Articolo metodologico

Acquisizione ponderati per il flusso di acqua e particelle in sospensione dai canali agricoli durante eventi di drenaggio

DOI:

10.3791/56088

⸱

7 novembre 2017

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

In questo articolo

Sommario

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Nutrienti presenti in forma di particolato possono contribuire significativamente all'utenza complessiva nelle acque di drenaggio agricolo. Questo studio descrive un nuovo metodo per acquisire ponderati per il flusso di acqua e particelle in sospensione dalla fattoria canale di drenaggio per l'intera durata dell'evento di drenaggio.

Abstract

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Lo scopo di questo studio è di descrivere i metodi utilizzati per catturare ponderati per il flusso di acqua e particelle in sospensione dai canali di fattoria durante il drenaggio scaricano eventi. Azienda agricola canali possono essere arricchiti da sostanze nutrienti quali fosforo (P) che sono suscettibili di trasporto. Fosforo in forma di particelle in sospensione può contribuire significativamente ai carichi P complessivi in acqua di drenaggio. Un sedimentazione serbatoio esperimento è stato condotto per catturare le particelle in sospensione durante eventi discreti drenaggio. Acqua di scarico del canale di fattoria è stato raccolto in una serie di due vasche di sedimentazione di 200 L per tutta la durata dell'evento di drenaggio, in modo da rappresentare un sottocampione composito dell'acqua dello scarico. Coni di sedimentazione Imhoff in definitiva utilizzati per saldare fuori le particelle in sospensione. Ciò si ottiene di sifonatura acqua dalle vasche di sedimentazione tramite i coni. Le particelle vengono poi raccolti per le analisi fisico-chimiche.

Introduzione

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Il destino ed il trasporto di particelle in sospensione è stata oggetto di numerosi studi a causa del suo ruolo nell'eutrofizzazione, specialmente in sistemi agricoli1,2. Una valutazione completa dei nutrienti contenuti nel particolato all'interno di un sistema acquatico è necessaria indagare su numerose questioni ambientali quali, l'interno cicli dei nutrienti e rilasciare al sovrastante acqua colonna3, stabilità del substrato, disponibilità di luce all'interno della colonna d'acqua e alla fine problemi relativi alla qualità dell'acqua a ecosistemi a valle4. La quantità di fosforo (P) memorizzata nel modulo del particolato (materia organica o sedimenti) è in genere maggiore in acqua colonna5. Uno studio condotto da Kenney et al. 6 ha mostrato che sedimenti recenti che sono stati depositati nel lago Lochloosa, in Florida, sono stati tra la fascia di età del 1900 e 2006. Questi sedimenti più giovani contenevano P quasi 55 volte più di quello che era presente nella colonna d'acqua. Un approccio per caratterizzare il potenziale impatto che particelle possono avere su un particolare sistema è di creare un inventario quantitativo di fosforo memorizzato nel sedimento scaricata durante gli eventi di drenaggio. Raccolta e l'analisi di queste particelle scariche può aiutare a stimare arricchimento in nutrienti a valle gli impatti sugli ecosistemi sensibili.

Eventi di tempesta in genere rappresentano una piccola frazione di tempo, ma possono contribuire la maggior parte dei P carico scarico nel drenaggio di fattoria. Infatti, al fine di impedire l'allagamento di campi, un grande volume di acqua viene drenato in brevi periodi di tempo. Tassi di intensità e flusso di pioggia sono di vitale importanza fattori in grado di controllare la concentrazione di sedimenti sospesi nel deflusso overland7di guida. Progettazione di metodi di monitoraggio che cattura campioni ponderati per il flusso d'acqua composito contribuirebbe a evitare errori associati a fenomeni complessi, ad alta intensità. Durante gli eventi di scarico elevate come le tempeste, i rapidi e drastici cambiamenti nelle concentrazioni potrebbero non essere rappresentante della concentrazione media della sostanza inquinante per il volume incrementale. Pertanto, campioni di acqua di flusso-weighted rappresenta molto più accuratamente la concentrazione di un evento di rilascio come è una sommatoria di carichi per un periodo di tempo8. I campioni di flusso-weighted più comuni sono automaticamente raccolti campioni discreti o compositi. Catturando le particelle in sospensione esportate dalla fattoria drenaggio durante lo scarico permette di quantificare la gravità dell'evento il carico P. Il metodo descritto in questo studio aiuta a catturare le particelle che possono successivamente essere caratterizzate per diverse proprietà fisiche e chimiche. La novità di scarico di drenaggio utilizzando un metodo di flusso continuo composito fronte grab campionamento di campionamento è che è una migliore rappresentazione delle condizioni di campo sopra l'intera durata dell'evento di drenaggio. Considerando che, afferrare il campionamento è una "istantanea" nel tempo e potrebbe non essere completamente rappresentare l'effetto di tutta la manifestazione.

La zona agricola di Everglades (EAA) nel sud della Florida, Stati Uniti d'America è una grande distesa delle Everglades originale che era channelized e drenato per l'agricoltura, lo sviluppo commerciale e residenziale. Quasi 1100 milioni di m3 di acqua viene scaricata ogni anno da e attraverso l'EAA a sud e Sud-Est9. Terreni nei CEA sono Histosol che comunemente contengono oltre 85% organico materia di peso e hanno meno di 35% minerale contenuto10. Sedimenti di Canal in genere hanno densità all'ingrosso bassa (tra 0,14 g cm-3 a 0,35 g cm-3), contenuto di sostanza organica ad alta (tra 31-35%) e valori di P totale (TP) fra 726-1,089 mg kg-1 11.

Ai fini di questa dimostrazione, una fattoria all'interno di CEA è stata selezionata. Il hydroscape di come l'acqua scorre all'interno di CEA è dipende da pompe e gravità. Ogni farm nei CEA comprende almeno un canale principale e più campo fossati. Il campo fosse gestito perpendicolare al canale principale. Le pompe in genere servono un duplice scopo; Essi consegnare irrigazione acqua alla fattoria e anche di scarico dell'acqua di drenaggio esterno. Quando i campi hanno bisogno di essere svuotato, acqua nel canale principale viene abbassato e scarichi di acque dal campo nelle fosse, guidate da un gradiente idraulico. A causa di solo una leggera pendenza nella superficie maggior parte delle precipitazioni che si verifica sui flussi campi attraverso il profilo del terreno in transito al campo fossati.  Durante l'irrigazione, il sistema è invertita. Non c'è nessuna rete di mattonelle di drenaggio nei CEA. La tavola di acqua è mantenuta ad un'altezza specifica a causa di uno strato di confinamento di subalterno di roccia calcare i terreni.  Acqua viene portato attraverso i principali canali; campo fossati sono pieni, e acqua è permesso di infiltrarsi nel profilo del terreno di innalzare i livelli di falda nei campi. In genere, richieste per l'acqua di irrigazione nei CEA si verificano nel mese di marzo, aprile e maggio (stagione secca), con molto poco scarico di drenaggio. Al contrario, il volume di acqua che è scaricata tra giugno e ottobre (stagione delle piogge) è significativamente più alto. La presenza di canale banca berme e fossati consente minimo deflusso superficiale come una potenziale fonte di carico P in fattoria canali12.

In questo esperimento visivo, vi presentiamo un metodo novello di acquisizione ponderati per il flusso di particelle in sospensione durante gli eventi di drenaggio che possono essere utilizzati successivamente per la caratterizzazione chimico-fisica come densità apparente, contenuto di sostanza organica e frazionamento P13 ,14.

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Protocollo

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1. installazione di Datalogger e lavorazioni

  1. identificare una farm studio ed installare un datalogger che innesca un autocampionatore per raccogliere campioni di flusso composito su una base proporzionale del flusso, che richiede il monitoraggio dei livelli di canale, pompa testa rivoluzioni ed equazione di taratura pompa.

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Figura 1: campionatore ISCO utilizzato per auto-programma-campionamento procedure per l'acqua di drenaggio composito e particolato campionamento delle acque. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. monitorare i livelli di canale fattoria utilizzando trasduttori di pressione installati nei canali di afflusso e deflusso adiacenti alla stazione di pompa.
  2. Pompa monitor velocità utilizzando interruttori di prossimità installati sulle teste pompa; velocità viene registrata dal datalogger in giri al minuto (rpm).
    Nota: Interruttori di prossimità sono pezzi di metallo che una volta passato sopra ogni altro conteggio il numero di giri/min. Essi sono saldati sulla testa pompa.
  3. Pioggia di misura utilizzando un ribaltamento benna pluviometro che è collegato al datalogger.
    Nota: Il datalogger comunica di telemetria radio su una stazione radio base situata presso UF/IFAS Everglades Research and Education Center. Telemetria non è necessario per la raccolta del campione di controllo, solo per la raccolta dei dati e archiviazione.

2. Ponderati per il flusso di campionamento delle acque di drenaggio

  1. flusso di drenaggio calcola utilizzando un datalogger e un'equazione di taratura della pompa per ciascuna pompa. Campionamento di ponderati per il flusso di drenaggio avviene mediante un campionatore automatico che viene azionato dal datalogger dopo aver raggiunto un volume di drenaggio limite.
    Nota: I tassi di velocità e flusso di pompa variano oltre 24 h. Il campionamento di ISCO è innescato dal volume di acqua scaricata, non il tasso. L'autocampionatore è programmato per raccogliere un sottocampione dopo un volume fisso di acqua di scarico. Il volume di acqua di scarico è calibrato basato sul numero di giri pompa.
  2. Raccogliere un campione di acqua composito (minimo 500 mL) utilizzando un in situ automatizzato campionatore situato presso la stazione di pompa e programmarlo per catturare ogni giorno un campione composito acqua durante gli eventi di drenaggio.
    Nota: Il campionatore ISCO è piumato ai serbatoi di raccolta utilizzando tubi deviato attraverso un datalogger che preleva un campione di 2 L ogni 2 min fino a 400 L.
  3. Volumi che programma campione per consentire un massimo di 30 campioni per 24h scaricano periodo.
    1. Programma datalogger per raccogliere campioni di composito flow attenendosi alla seguente procedura: inserire programma → programma → campionamento basato sul flusso → impulsi campione ogni 1 → 30 campioni compositi → Volume di campione di 130 mL → Calibra Volume [n] del campione → immettere l'ora di inizio [NO] → programmare la sequenza completa.
  4. Conservare i campioni di composito ponderati per il flusso in un loco in frigorifero a 4 ° C fino alla raccolta e trasporto di nuovo al laboratorio per l'analisi in un secchiello pieno di ghiaccio.
  5. Analizzare i campioni di acqua per P solubile reattiva entro 24 ore dal momento della raccolta del campione. Campioni utilizzati per analisi totale P (TP) possono essere acidificati e conservati a 4 ° C per fino a 28 giorni 15.

3. Acquisizione di particolato sospeso

  1. posto una serie di due 200 L PVC vasche di sedimentazione per raccogliere l'acqua di scarico di fattoria canale nel corso della durata del periodo di drenaggio per catturare e caratterizzare le particelle in sospensione.
    1. Programma il datalogger per raccogliere le particelle in sospensione campioni attenendosi alla seguente procedura: programma → campionamento basato sul tempo → assaggiare ogni 2 min → campioni compositi [200] → calibrare il Volume di campione [NO] → immettere Start Time [NO] → Sequenza completa → pulsante campionamento.
  2. Raccogliere ponderati per il flusso di drenaggio acqua nelle vasche di impostazione (2 L ogni 2 min) basato sul volume d'acqua durante un periodo di raccolta di 24 h.

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Figura 2: due 200 L serbatoi utilizzati per raccogliere l'acqua di drenaggio. Particelle in sospensione vengono trasferiti in cinque-gallone secchi e trasferirsi fuori nella parte inferiore del serbatoio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. sifone l'acqua in eccesso utilizzando tubi flessibili come particelle iniziano a stabilirsi nei serbatoi.
  2. Di trasferimento del particolato in cinque-gallone secchi, li trasportano al laboratorio e metterli in frigorifero a 4 ° C.
  3. Sifone fuori l'acqua in eccesso dopo assestamento per 24 h e trasferire il particolato in coni di sedimentazione Imhoff.
  4. Dopo assestamento per almeno 1 h, sifone l'acqua in eccesso, un'ultima volta prima di particelle depositate vengono trasferite in vasetti di pre-pesati 500 mL tappo a vite per la conservazione a 4 ° C.
  5. Pesare vasetti con campioni di particolato.
  6. Procedere con analisi di frazionamento di fosforo come descritto da Hedley e Stewart 14.

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Figura 3: Imhoff sedimentazione coni utilizzati per raccogliere il particelle in sospensione catturati nella vasca di sedimentazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Risultati

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Il metodo descritto in questo studio ci permette di catturare acqua e particolato che si sta scaricando durante eventi di pompaggio nei canali di aziende agricole. L'acqua e le particelle che vengono raccolti sono ponderati per il flusso, il che significa che essi siano rappresentativi di tutta la durata dell'evento pompaggio e non solo un'istantanea di un tempo; che lo rende altamente rappresentativo del tipo di materiale che è scaricato. L'acqua e le particelle in sospensione possono es...

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Discussione

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Autocampionatori per raccolta del particolato sono stati collocati vicino l'uscita dell'acqua di drenaggio pompa stazione datalogger. Energia elettrica era fornita da batterie da 12 V che pagano da pannelli solari. I campionatori sono stati controllati dal datalogger in loco, che acceso gli autocampionatori quando le pompe di uscita ha funzionato e disattivate quando smise di pompaggio. Aperture di linee di aspirazione del campionatore sono state posizionate 0,5 m sopra il fondo del canale e upflow dalla stazione di pomp...

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Dichiarazioni

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Non ci sono nessun divulgazioni associati a questo studio.

Ringraziamenti

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Desideriamo ringraziare Johnny Mosley per aiuto con campionamento di campo e Viviana Nadal, Pablo Vital e Irina Ognevich per aiuto con analisi di laboratorio.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
DataloggerCampbell Scientificmodello CR1000
AutocampionatoreISCOmodello 3700
Trasduttore di pressioneKPSImodello 700
Secchio ribaltabile pluviometroTexas Electronicsmodello TR-525
Cloruro di potassioFisher7447-40-7
Idrossido disodioFisher1310-73-2
Acido cloridricoFisher7647-01-0
Acido solforicoFisher7664-93-9
Persolfato di potassioFisher7727-21-1
Molibdato di ammonio tetraidratoFisher12054-85-2
Acido L-ascorbicoFisher50-81-7
100 mg/L Fosfato anidro StandardERA061
Antimonio Tartrato di potassio TriidratoFisher28300-74-5
Filtri a membrana DuraporeMilliporeHVLP04700
Whatman #41 Carta da filtroWhatman1441-150
Agitatore reciproco a velocità fissa E6010Eberbach CorporationE6010.00
Provette per coltura monousoFisher14-961-29
Allegra 25R CentrifugaBecker CoulterU.S. 605168-AC
ParafilmBemis Company Inc PM 99913-374-12
Provette per centrifuga Oak RidgeNalgene3119-0050
Fisherbrand Fiale a scintillazione HDPE da 20 ml con tappo in ureaFisher03-337-23C
Fisherbrand  Barattoli in polipropilene naturale con tappo sfoderato in polipropilene biancoFisher02-912-024A
Filtri a membrana da 0,45Cole-ParmerArticolo # UX-15945-25
Provette per digestione da 100 mlFisherTC1000-0735
Imbuti in vetroFisher03-865
Spectronic 20 GenesysThermo-Fisher4001-000
QuikChemLatchat8500

Riferimenti

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