农业流域营养盐和泥沙的连续河道监测

Environment
 

Summary

随着技术的进步和 end-user 期望的提高, 对较高的时间分辨率数据进行污染物负荷估计的需求和使用增加了。本协议描述了一种连续的原位水质监测方法, 以获得更高的时间分辨率数据, 以用于明智的水资源管理决策。

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Aryal, N., Reba, M. L. Continuous Instream Monitoring of Nutrients and Sediment in Agricultural Watersheds. J. Vis. Exp. (127), e56036, doi:10.3791/56036 (2017).

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Abstract

流域的污染物浓度和负荷随时间和空间的不同而变化较大。准确和及时地了解水资源中污染物的大小, 是理解污染物负荷的驱动因素和作出明达的水资源管理决定的先决条件。常用的 "抓取取样" 方法在取样时提供污染物浓度 (即,一个快照浓度), 并可或 overpredict 污染物的浓度和负荷。由于在计算、传感技术和存储设备方面的进步, 对营养物质和沉积物的连续监测最近受到越来越多的关注。此协议演示了传感器、sondes 和仪器的使用, 以连续监视原位硝酸盐、铵、浊度、pH、电导率、温度和溶解氧 (做), 并计算两个流 (沟渠) 中的负载两个农业分水岭。通过对传感器和 sondes 进行适当的校准、维护和操作, 可以通过克服诸如污垢和碎片堆积等具有挑战性的条件来获得良好的水质数据。该方法还可用于各种规模的流域, 并以农业、森林和/或城市土地为特征。

Introduction

水质监测提供有关污染物在不同空间尺度上的浓度的信息, 这取决于贡献面积的大小, 这可以从地块或农田到分水岭。这种监视在一段时间内发生, 例如单个事件、一天、一个季节或一年。监测水质的信息, 主要涉及营养物质 (例如,氮和磷) 和沉积物, 可用于: 1) 了解水文过程和河流中污染物的运输和转化,如农业排水沟;2) 评估应用于流域的管理实践的效率, 以减少养分和泥沙负荷, 提高水质;3) 评估向下游水域输送泥沙和养分的情况;4) 改进养分和沉积物的建模, 以了解水文和水质过程, 确定污染物在时间和空间尺度范围内的迁移和动态。

这些信息对水生生态系统恢复、可持续规划和水资源管理至关重要1

在流域的养分和泥沙监测最常用的方法是抓取取样。抓取采样准确表示采样2时的快照集中。在频繁取样的情况下, 还可以描述污染物浓度随时间的变化。然而, 频繁的采样是时间密集型和昂贵的, 常常使它不切实际的2。此外, 抓取取样可能或高估实际污染物在取样时间外的浓度2,3,4。因此, 使用这种浓度计算的载荷可能不准确。

另外, 连续监测在预定的时间间隔, 如一分钟、一小时或一天, 提供准确和及时的水质信息。用户可以根据需要选择适当的时间间隔。连续监测使研究人员、规划者和管理人员能够优化样本收集;开发和监控 time-integrated 指标, 如总最大日负荷 (TMDLs);评估水体的娱乐性使用;评估基线流条件;并在空间和世俗上评估污染物的变化, 以确定因果关系, 并制定一个管理计划5,6。由于计算和传感器技术的进步、存储设备容量的提高以及研究更复杂过程所需的日益增加的数据要求, 对营养物质和沉积物的持续监测最近得到越来越多的关注1,5,7. 在对超过700水专业人士进行的全球调查中, 多参数 sondes 的使用从2002年的26% 增加到 61%, 到 2012, 预计将在 2022年66%之前达到5。在同一调查中, 72% 的受访者表示需要扩展其监测网络以满足其数据需要5。在 2012年, 监测网络中的监测站数目和每个监测站监测的变数数目预计将分别增加53% 和 64%, 到 2022年5

然而, 农业流域持续的水质和水量监测具有挑战性。大型降雨事件冲走泥沙和植物, 造成高泥沙负荷和碎片堆积在传感器和 sondes。过量氮磷径流在农田中的应用为微观和宏观生物的生长和河道传感器和 sondes 的污染创造了理想的条件, 特别是在夏季。污垢和沉积物堆积会导致传感器失效、漂移和产生不可靠的数据。尽管有这些挑战, 但为了研究径流过程和非点源污染, 需要更精细的时间分辨率 (低至每分钟) 数据, 因为它们受分水岭特性 (例如,大小、土壤、坡度、等) 的影响.) 以及降雨的时间和强度7。仔细的现场观察, 频繁的校准, 适当的清洁和维护, 可以确保来自传感器和 sondes 的高质量数据, 即使在更精细的时间分辨率下。

在这里, 我们讨论了使用多参数水质 sondes、面积速度和压力传感器传感器和 autosamplers 对两个农业分水岭进行连续监测的方法; 其标定和现场维护;和数据处理。该议定书展示了一种可持续水质监测的方法。该议定书一般适用于任何类型或规模的流域的连续水质和数量监测。

该议定书是在阿肯色州东北部的小河流沟盆地 (HUC 080202040803, 53.4 公里2区) 和下 St. 弗朗西斯盆地 (HUC 080202030801, 23.4 公里2地区) 进行的。这两条分水岭流入密西西比河的支流。密西西比河下游保护委员会和墨西哥湾低氧工作队确定了监测密西西比支流的需要, 以制定流域管理计划并记录管理活动的进展情况8,9. 此外, 这些分水岭被美国农业部-自然资源保护局 (USDA-NRCS) 作为重点分水岭, 其基础是减少营养和沉积物污染的潜力, 并改善水质10。Edge-of-field 监测正在这些流域进行, 作为全州密西西比河流域健康流域倡议 (MRBI) 网络11的一部分。在 Aryal 和蕾 (2017)6中提供了更多的流域细节 (站点位置、分水岭特征、)。总之, 小河流沟盆地主要是淤泥质壤土, 棉花和大豆是主要的农作物, 而下 St. 河流域则主要是夏基粘土, 而水稻和大豆是主要的农作物。在每个分水岭,原位连续水量和质量监测 (即,排放温度、pH 值、干度、浊度、电导率、硝酸盐和铵) 在主流使用本议定书的三站进行了解污染物负荷和水文过程的时空变异性。另外, 对悬浮泥沙 co 进行了每周水样的收集和分析ncentration

Protocol

1. 站点选择

  1. 分水岭选择
    1. 选择分水岭 (s) 基于污染问题的严重性、分水岭的优先级、与研究设施的接近度、访问站点和数据目标.
  2. 流取样位置
    1. 根据研究目的选择流取样位置.
      注意: 最佳取样位置在横截面内混合, 安全且易于访问, geophysically 稳定 ( 恒定横截面和支持仪表站外壳的银行), 以及具有代表性的 12 , 13 , 14 。不立即从两个流的汇合处顺流和在一个平直的渠道部分, 没有汇合或分流的渠道横断面, 是更加均匀和代表性的 14 .
    2. 在截面上确定水文和水质测量值以计算负载.
      注: 如果确定流域内养分和沉积物的空间变化, 请选择多个站, 以在整个流域内以潜在的资源为目标.

2。仪器和传感器选择

  1. 选择仪器和传感器来测量流量和水质, 并在预定的时间间隔收集水样。根据数据需求、分水岭和可用资源选择仪器和传感器.
    注意: 理想传感器是可靠、准确、灵敏、精确、低成本的, 适合于流环境, 需要有限的维护和对现场技术员的最少培训 13 。在农业流域, 污垢和碎片堆积是引起关注的最大原因。因此, sondes 配备了自洁和防污功能的首选。
    1. 使用样、sondes、区域速度传感器、压力传感器和便携式流量计.
      注: 探空应该有一个雨刷清洁的浊度传感器和刷子清洁 pH, 铵, 硝酸盐, 并做传感器.
      注: 本协议中的仪器是指由样、软管、过滤器或流量模块和面积速度传感器组成的水取样单元.
  2. 根据数据目标、传感器成本和可用性选择水质参数。测量温度、pH 值、干度、电导率、浊度、铵和硝酸盐每15分钟.
    注: 温度、pH 值、导电性和电导率是最常用的参数, 在地质勘探局测站进行测量, 而硝酸盐、铵和浊度则不常见, 但越来越受欢迎 1 , 14 .
    注意: 数据目标取决于分水岭特征。例如, 与城市流域的磷监测相比, 在农业流域, 氮和磷监测可能更为重要.

3。探空校准和编程

  1. 按照制造商的建议校准探空上的传感器。根据当地的环境条件对校准协议进行必要的修改.
    注: 校准频率取决于传感器暴露的环境。一般来说, 它在 2-4 星期之内。在这里, sondes 的校准每2周在生长季节和每3周在 non-growing 季节 (11月至 4月).
  2. 在实验室中, 在校准前彻底清洁探空。使用软画笔 ( 例如, 牙刷) 和 soap 或通用清洁器清洁传感器表面。用六角形的艾伦键拆卸环行器的雨刷和刷子;清洁雨刷和刷子.
  3. 将电解液倒入 pH 参考电极, 再用新鲜的电解质溶液填充, 并加入氯化钾盐颗粒以保持电解质溶液的导电性。关闭瓶盖, 使其密闭;当瓶盖被拧上时, 一些电解质会溢出。用去离子水冲洗探空.
  4. 在一个坚固的支架上悬挂探空, 使探空的底部在台面上方大约 20-30 厘米, 便于操作。使用通信电缆将探空连接到计算机。启动制造商和 #39 的软件。按 #34; 操作探空和 #34; 进入探空程序.
  5. 设置和 #34;p arameter 设置和 #34; 选项卡上的校准标准的数量。按以下顺序校准传感器: 电导率、pH 值、干度、浊度、硝酸盐和铵.
    注: 校准的顺序是重要的, 因为硝酸盐和铵传感器使用电导率和 pH 值.
    注: 校准标准的数量是2的电导率, 2 或3的 pH 值, 1 做, 2 或4为浊度, 2 为硝酸盐, 2 为铵.
  6. 在向传感器引入标准以防止交叉污染之前, 可多次用 DI 水冲洗传感器, 然后用湿巾将传感器表面干燥.
    注: 在校准每个传感器之前, 请注意传感器读取的值为以下标准: 做, pH 7, 浊度为 DI 和50台台, 硝酸盐为50毫克/升, 和铵为50毫克/升。这些值可用于评估传感器在现场是否准确。它们也可能被谨慎地用来纠正字段值.
  7. 在校准每个传感器 (步骤 3.8-3.13) 后进行标准 #34; 校准成功和 #34; 将出现; 如果校准失败, 请重置传感器并重试。如果传感器仍然无法正常工作, 则耗材可能需要更换, 或者传感器可能需要进行工厂修复.
    注: 重置硝酸盐或铵传感器将重置两个传感器.
  8. 校准电导率传感器使用2点校准; 0 和 #181; s/厘米用于干燥传感器以及标准解决方案的1412和 #181; s/厘米。选择和 #34; SpCond (#181; cm) 和 #34; #34; 校准和 #34; 选项卡。用湿巾将传感器的椭圆形部分完全烘干。进入、#34; 0.0、#34; 进、#181、进、#34; 校准. #34;
    1. 在邮袋中插入标准, 以完全覆盖传感器的椭圆形部分。等待传感器读数稳定 (〜 2-5 分钟), 进入和 #34; 1412 和 #34; 在和 #181; s/厘米, 进入和 #34; 校准. #34; #34; 校准成功和 #34; 将出现;如果校准失败, 请重置传感器并重试.
  9. 使用 ph 值7和 ph 值10标准校准 ph 传感器, 并检查校准的线性度和 ph 值4。在 "校准" 选项卡中, 选择 #34;p h [单位] 和 #34; 在 "标签" 选项卡中插入 ph 值7标准到一个包, 涵盖 ph 和参考电极。等待约5分钟, 它稳定。进入和 #34; 7.0、#34; pH 值, 进入和 #34; 校准. #34;
    1. 冲洗电极, 用湿巾擦干。插入 pH 值10并遵循与 pH 值7相同的程序。插入 pH 值 4, 检查校准曲线的线性度是否满足;校准的传感器应读取4和 #177; 0.2 为 pH 值4.0 标准.
  10. 使用温度稳定、空气、去离子水 (18 米和 #8486;-cm) 作为单点标准校准做传感器。
    1. 选择和 #34; LDO% [Sat] 和 #34; 制表符. 将校准杯用 DI 水填满几乎全部的水平, 然后把杯子放在探空上。倒置探空, 以确保温度传感器和做膜完全被水覆盖.
    2. 等待大约5分钟以稳定读数的饱和度。一旦稳定, 进入和 #34; 100 和 #34; 为百分比饱和。在柱中通过检查当地气象站并进入和 #34; 校准. #34;
      注: DI 水是温度稳定和空气的, 使它至少在实验室中过夜, 以供气体交换,饱和度和温度稳定。气压需要提供, 因为做饱和取决于大气压力除了温度 (由探空本身测量).
    3. 检查缩放系数 (应为 0.5-1.5) 以进行可接受的校准。退出校准程序, 进入终端模式, 使用箭头高亮和 #34; 登入, #34; 按下 #34; 进入. #34; 突出和 #34; 3 级和 #34; 按和 #34; 输入. #34; 突出和 #34; 设置和 #34; 按下 #34; 输入. #34; 突出显示和 #34; 传感器#34; #34; #34; #34;D o 和 #34; 按和 #34; 输入. #34; 强调和 #34;D o% Sat 和 #34; 按和 #34; 输入. #34; 注意缩放系数.
    4. 按 #34; Esc 和 #34; 退出、进入和 #34; 操作探空和 #34; 再次。选择 #34; 校准标签和 #34; 继续校准.
    5. 反转探空并将其挂起, 使传感器面向地面.
  11. 使用4标准校准浊度传感器: DI、50台台、100台台和200台台。选择 #34; 浊度 [NTUs] 和 #34; 选项卡。在校准杯中, 将足够的 DI 水至少覆盖在浊度传感器的底部。让浑浊度读数稳定。输入点和 #34; 1 和 #34; 为 DI 标准, a 和 #34; 0.6 和 #34; 台台浊度值; #34; 校准. #34;
    1. 同样, 校准浊度传感器以用于其他标准。通过均匀化标准防止气泡形成, 使瓶子上下转动 (不要摇动), 并将标准沿杯浇注.
    2. 在校准所有标准后, 检查 DI 和50台台的传感器读数, 查看是否可以接受校准 ( 内和 #177; 1%).
  12. 使用两个标准校准硝酸盐传感器: 高 (50 毫克/升 no 3 --n) 和低 (5 毫克/升无 3 -n)。选择和 #34; 没有 3 - [mg/l-N] 和 #34; 选项卡。
    1. 将50毫克/升标准倒入校准杯, 填满三个季度, 并将杯子放在探空上, 从而进行防水连接。反转探空, 使硝酸盐和温度传感器完全覆盖。等待15分钟 (或直到读数稳定)。一旦稳定, 进入标准水平和 #34; 1 和 #34; 和 #34 的价值; 46.2. #34; 记录温度和 mV 读数在笔记本上。输入和 #34; 校准. 和 #34;
      注意: 除电导率和 pH 传感器外, 硝酸盐传感器还使用温度传感器.
    2. 用 DI 水冲洗传感器几次, 用湿巾擦干。对低标准重复相同的过程。两个电压读数的差值应为 50-65 毫伏, 温度读数的差值不应超过5和 #176; F 用于校准可接受.
  13. 对铵传感器进行类似于硝酸盐传感器的校准.
  14. 重新安装和校准雨刷和刷子。选择和 #34; SelfClean [启] 和 #34; 选项卡选择和 #34; 1 和 #34; 旋转和 #34; 校准. 和 #34;
    注意: 雨刷和刷子会旋转一次.
  15. 一旦所有传感器校准, 程序探空。输入和 #34; 将时钟设置为 pc 时间和 #34; 在和 #34; 系统和 #34; 用于同步的选项卡。如果存在4现有日志文件并创建新的日志文件, 请删除最旧的日志文件。创建日志文件后, 选择监视参数和要记录的参数。选择监视持续时间 ( 直到下一次校准, 通常在农业分水岭中为 2-3 周) 和间隔 (15 分钟), 方法是选择日志文件的开始和结束时间以及日志记录间隔。保存日志文件.
    注意: 在任何时候, 探空可以存储多达4日志文件.
  16. 检查内部电池电压并在必要时更换内部电池。
    1. 选择 #34; 联机监视和 #34; 选项卡, 然后开始联机监视.
    2. 检查内部电池电压读数。如果它低于 10.5 V, 更换它与八新的 C 电池.
      注: 如果内部电池电压低于 9.0 v, 则探空停止记录数据.
    3. 使用硅密封胶密封电池舱盖, 以进行防水连接.
  17. 连接传感器防护器, 并将其放入水桶中半满的水中.
    注: 桶中的 sondes 已准备就绪, 可在现场进行运输和 (重新) 安装。sondes 必须浸入 pH 电极才能正常运行.

4。仪器和传感器安装

  1. 区域速度传感器和流模块
    1. 在选定截面的钢板上安全地安装区域速度传感器。在和 #34 上安装钢板; L 和 #34; 支架 ( 图 1 ), 安装在 Telspar 开机自检泓的流中 ( 即, 最深的通道部分) ( 图 1 );#34 的延伸; L 和 #34; Telspar 柱的上游应足够长, 以便流不受流中 Telspar 柱的存在影响。将传感器放在 #34 上; L #34; 在河床上的托架, 使传感器的尖端沿流线朝上游.
      注: Telspar 柱的效果可以直观地评估, 如果引入的职位造成的流量扰动在传感器的位置上游或定量使用传感器读数与无 Telspar 开机自检。在这个协议中, 横截面的变异性被认为是微不足道的。如果要进行评估, 可以将多个 sondes 或传感器放置在剖面上。区域速度传感器采用超声多普勒方法测量平均速度。它不需要基于流深度或速度剖面和 on-site 校准的转换因子。流动模块测量速度从-1.5 到 6.1 m/s 和深度从 0.01 m 到 9.15 m。因此, 它适用于不同的流域.
    2. 计算放电量, 测量截面面积.
      注: 如果提供了通道的形状或公式, 软件可以直接计算区域.
      注意: 传感器中的数据直接记录在流模块中, 可以使用制造商和 #39 的软件和通信电缆下载到计算机上.

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图1。典型的河道监控站 (不是规模) 的布局.
该站包含一个 Telspar 员额, 探空被悬挂使用钢索、登山和套圈。未显示套圈。安装了区域速度传感器的 L 型托架放置在河床上, 并使用螺母和螺栓紧紧地固定在柱子上。样 (图中未显示) 将水样本从含有过滤器的软管中拉出。区域速度传感器的电缆连接到流模块 (未显示)。 请单击此处查看此图的较大版本.

  1. 压力传感器 (PT 传感器)
    1. 当区域速度传感器不可用时, 使用压力传感器测量深度.
    2. 在 Telspar 柱内安装 PT 传感器, 并用钢丝和套圈将其固定; 传感器的尖端应该只是触摸河床。程序的 PT 传感器测量水深15分钟的间隔.
  2. 手动排放测量
      用于具有 PT 传感器的工作站作为放电测量装置, 通过手动测量在一定范围内的流量 (至少包括低、中、高) 的流量来制作舞台放电曲线。流动.将截面面积划分为若干段 (30-60 厘米宽), 这取决于流的宽度。使用便携式流量计测量线段中心线的平均速度。如果深度是和 #60; 10 厘米, 测量最大速度和乘以0.9 得到平均速度。如果深度是 10-75 厘米, 测量速度在0.6 的深度, 以确定平均速度 15 。对于大于75厘米的深度, 测量速度在三深度 (0.2、0.6 和0.8 深度从水表面) 和平均他们 15 .
    1. 计算段的流量, 使用段的平均速度、宽度和深度, 并将所有段的放电相加以获得总排放量.
    2. 跟踪包含低、中和高流的流的范围的过程.
    3. 确定阶段之间的关系 (即, 在手动放电测量时由压力传感器测量的流量的 深度) 和测量的放电.
      注: 如果放电太高而无法手动测量速度, 则可以使用临时的面积速度传感器, 使区域速度传感器测量的放电与 PT 传感器测量的深度之间的关系.
  3. 水质多参数探空
    1. 将探空安装在 Telspar 柱上, 并配有钢丝、套圈和登山, 用于探空安全和易于安装和拆卸 ( 图 1 )。将探空放在 Telspar 柱的下游一侧, 以防止碎片或木质原木因水流而漂浮, 特别是在水淹期间。将探空的底部至少 1-10 厘米以上的河床, 以减少在探空沉积堆积的概率.
      注: 探空应始终淹没在水中。因此, 在有不同流量的溪流中, 探空应该足够高, 以减少探空沉积物的堆积, 并且足够低, 以防止探空暴露在空气中。然而, 对于可变流量较小的通道, 探空可以放置, 使传感器在水面以下大约10厘米.
      注: 如果探空有深度传感器, 则应从通道床上测量深度传感器的高度, 以考虑通道床上方深度传感器的安装深度.
    2. 使用内部电池和/或外部电池探空电源。使用便携式电池盒将外部电池和通信电缆连接到探空。程序探空每15分钟收集数据, 并使用通信电缆将数据直接下载到计算机上.
    1. 在稳定的地面上的流库顶部安装样的防风雨外壳。用铅酸蓄电池样电源。安装一个20瓦的太阳能电池板, 在现场对电池进行充电.
    2. 用 Telspar 柱或 L 型托架在水下固定过滤器管道, 并用软管将其连接到样.
      注: 样通过过滤器和软管从流中抽取水.
      注: 滤网管的定位是获得代表性数据的重要因素。在本协议中, 它的定位是假定没有横截面变异性.
    3. 计划样每周或基于需要的水样。请参阅制造商提供的样手册.
      注: 样可根据降雨、水流、时间或组合来对水进行取样。采样器可以被编程为一个样品样品入许多瓶, 许多样品成一瓶 (复合) 或组合.
      注: 样收集了大量的水 (2000 毫升) 需要分析的额外参数在实验室。除了使用探空的连续水质监测外, 还每周对悬浮泥沙浓度进行抽样分析.

5。传感器和探空维护

  1. 在每次访问时清除区域速度传感器, 以减少传感器表面上或附近的碎片.
  2. 经常校准探空上的传感器.
    注: 频率取决于季节、水文、分水岭、传感器类型和结垢率。在这里选择的分水岭, 需要每2周进行一次校准, 以收集高质量的数据.
  3. 根据制造商的建议更换耗材部件
    注: 这包括 pH 参考电极/帽, 做传感器的帽 (膜), 离子尖端传感器 (硝酸盐和铵传感器), 和循环雨刷和刷子.
  4. 如果需要, 请发送探空进行工厂修复 ( 即, 如果传感器未读取标准的可接受值, 即使在重置和重新后, 或者传感器未通过校准).

6。现场取样和实验室分析

  1. 在现场不提供样时, 事先准备好进行实地考察, 以维护传感器并收集自动收集的水样, 或手动取样和收集水样。确保包括清单中列出的项目 ( 表 1 ).
  2. 收集水样品在清洁 ( 即, 酸洗涤和漂洗) 和干燥罐子 (10 L), 标签他们, 和运输他们在冰到实验室尽快进行分析.
    注: 采集的水样是取样时和特定地点的实际条件下的具有代表性的样品;收集的样本的完整性应保持不受污染和物理、化学和生物变化 12 .
    注: 所需的容器材料可能会因某些分析而不同, 而酸化和/或过滤可能需要在现场.
  3. 分析列lected 水样品在实验室使用标准方法在批准的保持时间之前 16 .
    注: 可使用 EPA 353.2 分析水样;4500-NO3 为硝酸盐, EPA 353.2;4500-2-8 亚硝酸盐, EPA 365.1;4500-PI 为磷酸盐, EPA 350.1;4500-PJ 为总氮气, EPA 365.4;4500-PJ 为总磷, 2540 d 为总悬浮固体, 2540-C 为总被溶化的固体和 D 3977-97 为悬浮泥沙集中 16 , 17 .
  4. 在分析过程中, 请按照适当的质量控制和检查, 如空白、标准、复制等 . 。遵循质量保证项目计划 (QAPP).
  5. 为样品收集者和实验室人员填写保管单链, 并保存每份副本。注意在保管单链上的现场观察到的任何不寻常或显著的事件.

7。数据收集和分析

  1. 从 sondes、流模块和实验室收集水质和数量数据.
  2. 在处理数据校正和分析之前, 保存所有原始数据的副本.
  3. 仔细检查浊度上收集的数据并删除任何零 ( 0.0 台台)、NAN 或不合理的值 (例如, 3000 台台; 传感器的检测上限), 然后再进行分析.
    注意: 删除任何数据时应谨慎。仅当字段注释中的 site-specific 条件识别并确定数据不合理时, 才会删除这些参数.
  4. 使用舞台放电关系来计算 PT 传感器的放电.
    注: PT 传感器测量的深度必须是压力补偿。
    1. 使用制造商 ( 原位 Inc.) 软件、#34; Baromerge 和 #34; post-correct PT 传感器数据.
      注: 通过 baroTroll 日志文件手动输入许多气压值, 可以通过固定气压值修正数据。此协议使用在附近位置部署的 baroTroll 日志文件自动更正 PT 传感器数据.
  5. 对于区域速度传感器数据, 请删除可能是传感器工件的任何负流.
    注意: 有时可能会有负流, 这取决于站点。在这种情况下, 不要忽略负速度.
  6. 使用上游或下游排放之间的线性回归和站上的排放量来计算缺失的放电数据.
    注: 这种关系应具有统计学意义, 这通常是任何上游和下游站的排放之间的情况。在这里试验的流域, 关系显著 (p 和 #60; 0.01), 相关系数大于93%。但是, 如果站点之间的距离很短且分水岭特征保持不变, 则只能使用此方法来填充缺失的放电数据.
  7. 不填充缺少的水质数据.
    注: 水质数据受许多变量的影响 ( 即, 肥料的定时和施肥, 无论排放量是增加还是减少, 站点的具体情况, 等等 ).
  8. 对悬浮泥沙浓度 (SSC) 与实验室结果和在流中测量的浊度进行回归分析.
    注: 这种回归对沉积物的粒度分布很敏感, 这样, 如果沙子构成了 SSC 的一个重要但可变的部分, 那么回归就会很差。但是, 在样品分析过程中, 如果将砂和细粉分开, 并将其与 SSC 相关联, 则可以提高。使用回归计算连续 SSC 值.
  9. 由于污染物浓度随放电而变化, 使用公式 1 6 计算流加权浓度。使用每小时数据计算每天的流量加权平均浓度 (FWMC)。或者, 使用15分钟的数据按小时计算;FWMCs 也 time-integrated.
    Equation
    其中,
    FWMC = 流加权平均集中在每天的基础上
    c i = 浓度 i th 示例
    t i = 时间, 1 h
    q i = 为 i 放电 th 示例
    i = 1 到 24
  10. 应用适当的统计技术以满足数据目标。当数据处于非正常状态时, 转换数据以使其成为常规或使用中值和 #177; 分范围。对非正常数据执行不参数测试.

Representative Results

在 Aryal 和蕾 (2017) 出版物中, 利用该议定书研究了两个小农业流域的养分和沉积物的迁移和转化情况6。下面介绍该协议的其他结果。

降雨径流水质关系:

连续监测的强度是, 使用15分钟的数据 (图 2A), 用户可以选择一个精细的时间分辨率来研究因果关系, 如降雨、径流和浊度的关系。降雨数据从气象站 (www.weather.astate.edu), 一个在小河流沟渠盆地和其他6.3 英里以外的下游 St. 弗朗西斯盆地下载。从00:00 到09:00 在 7/22, 总共发生了25.4 毫米降雨。降雨增加了放电从 0.71 m3/s 在00:00 到 4.89 m3/s 在17:45 在7/22。在这一事件中有多个局部放电峰, 可能与降雨的空间变异性和水稻和大豆田的排水模式有关, 这些都是造成大部分流量的原因。下 St. Francis 水池有大约94% 区域在列庄稼, 主要大豆和米。随着排放逐渐消退, 另有14毫米的降雨事件发生在7/23 在 07:00, 持续了5小时。因此, 测量了另一个流量的增加。

如预期的那样, 浊度随雨后的放电而增加, 并逐渐消退 (图 2A)。浑浊度从13台台在23:34 在7/21 到409台大台在02:04 在7/23。在线的增加的放电部分获得了最高的浊度。这可能是由于第一次冲洗, 洗涤土壤颗粒从农业领域。与排放一样, 浊度也显示出两个明显的峰值。

Figure 2
图2。农业流域下 St. 流域降水、排放和水质变化的事件基础。
(A)降雨、排放和浊度。(B)硝酸盐、铵和电导率从7/21 到7/26。大部分的分水岭作物是大豆和大米。降雨、排放和浊度图分别基于60、15和15分钟的数据。请单击此处查看此图的较大版本.

同样, 硝酸盐、铵和电导率也随径流量和时间变化 (图 2B)。在径流过程中, 硝酸盐浓度可能由于稀释效应或因田间集中径流的混合而减少。在被考虑的时间框架, 硝酸盐增加了4.52 毫克/升在02:04 在7/22 和逐渐减少。硝酸盐浓度最高的时候与第一次冲洗径流相吻合, 最近被应用, 但未使用的可溶性氮被冲走。硝酸盐浓度的第二峰值与放电中的第二峰值相对应, 但浓度低于第一峰值。这可能是由于易溶氮的冲蚀, 第一次冲洗。在两个事件中, 硝酸盐峰的形状是相似的, 尽管震级不同。

平均铵浓度为0.80 毫克/升, 可能是由于水稻田的贡献。铵浓度随两个放电峰的不同而稍有变化 (即,随着放电的增加而增加)。然而, 由于与硝酸盐 (图 2B) 相同的原因, 二次放电峰值的铵浓度的增加小于第一排放峰值。与硝酸盐一样, 铵浓度在排放达到峰值前达到峰值。

电导率范围从 93-495 µS/厘米期间。电导率表现出与放电的反向关系 (图 2A 和 2B) (即,在基流期间, 电导率很高, 并且在两个峰值放电过程中流量的增加而减小)。硝酸盐和铵可能是水电导率的次要贡献者, 因为水的电导率在峰值放电时下降, 即使硝酸盐和铵的含量高于基本条件。雨水稀释率较低, 这可能导致水流中水的电导率降低。

探空的结果 (图 3) 清楚地说明了 pH 值、温度和做的日变化。温度变化从36.1 到24.6 ° c 从 7/9-7/10。溪流中的水温是06:00-07:00 的最低点, 最高的是17:00-18:00。

Figure 3
图3。pH 值, 温度的日变化, 并在下游 St. 弗朗西斯盆地, 一个农业分水岭.请单击此处查看此图的较大版本.

溶解的氧气是最低的从午夜到06:00。当植物的光合作用活动在日出以后开始, 确实增加稳步, 直到它达到峰值在16:19 在 7/9 (9.98 毫克/升, 144.9% 饱和) 和在15:34 在 7/10 (11.21 毫克/升, 159.9% 饱和)。持续减少直到午夜并且保持恒定。细菌和藻类的呼吸, 光合作用, 碳和氮的氧化, 和温度可能影响的日变化的做18

pH 变化在7.4 和7.8 之间从 7/9-7/10。pH 值是最高在17:34 在 7/9 (7.78) 和在17:04 在 7/10 (7.77)。ph 值的日变化也受呼吸、光合作用和缓冲能力的影响, 因为减少 ph 值的二氧化碳在光合作用中被去除, 并且在水生系统的呼吸过程中增加。

图 2图 3中显示的浓度 (如果在较长的时间段 (月份、季节、年份) 进行测量) 可以提供有关在自然或管理条件下水质如何随时间变化的信息。

节奏(每月) 污染物负荷的变化:

在不同的时间尺度上, 可以对流剖面上的时序变化进行研究。在阿肯色州东北部的一个小的农业分水岭, 小河流沟渠流域的月度变化显示, 该流域全年的氮和沉积物流失的模式 (图 4)。在初夏和深秋, 污染物负荷很大。9月和10月的月份的特点是污染物的低负荷, 主要是由于低流量。在11月和 12月, 由于高降雨, 最近收获和干扰的领域, SSC 最高。数据还显示, 变化很大, 因为每天的负荷是由不同的降雨事件驱动的。高负荷在深秋 (11月和 12月) 表明, 营养减少计划可能更有效, 如果他们的重点是减少 11月/12月负荷。因此, 必须在流域管理方案中考虑减少冬季污染物损失的技术, 例如使用覆盖作物19

Figure 4
图4。小河流沟盆出口的硝酸盐、铵和 SSC 负荷 (千克/d) 的月变化。
数值为中值±分范围。请单击此处查看此图的较大版本.

污染物负荷的空间变化:

该协议还可以提供数据的空间变化, 除了时间的变化, 如果多个站在一个分水岭的选择。在农业流域的污染物负荷 (图 5) 显示, 随着水的流向下游, 硝酸盐和铵负荷明显增加。每年9.6 公斤/公顷硝酸盐的损失在 8-14 公斤/公顷的范围内, 在密苏里州的小农业流域, 有类似土壤类型20。这类信息可用于评价河道水管理做法和污染物运输的有效性。

Figure 5
图5。小流域的硝酸盐和铵运输。
上游、中游和下游的地点相距约2公里。值是平均±标准误差的平均值在每天的基础上, 2015年8月。请单击此处查看此图的较大版本.

传感器污垢和沉积物堆积:

在农业流域, 在高浓度的径流水中存在着氮和磷等养分, 可以加速在一定温度下发生生物污染的速率。此外, 径流水可以承载高的泥沙负荷, 来源于耕地和侵蚀水道。高含沙量可导致沉积物颗粒在传感器和探空表面沉降以及沉积物堆积。这样的污垢和沉积堆积会导致漂移和不准确的结果。

当传感器在现场清洗后, 在7/16 天 (图 6) 因污垢而突然减少 (13 或 14) 后, 其日变化减少至7/15。在图 7中可以看到微生物在探空表面的生长和积累。污垢是严重的表面上的抹布或刷子不清洁。在 12/26 (图 8) 上观察到沉积物堆积对浊度读数的影响。12/23 和12/25 的降雨量增加了1595台大和1073台大的浊度。一旦流量减少, 浑浊度降低。然而, 12/26 的大降水事件使浊度达到了3000台台的上限。3000台台的浑浊度读数保持稳定, 原因是探空上的碎片堆积, 以及 Telspar 后的杂草和植物的存在。一旦碎片堆积, 混浊读数是不稳定的 (即,突然改变从3000台台到少于50台台15分钟) 和不正确的。因此, 浊度数据从12/26 到12/29 都不是很好的质量。

Figure 6
图6。漂移的做传感器读数后, 探空保持在流了两个星期。
校准后, 探空安装在 7/8, 漂移开始于7/22。在7/21 后的传感器读数漂移导致比正常更低的。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 7
图7。在用刷子和雨刷擦拭后, 图像显示传感器表面 (左) 的污垢和传感器 (右) 的清洁传感表面.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 8
图8。浑浊度 (台) 在流沉积前后的探空中堆积。
降雨 (mm) 显示在第二 y-axis。浊度对12/16、12/23 和12/25 的降雨量表现出极好的反应。然而, 12/26 的大降雨事件在探空卫兵创造了沉积物, 并且浑浊读数在12/26 以后是错误的 (主要3000台台) 和不定的。请单击此处查看此图的较大版本.

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表1。建议进行实地视察的项目清单, 以取样水和维修和维护传感器。

Discussion

总体上, 对养分和沉积物的连续监测在利用抓取取样法进行监测时有几个优点。水文和水质过程在很短的时间内受到降雨的影响。用户可以获得高分辨率的养分和沉积物的时间分辨数据来研究复杂的问题。其他水质参数, 如电导率, pH 值, 温度和做, 可以同时获得, 并与监测硝酸盐, 铵和浊度的成本相同。此外, 还有来自制造商的其他传感器, 可以测量更多的水质参数, 如叶绿素、盐度和 oxidation-reduction 电位, 以及养分和沉淀物。

该协议可用于确定所选择的研究期内污染物的时间变化;在多个观测站进行监测时, 流域内污染物的空间变化;和污染物的横断面变化, 如果监测是在一个截面上的几个点进行。如本议定书所示, pH 值、电导率、干、硝酸盐、铵、浊度和温度的日变化可以证明因果关系, 有助于更好地了解污染物负荷的驱动因素。

尽管对养分和沉积物进行了成功的连续测量, 但该方法最大的局限性是由于传感器故障、断电和沉积物/碎片堆积而导致数据丢失或收集劣质数据。虽然选址是重要的, 同样重要的是经常检查校准或必要时进行校准, 更换内部和外部电池 (如果不是太阳能供电), 并下载和检查数据。数据质量可以在几个阶段被破坏, 从数据采集到数据处理。在收购阶段, 本文的重点, 对可能出现的问题的补救方法进行了讨论。

数据丢失:

传感器的不适当编程, 传感器的断电,, 都可能导致数据的间隙。如果可能的话, 可以在加油站安装太阳能充电器来给电池充电。否则, 需要频繁更换内部 (sondes) 和/或外部电池。频繁下载数据将有助于快速识别问题并解决它, 从而减少由于内存限制而导致的数据丢失。啮齿类动物可能损坏缆绳并且招致数据损失。这些损失可以通过使用钢丝护罩来覆盖电缆来避免。

由于污垢造成的低质量数据:

传感器表面的污垢和由此产生的漂移或数据的不精确性, 可以通过用铜带, 使用铜护套, 以及在传感器防护罩周围使用铜网来最小化。我们发现, 用全天候胶带覆盖探空表面 (不是传感器) 大大方便了传感器的清洗。自洁 sondes 与雨刷和刷子, 就像在这项研究中使用的, 帮助清洁的表面传感器 (图 7)。使用铜材料, 如胶带、护罩或网格, 减少了微生物的生长和由此产生的污垢。

由于碎片堆积而造成的低质量数据:

传感器和探空的定位以及在沉积物下掩埋电缆可以限制碎片堆积。例如, 将探空放置在河床上方的某一深度, 但低于水面, 有助于限制沉积物的堆积。同样地, 将探空放在 Telspar 柱的下游侧, 可以减少碎片, 因为 Telspar 的柱子捕捉到了大片的树林、青草、在每次实地考察时清洗探空, 有助于产生质量数据。用铜网包裹传感器护罩, 可减少沉积物和碎片的堆积、水生植物和无脊椎动物的干扰以及污垢。

当探空可以放置在 Telspar 柱的上游或下游时, 建议在下游侧悬挂探空。对探空中的传感器的要求是测量无偏置的, 是在传感器表面的水的运动或没有站立的水。柱子 (4.0 厘米) 的薄宽度和柱子上的孔确保水流经传感器表面。此外, 当探空位于柱子的上游一侧时, 水生杂草和植物材料/残骸可能会包围探空卫队, 如本研究中所观察到的。将探空放在上游一侧的另一个缺点是, 当防护器保护传感器时, 探空的身体仍然有被柱子上游的碎片/木头损坏的危险。通过目视观察和比较速度读数, 可以测试柱在速度测量中的作用。在本协议中, 区域速度传感器在 Telspar 柱的上游大约50厘米, 而 Telspar 柱的存在并不影响速度。

在 site-specific 条件下确定校准频率是很重要的。这是一个平衡, 不损害数据质量的 under-calibrating, 而不是浪费资源的 over-calibrating。在农业小河在这项研究 (即,热, 潮湿的热带气候), 实验室定标每2星期在夏天 (图 6), 并且每3星期在冬天是充足的。然而, 在夏季, 每个星期, 传感器都被清理在工地上。

为所有活动准备 QAPP, 包括在项目之前进行质量控制检查, 有助于发现潜在问题, 使研究保持一致和统一, 并产生质量数据。遵循 QAPP 程序中规定的准则是必要的。

记录的事件或不寻常的观察在笔记本或照片是非常重要的。许多时候, 监测的结果与不典型的事件相联系。例如, 水流 (沟) 的疏浚 (即,清洗), 这是罕见的, 将增加水样的浊度, 即使没有增加排放。

参与现场工作的人员的安全以及仪器的安全是非常重要的。一个安全、健康和福利计划应该在项目开始之前就制定出来。一些安全问题包括蛇, 温度危险, 洪水, 大风, 驾驶条件, 闪电,在进行实地访问时所要采取的后勤和建议的项目, 在表 1中提供。

目前用于测量硝酸盐和铵 (即,离子选择电极) 技术的一个局限性是, 它不能精确地测量到极低的营养价值。虽然传感器的分辨率为硝酸盐和铵传感器的0.01 毫克/升, 但准确度是读数的 5%, 或高达±2毫克/升。准确度, 浊度, pH 值和电导率传感器是± 0.1-0.2 毫克/升, 或 0.1%;± 1-3% 至400台台;± 0.2;和±5µS, 分别。此外, 临由于无法在水淹, 方案难以追踪。

虽然该议定书在农业流域进行了试验, 但也可以适用于其他区域的其他流域, 例如受其他土地利用活动影响的分水岭, 包括采矿。这种方法也有助于评估多种污染物之间的相互作用。在这里描述的方法的未来应用包括传感器的进展, 以应付传感器的污垢和堆积的碎片/沉积探空后卫;进一步提高传感器的精确度和精确度;无线网络的发展和数据向服务器的远程传输;以及为标准数据获取系统、数据管理和应用程序建立更大的网络。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项研究之所以有可能, 是因为来自保护效果评估项目 (CEAP) 的资助。我们特别感谢来自生产者的准入许可, 美国农业部-ARS-三角洲水管理研究部门成员的研究援助, 以及阿肯色州立大学毒研究机构的工作人员进行的样本分析。这项研究的一部分得到了由美国能源部和农业部之间的跨部门协议, 由橡树岭科学与教育研究所 (ORISE) 管理的 "ARS 参与计划" 的任命。ORISE 由 ORAU 根据 DOE 合同编号 DE-AC05-06OR23100 管理。本文所表达的所有观点都是作者的, 并不一定反映美国农业部、ARS、能源部或 ORAU/ORISE 的政策和观点。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Multiparameter sonde Hach Hydrolab DS5X measures temperature, pH, conductivity, dissolved oxygen, nitrate, ammonium, turbidity
Area velocity flow module and sensor Teledyne Isco 2150 measures average stream velocity and flow depth, and calculates flow rate and total flow based on provided cross-section area of the ditch. Stored data can be downloaded directly to computer.
Automatic portable water sampler Teledyne Isco ISCO 6712 automatically samples water in the set interval or in conjunction with flow module and sensor
Pressure Transducer In-situ Rugged Troll 100 measures presure, level and temperature in the water. Stored data can be directly downloaded to the computer
Portable flow meter Flo-mate (Hach) Marsh-McBirney 2000 For manual discharge measurement
Battery, 12 v, rechargeable UPG UB 1270 To power sonde
Battery, 12 v, rechargeable Interstate Batteries SRM 27 Lead acid battery to power autosampler
Solar panel Alt E ALT20-12P To recharge battery at the site
C-8 batteries
Calibration standards Hach or Fisher Scientific mulitple Standards of pH (4,7,10), conductivity (1412 uS/cm), nitrate (5 and 50 mg/L), ammonium (5 and 50 mg/L), and turbidity (50,100,200 NTU)
High nitrate standard Hach 013810HY 50 mg/L
Low nitrate standard Hach 013800HY 5 mg/L
High ammonium standard Hach 002588HY 50 mg/L
Low ammonium standard Hach 002587HY 5 mg/L
Turbidity standard Fisher scientific R8819050-500G 50 NTU
Turbidity standard Fisher scientific 88-061-6 100 NTU
Turbidity standard Fisher scientific R8819200500 C 200 NTU
Potassium chloride salt pellets Hach 005376HY to maintain electrolyte for pH electrode
Potassium chloride standard Fisher scientific 5890-16 1412 us/cm
Buffer solution, pH 4 Fisher scientific SB99-1 for pH sensor calibration
Buffer solution, pH 7 Fisher scientific SB108-1 for pH sensor calibration
Buffer solution, pH 10 Fisher scientific SB116-1 for pH sensor calibration
Silicon sealant Hach 00298HY For sealing sensor battery cover water tight
All purpose cleaner Sunshine Makers Inc Simple green
Wipes Kimberly-Clark
L-bracket
Telsbar post Unistrut Service Company Secure sensors and sondes in the stream
Steel wire supend sonde and PT sensor
Carabiner supend sonde and PT sensor
Allen wrench
Copper wire mesh Bird B Gone Rodent and bird control copper mesh roll
Adhesive Tape Agri Drain Corporation Tile tape, works in wet and cold weather

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References

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