Summary
Nutriments présents sous forme particulaire peuvent beaucoup contribuer aux charges globales dans les eaux de drainage agricole. Cette étude décrit une nouvelle méthode pour capturer pondérée en fonction du débit de l’eau et les particules en suspension de drainage canal ferme pendant toute la durée de l’événement de drainage.
Abstract
Le but de cette étude est de décrire les méthodes utilisées pour capturer pondérée en fonction du débit de l’eau et les particules en suspension de canaux de la ferme au cours de drainage décharger des événements. Ferme de canaux peut être enrichi en éléments nutritifs comme le phosphore (P) qui sont sensibles aux transports. Phosphore sous forme de particules en suspension peut contribuer de manière significative les charges globale de P dans l’eau de drainage. Une expérience de cuve décantation a été menée pour capturer les particules en suspension lors des événements de drainage discrète. Eau de décharge pour le canal ferme ont été recueilli dans une série de deux citernes de décantation de 200 L sur toute la durée de l’événement de drainage, afin de représenter un sous-échantillon composite de l’eau évacuée. Cônes de sédimentation Imhoff sont finalement utilisés pour les particules en suspension se déposent. Ceci est réalisé par succion eau provenant des réservoirs de décantation par les cônes. Les particules sont recueillies puis pour analyses physico-chimiques.
Introduction
Le devenir et le transport de particules en suspension a fait l’objet de nombreuses études en raison de son rôle dans l’eutrophisation, notamment dans les systèmes agricoles1,2. Une évaluation complète des nutriments contenus dans la matière particulaire dans un système aquatique est nécessaire pour enquêter sur les nombreux enjeux environnementaux tels que le recyclage interne des éléments nutritifs et libérer l’eau sus-jacente colonne3, stabilité de substrat, disponibilité de la lumière dans la colonne d’eau et éventuellement des problèmes de qualité de l’eau pour les écosystèmes en aval4. La quantité de phosphore (P) stockée sous la forme de particules (matière organique ou les sédiments) est généralement plus élevée que dans la colonne d’eau5. Une étude menée par Kenney et al. 6 a montré que les sédiments récents qui ont été déposés au lac Lochloosa, en Floride, étaient de la tranche d’âge de 1900 à 2006. Ces sédiments plus récents contenaient P près de 55 fois plus que celle qui existait dans la colonne d’eau. Une approche pour caractériser l’impact potentiel que particules peuvent avoir sur un système particulier consiste à réaliser un inventaire quantitatif de phosphore stocké dans les sédiments rejetés lors d’événements de drainage. Collecte et l’analyse de ces particules déchargées peuvent aider à estimer les effets en aval d’enrichissement en éléments nutritifs sur les écosystèmes sensibles.
Orages généralement représentent une petite fraction du temps, mais peuvent contribuer à la majorité des P charge décharge au drainage agricole. C’est parce que pour empêcher les champs d’inondation, un grand volume d’eau est évacué sur de courtes périodes de temps. Taux de précipitations intensité et débit sont essentiels facteurs qui permet de contrôler la concentration des sédiments en suspension dans les eaux de ruissellement terrestre7. Conception de méthodes de surveillance qui capture les échantillons d’eau composite pondérée en fonction du débit permettrait d’éviter les erreurs liées aux événements de précipitation de complexes, de forte intensité. Lors des événements de décharge élevé comme des tempêtes, les changements rapides et drastiques des concentrations peut-être pas représentant de la concentration du polluant moyenne du volume supplémentaire. Échantillons de pondérée en fonction du débit d’eau beaucoup plus précisément représente donc la concentration d’un événement de décharge comme c’est la somme des charges sur une période de temps,8. Les échantillons plus courantes pondérée en fonction du débit sont collectées automatiquement des échantillons discrets ou composites. En capturant les particules en suspension exportés de ferme drainage pendant la décharge permet de quantifier la gravité de l’événement sur chargement P. La méthode décrite dans cette étude aide à capturer les particules qui peuvent plus tard être qualifiées de diverses propriétés physiques et chimiques. La nouveauté de la décharge de drainage en utilisant une méthode de flux composite continu contre benne d’échantillonnage l’échantillonnage est que c’est une meilleure représentation des conditions sur le terrain pendant toute la durée de l’événement de drainage. ATTENDU que, grab d’échantillonnage est un « instantané » dans le temps et ne peut pas pleinement représenter l’effet de la manifestation.
La zone agricole de Everglades (EAA) en Floride du Sud, USA est une grande étendue des Everglades originales qui a été canalisé et vidés pour l’agriculture, le développement commercial et résidentiel. Presque 1100 millions de m3 d’eau se déverse chaque année depuis et à travers l’AEA au sud et sud-est9. Les sols dans les CEA sont Histosols qui contiennent généralement plus organique de 85 % en poids de la matière et ont moins de 35 % de contenu minéral10. Sédiments de canal ont généralement de faible masse volumique (entre 0,14 g cm-3 à 0,35 g cm-3), teneur en matière organique élevé (entre 31 et 35 %) et les valeurs de P Total (PT) comprise entre 726-1,089 mg kg-1 11.
Dans le but de cette démonstration, une batterie de serveurs au sein de la CEA a été sélectionné. Le hydroscape de la façon dont l’eau s’écoule dans l’EAA dépend de pompes et de la gravité. Chaque batterie de serveurs dans l’EAA comprend au moins un canal principal et plusieurs fossés du champ. Le domaine des fossés exécution perpendiculaire au canal principal. Les pompes en général servent un double objectif ; ils livrent l’irrigation de l’eau à la ferme et rejettent aussi l’eau de drainage extérieur. Lorsque les champs doivent être vidangées, eau dans le canal principal est abaissée et l’eau sur le terrain s’écoule dans les fossés, conduits par un gradient hydraulique. En raison de seulement une légère pente en surface plus de pluie qui se produit sur les flux de champs dans le profil de sol en transit vers le champ des fossés. Au cours de l’irrigation, le système est inversé. Il n’y a pas de réseau de drainage de tuile dans le CEA. La nappe phréatique est maintenue à une hauteur spécifique en raison d’une couche de confinement de sous-fifre de roche calcaire des sols. L’eau est apportée à travers les principaux canaux ; fossés du champ sont remplis, et l’eau n’est autorisé à s’infiltrer dans le sol à élever le niveau de la nappe phréatique dans les champs. En général, réclament de l’eau d’irrigation dans les CEA se produire au cours de mars, avril et mai (saison sèche), vindange drainage très peu. En revanche, le volume d’eau déversé entre juin et octobre (saison humide) est significativement plus élevé. La présence du canal Banque talus et fossés permet des écoulements de surface minimale comme une source potentielle de la charge de phosphore dans la ferme des canaux12.
Dans cette expérience visuelle, nous présentons une nouvelle méthode de capture pondérée en fonction du flux de particules en suspension lors des événements de drainage qui peuvent ensuite être utilisées pour la caractérisation physico-chimiques tels que la masse volumique, teneur en matière organique et fractionnement de P13 ,,14.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Datalogger Installation et fonctionnement
- identifier une ferme d’étude et d’installer un enregistreur de données qui déclenche un échantillonneur automatique pour prélever des échantillons composites de flux sur une base proportionnelle du débit, nécessitant une surveillance des concentrations de canal, révolutions tête de pompe et pompe d’étalonnage équation.
figure 1 : échantillonneur de CITP utilisé pour le programme auto-échantillonnage procédures pour l’eau de drainage composite et les particules de prélèvement d’eau. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
- surveiller les niveaux de canal de batterie de serveurs à l’aide de capteurs de pression installés dans les canaux d’entrée et de sortie adjacents à la station de pompage.
- Pompe de moniteur de vitesse à l’aide de détecteurs de proximité qui sont installés sur les têtes de pompe ; vitesse est enregistrée par l’enregistreur de données en tours par minute (tr/min).
NOTE : Détecteurs de proximité sont des morceaux de métal qui, une fois passé sur l’autre comte le nombre de RPM. Elles sont soudées sur les têtes de pompe à. - Précipitations de mesure en utilisant un basculement seau pluviomètre auquel est connecté le datalogger.
Remarque : L’enregistreur de données communique par radio télémesure à une station de radio de base située à UF/IFAS Everglades Research and Education Center. Télémétrie n’est pas nécessaire pour contrôler le prélèvement d’échantillons, uniquement pour la collecte de données et le stockage.
2. Drainage pondérée en fonction du débit d’échantillonnage de l’eau
- débit de drainage de calculer à l’aide d’un enregistreur de données et une équation de pompe d’étalonnage pour chaque pompe. Échantillonnage de pondérée en fonction du débit d’écoulement est obtenue par un échantillonneur automatique qui est actionné par l’enregistreur de données après un volume de drainage de déclenchement est atteinte.
Remarque : Les taux de vitesse et le débit de pompe varient sur une période de 24 h. L’échantillonnage de la CITP est déclenchée par le volume des eaux usées, pas le taux. L’échantillonneur automatique est programmé pour recueillir un sous-échantillon après décharger un volume donné d’eau. Le volume des rejets aqueux est calibré selon le nombre de tours de la pompe. - , Prélève un échantillon composite des eaux (minimum 500 mL) en utilisant un in situ automatisé échantillonneur situé à la station de pompage et programmez-le pour capturer un échantillon d’eau composite quotidienne pendant les événements de drainage.
Remarque : Le sampler de la CITP est plumes pour les cuves de récupération à l’aide de tubes détournés par un enregistreur de données qui prélève un échantillon de 2 L toutes les 2 min jusqu'à 400 L. - Volumes de déclenchement d’échantillon de programme afin de permettre un maximum de 30 échantillons par 24h décharge période.
- Programme le datalogger pour prélever des échantillons composites de flux en suivant ces étapes : entrer programme → programme → débit d’échantillonnage → impulsions échantillon tous les 1 → 30 échantillons composites → Volume d’échantillon de 130 mL → Calibrate L’échantillon de Volume [NO] → entrez l’heure de début [non] → séquence complète de programme.
- Stocker les échantillons composites pondérée en fonction du débit dans un réfrigérateur sur place à 4 ° C jusqu'à ce que la collecte et le transport de retour au laboratoire pour les analyses dans une glacière pleine de glace.
- Analyser les échantillons d’eau pour soluble P réactive dans les 24 heures du temps de prélèvement d’échantillons. Les échantillons utilisés pour l’analyse de P Total (PT) peuvent être acidifiées et stockés à 4 ° C pour jusqu'à 28 jours 15.
3. Capture des particules en suspension
- Place une série de deux 200 L PVC de décantation pour recueillir l’eau de décharge pour le canal ferme pendant toute la durée de la période de drainage à capturer et à caractériser les particules en suspension.
- Programme d’échantillons de l’enregistreur de données pour recueillir les particules en suspension en procédant comme suit : programme → temps d’échantillonnage → déguster toutes les 2 min → échantillons composites [200] → Volume d’échantillon calibrer [NO] → entrez l’heure de début [non] → Séquence complète → d’échantillonnage bouton-poussoir.
- Recueillir l’eau de drainage pondérée en fonction du débit dans les réservoirs de réglage (2 L toutes les 2 min) basé sur le volume d’eau pendant une période de collecte de 24 h.
figure 2 : deux 200 L réservoirs utilisés pour collecter l’eau de drainage. Particules en suspension se déposent au fond du réservoir et sont transférés dans des seaux de 5 gallons. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
- siphonner l’eau en excès à l’aide de tuyaux comme particules commencent à s’installer dans les réservoirs.
- Transfert de particules dans des seaux de 5 gallons, leur transport vers le laboratoire et placez-les au réfrigérateur à 4 ° C.
- Siphon hors de l’eau en excès après décantation pendant 24 h et transférer les particules dans Imhoff décantation cônes.
- Après s’être installé pendant au moins 1 h, siphonner l’eau en excès une dernière fois avant le transfert des particules sédentarisés dans des bocaux de couvercle pré-pesés 500 mL pour le stockage à 4 ° C.
- Peser les bocaux avec des échantillons de particules.
- Procéder à des analyses de fractionnement phosphore tel que décrit par Hedley et Stewart 14.
figure 3 : Imhoff décantation cônes utilisés pour collecter les particules en suspension dans le bassin de décantation. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
La méthode décrite dans la présente étude nous permet de capter l’eau et les particules qui est évacuée lors du pompage des événements dans les canaux de fermes. L’eau et les particules sont recueillies sont pondérée en fonction du débit, ce qui signifie qu’ils sont représentatifs de l’ensemble de la durée de l’événement de pompage et pas juste un aperçu unique ; le rendant très représentatif du type de matériel en cours de décharge. L’eau et les particules en suspension peuvent être stockées pour être analysées pour divers paramètres physiques et chimiques. Dans cet article, nous résume certaines des propriétés des particules suspendues de trois canaux de fermes au sein de la CEA. Certaines analyses physico-chimiques des particules donnent à penser qu’ils sont très organiques, avec une faible masse volumique et sont riches en nutriments comme P 11. La masse volumique des particules varie entre 0,08 g cm-3 à 0,11 g cm-3. La composition de la matière organique se situait entre 55-77 et les concentrations de TP varie entre 2 173 mg kg-1 à 2 548 mg kg-1 (Figure 4). La qualité de l’eau et des sédiments en suspension dans les canaux de la ferme sont très représentatifs du type sol et environnantes aménagement pratiques. Au sein de la CEA, les sols sont très organiques, > 50 % de matières organiques (Mo), et n’est donc pas surprenant que les particules en suspension contiennent haute OM Les particules sont également composées des matières végétales aquatiques morts (détritus), connu pour contenir de concentration élevée P16. La faible masse volumique observée dans les particules en suspension est directement liée à la teneur plus élevée en OM.
Figure 4 : En vrac de densité (g cm-3), la matière organique (%) et la concentration de phosphore total (mg kg-1) des particules provenant des canaux ferme. Barres d’erreur correspondant à l’écart. Modifié par Bhadha et al. 16 s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Les échantillonneurs d’eau de drainage, collecte des particules ont été placés près de la sortie pompe station enregistreurs de données. A été alimenté par des batteries de 12 V qui sont exigés par les panneaux solaires. Les échantillonneurs étaient contrôlés par les enregistreurs de données sur place, qui a transformé les chromatographes sur quand les pompes sortie couru et eux éteint quand pompage s’est arrêté. Ouvertures des lignes échantillonneur d’admission étaient positionnés 0,5 m au-dessus du fond de canal et amont de la station de pompage. Les canalisations de prise ont été maintenues en place en installant une armature métallique dans le bas du canal et le zip liant le conduit d’admission pour les barres d’armature. 2 l ont été échantillonnés dans le 200 L décantation réservoirs chaque min. 3 échantillons ont été prélevés tous les jours. Dans le champ, la majorité de l’eau échantillonnée a été retirée de la batterie à l’aide d’une pompe portable. L’eau/sédiments résidant a été ensuite placé dans des seaux de 26 L avec couvercles et retournés à la station de recherches où ils ont été placés dans les réfrigérateurs. Le lendemain, l’eau supplémentaire a été supprimé à l’aide de pompes aspirantes de laboratoire.
Il est important que lorsque siphonnant les particules pour éviter de supprimer autant que possible de particules en suspension. Pour ce faire, ajoutez une pointe de pipette à l’extrémité du tuyau et veillez à garder la pointe près de la surface de l’eau. Il est normal d’avoir des excès d’eau à gauche dans l’échantillon lors du stockage. Connaissant la teneur en eau permettra d’estimation équivalent poids sec de l’échantillon, et garder les mesures de tous les conteneurs avec ou sans échantillon et extractants aidera à suivre la précision du procédé expérimental.
La nouveauté de l’utilisation de cette procédure pour recueillir l’eau de drainage est qu’il permet de capturer la décharge pondérée en fonction du débit d’eau par opposition à benne d’échantillonnage. Un échantillon pondérée en fonction du débit d’eau est plus représentatif d’un événement, parce que c’est un échantillon composite de plusieurs sous-échantillons au fil du temps ; considérant qu’un échantillon instantané est simplement un seul échantillon qui ne soit pas représentatif de l’événement entier de drainage. Méthode pondérée en fonction du débit d’échantillonnage décrite dans la présente étude fonctionne pour la collecte des événements discrets drainage parce qu’on peut programmer l’échantillonneur automatique en fonction de leurs objectifs souhaités. Par exemple, l’échantillonneur automatique peut être programmé pour recueillir le sous-échantillon de 30 mL d’eau pour chaque heure que la pompe fonctionne. Ou l’échantillon pondérée en fonction du débit d’eau peut être programmé pour recueillir le sous-échantillon de 30 mL d’eau après qu’un volume constant de différentiel de décharge passe l’échantillonneur. Chaque échantillon pondérée en fonction du débit est censé pour représenter la concentration de polluant moyenne pour la totalité du volume supplémentaire d’eau à laquelle il correspond. Cette méthode permet de mesurer avec précision des concentrations de polluants, même si la concentration était de changer de façon irrégulière. L’avantage des échantillons pondérée en fonction du débit est cette somme de calculs ont simplifié et sont présumés pour être plus précis, parce que le volume de décharge est constant pour chaque échantillon représentatif des charges. Un autre a ajouté avantage de cette méthode est qu’elle préserve l’échantillon pondérée en fonction du débit de l’eau tous les jours à 4 ° C dans des conditions réfrigérées.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Il n’y a aucune divulgation associée à cette étude.
Acknowledgments
Nous tenons à remercier Pablo Vital et Johnny Mosley pour aide avec échantillonnage sur le terrain et Viviana Nadal et Irina Ognevich pour obtenir de l’aide d’analyses de laboratoire.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Datalogger | Campbell Scientific | model CR1000 | |
| Auto-sampler | ISCO | model 3700 | |
| Pressure transducer | KPSI | model 700 | |
| Tipping bucket rain guage | Texas Electronics | model TR-525 | |
| Potassium Chloride | Fisher | 7447-40-7 | |
| Sodium Hydroxide | Fisher | 1310-73-2 | |
| Hydrochloric Acid | Fisher | 7647-01-0 | |
| Sulfuric Acid | Fisher | 7664-93-9 | |
| Potassium Persulfate | Fisher | 7727-21-1 | |
| Ammonium Molybdate Tetrahydrate | Fisher | 12054-85-2 | |
| L-Ascorbic Acid | Fisher | 50-81-7 | |
| 100 mg/L Anhydrous Phosphate Standard | ERA | 061 | |
| Antimony Potassium Tartrate Trihydrate | Fisher | 28300-74-5 | |
| Durapore Membrane Filters | Millipore | HVLP04700 | |
| Whatman #41 Filter Paper | Whatman | 1441-150 | |
| Fixed Speed Reciprocal Shaker E6010 | Eberbach Corporation | E6010.00 | |
| Disposable Culture Tubes | Fisher | 14-961-29 | |
| Allegra 25R Centrifuge | Becker Coulter | U.S. 605168-AC | |
| Parafilm | Bemis Company Inc PM 999 | 13-374-12 | |
| Oak Ridge Centrifuge Tubes | Nalgene | 3119-0050 | |
| Fisherbrand 20mL HDPE Scintillation Vials with Urea Cap | Fisher | 03-337-23C | |
| Fisherbrand Natural Polypropylene Jars with White Polypropylene Unlined Cap | Fisher | 02-912-024A | |
| 0.45 membrane filters | Cole-Parmer | Item # UX-15945-25 | |
| 100 ml digestion tubes | Fisher | TC1000-0735 | |
| Glass funnels | Fisher | 03-865 | |
| Spectronic 20 Genesys | Thermo-Fisher | 4001-000 | |
| QuikChem | Latchat | 8500 |
References
- 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).
