Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Environment

Fånga flöde-viktade vatten och partiklar från jordbruket kanaler under dränering händelser

doi: 10.3791/56088 Published: November 7, 2017

Summary

Näringsämnen i partikelform kan bidra avsevärt till de övergripande lasterna i jordbruket dränering vatten. Denna studie beskriver en ny metod att fånga flöde-viktade vatten och partiklar från gården canal dränering över hela händelsen dränering.

Abstract

Syftet med denna studie är att beskriva de metoder som används för att fånga flöde-viktade vatten och partiklar från gården kanaler under dränering urladdning händelser. Farm kanalerna kan berikas av näringsämnen såsom fosfor (P) som är mottagliga för transport. Fosfor i form av svävande partiklar kan avsevärt bidra till de övergripande P lasterna i dräneringsvatten. Ett lösa tank experiment utfördes för att fånga partiklar under diskreta dränering händelser. Farm canal ansvarsfrihet vatten samlades i en serie av två 200 L settlingstankar över hela längden av dränering händelsen, för att representera ett sammansatt delurval av det vatten som släpps ut. Imhoff lösa koner används slutligen att lösa ut de svävande partiklarna. Detta uppnås genom hävertera vatten från settlingstankar via kottar. Partiklar samlas sedan för fysikalisk-kemiska analyser.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Öde och transport av svävande partiklar har varit föremål för många studier på grund av dess roll i eutrofiering, särskilt i jordbrukssystem1,2. En omfattande utvärdering av näringsämnen som finns i partiklar inom ett akvatiskt system är nödvändigt att undersöka många miljöfrågor såsom, den inre cykling av näringsämnen och släppa till överliggande vatten kolumn3, substratet stabilitet, lätt tillgänglighet inom vattenmassan, och så småningom vatten kvalitet oro till nedströms ekosystem4. Mängden fosfor (P) lagras i formuläret partiklar (organiskt material eller sediment) är vanligtvis större än i vatten kolumn5. En studie utförd av Kenney et al. 6 visade att senaste sediment som sattes in i sjön Lochloosa, Florida var mellan åldersgruppen 1900 och 2006. Dessa yngre sediment innehöll nästan 55 gånger mer P än som var närvarande i vattenmassan. Ett sätt att karakterisera den potentiella inverkan som partiklar kan ha på ett visst system är att genomföra en kvantitativ inventering av fosfor lagras i sediment urladdat under dränering händelser. Insamling och analys av dessa släpps partiklar kan hjälpa till att uppskatta nedströms näringsberikande påverkan på känsliga ekosystemen.

Storm händelser normalt representerar en bråkdel av tid, ändå kan bidra majoriteten av P belastning ansvarsfrihet i gården dränering. Detta beror på att för att förhindra fält från översvämningar, en stor mängd vatten dräneras över korta tidsperioder. Regn intensitet och flöde priser är avgörande drivande faktorer som kan styra koncentrationen av suspenderade sediment i overland avrinning7. Utforma övervakningsmetoder som fångar flöde-viktade sammansatta vattenprover skulle bidra till att undvika fel i samband med komplexa, hög intensitet regn händelser. Under höga utsläpp händelser som stormar vara de snabba och drastiska förändringarna i koncentrationer inte representativa för genomsnittliga föroreningarnas koncentrationer för inkrementell volymen. Flöde-viktade vattenprover utgör därför, långt mer exakt koncentrationen av en ansvarsfrihet händelse eftersom det är en summering av laster över en period av tid8. De vanligaste flöde-viktade proverna är automatiskt insamlad diskreta eller sammansatta prover. Genom att fånga de exporterade svävande partiklarna från gården tillåter dränering under ansvarsfrihet oss att kvantifiera graden av händelsen på P lastning. Metoden som beskrivs i denna studie bidrar till fånga partiklar som kan senare karakteriseras för olika fysikaliska och kemiska egenskaper. Nyhet provtagning dränering ansvarsfrihet med en kontinuerlig sammansatta flöde metod kontra grab provtagning är att det är en bättre representation av fältmässiga förhållanden över hela händelsen dränering. Grab provtagning är en ”ögonblicksbild” i tid och kanske inte fullt ut representera effekten av hela evenemanget.

Everglades jordbruks område (EAA) i södra Florida, USA är en stor vidd av ursprungliga Everglades som var kanalliserad och avrunna för lantbruk, bostäder, och kommersiella utveckling. Nästan släpps 1100 miljoner m3 vatten årligen från och genom EAA i söder och southeast9. Jordar i EAA är Histosols som vanligen innehåller över 85% ekologisk fråga av vikt och har mindre än 35% mineral innehåll10. Canal sediment har vanligtvis låg bulkdensitet (mellan 0,14 g cm-3 till 0,35 g cm-3), högt organiskt innehåll (mellan 31-35%) och totalt P (TP) värden mellan 726-1 089 mg kg-1 11.

I syfte att denna demonstration valdes en gård inom EAA. Hydroscape av hur vattnet strömmar inom EAA beror på pumpar och gravitation. Varje gård i EAA omfattar minst en viktigaste kanalen, och flera fält diken. Fältet diken springa vinkelrätt med huvudkanalen. Pumparna har vanligtvis ett dubbelt syfte; de levererar bevattning vatten till gården och också ansvarsfrihet dräneringsvatten utanför anläggningen. När fälten behöver tömmas, vatten i huvudkanalen sänks, och vatten från fältet rinner ut i dikena, driven av en hydraulisk gradient. På grund av endast en liten lutning i ytan de flesta av nederbörden som uppstår på fält flöden genom markprofilen i transit till fältet diken.  Under bevattning återförs systemet. Det finns inget nätverk av kakel dränering i EAA. Grundvattennivån upprätthålls på en viss höjd på grund av en begränsande lager av kalksten berggrunden underhuggare smutsar.  Vatten tas in genom de viktigaste kanalerna; fältet diken är fyllda, och vatten är tillåtet att sippra ner i markprofilen att höja grundvattennivån nivåerna i fälten. Krav för bevattning i EAA uppstår vanligtvis, under mars, April och maj (torra säsongen), med mycket lite dränering ansvarsfrihet. Volymen vatten som släpps ut mellan juni och oktober (regnperiod) är däremot betydligt högre. Förekomsten av kanalen bank tryckbankar och diken möjliggör minimal avrinningen som en potentiell källa till P lastning till gård kanaler12.

I detta visuella experiment presenterar vi en ny metod för fånga flöde-viktade svävande partiklar under dränering händelser som kan användas senare för fysikalisk-kemisk karakterisering som skrymdensitet, organiskt material och P fraktionering13 ,14.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Datalogger Installation och arbetet

  1. identifiera en studie gård och installera en datalogger som utlöser en autosampler för att samla in sammansatta flöde prover proportionellt flöde, som kräver övervakning canal nivåer, huvud pumpvarv och pumpens kalibrering ekvation.

Figure 1
figur 1: ISCO provtagare brukade program auto-provtagning förfaranden för sammansatta dräneringsvatten och partiklar vatten provtagning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. övervaka gård canal nivåerna med tryckgivare som installeras i anslutning till pumpstationen inflöde och utflöde kanalerna.
  2. Övervaka pumpens hastighet använder zonomkopplare som är installerade på pump huvuden; hastighet registreras av datalogger i varv per minut (rpm).
    Obs: Zonomkopplare är bitar av metall som när passerade över varandra räkna antalet varv. De svetsas på pumpen cheferna.
  3. Åtgärd nederbörd använder en tipping bucket regnmätaren som är ansluten till datalogger.
    Obs: Datalogger kommunicerar radio telemetri till en bas station ligger på UF/IFAS Everglades Research and Education Center. Telemetri är inte nödvändigt för att styra provtagning, endast för insamling och förvaring.

2. Dränering flöde-viktade vatten provtagning

  1. Beräkna dränering flöde med en datalogger och en pump kalibrering ekvation för varje pump. Dränering flöde-viktade provtagning uppnås genom en autosampler som manövreras av en datalogger efter en utlösande dränering volym uppnås.
    Obs: Pumpens hastighet och flöde varierar över 24 h. ISCO provtagning utlöses av mängden vatten som släpps ut, inte priset. Autosampler är programmerad att samla ett delurval efter en fast volym vatten ansvarsfrihet. Volymen av vatten ansvarsfrihet är kalibrerad baserat på antalet pump rpms.
  2. Samla sammansatta vattenprov (minst 500 mL) använder en i situ automatiserade sampler ligger vid pumpstationen och programmera den att fånga dagliga sammansatta vattenprov under dränering händelser.
    Obs: ISCO sampler är fjäderprydda till de samling stridsvagnar med slangar som avleds genom en datalogger som tar en 2 L prov varje 2 min upp till 400 L.
  3. Program provmängder trigger för högst 30 prover per 24 h ansvarsfrihet period.
    1. Program datalogger för att samla in sammansatta flöde prover genom att följa dessa steg: Ange Program → Program → flöde baserat provtagning → prov varje 1 pulser → 30 blandprover → provvolymen 130 ml → kalibrera Prova volym [Nej] → Ange starttid [Nej] → Program sekvens komplett.
  4. Lagra flöde-viktade sammansatta proverna i en på platsen kylskåp vid 4 ° C tills hämtning och transport tillbaka till laboratoriet för analyser i en is-fyllda kylare.
  5. Analysera vattenprover för lösliga reaktiva P inom 24 timmar från tidpunkten för provtagning. Prover som används för Total P (TP) analys kan vara försurade och lagras vid 4 ° C för upp till 28 dagar 15.

3. Fånga suspenderade partiklar

  1. Placera en rad två 200 L PVC settlingstankar att samla farm canal ansvarsfrihet vatten under hela perioden dränering att fånga och karakterisera de svävande partiklarna.
    1. Program datalogger att samla svävande partiklar prover genom att följa dessa steg: Program → tid baserat provtagning → prova varje 2 min → blandprover [200] → kalibrera provvolymen [Nej] → Ange starttid [Nej] → Sekvens komplett → driva provtagning knappen.
  2. Samla flöde-viktade dräneringsvatten i inställningen tankar (2 L varje 2 min) baserat på volymen av vatten under en 24 h samling.

Figure 2
figur 2: två 200 L tankar som används för att samla in dräneringsvatten. Svävande partiklar bosätta sig på botten av tanken och överförs i fem-gallon hinkar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. suga upp överflödigt vatten med slangar som partiklar börjar att bosätta sig i tankarna.
  2. Överföra partiklar in fem-gallon hinkar, transportera dem tillbaka till laboratoriet, och placera dem i kylskåp vid 4 ° C.
  3. Sifon av överflödigt vatten efter lösa för 24 h, och överföra partiklar till Imhoff lösa kottar.
  4. Efter nöja minst 1 h, suga upp överflödigt vatten en sista gång innan fast partiklar överförs i förväg vägde 500 mL skruv-top burkar för lagring vid 4 ° C.
  5. Väger burkar med partiklar prover.
  6. Fortsätter med fosfor fraktionering analyser som beskrivs av Hedley och Stewart 14.

Figure 3
figur 3: Imhoff lösa koner används för att samla in den svävande partiklar fångas i lösa tanken. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Den metod som beskrivs i denna studie tillåter oss att fånga vatten och partiklar som laddas under pumpning händelser i gårdar kanalerna. Vatten och partiklar som samlas är flöde-vägd, vilket innebär att de är representativa för hela händelsen pumpning och inte bara en onetime ögonblicksbild; vilket gör det mycket representativt för typ av material släpps ut. Vatten och svävande partiklar kan lagras för att analyseras för olika fysikaliska och kemiska parametrar. I denna artikel sammanfattat vi några av egenskaperna för de svävande partiklarna från tre gårdar kanaler inom EAA. Några av de fysikalisk-kemiska analyserna av partiklar tyder på att de är mycket organiska, med låg skrymdensitet och är rika på näringsämnen som P 11. Bulkdensitet partiklar varierade mellan 0.08 g cm-3 till 0,11 g cm-3. Organiskt material sammansättning varierade mellan 55-77% och TP halterna varierade mellan 2 173 mg kg-1 till 2,548 mg kg-1 (figur 4). Kvaliteten på vatten och svävande sediment i gården kanalerna är mycket representativ för jordart och omgivande markanvändning praxis. Inom EAA smutsar är mycket ekologiskt, > 50% organiskt material (OM), och så inte är det förvånande att de svävande partiklarna innehåller hög OM. Partiklar består också av döda vattenlevande växtmaterial (av), kända för att innehålla höga P koncentrationen16. Den låg bulkdensitet som observerats i de svävande partiklarna är direkt relaterad till högre OM innehållet.

Figure 4
Figur 4: Bulk densitet (g cm-3), organiskt material (%) och total fosfor koncentration (mg kg-1) av partiklar som samlats in från gården kanalerna. Felstaplar motsvarar standardavvikelse. Modifierad från Bhadha et al. 16 vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Autosamplers för dräneringsvatten partiklar samling placerades nära den spännande pump station Dataloggrar. Kraften levererades av 12 V-batterier som debiteras av solpaneler. Autosamplers kontrollerades av den Hotellets dataloggrar, som vände autosamplers på när exit pumparna sprang, och vände dem när pumpa slutat. Öppningar för sampler intag rader placerades 0,5 m ovanför canal botten och upflow från pumpstationen. De intag linjerna hölls på plats genom att installera en metall armeringsjärn in i kanalen längst ner och zip kopplingsförbehåll raden intag till armeringsjärn. Prover av 2 L samlades in 200 L lösa tankar varje 3 min. prover samlades in dagligen. I fältet var majoriteten av samplade vattnet bort från trummor med hjälp av en bärbar sug pump. Bosatt vatten/sediment var då placerad i 26 L hinkar med lock och återvände till forskningsstation där de placerades i kylskåp. Följande dag, togs ytterligare vatten bort med hjälp av laboratorium sugpumpar.

Det är viktigt att när häverteffekt partiklar för att undvika att avlägsna suspenderade partiklar så mycket som möjligt. Att göra det, Lägg till en pipettspetsen i slutet av slangen och vara noga med att hålla spetsen nära vattenytan. Det är normalt att ha överflödigt vatten kvar i provet vid lagring. Att veta fukthalten möjliggör torr vikt motsvarande uppskattning av prov och hålla mätningar av alla behållare med och utan prov och extraktionsmedel hjälper spåra riktigheten av experimentell förfarande.

Nyhet med att använda detta förfarande för att samla dräneringsvatten är att det tillåter en att fånga flöde-viktade ansvarsfrihet vatten i motsats till hugg efter provtagning. Flöde-viktade vattenprov är mer representativ för en händelse, eftersom det är ett sammansatt prov av talrika delprover över tid. medan ett hastigt prov är bara ett enda prov som inte är representativa för hela dränering händelsen. Flöde-viktade urvalsmetoden beskrivas i denna studie fungerar för händelseinsamlingsprocessen diskret dränering eftersom man kan programmera den automatiska provtagaren att passa sina önskade mål. Till exempel kan auto provtagaren vara programmerat att samla 30 mL delurval av vatten för varje timme som pumpen är igång. Eller flöde-viktade vatten provet kan vara programmerat att samla 30 mL delurval av vatten efter en konstant inkrementell volym av ansvarsfrihet passerar sampler. Varje flöde-viktade prov antas representera genomsnittliga föroreningarnas koncentrationer för hela inkrementell volymen vatten som det motsvarar. Denna metod tillåter oss att mäta koncentrationer av förorenande ämnen även om halterna var ändra oregelbundet. Fördelen med flöde-viktade prover är att summering av laster beräkningarna förenklas och antas vara mer exakt eftersom ansvarsfrihet volymen är konstant för varje representativt urval. En annan lagt fördelen med denna metod är att den bevarar den dagliga flöde-viktade vattenprov vid 4 ° C i kylbetingelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Det finns inga upplysningar som förknippas med denna studie.

Acknowledgments

Vi vill tacka Pablo Vital och Johnny Mosley för hjälp med fältprovtagning, och Viviana Nadal och Irina Ognevich för hjälp med laboratorieanalyser.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sims, J. T., et al. Phosphorus loss in agricultural drainage: historical perspective and current research. J. Environ. Qual. 27, 277-293 (1997).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Bhadha, J. H., et al. Soil phosphorus release and storage capacity from an impacted subtropical wetland. Soil Sci. Soc. Amer. J. 74 (2010).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Erickson, A. J., et al. Optimizing stormwater treatment practices: a handbook of assessment and maintenance. Springer. New York. (2013).
  9. Abtew, W., Obeysekera, J. Drainage Generation and Water Use in the Everglades Agricultural Area Basin. J. Amer. Water Res. Asso. 32, 1147-1158 (1996).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Hedley, M. J., Stewart, J. W. Method to measure microbial phosphate in soils. Soil Biol. Biochem. 14, 377-385 (1982).
  15. EPA. Method 365.1, Revision 2.0: Determination of Phosphorus by Semi-Automated Colorimetry. O'Dell, J. W. (1993).
  16. 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).
Fånga flöde-viktade vatten och partiklar från jordbruket kanaler under dränering händelser
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter