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Artigo de método

Instream contínuo monitoramento de nutrientes e sedimentos em bacias hidrográficas agrícolas

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⸱

DOI:

10.3791/56036

⸱

26 de setembro de 2017

 , 
1Oak Ridge Institute of Science and Education (ORISE), 2Delta Water Management Research Unit, United States Department of Agriculture, Agriculture Research Unit USDA-ARS

Neste artigo

Resumo

Com o avanço da tecnologia e o aumento nas expectativas do usuário final, aumentou a necessidade e o uso de maior resolução temporal de dados para estimativa de carga poluente. Este protocolo descreve um método para contínua em situ água qualidade acompanhamento para obter dados de resolução temporal maiores para água informado as decisões de gestão de recursos.

Resumo

As concentrações de poluentes e cargas em bacias hidrográficas variam consideravelmente com o tempo e espaço. Informações precisas e oportunas sobre a magnitude dos poluentes nos recursos hídricos são um pré-requisito para a compreensão os drivers das cargas poluentes e para tomar decisões informada água recurso de gerenciamento. O método comumente usado "agarra a amostragem" fornece as concentrações de poluentes no momento da amostragem (ou seja, uma concentração de instantâneo) e pode sob- ou overpredict as concentrações de poluentes e cargas. Monitoramento contínuo de nutrientes e sedimentos recentemente tem recebido mais atenção devido aos avanços em computação, tecnologia e dispositivos de armazenamento de detecção. Este protocolo demonstra o uso de sensores, sondas e instrumentação para monitorar continuamente em situ nitrato de amónio, turbidez, pH, condutividade, temperatura e oxigênio dissolvido (DO) e calcular as cargas dos dois córregos (valas) em duas bacias hidrográficas agrícolas. Com a calibração adequada, manutenção e operação de sensores e sondas, dados de qualidade de água boa podem ser obtidos por superar condições desafiadoras como acúmulo de sujidade e detritos. O método também pode ser usado em bacias de vários tamanhos e caracterizado por terrenos agrícolas, florestais e/ou urbano.

Introdução

Monitoramento de qualidade de água fornece informações sobre as concentrações de poluentes em diferentes escalas espaciais, dependendo do tamanho da área contribuinte, que pode variar de um lote ou um campo a um divisor de águas. Esse monitoramento ocorre sobre um período de tempo, como um evento único, um dia, uma temporada ou um ano. As informações recolhidas dos monitoramento da qualidade da água, principalmente relacionados com nutrientes (por exemplo, nitrogênio e fósforo) e de sedimentos, podem ser usadas para: 1) compreender os processos hidrológicos e o transporte e transformação de poluentes em riachos, como valas de drenagem agrícola; 2) avaliar a eficiência das práticas de gestão aplicadas para o divisor de águas para reduzir a carga de nutrientes e sedimentos e aumentar a qualidade da água; 3) avaliar a entrega dos sedimentos e nutrientes para a água a jusante; e 4) melhorar a modelagem de nutrientes e sedimentos para compreender o hidrológico e processos de qualidade que determinam o transporte de poluentes e dinâmica na gama de escalas temporais e espaciais de água.

Esta informação é crucial para a restauração do ecossistema aquático, planejamento sustentável e a gestão dos recursos de água1.

O método mais usado para nutriente e monitoramento de sedimentos em uma bacia hidrográfica é a amostragem de garra. Amostragem de garra com precisão representa uma concentração de instantâneo no momento da amostragem2. Isso também pode retratar uma variação das concentrações de poluentes, com o tempo se amostragem frequente é feita. No entanto, amostragem frequente é tempo intensivo e caro, muitas vezes tornando-se impraticável2. Além disso, a amostragem de garra pode sob- ou superestimar as concentrações de poluentes reais fora o tempo de amostragem2,3,4. Por conseguinte, calculadas usando tais concentrações de cargas podem não ser precisas.

Alternativamente, monitoramento contínuo fornece informações precisas e oportunas sobre a qualidade da água em um intervalo de tempo pré-determinado, como um minuto, uma hora ou um dia. Os usuários podem selecionar os intervalos de tempo adequados, com base em suas necessidades. Monitoramento contínuo permite que os pesquisadores, planejadores e gestores otimizar a coleta de amostra; desenvolver e monitorar métricas tempo integradas, tais como cargas diárias máximos totais (TMDLs); avaliar o uso recreativo de massas de água; avaliar as condições de fluxo da linha de base; e espacial e temporalmente avaliar a variação de poluentes para determinar relações de causa-efeito e desenvolver um plano de gerenciamento5,6. Monitoramento contínuo de nutrientes e sedimentos recentemente recebeu maior atenção devido aos avanços na tecnologia de computação e o sensor, a capacidade melhorada de dispositivos de armazenamento e os requisitos de dados crescente preciso estudar processos mais complexos 1 , 5 , 7. em uma pesquisa global com mais de 700 profissionais de água, a utilização de sondas multiparâmetros aumentou de 26% para 61% entre 2002 e 2012 e deve chegar a 66% por 20225. Na mesma pesquisa, 72% dos entrevistados indicaram a necessidade de expansão da sua rede de monitoramento para conhecer seus dados precisa de5. O número de estações em uma rede de monitoramento e o número de variáveis monitoradas por estação em 2012 deverão aumentar em 53% e 64%, respectivamente, até 20225.

No entanto, a qualidade contínua de água e quantidade de monitoramento em bacias hidrográficas agrícolas é um desafio. Eventos de grande chuva lavagem o sedimento e macrófitas, contribuindo para o acúmulo de sedimentos de alta carga e detritos nos sensores e sondas. O escoamento de excesso nitrogênio e fósforo aplicado aos campos agrícolas cria condições ideais para o crescimento dos organismos microscópicos e macroscópicos e a incrustação de instream sensores e sondas, especialmente durante o verão. Incrustação e sedimento pode causar sensores falhar, flutuando, e produzir dados confiáveis. Apesar destes desafios, melhores dados de resolução temporal (tão baixo como por minuto) são necessários para estudar os processos de escoamento superficial e contaminação de fontes não-pontuais, como eles são afetados pelas características da bacia hidrográfica (por exemplo, tamanho, solo, inclinação, etc. ) e o tempo e na intensidade de precipitação7. Observações de campo cuidado, calibração frequente e adequada limpeza e manutenção podem garantir boa qualidade dados de sensores e sondas, mesmo com o tempo de resolução mais fina.

Aqui, vamos discutir um método para o em situ contínuo monitoramento de duas bacias hidrográficas agrícolas utilizando sondas de qualidade de água multiparâmetro, área-velocidade e sensores de transdutor de pressão e Rotating; sua calibração e manutenção de campo; e processamento de dados. O protocolo demonstra uma maneira em que monitoramento de qualidade de água contínua pode ser realizada. O protocolo é geralmente aplicável a água contínua qualidade e a quantidade de monitoramento em qualquer tipo ou tamanho da bacia hidrográfica.

O protocolo foi realizado no nordeste Arkansas em pequenas valas das bacias hidrográficas (HUC 080202040803, 53,4 km2 de área) e Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, área de 23,4 km2 ). Estas duas bacias desaguam afluentes do rio Mississippi. A necessidade de monitoramento de afluentes do rio Mississippi foi identificada pelo Comité de conservação inferior do rio Mississippi e o Golfo de México hipóxia força-tarefa para desenvolver um plano de gestão de bacia hidrográfica e anotar o progresso das atividades de manejo 8 , 9. Além disso, essas bacias são caracterizadas como foco as bacias hidrográficas pelos Estados Unidos Departamento de Agricultura-Natural Resources Conservation Service (USDA-CRN), baseadas no potencial para reduzir a poluição de nutrientes e sedimento e para melhoria de qualidade de água10. Borda de campo monitoramento está sendo realizado nestas bacias hidrográficas como parte da rede estadual rio Mississippi bacia hidrográfica saudável iniciativa (MRBI)11. Mais detalhes de bacias hidrográficas (ou seja, locais, características da bacia hidrográfica, etc.) são fornecidas em edu e Reba (2017)6. Em suma, pouco falta à bacia do rio tem predominantemente solos de barro de lodo, e algodão e soja são as principais culturas, Considerando que o Lower St. Francis Basin tem predominantemente Sharkey argila do solo, e arroz e feijão de soja são as principais culturas. Em cada bacia hidrográfica, em situ água contínua quantidade e qualidade (ou seja, a temperatura de descarga, pH, DO, turbidez, condutividade, nitrato e amônio) de monitoramento foi realizado em três estações no mainstream usando esse protocolo para entenda a variabilidade espacial e temporal das cargas poluentes e os processos hidrológicos. Além disso, semanalmente amostras de água foram coletadas e analisadas para sedimentos suspensos concentration.

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Protocolo

1. seleção de local

  1. seleção de bacias hidrográficas
    1. selecione watershed(s) baseia a magnitude do problema da poluição, prioridade da bacia hidrográfica, proximidade com o centro de pesquisa, acesso ao site, e objectivos de dados.
  2. Locais de amostragem de fluxo
    1. selecione as localizações de amostragem de fluxo baseadas sobre a finalidade do estudo.
      Nota: Os locais de amostragem ideal são bem misturados dentro de uma seção transversal, com segurança e facilmente acessível, geofísico estável (i.e., seção transversal constante e um banco solidário da habitação de estação do instrumento) e o representante 12 , 13 , 14. As estações não imediatamente a jusante da confluência de dois córregos e uma seção de canal reto, sem uma secção de canal convergentes ou divergentes, são mais homogêneas e representativas 14.
    2. Colocalizar hidrológico e medições de qualidade em um corte transversal para calcular as cargas de água.
      Nota: Se identificar a variação espacial de nutrientes e sedimentos em uma bacia hidrográfica, selecionar várias estações alvo potenciais fontes em toda a bacia hidrográfica.

2. Instrumento e Sensor de seleção

  1. escolher instrumentos e sensores para medir a descarga e a qualidade da água e coletar amostras de água no intervalo pretendido. Escolher o instrumento e sensores com base na necessidade de dados, bacias hidrográficas e os recursos disponíveis.
    Nota: Sensores Ideal são fiáveis, precisos, sensíveis, precisos, baixo custo e apropriada para o ambiente de fluxo e exigem manutenção limitada e treinamento mínimo do campo técnico 13. Em uma bacia hidrográfica agrícola, acúmulo de sujidade e detritos são as maiores causas de preocupações. Por conseguinte, sondas, equipadas com recursos de auto-limpeza e anti-incrustantes são preferidas. Sensor de
    1. uso um mostruário, sondas, uma área-velocidade, um transdutor de pressão e um medidor de vazão portátil.
      Nota: A sonda deve ter um trapo para limpar o sensor de turbidez e uma escova para limpar o pH, amônia, nitrato e fazer sensores.
      Nota: O instrumento no presente protocolo refere-se a uma unidade de amostragem de água consistindo de um mostruário, mangueira, filtro ou fluxo módulo e sensor de área-velocidade.
  2. Parâmetros de qualidade de água select baseiam-se no objectivo de dados, sensor custo e disponibilidade. Medir a temperatura, pH, DO, condutividade, turbidez, amónio e nitrato cada 15 min.
    Nota: Temperatura, pH, DO e condutividade são os mais comuns parâmetros escolhidos e são medidos em estações de USGS, Considerando que o nitrato de amónio e turbidez são menos comuns, mas estão ganhando popularidade 1 , 14.
    Nota: os objectivos dados dependem das características de bacia hidrográfica. Por exemplo, nitrogênio e fósforo de monitoramento podem ser mais importantes em bacias hidrográficas agrícolas em relação ao monitoramento de fósforo em bacias hidrográficas urbanas.

3. Programação e calibração da sonda

  1. calibrar sensores a sonda conforme as recomendações do fabricante. Modificar o protocolo de calibração conforme necessário com base nas condições ambientais locais.
    Nota: A frequência de calibração depende do ambiente em que os sensores estão expostos. Geralmente, cai dentro de 2-4 semanas. Aqui, as sondas são calibradas a cada 2 semanas durante a época de crescimento e a cada 3 semanas em crescimento não temporada (de novembro a abril).
  2. No laboratório, limpe a sonda antes de calibração. Limpe as superfícies do sensor utilizando escovas macias (por exemplo, escovas de dentes) e sabão ou limpador multiuso. Remova o limpador do circulador e escova, usando uma chave Allen; Limpe o limpa para-brisas e escova.
  3. Derramar o eletrólito do eletrodo de referência de pH, encha-o com solução eletrolítica fresco e adicionar uma pastilha de sal de cloreto de potássio para manter a condutividade da solução eletrolítica. Fechar a tampa, de modo que é hermético; alguns eletrólitos vão derramar para fora enquanto a tampa é ser parafusada na. Lavar a sonda com água desionizada.
  4. Suspender a sonda em um suporte resistente para que o fundo da sonda repousa cerca de 20-30 cm acima do topo da tabela, permitindo a fácil trabalhabilidade. Conecte a sonda ao computador usando um cabo de comunicação. Iniciar o fabricante ' software s. Imprensa " operar sonda " para entrar no programa da sonda.
  5. Definir o número de padrões de calibração para o " configuração do parâmetro " guia. Calibrar os sensores na seguinte ordem: condutividade, pH, DO, turbidez, nitrato e amônio.
    Nota: A ordem de calibração é importante, como nitrato e amônio sensores de usam valores de condutividade e pH.
    Nota: O número de padrões de calibração é 2 para a condutividade, 2 ou 3 para pH, 1 para fazer, 2 ou 4 turvação, 2 para nitrato e 2 para amônio.
  6. Enxaguar os sensores com água várias vezes e seco no que respeita a sensores com toalhitas antes introduzindo um padrão no sensor para evitar a contaminação cruzada.
    Nota: Antes de calibrar cada sensor, observe os valores do sensor lê para as seguintes normas: fazer, pH 7, turbidez para DI e 50 NTU, nitrato para 50 mg/L e de amónio para 50 mg/L. Esses valores podem ser usados para avaliar se os sensores eram precisos no campo. Eles também podem ser prudentemente usados para corrigir valores de campo.
  7. Após a calibração de cada sensor (etapas 3.8-3.13) para um padrão, " calibração bem sucedida " vai aparecer; se falhar a calibração, redefinir o sensor e tente novamente. Se o sensor ainda falha, os consumíveis podem precisar de substituição ou o sensor pode precisar reparação fábrica.
    Nota: Redefinir o sensor de nitrato ou amônia redefinirá os dois sensores.
  8. Calibrar o sensor de condutividade usando a calibração de 2 pontos; 0 µs/cm para um sensor seco e 1.412 µs/cm para a solução-padrão. Escolha " SpCond [µs/cm] " no " calibração " guia. Seca a parte oval do sensor completamente com toalhitas. Digite " 0.0 " em µs/cm e digite " calibrar. "
    1. Inserir o padrão em uma bolsa para cobrir inteiramente a parte oval do sensor. Espere até que o sensor de leitura estabiliza (~ 2-5 min), digite " 1412 " em µs/cm e digite " calibrar. " " calibração bem sucedida " irá aparecer; se a calibração falhar, redefinir o sensor e tente novamente.
  9. Calibrar o sensor de pH utilizando pH 7 e pH 10 normas e verificar a linearidade da calibração com pH 4. Selecione o " pH [unidades] " guia na guia de calibração inserir o pH 7 padrão em um malote, abrangendo tanto a junção de pH e o eletrodo de referência. Espere aproximadamente 5 min para se estabilize. Digite " 7.0 " como o pH valor e digite " calibrar. "
    1. lave os eletrodos e secá-las usando lenços. Insira o pH 10 e siga as mesmo procedimento quanto ao pH 7. Inserir a pH 4, para verificar se a linearidade da curva de calibração é conhecida; o sensor calibrado deve ler 4 ± 0,2 para o pH 4.0 padrão.
  10. Calibrar o sensor usando água temperatura estabilizada, saturada de ar, deionizada (18 M Ω-cm) como padrão de ponto único.
    1. Selecione a " LDO % [Sáb] " Tab. Encha o copo de calibração com água ao nível quase completo e coloque o copo sobre a sonda. Inverter a sonda para certificar-se de que o sensor de temperatura e fazer as membranas são completamente cobertas pela água.
    2. Esperar aproximadamente 5 min para estabilizar a leitura da porcentagem de saturação. Insira uma vez estabilizada, " 100 " para a saturação por cento. Digite a pressão barométrica em mmHg, verificando uma estação meteorológica local e " calibrar. "
      Nota: DI água é temperatura estabilizada e saturada com ar deixando-o aberto para a atmosfera, pelo menos durante a noite no laboratório para a troca gasosa, saturação e estabilização da temperatura. Pressão barométrica precisa ser fornecido, uma vez que a saturação depende da pressão atmosférica, além da temperatura (medida pela sonda em si).
    3. Verificar o fator de escala, que deve ser de 0.5 - 1.5, para calibração aceitável. Sair do programa de calibração, entrar no modo de terminal, use as setas para destacar " Log-In, " e pressione " digite. " destacar " nível 3 " e pressione " digite. " destacar " instalação " e pressione " digite. " destacar " sensores " e pressione " digite. " destacar " fazer " e pressione " digite. " destacar " % sentou-se " e pressione " digite. " Observe o fator de escala.
    4. Imprensa " Esc " para sair e entrar " operar sonda " novamente. Selecione o " Guia de calibração " para continuar a calibração.
    5. Inverter a sonda de volta e suspendê-lo, para que os sensores de cara no chão.
  11. Calibrar o sensor de turbidez usando 4 padrões: DI, 50 NTU, NTU 100 e 200 NTU. Selecione o " turbidez [NTUs] " guia. Em um copo de calibração, coloque bastante água DI para cobrir pelo menos a parte inferior do sensor de turbidez. Deixe a leitura de turbidez estabilizar. Inserir ponto " 1 " para o padrão de DI, uma " 0.6 " valor de turbidez NTU, e " calibrar. "
    1. da mesma forma, calibrar o sensor de turbidez para outros padrões. Evitar a formação de bolha por homogeneizar as normas, transformando a garrafa de cima e para baixo (não agite) e derramando os padrões ao longo da Copa.
    2. Depois de calibrar todos os padrões, verificar as leituras do sensor para DI e 50 NTU para ver se a calibração foi aceitável (isto é, dentro de ± 1%).
  12. Calibrar o sensor de nitrato, usando dois padrões: alta (50 mg/L há 3 –-N) e baixa (5 mg/L n. º 3 –-N). Selecione o " 3 – [mg/L-N] " guia.
    1. Pour a 50 mg/L padrão para encher o copo de calibração até três quartos cheio e coloque o copo sobre a sonda, fazendo uma conexão à prova d'água. Inverta a sonda para que os sensores de temperatura e nitrato são completamente cobertos. Espere por 15 min (ou até que a leitura é estável). Uma vez estabilizado, entrar no nível padrão " 1 " e um valor de " 46,2. " gravar as leituras de temperatura e mV em um notebook. Digite " calibrar. "
      Nota: O sensor de nitrato usa o sensor de temperatura, além de sensores de condutividade e pH.
    2. Enxaguar os sensores com água várias vezes e secá-los com lenços. Repita o mesmo procedimento para o padrão baixo. A diferença entre as leituras de dois tensão deve ser 50-65 mV, e a diferença entre as leituras de temperatura não deve exceder 5 ° F para a calibração aceitável.
  13. Calibrar o sensor da mesma forma que o sensor de nitrato de amónio.
  14. Reinstalar e calibrar os limpa para-brisas e escova. Escolha o " automático [Rev] " Tab. Choose " 1 " rotação e digite " calibrar. "
    Nota: O limpa para-brisas e escova irão rodar uma vez.
  15. , Uma vez que todos os sensores são calibrados, programar a sonda. Digite " relógio conjunto para pc tempo " no " sistema " guia para sincronização. Excluir o arquivo de log mais antigo se existem 4 arquivos de log existentes e criar um novo arquivo de log. Uma vez que o arquivo de log é criado, selecione os parâmetros de monitoramento e os parâmetros de log. Selecione o monitoramento duração (ou seja, até a próxima calibração, normalmente 2-3 semanas em bacias hidrográficas agrícolas) e intervalo (15 min), escolhendo o iniciar e terminar o tempo de arquivo de log e o intervalo de log. Salvar o arquivo de log.
    Nota: A qualquer momento, uma sonda pode armazenar até 4 arquivos de log.
  16. Verificar a tensão da bateria interna e, se necessário, substitua as baterias internas.
    1. Selecione a " monitoramento on-line " guia e iniciar o monitoramento on-line.
    2. Verificar a leitura de tensão de bateria interna. Se for abaixo de 10,5 V, substituí-lo com oito pilhas novas de C.
      Nota: A sonda para a gravação de dados se a tensão da bateria interna cai abaixo de ~9.0 V.
    3. Usar o selante de silicone para selar a tampa do compartimento das pilhas para fazer uma conexão estanque.
  17. Anexar a guarda de sensor e colocá-lo em um balde de água meio cheio.
    Nota: As sondas no balde estão prontas para o transporte e (re) instalação dos locais. As sondas devem ser submersa para o eletrodo de pH funcionar corretamente.

4. Instrumento e instalação do Sensor

  1. módulo de sensor e fluxo de área-velocidade
    1. monte o sensor de velocidade área firmemente em uma placa de aço em uma seção transversal selecionada. Montar a placa de aço no " L " suporte ( Figura 1) que é montado na Telspar post dirigido no talvegue do fluxo (ou seja, a parte mais profunda do canal) ( Figura 1); a extensão do " L " suporte montante do post Telspar deve ser tempo suficiente para que o fluxo não é afetado pela presença do post Telspar no fluxo. Coloque o sensor sobre o " L " suporte no leito de tal forma que a ponta do sensor enfrenta rio acima ao longo das linhas de fluxo.
      Nota: O efeito de Telspar post pode ser avaliado visualmente se a introdução do post cria perturbação do fluxo na posição do sensor, montante ou quantitativamente usando sensores de leitura com e sem o post Telspar. Neste protocolo, a variabilidade transversal foi considerada insignificante. Se é para ser avaliado, várias sondas ou sensores podem ser colocados em um corte transversal. As medidas de sensor de área-velocidade média velocidade usando o método de Doppler ultra-sônico. Não requer um fator de conversão com base na profundidade de fluxo ou de criação de perfil de velocidade e calibração no local. O módulo de fluxo mede a velocidade de-1.5 a 6,1 m/s e profundidade de 0,01 m de 9,15 m. Como tal, é aplicável a diferentes bacias hidrográficas.
    2. Para calcular a descarga, medir a área de secção transversal.
      Nota: O software diretamente pode calcular a área se forma de canal ou de uma equação é fornecida.
      Nota: Os dados do sensor são registrados diretamente no módulo de fluxo e pode ser baixados para um computador usando o fabricante ' s software e um cabo de comunicação.

< img alt = "Figura 1" class = "xfigimg" src = "/ arquivos/ftp_upLoad/56036/56036fig1.jpg"/ >
Figura 1. Layout de um típico Instream monitoramento estação (não para uma escala).
A estação contém um post de Telspar em que a sonda está suspenso usando um cabo de aço, um mosquetão e virolas. As virolas não são mostradas. O suporte em L no qual está montado o sensor de velocidade-área é colocado no leito e é fixado firmemente ao post usando porcas e parafusos. O mostruário (não mostrado na figura) puxa a amostra de água de uma mangueira que contém um filtro na ponta. O cabo do sensor de velocidade-área é conectado ao módulo de fluxo (não mostrado). clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. transdutor de pressão (sensor PT)
    1. sempre que o sensor de área-velocidade não estiver disponível, medir a profundidade utilizando um transdutor de pressão.
    2. Instalar o sensor PT dentro do post Telspar e fixe-o com um fio de aço e virolas; a ponta do sensor só deve tocar o leito. Programar o sensor PT para medir a profundidade da água em intervalos de 15 min.
  2. Manual de medição de descarga
    1. para estações com um sensor PT como uma descarga de medição o aparelho, fazer uma curva de descarga num palco medindo manualmente a descarga sobre uma escala dos fluxos, cobrindo pelo menos baixa, média e alta flui. Divida a área de seção transversal em vários segmentos (30-60 cm de largura), dependendo da largura do fluxo. Medir a velocidade média na linha de centro do segmento usando um medidor de vazão portátil. Se a profundidade for < 10cm, medir a velocidade máxima e multiplique por 0,9 para obter a velocidade média. Se 10-75 cm de profundidade, medir a velocidade em 0,6 da profundidade para determinar a velocidade média de 15. Para profundidades superiores a 75 cm, medir velocidades em três profundidades (0,2 0,6 e 0,8 da profundidade da superfície da água) e os média 15.
    2. Calcular a descarga de um segmento usando a média velocidade, largura e profundidade do segmento e soma as descargas provenientes de todos os segmentos para obter uma descarga total.
    3. Siga o procedimento para intervalos de fluxos cobrindo fluxos de altos, média e baixa.
    4. Determinar a relação entre a fase (ou seja, a profundidade de fluxo medido pelo transdutor de pressão no momento da medição manual de descarga) e as medido descargas.
      Nota: Se a descarga é muito alta para medir a velocidade manualmente, um sensor de velocidade-área temporária pode ser usado fazer um relacionamento entre a descarga medido pelo sensor de área-velocidade e a profundidade medido pelo sensor PT.
  3. Sonda de multi parâmetro de qualidade de água
    1. montar a sonda no post Telspar com um fio de aço, ferrolhos e um mosquetão para segurança de sonda e fácil instalação e remoção ( Figura 1). Coloque a sonda no lado a jusante do post Telspar para prevenir danos provocados por detritos ou madeira logs que podem vir a flutuar com a água do córrego, especialmente durante a inundação. Coloque a parte inferior da sonda pelo menos 1-10 cm acima da cama de fluxo para reduzir a probabilidade de acúmulo de sedimentos na sonda.
      Nota: A sonda deve ser sempre submersos na água. Portanto, em um fluxo com fluxos variáveis, a sonda deve ser alta o suficiente para reduzir o acúmulo de sedimentos sobre a sonda e baixa o suficiente para evitar a sonda ficar exposto ao ar. No entanto, para um canal com fluxo menos variável, a sonda pode ser colocada tal que os sensores estão a cerca de 10 cm abaixo da superfície da água.
      Nota: Se a sonda tem um sensor de profundidade, a altura do sensor de profundidade do fundo do canal deve ser medida para conta para a profundidade de instalação do sensor de profundidade acima da cama canal.
    2. Poder da sonda com baterias internas e/ou baterias externas. Use uma caixa de bateria portátil para abrigar a bateria externa e um cabo de comunicação para conectar para a sonda. A sonda para coletar dados de todos os 15 min e baixar os dados diretamente para o computador usando o cabo de comunicação do programa.
  4. Mostruário
    1. instalar um mostruário em tempo-protetor carcaça na parte superior do banco do fluxo em terreno estável. Poder o mostruário com uma bateria acidificada ao chumbo. Instalar um painel solar de 20 W para carregar o bateria no local.
    2. Secure um tubo de filtro debaixo de água com o Telspar ou suporte em L e conectá-lo para o mostruário com uma mangueira.
      Nota: O mostruário automático puxa água do fluxo através do filtro e mangueira.
      Nota: O posicionamento do tubo de filtro é importante para obter dados representativos. Neste protocolo, ele foi posicionado não assumindo nenhuma variabilidade transversal.
    3. Programa o mostruário de água amostra semanal ou com base na necessidade. Consulte o manual de mostruário fornecido pelo fabricante.
      Nota: O mostruário automático pode ser programado para água de amostra com base na precipitação, fluxo, tempo ou uma combinação. O sampler pode ser programado para provar uma amostra em muitas garrafas, muitas amostras em uma garrafa (composto), ou uma combinação.
      Nota: O mostruário recolhe um volume de água (2.000 mL) necessária para a análise de parâmetros adicionais no laboratório. Além do monitoramento da qualidade de água usando a sonda, amostras são analisadas em uma base semanal para a concentração de sedimentos suspensos.

5. Sensor e manutenção de sonda

  1. sensor de área limpa-velocidade em cada visita ao reduzir os detritos sobre ou próximo as superfícies de sensor.
  2. Frequentemente calibrar os sensores sobre a sonda.
    Nota: A frequência é dependente de temporada, hidrologia, bacias hidrográficas, tipo de sensor e taxa de incrustação. Nas bacias hidrográficas escolhidas aqui, calibração foi exigida a cada duas semanas para coletar dados de boa qualidade.
  3. Substituir as peças consumíveis, como recomendado pelo fabricante.
    Nota: Isto inclui um pH referência eletrodo/cap, um boné (membrana) para o sensor, sensores íon-ponta (sensores de nitrato e amônio) e um limpador de circulação e pincéis.
  4. Enviar a sonda para o reparo da fábrica se necessário (ou seja, se o sensor não lê os valores aceitáveis para os padrões, mesmo depois de reiniciar e recalibrar, ou se os sensores falharem calibração).

6. Amostragem de campo e laboratório de análise

  1. preparar antecipadamente para a viagem de campo para manter os sensores e coletar as amostras de água coletadas automaticamente ou manualmente amostra e coletar amostras se um mostruário automático não está disponível no site. Certifique-se de incluir os itens listados na lista de verificação (tabela 1).
  2. Coletar as amostras de água em um ambiente limpo (ou seja, ácido lavado e escorrido) e seque o frasco (10 L), rotulá-los e transportá-los no gelo para o laboratório logo que possível para análise.
    Nota: A amostra de água coletada é uma amostra representativa sob condições reais no momento da amostragem e no local determinado; a integridade da amostra coletada deve ser preservada contra contaminação e físicas, químicas e biológicas muda 12.
    Nota: O material do recipiente necessário pode ser diferente para alguns analitos de interesse, Considerando que a acidificação e/ou filtragem pode ser necessária no local.
  3. Analisar o colamostras de água reflectida no laboratório usando métodos padrão antes exploração aprovada vezes 16.
    Nota: As amostras de água podem ser analisadas usando 353.2 EPA; 4500-NO3 para nitrato, EPA 353.2; 4500-NO2 para nitrito, EPA 365.1; 4500-PI para fosfato, EPA 350.1; 4500-PJ para azoto total, EPA 365.4; 4500-PJ para fósforo total, 2540-D para sólidos suspensos totais, 2540-C para o total de sólidos dissolvidos e D 3977-97 para a concentração de sedimentos suspensos 16 , 17.
  4. Siga o adequado controle de qualidade e controlo, tais como espaços em branco, padrões, repetições, etc., durante a análise. Siga o plano de projeto de garantia de qualidade (QAPP).
  5. Preencher a cadeia de folhas de custódia para o coletor de amostra e o pessoal de laboratório e manter uma cópia de cada um. Observe quaisquer eventos incomuns ou notáveis observados no campo da cadeia de folhas custódia.

7. Coleta de dados e análise

  1. coletar água qualidade e quantidade de dados do sondas, módulo de fluxo e laboratório.
  2. Salvar uma cópia de todos os dados brutos antes de trabalhar com a correção de dados e análise.
  3. Cuidadosamente inspecionar os dados coletados na turbidez e remover qualquer zero (por exemplo, 0,0 NTU), NAN, ou valores razoáveis (por exemplo, 3.000 NTU; limite superior de detecção do sensor) antes de uma análise mais aprofundada.
    Nota: Deve ter cuidado ao remover todos os dados. Eles são removidos somente quando as condições específicas do local nas notas de campo, identificam e determinar que os dados não são razoáveis.
  4. Usar a relação de fase de descarga para calcular a descarga do sensor PT.
    Nota: A profundidade medida pelo sensor PT deve ser pressão compensada.
    1. De uso do fabricante (In situ Inc.), software de " Baromerge, " pós-corrigir os dados do sensor PT.
      Nota: Os dados podem ser corrigidos por um valor fixo de pressão barométrica inserindo muitos valores de pressão barométrica manualmente e automaticamente com um arquivo de log baroTroll. Este protocolo usa um arquivo de log do baroTroll implantado em um local próximo para corrigir automaticamente os dados do sensor PT.
  5. Para os dados do sensor de área-velocidade, remover qualquer fluxo negativo que poderia ser o artefato sensor.
    Cuidado: Às vezes pode haver fluxo negativo, dependendo do local. Nesse caso, não ignore a velocidade negativa.
  6. Calcular dados de descarga ausentes usando uma regressão linear entre a montante ou a jusante da descarga e a descarga na estação de.
    Nota: A relação deve ser estatisticamente significativa, que é geralmente o caso entre as descargas para as estações de upstream e downstream. Nas bacias hidrográficas testadas aqui, a relação foi significativa (p < 0,01) e o coeficiente de correlação foi superior a 93%. No entanto, os dados de quitação em falta só podem ser preenchidos usando esse método, se a distância entre os locais é curta e as características da bacia hidrográfica permanecem similares.
  7. Não preencher dados de qualidade de água ausentes.
    Nota: Dados de qualidade de água são afetados por muitas variáveis (ou seja, sincronismo e aplicação de fertilizante, se a descarga está aumentando ou diminuindo, condições locais específicas, etc.).
  8. Realizar uma análise de regressão entre a concentração de sedimentos suspensos (CCD), a partir dos resultados de laboratório e a turbidez (NTU) medido no riacho.
    Nota: Tal uma regressão é sensível à distribuição de tamanho de sedimento, tal que se areia constitui uma fração significativa mas variável do CCD, a regressão será pobre. No entanto, pode ser melhorado se areias e multas são separadas durante a análise da amostra e se as multas estão correlacionadas com o SSC. Usar a regressão para calcular valores contínuos de SSC.
  9. , Desde que as concentrações de poluentes variam com descarga, calcular concentrações ponderadas fluxo usando a equação 1 6. Calcule as fluxo ponderado médios concentrações (FWMC) em uma base diária, usando dados de hora em hora. Alternativamente, calculá-lo numa base horária usando dados de 15 min; os FWMCs são tempo-integrado também.
    figure-protocol-1
    onde
    FWMC = concentração média ponderada de fluxo em uma base diária
    c eu = concentração de i th amostra
    t eu = tempo, h 1
    q eu = descarga para eu th amostra
    eu = 1 a 24
  10. aplicar técnicas estatísticas adequadas para atingir os objetivos dados. Quando os dados são não-normal, transforme os dados para torná-los normais ou usar mediana ± intervalo interquartil. Realizar testes não-paramétricos para dados não-normal.

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Resultados

Na publicação (2017) edu e Reba, este protocolo foi usado para estudar o transporte e a transformação de nutrientes e sedimentos em duas bacias hidrográficas agrícolas pequeno6. Resultados adicionais do presente protocolo são descritos abaixo.

Precipitação-escoamento relacionamentos de qualidade de água:

A força do monitoramento contínuo é que os u...

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Discussão

No geral, o monitoramento contínuo de nutrientes e sedimentos tem várias vantagens sobre monitoramento usando o método de amostragem de garra. Processos de qualidade hidrológico e a água são afetados pela precipitação sobre um espaço muito curto de tempo. Os usuários podem obter dados de alta resolução temporal em nutrientes e sedimentos para estudar problemas complexos. Outros parâmetros de qualidade de água, tais como condutividade, pH, temperatura e fazer, podem ser obtidos simultaneamente e com o mesmo custo quanto a...

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Divulgações

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

A pesquisa foi possível devido ao financiamento do projeto de avaliação de efeitos conservação (CEAP). Somos especialmente gratos para permissão de acesso ao site dos produtores, pesquisa ajuda de membros da unidade de pesquisa do USDA-ARS-Delta água gestão e análise da amostra pelo pessoal do centro de pesquisa de Ecotoxicologia, Universidade do estado de Arkansas. Parte desta pesquisa foi apoiada por uma entrevista para o programa de participação de ARS, administrado pelo Instituto de Oak Ridge para ciência e educação (ORISE) através de um acordo interinstitucional entre o departamento de energia dos EUA e do USDA. ORISE é gerido pela ORAU sob o número de contrato do DOE DE-AC05-06OR23100. Todas as opiniões expressadas neste artigo são do autor e não refletem necessariamente as políticas e pontos de vista do USDA, ARS, DOE ou ORAU/ORISE.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
A sonda multiparâmetroHach HydrolabDS5Xmede temperatura, pH, condutividade, oxigénio dissolvido, nitrato, amónio, turbidez
módulo e sensor de fluxo de velocidade de áreaTeledyne Isco2150mede a velocidade média do fluxo e a profundidade do fluxo e calcula o caudal e o caudal total com base na área da secção transversal fornecida da vala. Os dados armazenados podem ser baixados diretamente para o computador.
Amostrador de água portátil automáticoTeledyne IscoISCO 6712coleta automaticamente amostras de água no intervalo definido ou em conjunto com o módulo de fluxo e sensor
Transdutorde pressão In-situRugged Troll 100mede pressão, nível e temperatura na água. Os dados armazenados podem ser baixados diretamente para o computador
Medidor de vazão portátilFlo-mate (Hach)Marsh-McBirney 2000Para medição manual de descarga
Bateria, 12 v, recarregávelUPGUB 1270Para alimentar a sonda
Bateria, 12 v, baterias interestaduais recarregáveisSRM 27Bateria de chumbo-ácido para alimentar amostrador automático
Painel solarAlt EALT20-12PPara recarregar a bateria no local
C-8
Padrões de calibraçãoHach ou Fisher ScientificváriosPadrões de pH (4,7,10), condutividade (1412 uS/cm), nitrato (5 e 50 mg/L), amónio (5 e 50 mg/L) e turbidez (50,100,200 NTU)
Alto padrão de nitratoHach013810HY50 mg/L
Baixo padrão de nitratoHach013800HY5 mg/L
Padrão de alto teor de amônioHach002588HY50 mg/L
Padrão de baixo amônioHach002587HY5 mg/L
Padrão de turbidezFisher scientificR8819050-500G50 NTU
Padrão de turbidezFisher scientific88-061-6100 NTU
Padrão de turbidezFisher scientificR8819200500 C200 NTU
Pellets de sal de cloreto de potássioHach005376HYpara manter o eletrólito para eletrodo de pH
Padrão de cloreto de potássioFisher scientific5890-161412 us/cm
Solução tampão, pH 4Fisher scientificSB99-1para calibração do sensor de pH
Solução tampão, pH 7Fisher scientificSB108-1para calibração do sensor de pH
Solução tampão, pH 10Fisher scientificSB116-1para calibração do sensor
Selante de siliconeHach00298HYPara vedação da tampa da bateria do sensor à prova d'água
Limpador multiusoSunshine Makers IncToalhetes verdes
Kimberly-Clark
Poste TelsbarUnistrut Service CompanySensores e sondas seguros no fluxo
Fiosupend sonde e sensor PT
Mosquetãosupend sonda e sensor PT
Chave
Malha de arame de cobrePássaro B GoneRolo de malha de cobre de controle de roedores e pássaros
Fita adesivaAgri Drain CorporationFita adesiva, funciona em clima úmido e frio
O Baterias de pH simples Suporte em L de aço Allen

Referências

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