Continu Instream bewaking van voedingsstoffen en Sediment in agrarische waterscheidingen

Environment
 

Summary

Met de vooruitgang van de technologie en de stijging van de verwachtingen van de eindgebruiker, de noodzaak en het gebruik van hogere temporele resolutie gegevens voor verontreinigende lading schatting toegenomen. Dit protocol beschrijft een methode voor het continu in situ Waterkwaliteit monitoring hogere temporele resolutie om gegevens te verkrijgen voor op de hoogte van de water resource managementbeslissingen.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Verontreinigende stof concentraties en ladingen in waterscheidingen variëren aanzienlijk met tijd en ruimte. Accurate en tijdige informatie over het trillingsniveau van verontreinigende stoffen in waterbronnen is een voorwaarde voor het begrijpen van de stuurprogramma's van de verontreinigende stof wordt geladen en voor het maken van geïnformeerde water resource managementbeslissingen. De gebruikte methode van de "grab bemonstering" biedt de concentraties van verontreinigende stoffen op het tijdstip van bemonstering (dat wil zeggen, een momentopname concentratie) en onder bepaalde voorwaarden rechtstreekse- of overpredict van de concentraties van verontreinigende stoffen en de lasten. Continue monitoring van voedingsstoffen en sediment heeft onlangs ontvangen meer aandacht vanwege vooruitgang in computing, sensing technologie en opslagapparaten. Dit protocol demonstreert het gebruik van sensoren en sondes instrumentatie continu volgen in situ nitraat, ammonium, troebelheid, pH, geleidbaarheid, temperatuur en gehalte aan opgeloste zuurstof (DO) en voor het berekenen van de ladingen uit twee stromen (sloten) in twee landbouw waterscheidingen. Met de juiste kalibratie, onderhoud en werking van de sensoren en sondes, kan goede waterkwaliteitsgegevens worden verkregen door het overwinnen van uitdagende omstandigheden zoals aangroei en puin opbouw. De methode kan ook worden gebruikt in de waterscheidingen van verschillende grootte en gekenmerkt door landbouw, bebost, en/of stedelijke grond.

Introduction

Waterkwaliteit monitoring verschaft informatie over de concentraties van verontreinigende stoffen op verschillende ruimtelijke schalen, afhankelijk van de grootte van de bijdragende ruimte, die van een perceel of een veld tot een keerpunt variëren kan. Dit toezicht vindt plaats over een periode van tijd, zoals een enkele gebeurtenis, een dag, een seizoen of een jaar. De informatie vergaard uit de monitoring van de kwaliteit van het water, vooral met betrekking tot voedingsstoffen (bijvoorbeeld stikstof en fosfor) en sediment, kan worden gebruikt om: 1) begrijp hydrologische processen en het transport en transformatie van verontreinigende stoffen in stromen, zoals landbouw drainage sloten; 2) evaluatie van de doeltreffendheid van beheerpraktijken toegepast op de waterscheiding om de voedingsstoffen en sediment lading te verminderen en te verhogen van de kwaliteit van het water; 3) het evalueren van de levering van het sediment en voedingsstoffen aan het water stroomafwaarts; en 4) verbetering van het modelleren van voedingsstoffen en sedimenten te begrijpen de hydrologische en water van kwaliteitsprocessen die bepalend zijn voor vervoer van verontreinigende stoffen en dynamiek over het bereik van temporele en ruimtelijke schalen.

Deze informatie is cruciaal voor de restauratie van het aquatische ecosysteem, duurzame planning en het beheer van water bronnen1.

De meest gebruikte methode voor nutriënt en sediment toezicht op een keerpunt is grab bemonstering. Grab bemonstering vertegenwoordigt nauwkeurig een momentopname concentratie op het tijdstip van bemonstering2. Het kan ook een variatie van de concentraties van de verontreinigende stof met tijd verbeelden als frequente bemonstering wordt gedaan. Frequente bemonstering is echter tijd intensieve en dure, waardoor het vaak onpraktisch2. Bovendien kan grab bemonstering onder- of overschat de werkelijke verontreinigende stof concentraties buiten de bemonstering tijd2,3,4. Bijgevolg ladingen berekend aan de hand van dergelijke concentraties mogelijk niet nauwkeurig.

Anderzijds verschaft continue monitoring accurate en tijdige informatie over waterkwaliteit in een vooraf bepaalde tijdsinterval, bijvoorbeeld een minuut, een uur of een dag. Gebruikers kunnen het selecteren van de juiste tijdsintervallen op basis van hun behoeften. Continue monitoring kan de onderzoekers, planners en managers te optimaliseren sample collectie; ontwikkelen en bewaken van de tijd geïntegreerde statistieken, zoals totale maximale dagelijkse belasting (TMDLs); evalueren van het recreatieve gebruik van het waterlichaam; beoordelen van de uitgangssituatie van het stroom; en ruimtelijk en stoffelijk evalueren de variatie van verontreinigende stoffen te bepalen van de oorzaak-effect relaties en een management plan5,6te ontwikkelen. Continue monitoring van voedingsstoffen en sediment heeft onlangs toegenomen aandacht te wijten aan voorschotten ontvangen in computing en sensor technologie, de verbeterde capaciteit van opslagapparaten en de toenemende vereiste gegevens die nodig zijn om meer complexe processen te bestuderen 1 , 5 , 7. in een wereldwijde enquête van meer dan 700 water professionals, het gebruik van Multi-parameter sondes gestegen van 26% tot 61% van 2002 tot 2012 en 20225tot 66% verwacht. In dezelfde enquête, 72% van de respondenten aangegeven dat de noodzaak voor de uitbreiding van hun monitoringnetwerk te voldoen aan hun gegevens moet5. Het aantal stations in een netwerk en het aantal variabelen per station gecontroleerd in 2012 naar verwachting stijgen met 53% en 64%, respectievelijk door 20225.

Echter, continu waterkwaliteit en kwantiteit toezicht op agrarische waterscheidingen is uitdagend. Grote regenval gebeurtenissen wegwassen sediment en macrofyten, bij te dragen aan de belasting en puin opbouw hoge sediment in de sensoren en sondes. De afvoer van overtollige stikstof en fosfor toegepast op landbouwgronden creëert ideale omstandigheden voor de groei van microscopische en macroscopische organismen en voor de aangroei van instream sensoren en sondes, vooral tijdens de zomer. Aangroei en sediment opbouw kan sensoren te mislukken, drift en onbetrouwbare gegevens te produceren. Ondanks deze uitdagingen, zijn fijnere temporele resolutie (zo laag als per minuut) gegevens verplicht tot het bestuderen van de processen van de afvoer en de niet-puntbron besmetting, zoals ze worden beïnvloed door waterscheiding kenmerken (bijvoorbeeld grootte, bodem, helling, enz. ) en de timing en intensiteit van de neerslag7. Zorgvuldige veld observatie, frequente kalibratie, en goede reiniging en onderhoud kunnen zorgen voor kwalitatief goede gegevens van de sensoren en sondes, zelfs bij de resolutie van de fijnere tijd.

Hier bespreken we een methode voor het in situ continue monitoring van twee landbouw waterscheidingen met Multi-parameter water kwaliteit sondes, gebied-snelheid en transducer druksensoren en autosamplers; hun kalibratie en veld onderhoud; en gegevensverwerking. Het protocol toont een manier waarin continu Waterkwaliteit monitoring kan worden uitgevoerd. Het protocol is in het algemeen toepasbaar op continu waterkwaliteit en kwantiteit monitoring op elke soort of de omvang van waterscheiding.

Het protocol werd uitgevoerd in het noordoosten van Arkansas in kleine sloten stroomgebied (HUC 080202040803, 53,4 km2 -gebied) en Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, 23.4 km2 -gebied). Deze twee stroomgebieden afwateren in zijrivieren van de rivier van de Mississippi. Een behoefte aan toezicht zijrivieren van de rivier van de Mississippi was vastgesteld door de lagere Mississippi River Conservation Committee en de Golf van Mexico hypoxie Task Force te ontwikkelen van een plan voor het beheer van het stroomgebied en het optekenen van de voortgang van de vermogensbeheeractiviteiten 8 , 9. Bovendien deze waterscheidingen worden gekenmerkt als de waterscheidingen van de focus door de United States Department of Agriculture-natuurlijke hulpbronnen instandhouding Service (USDA-referentiecentra), gebaseerd op de mogelijkheden voor vermindering van de vervuiling van de voedingsstoffen en sediment en voor verbetering van de water kwaliteit10. Toezicht op de rand-van-veld wordt uitgevoerd in deze stroomgebieden als onderdeel van de Mississippi River Basin gezonde waterscheiding initiatief (MRBI) netwerk van statewide11. Meer details van de waterscheidingen (dat wil zeggen, sitelocaties, waterscheiding kenmerken, enz.) vindt u in Aryal en Reba (2017)6. Kortom, de Little River Basin sloten heeft overwegend slib leem bodem en katoen en soja zijn de belangrijkste gewassen, terwijl de Lower St. Francis Basin overwegend Sharkey kleigrond heeft en rijst en sojaboon de belangrijkste gewassen zijn. Op elke keerpunt, werd in situ continu water kwantiteit en kwaliteit controle (dat wil zeggen, geen kwijting temperatuur, pH,, troebelheid, geleidbaarheid, nitraat en ammonium) uitgevoerd op drie stations in de heersende stroming met behulp van dit protocol aan de ruimtelijke en temporele variabiliteit in de verontreinigende ladingen en de hydrologische processen te begrijpen. Bovendien werden per watermonsters verzameld en geanalyseerd voor zwevende sedimenten concentration.

Protocol

1. siteselectie

  1. waterscheiding selectie
    1. Selecteer watershed(s) gebaseerd op de omvang van de verontreiniging probleem, de prioriteit van de waterscheiding, de nabijheid van het onderzoeksinstituut, toegang tot de site, en gegevens doelstellingen.
  2. Stream bemonstering locaties
    1. Selecteer stream bemonstering locatie (s) op basis van het doel van de studie.
      Opmerking: Optimale bemonstering locaties zijn goed gemengd binnen een dwarsdoorsnede, veilig en gemakkelijk bereikbaar, geophysically stabiel (dat wil zeggen, constante dwarsdoorsnede en een voorstander van instrument station huisvesting bank), en de vertegenwoordiger 12 , 13 , 14. Stations niet onmiddellijk stroomafwaarts van de samenvloeiing van twee rivieren en in een rechte kanaalprofiel, zonder een convergerende of afwijkende kanaal dwarsdoorsnede, zijn meer homogeen en representatieve 14.
    2. Co Zoek hydrologische en water kwaliteit metingen op een dwarsdoorsnede voor de berekening van de belastingen.
      Opmerking: Als het identificeren van de ruimtelijke variatie van voedingsstoffen en sediment in een keerpunt, selecteert u meerdere stations te richten op potentiële bronnen gedurende de waterscheiding.

2. Instrument en Sensor selectie

  1. Kies instrumenten en sensoren voor het meten van de geen kwijting en waterkwaliteit en voor het verzamelen van watermonsters met de beoogde interval. Kies het instrument en de sensoren op basis van de gegevens moet, waterscheiding en beschikbare middelen.
    Opmerking: Ideale sensoren zijn betrouwbaar, nauwkeurig, gevoelig, nauwkeurige, goedkope, en geschikt zijn voor het milieu van de stream en vereisen beperkt onderhoud en minimale opleiding voor het veld technicus 13. In een agrarische stroomgebied, aangroei en puin opbouw zijn de grootste oorzaken van bezorgdheid. Sondes uitgerust met zelfreinigend en anti-fouling functies hebben bijgevolg de voorkeur.
    1. Gebruik een autosampler, sondes, een gebied-snelheid sensor, een drukopnemer en een draagbare debietmeter.
      Opmerking: De sonde moet hebben een wisser te reinigen van de sensor van de turbiditeit en een borstel te reinigen van de pH, ammonium, nitraat, en doen sensoren.
      Opmerking: Het instrument in dit protocol verwijst naar een eenheid van de steekproef water bestaande uit een autosampler, slang, zeef of stroom module en gebied-snelheid sensor.
  2. Select water kwaliteitsparameters gebaseerd op de doelstelling van de gegevens, sensor kosten en beschikbaarheid. Meten van de temperatuur, pH, ken, geleidbaarheid, turbiditeit, ammonium en nitraat elke 15 min.
    Opmerking: Temperatuur, conductiviteit, pH en zijn de meest gangbare parameters gekozen en worden gewaardeerd tegen USGS stations, overwegende dat nitraat, ammonium en troebelheid komen minder vaak voor, maar populariteit 1 , winnen 14.
    Opmerking: de doelstellingen van de gegevens is afhankelijk van de kenmerken van de waterscheiding. Bijvoorbeeld, stikstof en fosfor toezicht kunnen worden belangrijker in agrarische waterscheidingen ten opzichte van fosfor toezicht in stedelijke waterscheidingen.

3. Kalibratie van de sonde en programmering

  1. kalibreren de sensoren op de sonde volgens de aanbevelingen van de fabrikant. Het kalibratie-protocol naar wens aanpassen op basis van de plaatselijke milieuomstandigheden.
    Opmerking: De frequentie van de kalibratie is afhankelijk van de omgeving waarin de sensoren worden blootgesteld. In het algemeen, valt het binnen 2-4 weken. Hier, de sondes zijn gekalibreerd om de 2 weken tijdens het groeiseizoen en elke 3 weken in niet-groeiende seizoen (van November tot April).
  2. In het laboratorium, schoon de sonde grondig voordat kalibratie. Reinig de sensor oppervlakken met behulp van zachte borstels (bijvoorbeeld tandenborstels) en zeep of universele reiniger. Verwijder de rondpompthemostaat wisser en borstel met een zeskantsleutel Allen; Reinig de Wisser en borstel.
  3. Giet de elektrolyt in de pH-elektrode, het vullen met vers elektrolyt oplossing en voeg een pellet kaliumchloride zout om te handhaven de geleidbaarheid van de elektrolyt oplossing. Sluiten van het GLB, zodat het is luchtdicht; Sommige elektrolyt zal morsen uit terwijl het GLB is wordt geschroefd. Spoel de sonde met gedeïoniseerd water.
  4. Schorten de sonde op een stevige steun, zodat de onderkant van de sonde ongeveer 20-30 cm boven het tafelblad rust, waardoor gemakkelijk werkbaarheid. De sonde op de computer met behulp van een communicatie-kabel aansluiten. Start de fabrikant ' s software. Druk op " werken sonde " in te voeren in het programma van de sonde.
  5. Stel het aantal kalibratie standaarden bij de " parameter setup " tabblad. Kalibreren van de sensoren in de volgende volgorde: conductiviteit, pH, ken, troebelheid, nitraat en ammonium.
    Opmerking: De volgorde van de kalibratie is belangrijk, als nitraat en ammonium sensoren gebruikt geleidbaarheid en de pH waarden.
    Opmerking: Het aantal kalibratie normen zijn 2 voor conductiviteit, 2 of 3 voor pH, 1 voor DO, 2 of 4 voor troebelheid, 2 voor nitraat en 2 op ammonium.
  6. Spoel de sensor(en) met DI water meerdere keren en droog de sensor(en) remvlak(ken) met doekjes vóór de invoering van een norm om de sensor ter voorkoming van kruisbesmetting.
    Opmerking: Voor elke sensor kalibreren, Let op de waardes van de sensor voor de volgende normen leest: doen, pH 7, troebelheid voor DI en 50 NTU, nitraat voor 50 mg/L, en ammonium voor 50 mg/L. Deze waarden kunnen worden gebruikt om te evalueren of de sensoren in het veld juist waren. Ze kunnen ook worden voorzichtig gebruikt om veldwaarden te corrigeren.
  7. Na het kalibreren van elke sensor (3.8-3.13 stappen) voor een norm, " kalibratie succesvol " weergegeven; als de kalibratie mislukt, herstelt de sensor en probeer het opnieuw. Als de sensor nog altijd niet, de verbruiksartikelen vervangen moet of de sensor kan fabriek reparatie.
    Opmerking: Het resetten van de nitraat- en ammoniumzouten sensor zal op beginstand zetten beide sensoren.
  8. De sensor van de geleidendheid 2-punts kalibratie; 0 µs/cm voor een droge sensor en 1,412 µs/cm gebruiken voor de standaardoplossing kalibreren. Kies " SpCond [µs/cm] " in de " kalibratie " tabblad. Droog het ovale gedeelte van de sensor compleet met veegt. Voer " 0.0 " in µs/cm en voer " kalibreren. "
    1. Invoegen de standaard in een zakje volledig voor het ovale gedeelte van de sensor. Wacht tot de sensor lezen stabiliseert (~ 2-5 min), voer " 1412 " in µs/cm, en voer " kalibreren. " " kalibratie succesvol " wordt weergegeven; Als de kalibratie mislukt, reset van de sensor en probeer het opnieuw.
  9. De sensor van de pH met pH 7 en pH 10 normen kalibreren en controleren van de lineariteit van de kalibratie met pH 4. Selecteer de " pH [eenheden] " tabblad in de kalibratie-tab. de pH 7 standaard invoegen in een zak die betrekking hebben op zowel de pH-junctie en de referentie-elektrode. Wacht ongeveer 5 min voor het te stabiliseren. Voer " 7.0 " als de pH waarde en voer " kalibreren. "
    1. de elektroden spoel en droog ze gebruikend afveegt. PH 10 plaats en volg de dezelfde procedure als voor de pH 7. Invoegen van pH 4 om te controleren als de lineariteit van de kalibratiekromme wordt voldaan; de geijkte sensor moet lezen 4 ± 0,2 voor de pH 4.0 standaard.
  10. Kalibreren van de-sensor met temperatuur-gestabiliseerde, lucht-verzadigd, gedeïoniseerd water (18 M Ω-cm) als aanspreekpunt standaard.
    1. Selecteer de " LDO % [za] " tab. Vul de kalibratie-cup met DI water tot het bijna-full-niveau en plaats de cup op de sonde. Omkeren van de sonde om ervoor te zorgen dat de temperatuursensor en Ken membranen volledig zijn gedekt door het water.
    2. Wacht ongeveer 5 minuten om te stabiliseren van de procentuele verzadiging lezing. Eenmaal gestabiliseerd, voer " 100 " voor de procentuele verzadiging. Typ de barometerdruk in mmHg door het controleren van een lokaal weerstation en " kalibreren. "
      Opmerking: DI water temperatuur-gestabiliseerde en lucht-verzadigd is door het te bloot aan de sfeer ten minste overnachting in het laboratorium voor gasuitwisseling, verzadiging, en de stabilisatie van de temperatuur. Barometerdruk moet worden verstrekt, aangezien de verzadiging van luchtdruk naast de temperatuur afhangt (gemeten door de sonde zelf).
    3. Check de schaalfactor, die 0,5 moet - 1,5, aanvaardbaar kalibratie. De kalibratieprogramma af te sluiten, terminal modus, gebruik de pijlen om te markeren " Log In, " en druk op " voer. " Markeer " niveau 3 " en druk op " voer. " Markeer " setup " en druk op " voer. " Markeer " sensoren " en druk op " voer. " Markeer " doen " en druk op " voer. " Markeer " % zat " en druk op " voer. " opmerking de schaalfactor.
    4. Pers " Esc " afsluiten en voer " werken sonde " weer. Selecteer de " kalibratie tabblad " voort te zetten van de kalibratie.
    5. Omkeren van de sonde terug en het zodat de sensoren geconfronteerd met de grond op te schorten.
  11. Kalibreren van de troebelheid sensor met 4 maten: DI, 50 NTU, 100 NTU en 200 NTU. Selecteer de " troebelheid [NTUs] " tabblad. Zet genoeg DI-water om ten minste betrekking op de bodem van de troebelheid sensor in een cup kalibratie. Laat de troebelheid lezing stabiliseren. Punt " 1 " voor de DI-standaard, een " 0.6 " NTU troebelheid waarde, en " kalibreren. "
    1. kalibreren op dezelfde manier de troebelheid sensor voor andere International Accounting standards. Luchtbel vorming te voorkomen door homogenisatie van de normen, de fles op en neer draaien (niet schudden) en de normen langs de beker gieten.
    2. Na het kalibreren van alle normen, Controleer de sensor lezingen voor DI en 50 NTU om te zien of de kalibratie aanvaardbaar (dat wil zeggen, binnen ± 1%).
  12. Kalibreren van de sensor van de nitraat met behulp van twee standaarden: hoge (50 mg/L 3 --N) en lage (5 mg/L 3 --N). Selecteer de " 3 - [mg/L-N] " tabblad.
    1. Pour de 50 mg/L standaard te vullen de kalibratie-cup tot driekwart vol en plaats de cup op de sonde, waardoor een waterdichte verbinding. De sonde omkeren zodat de nitraat- en temperatuur sensoren zijn volledig bedekt. Wacht 15 min (of tot de lezing stabiel is). Eenmaal gestabiliseerd, geef het standaard niveau " 1 " en een waarde van " 46.2. " de temperatuur en de mV lezing in een notitieblok opnemen. Voer " kalibreren. "
      Opmerking: de nitraat-sensor maakt gebruik van de temperatuursensor naast de geleidbaarheid en de pH sensoren.
    2. De sensoren met DI water meerdere keren spoel en droog ze met doekjes. Herhaal de procedure voor de lage standaard. Het verschil tussen de twee spanning lezingen moet 50-65 mV, en het verschil tussen de temperatuur metingen mag niet meer dan 5 ° F voor de kalibratie aanvaardbaar.
  13. De ammonium sensor ook op de nitraat-sensor kalibreren.
  14. Reinstall en kalibreren van de ruitenwisser en borstel. Kies de " SelfClean [Rev] " tab. Kies " 1 " rotatie en voer " kalibreren. "
    Opmerking: de Wisser en borstel zal één keer draaien.
  15. Zodra alle sensoren zijn gekalibreerd, program de sonde. Voer " klok instellen naar pc tijd " in de " systeem " tabblad voor synchronisatie. Het oudste logboekbestand verwijderen als er 4 bestaande log-bestanden en een nieuw logboekbestand maakt. Zodra het logboekbestand is gemaakt, selecteert u de controle parameters en de parameters te melden. Selecteer de controle duur (dat wil zeggen, tot de volgende kalibratie, meestal 2-3 weken in agrarische waterscheidingen)- en interval (15 min) door te kiezen voor de start en eindtijd van het logboekbestand en de registratie-interval. Het logboekbestand opslaan.
    Opmerking: Op elk gewenst moment, een sonde kunt maximaal 4 logboekbestanden.
  16. De interne batterijspanning check en vervang de interne batterijen indien nodig.
    1. Selecteer de " online monitoring " tab en beginnen met de online monitoring.
    2. Check de interne batterij spanning lezing. Als het lager dan 10,5 V is, vervangen door acht nieuwe C batterijen.
      Opmerking: De sonde stopt opnamegegevens als de interne batterijspanning zakt tot onder ~9.0 V.
    3. Siliconen-sealant gebruiken voor het afdichten van het GLB van de batterijhouder om een waterdichte verbinding te maken.
  17. Hechten van de sensor-guard en zet het in een emmer water halfvol.
    Opmerking: De sondes in de emmer zijn bereid voor vervoer en (her) installatie van de sites. De sondes voor de pH-elektrode naar behoren moet worden ondergedompeld.

4. Instrument en Sensor installatie

  1. gebied-snelheid sensor en stroom module
    1. Mount het gebied-snelheid sensor veilig op een stalen plaat op een geselecteerde dwarsdoorsnede. De stalen plaat monteren op de " L " beugel ( Figuur 1) die is gemonteerd in de Telspar post aangedreven op de Talweg van de stream (dat wil zeggen, het diepste deel van het kanaal) ( Figuur 1); de uitbreiding van de " L " beugel stroomopwaarts van de Telspar post moet lang genoeg zodat de stroom wordt niet beïnvloed door de aanwezigheid van de post van de Telspar in de stream. Plaats de sensor op de " L " beugel op de stream-bed, zodanig dat het uiteinde van de sensor stroomopwaarts langs de lijnen van de stroom gezichten.
      Opmerking: Het effect van Telspar post kan worden geëvalueerd visueel als de invoering van de post maakt de verstoring van de stroom op de positie van de sensor stroomopwaarts of kwantitatief via sensor lezingen met en zonder de Telspar post. In dit protocol, transversale variabiliteit werd beschouwd als te verwaarlozen. Als er moet worden geëvalueerd, kunnen meerdere sondes of sensoren worden geplaatst op een dwarsdoorsnede. Het gebied-snelheid sensor maatregelen gemiddelde snelheid met behulp van de ultrasone Doppler methode. Het hoeft niet een conversiefactor gebaseerd op stroom diepte of snelheid profilering en on-site kalibratie. De stroom module meet snelheid van-1.5 tot 6,1 m/s en diepte van 0,01 m tot 9.15 m. Als zodanig, is van toepassing op verschillende waterscheidingen.
    2. Voor het berekenen van de kwijting, meten de oppervlakte van de dwarsdoorsnede.
      Opmerking: De software kan direct berekenen van de oppervlakte als de vorm van het kanaal of een vergelijking wordt opgegeven.
      Opmerking: De gegevens van de sensor worden direct vastgelegd in de module van de stroom en kan worden gedownload naar een computer met behulp van de fabrikant ' s software en een communicatie kabel.

< img alt = "Afbeelding 1" class = "xfigimg" src = "/ bestanden/ftp_upLoad/56036/56036fig1.jpg"/ >
Figuur 1. Lay-out van een typische Instream controle Station (niet op schaal).
Het station bevat een post van de Telspar waarop de sonde is opgehangen met een stalen kabel, een karabijnhaak en tips. De tips worden niet weergegeven. De L-beugel waarop de gebied-snelheid sensor is gemonteerd op de stream-bed wordt geplaatst en wordt aan de post met behulp van bouten en moeren strak vastgezet. De autosampler (niet afgebeeld in de figuur) trekt het watermonster van een slang met een zeef op het puntje. De kabel van de area-snelheid sensor is aangesloten op de stroom module (niet afgebeeld). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. drukopnemer (PT-sensor)
    1. wanneer de ruimte-snelheid sensor niet beschikbaar is, meet de diepte met behulp van een drukopnemer.
    2. Installeren van de PT-sensor in de post van Telspar en veilig met een staaldraad en ferrules; het uiteinde van de sensor moet enkel raken het stream-bed. De PT-sensor voor het meten van de waterdiepte 15-min tussenpozen Program.
  2. Manual kwijting meting
    1. voor stations met een sensor van de PT als een kwijting meettoestel, maken een fase-kwijting curve door handmatig het meten van de kwijting over een bereik van stromen, die betrekking hebben op ten minste lage, gemiddelde en hoge stroomt. De oppervlakte van de dwarsdoorsnede opsplitsen in meerdere segmenten (30-60 cm breed), afhankelijk van de breedte van de stroom. Het meten van de gemiddelde snelheid in de middenlijn van het segment met behulp van een draagbare debietmeter. Als de diepte is < 10 cm, de maximale snelheid meten en vermenigvuldig met 0,9 om de gemiddelde snelheid. Als diepte 10-75 cm is, meet u snelheid op 0.6 van de diepte om te bepalen van de gemiddelde snelheid 15. Voor diepten groter dan 75 cm, meten snelheden op drie dieptes (0,2 0,6 en 0,8 van de diepte van het wateroppervlak) en ze gemiddeld 15.
    2. Berekenen van het lozen van een segment met de gemiddelde snelheid, breedte en diepte van het segment en de som van de lozingen van alle segmenten te verkrijgen van een totale lozing.
    3. Volgt u de procedure voor het bereiken van de stromen die betrekking hebben op laag, medium en hoge stromen.
    4. Bepalen de relatie tussen de fase (dat wil zeggen, de diepte van de stroom gemeten door de drukopnemer ten tijde van de meting van de handmatige kwijting) en de gemeten lozingen.
      Opmerking: Als de kwijting te hoog voor het meten van de snelheid handmatig is een tijdelijke gebied-snelheid sensor kan worden gebruikt het maken van een relatie tussen het verlenen van kwijting door het gebied-snelheid sensor gemeten en de diepte gemeten door de sensor van de PT.
  3. Water kwaliteit Multi-parameter sonde
    1. monteren van de sonde op de post van de Telspar met een staaldraad, tips en een karabijnhaak voor de veiligheid van de sonde en eenvoudige installatie en verwijdering ( Figuur 1). Plaats de sonde op de downstream-kant van de post van de Telspar ter voorkoming van schade van puin of hout logs kunnen komen zweven met de stroom water, vooral tijdens de overstromingen. Plaats de onderkant van de sonde minstens 1-10 cm boven het bed van de stream te verminderen de kans op ophoping van sediment op de sonde.
      Opmerking: De sonde moet altijd worden ondergedompeld in het water. Dus, in een stream met verschillende stromen, de sonde moet hoog genoeg zijn om de opbouw van het sediment op de sonde en laag genoeg is om te voorkomen dat de sonde krijgen blootgesteld aan lucht. Echter, voor een kanaal met minder variabele speen, de sonde kan worden geplaatst zodat de sensoren ongeveer 10 cm onder het wateroppervlak zijn.
      Opmerking: Indien de sonde een diepte-sensor heeft, moet de hoogte van de sensor van de diepte van het kanaal bed worden gemeten aan de account voor de diepte van de installatie van de diepte-sensor boven het bed van kanaal.
    2. Macht de sonde met interne batterijen en/of externe batterijen. Gebruik een draagbare batterij box naar het huis van de externe batterij en een mededeling van de kabel verbinden met de sonde. Program van de sonde gegevens iedere 15 minuten te verzamelen en de gegevens rechtstreeks op de computer met behulp van de communicatie kabel downloaden.
  4. Autosampler
    1. installeren een autosampler in weer-beschermende behuizing aan de bovenkant van de stream bank op stabiele grond. Macht de autosampler met een lood-zuur batterij. Installeren van een zonnepaneel 20-W om te laden van de batterij onsite.
    2. Beveiligen van een pijp zeef onder water met de Telspar post of L-beugel en sluit deze aan op de autosampler met een slang.
      Opmerking: De autosampler trekt water uit de stream via de zeef en slang.
      Opmerking: De plaatsing van de zeef pijp is belangrijk om representatieve gegevens te verkrijgen. In dit protocol was het gepositioneerd ervan uitgaande dat geen transversale variabiliteit.
    3. Program de autosampler monster water wekelijks of op basis van behoefte. Raadpleeg de handleiding van de autosampler geboden door defabrikant.
      Opmerking: De autosampler kan worden geprogrammeerd om monster water gebaseerd op regenval, stroom, tijd of een combinatie. De monsternemer kan worden geprogrammeerd om te proeven van één monster in vele flessen, vele monsters in een fles (composite), of een combinatie.
      Opmerking: De autosampler verzamelt een hoeveelheid water (2.000 mL) noodzakelijk voor de analyse van aanvullende parameters in het laboratorium. Naast continue Waterkwaliteit monitoring met behulp van de sonde, monsters worden geanalyseerd op een wekelijkse basis voor concentratie van zwevende sedimenten.

5. Sensor en Sonde onderhoud

  1. schoon gebied-snelheid sensor op elk bezoek aan het verminderen van het puin op of in de buurt van de sensor oppervlakken.
  2. Regelmatig kalibreren de sensoren op de sonde.
    Opmerking: De frequentie is afhankelijk van seizoen, hydrologie, keerpunt, type sensor en tarief van aangroei. In de waterscheidingen hier gekozen, kalibratie moest elke 2 weken kwalitatief goede gegevens verzamelen.
  3. Vervangen de verbruikbare onderdelen, zoals door de fabrikant aanbevolen.
    Opmerking: Dit omvat een pH referentie elektrode/cap, een cap (membraan) voor de-sensor, ion-tip sensoren (nitraat en ammonium sensoren), en een circulerende wisser en penselen.
  4. De sonde voor fabriek reparatie sturen als dat nodig (dat wil zeggen, als de sensor leest geen acceptabele waarden voor de normen, zelfs na resetten en kalibreren, of als de sensoren niet kalibratie).

6. Veld bemonsterings- en laboratoriumonderzoek

  1. voorbereiden op voorhand voor de excursie te behouden van de sensoren en voor het verzamelen van de automatisch verzamelde water handmatig monster en verzamel watermonsters of als een autosampler niet beschikbaar op de site is. Zorg ervoor dat de items in de controlelijst (tabel 1).
  2. Verzamelen de watermonsters in een schone (dat wil zeggen, zuur gewassen en gespoeld) drogen pot (10 L), label ze en vervoer ze op het ijs naar het laboratorium zo spoedig mogelijk p.a..
    Opmerking: Het verzamelde watermonster is een representatieve steekproef onder de werkelijke omstandigheden ten tijde van de bemonstering en op de bijzondere locatie; de integriteit van het verzamelde monster dient gevrijwaard te blijven tegen besmetting en fysische, chemische en biologische veranderingen 12.
    Opmerking: Het materiaal van de container nodig afwijken voor sommige analyten van belang, overwegende dat verzuring en/of filtratie mogelijk vereist zijn op de site.
  3. Analyseren de coltekenveld water monsters in het laboratorium met standaardmethoden voordat het erkende bedrijf keer 16.
    Opmerking: Watermonsters kunnen worden geanalyseerd met behulp van de EPA 353.2; 4500-NO3 voor nitraat, EPA 353.2; 4500-NO2 voor nitriet, EPA 365.1; 4500-PI voor fosfaat, EPA 350.1; 4500-PJ voor stikstof totaal, EPA 365,4; 4500-PJ voor fosfor totaal, 2540-D voor de totale hoeveelheid gesuspendeerde, 2540-C voor totaal opgeloste vaste stoffen, en D 3977-97 voor de zwevende sedimenten concentratie 16 , 17.
  4. Volg de passende kwaliteitscontrole en controles, zoals spaties, normen, wordt gerepliceerd, etc., tijdens de analyse. Volg de Quality Assurance projectplan (QAPP).
  5. Vullen de keten van bewaring bladen voor zowel de collector van de steekproef en het laboratoriumpersoneel en houden van een kopie van elk. Opmerking Elke ongebruikelijke of opmerkelijke evenementen waargenomen in het veld op de keten van bewaring vellen.

7. Gegevensverzameling en analyse

  1. verzamelen water kwalitatieve en kwantitatieve gegevens van de sondes, stroom module en laboratorium.
  2. Een kopie van alle onbewerkte gegevens opslaan voordat u gaat werken met de correctie van de gegevens en analyse.
  3. Zorgvuldig inspecteren van de verzamelde gegevens op turbiditeit en verwijderen van alle nul (bijvoorbeeld 0.0 NTU), NAN of onredelijke waarden (bijvoorbeeld 3.000 NTU; bovengrens van detectie van de sensor) voor verdere analyse.
    Opmerking: Voorzichtigheid moet worden betracht bij het verwijderen van alle gegevens. Ze worden verwijderd, alleen wanneer specifieke omstandigheden in het veld Notities identificeren en bepalen dat de gegevens niet redelijk zijn.
  4. De etappe-kwijting relatie gebruiken voor het berekenen van de kwijting van de sensor van de PT.
    Opmerking: De diepte gemeten door de PT-sensor moet druk gecompenseerd.
    1. De fabrikant gebruik (In situ Inc.) software, " Baromerge, " na de PT sensor om gegevens te corrigeren.
      Opmerking: De gegevens kan worden gecorrigeerd door een vaste barometerdruk waarde door het invoeren van veel barometerdruk waarden handmatig en automatisch met een baroTroll-logboekbestand. Dit protocol maakt gebruik van een baroTroll-logboekbestand ingezet op een nabijgelegen locatie voor het automatisch corrigeren van de PT-sensorgegevens.
  5. Voor gebied-snelheid sensor data, Verwijder eventuele negatieve stroom die zou sensor artefact.
    Let op: Soms kan eigenlijk er negatieve stroom, afhankelijk van de site. In dat geval, ga niet voorbij aan de negatieve snelheid.
  6. Berekenen ontbrekende geen kwijting gegevens met behulp van een lineaire regressie tussen stroomopwaarts of stroomafwaarts kwijting en de kwijting op het station.
    Opmerking: De relatie moet statistisch significant, dat is meestal het geval tussen lozingen voor elke upstream- en downstream-stations. In de waterscheidingen hier getest, de relatie was significant (p < 0,01) en de correlatiecoëfficiënt was meer dan 93%. Echter de ontbrekende gegevens van de geen kwijting kan alleen worden ingevuld met behulp van deze methode als de afstand tussen sites kort is en de waterscheiding kenmerken soortgelijke blijven.
  7. Vult niet ontbrekende waterkwaliteitsgegevens.
    Opmerking: Waterkwaliteitsgegevens zijn beïnvloed door vele variabelen (dat wil zeggen, de timing en toepassing van kunstmest, of het verlenen van kwijting stijgt of daalt, site specifieke voorwaarden, etc.).
  8. Uitvoeren van een regressie-analyse tussen de concentratie van zwevende sedimenten (WS) van de laboratoriumresultaten en de troebelheid (NTU) gemeten stroom.
    Opmerking: Dergelijke een regressie is gevoelig voor de verdeling van de grootte van de sediment, zodanig dat als zand een significant maar variabel deel van de wetenschappelijke stuurgroep vormt, de regressie arme. Echter kan het worden verbeterd als zand en boetes tijdens de analyse van het monster worden gescheiden en de boetes zijn gecorreleerd aan de wetenschappelijke stuurgroep. Gebruiken de regressie om continu SSC waarden te berekenen.
  9. Omdat verontreinigende stof concentraties variëren met kwijting, berekenen stroom-gewogen concentraties met behulp van vergelijking 1 6. Bereken de stroom-gewogen gemiddelde concentraties (FWMC) op een dagelijkse basis gebruiken uurgegevens. U kunt ook berekenen op uurbasis met 15-min de gegevens; de FWMCs zijn geïntegreerd met tijd alsook.
    Equation
    waar
    FWMC = stroom-gewogen gemiddelde concentratie op een dagelijkse basis
    c ik = concentratie van i th monster
    t ik = tijd, 1 h
    q ik = kwijting voor ik steekproef th
    ik = 1 tot en met 24
  10. toepassing van adequate statistische technieken om te voldoen aan de doelstellingen van de gegevens. Wanneer de gegevens niet-normale zijn, de gegevens te laten normale of te gebruiken de mediane ± interkwartielafstand transformeren. Niet-parametrische tests uitvoeren voor niet-normale gegevens.

Representative Results

In de Aryal en Reba (2017) publicatie, is dit protocol gebruikt voor het bestuderen van het transport en transformatie van voedingsstoffen en sediment in twee kleine agrarische waterscheidingen6. Extra resultaten van dit protocol worden hieronder beschreven.

Neerslag-afvoer Water kwaliteit relaties:

De kracht van continue monitoring is dat gebruikers een fijne tijd resolutie te bestuderen van oorzaak-effect relaties, zoals de relatie tussen neerslag en afvoer, troebelheid kiezen kunnen, met 15-min gegevens (figuur 2A). Neerslag gegevens werden van weerstations (www.weather.astate.edu), binnen de Little River sloten Basin en de andere 6.3 mijlen vanaf de Lower St. Francis Basin gedownload. Van 00:00 tot 09:00 uur op 7/22, een totaal van 25,4 mm neerslag is opgetreden. De regenval toegenomen de kwijting van 0.71 m3/s om 00:00 om 4.89 m3/s om 17:45 op 7/22. Er waren meerdere lokale kwijting pieken tijdens de gebeurtenis, waarschijnlijk gebonden aan de ruimtelijke variabiliteit van neerslag en de patronen van de drainage van de velden van rijst en soja, die hebben bijgedragen aan de meerderheid van de stroom. De Lower St. Francis Basin had ongeveer 94% van de oppervlakte in rij gewassen, voornamelijk soja en rijst. Als de kwijting geleidelijk verdwenen, een ander 14-mm regen evenement vond plaats op 7/23 om 07:00 en duurde 5 h. Dus, een andere stijging van de geen kwijting werd gemeten.

Zoals verwacht, troebelheid verhoogd met kwijting volgend op de gebeurtenis regen en geleidelijk verdwenen (figuur 2A). Troebelheid verhoogd van 13 NTU op 23:34 op 7/21 tot 409 NTU om 02:04 op 7/23. De hoogste troebelheid werd verkregen tijdens de toenemende geen kwijting gedeelte van de hydrograph. Het was waarschijnlijk te wijten aan de eerste flush die gronddeeltjes uit de agrarische velden gewassen. Net als bij de kwijting, bleek de troebelheid ook dat twee duidelijke pieken.

Figure 2
Figuur 2. Variatie van regenval, geen kwijting, en de kwaliteit van het Water op Basis van een gebeurtenis in de Lower St. Francis Basin, een agrarische waterscheiding.
(A) regen, geen kwijting en turbiditeit. (B) nitraat, ammonium en geleidbaarheid van 7/21 tot en met 7/26. De meerderheid van de waterscheiding gewassen waren sojabonen en rijst. De regenval, geen kwijting en troebelheid percelen zijn gebaseerd op 60-, 15- en 15-min gegevens, respectievelijk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Evenzo, nitraat, ammonium en geleidbaarheid toonde variaties met afvoer en tijd (figuur 2B). Tijdens een evenement van de afvoer, nitraatconcentratie kan hetzij als gevolg van een verwateringseffect vergroten of verkleinen als gevolg van een vermenging van geconcentreerde afvoer van velden. In de beschouwde periode, nitraat verhoogd tot 4.52 mg/L om 02:04 op 7/22 en geleidelijk verlaagd. De hoogste concentratie van nitraat viel samen met de eerste flush afvoer, zo recent toegepast maar ongebruikte oplosbare stikstof was weggewassen. De tweede piek van de nitraatconcentratie correspondeerde met de tweede piek in de kwijting, maar het had een lagere concentratie dan de eerste piek. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de wegspoeling van gemakkelijk oplosbare stikstof door de eerste flush. De vorm van de nitraat-toppen was vergelijkbaar tijdens beide evenementen, ondanks verschillen in omvang.

De gemiddelde ammonium concentratie was 0,80 mg/L, waarschijnlijk te wijten aan de bijdrage van de rijstvelden. De concentratie ammoniumnitraat gevarieerd lichtjes met twee geen kwijting bergtoppen (dat wil zeggen, met een toename van de geen kwijting toegenomen). De toename van de concentratie ammoniumnitraat met de tweede piek van de geen kwijting was echter minder dan die met de eerste geen kwijting piek, om dezelfde redenen als nitraat (figuur 2B). Zoals met nitraat, bereikte de concentratie ammoniumnitraat voordat de kwijting een piek.

De geleidbaarheid 93-495 µS/cm varieerde in de periode. De geleidbaarheid toonde een omgekeerde relatie te vervullen (figuur 2A en 2B) (dat wil zeggen, geleidbaarheid was hoog tijdens basis stroom en daalde met een toename van de stroom in beide lozingen piek). Nitraat en ammonium waren waarschijnlijk kleine bijdragen aan de geleidbaarheid van het water, aangezien de geleidbaarheid van het water tijdens piek kwijting, daalde alhoewel het nitraat en ammonium hoger dan tijdens de basisomstandigheden waren. De verdunning van regenwater, die lagere geleidendheid heeft, kan hebben bijgedragen tot de lagere geleidbaarheid van het water in de stream.

Dagverloop variaties van pH, temperatuur en zijn duidelijk geïllustreerd door de resultaten van de sonde (Figuur 3). De temperatuur varieerde van 36,1 tot 24,6 ° C van 7/9 - 7/10. De temperatuur van het water in de stream bedroeg de laagste 06:00-07:00 en de hoogste op 17:00-18:00.

Figure 3
Figuur 3. Dagverloop variatie van pH, temperatuur, en doen op een sectie van de stroom in de Lower St. Francis Basin, een agrarische waterscheiding. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Het gehalte aan opgeloste zuurstof was het laagst van middernacht tot 06:00 uur. Aangezien de activiteit van de fotosynthese van de planten na zonsopgang begint, de DO gestaag totdat het piek op 16:19 op 7/9 (9,98 mg/L, 144,9% kleurigheid) en op 15:34 op 7/10 (11.21 mg/L, 159,9% verzadiging). Het DO gestaag gedaald tot middernacht en constant gebleven. Bacteriële en afbraak door algen ademhaling, fotosynthese, koolstofhoudend en stikstofhoudende oxidatie en temperatuur waarschijnlijk beïnvloed de diurnale variatie van18.

De pH varieerde tussen 7,4 en 7,8 van 7/9-7/10. De pH was het hoogst bij 17:34 op 7/9 (7.78) en bij 17:04 op 7/10 (7.77). Dagverloop variatie in pH werd ook beïnvloed door het tarief van de ademhaling, fotosynthese en buffercapaciteit, aangezien kooldioxide, dat vermindert de pH, wordt verwijderd tijdens de fotosynthese en is toegevoegd tijdens de ademhaling in de aquatische systemen.

De concentraties aangegeven in Figuur 2 en Figuur 3, indien gemeten over een langere periode (dat wil zeggen, een maand, seizoen, jaar) kunnen informatie geven over hoe de kwaliteit van het water met de tijd natuurlijke of beheerde omstandigheden verandert.

TempoRAL (maandelijkse) variatie van de lasten van de verontreinigende stof:

Temporele variatie op een gedeelte van de stream kan worden bestudeerd over verschillende tijdschema's. Maandelijkse variatie op het kleine sloten stroomgebied, een kleine agrarische waterscheiding in Noordoost Arkansas, bleek een patroon van stikstof en sediment verlies uit de waterscheiding gedurende het hele jaar (Figuur 4). Verontreinigende ladingen hoog waren in de vroege zomer en laat vallen. De maanden September en oktober werden gekenmerkt door lage verontreinigende stoffen laden, voornamelijk als gevolg van lage stroom. De WS was het hoogst in November en December als gevolg van de hoge regenval op velden onlangs geoogst en gestoord. De gegevens bleek ook dat variaties zeer hoog, waren omdat de dagelijkse lasten werden gedreven door regenval gebeurtenissen die gevarieerd aanzienlijk. De hoge ladingen tijdens laat val (November en December) aangetoond dat vermindering van de nutriënten programma's doeltreffender zijn als zij zich concentreren op het terugdringen van November/December ladingen kunnen worden. Technieken die het verlies van verontreinigende stoffen te in de winter, zoals het gebruik van cover gewassen19 verminderen, moeten bijgevolg beschouwd in watershed management programma's.

Figure 4
Figuur 4. Maandelijkse variatie van nitraat, Ammonium en SSC belasting (kg/d) bij de uitlaat van de Little River sloten bekken.
De waarden zijn gemiddelde ± interkwartielafstand. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Ruimtelijke variatie van lasten van de verontreinigende stof:

Het protocol kan ook de gegevens leveren voor ruimtelijke variaties naast temporele variaties als meerdere stations binnen een keerpunt worden gekozen. Verontreinigende ladingen in een show van de agrarische waterscheiding (Figuur 5) duidelijk toenemende nitraat en ammonium belasting als het water stroomafwaarts reizen. Het verlies in 9.6 kg/ha nitraat per jaar was binnen de 8-14 kg/ha per jaar assortiment gerapporteerd in Missouri in kleine agrarische waterscheidingen met soortgelijke bodem diff20. Dit soort informatie kan worden gebruikt om te evalueren van de doeltreffendheid van instream water beheerspraktijken en vervoer van de verontreinigende stoffen, onder andere.

Figure 5
Figuur 5. Nitraat en Ammonium vervoer in het kleine sloten stroomgebied.
Stroomopwaarts, halverwege, en stroomafwaarts sites waren gelegen ongeveer 2 km van elkaar. De waarden zijn de gemiddelde ± standaardafwijking van gemiddelde op een dagelijkse basis voor augustus 2015. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Sensor aangroei en Sediment opbouw:

In de waterscheidingen van de landbouw, kan de aanwezigheid van voedingsstoffen, zoals stikstof en fosfor, in het water van de afvoer bij hoge concentraties versnellen het tarief waartegen bio-fouling treedt op bij een gegeven temperatuur. Bovendien, kan afvoer water dragen hoge sediment ladingen die afkomstig van de bewerkte velden en afgebrokkelde waterwegen zijn. De belasting hoog sediment kan leiden tot de afzetting van sediment deeltjes op de sensor en sonde oppervlakken en tot de ophoping van sediment. Dergelijke aangroei en sediment opbouw kan resulteren in drift en onnauwkeurige resultaten.

De dagactieve variatie van doen verminderde tot 7/15, steeg op 7/16 na de sensor was schoongemaakt op de site, en abrupt na 13 of 14 dagen (Figuur 6) toe te schrijven aan de aangroei daalden. De groei en de daaruit voortvloeiende accumulatie van micro-organismen op de oppervlakken van de sonde zijn zichtbaar in Figuur 7. De aangroei is ernstig op de oppervlakken waar doekjes of borstels niet schoon. Het effect van sediment opbouw op de troebelheid lezen werd waargenomen op 12/26 (Figuur 8). De regenval op 12/23 en 12/25 verhoogd tot de turbiditeit NTU 1595 en 1073 NTU. De troebelheid daalde zodra de kwijting in de stream daalde. Echter, de grote regen gebeurtenis op 12/26 veroorzaakt de troebelheid te bereiken van de bovengrens van 3000 NTU. De troebelheid lezen bleef stabiel op 3000 NTU als gevolg van de ophoping van puin op de hoede van de sonde en de aanwezigheid van onkruid en planten op de Telspar post. Zodra het puin verzameld, de troebelheid lezingen waren onregelmatig (dat wil zeggen, abrupt veranderd van 3000 NTU naar minder dan 50 NTU in 15 min) en onjuist. Vandaar, de troebelheid van 12/26 tot en met 12/29 zijn geen gegevens van goede kwaliteit.

Figure 6
Figuur 6. Drift van de DO sensorgegevens nadat de Sonde bleef in de stroom gedurende twee weken.
Na kalibratie, de sonde was geïnstalleerd op 7/8 en de drift begon op 7/22. De drift in de sensor lezen na 7/21 resulteerde in een lagere doen dan normaal. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 7
Figuur 7. Afbeeldingen tonen de Fouling op de oppervlakken van de Sensor (links) en schone Sensing oppervlakken van de sensoren (rechts) na uitroeien met een penseel en wisser. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 8
Figuur 8. Troebelheid (NTU) in de Stream vóór en na de opbouw van het Sediment in de Sonde Guard.
Neerslag (mm) wordt weergegeven op de secundaire van de y-as. De troebelheid bleek een uitstekend antwoord op neerslag op 12/16, 12/23 en 12/25. Echter, de grote regenval gebeurtenis van 12/26 gemaakte sediment opbouw in de sonde-guard, en de lezingen van de troebelheid na 12/26 waren defect (meestal 3000 NTU) en grillige. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Trong > aanbieding Aanbieding Selectievakje Documenten QAPP (Quality Assurance projectplan) Keten van bewaring bladen Veld notebook Navigatie maps/GPS Pen, Marker, label tape Veiligheid Zonnebrand/zonnebril Wasp spray EHBO kit Drinkwater Communicatie (GSM) Persoonlijke beschermende uitrusting-Wader, rubberen laars, handschoenen, hoed Touw en anker Antiseptische handwas Monster verzameling, opslag, vervoer Koeler en ijs Monster fles en deksel Labelen van tape Sensor/instrumentatie Communicatiekabels Opgeladen externe batterijen Veld laptop Sonde Communicatie kabel "C" batterijen Borstel en zeep Veld laptop Andere Gereedschapskist (schroef chauffeurs, volt meter, zip-banden, moersleutel,...)

Tabel 1. Checklist van de Items aanbevolen voor een veld bezoek aan monster Water en repareren en onderhouden van sensoren.

Discussion

Globaal, is de continue monitoring van voedingsstoffen en sediment heeft verschillende voordelen ten opzichte van controle met behulp van de grijper bemonsteringsmethode. Hydrologische en water kwaliteitsprocessen worden beïnvloed door neerslag over een zeer korte spanwijdte van tijd. Gebruikers kunnen het verkrijgen van hoge temporele resolutie gegevens over voedingsstoffen en sediment complexe problemen te bestuderen. Andere water kwaliteitsparameters, zoals conductiviteit, pH, temperatuur en, kunnen worden verkregen gelijktijdig en tegen dezelfde kosten monitoring nitraat, ammonium en turbiditeit. Bovendien zijn er andere sensoren van fabrikanten die het mogelijk voor de meting van nog meer water kwaliteitsparameters, zoals chlorofyl, zoutgehalte en oxidation-reduction mogelijkheden, samen met voedingsstoffen en sediment maken.

Dit protocol kan worden gebruikt voor het identificeren van de temporele variatie van de verontreinigende stoffen over een gekozen periode van studie; de ruimtelijke variatie van verontreinigende stoffen in een keerpunt, als monitoring wordt verricht op meerdere stations; en de transversale variatie van verontreinigende stoffen, als monitoring wordt verricht op verschillende punten in een dwarsdoorsnede. Zoals in dit protocol, de diurnale variatie in pH, geleidbaarheid,, nitraat, ammonium, troebelheid en temperatuur kunnen aantonen van oorzaak-effect relaties en bijdragen tot een beter begrip van de bestuurders van verontreinigende ladingen.

Ondanks de succesvolle Continumeting van voedingsstoffen en sediment is de grootste beperking van de methode het verlies van gegevens of het verzamelen van de gegevens van een lage kwaliteit te wijten aan falen van de sensor, verlies van macht, en sediment/puin opbouw. Terwijl siteselectie belangrijk is, is het even belangrijk is vaak de kalibratie controleren of kalibreren wanneer dat nodig is, vervang interne en externe batterijen (indien niet zonne aangedreven), downloaden en gegevens controleren. Kwaliteit van de gegevens kan worden aangetast in verschillende stadia, van data-acquisitie voor gegevensverwerking. Remedies voor mogelijke problemen worden stadium de verwerving, de focus van deze paper, hieronder besproken.

Verlies van de gegevens:

Ongepast programmeren van sensoren, verlies van de macht naar de sensor, enz., lacunes in de gegevens kan veroorzaken. Indien mogelijk, kan een zonne-lader worden geïnstalleerd op de stations de accu bij te laden. Anders, de frequente vervanging van interne (voor sondes) en/of externe batterijen is vereist. Downloaden van de data vaak zal helpen om het probleem snel vast te stellen en aan te pakken, vermindering van het verlies van gegevens toe te schrijven aan geheugenbeperkingen. Knaagdieren kunnen beschadigen kabels en oplopen van verlies van gegevens. Deze verliezen kunnen worden vermeden door gebruik te maken van draad bewakers ter dekking van de kabels.

Lage kwaliteit gegevens toe te schrijven aan de aangroei:

De aangroei van de oppervlakken van de sensor en de resulterende drift of onjuistheden in de gegevens kan worden geminimaliseerd door die betrekking hebben op de sensor guard met koperen tape, met behulp van koperen bewaker, en met behulp van koper gaas rond de sensor-guard. We vonden dat die betrekking hebben op de sonde oppervlakken (niet sensoren) met all-weather plakband sterk vergemakkelijkt het reinigen van de sensoren. Zelfreinigend sondes met ruitenwissers en kwasten, graag in degene die in deze studie gebruikt, geholpen met het schoonmaken van de oppervlakken van de sensoren (Figuur 7). Het gebruik van koperen materialen, zoals tape, wacht, of mesh, verminderd de groei van micro-organismen en de resulterende fouling.

Lage kwaliteit gegevens als gevolg van de ophoping van puin:

Positionering van de sensor en de sonde en het begraven van de kabels onder sediment kunnen beperken puin opbouw. Bijvoorbeeld, helpt plaatsen van de sonde een bepaalde diepte boven het bed stream maar onder het wateroppervlak bij het beperken van sediment opbouw. Ook de sonde op de downstream-kant van de Telspar post brengen vermindert het puin, als de Telspar post vangsten de grote bossen, grassen, enz. , reinigen van de sonde tijdens elk veld bezoek kan helpen om kwalitatief betere gegevens te produceren. Het verpakken van de garde van de sensor met kopergaas vermindert de sedimenten en puin opbouw, interferentie van waterplanten en macroinvertebrates en aangroei.

Terwijl de sonde kan geplaatste stroomopwaarts of stroomafwaarts van de post van Telspar, is schorsing van de sonde op de downstream kant aanbevolen. De eis voor de sensoren in de sonde te meten zonder vooringenomenheid is gelet de beweging van water in de sensor oppervlakken of hebben geen stilstaand water. De dunne breedte van de post (4,0 cm) en de gaten in de post ervoor zorgen dat het water stroomt door de sensor oppervlakken. Bovendien, wanneer de sonde aan de stroomopwaartse zijde van de post is, kunnen aquatisch onkruid en plant materiaal/puin omsluiten de sonde guard, zoals opgemerkt in deze studie. Een ander nadeel van de sonde op de stroomopwaartse zijde brengen is dat, terwijl de guard de sensoren beschermt, de sonde lichaam nog in gevaar van beschadigd raakt door puin/hout aan de stroomopwaartse zijde van de post. Het effect van de post op de meting van de snelheid kan worden getest door visueel waarnemen en vergelijken van de snelheid lezingen met en zonder de post. In dit protocol, het gebied-snelheid sensor was ongeveer 50 cm stroomopwaarts van de post van Telspar, en de aanwezigheid van de Telspar post beïnvloedde niet de snelheid.

Identificeren van de frequentie van kalibratie onder specifieke voorwaarden is belangrijk. Het is een evenwicht van geen afbreuk te doen aan de kwaliteit van de gegevens door onder-kalibreren en niet verspillen van middelen door te kalibreren. In de landbouw stromen in deze studie (dat wil zeggen, warm, vochtig tropisch klimaat) was laboratorium kalibratie om de 2 weken in de zomer (Figuur 6) en elke 3 weken in de winter voldoende. Sensoren waren echter op de site elke week in de zomer schoongemaakt.

De voorbereiding van een QAPP voor alle activiteiten, met inbegrip van de kwaliteitscontrole controleert voordat het project, helpt om potentiële problemen te identificeren, houdt de studie consistent en uniform en produceert kwalitatief betere gegevens. Na de richtlijnen in de procedure QAPP is vereist.

Documentatie van de gebeurtenissen of ongebruikelijke opmerkingen in notebooks of foto's is zeer belangrijk. Vele malen, zijn de resultaten van toezicht gekoppeld aan gebeurtenissen die atypische zijn. Bijvoorbeeld, zal het baggeren (dat wil zeggen, reiniging) van een stream (sloot), dat zeldzaam is, de troebelheid van het watermonster, zelfs zonder verhoogde kwijting toenemen.

De veiligheid van het personeel dat betrokken is bij de werkzaamheden op het terrein, evenals een instrument veiligheid, zijn erg belangrijk. Een veiligheid, gezondheid en welzijn plan moeten vóór het begin van een project worden ontwikkeld. Enkele van de bezorgdheid over de veiligheid zijn slangen, temperatuur gevaren, overstroming, hoge wind, rijden voorwaarden, bliksem, enz logistiek en aanbevolen items te nemen tijdens veld bezoeken vindt u in tabel 1.

Een van de beperkingen van de huidige technologie voor het meten van het nitraat en ammonium (dat wil zeggen, ion-selectieve elektrode) is dat het hen niet nauwkeurig tot zeer lage waarden van de nutriënten meet. Hoewel de resolutie van de sensoren 0,01 mg/L voor zowel nitraat en ammonium sensoren is, de nauwkeurigheid is 5% van de lezing, of maximaal ± 2 mg/L. De nauwkeurigheid van de, troebelheid, pH en geleidbaarheid sensoren zijn ± 0,1 - 0,2 mg/L, of 0,1%; ± 1 - 3% tot 400 NTU; ± 0,2; en ± 5 µS, respectievelijk. Bovendien, de proCol is moeilijk te volgen tijdens de overstromingen als gevolg van de ontoegankelijkheid.

Terwijl dit protocol werd getest in de waterscheidingen van de landbouw, kan het ook worden toegepast op andere stroomgebieden in andere regio's, zoals waterscheidingen beïnvloed door andere land gebruik van activiteiten, met inbegrip van de mijnbouw. Deze methode is ook nuttig bij de beoordeling van de interacties tussen meerdere contaminanten. Toekomstige toepassingen van de hier beschreven methode omvatten sensor vooruitgang om te gaan met de aangroei van de sensoren en de ophoping van puin/sediment op de sonde guard; verdere verbeteringen van de nauwkeurigheid en precisie van de sensoren; de ontwikkeling van draadloze netwerken en de externe doorgifte van gegevens naar de servers; en de opbouw van grotere netwerken voor standaard data acquisitie systemen, gegevensbeheer en toepassingen.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Het onderzoek werd mogelijk als gevolg van financiering van de instandhouding effecten beoordeling Project (CEAP). Wij zijn vooral dankbaar voor toegang tot de site toestemming van de producenten, onderzoek bijstand uit leden van de USDA-ARS-Delta Water Management Research Unit, en analyse van het monster door het personeel op de ecotoxicologie Research Facility, Arkansas State University. Onderdeel van dit onderzoek werd gesteund door een afspraak aan het ARS deelname programma, beheerd door het Oak Ridge Instituut voor wetenschap en onderwijs (ORISE) door een interdepartementale overeenkomst tussen het Amerikaanse ministerie van energie en de USDA. ORISE wordt beheerd door ORAU onder contractnummer DOE DE-AC05-06OR23100. Alle meningen in dit document zijn de blogauteur en weerspiegelen niet noodzakelijk het beleid en de standpunten van USDA, ARS, DOE of ORAU/ORISE.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pellerin, B. A., et al. Emerging Tools for Continuous Nutrient Monitoring Networks: Sensors Advancing Science and Water Resources Protection. J Am Water Resour Assoc. 52, (4), 993-1008 (2016).
  2. Rozemeijer, J., et al. Application and Evaluation of a New Passive Sampler for Measuring Average Solute Concentrations in a Catchment Scale Water Quality Monitoring Study. Environ Sci Tech. 44, (4), 1353-1359 (2010).
  3. Cassidy, R., Jordan, P. Limitations of instantaneous water quality sampling in surface-water catchments: Comparison with near-continuous phosphorus time-series data. J. Hydrol. 405, (1-2), 182-193 (2011).
  4. Facchi, A., Gandolfi, C., Whelan, M. J. A comparison of river water quality sampling methodologies under highly variable load conditions. Chemosphere. 66, (4), 746-756 (2007).
  5. Hamilton, S. Global hydrological monitoring industry trends. Aquatic Informatics. Vancouver, B.C. (2012).
  6. Aryal, N., Reba, M. L. Transport and transformation of nutrients and sediment in two agricultural watersheds in Northeast Arkansas. Agric Ecosyst Environ. 236, 30-42 (2017).
  7. National Research Council (U.S.). Confronting the nation's water problems: The role of research. National Academies Press. (2004).
  8. LMRRA (Lower Mississippi River Resource Assessment). Final Assessment in Response to Section 402 of WRDA 2000 Public Review Draft. (2015).
  9. MWNTF (Mississippi River/Gulf of Mexico Watershed Nutrient Task Force). New Goal Framework. Washington, DC. (2008).
  10. USDA-NRCS (The United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service). Mississippi River Basin Healthy Watersheds Initiative Maps and List of Watershed. Available from: http://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detailfull/national/programs/initiatives/?cid=nrcsdev11_023896 (2016).
  11. Reba, M. L., et al. A statewide network for monitoring agricultural water quality and water quantity in Arkansas. J. Soil Water Conserv. 68, (2), 45a-49a (2013).
  12. Duncan, D., Harvey, F., Walker, M. Australian Water Quality Centre. Environment Protection Authority. Australia. (2007).
  13. Hamilton, S. The 5 essential elements of a hydrological monitoring program. Aquatic Informatics. (2012).
  14. Wagner, R. J., Boulger, R. W. Jr, Oblinger, C. J., Smith, B. A. Guidelines and standard procedures for continuous water-quaity monitors-Station operation, record computation, and data reporting: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 1-D3. Virginia. (2006).
  15. World Metorological Organization. Manual on Stream Gauging Volume I-Fieldwork. (2010).
  16. American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. Standard methods for the examination of water & wastewater. 21st ed, American Public Health Association. (2005).
  17. ASTM (American Society of Testing and Materials) D3977-97. Standard test methods for determining sediment concentration in water samples. ASTM International. West Conshohocken, PA. (1997).
  18. O'Connor, D. J. The temporal and spatial distribution of dissolved oxygen in streams. Water Resour Res. 3, (1), 65-79 (1967).
  19. Dabney, S. M. Cover crop impacts on watershed hydrology. J Soil Water Conserv. 53, (3), 207-213 (1998).
  20. Udawatta, R. P., Motavalli, P. P., Garrett, H. E., Krstansky, J. J. Nitrogen losses in runoff from three adjacent agricultural watersheds with claypan soils. Agric Ecosyst Environ. 117, (1), 39-48 (2006).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics