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Environment

Capturando o fluxo ponderado água e partículas em suspensa de canais agrícolas durante eventos de drenagem

doi: 10.3791/56088 Published: November 7, 2017

Summary

Nutrientes presentes em forma de partículas podem contribuir significativamente para as globais cargas nas águas de drenagem agrícola. Este estudo descreve um romance método para capturar ponderada fluxo de água e partículas em suspensa da fazenda canal de drenagem durante toda a duração do evento a drenagem.

Abstract

O objetivo deste estudo é descrever os métodos utilizados para captação de água de fluxo ponderado e partículas em suspensa dos canais da fazenda durante a drenagem de descarga eventos. Fazenda de canais podem ser enriquecidas por nutrientes como fósforo (P) que são suscetíveis aos transportes. Fósforo na forma de partículas em suspensa pode contribuir significativamente para as globais cargas de P na água de drenagem. Realizou-se um experimento de tanque de decantação para capturar partículas em suspensa durante eventos de drenagem discreta. Fazenda água de descarga de canal foi coletada em uma série de dois tanques de decantação de 200 L durante toda a duração do evento a drenagem, a fim de representar uma sub-amostra composta da água sendo descarregada. Cones de sedimentação de Imhoff, finalmente, são usados para ajustar para fora as partículas em suspensa. Isto é conseguido por sifão a água dos tanques de decantação através dos cones. Então, as partículas são coletadas para análises físico-químicas.

Introduction

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O destino e o transporte de partículas em suspensa tem sido objecto de numerosos estudos devido ao seu papel na eutrofização, particularmente em sistemas agrícolas1,2. Uma avaliação abrangente dos nutrientes contidos na matéria particulada dentro de um sistema aquático é necessária investigar inúmeras questões ambientais tais como, a ciclagem interna de nutrientes e liberar a sobrejacente água coluna3, estabilidade de substrato, disponibilidade de luz dentro da coluna de água e eventualmente as preocupações de qualidade de água para os ecossistemas a jusante4. A quantidade de fósforo (P), armazenada sob a forma de partículas (matéria orgânica ou sedimentos) é normalmente maior que o de coluna de água5. Um estudo conduzido por Kenney et al. 6 mostrou que sedimentos recentes que foram depositados no lago Lochloosa, Florida foram entre a faixa etária de 1900 e 2006. Estes sedimentos mais jovens continham P quase 55 vezes mais do que isso, que estava presente na coluna de água. Uma abordagem para caracterizar o impacto potencial que as partículas podem ter sobre um determinado sistema é realizar um inventário quantitativo de fósforo armazenado no sedimento descarregado durante eventos de drenagem. Coleta e análise destas partículas descarregadas podem ajudar a estimar os impactos a jusante enriquecimento de nutrientes em ecossistemas sensíveis.

Eventos de tempestade normalmente representam uma pequena fração de tempo, no entanto, podem contribuir a maioria dos P carga descarga na drenagem de fazenda. Isso ocorre porque a fim de impedir a inundação de campos, um grande volume de água é drenado durante curtos períodos de tempo. Taxas de fluxo e a intensidade de precipitação são vitais fatores que podem controlar a concentração de sedimentos suspensos no segundo turno por terra7de condução. Projetar métodos de monitoramento que capta as amostras de água composto de fluxo ponderado ajudaria a evitar erros associados a eventos de chuva de complexos, de alta intensidade. Durante eventos de descarga de alta como tempestades, as mudanças rápidas e drásticas em concentrações podem não ser representativa da concentração média de poluentes para o volume incremental. Portanto, amostras de água de fluxo ponderado com muito mais precisão representa a concentração de um evento de descarga conforme é um somatório de cargas ao longo de um período de tempo8. As amostras de fluxo ponderado mais comuns são automaticamente coletadas amostras discretas ou compostas. Capturando as partículas em suspensa exportadas da fazenda drenagem durante a descarga nos permite quantificar a severidade do evento na carga P. O método descrito neste estudo ajuda captura as partículas que mais tarde podem ser caracterizadas por várias propriedades físicas e químicas. A novidade da descarga de drenagem usando um método de fluxo contínuo composto versus garra amostragem de amostragem é que é uma melhor representação das condições de campo durante toda a duração do evento a drenagem. Considerando que, a amostragem de garra é um "instantâneo" em tempo e talvez não totalmente representam o efeito de todo o evento.

A área agrícola de Everglades (CEA) no sul da Flórida, Estados Unidos da América é uma grande extensão de Everglades originais que foi canalizado e drenado para o cultivo, desenvolvimento comercial e residencial. Quase 1100 milhões de m3 de água é descarregada anualmente e através da CEA ao sul e sudeste9. Os solos nas CEA são Histosols que geralmente contêm mais 85% orgânico importa em peso e têm menos de 35% de conteúdo mineral10. Canal de sedimentos geralmente têm baixa densidade (entre 0,14 g cm-3 para 0,35 g cm-3), teor de matéria orgânica elevada (entre 31-35%) e valores de P Total (TP), que variam entre 726-1,089 mg kg-1 11.

Para fins desta demonstração, foi selecionada uma fazenda dentro de CEA. O hydroscape de como a água flui dentro CEA depende de bombas e gravidade. Cada exploração agrícola em CEA compreende pelo menos um canal principal e várias valas de campo. O campo das valas execução perpendicular ao canal principal. As bombas normalmente servem um propósito duplo; Eles entregam água de irrigação para a fazenda e também água de drenagem para fora do local de descarga. Quando os campos precisam ser drenados, água no canal principal é abaixada, e para as valas, impulsionadas por um gradiente hidráulico drena a água do campo. Devido a apenas uma leve inclinação na superfície maior parte da precipitação que ocorre sobre os fluxos de campos através do perfil do solo em trânsito para o campo das valas.  Durante a irrigação, o sistema é invertido. Não há nenhuma rede de drenagem de telha no CEA. O lençol freático é mantido a uma altura específica devido a uma camada confinando de subalterno de rocha de calcário dos solos.  É trazer água através dos canais principais; valas de campo são preenchidas, e água é permitida para infiltrar-se no perfil do solo para elevar os níveis do lençol freático nos campos. Normalmente, as demandas por água de irrigação nas CEA ocorrem durante março, abril e maio (estação seca), com muito pouca descarga de drenagem. Em contraste, o volume de água descarregado entre junho e outubro (estação chuvosa) é significativamente maior. A presença de canal banco bermas e valas permite o escoamento de superfície mínimo como uma fonte potencial de carga P em fazenda canais12.

Esta experiência visual, apresentamos um novo método de capturar fluxo ponderado as partículas em suspensa durante eventos de drenagem que podem ser usados mais tarde para a caracterização físico-químicas tais como densidade, teor de matéria orgânica e fracionamento P13 ,14.

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Protocol

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1. Datalogger instalação e funcionamento

  1. identificar uma fazenda de estudo e instalar um datalogger que aciona um mostruário para coletar amostras de fluxo composto numa base proporcional de fluxo, que requer monitorização de níveis de canal, revoluções de cabeça de bomba e a equação de calibração bomba.

Figure 1
Figura 1: amostrador ISCO usado para o programa autoamostragem procedimentos para a água de drenagem composto e as partículas de água amostragem. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. monitorizar os níveis de canal fazenda usando transdutores de pressão instalados nos canais de entrada e saída ao lado da estação de bomba.
  2. Bomba de monitor de velocidade usando os interruptores de proximidade são instalados sobre as cabeças de bomba; velocidade é gravada pelo datalogger em rotações por minuto (rpm).
    Nota: Interruptores de proximidade são pedaços de metal que, quando passou por cima do outro contagem o número de rotações. Eles são soldados sobre as cabeças de bomba.
  3. Precipitação medida usando uma derrubada da cubeta pluviômetro que está conectado para o datalogger.
    Nota: O datalogger se comunica pelo rádio telemetria para uma estação de rádio base, localizada no centro de educação e pesquisa de Everglades UF/IFAS. Telemetria não é necessária para controlar a coleta de amostra, apenas para coleta de dados e armazenamento.

2. Amostragem de água de fluxo ponderado de drenagem

  1. fluxo de drenagem calcular usando um datalogger e uma equação de calibração da bomba para cada bomba. Amostragem de fluxo ponderado de drenagem é conseguida por um mostruário que é accionado pelo datalogger, depois que um volume de drenagem do gatilho é alcançado.
    Nota: As taxas de velocidade e fluxo da bomba variam mais de 24 h. A amostragem de ISCO é desencadeada pelo volume de água descarregada, não a taxa. O mostruário está programado para coletar uma amostra de sub, depois que um volume fixo de água de descarga. O volume de descarga de água é calibrado com base no número de rotações da bomba.
  2. Coletar uma amostra de água composta (mínimo de 500 mL) usando um em situ automatizado amostrador localizado na estação de bomba e programá-lo para capturar uma amostra de água composta diária durante eventos de drenagem.
    Nota: O sampler ISCO é plumas para os tanques de coleta usando tubos desviado através de um datalogger que leva uma amostra de 2 L a cada 2 min até 400 L.
  3. Período de descarga volumes de desencadeamento de amostra de programa para permitir um máximo de 30 amostras por 24 h.
    1. Programa o datalogger para coletar amostras de fluxo composto seguindo estas etapas: programa Enter → programa → fluxo com base em amostragem → amostra cada 1 pulsos → 30 amostras compostas → Volume de amostra de 130 mL → calibrar Amostra Volume [n] → digite a hora de início [n] → sequência completa do programa.
  4. Armazenar as amostras compostas fluxo ponderado em um frigorífico no local a 4 ° C até coleta e transporte de volta para o laboratório para análises em um refrigerador cheio de gelo.
  5. Analisar as amostras de água para P reativa solúvel dentro de 24 horas desde o momento da coleta de amostra. Amostras utilizadas para análise de P Total (TP) podem ser acidificadas e armazenadas a 4 ° C por até 28 dias 15.

3. Capturando as partículas em suspensão

  1. colocar uma série de PVC 200 L dois tanques de decantação para coletar água de descarga do canal de exploração ao longo da duração do período de drenagem para capturar e caracterizar as partículas em suspensa.
    1. Programa para o datalogger para coletar as partículas em suspensa amostras seguindo estas etapas: programa → tempo com base em amostragem → cada 2 min da amostra → amostras compostas [200] → calibrar o Volume de amostra [n] → digite Start Time [n] → Sequência completa → botão amostragem.
  2. Colete a água de drenagem fluxo ponderado nos tanques de configuração (2L cada 2min) com base no volume de água ao longo de um período de coleta de 24 h.

Figure 2
Figura 2: dois 200 L tanques usados para coletar a água de drenagem. As partículas em suspensa resolver para fora na parte inferior do tanque e são transferidas em baldes de 5 galões. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. desviar o excesso de água usando mangueiras como partículas começam a se estabelecer em tanques de.
  2. Transferir as partículas em baldes de 5 galões, transportá-los para o laboratório e colocá-los em geladeira a 4 ° C.
  3. Sifão fora o excesso de água após 24h a contentar e transferir as partículas em cones de sedimentação de Imhoff.
  4. Depois de se contentar com pelo menos 1 h, sifão fora o excesso de água, uma última vez antes de que se estabeleceram as partículas são transferidas para frascos de parafuso-top 500ml pré-pesados para armazenamento em 4 ° C.
  5. Pesa frascos com amostras de partículas.
  6. Prosseguir com as análises de fracionamento de fósforo, conforme descrito por Hedley e Stewart 14.

Figure 3
Figura 3: Imhoff, fixando-se cones usados para coletar a partículas em suspensa, capturadas no tanque de decantação. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Representative Results

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O método descrito neste estudo nos permite capturar água e partículas em suspensão que está sendo descarregada durante eventos de bombeamento em canais de fazendas. A água e partículas, que são coletadas são fluxo ponderado, o que significa que eles são representante de toda a duração do evento bombeamento e não apenas um única vez instantâneo; tornando-se altamente representativo do tipo de material a ser descarregado. A água e as partículas em suspensa podem ser armazenadas para ser analisado por vários parâmetros físicos e químicos. Neste artigo, nós resumiu algumas das propriedades das partículas suspensas de três canais de fazendas dentro da CEA. Algumas das análises físico-químicas das partículas sugerem que eles são altamente orgânicos, com baixa densidade e são ricos em nutrientes, como P. 11. A densidade das partículas variou entre 0,08 g cm-3 para 0,11 g cm-3. A composição da matéria orgânica variou entre 55-77% e as concentrações de TP variou entre 2.173 mg kg-1 de 2.548 mg kg-1 (Figura 4). A qualidade da água e sedimentos suspensos na fazenda canais são altamente representativas do tipo de solo e circundante práticas do uso do solo. Dentro da CEA, os solos são altamente orgânicos, > 50% de material orgânico (OM), e por isso não é surpreendente que as partículas em suspensa contêm alta OM As partículas também são compostas de matéria de planta aquática morto (detrital), conhecida por conter alta concentração de P16. A baixa densidade observada nas partículas em suspensa está directamente relacionada com o maior teor de OM.

Figure 4
Figura 4: Em massa densidade (g cm-3), matéria orgânica (%) e concentração de fósforo total (mg kg-1) das partículas coletadas dos canais fazenda. Barras de erro correspondem ao desvio-padrão. Modificado de Bhadha et al . 16 por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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A Rotating para água de drenagem, coleta de partículas foram colocados perto da saída da bomba estação dataloggers. Alimentação era fornecida por baterias de 12 V que são carregadas por painéis solares. A Rotating eram controladas pelos dataloggers de no local, que transformou a Rotating quando as bombas de saída correu e lhes desligado quando parou de bombear. As aberturas das linhas de entrada de amostra foram posicionadas 0,5 m acima do fundo do canal e upflow da estação de bomba. As linhas de entrada realizaram-se no lugar, instalando um vergalhão de metal para o fundo do canal e zip amarrando a linha de entrada para o rebar. Amostras de 2 L foram coletadas para a 200L, fixando-se tanques cada 3 min. as amostras foram coletadas diariamente. No campo, a maioria da água amostrada foi retirada a bateria utilizando uma bomba de sucção portátil. Água/sedimento residente foi então colocado em 26 L baldes com tampas e retornou à estação de pesquisa, onde eles foram colocados em geladeiras. No dia seguinte, a água adicional foi removida usando bombas de sucção de laboratório.

É importante que quando partículas para evitar a remoção de sifonagem suspenso partículas tanto quanto possível. Para fazer isso, adicione uma ponta de pipeta para a extremidade da mangueira e ter cuidado para manter a ponta perto da superfície da água. É normal ter deixado na amostra quando guardar o excesso de água. Sabendo o conteúdo de umidade vai permitir a estimativa equivalente de peso seco da amostra, e manter as medições de todos os recipientes com e sem amostra e extractants ajudará a controlar a precisão do procedimento experimental.

A novidade de usar este procedimento para coletar a água de drenagem é que permite a captação de água de descarga de fluxo ponderado em oposição a amostragem de garra. Uma amostra de água de fluxo ponderado é mais um representante de um evento, porque é uma amostra composta de numerosos sub amostras ao longo do tempo; Considerando que uma amostra de garra é simplesmente uma única amostra que pode não ser representativa do evento inteiro de drenagem. Método de amostragem fluxo ponderado descrito neste estudo trabalha para coletar eventos de drenagem discreta porque um pode programar o amostrador automático para atender seus objetivos desejados. Por exemplo, o amostrador automático pode ser programado para coletar subamostra de 30 mL de água a cada hora que a bomba está funcionando. Ou a amostra de água de fluxo-a ponderação pode ser programada para coletar subamostra de 30 mL de água, depois um volume incremental constante de descarga passa o sampler. Cada amostra ponderada fluxo presume-se para representar a concentração de poluente média para todo o volume incremental de água ao qual ela corresponde. Este método nos permite medir com precisão as concentrações de poluentes, mesmo que as concentrações foram alterar de forma irregular. A vantagem das amostras de fluxo ponderado é o somatório das cargas, os cálculos são simplificados e presume-se para ser mais exato, porque o volume de descarga é constante para cada amostra representativa. Outro adicionado benefício desse método é que ele preserva a amostra de água de fluxo ponderada diária a 4 ° C em condições refrigeradas.

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Disclosures

Não há nenhum divulgações associadas com este estudo.

Acknowledgments

Gostaríamos de agradecer a Pablo Vital e Johnny Mosley para ajuda com amostragem de campo e Viviana Nadal e Irina Ognevich pela ajuda com as análises de laboratório.

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).
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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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