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Environment

Acquisizione ponderati per il flusso di acqua e particelle in sospensione dai canali agricoli durante eventi di drenaggio

doi: 10.3791/56088 Published: November 7, 2017

Summary

Nutrienti presenti in forma di particolato possono contribuire significativamente all'utenza complessiva nelle acque di drenaggio agricolo. Questo studio descrive un nuovo metodo per acquisire ponderati per il flusso di acqua e particelle in sospensione dalla fattoria canale di drenaggio per l'intera durata dell'evento di drenaggio.

Abstract

Lo scopo di questo studio è di descrivere i metodi utilizzati per catturare ponderati per il flusso di acqua e particelle in sospensione dai canali di fattoria durante il drenaggio scaricano eventi. Azienda agricola canali possono essere arricchiti da sostanze nutrienti quali fosforo (P) che sono suscettibili di trasporto. Fosforo in forma di particelle in sospensione può contribuire significativamente ai carichi P complessivi in acqua di drenaggio. Un sedimentazione serbatoio esperimento è stato condotto per catturare le particelle in sospensione durante eventi discreti drenaggio. Acqua di scarico del canale di fattoria è stato raccolto in una serie di due vasche di sedimentazione di 200 L per tutta la durata dell'evento di drenaggio, in modo da rappresentare un sottocampione composito dell'acqua dello scarico. Coni di sedimentazione Imhoff in definitiva utilizzati per saldare fuori le particelle in sospensione. Ciò si ottiene di sifonatura acqua dalle vasche di sedimentazione tramite i coni. Le particelle vengono poi raccolti per le analisi fisico-chimiche.

Introduction

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Il destino ed il trasporto di particelle in sospensione è stata oggetto di numerosi studi a causa del suo ruolo nell'eutrofizzazione, specialmente in sistemi agricoli1,2. Una valutazione completa dei nutrienti contenuti nel particolato all'interno di un sistema acquatico è necessaria indagare su numerose questioni ambientali quali, l'interno cicli dei nutrienti e rilasciare al sovrastante acqua colonna3, stabilità del substrato, disponibilità di luce all'interno della colonna d'acqua e alla fine problemi relativi alla qualità dell'acqua a ecosistemi a valle4. La quantità di fosforo (P) memorizzata nel modulo del particolato (materia organica o sedimenti) è in genere maggiore in acqua colonna5. Uno studio condotto da Kenney et al. 6 ha mostrato che sedimenti recenti che sono stati depositati nel lago Lochloosa, in Florida, sono stati tra la fascia di età del 1900 e 2006. Questi sedimenti più giovani contenevano P quasi 55 volte più di quello che era presente nella colonna d'acqua. Un approccio per caratterizzare il potenziale impatto che particelle possono avere su un particolare sistema è di creare un inventario quantitativo di fosforo memorizzato nel sedimento scaricata durante gli eventi di drenaggio. Raccolta e l'analisi di queste particelle scariche può aiutare a stimare arricchimento in nutrienti a valle gli impatti sugli ecosistemi sensibili.

Eventi di tempesta in genere rappresentano una piccola frazione di tempo, ma possono contribuire la maggior parte dei P carico scarico nel drenaggio di fattoria. Infatti, al fine di impedire l'allagamento di campi, un grande volume di acqua viene drenato in brevi periodi di tempo. Tassi di intensità e flusso di pioggia sono di vitale importanza fattori in grado di controllare la concentrazione di sedimenti sospesi nel deflusso overland7di guida. Progettazione di metodi di monitoraggio che cattura campioni ponderati per il flusso d'acqua composito contribuirebbe a evitare errori associati a fenomeni complessi, ad alta intensità. Durante gli eventi di scarico elevate come le tempeste, i rapidi e drastici cambiamenti nelle concentrazioni potrebbero non essere rappresentante della concentrazione media della sostanza inquinante per il volume incrementale. Pertanto, campioni di acqua di flusso-weighted rappresenta molto più accuratamente la concentrazione di un evento di rilascio come è una sommatoria di carichi per un periodo di tempo8. I campioni di flusso-weighted più comuni sono automaticamente raccolti campioni discreti o compositi. Catturando le particelle in sospensione esportate dalla fattoria drenaggio durante lo scarico permette di quantificare la gravità dell'evento il carico P. Il metodo descritto in questo studio aiuta a catturare le particelle che possono successivamente essere caratterizzate per diverse proprietà fisiche e chimiche. La novità di scarico di drenaggio utilizzando un metodo di flusso continuo composito fronte grab campionamento di campionamento è che è una migliore rappresentazione delle condizioni di campo sopra l'intera durata dell'evento di drenaggio. Considerando che, afferrare il campionamento è una "istantanea" nel tempo e potrebbe non essere completamente rappresentare l'effetto di tutta la manifestazione.

La zona agricola di Everglades (EAA) nel sud della Florida, Stati Uniti d'America è una grande distesa delle Everglades originale che era channelized e drenato per l'agricoltura, lo sviluppo commerciale e residenziale. Quasi 1100 milioni di m3 di acqua viene scaricata ogni anno da e attraverso l'EAA a sud e Sud-Est9. Terreni nei CEA sono Histosol che comunemente contengono oltre 85% organico materia di peso e hanno meno di 35% minerale contenuto10. Sedimenti di Canal in genere hanno densità all'ingrosso bassa (tra 0,14 g cm-3 a 0,35 g cm-3), contenuto di sostanza organica ad alta (tra 31-35%) e valori di P totale (TP) fra 726-1,089 mg kg-1 11.

Ai fini di questa dimostrazione, una fattoria all'interno di CEA è stata selezionata. Il hydroscape di come l'acqua scorre all'interno di CEA è dipende da pompe e gravità. Ogni farm nei CEA comprende almeno un canale principale e più campo fossati. Il campo fosse gestito perpendicolare al canale principale. Le pompe in genere servono un duplice scopo; Essi consegnare irrigazione acqua alla fattoria e anche di scarico dell'acqua di drenaggio esterno. Quando i campi hanno bisogno di essere svuotato, acqua nel canale principale viene abbassato e scarichi di acque dal campo nelle fosse, guidate da un gradiente idraulico. A causa di solo una leggera pendenza nella superficie maggior parte delle precipitazioni che si verifica sui flussi campi attraverso il profilo del terreno in transito al campo fossati.  Durante l'irrigazione, il sistema è invertita. Non c'è nessuna rete di mattonelle di drenaggio nei CEA. La tavola di acqua è mantenuta ad un'altezza specifica a causa di uno strato di confinamento di subalterno di roccia calcare i terreni.  Acqua viene portato attraverso i principali canali; campo fossati sono pieni, e acqua è permesso di infiltrarsi nel profilo del terreno di innalzare i livelli di falda nei campi. In genere, richieste per l'acqua di irrigazione nei CEA si verificano nel mese di marzo, aprile e maggio (stagione secca), con molto poco scarico di drenaggio. Al contrario, il volume di acqua che è scaricata tra giugno e ottobre (stagione delle piogge) è significativamente più alto. La presenza di canale banca berme e fossati consente minimo deflusso superficiale come una potenziale fonte di carico P in fattoria canali12.

In questo esperimento visivo, vi presentiamo un metodo novello di acquisizione ponderati per il flusso di particelle in sospensione durante gli eventi di drenaggio che possono essere utilizzati successivamente per la caratterizzazione chimico-fisica come densità apparente, contenuto di sostanza organica e frazionamento P13 ,14.

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Protocol

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1. installazione di Datalogger e lavorazioni

  1. identificare una farm studio ed installare un datalogger che innesca un autocampionatore per raccogliere campioni di flusso composito su una base proporzionale del flusso, che richiede il monitoraggio dei livelli di canale, pompa testa rivoluzioni ed equazione di taratura pompa.

Figure 1
Figura 1: campionatore ISCO utilizzato per auto-programma-campionamento procedure per l'acqua di drenaggio composito e particolato campionamento delle acque. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. monitorare i livelli di canale fattoria utilizzando trasduttori di pressione installati nei canali di afflusso e deflusso adiacenti alla stazione di pompa.
  2. Pompa monitor velocità utilizzando interruttori di prossimità installati sulle teste pompa; velocità viene registrata dal datalogger in giri al minuto (rpm).
    Nota: Interruttori di prossimità sono pezzi di metallo che una volta passato sopra ogni altro conteggio il numero di giri/min. Essi sono saldati sulla testa pompa.
  3. Pioggia di misura utilizzando un ribaltamento benna pluviometro che è collegato al datalogger.
    Nota: Il datalogger comunica di telemetria radio su una stazione radio base situata presso UF/IFAS Everglades Research and Education Center. Telemetria non è necessario per la raccolta del campione di controllo, solo per la raccolta dei dati e archiviazione.

2. Ponderati per il flusso di campionamento delle acque di drenaggio

  1. flusso di drenaggio calcola utilizzando un datalogger e un'equazione di taratura della pompa per ciascuna pompa. Campionamento di ponderati per il flusso di drenaggio avviene mediante un campionatore automatico che viene azionato dal datalogger dopo aver raggiunto un volume di drenaggio limite.
    Nota: I tassi di velocità e flusso di pompa variano oltre 24 h. Il campionamento di ISCO è innescato dal volume di acqua scaricata, non il tasso. L'autocampionatore è programmato per raccogliere un sottocampione dopo un volume fisso di acqua di scarico. Il volume di acqua di scarico è calibrato basato sul numero di giri pompa.
  2. Raccogliere un campione di acqua composito (minimo 500 mL) utilizzando un in situ automatizzato campionatore situato presso la stazione di pompa e programmarlo per catturare ogni giorno un campione composito acqua durante gli eventi di drenaggio.
    Nota: Il campionatore ISCO è piumato ai serbatoi di raccolta utilizzando tubi deviato attraverso un datalogger che preleva un campione di 2 L ogni 2 min fino a 400 L.
  3. Volumi che programma campione per consentire un massimo di 30 campioni per 24h scaricano periodo.
    1. Programma datalogger per raccogliere campioni di composito flow attenendosi alla seguente procedura: inserire programma → programma → campionamento basato sul flusso → impulsi campione ogni 1 → 30 campioni compositi → Volume di campione di 130 mL → Calibra Volume [n] del campione → immettere l'ora di inizio [NO] → programmare la sequenza completa.
  4. Conservare i campioni di composito ponderati per il flusso in un loco in frigorifero a 4 ° C fino alla raccolta e trasporto di nuovo al laboratorio per l'analisi in un secchiello pieno di ghiaccio.
  5. Analizzare i campioni di acqua per P solubile reattiva entro 24 ore dal momento della raccolta del campione. Campioni utilizzati per analisi totale P (TP) possono essere acidificati e conservati a 4 ° C per fino a 28 giorni 15.

3. Acquisizione di particolato sospeso

  1. posto una serie di due 200 L PVC vasche di sedimentazione per raccogliere l'acqua di scarico di fattoria canale nel corso della durata del periodo di drenaggio per catturare e caratterizzare le particelle in sospensione.
    1. Programma il datalogger per raccogliere le particelle in sospensione campioni attenendosi alla seguente procedura: programma → campionamento basato sul tempo → assaggiare ogni 2 min → campioni compositi [200] → calibrare il Volume di campione [NO] → immettere Start Time [NO] → Sequenza completa → pulsante campionamento.
  2. Raccogliere ponderati per il flusso di drenaggio acqua nelle vasche di impostazione (2 L ogni 2 min) basato sul volume d'acqua durante un periodo di raccolta di 24 h.

Figure 2
Figura 2: due 200 L serbatoi utilizzati per raccogliere l'acqua di drenaggio. Particelle in sospensione vengono trasferiti in cinque-gallone secchi e trasferirsi fuori nella parte inferiore del serbatoio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. sifone l'acqua in eccesso utilizzando tubi flessibili come particelle iniziano a stabilirsi nei serbatoi.
  2. Di trasferimento del particolato in cinque-gallone secchi, li trasportano al laboratorio e metterli in frigorifero a 4 ° C.
  3. Sifone fuori l'acqua in eccesso dopo assestamento per 24 h e trasferire il particolato in coni di sedimentazione Imhoff.
  4. Dopo assestamento per almeno 1 h, sifone l'acqua in eccesso, un'ultima volta prima di particelle depositate vengono trasferite in vasetti di pre-pesati 500 mL tappo a vite per la conservazione a 4 ° C.
  5. Pesare vasetti con campioni di particolato.
  6. Procedere con analisi di frazionamento di fosforo come descritto da Hedley e Stewart 14.

Figure 3
Figura 3: Imhoff sedimentazione coni utilizzati per raccogliere il particelle in sospensione catturati nella vasca di sedimentazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Representative Results

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Il metodo descritto in questo studio ci permette di catturare acqua e particolato che si sta scaricando durante eventi di pompaggio nei canali di aziende agricole. L'acqua e le particelle che vengono raccolti sono ponderati per il flusso, il che significa che essi siano rappresentativi di tutta la durata dell'evento pompaggio e non solo un'istantanea di un tempo; che lo rende altamente rappresentativo del tipo di materiale che è scaricato. L'acqua e le particelle in sospensione possono essere salvati per essere analizzato per vari parametri fisici e chimici. In questo articolo, abbiamo riassunto alcune delle proprietà del particolato sospeso da tre canali, aziende agricole in CEA. Alcune delle analisi fisico-chimiche del particolato suggeriscono che essi sono altamente biologici, con bassa massa volumica e sono ricchi di nutrienti come P 11. La densità di massa del particolato ha variato fra 0,08 g cm-3 a 0,11 g cm-3. La composizione della materia organica ha variata fra 55-77% e le concentrazioni di TP ha variate fra 2.173 mg kg-1 di 2.548 mg kg-1 (Figura 4). La qualità delle acque e sedimenti sospesi nei canali di fattoria sono altamente rappresentativo del tipo di terreno e circostante terreno-uso pratiche. All'interno dell'EAA i terreni sono altamente organici, > 50% di materiale organico (OM), e quindi non è sorprendente che le particelle in sospensione contengono alta om I particolati sono composti da materia vegetale morta acquatica (detritico), conosciuta per contenere ad alta concentrazione di P16. La densità di massa bassa osservata nelle particelle in sospensione è direttamente correlata al più alto contenuto di OM.

Figure 4
Figura 4: Densità (g cm-3), la materia organica (%) e la concentrazione di fosforo totale (mg kg-1) di massa del particolato raccolto dai canali fattoria. Barre di errore corrispondono alla deviazione standard. Modificato da Bhadha et al. 16 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

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Autocampionatori per raccolta del particolato sono stati collocati vicino l'uscita dell'acqua di drenaggio pompa stazione datalogger. Energia elettrica era fornita da batterie da 12 V che pagano da pannelli solari. I campionatori sono stati controllati dal datalogger in loco, che acceso gli autocampionatori quando le pompe di uscita ha funzionato e disattivate quando smise di pompaggio. Aperture di linee di aspirazione del campionatore sono state posizionate 0,5 m sopra il fondo del canale e upflow dalla stazione di pompaggio. Le linee di aspirazione sono state tenute in posizione mediante l'installazione di un controllo rebar in metallo nella parte inferiore del canale e zip legando la linea di aspirazione per le armature. Sono stati raccolti campioni di 2L in 200 L ogni 3 minuti al giorno sono stati raccolti campioni di vasche di decantazione. Nel campo, la maggior parte dell'acqua campionata è stato rimosso dai tamburi utilizzando una pompa di aspirazione portatile. Acqua/sedimento che risiedono era poi collocato in 26 L secchi con coperchi e siamo tornato alla stazione di ricerca dove sono stati collocati nei frigoriferi. Il giorno seguente, acqua supplementare è stato rimosso usando pompe di aspirazione di laboratorio.

È importante che quando sifonamento particolati per evitare la rimozione sospesa particelle per quanto possibile. A tale scopo, aggiungere un puntale all'estremità del tubo e prestare attenzione a mantenere la punta vicino alla superficie dell'acqua. È normale avere lasciato nel campione quando si ripone l'acqua in eccesso. Conoscere il contenuto di umidità vi permetterà per la stima equivalente peso secco del campione, e mantenere misure di tutti i contenitori con e senza campione e solventi aiuta a tracciare l'accuratezza della procedura sperimentale.

La novità di utilizzare questa procedura per raccogliere l'acqua di drenaggio è che permette di catturare ponderati per il flusso di scarico acqua al contrario di campionamento di gru a benna. Un campione di acqua di flusso-ponderato è più rappresentativa di un evento, perché è un campione composito di numerosi sottocampioni nel tempo; considerando che un campione di gru a benna è semplicemente un singolo campione che potrebbe non essere rappresentativi dell'evento intero drenaggio. Metodo di campionamento flusso-weighted descritto in questo studio funziona per la raccolta di eventi discreti drenaggio perché si può programmare il campionatore automatico per soddisfare i loro obiettivi desiderati. Ad esempio, il campionatore automatico può essere programmato per raccogliere il sub-campione 30 mL di acqua per ogni ora che la pompa è in funzione. O il campione ponderati per il flusso d'acqua può essere programmato per raccogliere il sub-campione 30 mL di acqua dopo un costante volume incrementale di scarico passa il campionatore. Ogni campione di flusso-weighted è presupposto per rappresentare la concentrazione di inquinante medio per l'intero volume incrementale dell'acqua a cui corrisponde. Questo metodo permette di misurare con precisione le concentrazioni di inquinanti, anche se le concentrazioni dovessero cambiare irregolarmente. Il vantaggio di flusso-weighted campioni è tale sommatoria dei carichi calcoli vengono semplificati e presunto per essere più precisi, perché il volume di scarico è costante per ogni campione rappresentativo. Ha aggiunto un altro vantaggio di questo metodo è che conserva l'esempio quotidiano ponderati per il flusso dell'acqua a 4 ° C in condizioni refrigerate.

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Disclosures

Non ci sono nessun divulgazioni associati a questo studio.

Acknowledgments

Desideriamo ringraziare Johnny Mosley per aiuto con campionamento di campo e Viviana Nadal, Pablo Vital e Irina Ognevich per aiuto con analisi di laboratorio.

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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