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Environment

Captura de agua cargada de flujo y las partículas en suspensión de canales agrícolas durante los eventos de drenaje

doi: 10.3791/56088 Published: November 7, 2017

Summary

Nutrientes presentes en forma de partículas pueden contribuir significativamente a las cargas totales en aguas de drenaje agrícola. Este estudio describe un nuevo método para capturar agua cargada de flujo y las partículas en suspensión del drenaje del canal de granja durante toda la duración del evento de drenaje.

Abstract

El propósito de este estudio es describir los métodos utilizados para captar agua cargada de flujo y las partículas en suspensión de canales de la granja durante el drenaje descargan eventos. Granja canales pueden ser enriquecidas por los nutrientes como el fósforo (P) que sean susceptibles de transporte. Fósforo en la forma de las partículas en suspensión puede contribuir considerablemente a la carga P total en agua de drenaje. Se realizó un experimento de tanque de sedimentación para capturar las partículas en suspensión durante los eventos discretos de drenaje. Finca canal descarga agua fue recogida en una serie de dos tanques de sedimentación de 200 L durante toda la duración del evento de drenaje, con el fin de representar una submuestra compuesta de agua siendo descargada. Conos de sedimentación Imhoff en última instancia se utilizan para las partículas en suspensión se sedimentan. Esto se logra por el sifón agua de los tanques de sedimentación a través de los conos. Las partículas entonces se recogen para Análisis fisico-químicos.

Introduction

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El destino y transporte de las partículas en suspensión ha sido objeto de numerosos estudios debido a su papel en la eutrofización, particularmente en los sistemas agrícolas1,2. Una evaluación completa de los nutrientes contenidos en partículas dentro de un sistema acuático es necesaria investigar numerosos problemas ambientales tales como, el ciclo interno de nutrientes y liberar al sobrepuesta agua columna3, estabilidad del sustrato, disponibilidad de luz dentro de la columna de agua y eventualmente preocupaciones de calidad de agua a los ecosistemas aguas abajo4. La cantidad de fósforo (P) almacenada en la forma de partículas (materia orgánica o sedimentos) es mayor que en la columna de agua5. Un estudio realizado por Kenney et al. 6 demostró que recientes sedimentos que fueron depositados en el lago Lochloosa, Florida entre el rango de edad de 1900 y el 2006. Estos sedimentos más jóvenes contienen P casi 55 veces más que el que estaba presente en la columna de agua. Un enfoque para caracterizar el impacto potencial que pueden tener las partículas en un sistema en particular es para llevar a cabo un inventario cuantitativo de fósforo almacenado en los sedimentos descargados durante eventos de drenaje. Recopilación y análisis de estas partículas descargadas pueden ayudar a estimar impactos aguas abajo enriquecimiento de nutrientes en ecosistemas sensibles.

Tormentas normalmente representan una pequeña fracción de tiempo, sin embargo, pueden contribuir a la mayoría de P carga descarga de drenaje de la granja. Esto es porque para evitar los campos de las inundaciones, un gran volumen de agua se drena durante cortos períodos de tiempo. Tasas de intensidad y flujo de lluvias están vitales manejar factores que pueden controlar la concentración de sedimentos en la escorrentía terrestre7. Diseño de métodos de monitoreo que recoge muestras de flujo ponderado compuesto agua ayudaría a evitar errores asociados con acontecimientos complejos, alta intensidad de la lluvia. Durante eventos de alta descarga como las tormentas, los cambios rápidos y drásticos en las concentraciones pueden no ser representante de la concentración de contaminantes promedio para el volumen incremental. Por lo tanto, las muestras de agua de flujo ponderado mucho más fielmente representa la concentración de un evento de descarga ya que es una sumatoria de cargas durante un periodo de tiempo de8. Las muestras más comunes de flujo ponderado son recogidas automáticamente muestras discretas o compuestas. Capturando las partículas en suspensión exportadas de granja de drenaje durante la descarga nos permite cuantificar la severidad del evento de carga P. El método había descrito en este estudio ayuda a capturar las partículas que más tarde se caracteriza por varias propiedades físicas y químicas. La novedad de descarga de drenaje usando un método de flujo continuo compuesto versus grab muestreo de muestreo es una mejor representación de las condiciones de campo durante toda la duración del evento de drenaje. Mientras que, muestreo de cuchara es una "instantánea" en el tiempo y no puede totalmente representa el efecto de todo el evento.

El área agrícola de Everglades (EAA) del sur de Florida, Estados Unidos es una gran extensión de los Everglades originales que fue canalizado y drenada para la agricultura, desarrollo comercial y residencial. Casi 1100 millones de m3 de agua se descargan anualmente desde y a través de la AAE hacia el sur y sureste9. Los suelos en la EAA son Histosoles que comúnmente contienen sobre 85% orgánico materia por peso y tienen menos de 35% de contenido mineral10. Sedimentos del canal tienen baja densidad (entre 0,14 g cm-3 a 0,35 g cm-3), contenido alto de materia orgánica (entre 31-35%) y los valores de P Total (TP) entre 726-1,089 mg kg-1 11.

Con el propósito de esta demostración, fue seleccionada una granja dentro de la EAA. El hydroscape de cómo el agua fluye dentro de la EAA depende de bombas y la gravedad. Cada finca en el EAA consta en al menos un canal principal y varias zanjas de campo. El campo de zanjas ejecución perpendicular al canal principal. Las bombas suelen servir un propósito doble; suministrar agua de riego a la finca y también descarga de agua fuera del sitio. Cuando los campos necesitan ser drenados, se baja el agua en el canal principal, y vaciar el agua del campo en las zanjas, conducidas por un gradiente hidráulico. Por sólo una ligera pendiente en la mayor parte superficial de la precipitación que se produce en el campo atraviesa el perfil del suelo durante el transporte al campo de zanjas.  Durante el riego, el sistema se invierte. No existe red de drenaje del azulejo en la EAA. La tabla de agua se mantiene a una altura específica debido a una capa confinante de subordinado de roca caliza a los suelos.  Agua es traída a través de los canales principales; se llenan las zanjas del campo y agua puede filtrarse el perfil del suelo para elevar los niveles de agua en los campos. Por lo general, las demandas de agua de riego en la EAA ocurren durante marzo, abril y mayo (época seca), con muy poca descarga de drenaje. En contraste, el volumen de agua están dados de alta entre junio y octubre (estación lluviosa) es significativamente mayor. La presencia de canal Banco bermas y cunetas permite un mínimo escurrimiento superficial como una fuente potencial de la carga P en granja canales12.

En este experimento visual, presentamos un novedoso método de capturar las partículas en suspensión cargada de flujo durante eventos de drenaje que posteriormente pueden ser utilizados para la caracterización físico-química como densidad aparente, contenido de materia orgánica y fraccionamiento de P13 ,14.

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Protocol

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1. registrador de datos de instalación y funcionamiento

  1. identificar una granja estudio e instalar un datalogger que desencadena un automuestreador para recolectar muestras de flujo compuesto sobre una base proporcional de flujo, que requiere vigilancia de niveles de canal, revoluciones cabezal de bomba y la ecuación de calibración de la bomba.

Figure 1
figura 1: sampler CIUO utilizada programa auto-muestreo procedimientos para el agua de drenaje y las partículas del agua muestreo. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. monitorizar los niveles de canal granja utilizando transductores de presión instalados en los canales de entrada y salida junto a la estación de bomba.
  2. Bomba de monitor de velocidad usando interruptores de proximidad que se instalan en las cabezas de bomba, velocidad es registrada por el datalogger en revoluciones por minuto (rpm).
    Nota: Los interruptores de proximidad son piezas de metal que cuando pasa sobre la otra cuenta el número de revoluciones. Se sueldan con autógena en las cabezas de la bomba.
  3. Precipitación medida mediante un vuelco cubo pluviómetro que está conectado el registrador de datos.
    Nota: El registrador comunica por telemetría de radio a una estación de radio base ubicada en UF/IFAS Everglades centro de investigación y educación. Telemetría no es necesaria para controlar la recogida de la muestra, sólo para almacenamiento y recolección de datos.

2. Drenaje ponderado por el flujo de muestreo de agua

  1. calcular flujo de drenaje utilizando un datalogger y una ecuación de calibración de la bomba para cada bomba. Muestreo ponderado por el flujo de drenaje se consigue mediante un muestreador automático que se acciona mediante el registrador de datos después de un volumen de drenaje gatillo.
    Nota: Las tasas de velocidad y flujo de la bomba varían más de 24 h. El muestreo de la CIUO es accionado por el volumen de agua descargada, no la tasa. El inyector automático está programado para recoger una submuestra después del alta de un volumen fijo de agua. El volumen de descarga del agua está calibrado basado en el número de revoluciones de la bomba.
  2. Recoge una muestra compuesta de agua (mínimo 500 mL) usando una en situ automatizado muestreador situada en la estación de bombeo y programarlo para capturar una muestra compuesta de agua diario durante eventos drenaje.
    Nota: El sampler de la CIUO es plumas a los tanques de colección usando tubos desviados a través de un datalogger que toma una muestra de 2 L cada 2 min hasta 400 L.
  3. Volúmenes de activación muestra de programa para permitir un máximo de 30 muestras por 24 h período de descarga.
    1. Programa el datalogger para recolectar muestras de flujo compuesto siguiendo estos pasos: entrar en programa → programa → flujo base de muestreo → pulsos muestra cada 1 → 30 muestras compuestas → volumen de muestra de 130 mL → calibrar Muestra volumen [NO] → ingresar hora de inicio [NO] → secuencia completa del programa.
  4. Almacenar las muestras compuestas de flujo ponderado en un refrigerador en el sitio a 4 ° C hasta que la recogida y el transporte hacia el laboratorio para los análisis en un refrigerador lleno de hielo.
  5. Analizar las muestras de agua de P soluble reactivo dentro de 24 h desde el momento de la recogida de muestras. Las muestras utilizadas para el análisis de P Total (TP) pueden ser acidificadas y almacenadas a 4 ° C por hasta 28 días 15.

3. Captura de partículas suspendidas

  1. colocar una serie de dos tanques decantación de PVC de 200 L para recoger el agua de descarga de canal granja sobre la duración del periodo de drenaje para captar y caracterizar las partículas en suspensión.
    1. Programa el datalogger para recoger las partículas en suspensión muestras siguiendo estos pasos: programa → muestreo basado en tiempo → muestra cada 2 minutos → muestras compuestas [200] → calibrar el volumen de muestra [NO] → hora de inicio de entrar en [NO] → Secuencia completa → muestreo botón.
  2. Recoger ponderado por el flujo de agua en los tanques del ajuste (2 L cada 2 min) basado en el volumen de agua durante un período de colección de 24 h.

Figure 2
figura 2: dos 200 L termos para recoger el drenaje de agua. Las partículas en suspensión sedimentan en el fondo del tanque y se transfieren en cubetas de cinco galones. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. sifón apagado el exceso de agua con las mangueras como las partículas comienzan a asentarse en los tanques de.
  2. Transferencia de las partículas en baldes de cinco galones, transporte a laboratorio y ponerlos en el refrigerador a 4 ° C.
  3. Sifón apagado el exceso de agua después de colocar durante 24 h y transfiera las partículas a colocar conos Imhoff.
  4. Después de colocar al menos 1 h, succionar el exceso de agua una última vez antes de transfieren las partículas colocadas en frascos de tapa de rosca de 500 mL previamente pesado para el almacenamiento a 4 ° C.
  5. Pesar los frascos con las muestras de partículas.
  6. Proceder con los análisis de fraccionamiento de fósforo según lo descrito por Hedley y Stewart 14.

Figure 3
figura 3: Imhoff colocar conos utilizados para recoger la partículas en suspensión en el tanque de clarificación. por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Representative Results

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El método descrito en este estudio nos permite captar agua y partículas que se está descargando durante el bombeo eventos en canales de granjas. El agua y las partículas que se recogen son flujo ponderado, lo que significa que son representante de toda la duración del evento bombeo y no sólo una instantánea de una vez; lo que es muy representativo del tipo de material que se descargue. El agua y las partículas en suspensión pueden almacenarse para análisis diversos parámetros físicos y químicos. En este artículo, resumimos algunas de las propiedades de las partículas en suspensión de tres canales de granjas dentro de la EAA. Algunos de los análisis fisico-químicos de partículas sugieren que son altamente orgánicos, con baja densidad y son ricos en nutrientes como P 11. La densidad de las partículas oscilado entre 0,08 g cm-3 a 0,11 g cm-3. La composición de materia orgánica varió entre 55-77% y las concentraciones de TP varió de 2.173 mg kg-1 a 2.548 mg kg-1 (figura 4). La calidad de agua y sedimentos en canales de granja son altamente representativo del tipo de suelo y sus alrededores las prácticas de uso del suelo. Dentro de la AAE los suelos son altamente orgánicos, > 50% de materia orgánica (MO), y por lo que no es de extrañar que las partículas en suspensión contienen alto OM. Las partículas también están compuestas de materia de la planta acuática muerta (Detritus), sabida que contienen alta concentración de P16. La baja densidad observada en las partículas en suspensión está directamente relacionada con el mayor contenido de Mo.

Figure 4
Figura 4: a granel de densidad (g cm-3), materia orgánica (%) y concentración de fósforo total (mg kg-1) de las partículas recogidas de los canales de la granja. Barras de error corresponden a la desviación estándar. Modificado de Bhadha et al. 16 haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

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Los muestreadores automáticos de agua colección partículas fueron colocados cerca de la salida de la bomba datalogger de la estación. La energía fue suministrada por baterías de 12 V que se cargan con paneles solares. Los muestreadores automáticos fueron controlados por los registradores de datos in situ, que enciende los muestreadores automáticos cuando corrieran las bombas de salida y vuelta apagado cuando dejó de bombear. Las aberturas de las líneas de toma de muestras se colocaron 0,5 m por encima de la parte inferior de la canal y el flujo ascendente de la estación de bombeo. Las líneas de entrada se mantiene en su lugar instalando una varilla metálica en la parte inferior de la canal y atar la línea de entrada a la varilla de la cremallera. Se recolectaron muestras de 2 L en el L 200 colocar tanques cada 3 minutos se tomaron muestras cada día. En el campo, la mayoría de las aguas muestreadas fue quitada de los tambores mediante una bomba de aspiración portátil. El agua y los sedimentos que residía fue colocado en cubetas de 26 L con tapas y regresó a la estación de investigación donde se colocaron en refrigeradores. Al día siguiente, agua adicional fue quitado usando bombas de succión de laboratorio.

Es importante que cuando sifón partículas para evitar eliminar tanto como sea posible de partículas en suspensión. Para ello, añadir una punta de pipeta para el extremo de la manguera y tenga cuidado de mantener la punta cerca de la superficie del agua. Es normal tener exceso de agua en la muestra cuando la guarde. Conocer el contenido de humedad permitirá una estimación equivalente del peso seco de la muestra, y mantener las medidas de todos los contenedores con y sin muestra y solventes de extracción le ayudará a rastrear la exactitud del procedimiento experimental.

La novedad de utilizar este procedimiento para recoger el agua de drenaje es que permite capturar la descarga de flujo de agua en lugar de muestreo del gancho agarrador. Una muestra de agua de flujo ponderado es más representativo de un evento, ya que es una muestra compuesta de numerosas muestras en el tiempo. mientras que una muestra del gancho agarrador es simplemente una sola muestra puede no ser representante del evento drenaje entero. Método de muestreo de flujo ponderado descrito en este estudio trabaja para recoger eventos discretos drenaje porque uno puede programar el dechado del auto para satisfacer sus objetivos deseados. Por ejemplo, el muestreador automático puede programarse para recoger sub-muestras 30 mL de agua por cada hora que la bomba está funcionando. O la muestra de agua de flujo ponderado puede programarse para recoger sub-muestras 30 mL de agua después de un constante volumen incremental de descarga pasa el sampler. Cada muestra de flujo ponderado se supone que representan la concentración de contaminantes promedio para todo el volumen incremental de agua a la que corresponde. Este método nos permite medir con precisión las concentraciones de contaminantes, incluso si las concentraciones a cambio irregular. La ventaja de muestras de flujo ponderado es esa suma de cargas cálculos son simplificados y presume que es más precisa porque el volumen de descarga es constante para cada muestra representativa. Otro añadido beneficio de este método es que conserva la muestra de agua de flujo ponderado diario a 4 ° C en condiciones de refrigeración.

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Disclosures

No hay ninguna divulgación asociados con este estudio.

Acknowledgments

Queremos agradecer a Pablo Vital y Johnny Mosley para ayuda con muestreo de campo y Viviana Nadal y Irina Ognevich ayuda con análisis de 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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