Wychwytywanie wody ważonej przepływem i zawieszonych cząstek stałych z kanałów rolniczych podczas zdarzeń odwadniających

Podsumowanie

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.

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 rolniczych^1,2. 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 milionów^m3 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 P^13,14.

Protokół

1. Instalacja i działanie rejestratora danych

1. Zidentyfikuj farmę badawczą i zainstaluj rejestrator danych, który uruchamia automatyczny podajnik próbek w celu pobierania próbek o przepływie złożonym na zasadzie proporcjonalności przepływu, co wymaga monitorowania poziomów kanałów, obrotów głowicy pompy i równania kalibracji pompy.

Rysunek 1: Próbnik ISCO używany do programowania procedur automatycznego pobierania próbek dla kompozytowej wody drenażowej i pobierania próbek wody z cząstkami stałymi. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Monitorowanie poziomu w kanałach gospodarstwa za pomocą przetworników ciśnienia zainstalowanych w kanałach dopływowych i odpływowych przylegających do przepompowni.
4. Prędkość obrotową pompy można monitorować za pomocą przełączników zbliżeniowych zainstalowanych na głowicach pomp; prędkość jest rejestrowana przez rejestrator danych w obrotach na minutę (rpm).
   UWAGA: Przełączniki zbliżeniowe to kawałki metalu, które po przejechaniu po sobie liczą liczbę obrotów na minutę. Są one przyspawane do głowic pomp.
5. Zmierz opady deszczu za pomocą deszczomierza z uchylną łyżką, który jest podłączony do rejestratora danych.
   UWAGA: Rejestrator danych komunikuje się za pomocą telemetrii radiowej z bazową stacją radiową znajdującą się w Centrum Badawczo-Edukacyjnym UF/IFAS Everglades. Telemetria nie jest niezbędna do kontrolowania zbierania próbek, tylko do zbierania i przechowywania danych.

2. Drenaż Pobieranie próbek wody ważonej przepływem

1. Oblicz przepływ drenażu za pomocą rejestratora danych i równania kalibracji pompy dla każdej pompy. Pobieranie próbek ważonych przepływem drenażu odbywa się za pomocą automatycznego podajnika próbek, który jest uruchamiany przez rejestrator danych po osiągnięciu spustowej objętości drenażu.
   UWAGA: Prędkość pompy i natężenie przepływu zmieniają się w ciągu 24 godzin. Pobieranie próbek ISCO jest wywoływane przez objętość odprowadzanej wody, a nie przez szybkość. Automatyczny podajnik próbek jest zaprogramowany do pobierania podpróbki po ustalonym strumieniu wody. Objętość wypływającej wody jest kalibrowana na podstawie liczby obrotów pompy.
2. Pobrać złożoną próbkę wody (minimum 500 ml) za pomocą automatycznego próbnika in situ umieszczonego w stacji pomp i zaprogramować go tak, aby codziennie pobierał próbkę wody złożonej podczas zdarzeń drenażowych.
   UWAGA: Próbnik ISCO jest przesyłany do zbiorników zbiorczych za pomocą rurki przekierowywanej przez rejestrator danych, który pobiera próbkę o pojemności 2 litrów co 2 minuty do 400 litrów.
3. Zaprogramuj objętości wyzwalające próbki, aby umożliwić maksymalnie 30 próbek na 24-godzinny okres rozładowania.
   1. Zaprogramuj rejestrator danych do zbierania złożonych próbek przepływowych, wykonując następujące czynności: Wprowadź Program → Zaprogramuj → próbkowania → podstawie przepływu co 1 impuls → 30 próbek złożonych → objętości próbki 130 ml → Skalibruj objętość próbki [NO] → wprowadź czas rozpoczęcia [NO] → zakończ sekwencję programu.
4. Próbki kompozytowe ważone przepływowo należy przechowywać w lodówce w temperaturze 4 °C do czasu ich pobrania i transportu z powrotem do laboratorium w celu przeprowadzenia analiz w chłodziarce wypełnionej lodem.
5. Próbki wody należy przeanalizować pod kątem rozpuszczalnego reaktywnego P w ciągu 24 godzin od momentu pobrania próbki. Próbki używane do analizy całkowitego P (TP) mogą być zakwaszane i przechowywane w temperaturze 4 °C przez okres do 28 dni¹⁵.

3. Wychwytywanie zawieszonych cząstek

1. Umieścić szereg dwóch osadników z PVC o pojemności 200 litrów w celu zbierania wody odprowadzanej z kanału rolniczego przez cały okres drenażu w celu wychwycenia i scharakteryzowania zawieszonych cząstek.
   1. Zaprogramuj rejestrator danych do pobierania próbek zawieszonych cząstek stałych, wykonując następujące czynności: Zaprogramuj pobieranie próbek → podstawie czasu → pobierania próbek co 2 minuty → próbkach złożonych [200] → Kalibruj objętość próbki [NO] → wprowadź czas rozpoczęcia [NO] → zakończ sekwencję → naciśnij przycisk pobierania próbek.
2. Zbieraj wodę drenażową o zmniejszonym przepływie w zbiornikach nastawczych (2 l co 2 min) w zależności od objętości wody w ciągu 24-godzinnego okresu zbierania.

Rysunek 2: Dwa zbiorniki o pojemności 200 l służące do zbierania wody drenażowej. Zawieszone cząstki osiadają na dnie zbiornika i są przenoszone do pięciogalonowych wiader. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Odsysaj nadmiar wody za pomocą węży, gdy cząstki stałe zaczynają osadzać się w zbiornikach.
4. Przenieść cząstki stałe do wiader o pojemności pięciu galonów, przetransportować je z powrotem do laboratorium i umieścić w lodówce o temperaturze 4 °C.
5. Po osiadaniu przez 24 godziny odsysanie nadmiaru wody i przenoszenie cząstek stałych do stożków osadczych Imhoffa.
6. Po osiadaniu przez co najmniej 1 godzinę należy po raz ostatni odessać nadmiar wody, zanim osadzone cząstki zostaną przeniesione do wstępnie zważonych zakręcanych słoików o pojemności 500 ml w celu przechowywania w temperaturze 4 °C.
7. Zważyć słoiki z próbkami cząstek stałych.
8. Kontynuuj analizy frakcjonowania fosforu zgodnie z opisem Hedleya i Stewarta¹⁴.

Rysunek 3: Stożki osadowe Imhoffa służące do zbierania zawieszonych cząstek wychwyconych w osadniku. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Wyniki

Metoda opisana w tym badaniu pozwala nam na wychwytywanie wody i cząstek stałych, które są odprowadzane podczas pompowania w kanałach gospodarstw. Gromadzona woda i cząstki stałe są ważone przepływem, co oznacza, że są reprezentatywne dla całego czasu trwania pompowania, a nie tylko dla jednorazowej migawki; dzięki czemu jest wysoce reprezentatywny dla rodzaju odprowadzanego materiału. Woda i zawieszone cząstki mogą być przechowywane w celu analizy pod kątem różnych parametrów fizycznych ...

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...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

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