Składniki odżywcze obecne w postaci cząstek stałych mogą znacząco przyczynić się do ogólnego obciążenia wód drenażowych w rolnictwie. W badaniu tym opisano nowatorską metodę wychwytywania wody ważonej przepływem i zawieszonych cząstek stałych z drenażu kanału rolniczego przez cały czas trwania zdarzenia drenażowego.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Wychwytywanie wody ważonej przepływem i zawieszonych cząstek stałych z kanałów rolniczych podczas zdarzeń odwadniających
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Celem tego badania jest opisanie metod używanych do wychwytywania wody o dużym natężeniu przepływu i zawieszonych cząstek stałych z kanałów rolniczych podczas zrzutów drenażowych. Kanały hodowlane mogą być wzbogacone w składniki odżywcze, takie jak fosfor (P), które są podatne na transport. Fosfor w postaci zawieszonych cząstek stałych może znacząco przyczyniać się do całkowitego obciążenia P w wodzie drenażowej. Przeprowadzono eksperyment w osadniku w celu wychwytywania zawieszonych cząstek stałych podczas dyskretnego drenażu. Woda odprowadzana z kanału rolniczego była zbierana w szeregu dwóch osadników o pojemności 200 litrów przez cały czas trwania odwadniania, tak aby stanowiła złożoną podpróbkę odprowadzanej wody. Stożki osadowe Imhoffa są ostatecznie wykorzystywane do osadzania zawieszonych cząstek. Osiąga się to poprzez odprowadzanie wody z osadników przez stożki. Cząstki stałe są następnie zbierane do analiz fizykochemicznych.
Wprowadzenie
Losy i transport zawieszonych cząstek stałych były przedmiotem licznych badań ze względu na ich rolę w eutrofizacji, szczególnie w systemach rolniczych1,2. Kompleksowa ocena składników odżywczych zawartych w pyłach zawieszonych w systemie wodnym jest niezbędna do zbadania wielu kwestii środowiskowych, takich jak wewnętrzny obieg składników odżywczych i uwalnianie do leżącego nad nimi słupa wody3, stabilność podłoża, dostępność światła w słupie wody i ostatecznie problemy z jakością wody dla ekosystemów w dolnym biegu rzeki4. Ilość fosforu (P) zmagazynowanego w postaci cząstek stałych (materii organicznej lub osadów) jest zazwyczaj większa niż w słupie wody5. Badanie przeprowadzone przez Kenneya i wsp. 6 pokazało, że niedawne osady, które zostały zdeponowane w jeziorze Lochloosa na Florydzie, były w wieku od 1900 do 2006 roku. Te młodsze osady zawierały prawie 55 razy więcej P niż to, które było obecne w słupie wody. Jednym z podejść do scharakteryzowania potencjalnego wpływu, jaki cząstki stałe mogą mieć na konkretny system, jest przeprowadzenie ilościowej inwentaryzacji fosforu zmagazynowanego w osadzie odprowadzanym podczas zdarzeń drenażowych. Gromadzenie i analiza tych uwolnionych cząstek stałych może pomóc w oszacowaniu wpływu wzbogacania w składniki odżywcze na wrażliwe ekosystemy.
Zdarzenia sztormowe zazwyczaj reprezentują niewielki ułamek czasu, ale mogą przyczyniać się do większości zrzutów ładunku P w melioracji gospodarstw. Dzieje się tak, ponieważ aby zapobiec zalaniu pól, w krótkich okresach czasu odprowadzana jest duża ilość wody. Intensywność opadów i natężenie przepływu są istotnymi czynnikami napędzającymi, które mogą kontrolować stężenie zawieszonych osadów w spływach lądowych7. Opracowanie metod monitorowania, które rejestrują próbki wody kompozytowej ważonej przepływem, pomogłoby uniknąć błędów związanych ze złożonymi opadami deszczu o dużej intensywności. Podczas dużych zrzutów, takich jak burze, szybkie i drastyczne zmiany stężeń mogą nie być reprezentatywne dla średniego stężenia zanieczyszczeń dla objętości przyrostowej. W związku z tym próbki wody ważone przepływem znacznie dokładniej reprezentują stężenie zdarzenia zrzutu, ponieważ jest to suma ładunków w danym okresie czasu8. Najczęściej pobieranymi próbkami ważonymi przepływowo są automatycznie pobierane próbki dyskretne lub złożone. Przechwytywanie eksportowanych zawieszonych cząstek stałych z drenażu gospodarstw rolnych podczas zrzutu pozwala nam określić ilościowo dotkliwość zdarzenia przy obciążeniu P. Metoda opisana w tym badaniu pomaga wychwytywać cząstki stałe, które można później scharakteryzować pod kątem różnych właściwości fizycznych i chemicznych. Nowość polegająca na pobieraniu próbek odpływu drenażowego przy użyciu metody ciągłego przepływu złożonego w porównaniu z próbkowaniem chwytakowym polega na tym, że jest to lepsze odwzorowanie warunków terenowych przez cały czas trwania zdarzenia drenażowego. Natomiast próbkowanie chwytania jest "migawką" w czasie i może nie reprezentować w pełni efektu całego zdarzenia.
Obszar rolniczy Everglades (EAA) w południowej Florydzie, USA to duży obszar pierwotnego Everglades, który został skanalizowany i osuszony pod uprawę, handel i rozwój mieszkaniowy. Prawie 1 100 milionówm3 wody jest odprowadzane rocznie z i przez EAA na południe i południowy wschód9. Gleby w EAA to histosole, które zwykle zawierają ponad 85% masy materii organicznej i mają mniej niż 35% zawartości minerałów10. Osady kanałowe mają zazwyczaj niską gęstość nasypową (od 0,14 g cm-3 do 0,35 g cm-3), wysoką zawartość materii organicznej (między 31 - 35%) i wartości całkowitego P (TP) w zakresie od 726 do 1,089 mg kg-1 11.
Na potrzeby tej demonstracji wybrano farmę w obrębie EAA. Hydrokrajobraz przepływu wody w EAA zależy od pomp i grawitacji. Każde gospodarstwo w EAA składa się z co najmniej jednego głównego kanału i wielu rowów polnych. Rowy polne biegną prostopadle do głównego kanału. Pompy zazwyczaj służą dwóm celom; Dostarczają wodę do nawadniania gospodarstwa, a także odprowadzają wodę drenażową poza teren zakładu. Gdy pola wymagają osuszenia, woda w głównym kanale jest opuszczana, a woda z pola spływa do rowów, napędzana przez gradient hydrauliczny. Ze względu na niewielkie nachylenie powierzchni, większość opadów, które występują na polach, przepływa przez profil glebowy w drodze do rowów polowych. Podczas nawadniania system jest odwrócony. Na terenie EAA nie ma sieci drenażów dachówek. Zwierciadło wody jest utrzymywane na określonej wysokości dzięki ograniczającej warstwie wapiennego podłoża skalnego leżącego pod glebą. Woda jest doprowadzana głównymi kanałami; Rowy polne są zasypywane, a woda może przesiąkać do profilu glebowego w celu podniesienia poziomu zwierciadła wody na polach. Zazwyczaj zapotrzebowanie na wodę do nawadniania w EAA występuje w marcu, kwietniu i maju (pora sucha), przy bardzo niewielkim odpływie drenażu. Natomiast objętość wody odprowadzanej między czerwcem a październikiem (pora deszczowa) jest znacznie wyższa. Obecność nasypów i rowów na brzegach kanałów pozwala na minimalny spływ powierzchniowy jako potencjalne źródło ładowania P do kanałów rolniczych12.
W tym eksperymencie wizualnym prezentujemy nowatorską metodę wychwytywania zawieszonych cząstek zawieszonych ważonych przepływem podczas drenażu, które mogą być później wykorzystane do charakterystyki fizykochemicznej, takiej jak gęstość nasypowa, zawartość materii organicznej i frakcjonowanie P13,14.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Instalacja i zasada działania rejestratora danych
- Wybrać gospodarstwo badawcze i zainstalować rejestrator danych, który uruchamia autopróbnik do pobierania prób zbiorczych przepływu w sposób proporcjonalny do natężenia przepływu, co wymaga monitorowania poziomów w kanale, obrotów głowicy pompy oraz równania kalibracji pompy.
Rycina 1: Próbnik ISCO wykorzystywany do programowania procedur automatycznego pobierania próbek dla zbiorczych wód drenarskich oraz próbek wody pod kątem zawiesiny cząsteczkowej. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
- Monitoruj poziomy w kanałach gospodarstwa za pomocą przetworników ciśnienia zainstalowanych w kanałach dopływowych i odpływowych sąsiadujących ze stacją pompową.
- Monitoruj prędkość pompy za pomocą czujników zbliżeniowych zainstalowanych na głowicach pomp; prędkość jest rejestrowana przez rejestrator danych w obrotach na minutę (rpm).
UWAGA: Czujniki zbliżeniowe to elementy metalowe, które podczas przesuwania się względem siebie zliczają liczbę rpm. Są one przyspawane do głowic pomp. - Mierz opady deszczu za pomocą deszczomierza z przelewającym się koszyczkiem, który jest podłączony do rejestratora danych.
UWAGA: Rejestrator danych komunikuje się za pomocą radiotelemetrii ze stacją bazową zlokalizowaną w UF/IFAS Everglades Research and Education Center. Telemetria nie jest niezbędna do sterowania pobieraniem próbek, a jedynie do gromadzenia i przechowywania danych.
2. Pobieranie próbek wody z drenażu z uwzględnieniem przepływu
- Oblicz przepływ drenażu, korzystając z rejestratora danych i równania kalibracyjnego pompy dla każdej pompy. Pobieranie próbek proporcjonalnych do przepływu drenażu odbywa się za pomocą automatycznego próbnika, który jest uruchamiany przez rejestrator danych po osiągnięciu określonej objętości drenażu.
UWAGA: Prędkość pompy i natężenia przepływu zmieniają się w ciągu 24 h. Pobieranie próbek ISCO jest wyzwalane przez objętość odprowadzonej wody, a nie przez natężenie przepływu. Automatyczny próbnik jest zaprogramowany tak, aby pobrać podpróbkę po odprowadzeniu stałej objętości wody. Objętość odprowadzonej wody jest kalibrowana na podstawie liczby obrotów pompy na minutę (rpm). - Pobierz zbiorczą próbkę wody (minimum 500 mL), korzystając z automatycznego próbnika in situ znajdującego się w stacji pomp, i zaprogramuj go tak, aby pobierać codzienną zbiorczą próbkę wody podczas zdarzeń drenażowych.
UWAGA: Próbnik ISCO jest podłączony do zbiorników kolektorskich za pomocą przewodów skierowanych przez rejestrator danych, który pobiera próbkę 2 L co 2 min aż do osiągnięcia 400 L. - Zaprogramuj objętości wyzwalające próbkowanie tak, aby umożliwić pobranie maksymalnie 30 próbek w ciągu 24-godzinnego okresu odprowadzania wody.
- Zaprogramuj rejestrator danych do pobierania zbiorczych próbek przepływu, wykonując następujące kroki: Enter Program → Program → Flow Based Sampling → Sample every 1 Pulses → 30 Composite Samples → Sample Volume of 130 mL → Calibrate Sample Volume [NO] → Enter Start Time [NO] → Program Sequence Complete.
- Przechowuj zbiorcze próbki proporcjonalne do przepływu w lodówce na miejscu w temperaturze 4 °C do czasu ich zebrania i transportu do laboratorium w celu przeprowadzenia analiz w chłodziarce wypełnionej lodem.
- Przeanalizuj próbki wody pod kątem rozpuszczalnego reaktywnego P w ciągu 24 h od momentu pobrania próbek. Próbki przeznaczone do analizy fosforu całkowitego (TP) mogą zostać zakwaszone i przechowywane w temperaturze 4 °C do 28 dni15.
3. Pobieranie cząstek zawieszonych
- Ustaw serię dwóch osadników z PVC o pojemności 200 L, aby zbierać wodę odpływową z kanałów polowych w okresie drenażu w celu wychwycenia i scharakteryzowania zawiesiny cząstek stałych.
- Zaprogramuj rejestrator danych do pobierania próbek zawiesiny cząstek stałych zgodnie z poniższymi krokami: Program → Time Based Sampling → Sample every 2 min → Composite Samples [200] → Calibrate Sample Volume [NO] → Enter Start Time [NO] → Sequence Complete → Push Sampling Button.
- Zbierz wodę drenażową z uwzględnieniem przepływu w osadnikach (2 L co 2 min) na podstawie objętości wody w okresie poboru trwającym 24 h.
Rycina 2: Dwa zbiorniki o pojemności 200 L wykorzystywane do zbierania wody drenażowej. Zawiesina cząsteczkowa osiada na dnie zbiornika, a następnie jest przenoszona w pięciogalonowych wiadrach. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.
- Odssać nadmiar wody za pomocą węży w miarę jak cząstki zaczynają osiadać w zbiornikach.
- Przenieść cząstki do pięciogalonowych wiader, przetransportować je z powrotem do laboratorium i umieścić w lodówce w temperaturze 4 °C.
- Odssać nadmiar wody po 24 h sedymentacji i przenieść cząstki do stożków Imhoffa.
- Po sedymentacji trwającej co najmniej 1 h odessać nadmiar wody po raz ostatni, a następnie przenieść osadzone cząstki do wcześniej zważonych słoików z nakrętką o pojemności 500 mL w celu przechowywania w temperaturze 4 °C.
- Zważyć słoiki z próbkami cząstek.
- Przeprowadzić analizy frakcjonowania fosforu zgodnie z opisem Hedleya i Stewarta14.
Rysunek 3: Stożki Imhoffa użyte do zbierania zawieszonych cząstek uwięzionych w zbiorniku osadniku. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Metoda opisana w niniejszym badaniu pozwala na wychwytywanie wody i zawiesiny wydzielanej podczas pompowania w kanałach gospodarstw rolnych. Pobierana woda i cząstki stałe są ważone przepływem, co oznacza, że są reprezentatywne dla całego czasu trwania procesu pompowania, a nie stanowią jedynie jednorazowego pomiaru, co czyni je wysoce reprezentatywnymi dla rodzaju odprowadzanych materiałów. Woda i zawiesiny mogą być przechowywane w celu analizy różnych parametrów fizycznych i chemicznych...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Automatyczne podajniki próbek do zbierania cząstek stałych w wodzie drenażowej zostały umieszczone w pobliżu rejestratorów danych opuszczającej stację pomp. Zasilanie było dostarczane przez akumulatory 12 V, które ładowane są przez panele słoneczne. Automatyczne podajniki próbek były kontrolowane przez rejestratory danych na miejscu, które włączały automatyczne podajniki próbek po pracy pomp wyjściowych i wyłączały je po zatrzymaniu pompowania. Otwory przewodów doborowych próbnika umieszczono 0,5 m nad dnem kanału i odpł...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Nie ma żadnych ujawnień związanych z tym badaniem.
Podziękowania
Pragniemy podziękować Pablo Vitalowi i Johnny'emu Mosleyowi za pomoc w pobieraniu próbek w terenie, a także Vivianie Nadal i Irinie Ognevich za pomoc w analizach laboratoryjnych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Rejestrator danych | Campbell Model naukowy | CR1000 | |
| Automatyczny próbnik | ISCO | model 3700 | |
| Przetwornik ciśnienia | KPSI | model 700 | |
| Uchylny łyżka deszczowa miernik Texas | Electronics | model TR-525 | |
| Chlorek potasu | Fisher | 7447-40-7 | |
| Wodorotlenek sodu | Fisher | 1310-73-2 | |
| Kwas solny | Fisher | 7647-01-0 | |
| Kwas siarkowy | Fisher | 7664-93-9 | |
| Nadsiarczan potasu | Fisher | 7727-21-1 | |
| Tetrahydrat molibdenianu amonu | Fisher | 12054-85-2 | |
| Kwas L-askorbinowy | Fisher | 50-81-7 | |
| 100 mg/L Bezwodny fosforan Standard | ERA | 061 | |
| Trójwodzian winianu antymonu potasu | Fisher | 28300-74-5 | |
| Filtry membranowe Durapore | Millipore | HVLP04700 | |
| Bibuła filtracyjna Whatman #41 | Whatman | 1441-150 | |
| Wytrząsarka posuwisto-zwrotna o stałej prędkości E6010 | Eberbach Corporation | E6010.00 | |
| Jednorazowe probówki hodowlane | Fisher | 14-961-29 | |
| Wirówka Allegra 25R | Becker Coulter | U.S. 605168-AC | |
| Parafilm | Bemis Company Inc PM 999 | 13-374-12 | |
| Probówki wirówkowe Oak Ridge | Nalgene | 3119-0050 | |
| Fiolki scyntylacyjne Fisherbrand 20 ml HDPE z nasadką mocznikową | Fisher | 03-337-23C | |
| Marka rybacka Słoiki z naturalnego polipropylenu z białą polipropylenową nakrętką bez podszewki | Fisher | 02-912-024A | |
| membranowe | Cole-Parmer | Pozycja # UX-15945-25 | |
| Rurki do trawienia 100 ml | Fisher | TC1000-0735 | |
| Lejki szklane | Fisher | 03-865 | |
| Spectronic 20 Genesys | Thermo-Fisher | 4001-000 | |
| QuikChem | Latchat | 8500 |
Bibliografia
- Sims, J. T., et al. Phosphorus loss in agricultural drainage: historical perspective and current research. J. Environ. Qual. 27, 277-293 (1997).
- Van Esbroeck, C. J., et al. Surface and subsurface phosphorus export from agricultural fields during peak flow events over the non-growing season in regions with cool, temperate climates. J. Soil Water Conserv. 72, 65-76 (2017).
- Bhadha, J. H., et al. Phosphorus mass balance and internal load in an impacted subtropical isolated wetland. Water Air Soil Pollut. 218, 619-632 (2011).
- Eyre, B. D., McConchie, D. The implications of sedimentological studies for environmental pollution assessment and management: Examples from fluvial system in north Queensland and western Australia. Sediment. Geol. 85, 235-252 (1993).
- Bhadha, J. H., et al. Soil phosphorus release and storage capacity from an impacted subtropical wetland. Soil Sci. Soc. Amer. J. , 74(2010).
- Kenney, W. F., et al. Whole-basin, mass-balance approach for identifying critical phosphorus-loading thresholds in shallow lakes. Journal of Paleolim. 51, 515-528 (2014).
- Freebairn, D. N., Wockner, G. H. A study of soil erosion on vertisols of the Eastern Darling Downs, Queensland. Effects of surface conditions on soil movement within contour bay catchments. Aust. J.Soil Res. 24, 135-158 (1986).
- Erickson, A. J., et al. Optimizing stormwater treatment practices: a handbook of assessment and maintenance. , Springer. New York. (2013).
- Abtew, W., Obeysekera, J. Drainage Generation and Water Use in the Everglades Agricultural Area Basin. J. Amer. Water Res. Asso. 32, 1147-1158 (1996).
- Daroub, S. H., et al. Best management practices and long-term water quality trends in the Everglades Agricultural Area. Cri. Rev. Environ. Sci. Technol. 41, 608-632 (2011).
- Bhadha, J. H., et al. Influence of suspended particulates on phosphorus loading exported from farm drainage during a storm event in the Everglades Agricultural Area. J. Soil Sed. 17, 240-252 (2017).
- Diaz, O. A., et al. Sediment inventory and phosphorus fractions for water conservation area canals in the Everglades. Soil Sci. Soc. Amer. J. 70, 863-871 (2006).
- Reddy, K. R., et al. Forms of soil phosphorus in selected hydrologic units of Florida Everglades. Soil Sci. Soc. Amer. J. 62, 1134-1147 (1998).
- Hedley, M. J., Stewart, J. W. Method to measure microbial phosphate in soils. Soil Biol. Biochem. 14, 377-385 (1982).
- EPA. Method 365.1, Revision 2.0: Determination of Phosphorus by Semi-Automated Colorimetry. O'Dell, J. W. , (1993).
- Bhadha, J. H., et al. Effect of aquatic vegetation on phosphorus loads in the Everglades Agricultural Area. J. Aqu. Pla. Man. 53, 44-53 (2015).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
