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Environment

Erfassung von Wasser fließen gewichtet und Schwebestaub aus landwirtschaftlichen Kanäle bei Drainage-Veranstaltungen

doi: 10.3791/56088 Published: November 7, 2017

Summary

Nährstoffe in partikulärer Form können wesentlich zu den allgemeinen Lasten in landwirtschaftlichen Entwässerung Gewässern beitragen. Diese Studie beschreibt eine neuartige Methode um Wasser fließen gewichtet und Schwebestaub vom Bauernhof Kanal Entwässerung über die gesamte Dauer der Veranstaltung Entwässerung zu erfassen.

Abstract

Der Zweck dieser Studie ist es, beschreiben die Methoden verwendet, um Wasser fließen gewichtet zu erfassen und Schwebestaub Bauernhof Kanälen während Entwässerung Entladung Veranstaltungen. Bauernhof Kanäle können durch Nährstoffe wie Phosphor (P) angereichert werden, die anfällig für Transport. Phosphor in Form von Schwebestaub kann erheblich zur allgemeinen P-Lasten im Abwasser beitragen. Eine Beilegung Tank-Experiment wurde durchgeführt, um Schwebestaub während diskrete Entwässerung Ereignisse zu erfassen. Bauernhof Kanal Abwasser wurde über die gesamte Dauer der Entwässerung Veranstaltung, um eine zusammengesetzte Teilstichprobe der Abwässer zu vertreten in einer Reihe von zwei 200 L Absetztanks gesammelt. Imhoff Beilegung Zapfen dienen letztlich der Schwebestaub zu begleichen. Dies geschieht durch Heberleitungen Wasser aus den Absetztanks über die Zapfen. Die Partikel werden dann für die physikalisch-chemischen Analysen gesammelt.

Introduction

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Das Schicksal und den Transport von Schwebestaub war Gegenstand zahlreicher Studien aufgrund seiner Rolle bei der Eutrophierung, vor allem in landwirtschaftlichen Systemen1,2. Eine umfassende Bewertung der in Feinstaub in einem aquatischen System enthaltenen Nährstoffe ist notwendig, zahlreiche Umweltprobleme wie die internen Radfahren von Nährstoffen zu untersuchen und für die darüber liegende Wasser Spalte3freigeben, Substrat Stabilität, leichte Verfügbarkeit innerhalb der Wassersäule und schließlich Wasser Qualität sorgen für nachgeschaltete Ökosysteme4. Die Menge an Phosphor (P) gespeichert in partikulärer Form (organische Substanz oder Sedimenten) ist in der Regel größer als in Wasser Spalte5. Eine Studie von Kenney Et Al. 6 zeigten, dass die jüngsten Sedimente, die im See Lochloosa, Florida abgelagert wurden die Altersspanne von 1900 bis 2006 waren. Diese jüngeren Sedimente enthalten fast 55 Mal mehr P als das, was in der Wassersäule vorhanden war. Ein Ansatz, die mögliche Auswirkungen zu charakterisieren, die Partikel auf einem bestimmten System möglicherweise ist eine quantitative Bestandsaufnahme der Phosphor gespeichert im Sediment entladen bei Entwässerung Veranstaltungen durchzuführen. Erhebung und Analyse von diese entladenen Partikel können helfen, nachgeschaltete Nährstoffanreicherung Auswirkungen auf das sensible Ökosystem abschätzen.

Sturmereignissen in der Regel einen Bruchteil der Zeit vertreten, doch können die Mehrheit der P Last im Bauernhof Entwässerung Entlastung beitragen. Dies ist da um Felder verhindern Überschwemmungen, über einen kurzen Zeitraum eine große Menge an Wasser abgelassen wird. Intensität und Flow Niederschläge sind wichtige treibende Faktoren, die die Konzentration der suspendierten Sedimente im Überland Abfluss7steuern können. Gestaltung Überwachungsmethoden, die Fluss-weighted composite Wasserproben erfasst würde helfen, Fehler im Zusammenhang mit komplexen, hohe Intensität Regenereignissen zu vermeiden. Während hohe Entlastung Ereignisse wie Stürme möglicherweise die schnellen und drastischen Änderungen in Konzentrationen nicht repräsentativ für die durchschnittliche Schadstoffkonzentration für das inkrementelle Volumen. Daher fließen gewichtet Wasserproben weit genauer stellt die Konzentration von einer Entladung als es eine Summierung von Lasten über einen Zeitraum von Zeit8. Die am häufigsten verwendeten fließen gewichtet Proben werden automatisch gesammelten diskret oder zusammengesetzte Proben. Durch die Erfassung der exportierten Schwebestaub vom Bauernhof Entwässerung während der Entladung ermöglicht es uns, den Schweregrad des Ereignisses auf P laden zu quantifizieren. Die Methode beschrieben in dieser Studie hilft erfassen die Partikel, die später für verschiedene physikalische und chemische Eigenschaften charakterisiert werden können. Die Neuheit der Probenahme Entwässerung Entlastung mit einer zusammengesetzten kontinuierliche Methode im Vergleich zu greifen Probenahme ist, dass es eine bessere Vertretung der Feldbedingungen über die gesamte Dauer der Veranstaltung Entwässerung. In der Erwägung, dass Grab Probenahme ist eine "Momentaufnahme" in der Zeit und kann nicht vollständig repräsentieren Sie die Wirkung der gesamten Veranstaltung.

Die Everglades landwirtschaftlicher Bereich (EAA) in Süd-Florida, USA ist eine große Wasserfläche der ursprünglichen Everglades, die kanalisiert und für landwirtschaftliche, gewerbliche und private Entwicklung abgelassen wurde. 1100 Millionen m3 Wasser wird fast jährlich aus und durch die EAA im Süden und Südosten9abgeführt. Böden in der EAA sind Histosols, die häufig enthalten mehr als 85 % organische Materie durch Gewicht und haben weniger als 35 % mineralische Inhalt10. Kanal-Sedimente haben in der Regel geringe Schüttdichte (zwischen 0,14 g cm-3 bis 0,35 g cm-3), Gehalt an hoher organischer Substanz (zwischen 31-35 %) und insgesamt P (TP) Werte im Bereich zwischen 726-1,089 mg kg-1 11.

Für die Zwecke dieser Demo war eine Farm in der EAA ausgewählt. Die Hydroscape wie Wasser fließt innerhalb der EAA hängt von Pumpen und Schwerkraft. Jeder Betrieb in der EAA umfasst auf mindestens ein Hauptkanal, und mehrere Feld Gräben. Das Feld Gräben laufen senkrecht auf dem Hauptkanal. Die Pumpen in der Regel dienen einem doppelten Zweck; Sie liefern Bewässerung Wasser auf den Hof und auch die Entlastung Abwasser außerhalb des Standorts. Wenn die Felder werden entleert müssen, Wasser in den Hauptkanal wird abgesenkt, und Wasser aus dem Bereich fließt in den Gräben, angetrieben durch einen hydraulischen Gradienten. Durch nur ein leichter Hang in Oberfläche die meisten Niederschläge, die auf die Felder fließt durch das Bodenprofil auf der Durchreise zum Feld Gräben.  Während der Bewässerung wird das System umgekehrt. Es gibt kein Netzwerk der Fliese Entwässerung in der EAA. Der Grundwasserspiegel wird auf einer bestimmten Höhe durch eine begrenzende Schicht aus Kalkstein Grundgestein Untergebener der Böden gehalten.  Wasser wird durch die wichtigsten Kanäle eingebracht; Feld Gräben gefüllt sind, und Wasser sickern in das Bodenprofil, der Grundwasserspiegel in den Bereichen erhöhen darf. In der Regel treten Anforderungen für Bewässerungswasser in der EAA im März, April und Mai (Trockenzeit), mit sehr wenig Entwässerung Entlastung. Im Gegensatz dazu ist das Volumen der Abwässer von Juni bis Oktober (Regenzeit) deutlich höher. Das Vorhandensein von Kanal Bank Böschungen und Gräben ermöglicht minimale Oberflächenabfluss als eine potenzielle Quelle für P-laden in Hof12Kanäle.

In diesem visuellen Experiment präsentieren wir eine neue Methode der Erfassung fließen gewichtet Schwebestaub während Entwässerung Ereignisse, die später für die physikalisch-chemischen Charakterisierung wie Rohdichte, Gehalt an organischer Substanz und P Fraktionierung13 verwendet werden kann ,14.

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Protocol

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1. Datenlogger Installation und Funktionsweise

  1. eine Studie Farm zu identifizieren und installieren ein Datenlogger, der einem Autosampler um zusammengesetzte Strömung Proben anteilig fließen, zu sammeln, wonach Kanal Überwachungsstufen auslöst Pumpe Kopf Revolutionen und Pumpe Kalibrierung Gleichung.

Figure 1
Abbildung 1: ISCO Sampler verwendet, um Programm Auto-Sampling Verfahren für das zusammengesetzte Abwasser und die Partikel Wasser Probenahme. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. überwachen die Bauernhof-Kanal mit Druckaufnehmer in den zu- und Abfluss Kanälen angrenzend an die Pumpstation installiert.
  2. Monitor Pumpe Geschwindigkeit mit Näherungsschalter, die auf den Pumpenköpfen installiert sind; Geschwindigkeit wird in Umdrehungen pro Minute (u/min) von der Datalogger aufgezeichnet.
    Hinweis: Näherungsschalter sind Stücke aus Metall, bei übergangen einander Count die Anzahl der Rpms. Sie sind auf den Pumpenköpfen geschweißt.
  3. Maßnahme Niederschlag mit einem Trinkgeld Eimer Regenmesser, der am Datenlogger verbunden ist.
    Hinweis: Der Datalogger kommuniziert per Radiotelemetrie auf Basis Radiosender am UF/IFAS Everglades Forschungs- und Bildungszentrum. Telemetrie ist nicht notwendig für die Steuerung der Musterkollektion, nur für die Datenerhebung und-Speicherung.

2. Entwässerung Flow gewichtet Wasser-Probenahme

  1. berechnen-Entwässerung-Fluss mit einem Datenlogger und eine Pumpe Kalibrierung Gleichung für jede Pumpe. Entwässerung fließen gewichtet Probenahme wird erreicht, indem ein Autosampler, die durch den Datenlogger betätigt wird, nachdem ein Trigger-Entwässerung-Volumen erreicht wird.
    Hinweis: Die Pumpe Geschwindigkeit und den Fluss Preise variieren über 24 h. Die ISCO-Probenahme wird durch das Volumen des Wassers entladen, nicht die Rate ausgelöst. Der Autosampler ist so programmiert, eine Unterstichprobe zu sammeln, nachdem ein bestimmtes Volumen Wasser zu entladen. Das Volumen des Wasserabflusses ist kalibriert, basierend auf der Anzahl der Pumpe Rpms.
  2. Sammeln eine zusammengesetzte Wasserprobe (mindestens 500 mL) mit einem in Situ automatisierte Sampler befindet sich in der Pumpstation und programmieren sie eine tägliche zusammengesetzte Wasserprobe während Entwässerung Ereignisse zu erfassen.
    Hinweis: Ist der ISCO-Sampler, die Sammelbehälter mit Schlauch abgelenkt durch ein Datalogger, die einer 2 L Probe alle 2 min bis 400 nimmt gefiederte L.
  3. Trigger Probenvolumina Programm ermöglicht ein Maximum von 30 Proben pro 24 h Zeitraum entladen.
    1. Programm der Datalogger zusammengesetzte Strömung Proben zu sammeln, indem Sie folgende Schritte: Enter Program → Programm → Flow basierte Sampling → Probe jeden 1 Impulse → 30 Mischmuster → Probenvolumen von 130 mL → kalibrieren Probieren Sie Volumen [NO] → geben Sie Startzeit [NO] → Programm Sequenz abgeschlossen.
  4. Die Fluss-gewichtete Mischmuster in eine vor-Ort-Kühlschrank bei 4 ° C lagern, bis Sammlung und den Transport in das Labor für Analysen in einem eisgefüllten Kühler zurück.
  5. Analysieren die Wasserproben für lösliche reaktive P innerhalb von 24 Stunden ab dem Zeitpunkt der Probenentnahme. Proben für die Analyse der gesamten P (TP) angesäuert und bei 4 ° C für bis zu 28 Tagen 15 gespeichert werden können.

3. Erfassung von Feinstaub ausgesetzt

  1. legen eine Reihe von zwei 200 L PVC Absetztanks, Bauernhof Kanal Abwasser zu sammeln, über die Dauer der Entwässerung zu erfassen und zu charakterisieren den Schwebestaub.
    1. Programm der Datalogger Schwebestaub sammeln Proben, wie folgt: Programm → Zeit basierte Sampling → probieren Sie alle 2 min → Mischmuster [200] → kalibrieren Probenvolumen [NO] → geben Sie Start Time [Nein] → Sequenz abgeschlossen → drücken Sie Sampling.
  2. Sammeln fließen gewichtet Abwasser in den Einstellung-Tanks (2 L alle 2 min) basierend auf das Volumen des Wassers über einen Zeitraum von 24 h Sammlung.

Figure 2
Abbildung 2: zwei 200 L Behälter verwendet, um Abwasser zu sammeln. Schwebestaub setzen sich an der Unterseite des Tanks und in fünf-Gallonen Eimer übertragen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. das überschüssige Wasser mit Schläuchen, wie Partikel beginnen, sich in den Tanks abschöpfen.
  2. Übertragen die Partikel in fünf-Gallonen-Eimer, transportieren sie zurück ins Labor und legen Sie sie im Kühlschrank bei 4 ° c
  3. Siphon das überschüssige Wasser nach Abrechnung für 24 h aus, und übertragen Sie die Partikel in Imhoff Zapfen absetzen.
  4. Nach dem Absetzen für mindestens 1 h, abschöpfen das überschüssige Wasser ein letztes Mal bevor ständiger Partikel in vorgewogene 500 mL Schraubverschluss Gläser für die Lagerung bei 4 übertragen werden ° C.
  5. Wiegen Gläser mit Partikelproben.
  6. Gehen Sie mit Phosphor Fraktionierung Analysen wie von Hedley und Stewart 14.

Figure 3
Abbildung 3: Imhoff Absetzen von Zapfen, die zur Erhebung der Schwebestaub in den Absetzbecken erfasst. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

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Representative Results

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In dieser Studie beschriebene Methode ermöglicht es uns, Wasser und Feinstaub, die entladen wird, während des Pumpens Veranstaltungen in Farmen Kanäle zu erfassen. Das Wasser und Partikeln, die gesammelt werden sind Fluss-gewichtet, was bedeutet, dass sie repräsentativ für die gesamte Dauer des pumpenden Ereignis und nicht nur eine einmalige Momentaufnahme sind; so dass es sehr repräsentativ für die Art des Materials, die entladen wird. Wasser und Schwebestaub können gespeichert werden, um für verschiedene physikalische und chemische Parameter analysiert werden. In diesem Artikel werden einige der Eigenschaften von Schwebestaub aus drei Farmen Kanäle innerhalb der EAA zusammengefasst. Einige der physikalisch-chemischen Analysen der Partikel deuten darauf hin, dass sie sehr organisch, mit niedrigen Schüttdichte, und sind reich an Nährstoffen wie P 11. Die Rohdichte der Partikel bewegen sich zwischen 0,08 g cm-3 bis 0,11 g cm-3. Die organische Substanz Zusammensetzung zwischen 55-77 % und die TP-Konzentrationen lagen zwischen 2.173 mg kg-1 auf 2.548 mg kg-1 (Abbildung 4). Die Qualität des Wassers und suspendierten Sedimente im Bauernhof Kanäle sind sehr repräsentativ für die Bodenart und die umliegenden Landnutzung Praktiken. Innerhalb der EAA sind die Böden sehr organisch, > 50 % organisches Material (OM), und so es nicht verwundert, dass die Schwebestaub hohe OM enthalten Die Partikel bestehen auch tot Wasserpflanze Materie (Shuttstrich), bekannt, dass hohe P-Konzentration-16enthalten. Die niedrige Rohdichte beobachtet in den Schwebestaub steht in direktem Zusammenhang mit der höheren OM Inhalt.

Figure 4
Abbildung 4: Bulk-Dichte (g cm-3), organische Substanz (%) und Phosphor-Konzentration (mg kg-1) der Partikel gesammelt aus den Kanälen Hof. Fehlerbalken entsprechen Standardabweichung. Geändert von Bhadha Et al. 16 Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

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Probengeber für Abwasser Partikel Sammlung wurden in der Nähe der verlassen pump Station Datenlogger. Macht wurde von 12 V Batterien geliefert, die durch Solarzellen aufgeladen werden. Der Probengeber wurden durch die vor-Ort-Datenlogger gesteuert, die Ausfahrt Pumpen lief, als sie ausgeschaltet, wenn Pumpen gestoppt der Probengeber eingeschaltet. Öffnungen der Sampler Aufnahme Linien wurden von der Pumpstation 0,5 m über dem Kanal unten und Upflow positioniert. Die Aufnahme-Linien wurden in Position gehalten, durch die Installation einer Metall Infoleiste in Kanal unten und Zip binden die Saugleitung an der Bewehrung. Proben von 2 L wurden gesammelt, in dem 200 L Absetzbecken alle 3 min. täglich Proben gesammelt wurden. Im Feld wurde die Mehrheit des aufgenommenen Wassers von den Trommeln mit einer tragbaren Saugpumpe entfernt. Die ansässigen Wasser/Sediment wurde dann in 26 L Eimer mit Deckel gelegt und kam nach Forschungsstation, wo sie im Kühlschrank platziert wurden. Am Folgetag wurde zusätzliches Wasser mit Saugpumpen Labor entfernt.

Es ist wichtig, dass beim Absaugen Partikel zu entfernen Partikel so weit wie möglich ausgesetzt. Hierzu am Ende des Schlauches eine Pipettenspitze hinzufügen und vorsichtig sein, um die Spitze in der Nähe der Wasseroberfläche zu halten. Es ist normal, dass überschüssiges Wasser gelassen in der Probe, bei der Lagerung. Zu wissen, des Feuchtigkeitsgehalts Trockengewicht gleichwertige Schätzung der Probe ermöglichen wird, und halten Sie Messungen aller Container mit und ohne Probe und Extraktionsmittel wird helfen, die Genauigkeit der Versuchsdurchführung zu verfolgen.

Die Neuheit dieses Verfahren zu verwenden, um Abwasser zu sammeln ist, dass es eine Strömung gewichtet Abwasser im Gegensatz zu greifen Probenahme zu erfassen. Eine Fluss-gewichtete Wasserprobe ist repräsentativer eines Ereignisses, weil es eine Mischprobe von zahlreichen Teilproben im Laufe der Zeit; während eine Grab Probe einfach eine einzelne Probe, die möglicherweise nicht repräsentativ für die gesamte Entwässerung-Veranstaltung ist. Flow-gewichtete Sampling-Methode, die in dieser Studie beschriebenen arbeitet für diskrete Entwässerung Ereignisse gesammelt, weil man den Auto Sampler entsprechend ihrer gewünschten Ziele programmieren kann. Beispielsweise kann der Auto-Sampler Unterprobe 30 mL Wasser pro Stunde zu sammeln, die die Pumpe läuft programmiert werden. Oder fließen gewichtet Wasserprobe kann Unterprobe 30 mL Wasser zu sammeln, nachdem ein konstantes inkrementelle Volumen der Entlastung den Sampler übergibt programmiert werden. Jeder Fluss-gewichteten Stichprobe wird angenommen, dass die durchschnittliche Schadstoffkonzentration für die gesamte inkrementelle Wasservolumen darstellen, denen es entspricht. Diese Methode ermöglicht es uns, Schadstoffkonzentrationen genau zu messen, auch wenn die Konzentrationen waren unregelmäßig ändern. Der Vorteil der Fluss gewichtet Proben ist die Summierung der Lasten Berechnungen vereinfacht und vermutlich um genauer zu sein, weil das Volumen der Entlastung für jedes repräsentative Stichprobe konstant ist. Ein weiterer Vorteil dieser Methode ist, dass es die tägliche fließen gewichtet Wasserprobe bei 4 ° C in gekühlten Bedingungen bewahrt.

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Disclosures

Es gibt keine Angaben dieser Studie zugeordnet.

Acknowledgments

Wir möchten Pablo Vital und Johnny Mosley für Hilfe mit Bereich Probenahme und Viviana Nadal und Irina Ognevich Hilfe bei Laboranalysen zu danken.

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

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References

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Bhadha, J. H., Sexton, A., Lang, T. A., Daroub, S. H. Capturing Flow-weighted Water and Suspended Particulates from Agricultural Canals During Drainage Events. J. Vis. Exp. (129), e56088, doi:10.3791/56088 (2017).More

Bhadha, J. H., Sexton, A., Lang, T. A., Daroub, S. H. Capturing Flow-weighted Water and Suspended Particulates from Agricultural Canals During Drainage Events. J. Vis. Exp. (129), e56088, doi:10.3791/56088 (2017).

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