Instream continuo monitoraggio delle sostanze nutrienti e sedimenti nei bacini agricoli

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Summary

Con l'avanzamento della tecnologia e l'aumento delle aspettative dell'utente finale, è aumentata la necessità e l'uso di dati di risoluzione temporale superiore per la stima del carico inquinante. Questo protocollo descrive un metodo per il continuo in situ acqua qualità monitoraggio per ottenere maggiore risoluzione temporale dati per acqua informato le decisioni di gestione di risorse.

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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

Concentrazioni di inquinanti e carichi nei bacini di variano considerevolmente con il tempo e lo spazio. Informazioni accurate e tempestive sulla grandezza di inquinanti delle risorse idriche sono un prerequisito per comprendere i driver dei carichi inquinanti e per prendere acqua informato decisioni di gestione risorse. Il metodo comunemente utilizzato di "afferrare il campionamento" fornisce le concentrazioni degli inquinanti al momento del campionamento (cioè, una concentrazione istantanea) e può sotto- o overpredict le concentrazioni di inquinanti ed i carichi. Monitoraggio continuo di sostanze nutritive e sedimenti, recentemente ha ricevuto più attenzione dovuto gli avanzamenti in informatica, tecnologia e dispositivi di storage di rilevamento. Questo protocollo viene illustrato l'utilizzo di sensori, sonde e strumentazione per il monitoraggio continuo in situ nitrati, ammonio, torbidità, pH, conducibilità, temperatura e ossigeno disciolto (DO) e per calcolare i carichi da due flussi (fosse) in due bacini agricoli. Con la corretta calibrazione, manutenzione e funzionamento di sensori e sonde, dati di acqua di buona qualità possono essere ottenuti superando condizioni difficili come l'accumulo di incrostazioni e residui. Il metodo può anche essere utilizzato nei bacini di varie dimensioni e caratterizzato da terreni agricoli, forestali e/o urbano.

Introduction

Monitoraggio della qualità dell'acqua fornisce informazioni sulle concentrazioni di sostanze inquinanti a diverse scale spaziali, in base alle dimensioni dell'area che contribuisce, che può variare da una trama o un campo a un punto di svolta. Questo controllo avviene in un periodo di tempo, come un singolo evento, un giorno, una stagione o un anno. Le informazioni che ha raccolse dal monitoraggio qualità dell'acqua, principalmente relativi alle sostanze nutritive (ad es., azoto e fosforo) e sedimenti, possono essere utilizzate per: 1) comprendere i processi idrologici, trasporto e trasformazione degli inquinanti nei flussi, come fossati di drenaggio agricolo; 2) valutare l'efficacia delle pratiche di gestione applicate allo spartiacque per ridurre il carico di nutrienti e di sedimento e di aumentare la qualità dell'acqua; 3) valutare la consegna di sedimenti e nutrienti all'acqua a valle; e 4) migliorare la modellazione delle sostanze nutrienti e sedimento per capire l'idrologico e processi di qualità che determinano il trasporto di sostanze inquinanti e le dinamiche sopra la gamma di scale temporali e spaziali delle acque.

Questa informazione è cruciale per il ripristino dell'ecosistema acquatico, pianificazione sostenibile e la gestione delle risorse di acqua1.

Metodo il più comunemente usato per nutriente e monitoraggio dei sedimenti in un bacino idrografico è afferrare campionamento. Gru a benna campionamento rappresenta accuratamente una concentrazione istantanea al momento del campionamento2. Possa rappresentare anche una variazione delle concentrazioni di inquinanti con tempo se campionamento frequente è fatto. Tuttavia, campionamento frequente è tempo intensivo e costoso, spesso rendendo impraticabile2. Inoltre, afferrare campionamento può sotto- o sopravvalutare le concentrazioni di inquinante reale di fuori il tempo di campionamento2,3,4. Di conseguenza, carichi calcolate utilizzando tali concentrazioni potrebbero non essere accurati.

In alternativa, un monitoraggio continuo fornisce informazioni accurate e tempestive sulla qualità dell'acqua in un intervallo di tempo predeterminato, ad esempio un minuto, un'ora o un giorno. Gli utenti possono selezionare gli intervalli di tempo appropriati in base alle loro esigenze. Monitoraggio continuo consente i ricercatori, progettisti e Manager ottimizzare la raccolta del campione; sviluppare e monitorare metriche tempo integrato, quali carichi giornalieri massimi totale (TMDLs); valutare l'uso ricreativo del corpo idrico; valutare le condizioni di flusso basale; e spazialmente e temporalmente valutare la variazione delle sostanze inquinanti a determinare rapporti di causa-effetto e sviluppare un piano di gestione5,6. Monitoraggio continuo di sostanze nutritive e sedimento ha recentemente ricevuto attenzione aumentata dovuto gli avanzamenti nella tecnologia informatica e sensore, il miglioramento delle capacità dei dispositivi di archiviazione e i crescenti requisiti di dati necessari per lo studio dei processi più complessi 1 , 5 , 7. in un'indagine globale di oltre 700 professionisti di acqua, l'uso di multi-parametro sondes aumentata dal 26% al 61% dal 2002 al 2012 e dovrebbe raggiungere il 66% entro il 20225. Nella stessa indagine, 72% degli intervistati ha indicato la necessità per l'espansione della loro rete di monitoraggio per soddisfare i propri dati ha bisogno di5. Il numero di stazioni in una rete di monitoraggio e il numero delle variabili monitorate per ogni stazione nel 2012 si prevede di aumentare di 53% e 64%, rispettivamente, entro il 20225.

Tuttavia, continuo dell'acqua qualità e quantità di monitoraggio nei bacini agricoli è impegnativo. Eventi di pioggia grande mondare i sedimenti e macrofite, contribuendo all'accumulo di sedimenti alto carico e detriti in sensori e sonde. Il deflusso di eccesso di azoto e fosforo applicato a campi agricoli crea le condizioni ideali per la crescita di organismi microscopici e macroscopici e per la formazione di incrostazioni di instream sensori e sonde, soprattutto durante l'estate. Accumulo di incrostazioni e sedimenti può causare sensori fallire, deriva e produrre dati inaffidabili. Nonostante queste sfide, più fine risoluzione temporale (come basso secondo minuto) dati sono richiesti per studiare i processi di deflusso e la contaminazione di origine non-punto, come essi sono influenzati dalle caratteristiche del bacino idrografico (ad esempio, le dimensioni, terreno, pendenza, ecc. ) e la tempistica e l'intensità di pioggia7. Osservazione del campo di attenzione, frequente calibrazione e corretta pulizia e manutenzione può garantire buona qualità dati dai sensori e sonde, anche a una risoluzione di tempo.

Discutiamo qui, un metodo per l' in situ continuo monitoraggio dei due bacini agricoli utilizzando acqua di multi-parametro qualità sondes, zona-velocità e sensori di pressione trasduttore e autocampionatori; loro taratura e manutenzione sul campo; ed elaborazione dei dati. Il protocollo viene illustrato il modo in cui può essere eseguita il monitoraggio della qualità dell'acqua continua. Il protocollo è generalmente applicabile al continuo dell'acqua qualità e quantità di monitoraggio a qualsiasi tipo o dimensione di spartiacque.

Il protocollo è stato effettuato in Northeast Arkansas nel bacino del piccolo fiume Fossati (HUC 080202040803, area2 km 53,4) e Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, area2 km 23,4). Questi due bacini idrografici vuotano nel affluenti del fiume del Mississippi. Un'esigenza di monitoraggio affluenti del fiume del Mississippi è stata identificata dal comitato di conservazione inferiore di fiume del Mississippi e il Golfo del Messico ipossia Task Force per sviluppare un piano di gestione del bacino idrografico e registrare lo stato di avanzamento delle attività di gestione 8 , 9. Inoltre, questi bacini sono caratterizzati come bacini di messa a fuoco per la United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service (USDA-NRCS), sulla base del potenziale di riduzione dell'inquinamento dei sedimenti e degli elementi nutritivi e per migliorare la qualità di acqua10. Monitoraggio di bordo di campo avviene in questi bacini idrografici come parte di tutto lo stato del Mississippi River Basin sano spartiacque iniziativa (MRBI) rete11. Più dettagli dei bacini (cioè, posizioni di siti, caratteristiche del bacino idrografico, ecc.) sono forniti in Aryal e Reba (2017)6. In breve, il piccolo bacino di fossati ha prevalentemente limo terriccio terreni e cotone e soia sono le colture principali, mentre il Lower St. Francis Basin ha principalmente il terreno argilloso Sharkey, e riso e soia sono le colture principali. A ogni bacino idrografico, in situ continuo acqua quantità e qualità (cioè, temperatura di scarico, pH,, torbidità, conducibilità, nitrato e ammonio) di monitoraggio è stato effettuato in tre stazioni nel mainstream usando questo protocollo per comprendere la variabilità spaziale e temporale dei carichi inquinanti e i processi idrologici. Inoltre, i campioni di acqua settimanali sono stati raccolti e analizzati per sedimenti sospesi concentration.

Protocol

1. selezione del sito

  1. selezione di spartiacque
    1. selezionare watershed(s) base alla grandezza del problema dell'inquinamento, priorità dello spartiacque, vicinanza con il centro di ricerca, l'accesso al sito, e gli obiettivi dati.
  2. Punti di campionamento del flusso
    1. selezionare la località di campionamento flusso basata allo scopo di studio.
      Nota: Punti di campionamento ottimale sono ben mescolate all'interno di una sezione trasversale, in modo sicuro e facilmente accessibile, geograficamente stabile (cioè, sezione trasversale costante e una banca di appoggio della custodia dello strumento è stazione) e rappresentante 12 , 13 , 14. Stazioni non immediatamente a valle della confluenza di due torrenti e in una sezione di canale rettilineo, senza una sezione di canale convergenti o divergenti, sono più omogenee e rappresentative 14.
    2. Co-localizzare idrologico e misurazioni di qualità a una sezione trasversale per calcolare i carichi di acqua.
      Nota: Se identificare la variazione spaziale di nutrienti e di sedimenti in un bacino idrografico, selezionare stazioni multiple di indirizzare i potenziali fonti in tutto il bacino idrografico.

2. Strumento e selezione sensore

  1. Scegli Strumenti e sensori per misurare lo scarico e la qualità dell'acqua e per raccogliere campioni di acqua in un intervallo previsto. Scegliere lo strumento e sensori basati sulla necessità di dati, spartiacque e risorse disponibili.
    Nota: Ideale sensori sono affidabile, accurata, sensibile, precisa, basso costo e adatto all'ambiente di flusso e richiedono una manutenzione limitata e una formazione minima del campo tecnico 13. In un bacino agricolo, accumulo di incrostazioni e residui sono le maggiori cause di preoccupazioni. Di conseguenza, sondes dotato di caratteristiche autopulenti e antivegetativi sono preferiti.
    1. Uso un autocampionatore, sonde, una zona-velocità sensore, un trasduttore di pressione e un misuratore di portata portatile.
      Nota: La sonda dovrebbe avere un tergicristallo per pulire il sensore di torbidità e una spazzola per pulire il pH, ammonio, nitrato e fare sensori.
      Nota: Lo strumento in questo protocollo si riferisce a un'unità di campionamento di acqua che consiste di un autocampionatore, tubo flessibile, modulo filtro o flusso e zona-sensore di velocità.
  2. Parametri di qualità dell'acqua select basano sull'obiettivo di dati, costo di sensore e disponibilità. Misurare la temperatura, pH, DO, conducibilità, torbidità, ammonio e nitrato ogni 15 min.
    Nota: Temperatura, pH, DO e conducibilità sono i più comuni parametri scelti e sono misurati presso le stazioni USGS, considerando che il nitrato di ammonio e torbidità sono meno comuni, ma stanno guadagnando popolarità 1 , 14.
    Nota: gli obiettivi dati dipendono le caratteristiche del bacino idrografico. Ad esempio, azoto e fosforo di monitoraggio può essere più importante nei bacini agricoli rispetto al fosforo monitoraggio nei bacini urbani.

3. Calibrazione sonda e programmazione

  1. calibrare i sensori sulla sonda conforme alle raccomandazioni del produttore. Modificare il protocollo di calibrazione come necessario in base alle condizioni ambientali locali.
    Nota: La frequenza di taratura dipende dall'ambiente in cui sono esposti i sensori. In genere, cade entro 2-4 settimane. Qui, le sonde sono calibrati ogni 2 settimane durante la stagione di crescita e ogni 3 settimane in crescita non stagione (da novembre ad aprile).
  2. Presso il laboratorio di pulire la sonda accuratamente prima della taratura. Pulire le superfici del sensore utilizzando spazzole morbide (ad es., spazzolini da denti) e sapone o detergente universale. Rimuovere il circolatore tergicristallo e pennello utilizzando una chiave esagonale; pulire il tergicristallo e pennello.
  3. Pour l'elettrolita nell'elettrodo di riferimento di pH, riempirlo con la soluzione dell'elettrolito fresco e aggiungere una pastiglia di sale cloruro di potassio per mantenere la conducibilità della soluzione dell'elettrolito. Chiudere il tappo in modo che sia chiuso ermeticamente; alcuni elettroliti si riverserà fuori mentre è essere chiusa con il tappo. Sciacquare la sonda con acqua deionizzata.
  4. Sospendere la sonda su un robusto supporto in modo che il fondo la sonda riposa circa 20-30 cm sopra il piano del tavolo, permettendo di facile lavorabilità. Collegare la sonda al computer utilizzando un cavo di comunicazione. Avviare il produttore ' software s. Premere " operare sonda " per entrare nel programma sonda.
  5. Impostare il numero di standard di calibrazione presso il " impostazione dei parametri " scheda. Calibrare i sensori nel seguente ordine: conducibilità, pH,, torbidità, nitrato e ammonio.
    Nota: L'ordine della taratura è importante, come nitrato e ammonio sensori utilizzano i valori di conducibilità e pH.
    Nota: Il numero di standard di calibrazione è 2 per conducibilità, 2 o 3 per pH, 1 per, 2 o 4 per torbidità, 2 per il nitrato e 2 per ammonio.
  6. Sciacquare il sensore con acqua DI più volte e asciugare le superfici o dai sensori con salviettine prima di introdurre uno standard al sensore per evitare contaminazioni.
    Nota: Prima di calibrare ogni sensore, prendere nota dei valori il sensore legge per i seguenti standard: fare, pH 7, torbidità per DI e 50 NTU, nitrato per 50 mg/L e ammonio per 50 mg/L. Questi valori possono essere utilizzati per valutare se i sensori erano accurati nel campo. Può anche essere utilizzati con prudenza per correggere i valori dei campi.
  7. Dopo la calibrazione di ogni sensore (passaggi 3.8-3.13) per uno standard, " successo di calibrazione " apparirà; se la taratura fallisce, resettare il sensore e riprovare. Se il sensore non riesce ancora, i materiali di consumo potrebbe essere necessario sostituzione o riparazione di fabbrica il sensore va.
    Nota: Resettare il sensore nitrato o ammonio reimposterà entrambi i sensori.
  8. Calibrare il sensore di conducibilità con calibrazione a 2 punti; 0 µs/cm per un sensore asciutto e 1.412 µs/cm per la soluzione standard. Scegliere " SpCond [µs/cm] " alla " taratura " scheda. Asciugare la parte ovale del sensore completamente con salviette. Immettere " 0.0 " in µs/cm e immettere " calibrare. "
    1. inserto lo standard in un sacchetto per coprire interamente la parte ovale del sensore. Attendere il sensore di lettura si stabilizza (~ 2-5 min), immettere " 1412 " in µs/cm e immettere " calibrare. " " successo di calibrazione " apparirà; Se la taratura fallisce, resettare il sensore e riprovare.
  9. Calibrare il sensore di pH utilizzando pH 7 e pH 10 standard e verificare la linearità della taratura pH 4. Selezionare il " pH [unità] " tab nella scheda calibrazione inserire il pH 7 standard in un sacchetto che coprono sia la giunzione di pH e l'elettrodo di riferimento. Attendere circa 5 minuti per esso per stabilizzare. Immettere " 7.0 " come il pH di valore e immettere " calibrare. "
    1. sciacquare gli elettrodi e asciugarli uso salviettine. Inserire pH 10 e seguire la stessa procedura per quanto riguarda pH 7. Inserire pH 4 per controllare se è soddisfatta la linearità della curva di taratura; il sensore calibrato dovrebbe leggere 4 ± 0,2 per il pH 4.0 standard.
  10. Calibrare il sensore utilizzando acqua temperatura stabilizzata, aria satura, deionizzata (18 M Ω-cm) come unico punto standard.
    1. Selezionare il " LDO % [Sat] " Tab. riempire la tazza di calibrazione con acqua distillata al livello quasi-completa e collocare la tazza sulla sonda. Invertire la sonda per assicurarsi che il sensore di temperatura e membrane sono completamente coperti da acqua.
    2. Attendere circa 5 minuti per stabilizzare la lettura della percentuale di saturazione. Una volta stabilizzato, immettere " 100 " per la saturazione percentuale. Immettere la pressione barometrica in mmHg controllando una stazione meteo locale e immettere " calibrare. "
      Nota: acqua DI è temperatura-stabilizzato e saturo di aria lasciando aperta nell'atmosfera almeno una notte in laboratorio per lo scambio di gas, saturazione e stabilizzazione della temperatura. Pressione barometrica deve essere fornito, poiché la saturazione dipende dalla pressione atmosferica oltre la temperatura (misurata dalla sonda stessa).
    3. Controllare il fattore di scala, che dovrebbe essere di 0.5 - 1.5, per la calibrazione accettabile. Uscire dal programma di calibrazione, entrare in modalità terminale, utilizzare le frecce per evidenziare " Log In, " e premere " immettere. " evidenziare " livello 3 " e premere " immettere. " evidenziare " installazione " e premere " immettere. " evidenziare " sensori " e premere " immettere. " evidenziare " fare " e premere " immettere. " evidenziare " DO % Sat " e premere " immettere. " nota il fattore di scala.
    4. Press " Esc " per entrare e uscire " operare sonda " nuovamente. Selezionare il " scheda Calibrazione " per continuare la calibrazione.
    5. Inverti la sonda indietro e sospenderlo in modo che i sensori verso la terra.
  11. Calibrare il sensore di torbidità utilizzando 4 standard: DI, 50 NTU, NTU 100 e 200 NTU. Selezionare il " torbidità [scorso] " scheda. In una tazza di calibrazione, messo abbastanza DI acqua per coprire almeno il fondo del sensore di torbidità. Lasciate che la lettura di torbidità stabilizzare. Inserire punto " 1 " per gli standard DI, un " 0.6 " valore di torbidità NTU, e " calibrare. "
    1. allo stesso modo, calibrare il sensore di torbidità per altri standard. Prevenire la formazione di bolle di omogeneizzazione delle norme, girando su e giù la bottiglia (non agitare) e versando gli standard lungo la Coppa.
    2. Dopo la taratura di tutti gli standard, controllare le letture del sensore per DI e 50 NTU per vedere se la taratura era accettabile (cioè, all'interno di ± 1%).
  12. Calibrare il sensore di nitrato usando due standard: alta (50 mg/L n. 3 -N) e basso (5 mg/L n. 3 -N). Selezionare il " n. 3 [mg/L-N] " scheda.
    1. Pour la 50 mg/L standard per riempire la tazza di calibrazione fino a tre quarti pieno e collocare la tazza sulla sonda, creazione di una connessione a tenuta stagna. Capovolgere la sonda in modo che i sensori di temperatura e di nitrato sono completamente coperti. Attendere per 15 minuti (o fino a quando la lettura è stabile). Una volta stabilizzato, immettere il livello standard " 1 " e un valore di " 46.2. " registrare le letture di temperatura e mV in un notebook. Immettere " calibrare. "
      Nota: il sensore di nitrato utilizza il sensore di temperatura oltre i sensori di conducibilità e pH.
    2. Risciacquare i sensori con acqua DI varie volte e asciugarle con salviette. Ripetere la stessa procedura per il basso standard. La differenza tra le letture di due tensione dovrebbe essere 50-65 mV, e la differenza tra le letture di temperatura non deve superare 5 ° F per la calibrazione essere accettabile.
  13. Calibrare il sensore di ammonio allo stesso modo il sensore nitrato.
  14. Reinstall e calibrare il tergicristallo e pennello. Scegli la " SelfClean [Rev] " scheda, scegliere " 1 " rotazione e immettere " calibrare. "
    Nota: il tergicristallo e pennello ruoterà una volta.
  15. Una volta che tutti i sensori sono calibrati, programmare la sonda. Immettere " impostare l'orologio di tempo del pc " alla " sistema " scheda per la sincronizzazione. Eliminare il file di registro più antico, se ci sono 4 file di log esistenti e creare un nuovo file di registro. Una volta creato il file di registro, selezionare i parametri di monitoraggio e i parametri per accedere. Selezionare il monitoraggio durata (cioè, fino alla successiva calibrazione, solitamente 2-3 settimane nei bacini di agricole) e l'intervallo (15 min) scegliendo l'inizio e di fine del file registro e l'intervallo di registrazione. Salvare il file di log.
    Nota: In qualsiasi momento, una sonda può memorizzare fino a 4 file di log.
  16. Verifica la tensione della batteria interna ed eventualmente sostituire le batterie interne.
    1. Selezionare il " di monitoraggio online " scheda e avviare il monitoraggio online.
    2. Verifica la lettura della tensione della batteria interna. Se è inferiore a 10,5 V, sostituirlo con otto nuove batterie di C.
      Nota: La sonda si interrompe la registrazione dei dati se la tensione di batteria scende sotto ~9.0 V.
    3. Utilizzare silicone per sigillare il tappo del vano batterie per stabilire una connessione a tenuta stagna.
  17. Montare la protezione del sensore e metterlo in un secchio mezzo pieno d'acqua.
    Nota: Le sonde nel secchio sono pronti per il trasporto e (ri) installazione presso i siti. Le sonde devono essere sommerse per l'elettrodo di pH funzionare correttamente.

4. Strumento e installazione del sensore

  1. modulo sensore e flusso di zona-velocità
    1. montare il sensore di velocità del zona saldamente su un piatto d'acciaio a una sezione selezionata. Montare la piastra d'acciaio sui " L " staffa ( Figura 1) che viene montato in Telspar post guidato al thalweg del flusso (cioè, la parte più profonda del canale) ( Figura 1); l'estensione della " L " staffa a Monte del post Telspar deve essere sufficientemente lungo affinché il flusso non è influenzato dalla presenza del post Telspar nel flusso. Posizionare il sensore il " L " staffa sul letto del torrente in modo tale che la punta del sensore si trova di fronte a Monte lungo le linee di flusso.
      Nota: L'effetto di Telspar post può essere valutata visivamente se l'introduzione del post crea dispersione di flusso nella posizione del sensore a Monte o quantitativamente mediante letture dei sensori con e senza il post di Telspar. In questo protocollo, variabilità della sezione trasversale è stata considerata trascurabile. Se è da valutare, più sonde o sensori possono trovarsi in una sezione trasversale. Le misure di sensore di zona-velocità media velocità usando il metodo Doppler ad ultrasuoni. Non richiede un fattore di conversione basato su flusso profondità o velocità di profilatura e calibrazione on-site. Il modulo di flusso misura la velocità da -1.5 a 6,1 m/s e profondità da 0,01 m a 9,15 m. Come tale, è applicabile a diversi bacini idrografici.
    2. Per calcolare il discarico, misurare l'area della sezione trasversale.
      Nota: Il software direttamente possibile calcolare l'area se viene fornita la forma del canale o un'equazione.
      Nota: I dati dal sensore vengono registrati direttamente nel modulo flusso e può essere scaricati a un computer utilizzando il produttore ' s software e un cavo di comunicazione.

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Figura 1. Layout di un tipico Instream monitoraggio Stazione (non in scala).
La stazione contiene un post di Telspar in cui la sonda è sospesa mediante un cavo d'acciaio, un moschettone e puntali. Le boccole non vengono mostrate. La staffa a L su cui è montato il sensore di velocità di zona è posto al letto del torrente ed è fissata saldamente al post utilizzando dadi e bulloni. L'autocampionatore (non mostrato in figura) tira il campione di acqua da un tubo contenente un filtro all'estremità. Il cavo del sensore di velocità di zona è collegato al modulo di flusso (non mostrato). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. trasduttore di pressione (sensore PT)
    1. ogni volta che il sensore di velocità di zona non è disponibile, misurare la profondità utilizzando un trasduttore di pressione.
    2. Installare il sensore PT all'interno del post di Telspar e fissarla con un filo di acciaio e boccole; la punta del sensore deve toccare appena letto del torrente. Programmare il sensore PT per misurare la profondità dell'acqua a intervalli di 15 min.
  2. Manuale scarico misura
    1. per stazioni con un sensore PT come una Scarica misuratore, fare una curva di fase-scarico misurando manualmente lo scarico sopra una gamma di portate, che copre almeno bassa, media e alta flussi. Dividere l'area della sezione trasversale in diversi segmenti (30-60 cm di larghezza), a seconda della larghezza del flusso. Misurare la velocità media nella linea centrale del segmento utilizzando un misuratore di portata portatile. Se la profondità è < 10 cm, misurare la velocità massima e moltiplicare per 0,9 per ottenere la velocità media. Se la profondità è di 10-75 cm, misurazione della velocità a 0.6 della profondità per determinare la velocità media di 15. Per profondità maggiori di 75 cm, misurare le velocità a tre profondità (0,2, 0,6 e 0,8 della profondità dalla superficie dell'acqua) e li media 15.
    2. Calcolare lo scarico di un segmento utilizzando la velocità media, la larghezza e la profondità del segmento e sommare gli scarichi da tutti i segmenti per ottenere uno scarico totale.
    3. Seguire la procedura per le gamme dei flussi che coprono di bassa, media e alti flussi.
    4. Determinare la relazione tra la fase (cioè, profondità di flusso misurata dal trasduttore di pressione al momento della misurazione manuale di scarico) e gli scarichi misurati.
      Nota: Se lo scarico è troppo alto per misurare la velocità manualmente, un sensore di velocità zona temporanea può essere utilizzato una relazione tra lo scarico misurata dal sensore zona-velocità e la profondità misurata dal sensore PT.
  3. Acqua qualità multi-parametro sonda
    1. montare la sonda sul post Telspar con un filo di acciaio, puntali e un moschettone per sonda sicurezza e facilità di installazione e rimozione ( Figura 1). Posizionare la sonda sul lato a valle del post Telspar per evitare danni da detriti o legno registri che possono venire galleggianti con l'acqua di flusso, specialmente durante le inondazioni. Collocare la parte inferiore della sonda almeno 1-10 cm sopra il letto di flusso per ridurre la probabilità di accumulo di sedimenti sulla sonda.
      Nota: La sonda dovrebbe sempre essere immersa nell'acqua. Pertanto, in un flusso con flussi variabili, la sonda dovrebbe essere abbastanza alto per ridurre l'accumulazione del sedimento sulla sonda e sufficientemente bassa per impedire che la sonda sempre esposte all'aria. Tuttavia, per un canale con meno variabile flusso, è possibile inserire la sonda tale che i sensori sono circa 10 cm sotto la superficie dell'acqua.
      Nota: Se la sonda ha un sensore di profondità, l'altezza del sensore di profondità dalla base della scanalatura dovrebbe essere misurata all'account per la profondità di installazione del sensore di profondità sopra il letto del canale.
    2. Potenza la sonda con batterie interne e/o batterie esterne. Utilizzare una scatola di batteria portatile per ospitare la batteria esterna e un cavo di comunicazione per connettere la sonda. La sonda per raccogliere dati ogni 15 min e scaricare i dati direttamente al computer utilizzando il cavo di comunicazione del programma.
  4. Autocampionatore
    1. installare un autocampionatore in Meteo-protettivo vano nella parte superiore della banca di flusso su un terreno stabile. Potenza l'autocampionatore con una batteria al piombo. Installare un pannello solare 20 W per caricare la batteria in loco.
    2. Fissare un tubo filtro sotto l'acqua con il post di Telspar o L-staffa e collegarlo per l'autocampionatore con un tubo flessibile.
      Nota: L'autocampionatore tira l'acqua dal flusso tramite il filtro e il tubo.
      Nota: Il posizionamento del tubo filtro è importante per ottenere dati rappresentativi. In questo protocollo, è stata posizionata non assumendo nessuna variabilità trasversale.
    3. Programma l'autocampionatore per acqua campione settimanale o basata su necessità. Consultare il manuale di autocampionatore fornito dal produttore.
      Nota: L'autocampionatore può essere programmato per esempio acqua basato su pioggia, flusso, tempo o una combinazione. Il campionatore può essere programmato per assaggiare un campione in molte bottiglie, molti campioni in una bottiglia (composito), o una combinazione.
      Nota: L'autocampionatore raccoglie un volume di acqua (2.000 mL) necessaria per l'analisi dei parametri aggiuntivi in laboratorio. Oltre al continuo dell'acqua qualità monitoraggio utilizzando la sonda, i campioni vengono analizzati su base settimanale per la concentrazione di materiale solido in sospensione.

5. Sensori e Sonde manutenzione

  1. sensore pulito zona-velocità su ogni visita a ridurre i detriti su o vicino le superfici sensore.
  2. Frequentemente calibrare i sensori sulla sonda.
    Nota: La frequenza è dipende dalla stagione, idrologia, spartiacque, tipo di sensore e tasso di fouling. Negli spartiacque scelti qui, calibrazione è necessaria ogni 2 settimane per raccogliere dati di buona qualità.
  3. Sostituire le parti di consumo, come raccomandato dal produttore.
    Nota: Questo comprende un elettrodo di riferimento pH/tappo, un cap (membrana) per il sensore, ione-sensori (sensori di nitrato e ammonio) e un tergicristallo circolo e spazzole.
  4. Inviare la sonda per la riparazione di fabbrica se necessario (ad esempio, se il sensore non è in grado di leggere valori accettabili per gli standard, anche dopo la reimpostazione e ricalibratura, o se i sensori non riescono calibrazione).

6. Campo di campionamento e analisi di laboratorio

  1. preparare in anticipo per il viaggio di campo per mantenere i sensori e per raccogliere l'acqua automaticamente raccolti campioni o manualmente campione e raccogliere acqua se un autocampionatore non è disponibile presso il sito. Assicurarsi di includere gli elementi elencati nella lista di controllo (tabella 1).
  2. Raccogliere i campioni di acqua in un ambiente pulito (cioè, acido lavato e risciacquato) e asciugare il barattolo (10 L), etichettarle e trasportarli su ghiaccio al più presto il laboratorio di analisi.
    Nota: Il campione di acqua raccolta è un campione rappresentativo nelle condizioni reali al momento del campionamento e nella posizione particolare; dovrebbe essere preservata l'integrità dei campioni raccolti contro la contaminazione e cambiamenti fisici, chimici e biologici 12.
    Nota: Il materiale del contenitore richiesto può essere diverso per alcuni analiti di interesse, considerando che l'acidificazione e/o filtrazione può essere richiesto presso il sito.
  3. Analizzare la colonato acqua campioni in laboratorio utilizzando metodi standard prima dell'azienda approvato volte 16.
    Nota: I campioni di acqua possono essere analizzati usando 353.2 EPA; 4500-NO3 per nitrato, EPA 353.2; 4500-NO2 per nitrito, EPA 365.1; 4500-PI per fosfato, 350.1 EPA; 4500-PJ per l'azoto totale, EPA 365,4; 4500-PJ per il fosforo totale, 2540-D ai solidi sospesi totali, 2540-C per totale solidi disciolti e D 3977-97 per la concentrazione di materiale solido in sospensione 16 , 17.
  4. Seguire l'adeguato controllo di qualità e controlli, ad esempio spazi vuoti, standard, repliche, ecc., durante l'analisi. Seguire il piano di progetto di garanzia della qualità (QAPP).
  5. Riempire la catena di fogli di custodia per il collettore del campione e il personale di laboratorio e conservare una copia di ciascuno. Nota qualsiasi eventi insoliti o notevoli osservati nel campo sulla catena di fogli di custodia.

7. Raccolta dati e analisi

  1. dati di qualità e quantità di raccogliere acqua sondes, modulo di flusso, laboratorio e.
  2. Salvare una copia di tutti i dati grezzi prima di lavorare con la correzione dei dati e l'analisi.
  3. i dati raccolti su torbidità di ispezionare con cura e rimuovere qualsiasi zero (ad es., 0.0 NTU), NAN o irragionevoli valori (ad es., 3.000 NTU; limite di rilevazione del sensore) prima di un'ulteriore analisi.
    Nota: Prestare attenzione durante la rimozione di tutti i dati. Vengono rimossi solo quando le condizioni specifiche del sito nel campo note identificano e determinano che i dati non sono ragionevoli.
  4. Utilizzare la relazione di fase-scarico per calcolare lo scarico dal sensore PT.
    Nota: La profondità misurata dal sensore PT deve essere compensate in pressione.
    1. Uso il produttore (In situ Inc.) software, " Baromerge, " post-correggere i dati del sensore PT.
      Nota: I dati possono essere corretti da un valore di pressione barometrica fisso inserendo molti valori di pressione barometrica manualmente e automaticamente con un file di registro baroTroll. Questo protocollo utilizza un file di registro baroTroll distribuito nelle vicinanze per correggere automaticamente i dati del sensore PT.
  5. Per i dati del sensore di velocità di zona, rimuovere qualsiasi flusso negativo che potrebbe essere il sensore manufatto.
    Attenzione: A volte ci potrebbe in realtà essere flusso negativo, a seconda del sito. In tal caso, non ignorare la velocità negativa.
  6. Calcolare dati mancanti di scarico utilizzando una regressione lineare tra mandata a Monte o a valle e lo scarico alla stazione.
    Nota: Il rapporto dovrebbe essere statisticamente significativo, che di solito è il caso tra gli scarichi per tutte le stazioni a Monte e a valle. Negli spartiacque testati qui, la relazione era significativa (p < 0,01) e il coefficiente di correlazione era supera al 93%. Tuttavia, i dati mancanti di scarico possono essere riempiti solo utilizzando questo metodo, se la distanza tra i siti è breve e le caratteristiche di spartiacque rimangono simili.
  7. Non riempire i dati mancanti di qualità acqua.
    Nota: Dati di qualità dell'acqua sono influenzati da molte variabili (cioè, timing e applicazione del fertilizzante, se lo scarico è crescente o decrescente, le condizioni specifiche del sito, ecc.).
  8. Eseguire un'analisi di regressione fra la concentrazione di materiale solido in sospensione (SSC) dai risultati di laboratorio e la torbidità (NTU) misurata al ruscello.
    Nota: Tali una regressione è sensibile alla distribuzione granulometrica dei sedimenti, tale che se sabbia costituisce una frazione significativa ma variabile del CSD, la regressione sarà scarsa. Tuttavia, può essere migliorato se sands e multe sono separate durante l'analisi dei campioni e le multe sono correlate per la SSC. Utilizzare la regressione per calcolare valori continui di SSC.
  9. Dal momento che le concentrazioni di inquinanti variano con scarico, calcolare le concentrazioni di flusso-weighted utilizzando l'equazione 1 6. Calcolare le concentrazioni medie ponderati per flusso (FWMC) su base giornaliera, utilizzando dati orari. In alternativa, calcolare su base oraria e utilizza i dati di 15 min. i FWMCs sono tempo-integrato pure.
    Equation
    dove
    FWMC = concentrazione media ponderata di flusso su una base quotidiana
    c ho = concentrazione di i th campione
    t ho = tempo, 1 h
    q ho = scarico per i th campione
    io = 1 a 24
  10. applicare le tecniche statistiche appropriate per conseguire gli obiettivi di dati. Quando i dati sono non-normale, è possibile trasformare i dati per renderli normali o utilizzare il mediano ± scarto interquartile. Eseguire i test non parametrici per dati non normali.

Representative Results

Nella pubblicazione (2017) Aryal e Reba, questo protocollo è stato usato per studiare il trasporto e la trasformazione di sostanze nutritive e dei sedimenti in due piccoli bacini agricoli6. Ulteriori risultati da questo protocollo sono descritti di seguito.

Deflusso acqua qualità relazioni:

La forza di monitoraggio continuo è che gli utenti possono scegliere una risoluzione di bel tempo per studiare le relazioni di causa-effetto, ad esempio la relazione tra pioggia, deflusso e torbidità, utilizzando i dati di 15 min (Figura 2A). Dati pluviometrici sono stati scaricati da stazioni meteorologiche (www.weather.astate.edu), uno dentro il piccolo bacino di fossati e le altre 6,3 miglia lontano dal Lower St. Francis Basin. Dalle 00:00 alle 09:00 il 22/7, si è verificato un totale di 25,4 mm di pioggia. La piovosità è aumentato lo scarico da 0,71 m3/s alle 00:00 a 4,89 m3/s alle 17:45 il 22/7. Ci sono stati picchi multipli locale di scarico durante l'evento, probabilmente legata alla variabilità spaziale delle precipitazioni e i modelli di drenaggio dei campi di riso e soia che hanno contribuito alla maggior parte del flusso. Il Lower St. Francis Basin aveva circa il 94% della superficie in raccolti di fila, principalmente soia e riso. Come lo scarico si sono abbassati gradualmente, un altro evento di 14 mm di pioggia si è verificato il 7/23 alle 07:00 e durò per 5 h. Di conseguenza, è stato misurato un altro aumento nello scarico.

Come previsto, torbidità aumentato con scarico dopo l'evento di pioggia e si sono abbassati gradualmente (Figura 2A). Torbidità è aumentato da NTU 13 alle 23:34 il 21/7 a 409 NTU alle 02:04 il 23/7. La torbidità massima è stata ottenuta durante la parte di scarico aumentante dell'idrogramma. Era probabilmente dovuto il primo filo che lavato particelle di suolo da campi agricoli. Come con lo scarico, la torbidità inoltre ha mostrato che due chiari picchi.

Figure 2
Nella figura 2. Variazione delle precipitazioni, la dimissione e la qualità dell'acqua su una base di evento nel bacino inferiore St. Francis, un bacino agricolo.
(A) pioggia, scarico e torbidità. (B) nitrato di ammonio e conducibilità dal 21/7 al 7/26. La maggior parte delle colture spartiacque era riso e soia. Le trame delle precipitazioni, la dimissione e torbidità si basano su 60 - 15- e dati di 15 min, rispettivamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Allo stesso modo, nitrati, ammonio e conducibilità hanno mostrato variazioni con deflusso e tempo (Figura 2B). Durante un evento di deflusso, concentrazione di nitrati può diminuire a causa di un effetto di diluizione o aumentare a causa di una miscelazione di ruscellamento concentrato da campi. Nel lasso di tempo considerato, nitrato aumentato fino a 4,52 mg/L a 02:04 il 7/22 e gradualmente diminuito. La più alta concentrazione di nitrato ha coinciso con il primo ballottaggio a filo, come recentemente applicato ma inutilizzato azoto solubile è stato spazzato via. Il secondo picco di concentrazione di nitrati corrispondeva con il secondo picco nello scarico, ma aveva una concentrazione più bassa rispetto al primo picco. Ciò è probabilmente dovuto il dilavamento dell'azoto facilmente solubile dal primo filo. La forma delle cime nitrato era simile durante entrambi gli eventi, nonostante le differenze di grandezza.

La concentrazione media di ammonio era 0,80 mg/L, probabilmente dovuto il contributo da campi di riso. La concentrazione di ammonio varia leggermente con due picchi di scarico (cioè, aumentata con un aumento in scarico). Tuttavia, l'aumento della concentrazione di ammonio con il secondo picco di scarico era inferiore a quello con il primo picco di scarico, per gli stessi motivi come nitrato (Figura 2B). Come con nitrato, la concentrazione di ammonio ha alzato prima ha alzato lo scarico.

La conducibilità ha variata da 93-495 µS/cm durante il periodo. La conducibilità ha mostrata un rapporto inverso di scarico (Figura 2A e 2B) (cioè, conducibilità era alta durante il flusso di base ed in diminuzione con un aumento nel flusso durante entrambi gli scarichi di picco). Nitrato e ammonio erano probabili contributori minori per la conducibilità dell'acqua, poiché la conduttività dell'acqua è diminuito durante la scarica di picco, anche se il nitrato e ammonio erano superiori durante condizioni di base. La diluizione dell'acqua della pioggia, che ha una bassa conduttività, può aver contribuito alla conduttività inferiore di acqua nel flusso.

Variazioni diurne di pH, temperatura e sono chiaramente illustrati dai risultati della sonda (Figura 3). La temperatura varia da 36.1 a 24,6 ° C dal 7/9 - 7/10. La temperatura dell'acqua nel flusso era il più basso alle 06:00-07:00 e il più alto alle 17:00-18:00.

Figure 3
Figura 3. La variazione giornaliera di pH, temperatura e a una sezione di flusso in Lower St. Francis Basin, un bacino agricolo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

L'ossigeno disciolto è stata minima da mezzanotte a 06:00. L'attività di fotosintesi delle piante all'avvio dopo l'alba, il DO aumentato costantemente fino a quando ha raggiunto la posizione alle 16:19 il 7/9 (9,98 mg/L, 144,9% di saturazione) e alle 15:34 il 7/10 (11,21 mg/L, 159,9% di saturazione). Il DO costantemente diminuito fino a mezzanotte ed è rimasto costante. Respirazione batterica e delle alghe, fotosintesi, ossidazione carboniosa e azotato e temperatura probabile interessati la variazione giornaliera della18.

Il pH varia tra 7.4 e 7,8 da 7/9-7/10. Il pH era più alto alle 17:34 il 7/9 (7,78) e alle 17:04 il 7/10 (7,77). Variazione giornaliera del pH è stata influenzata anche dal tasso di respirazione, fotosintesi e tampone, poiché l'anidride carbonica, che fa diminuire il pH, viene rimosso durante la fotosintesi e viene aggiunto durante la respirazione nei sistemi acquatici.

Le concentrazioni illustrate nella Figura 2 e Figura 3, se misurata su un periodo più lungo (cioè, un mese, stagione, anno) può fornire informazioni su come la qualità dell'acqua cambia con il tempo in condizioni naturali o gestite.

TempoRAL (mensile) variazione dei carichi inquinanti:

Variazione temporale ad una sezione del flusso può essere studiato su diverse scale temporali. Variazione mensile al piccolo bacino del fiume fossati, un piccolo spartiacque agricolo nel nord-est dell'Arkansas, ha rivelato un modello di perdita di azoto e sedimenti dallo spartiacque durante tutto l'anno (Figura 4). Dei carichi inquinanti erano alti in all'inizio dell'estate e autunno inoltrato. I mesi di settembre e ottobre sono stati caratterizzati da inquinanti basso carico, principalmente a causa di basso flusso. Il CSD era più alto in novembre e dicembre a causa della elevata piovosità sui campi recentemente raccolti e disturbati. I dati inoltre ha mostrato che variazioni erano molto alte, poiché carichi giornalieri sono stati guidati da eventi di precipitazioni che variano in modo significativo. L'alta carica durante il tardo autunno (novembre e dicembre) ha dimostrato che i programmi di riduzione dei nutrienti possono essere più efficaci se si concentrano sulla riduzione dei carichi di novembre/dicembre. Di conseguenza, le tecniche che riducono la perdita di sostanze inquinanti in inverno, come l'uso di colture di copertura19, devono essere considerate nei programmi di gestione del bacino idrografico.

Figure 4
Nella figura 4. Variazione mensile di SSC carico (kg/d) all'uscita del bacino del po ' fossati, ammonio e nitrato.
I valori sono mediano ± scarto interquartile. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Variazione spaziale di carichi inquinanti:

Il protocollo può anche fornire i dati per variazioni spaziali oltre alle variazioni temporali se vengono scelti più stazioni all'interno di un bacino idrografico. Inquinante viene caricato in uno spettacolo di agricola spartiacque (Figura 5) carichi di nitrato e ammonio distintamente crescenti come l'acqua viaggia a valle. La perdita in 9,6 kg per ettaro nitrato all'anno era entro il 8-14 kg/ha all'anno range segnalati in Missouri in piccoli bacini idrografici agricoli con simile terreno typs20. Questo tipo di informazioni può essere utilizzato per valutare l'efficacia delle pratiche di gestione dell'acqua instream e trasporto di inquinanti, tra gli altri.

Figure 5
Nella figura 5. Nitrato e ammonio trasporto nel piccolo bacino fossati.
Upstream, midstream e downstream siti sono stati individuati circa 2 km di distanza. I valori sono la media ± errore standard della media su base giornaliera per agosto 2015. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Sensore incrostazioni e l'accumulo di sedimenti:

Nei bacini di agricole, la presenza di nutrienti quali azoto e fosforo, nel deflusso delle acque alle alte concentrazioni può accelerare il tasso a cui bio-fouling si presenta ad una data temperatura. Inoltre, deflusso delle acque può trasportare carichi di alta sedimenti che provengono dai campi coltivati e idrovie erosi. Il carico di sedimenti alta può portare alla deposizione delle particelle di sedimento alle superfici del sensore e sonda e all'accumulo di sedimenti. Tale accumulo di incrostazioni e sedimenti può provocare in deriva e risultati non accurati.

La variazione giornaliera di fare una riduzione fino al 7/15, aumentato il 16/7 dopo il sensore era pulito al sito e bruscamente diminuito dopo 13 o 14 giorni (Figura 6) a causa di incrostazioni. La crescita e il conseguente accumulo di microrganismi sulle superfici della sonda sono visibili nella Figura 7. La formazione di incrostazioni è grave sulle superfici dove salviette o spazzole non pulire. L'effetto di accumulo di sedimenti sulla torbidità lettura è stata osservata il 26/12 (Figura 8). Le precipitazioni su 23/12 e 12/25 aumentato la torbidità fino al 1595 NTU e 1073 NTU. La torbidità è diminuito una volta che lo scarico è diminuito nel flusso. Tuttavia, l'evento di grande pioggia il 26/12 causato la torbidità raggiungere il limite massimo di 3000 NTU. La torbidità lettura è rimasto stabile 3000 NTU a causa l'accumulo di detriti sulla guardia di sonda e la presenza di erbacce e piante sul post Telspar. Una volta che i detriti accumulati, le letture di torbidità erano irregolari (cioè, cambiato bruscamente da 3000 NTU a meno di 50 NTU in 15 min) e non corretto. Pertanto, i dati di torbidità da 26/12 al 29/12 non sono di buona qualità.

Figure 6
Nella figura 6. Deriva del DO lettura del sensore dopo la sonda è rimasto nel flusso per due settimane.
Dopo la calibrazione, la sonda è stata installata il 7/8, e la deriva iniziato il 22/7. La deriva del sensore di lettura dopo 7/21 è provocato da un minore rispetto al normale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7. Immagini che mostrano lo sporcare sulle superfici del sensore (a sinistra) e pulire le superfici di rilevamento dei sensori (a destra) dopo pulire con una spazzola e tergicristallo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8. Torbidità (NTU) nel flusso prima e dopo l'accumulo di sedimenti nella guardia Sonde.
Precipitazioni (mm) viene visualizzata sull'asse y secondario. La torbidità ha mostrato una risposta eccellente a pioggia su 12/16, 23/12 e 12/25. Tuttavia, l'evento di grande pioggia di accumulazione di sedimento creato 12/26 alla guardia di sonda e le letture di torbidità dopo 12/26 erano difettosi (per lo più 3000 NTU) e irregolare. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Trong > Inserzione Inserzione Verifica Documenti QAPP (piano di progetto di assicurazione di qualità) Catena di custodia fogli Taccuino di campo Mappe di navigazione/GPS Nastro di penna, pennarello, etichette Sicurezza Protezione solare/occhiali da sole Spruzzo di Wasp Kit di pronto soccorso Acqua potabile Comunicazione (telefono cellulare) Personale attrezzature protettive-trampoliere, stivale di gomma, guanti, cappello Corda e ancoraggio Lavare a mano antisettico Raccolta dei campioni, deposito, trasporto Dispositivo di raffreddamento e ghiaccio Coperchio e contenitore Etichettatura nastro Sensore/strumentazione Cavi di comunicazione Caricate batterie esterne Computer portatile di campo Sonda Cavo di comunicazione Batterie "C" Spazzola e sapone Computer portatile di campo Altri Cassetta degli attrezzi (cacciaviti, tester di volt, fascette, chiave,...)

Tabella 1. Elenco di controllo di elementi consigliati per una visita sul campo per la riparazione e campione acqua e manutenzione sensori.

Discussion

Nel complesso, il controllo continuo di sostanze nutritive e sedimenti presenta parecchi vantaggi sopra monitoraggio utilizzando il metodo di campionamento della gru a benna. Processi di qualità idrologici e acqua sono interessati da precipitazioni sopra un arco di tempo molto breve. Gli utenti possono ottenere alti risoluzione temporale dati su sostanze nutritive e sedimento per studiare problemi complessi. Altri parametri di qualità dell'acqua, come conducibilità, pH, temperatura e, possono essere ottenuti contemporaneamente e allo stesso costo per il monitoraggio di nitrato di ammonio e torbidità. Inoltre, ci sono altri sensori di produttori che consentono la misurazione dei parametri di qualità di acqua ancora di più, come clorofilla, salinità e potenziale di ossido-riduzione, insieme con le sostanze nutrienti e sedimenti.

Questo protocollo può essere utilizzato per identificare la variazione temporale delle sostanze inquinanti nel corso di un periodo scelto di studio; la variazione spaziale degli inquinanti in un bacino idrografico, se il monitoraggio è effettuata alle stazioni multiple; e la variazione della sezione trasversale degli inquinanti, se il monitoraggio viene effettuata in diversi punti di una sezione trasversale. Come illustrato nel presente protocollo, la variazione giornaliera del pH, conducibilità,, nitrati, ammonio, torbidità e temperatura possono dimostrare le relazioni causa-effetto e contribuire ad una migliore comprensione dei driver dei carichi inquinanti.

Nonostante il successo continua misurazione delle sostanze nutrienti e dei sedimenti, la più grande limitazione del metodo è la perdita di dati o la raccolta di un dati di bassa qualità a causa di guasto del sensore, perdita di potenza e l'accumulo di sedimenti/detriti. Mentre la scelta del sito è importante, è ugualmente importante frequentemente verificare la calibrazione o calibrare quando necessario, sostituire le batterie interne ed esterne (se non solare), scaricare e controllare i dati. Qualità dei dati può essere compromessa in diverse fasi, dall'acquisizione dati alla elaborazione dei dati. In fase di acquisizione, il focus di questo lavoro, rimedi per i problemi possibili sono discussi di seguito.

Perdita di dati:

Programmazione dei sensori inappropriato, perdita di potenza per il sensore, ecc., possa causare lacune nei dati. Se possibile, un caricabatterie solare può essere installato presso le stazioni di ricaricare la batteria. In caso contrario, la frequente sostituzione di esterno e/o interni (per sonde) batterie è richiesto. Download dei dati frequentemente vi aiuterà a identificare rapidamente il problema e a risolverlo, riducendo la perdita di dati a causa di limitazioni di memoria. Roditori possono danneggiare cavi e incorrere in perdite di dati. Queste perdite possono essere evitate utilizzando griglie di protezione per coprire i cavi.

Dati di bassa qualità a causa di incrostazioni:

La formazione di incrostazioni di superfici del sensore e la risultante deriva o inesattezza dei dati può essere minimizzato coprendo la protezione del sensore con nastro di rame, utilizzando rame guardia e utilizzando rame maglia intorno la protezione del sensore. Abbiamo trovato che coprendo la sonda superfici (non sensori) con nastro adesivo tutte le stagioni notevolmente facilitata la pulizia dei sensori. Sondes autopulente con tergicristalli e spazzole, come in quello utilizzato in questo studio, ha contribuito a pulire le superfici dei sensori (Figura 7). L'uso di materiali in rame, ad esempio un nastro, guardia, o maglia, ha ridotto la crescita di microrganismi e la conseguente formazione di incrostazioni.

Dati di bassa qualità a causa di accumulo di detriti:

Posizionamento del sensore e la sonda e seppellire i cavi sotto sedimenti può limitare l'accumulo di detriti. Ad esempio, posizionare la sonda una certa profondità sopra il letto di Ruscello ma sotto la superficie dell'acqua contribuisce a limitare l'accumulo di sedimenti. Allo stesso modo, ponendo la sonda sul lato a valle del post Telspar riduce i detriti, come il post di Telspar cattura i grandi boschi, erbe, ecc pulizia la sonda durante ogni campo visita può contribuire a produrre dati di migliore qualità. Avvolgendo la protezione del sensore con maglia di rame riduce l'accumulo di sedimenti e detriti, interferenze da parte di piante acquatiche e macroinvertebrati e incrostazioni.

Mentre la sonda può essere posto a Monte o a valle del post Telspar, sospendendo la sonda sul lato a valle è raccomandato. Il requisito per i sensori nella sonda per misurare senza pregiudizi sta avendo il movimento dell'acqua attraverso le superfici del sensore o non avendo nessun acqua stagnante. La larghezza sottile del post (4,0 cm) e i fori nel post assicurarsi che l'acqua scorre attraverso le superfici del sensore. Inoltre, quando la sonda è sul lato a Monte del post, erbacce acquatiche e materiale/residui vegetali può racchiudere la guardia di sonda, come osservato in questo studio. Un altro svantaggio di collocare la sonda sul lato a Monte è che, mentre la guardia protegge i sensori, il corpo della sonda è ancora in pericolo di essere danneggiato da detriti/legno sul lato a Monte del post. L'effetto del post sulla misura della velocità può essere testato visivamente osservando e confrontando le letture di velocità con e senza il post. In questo protocollo, il sensore di velocità di zona era circa 50 cm a Monte del post Telspar, e la presenza del post Telspar non ha influenzato la velocità.

Identificare la frequenza di taratura in condizioni specifiche del sito è importante. È un equilibrio di non compromettere la qualità dei dati di calibrazione di sotto e non sprecare risorse calibrando over. Nei ruscelli agricoli in questo studio (cioè, caldo, umido clima tropicale), laboratorio taratura ogni 2 settimane in estate (Figura 6) e ogni 3 settimane in inverno era sufficiente. Tuttavia, i sensori erano pulite sul sito ogni settimana durante l'estate.

La preparazione di un QAPP per tutte le attività, compreso il controllo di qualità controlla in anticipo il progetto, consente di identificare potenziali problemi, mantiene lo studio coerente e uniforme e produce dati di migliore qualità. Seguendo le indicazioni fornite durante la procedura QAPP è richiesto.

Documentazione degli eventi o osservazioni insolite nel notebook o fotografie è molto importante. Molte volte, i risultati del monitoraggio sono collegati ad eventi che sono atipici. Ad esempio, il dragaggio (cioè, pulizia) di un flusso (fossa), che è raro, aumenterà la torbidità del campione d'acqua, anche senza scarico aumentato.

La sicurezza del personale coinvolto nel lavoro sul campo, come pure la sicurezza dello strumento, sono molto importante. Una sicurezza, salute e benessere piano dovrebbero essere elaborate prima dell'inizio di un progetto. Alcune delle preoccupazioni di sicurezza includono serpenti, pericoli di temperatura, inondazione, vento forte, Guida condizioni, fulmini, ecc logistica e articoli consigliati di prendere durante le visite di campo sono forniti nella tabella 1.

Uno dei limiti della tecnologia attuale per misurare il nitrato e ammonio (cioè, elettrodo ione-selettivo) è che non li misura precisamente fino a valori molto bassi di nutrienti. Mentre la risoluzione dei sensori è di 0,01 mg/L per i sensori sia nitrato e ammonio, la precisione è del 5% della lettura o fino a ± 2 mg/L. La precisione del, torbidità, pH e sensori di conducibilità sono ± 0,1 - 0,2 mg/L, o 0.1%; ± 1 - 3% fino a 400 NTU; ± 0.2; e ± 5 µS, rispettivamente. Inoltre, il protocol è difficile da seguire durante le inondazioni a causa della inaccessibilità.

Mentre questo protocollo è stato testato nei bacini di agricole, può anche essere applicato ad altri bacini in altre regioni, come bacini idrografici interessati da altri terreni utilizzano attività, tra cui data mining. Questo metodo è anche utile per valutare le interazioni tra i contaminanti più. Future applicazioni del metodo descritto qui includono avanzamento sensore per affrontare la formazione di incrostazioni di sensori e l'accumulo di detriti/sedimenti sulla guardia di sonda; ulteriori miglioramenti nella precisione e precisione dei sensori; lo sviluppo di reti wireless e il trasferimento remoto dei dati ai server; e l'accumulo di reti di grandi dimensioni per sistemi di acquisizione dati standard, gestione dei dati e applicazioni.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

La ricerca è stata possibile a causa di finanziamento da progetto di valutazione di effetti di conservazione (CEAP). Siamo particolarmente grati per l'autorizzazione di accesso al sito dai produttori, la ricerca di assistenza da parte dei membri della unità di ricerca di USDA-ARS-Delta acqua gestione e analisi dei campioni di personale presso la struttura di ricerca di ecotossicologia, Arkansas State University. Parte di questa ricerca è stata sostenuta da un appuntamento per il programma di partecipazione di ARS, amministrato dall'Istituto Oak Ridge per scienza e formazione (ORISE) attraverso un accordo tra agenzie tra l'US Department of Energy e la USDA. ORISE è gestito da ORAU DOE contratto numero DE-AC05-06OR23100. Tutte le opinioni espresse in questo documento sono dell'autore e non riflettono necessariamente le politiche e le vedute di USDA, ARS, DOE o 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

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References

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