Name: Ciągły monitoring dopływu składników pokarmowych i osadów w rolniczych zlewniach (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 50 s
Description: Poznaj metodę ciągłego monitoringu in situ jakości wody w rolniczych zlewniach. Technika ta umożliwia zbieranie danych o składnikach pokarmowych i osadach z wysoką rozdzielczością czasową, wspierając skuteczne zarządzanie zasobami wodnymi.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Badania były możliwe dzięki finansowaniu z Conservation Effects Assessment Project (CEAP). Jesteśmy szczególnie wdzięczni za pozwolenie na dostęp do terenu od producentów, pomoc badawczą ze strony członków Jednostki Badawczej Gospodarki Wodnej USDA-ARS-Delta oraz analizę próbek przez pracowników Ośrodka Badawczego Ekotoksykologii Uniwersytetu Stanowego Arkansas. Część tych badań została wsparta powołaniem do Programu Uczestnictwa ARS, zarządzanego przez Oak Ridge Institute for Science and Education (ORISE) na mocy umowy międzyagencyjnej między Departamentem Energii Stanów Zjednoczonych a USDA. ORISE jest zarządzany przez ORAU na podstawie umowy DOE o numerze DE-AC05-06OR23100. Wszystkie opinie wyrażone w tym artykule są opiniami autora i niekoniecznie odzwierciedlają politykę i poglądy USDA, ARS, DOE lub ORAU/ORISE.

<ol><li>Pellerin, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1752-1688.12386/pdf">Emerging Tools for Continuous Nutrient Monitoring Networks: Sensors Advancing Science and Water Resources Protection.</a> J Am Water Resour Assoc. 52 (4), 993-1008 (2016).</li>
<li>Rozemeijer, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+and+Evaluation+of+a+New+Passive+Sampler+for+Measuring+Average+Solute+Concentrations+in+a+Catchment+Scale+Water+Quality+Monitoring+Study%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Tech%22%5BJournal%5D)">Application and Evaluation of a New Passive Sampler for Measuring Average Solute Concentrations in a Catchment Scale Water Quality Monitoring Study.</a> Environ Sci Tech. 44 (4), 1353-1359 (2010).</li>
<li>Cassidy, R., Jordan, P. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169411003301">Limitations of instantaneous water quality sampling in surface-water catchments: Comparison with near-continuous phosphorus time-series data.</a> J. Hydrol. 405 (1-2), 182-193 (2011).</li>
<li>Facchi, A., Gandolfi, C., Whelan, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comparison+of+river+water+quality+sampling+methodologies+under+highly+variable+load+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Chemosphere%22%5BJournal%5D)">A comparison of river water quality sampling methodologies under highly variable load conditions.</a> Chemosphere. 66 (4), 746-756 (2007).</li>
<li>Hamilton, S. <a target="_blank" href="http://pages.aquaticinformatics.com/web-report.html">Global hydrological monitoring industry trends</a>. , Aquatic Informatics. Vancouver, B.C. (2012).</li>
<li>Aryal, N., Reba, M. L. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167880916305436">Transport and transformation of nutrients and sediment in two agricultural watersheds in Northeast Arkansas.</a> Agric Ecosyst Environ. 236, 30-42 (2017).</li>
<li>National Research Council (U.S.). <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Confronting+the+nation%27s+water+problems%3A+The+role+of+research%22">Confronting the nation's water problems: The role of research</a>. , National Academies Press. (2004).</li>
<li>LMRRA (Lower Mississippi River Resource Assessment). <a target="_blank" href="http://www.mvm.usace.army.mil/Portals/51/docs/missions/projects/LMRRA/LMRRA_Final%20Assessment%20Public.pdf?ver=2016-09-15-141848-490">Final Assessment in Response to Section 402 of WRDA 2000 Public Review Draft</a>. , (2015).</li>
<li>MWNTF (Mississippi River/Gulf of Mexico Watershed Nutrient Task Force). <a target="_blank" href="https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-07/documents/htf-goals-framework-2015.pdf">New Goal Framework</a>. , Washington, DC. (2008).</li>
<li>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:
 <a target="_blank" href="http://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detailfull/national/programs/initiatives/?cid=nrcsdev11_023896">http://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detailfull/national/programs/initiatives/?cid=nrcsdev11_023896</a> (2016).</li>
<li>Reba, M. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.jswconline.org/content/68/2/45A.full.pdf+html">A statewide network for monitoring agricultural water quality and water quantity in Arkansas.</a> J. Soil Water Conserv. 68 (2), 45a-49a (2013).</li>
<li>Duncan, D., Harvey, F., Walker, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDuncan%2C+D+%22Australian+Water+Quality+Centre%22">Australian Water Quality Centre</a>. , Environment Protection Authority. Australia. (2007).</li>
<li>Hamilton, S. <a target="_blank" href="http://pages.aquaticinformatics.com/web-whitepaper-5-essentials.html">The 5 essential elements of a hydrological monitoring program</a>. , Aquatic Informatics. (2012).</li>
<li>Wagner, R. J., Boulger, R. W. Jr, Oblinger, C. J., Smith, B. A. <a target="_blank" href="https://pubs.usgs.gov/tm/2006/tm1D3/pdf/TM1D3.pdf">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</a>. , Virginia. (2006).</li>
<li>World Metorological Organization. <a target="_blank" href="http://www.wmo.int/pages/prog/hwrp/publications/stream_gauging/1044_Vol_I_en.pdf">Manual on Stream Gauging Volume I-Fieldwork</a>. , (2010).</li>
<li>American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Standard+methods+for+the+examination+of+water+%26+wastewater%22">Standard methods for the examination of water & wastewater</a>. , 21st ed, American Public Health Association. (2005).</li>
<li>ASTM (American Society of Testing and Materials) D3977-97. <a target="_blank" href="https://www.astm.org/DATABASE.CART/HISTORICAL/D3977-97.htm">Standard test methods for determining sediment concentration in water samples</a>. , ASTM International. West Conshohocken, PA. (1997).</li>
<li>O'Connor, D. J. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/WR003i001p00065/abstract">The temporal and spatial distribution of dissolved oxygen in streams.</a> Water Resour Res. 3 (1), 65-79 (1967).</li>
<li>Dabney, S. M. <a target="_blank" href="http://www.jswconline.org/content/53/3/207.abstract">Cover crop impacts on watershed hydrology.</a> J Soil Water Conserv. 53 (3), 207-213 (1998).</li>
<li>Udawatta, R. P., Motavalli, P. P., Garrett, H. E., Krstansky, J. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167880906001034">Nitrogen losses in runoff from three adjacent agricultural watersheds with claypan soils.</a> Agric Ecosyst Environ. 117 (1), 39-48 (2006).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Ogólnie rzecz biorąc, ciągłe monitorowanie składników odżywczych i osadów ma kilka zalet w porównaniu z monitorowaniem przy użyciu metody pobierania próbek. Na procesy hydrologiczne i jakość wody wpływają opady deszczu w bardzo krótkim czasie. Użytkownicy mogą uzyskiwać dane o wysokiej rozdzielczości czasowej dotyczące składników odżywczych i osadów w celu badania złożonych problemów. Inne parametry jakości wody, takie jak przewodność, pH, temperatura i DO, można uzyskać jednocześnie i przy takich samych kosztach, jak w ...

Monitorowanie jakości wody dostarcza informacji o stężeniach zanieczyszczeń w różnych skalach przestrzennych, w zależności od wielkości obszaru przyczyniającego się do rozwoju, który może wahać się od działki lub pola do działu wodnego. To monitorowanie odbywa się w pewnym okresie czasu, takim jak pojedyncze zdarzenie, dzień, sezon lub rok. Informacje uzyskane z monitorowania jakości wody, głównie dotyczące składników pokarmowych (np. azotu i fosforu) oraz osadów, mogą być wykorzystane do: 1) zrozumienia procesów hydrologicznych oraz transportu i przemiany zanieczyszczeń w strumieniach, takich jak rowy melioracyjne w rolnictwie; 2) ocenić skuteczność praktyk gospodarowania stosowanych w zlewni w celu zmniejszenia ładunku substancji biogennych i osadów oraz poprawy jakości wody; 3) ocenić dostarczanie osadu i składników odżywczych do wody w dół rzeki; oraz 4) udoskonalenie modelowania składników odżywczych i osadów w celu zrozumienia procesów hydrologicznych i związanych z jakością wody, które determinują transport i dynamikę zanieczyszczeń w zakresie skali czasowej i przestrzennej.
Te informacje są kluczowe dla odbudowy ekosystemów wodnych, zrównoważonego planowania i zarządzania zasobami wodnymi1.
Najpowszechniej używaną metodą monitorowania składników odżywczych i osadów w zlewni jest pobieranie próbek. Pobieranie próbek dokładnie odzwierciedla stężenie migawki w momencie pobierania próbek2. Może również przedstawiać zmiany stężeń zanieczyszczeń w czasie, jeśli pobieranie próbek jest częste. Jednak częste próbkowanie jest czasochłonne i kosztowne, co często czyni go niepraktycznym2. Dodatkowo, pobieranie próbek może zaniżać lub zawyżać rzeczywiste stężenia zanieczyszczeń poza czasem pobierania próbek2,3,4. W związku z tym ładunki obliczone przy użyciu takich stężeń mogą nie być dokładne.
Alternatywnie, ciągłe monitorowanie dostarcza dokładnych i aktualnych informacji o jakości wody w określonym przedziale czasowym, takim jak minuta, godzina lub dzień. Użytkownicy mogą wybrać odpowiednie przedziały czasowe w zależności od swoich potrzeb. Ciągłe monitorowanie umożliwia badaczom, planistom i menedżerom optymalizację pobierania próbek; opracowywać i monitorować wskaźniki zintegrowane z czasem, takie jak całkowite maksymalne dzienne obciążenia (TMDL); oceniać rekreacyjne wykorzystanie jednolitej części wód; ocenić warunki strumienia podstawowego; oraz przestrzennie i czasowo ocenić zmienność zanieczyszczeń w celu określenia związków przyczynowo-skutkowych i opracowania planu zarządzania5,6. Ciągłe monitorowanie składników odżywczych i osadów zyskało ostatnio większą uwagę ze względu na postęp w technologii obliczeniowej i czujników, zwiększoną pojemność urządzeń pamięci masowej oraz rosnące wymagania dotyczące danych potrzebnych do badania bardziej złożonych procesów1,5,7. W globalnym badaniu przeprowadzonym wśród ponad 700 profesjonalistów z branży wodnej wykorzystanie sond wieloparametrowych wzrosło z 26% do 61% w latach 2002-2012 i oczekuje się, że do 2022 r. osiągnie 66% 5. W tym samym badaniu 72% respondentów wskazało na potrzebę rozbudowy sieci monitorowania, aby sprostać ich potrzebom w zakresie danych5. Oczekuje się, że liczba stacji w sieci monitorowania i liczba zmiennych monitorowanych na stację w 2012 r. wzrośnie odpowiednio o 53% i 64% do 2022 r. 5.
Jednak ciągłe monitorowanie jakości i ilości wody w rolniczych zlewniach jest wyzwaniem. Duże opady deszczu zmywają osady i makrofity, przyczyniając się do dużego obciążenia osadami i gromadzenia się zanieczyszczeń w czujnikach i sondach. Spływ nadmiaru azotu i fosforu stosowany na polach uprawnych stwarza idealne warunki do rozwoju mikroskopijnych i makroskopowych organizmów oraz do zanieczyszczania czujników i sond dopływowych, zwłaszcza w okresie letnim. Zanieczyszczenia i nagromadzenie osadów mogą powodować awarie czujników, dryf i generowanie niewiarygodnych danych. Pomimo tych wyzwań, do badania procesów spływu i zanieczyszczeń ze źródeł niepunktowych wymagane są dokładniejsze dane o rozdzielczości czasowej (nawet na minutę), ponieważ mają na nie wpływ cechy działu wodnego (np. rozmiar, gleba, nachylenie itp.) oraz czas i intensywność opadów7. Dokładna obserwacja w terenie, częsta kalibracja oraz właściwe czyszczenie i konserwacja mogą zapewnić dobrą jakość danych z czujników i sond, nawet w dokładniejszej rozdzielczości czasowej.
Tutaj omawiamy metodę ciągłego monitorowania in situ dwóch rolniczych zlewni za pomocą wieloparametrowych sond jakości wody, czujników powierzchniowo-prędkościowych i przetworników ciśnienia oraz automatycznych próbników; ich kalibracji i konserwacji w terenie; oraz przetwarzania danych. Protokół przedstawia sposób, w jaki można prowadzić ciągłe monitorowanie jakości wody. Protokół ma ogólne zastosowanie do ciągłego monitorowania jakości i ilości wody w każdym rodzaju i wielkości zlewni.
Protokół został przeprowadzony w północno-wschodnim Arkansas w Little River Ditches Basin (HUC 080202040803, obszar 53,4 km2) i Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, obszar 23,4 km2). Te dwa działy wodne uchodzą do dopływów rzeki Missisipi. Komitet Ochrony Dolnej Rzeki Missisipi i Grupa Zadaniowa ds. Hipoksji Zatoki Meksykańskiej zidentyfikowały potrzebę monitorowania dopływów rzeki Missisipi w celu opracowania planu zarządzania zlewnią i rejestrowania postępów działań związanych z zarządzaniem8,9. Co więcej, te zlewnie są scharakteryzowane jako zlewnie główne przez Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych-Służba Ochrony Zasobów Naturalnych (USDA-NRCS), w oparciu o potencjał zmniejszenia zanieczyszczenia składnikami odżywczymi i osadami oraz poprawy jakości wody10. Monitorowanie krawędzi pola jest prowadzone w tych zlewniach w ramach ogólnostanowej sieci Inicjatywy Zdrowego Zlewni Dorzecza Missisipi (MRBI) network11. Więcej szczegółów na temat zlewni (tj. lokalizacji miejsc, charakterystyki zlewni itp.) znajduje się w Aryal and Reba (2017)6. Krótko mówiąc, dorzecze Little River Ditches ma głównie gleby mułowo-gliniaste, a głównymi uprawami są bawełna i soja, podczas gdy dolna część basenu St. Francis ma głównie glebę gliniastą Sharkey, a ryż i soja są głównymi uprawami. W każdym dziale wodnym przeprowadzono ciągłe monitorowanie ilości i jakości wody (tj. temperatury zrzutu, pH, DO, zmętnienia, przewodności, azotanów i amonu) na trzech stacjach w głównym nurcie przy użyciu tego protokołu, aby zrozumieć przestrzenną i czasową zmienność ładunków zanieczyszczeń i procesów hydrologicznych. Dodatkowo co tydzień pobierano próbki wody, które analizowano pod kątem stężenia zawieszonych osadów.

<table><tbody><tr><td>Sonda wieloparametrowa</td><td>Hach Hydrolab</td><td>DS5X</td><td>mierzy temperaturę, pH, przewodność, tlen rozpuszczony, azotany, amon, zmętnienie</td></tr><tr><td>Moduł przepływu i czujnik prędkości obszaru</td><td>Teledyne Isco</td><td>2150</td><td>mierzy średnią prędkość strumienia i głębokość przepływu oraz oblicza natężenie przepływu i przepływ całkowity na podstawie podanej powierzchni przekroju poprzecznego rowu. Przechowywane dane można pobrać bezpośrednio na komputer.</td></tr><tr><td>Automatyczny przenośny próbnik wody</td><td>Teledyne Isco</td><td>ISCO 6712</td><td>automatycznie pobiera próbki wody w ustalonym odstępie czasu lub w połączeniu z modułem przepływu i czujnikiem</td></tr><tr><td>Przetwornik ciśnienia</td><td>In-situ</td><td>Rugged Troll 100</td><td>mierzy ciśnienie, poziom i temperaturę w wodzie. Przechowywane dane można pobrać bezpośrednio do komputera</td></tr><tr><td>Przenośny przepływomierz</td><td>Flo-mate (Hach)</td><td>Marsh-McBirney 2000</td><td>Do ręcznego pomiaru rozładowania</td></tr><tr><td>Bateria, 12 V, akumulator</td><td>UPG</td><td>UB 1270</td><td>Do zasilania sondy</td></tr><tr><td>Bateria, 12 V, akumulatory</td><td>międzystanowe SRM</td><td>27</td><td>Akumulator kwasowo-ołowiowy do zasilania automatycznego podajnika próbek</td></tr><tr><td>Panel słoneczny</td><td>Alt E</td><td>ALT20-12P</td><td>Aby naładować baterię na miejscu</td></tr><tr><td>Akumulatory</td><td></td><td></td><td></td>C-8</tr><tr><td>Wzorce kalibracyjne</td><td>Hach lub Fisher Scientific</td><td>wiele</td><td>Wzorce pH (4,7,10), przewodności (1412 uS/cm), azotanów (5 i 50 mg/L), amonu (5 i 50 mg/L) i zmętnienia (50,100,200 NTU)</td></tr><tr><td>Wysoki wzorzec azotanów</td><td>Hach</td><td>013810HY</td><td>50 mg/L</td></tr><tr><td>Niski wzorzec azotanowy</td><td>Hach</td><td>013800HY</td><td>5 mg/L</td></tr><tr><td>Wzorzec wysokoamonowy</td><td>Hach</td><td>002588HY</td><td>50 mg/L</td></tr><tr><td>Wzorzec niskoamonowy</td><td>Hach</td><td>002587HY</td><td>5 mg/L</td></tr><tr><td>Wzorzec zmętnienia</td><td>Fisher scientific</td><td>R8819050-500G</td><td>50 NTU</td></tr><tr><td>Wzorzec zmętnienia</td><td>Fisher scientific</td><td>88-061-6</td><td>100 NTU</td></tr><tr><td>Wzorzec zmętnienia</td><td>Fisher scientific</td><td>R8819200500 C</td><td>200 NTU</td></tr><tr><td>Granulki soli chlorku potasu</td><td>Hach</td><td>005376HY</td><td>do utrzymywania elektrolitu do elektrody pH</td></tr><tr><td>Wzorzec chlorku potasu</td><td>Fisher scientific</td><td>5890-16</td><td>1412 us/cm</td></tr><tr><td>Roztwór buforowy, pH 4</td><td>Fisher scientific</td><td>SB99-1</td><td>do kalibracji czujnika pH</td></tr><tr><td>Roztwór buforowy, pH 7</td><td>Fisher scientific</td><td>SB108-1</td><td>do kalibracji czujnika pH</td></tr><tr><td>Roztwór buforowy, pH 10</td><td>Fisher scientific</td><td>SB116-1</td><td>do kalibracji czujnika pH</td></tr><tr><td>Uszczelniacz silikonowy</td><td>Hach</td><td>00298HY</td><td>Do uszczelniania wodoszczelnej pokrywy baterii czujnika</td></tr><tr><td>Uniwersalny środek czyszczący</td><td>Sunshine Makers Inc</td><td>Proste zielone</td><td></td></tr><tr><td>chusteczki</td><td>Kimberly-Clark</td><td></td><td></td></tr><tr><td>L-bracket</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Telsbar post</td>Firma <td></td><td>serwisowa Unistrut</td><td>Bezpieczne czujniki i sondy w strumieniu</td></tr><tr><td>Sonda wytrzymująca</td><td>z drutu</td><td></td><td></td> stalowego i czujnik PT</tr><tr>Sonda przeciwwstrząsowa z<td>karabińczykiem</td><td></td><td></td><td>i czujnik PT</td></tr><tr><td>Klucz</td><td></td><td></td><td></td>imbusowy</tr><tr><td>Siatka z drutu miedzianego</td><td>Ptak B Gone</td><td></td><td>Rolka siatki miedzianej do zwalczania gryzoni i ptaków</td></tr><tr><td>Taśma klejąca</td><td>Agri Drain Corporation</td><td></td><td>Taśma do płytek, działa w mokrą i zimną pogodę</td></tr></tbody></table>

ciągły monitoring dopływu składników pokarmowych i osadów w rolniczych zlewniach

Continuous Instream Monitoring of Nutrients and Sediment in Agricultural Watersheds

Stężenia i ładunki zanieczyszczeń w zlewniach różnią się znacznie w zależności od czasu i przestrzeni. Dokładne i aktualne informacje na temat wielkości zanieczyszczeń w zasobach wodnych są warunkiem wstępnym zrozumienia czynników wpływających na ładunek zanieczyszczeń i podejmowania świadomych decyzji dotyczących zarządzania zasobami wodnymi. Powszechnie stosowana metoda "pobierania próbek" pozwala określić stężenia zanieczyszczeń w momencie pobierania próbek (tj. stężenie migawkowe) i może zaniżać lub zawyżać stężenia i ładunki zanieczyszczeń. Ciągłe monitorowanie składników odżywczych i osadów zyskało ostatnio większą uwagę ze względu na postęp w dziedzinie informatyki, technologii czujników i urządzeń pamięci masowej. Protokół ten demonstruje wykorzystanie czujników, sond i oprzyrządowania do ciągłego monitorowania in situ azotanów, amonu, zmętnienia, pH, przewodności, temperatury i tlenu rozpuszczonego (DO) oraz do obliczania obciążeń z dwóch strumieni (rowów) w dwóch rolniczych zlewniach. Dzięki odpowiedniej kalibracji, konserwacji i obsłudze czujników i sond można uzyskać dobre dane dotyczące jakości wody, pokonując trudne warunki, takie jak zanieczyszczenia i gromadzenie się zanieczyszczeń. Metoda może być również stosowana w zlewniach o różnej wielkości i charakteryzujących się gruntami rolnymi, leśnymi i/lub miejskimi.

W publikacji Aryal i Reba (2017) protokół ten został wykorzystany do zbadania transportu i transformacji składników odżywczych oraz osadów w dwóch małych zlewniach rolniczych6. Dodatkowe wyniki uzyskane dzięki temu protokołowi opisano poniżej.
Zależności między jakością wody a spływem opadowym:
Zaletą ciągłego monitorowania jest możliwość wyboru wy...

Wraz z postępem technologicznym i wzrostem oczekiwań użytkowników końcowych, wzrosło zapotrzebowanie i wykorzystanie danych o wyższej rozdzielczości czasowej do szacowania ładunku zanieczyszczeń. Protokół ten opisuje metodę ciągłego monitorowania jakości wody in situ w celu uzyskania danych o wyższej rozdzielczości czasowej w celu podejmowania świadomych decyzji dotyczących zarządzania zasobami wodnymi.

Ciągły monitoring dopływu składników pokarmowych i osadów w rolniczych zlewniach

Pollutant concentrations and loads in watersheds vary considerably with time and space. Accurate and timely information on the magnitude of pollutants in ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest dokładny pomiar jakości wody w zlewniach rolniczych in situ, w wybranym przedziale czasowym z wysoką rozdzielczością czasową. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu zasobów wodnych dotyczące przestrzennych i czasowych zmienności ładunków zanieczyszczeń, czynników nimi sterujących oraz procesów hydrologicznych i jakościowych wody. Główną zaletą niniejszego protokołu jest możliwość uzyskania przez użytkowników danych o wysokiej rozdzielczości czasowej w odniesieniu do biogenów i osadów w celu badania złożonych problemów środowiskowych.Dokładne i terminowe informacje o jakości wody są warunkiem koniecznym do podejmowania świadomych decyzji w zakresie gospodarki wodnej, ponieważ zanieczyszczenia obszarowe zależą od charakterystyki zlewni oraz czasu i intensywności opadów. Chociaż metoda ta pozwala na uzyskanie wiedzy na temat zlewni rolniczych, może być ona również zastosowana w przypadku innych typów i rozmiarów zlewni, takich jak zlewnie miejskie, zalesione oraz obszary pod wpływem działalności kopalnianej. W pierwszej kolejności należy dokładnie oczyścić powierzchnie czujników sondy za pomocą miękkich szczotek, gąbek oraz mydła lub uniwersalnego roztworu czyszczącego.Opłucz czujniki wodą dejonizowaną. Wyjmij i wyczyść wycieraczkę czujnika mętności oraz szczotkę do czyszczenia czujnika. Następnie odkręć nasadkę z PTFE z złącza referencyjnego czujnika pH.Wylać roztwór elektrolitu. Dodać do czujnika pellet soli chlorku potasu i napełnić czujnik świeżym roztworem elektrolitu. Przykręcić nasadkę złącza odniesienia, aby zapewnić szczelność powietrzną, a następnie spłukać wypłukany roztwór elektrolitu.Zawieś sondę na wysokości 20 do 30 centymetrów nad powierzchnią roboczą za pomocą stalowego drutu i karabinka. Podłącz sondę do komputera sterującego. Uruchom oprogramowanie i wybierz sondę do kalibracji.W karcie Parameter Setup ustaw liczbę wzorców używanych do każdej kalibracji. Przed kalibracją każdego czujnika dokładnie wypłucz go wodą dejonizowaną i osusz za pomocą chusteczek laboratoryjnych. Aby rozpocząć kalibrację czujnika przewodności, upewnij się najpierw, że owalna powierzchnia czujnika jest całkowicie sucha.W karcie Kalibracja wybierz przewodność właściwą oraz mikrosiemensy na centymetr. Wyzeruj suchy czujnik. Następnie zanurz czujnik w odpowiednim wzorcu kalibracyjnym.Po ustabilizowaniu się odczytu ustaw czujnik na 1 412 µS/cm. Przepłucz skalibrowany czujnik wodą dejonizowaną. Następnie zanurz czujnik pH w roztworze wzorcowym o pH 7.Wybierz zakładkę pH, poczekaj, aż odczyt się ustabilizuje, a następnie ustaw czujnik na 7,0. Dokładnie wypłucz i osusz czujnik, a następnie powtórz proces z roztworem o pH 10. Wypłucz czujnik pH i sprawdź odczyt w roztworze wzorcowym o pH 4, aby zweryfikować liniowość krzywej kalibracyjnej.Następnie wypłucz pozostałości roztworu wzorcowego z czujnika wodą dejonizowaną. Potem napełnij kubek kalibracyjny sondy wodą dejonizowaną o stabilnej temperaturze i nasyconą powietrzem, a następnie zamocuj kubek na sondzie. Odwróć sondę, aby upewnić się, że czujniki temperatury i tlenu rozpuszczonego są zanurzone w wodzie.Wybierz pomiar LDO w procentach nasycenia, poczekaj, aż odczyt się ustabilizuje, a następnie ustaw ciśnienie barometryczne zgodnie z lokalnym ciśnieniem w milimetrach słupa rtęci. Następnie ustaw sondę w pozycji pionowej i zdejmij kubek kalibracyjny. Wlej świeżą wodę dejonizowaną do kubka kalibracyjnego, dbając o to, aby nie powstały pęcherzyki powietrza, i nałóż kubek kalibracyjny na sondę.Wybierz Mętność w NTU. Po ustabilizowaniu się odczytu ustaw mętność na 0,6 NTU dla pierwszego punktu kalibracji. Powtórz ten proces dla trzech wzorców mętności, aby ustawić pozostałe punkty kalibracji, a następnie wypłucz i osusz czujniki.Następnie wypełnij kubek kalibracyjny w trzech czwartych roztworem wzorcowym azotanów o stężeniu 50 mg/L i zamocuj kubek na sondzie. Odwróć sondę tak, aby czujniki temperatury i azotanów zostały zanurzone. Wybierz opcję Nitrate w mg/L azotu.Po ustabilizowaniu się odczytów zapisz temperaturę w formie napięcia. Ustaw pierwszy punkt kalibracji na 46.2. Dokładnie wypłucz czujniki wodą dejonizowaną, a następnie osusz je za pomocą chusteczek laboratoryjnych.Powtórz ten proces, używając standardowego roztworu azotanów o stężeniu pięć mg/L dla drugiego punktu kalibracji. Upewnij się, że różnica napięć mieści się w przedziale od 50 do 65 mV, a różnica temperatur nie przekracza pięciu stopni Fahrenheit. W ten sam sposób skalibruj czujnik amonu.Po zakończeniu kalibracji ponownie zamontuj czysty wycieracz i szczotkę. Wybierz opcję SelfClean w oprogramowaniu, a następnie skalibruj wycieracz i szczotkę za pomocą jednego obrotu. Zsynchronizuj zegar sondy i usuń najstarszy plik dziennika sondy.Utwórz nowy plik dziennika i wybierz parametry, które mają być mierzone. Wpisz czas trwania oraz interwał monitorowania, a następnie zapisz plik dziennika. Przed instalacją sondy sprawdź stan jej baterii i w razie potrzeby wymień ją na nową.Owinięto powierzchnie sondy wszech pogodową taśmą klejącą. Osłonę czujnika pokryto taśmą miedzianą lub siatką, aby ułatwić czyszczenie i ograniczyć wzrost mikroorganizmów. Aby rozpocząć instalację, wbijono teleskopową kwadratową rurę montażową w talweg monitorowanego strumienia.Należy bezpiecznie zamocować czujnik prędkości powierzchniowej do rury za pomocą stalowej płyty i wspornika w kształcie litery L, tak aby końcówka czujnika była skierowana pod prąd wzdłuż linii przepływu. Jeśli czujnik prędkości powierzchniowej nie jest dostępny, należy zainstalować przetwornik ciśnienia wewnątrz teleskopowego słupa w taki sposób, aby końcówka czujnika ledwie dotykała dna koryta. Należy ustawić przetwornik ciśnienia tak, aby mierzył głębokość wody co 15 minut.Wykorzystaj odczyty przetwornika ciśnienia oraz pomiary przenośnego przepływomierza do wygenerowania krzywej przepływu dla danego stanu wody w zakresie określonych przepływów. Następnie użyj tulejek i karabinka, aby zamontować sondę po stronie dolnej teleskopowego słupka, tak aby dół sondy znajdował się co najmniej od 1 do 10 cm nad dnem strumienia. Upewnij się, że sonda jest cały czas zanurzona w wodzie.W razie potrzeby podłącz sondę do zewnętrznego źródła zasilania. Następnie umieść autopróbnik w obudowie chroniącej przed warunkami atmosferycznymi, zainstalowanej na stabilnym, poziomym gruncie na górze brzegu strumienia. Następnie zamocuj rurę z filtrem pod wodą, po stronie przeciwprądowej względem teleskopowego słupka.Połącz rurę cedzakową z autoprobnikiem za pomocą węża. Ustaw żądany odstęp czasu między próbkami i uruchom autoprobnik. Czyść i kalibruj sondę w odstępach czasu odpowiednich dla warunków panujących w strumieniu.Regularnie pobieraj zgromadzone dane, zbieraj próbki wody i wymieniaj słoje do pobierania na czyste i wysuszone słoje o pojemności 10 litrów. Transportuj próbki do laboratorium w lodzie w celu przeprowadzenia dalszych analiz. Analizuj dane pod kątem luk, dryftu lub nieregularnych pomiarów, które mogą wskazywać na konieczność przeprowadzenia konserwacji.Zarejestrowane dane dotyczące jakości wody w porównaniu z danymi o opadach pochodzącymi z lokalnych stacji pogodowych. Każde zdarzenie opadowe skutkowało zwiększonym odpływem. Liczne lokalne szczyty odpływu w obrębie dwóch głównych maksimów przypisano zmienności przestrzennej opadów oraz wzorcom drenażu pól ryżowych i soi wpływającym na przepływ.Mętność również wzrastała wraz z odpływem. Najwyższą mętność obserwowano w okresach wzrostu odpływu na hydrogramie. Stężenie azotanów wzrosło podczas początkowych spływów, co wskazuje na wymycie z pól niedawno zastosowanego rozpuszczalnego azotu.Zaobserwowano również niewielkie wzrosty stężenia jonów amonowych podczas początkowych spłukiwań. Odnotowano odwrotną zależność między przewodnością a odpływem, co sugeruje, że azotany i jony amonowe nie były głównymi czynnikami wpływającymi na przewodność wody. Obniżoną przewodność przypisano rozcieńczeniu wodą deszczową.Obciążenie zanieczyszczeniami zmieniało się w czasie, osiągając najwyższe wartości na początku lata i pod koniec jesieni. Niskie obciążenie zanieczyszczeniami we wrześniu i październiku przypisano ogólnie niskiemu przepływowi. Obfite opady deszczu na niedawno przekopanych polach w listopadzie i grudniu przełożyły się na wyższe i bardziej zmienne obciążenia zanieczyszczeniami.Obciążenia zanieczyszczeniami zmieniały się również w miarę przemieszczania się wody w dół rzeki. Biofouling i akumulacja osadów w sondzie oraz w otaczających ją czujnikach stanowią największe wyzwanie w zlewniach rolniczych, co wynika głównie z wysokiej zawartości osadów i poziomów składników odżywczych. Jest to szczególnie widoczne po intensywnych opadach.Prawidłowe rozmieszczenie czujnika i sondy przy użyciu zewnętrznej baterii, owinięcie sondy miedzianą siatką, częste pobieranie danych, regularne czyszczenie powierzchni sondy i czujników w miejscu pomiaru oraz systematyczna kalibracja sondy w laboratorium są kluczowe dla uzyskania wysokiej jakości danych o jakości wody. Jakość danych może zostać pogorszona przez awarię zasilania sondy, a także przez biofouling i gromadzenie się osadów na sondzie. Podczas przeprowadzania tej procedury ważne jest opracowanie i przestrzeganie planu zapewnienia jakości projektu.Należy pamiętać, że prace terenowe mogą wiązać się z zagrożeniami, takimi jak powodzie, węże, niesprzyjająca pogoda i wyładowania atmosferyczne. Należy zadbać o opracowanie planu bezpieczeństwa, higieny i dobrostanu, identyfikując potencjalne zagrożenia oraz przygotowanie na wypadek sytuacji awaryjnych. Plan ten powinien zostać sporządzony i rygorystycznie przestrzegany.Po opanowaniu tej procedury można uzyskać wysokiej jakości ciągłe dane dotyczące jakości wody in situ, które są niezbędne do podejmowania decyzji w zakresie zarządzania zasobami wodnymi w zlewniach rolniczych i innych zlewniach.

continuous-instream-monitoring-nutrients-sediment-agricultural

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Wymagana jest szczególna ostrożność przy użyciu "czystych technik" do prawidłowego pobierania i przetwarzania próbek wody do badań metali śladowych w środowisku wodnym. Przedstawiono protokół pobierania próbek, przetwarzania i procedur analitycznych w celu uzyskania wiarygodnych danych i wyników z monitoringu środowiskowego o wysokiej czułości dla szczegółowych badań metali śladowych.

Czyste pobieranie próbek i analiza wód rzecznych i ujść rzek do badań metali śladowych

Istnieje krytyczne zapotrzebowanie na narzędzia i metodologie zdolne do zarządzania systemami wodnymi w obliczu niepewnych przyszłych warunków. Zapewniamy metody przeprowadzania ukierunkowanej oceny zlewni, które umożliwiają zarządzającym zasobami tworzenie modeli skumulowanych skutków opartych na krajobrazie do wykorzystania w ramach zarządzania analizą scenariuszy.

Planowanie działu wodnego w ramach ilościowej analizy scenariuszy

Rozpuszczona materia organiczna stanowi ważne źródło energii i składników odżywczych dla ekosystemów. W tym miejscu demonstrujemy metodę opartą na terenie do manipulowania otaczającą pulą rozpuszczonej materii organicznej in situ za pomocą łatwych do odtworzenia impulsów składników odżywczych.

Zrozumienie biogeochemii rozpuszczonej materii organicznej poprzez manipulacje składnikami odżywczymi in situ w ekosystemach strumieni

Ten artykuł podsumowuje cechy projektu i skuteczność systemów uzdatniania, które oczyszczają wodę deszczową z miast i spływy irygacyjne z rolnictwa w celu usunięcia pestycydów i innych zanieczyszczeń związanych z toksycznością dla środowiska wodnego.

Roślinne systemy uzdatniania do usuwania zanieczyszczeń związanych z toksycznością wód powierzchniowych w rolnictwie i spływach miejskich

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.

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

Zrozumienie usług i procesów ekosystemowych dostarczanych przez stawy wiosenne oraz wpływu działalności antropogenicznej na ich zdolność do świadczenia tych usług wymaga intensywnego monitorowania hydrologicznego. Protokół pobierania próbek z wykorzystaniem sprzętu do monitorowania in situ został opracowany w celu zrozumienia wpływu działalności antropogenicznej na poziom i jakość wody.

Ciągły monitoring hydrologiczny i jakości wody w stawach wiosennych

Przedstawiona tutaj jest opłacalna i przenośna metoda/urządzenie do pomiaru pierwotnej produktywności mat mikrobiologicznych w rzeczywistej temperaturze otoczenia in situ i warunkach świetlnych. Układ eksperymentalny opiera się na powszechnie dostępnych materiałach i może być stosowany w różnych warunkach, oferując jednocześnie zalety modeli laboratoryjnych.

Niskokosztowa metoda pomiaru produktywności pierwotnej in situ zbiorowisk peryfitonowych wód lentycznych

Określenie zawartości wody w glebie jest kluczowym wymogiem misji dla wielu agencji stanowych i federalnych. Protokół ten łączy w sobie wysiłki wielu agencji mające na celu pomiar zawartości wody w glebie za pomocą czujników zakopanych in situ.

In Situ Czujniki wilgotności gleby w glebach niezakłóconych

Tutaj staramy się zobrazować strefowanie produktywności biologicznej w Zatoce Narragansett, Rhode Island, w oparciu o model bilansu masy azotu. Wyniki zostaną wykorzystane w gospodarce składnikami odżywczymi w regionach przybrzeżnych w celu ograniczenia niedotlenienia i eutrofizacji.

Wizualizacja stref produktywności w oparciu o model bilansu masy azotu w zatoce Narragansett, Rhode Island

In planta pomiar strumieni składników odżywczych i toksycznych jest niezbędny do badania odżywiania i toksyczności roślin. W tym miejscu omawiamy protokoły radioznacznikowe do oznaczania napływu i odpływu w nienaruszonych korzeniach roślin, używając jako przykładów strumieni potasu (K+) i amoniaku/amonu (NH3/NH4+). Omówiono zalety i ograniczenia takich technik.

Pomiar strumieni mineralnych składników odżywczych i substancji toksycznych w roślinach z radioaktywnymi znacznikami

Poznaj metodę ciągłego monitoringu in situ jakości wody w rolniczych zlewniach. Technika ta umożliwia zbieranie danych o składnikach pokarmowych i osadach z wysoką rozdzielczością czasową, wspierając skuteczne zarządzanie zasobami wodnymi.

Ciągły monitoring dopływu składników pokarmowych i osadów w rolniczych zlewniach

Przeglądaj więcej filmów