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Environment

在排水过程中捕获农用运河中的流动加权水和悬浮颗粒

doi: 10.3791/56088 Published: November 7, 2017

Summary

以微粒形式存在的养分对农业排水系统的整体负荷有显著的贡献。本研究介绍了一种新的方法, 以捕捉流量加权水和悬浮颗粒从农田渠排水在整个期间的排水事件。

Abstract

本研究的目的是描述在排水事件过程中用来捕获农田沟渠中的流动加权水和悬浮颗粒物的方法。农田运河可以由易受运输的磷 (P) 等营养素丰富。悬浮颗粒物中的磷能显著促进排水中的 P 总负荷。在离散排水事件中, 进行了沉淀池试验, 捕捉悬浮颗粒物。在排水事件的整个过程中, 在两个 200 L 沉淀池中收集了大量的农田渠排放水, 以此来代表被排放的水的复合子。沉淀沉淀锥最终用于解决悬浮粒子。这是通过从沉淀池虹吸水通过锥。然后收集颗粒物进行物理化学分析。

Introduction

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悬浮微粒的命运和运输是许多研究的主题由于它的作用在富营养化, 特别是在农业系统1,2。对水生系统内微粒物质所含营养素的综合评价是调查许多环境问题的必要条件, 例如, 养分的内部循环和释放到上覆水柱3,基板稳定性、水柱内的光可用性, 以及最终对下游生态系统的水质关注4。以颗粒形式 (有机物或沉积物) 储存的磷 (P) 的数量通常大于水柱5。肯尼et al进行的一项研究。6表明, 在佛罗里达州 Lochloosa 湖沉积的最近沉积物介于1900年和2006的年龄范围之间。这些较年轻的沉积物所含的 P 比水柱中的更近55倍。一种方法来描述微粒可能对某一特定系统产生的潜在影响, 是对在排水过程中排放的沉积物中的磷进行定量清查。收集和分析这些排放的微粒可以帮助估计下游养分富集对敏感生态系统的影响。

风暴事件典型地代表一小部分时间, 但可能贡献多数 P 负荷放电在农田排水。这是因为为了防止农田泛滥, 大量的水会在短时间内排出。降雨强度和流速是控制陆地径流中悬浮沉积物浓度的重要驱动因子7。设计监测方法, 捕捉流加权复合水样本将有助于避免与复杂的, 高强度的降雨事件相关的错误。在像暴风雨这样的高放电事件中, 浓度的快速和剧烈变化可能不代表增量体积的平均污染物浓度。因此, 流加权水样更准确地表示放电事件的浓度, 因为它是一段时间内的负载总和8。最常见的流加权样本是自动收集的离散或复合样本。通过在排放过程中捕获出口的悬浮微粒, 我们可以量化 P 负荷事件的严重性。本研究中所描述的方法有助于捕获以后可以被定性为各种物理和化学性质的微粒。采用连续复合流法与抓斗取样相结合的取样排水流量的新颖性是在整个排水事件期间, 它是更好地表示场条件。然而, 抓取采样是一个 "快照" 的时间, 可能并不完全代表整个事件的效果。

在佛罗里达州南部的大沼泽地农业区 (监管局) 是一个大片的原始沼泽地, 是化和排水的农业, 商业, 和住宅发展。几乎 11亿 m3的水每年从和通过监管局排放到南部和东南9。在监管局的土壤千克, 通常含有超过85% 的有机物重量和少于35% 矿物含量10。运河沉积物通常有低的大块密度 (在 0.14 g cm-3之间到 0.35 g cm-3), 高有机物质内容 (在 31-35%) 和总 P (TP) 价值范围之间 726-1,089 毫克公斤-1 11

为本示范目的, 在监管局内选择了一个农场。监管局内部水流的 hydroscape, 取决于水泵和重力。监管局辖下的每个农场均包括至少一条主渠道, 以及多个外地沟渠。田间沟渠与主运河垂直。泵通常为双重用途;他们将灌溉用水送到农场, 并在异地排放排水。当田地需要排水时, 主渠中的水就会降低, 从田间流出的水会流入沟渠, 由水力坡度驱动。由于表面上只有轻微的坡度, 在农田上发生的大部分降雨都流经农田沟渠的土壤剖面。 在灌溉期间, 系统被逆转。监管局并无任何排水系统。由于石灰岩基岩的封闭层为土壤的一部分, 地下水位保持在一个特定的高度上。 水通过主要运河被带来;农田沟渠被填满, 水可以渗入土壤剖面, 提高田间水位。通常情况下, 监管局在3月、四月和五月 (旱季) 都会对灌溉用水提出要求, 排放量极少。相比之下, 六月至10月的水排放量 (雨季) 则显著升高。运河银行堤和沟渠的存在允许最小的地表径流作为一个潜在的 P 负荷的来源到农田运河12

在这个视觉实验中, 我们提出了一种新的方法来捕获流量加权悬浮颗粒在排水事件, 可以以后用于物理化学表征, 如体积密度, 有机物含量, 和 P 分馏13 ,14

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Protocol

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1. 记录安装和工作原理

  1. 标识一个研究场, 并安装一个记录, 用于触发样以流量比例为基础收集复合流样本, 这需要监测运河的水平,泵头转速和泵标定方程.

Figure 1
图 1: 分类用于程序自动的采样器复合排水和颗粒水取样的程序. 请单击此处查看此图的较大版本.

  1. 使用安装在泵站旁边的流入和流出运河中的压力传感器监视农场运河的水位.
  2. 使用安装在泵头上的接近开关来监视泵的转速; 速度由记录记录每分钟转速 (rpm).
    注意: 接近开关是金属片, 当相互传递时, rpm 数。它们被焊接到泵头上.
  3. 使用与记录连接的翻斗式雨量计测量降雨量.
    注: 记录通过无线电遥测通信到位于顾问沼泽地研究和教育中心的一个基地电台。遥测不是控制样本收集的必要条件, 仅用于数据收集和存储.

2。排水流量加权水取样

  1. 使用记录和每个泵的泵标定公式计算排水流量。排水流量加权抽样是实现了一个样, 由记录驱动后, 触发排水量达到.
    注: 泵速和流速变化超过24小时。分类取样是由排出的水量引起的, 而不是速率。样的程序, 以收集一个样本后, 固定量的排水。根据泵 rpm 的数量, 对流量进行标定.
  2. 使用 原位 自动取样器在泵站中收集复合水样 (最少500毫升), 并计划在排水事件期间捕获每日复合水样.
    注: 分类取样器是羽毛的收集坦克使用油管改道通过一个记录, 采取2升样本每2分钟400升.
  3. 程序示例触发器卷允许每 24 h 放电期间最多30样本.
    1. 程序记录通过以下步骤收集复合流示例: 输入程序和 #8594; 程序和 #8594; 基于流程的取样和 #8594; 采样每1脉冲和 #8594; 30 复合样品和 #8594; 130 毫升和 #8594 的样品体积; 校准样本量 [否] 和 #8594; 输入开始时间 [否] 和 #8594; 程序序列完成.
  4. 将流加权复合样本存储在4和 #176 的现场冰箱中, 直到收集和运输到实验室进行分析。
  5. 从样品采集时起24小时内分析可溶性活性磷的水样。用于总磷 (TP) 分析的样品可以酸化并存储在4和 #176; C 最多28天 15 .

3。捕获悬浮粒子

  1. 放置一系列两个200升 PVC 沉淀池, 在排水期间收集农用运河的排泄水, 以捕获和表征悬浮粒子.
    1. 程序记录通过以下步骤收集悬浮颗粒样品: 程序和 #8594; 基于时间的取样和 #8594; 样品每2分钟和 #8594; 复合样品 [200] 和 #8594; 校准样本量 [否] 和 #8594; 输入开始时间 [否]#8594; 序列完成和 #8594; 按采样按钮.
  2. 根据24小时收集期间的水量,
  3. 收集设置水箱 (每2分钟2升) 的流量加权排水量.

Figure 2
图 2: 用于收集排水水的两个200升水箱。悬浮微粒沉淀在罐底, 并在五加仑的水桶中转移。 请单击此处查看此图的较大版本.

  1. 用软管虹吸多余的水, 因为微粒开始在水箱中沉淀.
  2. 将微粒转移到五加仑的桶中, 将其运回实验室, 并将其放在4和 #176 的冰箱中; C.
  3. 在沉淀24小时后虹吸多余的水, 并将微粒转移到沉淀沉淀的锥中.
  4. 在沉淀了至少1小时后, 最后一次虹吸掉多余的水, 在沉降微粒被转移到称量500毫升的螺丝顶罐中, 用于存储在4和 #176;
  5. 用微粒样品称量罐子.
  6. 继续进行磷分馏分析, 如海德利·拉玛和斯图尔特所描述的那样 14 .

Figure 3
图 3: 沉淀沉淀锥用于收集沉淀池中捕获的悬浮微粒。 请单击此处查看此图的较大版本.

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Representative Results

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本研究中所描述的方法, 使我们能够捕捉水和颗粒物质, 正在排出在农场运河抽水事件。收集的水和微粒是流加权的, 这意味着它们代表了整个泵浦事件的持续时间, 而不仅仅是一次性的快照;使其高度代表性的类型的材料被释放。水和悬浮颗粒物可以储存, 以分析各种物理和化学参数。在这篇文章中, 我们总结了监管局辖下三农场运河内悬浮粒子的一些性质。一些物理化学分析的微粒表明, 它们是高度有机的, 低密度, 并富含养分, 如 P 11。粒子的体积密度介于0.08 克 cm-3到0.11 克 cm-3之间。有机质成分介于 55-77% 之间, TP 浓度介于2173毫克千克-1至2548毫克千克-1 (图 4) 之间。农田运河中的水和悬浮物的质量是土壤类型和周围土地利用方式的高度代表性。在监管局内, 土壤是高度有机的, #62; 50% 有机材料 (om), 因此, 这是不足为奇的悬浮粒子含有高 OM。微粒也由死水生植物物质 (碎屑) 组成, 已知包含高 P 浓度16。悬浮颗粒物中观察到的低容重与较高的 OM 含量直接相关。

Figure 4
图 4:散装密度 (g cm-3), 有机物 (%), 和总磷浓度 (毫克千克-1) 从农田运河中收集的颗粒物.误差线对应于标准偏差。已从 Bhadha et al.修改16 请单击此处查看此图的较大版本.

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Discussion

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排水微粒收集的 autosamplers 被放置在数据采集的水泵站附近。电源由太阳能电池板充电的 12 V 电池提供。autosamplers 是由 on-site 数据采集控制的, 它在出口泵运行时打开了 autosamplers, 当水泵停止时将其关闭。取样器进水口的开口位于运河底部0.5 米以上, 从泵站上流。进气线通过安装一个金属钢筋进入运河底部和拉链捆绑进线到钢筋的地方举行。2 l 的样品收集到 200 l 沉淀罐每3分钟收集样品每天。在这一领域, 大部分取样的水都是用便携式吸水泵从桶中取出的。然后将居住的水/沉淀物放在 26 L 桶中, 盖上盖子, 回到研究站, 放在冰箱里。第二天, 额外的水被删除使用实验室吸水泵。

重要的是, 当吸取微粒, 以避免删除悬浮颗粒尽可能多。为此, 在软管的末端加一个吸管尖端, 并小心地将刀尖保持在水面附近。储存时在样品中留下多余的水分是正常的。了解水分含量将允许对样品进行干重的当量估计, 并对所有容器进行测量, 不带样品和萃取, 有助于跟踪实验过程的准确性。

使用这一程序收集排水的新奇之处在, 它允许一个捕获流量加权的排放水, 而不是抓取取样。流量加权水样本更具有代表性的事件, 因为它是一个复合样本的大量样本随着时间的推移;而抓取样品只是一个单一的样本, 可能不代表整个排水事件。本研究中描述的流加权抽样方法用于收集离散的排水事件, 因为人们可以对自动取样器进行编程以满足其预期目标。例如, 自动采样器可以程序收集30毫升样本的水, 每小时泵运行。或流量加权水样可以程序收集30毫升样本水后, 恒定增量流量通过采样器。每个流量加权样本被假定为它对应的整个递增水量的平均污染物浓度。这种方法使我们能够准确地测量污染物浓度, 即使浓度不规则地改变。流加权样本的优点是简化了荷载计算的总和, 并推定其更准确, 因为每个代表样本的放电量是恒定的。该方法的另一项好处是, 它在冷藏条件下保留4° c 的每日流量加权水样。

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Disclosures

这项研究没有相关的披露。

Acknowledgments

我们希望感谢巴勃罗至关重要的和强尼莫斯利的帮助, 实地取样, 薇和 Ognevich 的实验室分析帮助纳达尔和伊琳娜。

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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在排水过程中捕获农用运河中的流动加权水和悬浮颗粒
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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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