Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Continu Instream bewaking van voedingsstoffen en Sediment in agrarische waterscheidingen

10.4K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/56036

⸱

26 september 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 dit artikel

Samenvatting

Met de vooruitgang van de technologie en de stijging van de verwachtingen van de eindgebruiker, de noodzaak en het gebruik van hogere temporele resolutie gegevens voor verontreinigende lading schatting toegenomen. Dit protocol beschrijft een methode voor het continu in situ Waterkwaliteit monitoring hogere temporele resolutie om gegevens te verkrijgen voor op de hoogte van de water resource managementbeslissingen.

Samenvatting

Verontreinigende stof concentraties en ladingen in waterscheidingen variëren aanzienlijk met tijd en ruimte. Accurate en tijdige informatie over het trillingsniveau van verontreinigende stoffen in waterbronnen is een voorwaarde voor het begrijpen van de stuurprogramma's van de verontreinigende stof wordt geladen en voor het maken van geïnformeerde water resource managementbeslissingen. De gebruikte methode van de "grab bemonstering" biedt de concentraties van verontreinigende stoffen op het tijdstip van bemonstering (dat wil zeggen, een momentopname concentratie) en onder bepaalde voorwaarden rechtstreekse- of overpredict van de concentraties van verontreinigende stoffen en de lasten. Continue monitoring van voedingsstoffen en sediment heeft onlangs ontvangen meer aandacht vanwege vooruitgang in computing, sensing technologie en opslagapparaten. Dit protocol demonstreert het gebruik van sensoren en sondes instrumentatie continu volgen in situ nitraat, ammonium, troebelheid, pH, geleidbaarheid, temperatuur en gehalte aan opgeloste zuurstof (DO) en voor het berekenen van de ladingen uit twee stromen (sloten) in twee landbouw waterscheidingen. Met de juiste kalibratie, onderhoud en werking van de sensoren en sondes, kan goede waterkwaliteitsgegevens worden verkregen door het overwinnen van uitdagende omstandigheden zoals aangroei en puin opbouw. De methode kan ook worden gebruikt in de waterscheidingen van verschillende grootte en gekenmerkt door landbouw, bebost, en/of stedelijke grond.

Inleiding

Waterkwaliteit monitoring verschaft informatie over de concentraties van verontreinigende stoffen op verschillende ruimtelijke schalen, afhankelijk van de grootte van de bijdragende ruimte, die van een perceel of een veld tot een keerpunt variëren kan. Dit toezicht vindt plaats over een periode van tijd, zoals een enkele gebeurtenis, een dag, een seizoen of een jaar. De informatie vergaard uit de monitoring van de kwaliteit van het water, vooral met betrekking tot voedingsstoffen (bijvoorbeeld stikstof en fosfor) en sediment, kan worden gebruikt om: 1) begrijp hydrologische processen en het transport en transformatie van verontreinigende stoffen in stromen, zoals landbouw drainage sloten; 2) evaluatie van de doeltreffendheid van beheerpraktijken toegepast op de waterscheiding om de voedingsstoffen en sediment lading te verminderen en te verhogen van de kwaliteit van het water; 3) het evalueren van de levering van het sediment en voedingsstoffen aan het water stroomafwaarts; en 4) verbetering van het modelleren van voedingsstoffen en sedimenten te begrijpen de hydrologische en water van kwaliteitsprocessen die bepalend zijn voor vervoer van verontreinigende stoffen en dynamiek over het bereik van temporele en ruimtelijke schalen.

Deze informatie is cruciaal voor de restauratie van het aquatische ecosysteem, duurzame planning en het beheer van water bronnen1.

De meest gebruikte methode voor nutriënt en sediment toezicht op een keerpunt is grab bemonstering. Grab bemonstering vertegenwoordigt nauwkeurig een momentopname concentratie op het tijdstip van bemonstering2. Het kan ook een variatie van de concentraties van de verontreinigende stof met tijd verbeelden als frequente bemonstering wordt gedaan. Frequente bemonstering is echter tijd intensieve en dure, waardoor het vaak onpraktisch2. Bovendien kan grab bemonstering onder- of overschat de werkelijke verontreinigende stof concentraties buiten de bemonstering tijd2,3,4. Bijgevolg ladingen berekend aan de hand van dergelijke concentraties mogelijk niet nauwkeurig.

Anderzijds verschaft continue monitoring accurate en tijdige informatie over waterkwaliteit in een vooraf bepaalde tijdsinterval, bijvoorbeeld een minuut, een uur of een dag. Gebruikers kunnen het selecteren van de juiste tijdsintervallen op basis van hun behoeften. Continue monitoring kan de onderzoekers, planners en managers te optimaliseren sample collectie; ontwikkelen en bewaken van de tijd geïntegreerde statistieken, zoals totale maximale dagelijkse belasting (TMDLs); evalueren van het recreatieve gebruik van het waterlichaam; beoordelen van de uitgangssituatie van het stroom; en ruimtelijk en stoffelijk evalueren de variatie van verontreinigende stoffen te bepalen van de oorzaak-effect relaties en een management plan5,6te ontwikkelen. Continue monitoring van voedingsstoffen en sediment heeft onlangs toegenomen aandacht te wijten aan voorschotten ontvangen in computing en sensor technologie, de verbeterde capaciteit van opslagapparaten en de toenemende vereiste gegevens die nodig zijn om meer complexe processen te bestuderen 1 , 5 , 7. in een wereldwijde enquête van meer dan 700 water professionals, het gebruik van Multi-parameter sondes gestegen van 26% tot 61% van 2002 tot 2012 en 20225tot 66% verwacht. In dezelfde enquête, 72% van de respondenten aangegeven dat de noodzaak voor de uitbreiding van hun monitoringnetwerk te voldoen aan hun gegevens moet5. Het aantal stations in een netwerk en het aantal variabelen per station gecontroleerd in 2012 naar verwachting stijgen met 53% en 64%, respectievelijk door 20225.

Echter, continu waterkwaliteit en kwantiteit toezicht op agrarische waterscheidingen is uitdagend. Grote regenval gebeurtenissen wegwassen sediment en macrofyten, bij te dragen aan de belasting en puin opbouw hoge sediment in de sensoren en sondes. De afvoer van overtollige stikstof en fosfor toegepast op landbouwgronden creëert ideale omstandigheden voor de groei van microscopische en macroscopische organismen en voor de aangroei van instream sensoren en sondes, vooral tijdens de zomer. Aangroei en sediment opbouw kan sensoren te mislukken, drift en onbetrouwbare gegevens te produceren. Ondanks deze uitdagingen, zijn fijnere temporele resolutie (zo laag als per minuut) gegevens verplicht tot het bestuderen van de processen van de afvoer en de niet-puntbron besmetting, zoals ze worden beïnvloed door waterscheiding kenmerken (bijvoorbeeld grootte, bodem, helling, enz. ) en de timing en intensiteit van de neerslag7. Zorgvuldige veld observatie, frequente kalibratie, en goede reiniging en onderhoud kunnen zorgen voor kwalitatief goede gegevens van de sensoren en sondes, zelfs bij de resolutie van de fijnere tijd.

Hier bespreken we een methode voor het in situ continue monitoring van twee landbouw waterscheidingen met Multi-parameter water kwaliteit sondes, gebied-snelheid en transducer druksensoren en autosamplers; hun kalibratie en veld onderhoud; en gegevensverwerking. Het protocol toont een manier waarin continu Waterkwaliteit monitoring kan worden uitgevoerd. Het protocol is in het algemeen toepasbaar op continu waterkwaliteit en kwantiteit monitoring op elke soort of de omvang van waterscheiding.

Het protocol werd uitgevoerd in het noordoosten van Arkansas in kleine sloten stroomgebied (HUC 080202040803, 53,4 km2 -gebied) en Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, 23.4 km2 -gebied). Deze twee stroomgebieden afwateren in zijrivieren van de rivier van de Mississippi. Een behoefte aan toezicht zijrivieren van de rivier van de Mississippi was vastgesteld door de lagere Mississippi River Conservation Committee en de Golf van Mexico hypoxie Task Force te ontwikkelen van een plan voor het beheer van het stroomgebied en het optekenen van de voortgang van de vermogensbeheeractiviteiten 8 , 9. Bovendien deze waterscheidingen worden gekenmerkt als de waterscheidingen van de focus door de United States Department of Agriculture-natuurlijke hulpbronnen instandhouding Service (USDA-referentiecentra), gebaseerd op de mogelijkheden voor vermindering van de vervuiling van de voedingsstoffen en sediment en voor verbetering van de water kwaliteit10. Toezicht op de rand-van-veld wordt uitgevoerd in deze stroomgebieden als onderdeel van de Mississippi River Basin gezonde waterscheiding initiatief (MRBI) netwerk van statewide11. Meer details van de waterscheidingen (dat wil zeggen, sitelocaties, waterscheiding kenmerken, enz.) vindt u in Aryal en Reba (2017)6. Kortom, de Little River Basin sloten heeft overwegend slib leem bodem en katoen en soja zijn de belangrijkste gewassen, terwijl de Lower St. Francis Basin overwegend Sharkey kleigrond heeft en rijst en sojaboon de belangrijkste gewassen zijn. Op elke keerpunt, werd in situ continu water kwantiteit en kwaliteit controle (dat wil zeggen, geen kwijting temperatuur, pH,, troebelheid, geleidbaarheid, nitraat en ammonium) uitgevoerd op drie stations in de heersende stroming met behulp van dit protocol aan de ruimtelijke en temporele variabiliteit in de verontreinigende ladingen en de hydrologische processen te begrijpen. Bovendien werden per watermonsters verzameld en geanalyseerd voor zwevende sedimenten concentration.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. siteselectie

  1. waterscheiding selectie
    1. Selecteer watershed(s) gebaseerd op de omvang van de verontreiniging probleem, de prioriteit van de waterscheiding, de nabijheid van het onderzoeksinstituut, toegang tot de site, en gegevens doelstellingen.
  2. Stream bemonstering locaties
    1. Selecteer stream bemonstering locatie (s) op basis van het doel van de studie.
      Opmerking: Optimale bemonstering locaties zijn goed gemengd binnen een dwarsdoorsnede, veilig en gemakkelijk bereikbaar, geophysically stabiel (dat wil zeggen, constante dwarsdoorsnede en een voorstander van instrument station huisvesting bank), en de vertegenwoordiger 12 , 13 , 14. Stations niet onmiddellijk stroomafwaarts van de samenvloeiing van twee rivieren en in een rechte kanaalprofiel, zonder een convergerende of afwijkende kanaal dwarsdoorsnede, zijn meer homogeen en representatieve 14.
    2. Co Zoek hydrologische en water kwaliteit metingen op een dwarsdoorsnede voor de berekening van de belastingen.
      Opmerking: Als het identificeren van de ruimtelijke variatie van voedingsstoffen en sediment in een keerpunt, selecteert u meerdere stations te richten op potentiële bronnen gedurende de waterscheiding.

2. Instrument en Sensor selectie

  1. Kies instrumenten en sensoren voor het meten van de geen kwijting en waterkwaliteit en voor het verzamelen van watermonsters met de beoogde interval. Kies het instrument en de sensoren op basis van de gegevens moet, waterscheiding en beschikbare middelen.
    Opmerking: Ideale sensoren zijn betrouwbaar, nauwkeurig, gevoelig, nauwkeurige, goedkope, en geschikt zijn voor het milieu van de stream en vereisen beperkt onderhoud en minimale opleiding voor het veld technicus 13. In een agrarische stroomgebied, aangroei en puin opbouw zijn de grootste oorzaken van bezorgdheid. Sondes uitgerust met zelfreinigend en anti-fouling functies hebben bijgevolg de voorkeur.
    1. Gebruik een autosampler, sondes, een gebied-snelheid sensor, een drukopnemer en een draagbare debietmeter.
      Opmerking: De sonde moet hebben een wisser te reinigen van de sensor van de turbiditeit en een borstel te reinigen van de pH, ammonium, nitraat, en doen sensoren.
      Opmerking: Het instrument in dit protocol verwijst naar een eenheid van de steekproef water bestaande uit een autosampler, slang, zeef of stroom module en gebied-snelheid sensor.
  2. Select water kwaliteitsparameters gebaseerd op de doelstelling van de gegevens, sensor kosten en beschikbaarheid. Meten van de temperatuur, pH, ken, geleidbaarheid, turbiditeit, ammonium en nitraat elke 15 min.
    Opmerking: Temperatuur, conductiviteit, pH en zijn de meest gangbare parameters gekozen en worden gewaardeerd tegen USGS stations, overwegende dat nitraat, ammonium en troebelheid komen minder vaak voor, maar populariteit 1 , winnen 14.
    Opmerking: de doelstellingen van de gegevens is afhankelijk van de kenmerken van de waterscheiding. Bijvoorbeeld, stikstof en fosfor toezicht kunnen worden belangrijker in agrarische waterscheidingen ten opzichte van fosfor toezicht in stedelijke waterscheidingen.

3. Kalibratie van de sonde en programmering

  1. kalibreren de sensoren op de sonde volgens de aanbevelingen van de fabrikant. Het kalibratie-protocol naar wens aanpassen op basis van de plaatselijke milieuomstandigheden.
    Opmerking: De frequentie van de kalibratie is afhankelijk van de omgeving waarin de sensoren worden blootgesteld. In het algemeen, valt het binnen 2-4 weken. Hier, de sondes zijn gekalibreerd om de 2 weken tijdens het groeiseizoen en elke 3 weken in niet-groeiende seizoen (van November tot April).
  2. In het laboratorium, schoon de sonde grondig voordat kalibratie. Reinig de sensor oppervlakken met behulp van zachte borstels (bijvoorbeeld tandenborstels) en zeep of universele reiniger. Verwijder de rondpompthemostaat wisser en borstel met een zeskantsleutel Allen; Reinig de Wisser en borstel.
  3. Giet de elektrolyt in de pH-elektrode, het vullen met vers elektrolyt oplossing en voeg een pellet kaliumchloride zout om te handhaven de geleidbaarheid van de elektrolyt oplossing. Sluiten van het GLB, zodat het is luchtdicht; Sommige elektrolyt zal morsen uit terwijl het GLB is wordt geschroefd. Spoel de sonde met gedeïoniseerd water.
  4. Schorten de sonde op een stevige steun, zodat de onderkant van de sonde ongeveer 20-30 cm boven het tafelblad rust, waardoor gemakkelijk werkbaarheid. De sonde op de computer met behulp van een communicatie-kabel aansluiten. Start de fabrikant ' s software. Druk op " werken sonde " in te voeren in het programma van de sonde.
  5. Stel het aantal kalibratie standaarden bij de " parameter setup " tabblad. Kalibreren van de sensoren in de volgende volgorde: conductiviteit, pH, ken, troebelheid, nitraat en ammonium.
    Opmerking: De volgorde van de kalibratie is belangrijk, als nitraat en ammonium sensoren gebruikt geleidbaarheid en de pH waarden.
    Opmerking: Het aantal kalibratie normen zijn 2 voor conductiviteit, 2 of 3 voor pH, 1 voor DO, 2 of 4 voor troebelheid, 2 voor nitraat en 2 op ammonium.
  6. Spoel de sensor(en) met DI water meerdere keren en droog de sensor(en) remvlak(ken) met doekjes vóór de invoering van een norm om de sensor ter voorkoming van kruisbesmetting.
    Opmerking: Voor elke sensor kalibreren, Let op de waardes van de sensor voor de volgende normen leest: doen, pH 7, troebelheid voor DI en 50 NTU, nitraat voor 50 mg/L, en ammonium voor 50 mg/L. Deze waarden kunnen worden gebruikt om te evalueren of de sensoren in het veld juist waren. Ze kunnen ook worden voorzichtig gebruikt om veldwaarden te corrigeren.
  7. Na het kalibreren van elke sensor (3.8-3.13 stappen) voor een norm, " kalibratie succesvol " weergegeven; als de kalibratie mislukt, herstelt de sensor en probeer het opnieuw. Als de sensor nog altijd niet, de verbruiksartikelen vervangen moet of de sensor kan fabriek reparatie.
    Opmerking: Het resetten van de nitraat- en ammoniumzouten sensor zal op beginstand zetten beide sensoren.
  8. De sensor van de geleidendheid 2-punts kalibratie; 0 µs/cm voor een droge sensor en 1,412 µs/cm gebruiken voor de standaardoplossing kalibreren. Kies " SpCond [µs/cm] " in de " kalibratie " tabblad. Droog het ovale gedeelte van de sensor compleet met veegt. Voer " 0.0 " in µs/cm en voer " kalibreren. "
    1. Invoegen de standaard in een zakje volledig voor het ovale gedeelte van de sensor. Wacht tot de sensor lezen stabiliseert (~ 2-5 min), voer " 1412 " in µs/cm, en voer " kalibreren. " " kalibratie succesvol " wordt weergegeven; Als de kalibratie mislukt, reset van de sensor en probeer het opnieuw.
  9. De sensor van de pH met pH 7 en pH 10 normen kalibreren en controleren van de lineariteit van de kalibratie met pH 4. Selecteer de " pH [eenheden] " tabblad in de kalibratie-tab. de pH 7 standaard invoegen in een zak die betrekking hebben op zowel de pH-junctie en de referentie-elektrode. Wacht ongeveer 5 min voor het te stabiliseren. Voer " 7.0 " als de pH waarde en voer " kalibreren. "
    1. de elektroden spoel en droog ze gebruikend afveegt. PH 10 plaats en volg de dezelfde procedure als voor de pH 7. Invoegen van pH 4 om te controleren als de lineariteit van de kalibratiekromme wordt voldaan; de geijkte sensor moet lezen 4 ± 0,2 voor de pH 4.0 standaard.
  10. Kalibreren van de-sensor met temperatuur-gestabiliseerde, lucht-verzadigd, gedeïoniseerd water (18 M Ω-cm) als aanspreekpunt standaard.
    1. Selecteer de " LDO % [za] " tab. Vul de kalibratie-cup met DI water tot het bijna-full-niveau en plaats de cup op de sonde. Omkeren van de sonde om ervoor te zorgen dat de temperatuursensor en Ken membranen volledig zijn gedekt door het water.
    2. Wacht ongeveer 5 minuten om te stabiliseren van de procentuele verzadiging lezing. Eenmaal gestabiliseerd, voer " 100 " voor de procentuele verzadiging. Typ de barometerdruk in mmHg door het controleren van een lokaal weerstation en " kalibreren. "
      Opmerking: DI water temperatuur-gestabiliseerde en lucht-verzadigd is door het te bloot aan de sfeer ten minste overnachting in het laboratorium voor gasuitwisseling, verzadiging, en de stabilisatie van de temperatuur. Barometerdruk moet worden verstrekt, aangezien de verzadiging van luchtdruk naast de temperatuur afhangt (gemeten door de sonde zelf).
    3. Check de schaalfactor, die 0,5 moet - 1,5, aanvaardbaar kalibratie. De kalibratieprogramma af te sluiten, terminal modus, gebruik de pijlen om te markeren " Log In, " en druk op " voer. " Markeer " niveau 3 " en druk op " voer. " Markeer " setup " en druk op " voer. " Markeer " sensoren " en druk op " voer. " Markeer " doen " en druk op " voer. " Markeer " % zat " en druk op " voer. " opmerking de schaalfactor.
    4. Pers " Esc " afsluiten en voer " werken sonde " weer. Selecteer de " kalibratie tabblad " voort te zetten van de kalibratie.
    5. Omkeren van de sonde terug en het zodat de sensoren geconfronteerd met de grond op te schorten.
  11. Kalibreren van de troebelheid sensor met 4 maten: DI, 50 NTU, 100 NTU en 200 NTU. Selecteer de " troebelheid [NTUs] " tabblad. Zet genoeg DI-water om ten minste betrekking op de bodem van de troebelheid sensor in een cup kalibratie. Laat de troebelheid lezing stabiliseren. Punt " 1 " voor de DI-standaard, een " 0.6 " NTU troebelheid waarde, en " kalibreren. "
    1. kalibreren op dezelfde manier de troebelheid sensor voor andere International Accounting standards. Luchtbel vorming te voorkomen door homogenisatie van de normen, de fles op en neer draaien (niet schudden) en de normen langs de beker gieten.
    2. Na het kalibreren van alle normen, Controleer de sensor lezingen voor DI en 50 NTU om te zien of de kalibratie aanvaardbaar (dat wil zeggen, binnen ± 1%).
  12. Kalibreren van de sensor van de nitraat met behulp van twee standaarden: hoge (50 mg/L 3 --N) en lage (5 mg/L 3 --N). Selecteer de " 3 - [mg/L-N] " tabblad.
    1. Pour de 50 mg/L standaard te vullen de kalibratie-cup tot driekwart vol en plaats de cup op de sonde, waardoor een waterdichte verbinding. De sonde omkeren zodat de nitraat- en temperatuur sensoren zijn volledig bedekt. Wacht 15 min (of tot de lezing stabiel is). Eenmaal gestabiliseerd, geef het standaard niveau " 1 " en een waarde van " 46.2. " de temperatuur en de mV lezing in een notitieblok opnemen. Voer " kalibreren. "
      Opmerking: de nitraat-sensor maakt gebruik van de temperatuursensor naast de geleidbaarheid en de pH sensoren.
    2. De sensoren met DI water meerdere keren spoel en droog ze met doekjes. Herhaal de procedure voor de lage standaard. Het verschil tussen de twee spanning lezingen moet 50-65 mV, en het verschil tussen de temperatuur metingen mag niet meer dan 5 ° F voor de kalibratie aanvaardbaar.
  13. De ammonium sensor ook op de nitraat-sensor kalibreren.
  14. Reinstall en kalibreren van de ruitenwisser en borstel. Kies de " SelfClean [Rev] " tab. Kies " 1 " rotatie en voer " kalibreren. "
    Opmerking: de Wisser en borstel zal één keer draaien.
  15. Zodra alle sensoren zijn gekalibreerd, program de sonde. Voer " klok instellen naar pc tijd " in de " systeem " tabblad voor synchronisatie. Het oudste logboekbestand verwijderen als er 4 bestaande log-bestanden en een nieuw logboekbestand maakt. Zodra het logboekbestand is gemaakt, selecteert u de controle parameters en de parameters te melden. Selecteer de controle duur (dat wil zeggen, tot de volgende kalibratie, meestal 2-3 weken in agrarische waterscheidingen)- en interval (15 min) door te kiezen voor de start en eindtijd van het logboekbestand en de registratie-interval. Het logboekbestand opslaan.
    Opmerking: Op elk gewenst moment, een sonde kunt maximaal 4 logboekbestanden.
  16. De interne batterijspanning check en vervang de interne batterijen indien nodig.
    1. Selecteer de " online monitoring " tab en beginnen met de online monitoring.
    2. Check de interne batterij spanning lezing. Als het lager dan 10,5 V is, vervangen door acht nieuwe C batterijen.
      Opmerking: De sonde stopt opnamegegevens als de interne batterijspanning zakt tot onder ~9.0 V.
    3. Siliconen-sealant gebruiken voor het afdichten van het GLB van de batterijhouder om een waterdichte verbinding te maken.
  17. Hechten van de sensor-guard en zet het in een emmer water halfvol.
    Opmerking: De sondes in de emmer zijn bereid voor vervoer en (her) installatie van de sites. De sondes voor de pH-elektrode naar behoren moet worden ondergedompeld.

4. Instrument en Sensor installatie

  1. gebied-snelheid sensor en stroom module
    1. Mount het gebied-snelheid sensor veilig op een stalen plaat op een geselecteerde dwarsdoorsnede. De stalen plaat monteren op de " L " beugel ( Figuur 1) die is gemonteerd in de Telspar post aangedreven op de Talweg van de stream (dat wil zeggen, het diepste deel van het kanaal) ( Figuur 1); de uitbreiding van de " L " beugel stroomopwaarts van de Telspar post moet lang genoeg zodat de stroom wordt niet beïnvloed door de aanwezigheid van de post van de Telspar in de stream. Plaats de sensor op de " L " beugel op de stream-bed, zodanig dat het uiteinde van de sensor stroomopwaarts langs de lijnen van de stroom gezichten.
      Opmerking: Het effect van Telspar post kan worden geëvalueerd visueel als de invoering van de post maakt de verstoring van de stroom op de positie van de sensor stroomopwaarts of kwantitatief via sensor lezingen met en zonder de Telspar post. In dit protocol, transversale variabiliteit werd beschouwd als te verwaarlozen. Als er moet worden geëvalueerd, kunnen meerdere sondes of sensoren worden geplaatst op een dwarsdoorsnede. Het gebied-snelheid sensor maatregelen gemiddelde snelheid met behulp van de ultrasone Doppler methode. Het hoeft niet een conversiefactor gebaseerd op stroom diepte of snelheid profilering en on-site kalibratie. De stroom module meet snelheid van-1.5 tot 6,1 m/s en diepte van 0,01 m tot 9.15 m. Als zodanig, is van toepassing op verschillende waterscheidingen.
    2. Voor het berekenen van de kwijting, meten de oppervlakte van de dwarsdoorsnede.
      Opmerking: De software kan direct berekenen van de oppervlakte als de vorm van het kanaal of een vergelijking wordt opgegeven.
      Opmerking: De gegevens van de sensor worden direct vastgelegd in de module van de stroom en kan worden gedownload naar een computer met behulp van de fabrikant ' s software en een communicatie kabel.

< img alt = "Afbeelding 1" class = "xfigimg" src = "/ bestanden/ftp_upLoad/56036/56036fig1.jpg"/ >
Figuur 1. Lay-out van een typische Instream controle Station (niet op schaal).
Het station bevat een post van de Telspar waarop de sonde is opgehangen met een stalen kabel, een karabijnhaak en tips. De tips worden niet weergegeven. De L-beugel waarop de gebied-snelheid sensor is gemonteerd op de stream-bed wordt geplaatst en wordt aan de post met behulp van bouten en moeren strak vastgezet. De autosampler (niet afgebeeld in de figuur) trekt het watermonster van een slang met een zeef op het puntje. De kabel van de area-snelheid sensor is aangesloten op de stroom module (niet afgebeeld). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. drukopnemer (PT-sensor)
    1. wanneer de ruimte-snelheid sensor niet beschikbaar is, meet de diepte met behulp van een drukopnemer.
    2. Installeren van de PT-sensor in de post van Telspar en veilig met een staaldraad en ferrules; het uiteinde van de sensor moet enkel raken het stream-bed. De PT-sensor voor het meten van de waterdiepte 15-min tussenpozen Program.
  2. Manual kwijting meting
    1. voor stations met een sensor van de PT als een kwijting meettoestel, maken een fase-kwijting curve door handmatig het meten van de kwijting over een bereik van stromen, die betrekking hebben op ten minste lage, gemiddelde en hoge stroomt. De oppervlakte van de dwarsdoorsnede opsplitsen in meerdere segmenten (30-60 cm breed), afhankelijk van de breedte van de stroom. Het meten van de gemiddelde snelheid in de middenlijn van het segment met behulp van een draagbare debietmeter. Als de diepte is < 10 cm, de maximale snelheid meten en vermenigvuldig met 0,9 om de gemiddelde snelheid. Als diepte 10-75 cm is, meet u snelheid op 0.6 van de diepte om te bepalen van de gemiddelde snelheid 15. Voor diepten groter dan 75 cm, meten snelheden op drie dieptes (0,2 0,6 en 0,8 van de diepte van het wateroppervlak) en ze gemiddeld 15.
    2. Berekenen van het lozen van een segment met de gemiddelde snelheid, breedte en diepte van het segment en de som van de lozingen van alle segmenten te verkrijgen van een totale lozing.
    3. Volgt u de procedure voor het bereiken van de stromen die betrekking hebben op laag, medium en hoge stromen.
    4. Bepalen de relatie tussen de fase (dat wil zeggen, de diepte van de stroom gemeten door de drukopnemer ten tijde van de meting van de handmatige kwijting) en de gemeten lozingen.
      Opmerking: Als de kwijting te hoog voor het meten van de snelheid handmatig is een tijdelijke gebied-snelheid sensor kan worden gebruikt het maken van een relatie tussen het verlenen van kwijting door het gebied-snelheid sensor gemeten en de diepte gemeten door de sensor van de PT.
  3. Water kwaliteit Multi-parameter sonde
    1. monteren van de sonde op de post van de Telspar met een staaldraad, tips en een karabijnhaak voor de veiligheid van de sonde en eenvoudige installatie en verwijdering ( Figuur 1). Plaats de sonde op de downstream-kant van de post van de Telspar ter voorkoming van schade van puin of hout logs kunnen komen zweven met de stroom water, vooral tijdens de overstromingen. Plaats de onderkant van de sonde minstens 1-10 cm boven het bed van de stream te verminderen de kans op ophoping van sediment op de sonde.
      Opmerking: De sonde moet altijd worden ondergedompeld in het water. Dus, in een stream met verschillende stromen, de sonde moet hoog genoeg zijn om de opbouw van het sediment op de sonde en laag genoeg is om te voorkomen dat de sonde krijgen blootgesteld aan lucht. Echter, voor een kanaal met minder variabele speen, de sonde kan worden geplaatst zodat de sensoren ongeveer 10 cm onder het wateroppervlak zijn.
      Opmerking: Indien de sonde een diepte-sensor heeft, moet de hoogte van de sensor van de diepte van het kanaal bed worden gemeten aan de account voor de diepte van de installatie van de diepte-sensor boven het bed van kanaal.
    2. Macht de sonde met interne batterijen en/of externe batterijen. Gebruik een draagbare batterij box naar het huis van de externe batterij en een mededeling van de kabel verbinden met de sonde. Program van de sonde gegevens iedere 15 minuten te verzamelen en de gegevens rechtstreeks op de computer met behulp van de communicatie kabel downloaden.
  4. Autosampler
    1. installeren een autosampler in weer-beschermende behuizing aan de bovenkant van de stream bank op stabiele grond. Macht de autosampler met een lood-zuur batterij. Installeren van een zonnepaneel 20-W om te laden van de batterij onsite.
    2. Beveiligen van een pijp zeef onder water met de Telspar post of L-beugel en sluit deze aan op de autosampler met een slang.
      Opmerking: De autosampler trekt water uit de stream via de zeef en slang.
      Opmerking: De plaatsing van de zeef pijp is belangrijk om representatieve gegevens te verkrijgen. In dit protocol was het gepositioneerd ervan uitgaande dat geen transversale variabiliteit.
    3. Program de autosampler monster water wekelijks of op basis van behoefte. Raadpleeg de handleiding van de autosampler geboden door defabrikant.
      Opmerking: De autosampler kan worden geprogrammeerd om monster water gebaseerd op regenval, stroom, tijd of een combinatie. De monsternemer kan worden geprogrammeerd om te proeven van één monster in vele flessen, vele monsters in een fles (composite), of een combinatie.
      Opmerking: De autosampler verzamelt een hoeveelheid water (2.000 mL) noodzakelijk voor de analyse van aanvullende parameters in het laboratorium. Naast continue Waterkwaliteit monitoring met behulp van de sonde, monsters worden geanalyseerd op een wekelijkse basis voor concentratie van zwevende sedimenten.

5. Sensor en Sonde onderhoud

  1. schoon gebied-snelheid sensor op elk bezoek aan het verminderen van het puin op of in de buurt van de sensor oppervlakken.
  2. Regelmatig kalibreren de sensoren op de sonde.
    Opmerking: De frequentie is afhankelijk van seizoen, hydrologie, keerpunt, type sensor en tarief van aangroei. In de waterscheidingen hier gekozen, kalibratie moest elke 2 weken kwalitatief goede gegevens verzamelen.
  3. Vervangen de verbruikbare onderdelen, zoals door de fabrikant aanbevolen.
    Opmerking: Dit omvat een pH referentie elektrode/cap, een cap (membraan) voor de-sensor, ion-tip sensoren (nitraat en ammonium sensoren), en een circulerende wisser en penselen.
  4. De sonde voor fabriek reparatie sturen als dat nodig (dat wil zeggen, als de sensor leest geen acceptabele waarden voor de normen, zelfs na resetten en kalibreren, of als de sensoren niet kalibratie).

6. Veld bemonsterings- en laboratoriumonderzoek

  1. voorbereiden op voorhand voor de excursie te behouden van de sensoren en voor het verzamelen van de automatisch verzamelde water handmatig monster en verzamel watermonsters of als een autosampler niet beschikbaar op de site is. Zorg ervoor dat de items in de controlelijst (tabel 1).
  2. Verzamelen de watermonsters in een schone (dat wil zeggen, zuur gewassen en gespoeld) drogen pot (10 L), label ze en vervoer ze op het ijs naar het laboratorium zo spoedig mogelijk p.a..
    Opmerking: Het verzamelde watermonster is een representatieve steekproef onder de werkelijke omstandigheden ten tijde van de bemonstering en op de bijzondere locatie; de integriteit van het verzamelde monster dient gevrijwaard te blijven tegen besmetting en fysische, chemische en biologische veranderingen 12.
    Opmerking: Het materiaal van de container nodig afwijken voor sommige analyten van belang, overwegende dat verzuring en/of filtratie mogelijk vereist zijn op de site.
  3. Analyseren de coltekenveld water monsters in het laboratorium met standaardmethoden voordat het erkende bedrijf keer 16.
    Opmerking: Watermonsters kunnen worden geanalyseerd met behulp van de EPA 353.2; 4500-NO3 voor nitraat, EPA 353.2; 4500-NO2 voor nitriet, EPA 365.1; 4500-PI voor fosfaat, EPA 350.1; 4500-PJ voor stikstof totaal, EPA 365,4; 4500-PJ voor fosfor totaal, 2540-D voor de totale hoeveelheid gesuspendeerde, 2540-C voor totaal opgeloste vaste stoffen, en D 3977-97 voor de zwevende sedimenten concentratie 16 , 17.
  4. Volg de passende kwaliteitscontrole en controles, zoals spaties, normen, wordt gerepliceerd, etc., tijdens de analyse. Volg de Quality Assurance projectplan (QAPP).
  5. Vullen de keten van bewaring bladen voor zowel de collector van de steekproef en het laboratoriumpersoneel en houden van een kopie van elk. Opmerking Elke ongebruikelijke of opmerkelijke evenementen waargenomen in het veld op de keten van bewaring vellen.

7. Gegevensverzameling en analyse

  1. verzamelen water kwalitatieve en kwantitatieve gegevens van de sondes, stroom module en laboratorium.
  2. Een kopie van alle onbewerkte gegevens opslaan voordat u gaat werken met de correctie van de gegevens en analyse.
  3. Zorgvuldig inspecteren van de verzamelde gegevens op turbiditeit en verwijderen van alle nul (bijvoorbeeld 0.0 NTU), NAN of onredelijke waarden (bijvoorbeeld 3.000 NTU; bovengrens van detectie van de sensor) voor verdere analyse.
    Opmerking: Voorzichtigheid moet worden betracht bij het verwijderen van alle gegevens. Ze worden verwijderd, alleen wanneer specifieke omstandigheden in het veld Notities identificeren en bepalen dat de gegevens niet redelijk zijn.
  4. De etappe-kwijting relatie gebruiken voor het berekenen van de kwijting van de sensor van de PT.
    Opmerking: De diepte gemeten door de PT-sensor moet druk gecompenseerd.
    1. De fabrikant gebruik (In situ Inc.) software, " Baromerge, " na de PT sensor om gegevens te corrigeren.
      Opmerking: De gegevens kan worden gecorrigeerd door een vaste barometerdruk waarde door het invoeren van veel barometerdruk waarden handmatig en automatisch met een baroTroll-logboekbestand. Dit protocol maakt gebruik van een baroTroll-logboekbestand ingezet op een nabijgelegen locatie voor het automatisch corrigeren van de PT-sensorgegevens.
  5. Voor gebied-snelheid sensor data, Verwijder eventuele negatieve stroom die zou sensor artefact.
    Let op: Soms kan eigenlijk er negatieve stroom, afhankelijk van de site. In dat geval, ga niet voorbij aan de negatieve snelheid.
  6. Berekenen ontbrekende geen kwijting gegevens met behulp van een lineaire regressie tussen stroomopwaarts of stroomafwaarts kwijting en de kwijting op het station.
    Opmerking: De relatie moet statistisch significant, dat is meestal het geval tussen lozingen voor elke upstream- en downstream-stations. In de waterscheidingen hier getest, de relatie was significant (p < 0,01) en de correlatiecoëfficiënt was meer dan 93%. Echter de ontbrekende gegevens van de geen kwijting kan alleen worden ingevuld met behulp van deze methode als de afstand tussen sites kort is en de waterscheiding kenmerken soortgelijke blijven.
  7. Vult niet ontbrekende waterkwaliteitsgegevens.
    Opmerking: Waterkwaliteitsgegevens zijn beïnvloed door vele variabelen (dat wil zeggen, de timing en toepassing van kunstmest, of het verlenen van kwijting stijgt of daalt, site specifieke voorwaarden, etc.).
  8. Uitvoeren van een regressie-analyse tussen de concentratie van zwevende sedimenten (WS) van de laboratoriumresultaten en de troebelheid (NTU) gemeten stroom.
    Opmerking: Dergelijke een regressie is gevoelig voor de verdeling van de grootte van de sediment, zodanig dat als zand een significant maar variabel deel van de wetenschappelijke stuurgroep vormt, de regressie arme. Echter kan het worden verbeterd als zand en boetes tijdens de analyse van het monster worden gescheiden en de boetes zijn gecorreleerd aan de wetenschappelijke stuurgroep. Gebruiken de regressie om continu SSC waarden te berekenen.
  9. Omdat verontreinigende stof concentraties variëren met kwijting, berekenen stroom-gewogen concentraties met behulp van vergelijking 1 6. Bereken de stroom-gewogen gemiddelde concentraties (FWMC) op een dagelijkse basis gebruiken uurgegevens. U kunt ook berekenen op uurbasis met 15-min de gegevens; de FWMCs zijn geïntegreerd met tijd alsook.
    figure-protocol-1
    waar
    FWMC = stroom-gewogen gemiddelde concentratie op een dagelijkse basis
    c ik = concentratie van i th monster
    t ik = tijd, 1 h
    q ik = kwijting voor ik steekproef th
    ik = 1 tot en met 24
  10. toepassing van adequate statistische technieken om te voldoen aan de doelstellingen van de gegevens. Wanneer de gegevens niet-normale zijn, de gegevens te laten normale of te gebruiken de mediane ± interkwartielafstand transformeren. Niet-parametrische tests uitvoeren voor niet-normale gegevens.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

In de Aryal en Reba (2017) publicatie, is dit protocol gebruikt voor het bestuderen van het transport en transformatie van voedingsstoffen en sediment in twee kleine agrarische waterscheidingen6. Extra resultaten van dit protocol worden hieronder beschreven.

Neerslag-afvoer Water kwaliteit relaties:

De kracht van continue monitoring is dat gebruike...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Globaal, is de continue monitoring van voedingsstoffen en sediment heeft verschillende voordelen ten opzichte van controle met behulp van de grijper bemonsteringsmethode. Hydrologische en water kwaliteitsprocessen worden beïnvloed door neerslag over een zeer korte spanwijdte van tijd. Gebruikers kunnen het verkrijgen van hoge temporele resolutie gegevens over voedingsstoffen en sediment complexe problemen te bestuderen. Andere water kwaliteitsparameters, zoals conductiviteit, pH, temperatuur en, kunnen worden verkregen g...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Het onderzoek werd mogelijk als gevolg van financiering van de instandhouding effecten beoordeling Project (CEAP). Wij zijn vooral dankbaar voor toegang tot de site toestemming van de producenten, onderzoek bijstand uit leden van de USDA-ARS-Delta Water Management Research Unit, en analyse van het monster door het personeel op de ecotoxicologie Research Facility, Arkansas State University. Onderdeel van dit onderzoek werd gesteund door een afspraak aan het ARS deelname programma, beheerd door het Oak Ridge Instituut voor wetenschap en onderwijs (ORISE) door een interdepartementale overeenkomst tussen het Amerikaanse ministerie van energie en de USDA. ORISE wordt beheerd door ORAU onder contractnummer DOE DE-AC05-06OR23100. Alle meningen in dit document zijn de blogauteur en weerspiegelen niet noodzakelijk het beleid en de standpunten van USDA, ARS, DOE of ORAU/ORISE.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Multiparameter sondeHach HydrolabDS5Xmeet temperatuur, pH, geleidbaarheid, opgelost zuurstof, nitraat, ammonium, troebelheid
Area velocity flow module en sensorTeledyne Isco2150meet gemiddelde stroomsnelheid en stromingsdiepte, en berekent stromingssnelheid en totaal debiet op basis van de opgegeven doorsnede van de sloot. Opgeslagen gegevens kunnen rechtstreeks naar de computer worden gedownload.
Automatische draagbare watermonsternemerTeledyne IscoISCO 6712monsterneemt water automatisch in het ingestelde interval of in combinatie met flow module en sensor
DruktransmitterIn-situRugged Troll 100meet druk, niveau en temperatuur in het water. Opgeslagen gegevens kunnen direct naar de computer worden gedownload
Draagbare flowmeterFlo-mate (Hach)Marsh-McBirney 2000Voor handmatige afvoermeting
Batterij, 12 v, oplaadbaarUPGUB 1270Om sonde van stroom te voorzien
Batterij, 12 v, oplaadbaarInterstate BatteriesSRM 27Loodaccu om autosampler van stroom te voorzien
ZonnepaneelAlt EALT20-12POm batterij op de locatie op te laden
C-8 batterijen
KalibratiestandaardenHach of Fisher ScientificmeerdereStandaardwaarden voor pH (4,7,10), geleidbaarheid (1412 uS/cm), nitraat (5 en 50 mg/L), ammonium (5 en 50 mg/L) en troebelheid (50,100,200 NTU)
Hoge nitraat standaardHach013810HY50 mg/L
Lage nitraat standaardHach013800HY5 mg/L
Hoge ammonium standaardHach002588HY50 mg/L
Lage ammonium standaardHach002587HY5 mg/L
Troebelheid standaardFisher scientificR8819050-500G50 NTU
Troebelheid standaardFisher scientific88-061-6100 NTU
Troebelheid standaardFisher scientificR8819200500 C200 NTU
Kaliumchloride zoutkorrelsHach005376HYom elektrolyt voor pH elektrode te onderhouden
Kaliumchloride standaardFisher scientific5890-161412 us/cm
Bufferoplossing, pH 4Fisher scientificSB99-1voor pH sensor kalibratie
Bufferoplossing, pH 7Fisher scientificSB108-1voor pH sensor kalibratie
Bufferoplossing, pH 10Fisher scientificSB116-1voor pH sensor kalibratie
Siliconen afdichtingHach00298HYVoor waterdichte sensorbatterijdeksel
Allround reinigerSunshine Makers IncSimple green
DoekjesKimberly-Clark
L-beugel
Telsbar-staanderUnistrut Service CompanySensoren en sondes veilig bevestigen in de stroom
Staaldraadsuspensie sonde en PT sensor
Karabijnhaaksuspensie sonde en PT sensor
Inbussleutel
Koperdraad gaasBird B GoneKoperdraad gaasrol voor controle van knaagdieren en vogels
KleefbandAgri Drain CorporationTegeltape, werkt in natte en koude omstandigheden

Referenties

  1. Pellerin, B. A., et al. Emerging Tools for Continuous Nutrient Monitoring Networks: Sensors Advancing Science and Water Resources Protection. J Am Water Resour Assoc. 52 (4), 993-1008 (2016).
  2. Rozemeijer, J., et al. Application and Evaluation of a New Passive Sampler for Measuring Average Solute Concentrations in a Catchment Scale Water Quality Monitoring Study. Environ Sci Tech. 44 (4), 1353-1359 (2010).
  3. Cassidy, R., Jordan, P. Limitations of instantaneous water quality sampling in surface-water catchments: Comparison with near-continuous phosphorus time-series data. J. Hydrol. 405 (1-2), 182-193 (2011).
  4. Facchi, A., Gandolfi, C., Whelan, M. J. A comparison of river water quality sampling methodologies under highly variable load conditions. Chemosphere. 66 (4), 746-756 (2007).
  5. Hamilton, S. Global hydrological monitoring industry trends. , Aquatic Informatics. Vancouver, B.C. (2012).
  6. Aryal, N., Reba, M. L. Transport and transformation of nutrients and sediment in two agricultural watersheds in Northeast Arkansas. Agric Ecosyst Environ. 236, 30-42 (2017).
  7. National Research Council (U.S.). Confronting the nation's water problems: The role of research. , National Academies Press. (2004).
  8. LMRRA (Lower Mississippi River Resource Assessment). Final Assessment in Response to Section 402 of WRDA 2000 Public Review Draft. , (2015).
  9. MWNTF (Mississippi River/Gulf of Mexico Watershed Nutrient Task Force). New Goal Framework. , Washington, DC. (2008).
  10. USDA-NRCS (The United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service). Mississippi River Basin Healthy Watersheds Initiative Maps and List of Watershed. , Available from: http://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detailfull/national/programs/initiatives/?cid=nrcsdev11_023896 (2016).
  11. Reba, M. L., et al. A statewide network for monitoring agricultural water quality and water quantity in Arkansas. J. Soil Water Conserv. 68 (2), 45a-49a (2013).
  12. Duncan, D., Harvey, F., Walker, M. Australian Water Quality Centre. , Environment Protection Authority. Australia. (2007).
  13. Hamilton, S. The 5 essential elements of a hydrological monitoring program. , Aquatic Informatics. (2012).
  14. Wagner, R. J., Boulger, R. W. Jr, Oblinger, C. J., Smith, B. A. Guidelines and standard procedures for continuous water-quaity monitors-Station operation, record computation, and data reporting: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 1-D3. , Virginia. (2006).
  15. World Metorological Organization. Manual on Stream Gauging Volume I-Fieldwork. , (2010).
  16. American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. Standard methods for the examination of water & wastewater. , 21st ed, American Public Health Association. (2005).
  17. ASTM (American Society of Testing and Materials) D3977-97. Standard test methods for determining sediment concentration in water samples. , ASTM International. West Conshohocken, PA. (1997).
  18. O'Connor, D. J. The temporal and spatial distribution of dissolved oxygen in streams. Water Resour Res. 3 (1), 65-79 (1967).
  19. Dabney, S. M. Cover crop impacts on watershed hydrology. J Soil Water Conserv. 53 (3), 207-213 (1998).
  20. Udawatta, R. P., Motavalli, P. P., Garrett, H. E., Krstansky, J. J. Nitrogen losses in runoff from three adjacent agricultural watersheds with claypan soils. Agric Ecosyst Environ. 117 (1), 39-48 (2006).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

Continue monitoringwaterkwaliteitnutriëntenanalysesedimentmetingsensorkalibratiesonde-implementatiein situ sensingverontreinigingsvrachtgegevensverzameling
Continu Instream bewaking van voedingsstoffen en Sediment in agrarische waterscheidingen
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.