University. Parte di questa ricerca è stata sostenuta da un appuntamento per il programma di partecipazione di ARS, amministrato dall'Istituto Oak Ridge per scienza e formazione (ORISE) attraverso un accordo tra agenzie tra l'US Department of Energy e la USDA. ORISE è gestito da ORAU DOE contratto numero DE-AC05-06OR23100. Tutte le opinioni espresse in questo documento sono dell'autore e non riflettono necessariamente le politiche e le vedute di USDA, ARS, DOE o ORAU/ORISE.

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Materiali

La Batterie semplicia Ldi protezione in filo brugola
Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
sonda multiparametricaHach HydrolabDS5Xmisura la temperatura, il pH, la conducibilità, l'ossigeno disciolto, il nitrato, l'ammonio, la torbidità
Il modulo e il sensore di flusso della velocità dell'areaTeledyne Isco2150misura la velocità media del flusso e la profondità del flusso e calcola la portata e il flusso totale in base all'area della sezione trasversale fornita del fosso. I dati memorizzati possono essere scaricati direttamente sul computer.
Il campionatore d'acqua portatile automaticoTeledyne IscoISCO 6712campiona automaticamente l'acqua nell'intervallo impostato o in combinazione con il modulo di flusso e il sensore
Trasduttore di pressioneIn-situRugged Troll 100misura la pressione, il livello e la temperatura nell'acqua. I dati memorizzati possono essere scaricati direttamente sul computer
Flussometro portatileFlo-mate (Hach)Marsh-McBirney 2000Per la misurazione manuale della scarica
Batteria, 12 v, ricaricabileUPGUB 1270Per alimentare la sonda
Batteria, 12 v, ricaricabileBatterie interstataliSRM 27Batteria al piombo per alimentare l'autocampionatore
Pannello solareAlt EALT20-12PPer ricaricare la batteria presso il sito
C-8
Standard di calibrazioneHach o Fisher ScientificmultiploStandard di pH (4,7,10), conducibilità (1412 uS/cm), nitrati (5 e 50 mg/L), ammonio (5 e 50 mg/L) e torbidità (50,100,200 NTU)
Standard di nitrati elevatiHach013810HY50 mg/L
Standard di nitrati bassiHach013800HY5 mg/L
Standard di ammonio altoHach002588HY50 mg/L
Standard di ammonio bassoHach002587HY5 mg/L
Standard di torbiditàFisher scientificR8819050-500G50 NTU
Standard di torbiditàFisher scientific88-061-6100 NTU
Standard di torbiditàFisher scientificR8819200500 C200 NTU
Pellet di sale di cloruro di potassioHach005376HYper mantenere l'elettrolita per l'elettrodo pH
Cloruro di potassio standardFisher scientific5890-161412 us/cm
Soluzione tampone, pH 4Fisher scientificSB99-1per la calibrazione del sensore di pH
Soluzione tampone, pH 7Fisher scientificSB108-1per la calibrazione del sensore di pH
Soluzione tampone, pH 10Fisher scientificSB116-1per la calibrazione del sensore di pH
Sigillante siliconicoHach00298HYPer sigillare il coperchio della batteria del sensore a tenuta stagna
Detergente multiusoSunshine Makers IncSalviette verdi
Kimberly-Clark
Staffa
Palo TelsbarUnistrut Service CompanySensori e sonde sicure nel flusso Sonda
d'acciaioe sensore PT
Moschettonedi protezione della sonda e sensore PT
Chiave a
Rete metallica di rameBird B GoneRotolo di rete di rame per il controllo dei roditori e degli uccelli
Nastro adesivoAgri Drain CorporationNastro per piastrelle, funziona in condizioni di pioggia e freddo

Riferimenti

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  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).
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  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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