Kontinuerlig Instream overvåking av næringsstoffer og sedimenter i landbruket nedslagsfelt

Environment
 

Summary

Med fremme av teknologi og økningen i sluttbruker forventninger økt behovet for og bruk av høyere midlertidig løsning data for forurensende Last estimering. Denne protokollen beskriver en metode for kontinuerlig i situ vann kvalitet overvåking for å få høyere midlertidig løsning data for informert vann ressurs ledelse beslutninger.

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

Forurensende konsentrasjoner og laster i elvene variere betydelig med tid og rom. Nøyaktig og rettidig informasjon om omfanget av miljøgifter i vannressurser er en forutsetning for å forstå driverne av forurensende laster og for å gjøre informerte vann ressurs ledelse beslutninger. Brukte "grip prøvetaking" metoden gir konsentrasjonen av forurensning ved prøvetaking (dvs. en mellomkopi konsentrasjon) og kan- eller overpredict forurensende konsentrasjoner og laster. Kontinuerlig overvåking av næringsstoffer og sediment har nylig fått mer oppmerksomhet på grunn av fremskritt i databehandling, sensing teknologi og lagringsenheter. Denne protokollen demonstrerer bruken av sensorer, sondes og instrumentering å kontinuerlig overvåke i situ nitrat, ammonium, turbiditet, pH, ledningsevne, temperatur og oppløst oksygen (DO) og beregne belastningene fra to bekker (grøfter) i to landbruket nedslagsfelt. Med riktig kalibrering, vedlikehold og drift av sensorer og sondes, kan godt vann kvalitetsdata fås ved å overvinne utfordrende forhold som begroing og rusk buildup. Metoden kan også brukes i elvene i ulike størrelser og preget av landbruk, skogkledde eller urban land.

Introduction

Vann kvalitet overvåking gir informasjon om konsentrasjonen av miljøgifter på forskjellige romlige skalaer, avhengig av størrelsen på medvirkende området, som kan variere fra et komplott eller et felt til et vannskille. Denne overvåking foregår over en tidsperiode, for eksempel en enkelt hendelse, en dag, en sesong eller et år. Informasjonen fått fra avlytting vannkvalitet, hovedsakelig knyttet til næringsstoffer (f.eks nitrogen og fosfor) og sedimenter og kan brukes til: 1) hydrologiske prosesser samt transport og transformasjon av bekker, som landbruket dreneringsgrøfter; 2) evaluere effektiviteten av ledelsesmetoder på vannskillet å redusere næringsstoff og sedimenter belastningen og øke vannkvaliteten; 3) vurdere levering av sedimenter og næringsstoffer til vann nedstrøms; og 4) forbedre modellering av næringsstoffer og sedimenter å forstå den hydrologiske og vann kvalitet prosesser som bestemmer forurensende transport og dynamikk over omfanget av timelige og romlig skalaer.

Denne informasjonen er avgjørende for akvatisk økosystem restaurering, bærekraftig planlegging og styring av vann ressurser1.

Mest brukte metoden for næringsstoffer og sedimenter overvåking i et vannskille er Grip prøvetaking. Grab prøvetaking representerer nøyaktig en mellomkopi konsentrasjon ved prøvetaking2. Det kan også skildrer en variant av forurensende konsentrasjoner tid hvis hyppige prøvetaking er gjort. Hyppige prøvetaking er imidlertid intensiv og dyrt, ofte gjør det upraktisk2. I tillegg ta prøvetaking kan- overvurdere faktiske forurensende konsentrasjonen utenfor prøvetaking tid2,3,4. Derfor kan laster beregnet med slike konsentrasjoner ikke være nøyaktig.

Alternativt, kontinuerlig overvåking gir nøyaktig og rettidig informasjon med vannkvaliteten i en forhåndsbestemt tidsintervall, for eksempel et minutt, en time eller en dag. Brukere kan velge riktig tidsintervallene basert på deres behov. Kontinuerlig overvåking gjør de forskere, planleggere og ledere å optimalisere prøvetaking; utvikle og overvåke tid integrert beregninger, som totalt maksimal daglig belastning (TMDLs); evaluere rekreasjonsbruk av vannmassen; vurdere planlagt strømmen forhold; og romlig og timelig vurdere variasjonen av å bestemme årsak-virkning relasjoner og utvikle en management plan5,6. Kontinuerlig overvåking av næringsstoffer og sediment har nylig fått økt oppmerksomhet på grunn av fremskritt i databehandling og sensor teknologi, forbedret kapasitet lagringsenheter og økende data kravene for å studere mer komplekse prosesser 1 , 5 , 7. i en global undersøkelse av over 700 vann fagfolk, bruk av flere parameter sondes økt fra 26% til 61% fra 2002 til 2012 og forventes å nå 66% av 20225. I samme undersøkelse indikerte 72% av respondentene behovet for utvidelsen av deres Overvåkingsnettverk å møte sine data trenger5. Antall stasjoner i et Overvåkingsnettverk og antall variabler overvåket per stasjon i 2012 forventes å øke med 53% og 64%, henholdsvis av 20225.

Men er kontinuerlig vannkvalitet og mengde overvåking i landbruket elvene utfordrende. Stor regnskyll hendelser vaske bort sedimenter og macrophytes, bidrar til høy sediment belastning og rusk buildup i sensorer og sondes. Avrenning av overflødig nitrogen og fosfor på landbruket felt skaper ideelle forhold for veksten av mikroskopiske og makroskopisk organismer og begroing av instream sensorer og sondes, spesielt om sommeren. Begroing og sedimenter buildup kan forårsake sensorer for å mislykkes, drift og produsere upålitelige data. Til tross for disse utfordringene, er finere midlertidig løsning (så lavt som per minutt) data påkrevd å studere avrenning prosesser og ikke-kilde forurensning, så de påvirkes av vannskille egenskaper (f.eks størrelse, jord, skråningen, osv. ) og tidsberegningen og intensiteten av nedbør7. Forsiktig feltet observasjon, hyppige kalibrering og riktig rengjøring og vedlikehold kan sikre god kvalitet data fra sensorer og sondes, selv på finere tid oppløsningen.

Her diskuterer vi en metode for i situ kontinuerlig overvåking av to landbruket nedslagsfelt flere parameter vann kvalitet sondes, området hastighet og trykk svinger sensorer og autosamplers; deres kalibrering og feltet vedlikehold; og databehandling. Protokoll viser en måte som kontinuerlig vann kvalitet overvåking kan utføres. Protokollen er generelt gjelder for kontinuerlig vannkvalitet og mengde for enhver type og størrelse vannskille.

Protokollen ble gjennomført i nordøst Arkansas i liten grøfter vassdraget (Høgskolen 080202040803, 53.4 km2 området) og Lower St. Francis Basin (Høgskolen 080202030801, 23,4 km2 området). Disse to elvene tappes i sideelvene til Mississippielven. Behov for overvåking sideelvene til Mississippielven ble identifisert av lavere Mississippielven bevaring komiteen og Gulf Mexico hypoksi Task Force å utvikle en plan for vannskille og registrere fremdriften for ledelse aktiviteter 8 , 9. videre disse elvene er karakterisert som fokus nedslagsfelt av United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service (USDA-NRC), basert på potensial for å redusere næringsstoff og sedimenter forurensning og bedre vann kvalitet10. Edge-of-field overvåking blir utført i disse elvene som en del av delstaten Mississippielven bassenget sunn vannskille Initiative (MRBI) nettverket11. Flere detaljer om nedslagsfelt (dvs. området steder, vannskille egenskaper, etc.) er gitt i Aryal og Reba (2017)6. Kort sagt, liten grøfter vassdraget har hovedsakelig silt leirjord jord, og bomull og soyabønner er store avlinger, mens Lower St. Francis Basin har hovedsakelig Sharkey leire jord, og ris og soyabønner er store avlinger. På hver vassdraget, ble i situ kontinuerlig vannmengden og overvåking (dvs. utslipp Temperatur, pH,, turbiditet, ledningsevne, nitrat og ammonium) gjennomført på tre stasjoner i mainstream bruker denne protokollen til forstå romlige og tidsmessige variasjon i forurensende laster og hydrologiske prosesser. I tillegg ble ukentlige vannprøver innhentet og analysert for suspendert sediment concentration.

Protocol

1. område

  1. vannskille utvalg
    1. Velg watershed(s) basert på omfanget av forurensningsproblem, prioritet nedbørsfelt, nærhet til forskning anlegget, tilgang til området, og data mål.
  2. Strømmen prøvetaking steder
    1. Velg strømmen prøvetaking plassering(er) basert på studien formålet.
      Merk: Optimal prøvetaking steder er godt blandet i et tverrsnitt, trygt og lett tilgjengelig, Geofysisk stabil (dvs. konstant tverrsnitt og en bank støttende av instrumentet stasjon boliger) og representant 12 , 13 , 14. Stasjoner ikke umiddelbart nedstrøms der to bekker og en rett kanalen delen uten en sammenfallende eller avvikende kanalen tverrsnitt, er mer homogen og representative 14.
    2. Co finne hydrologiske og vann kvalitet målinger på et tverrsnitt beregne belastningene.
      Merk: Hvis identifisere romlige variasjonen av næringsstoffer og sedimenter i et vannskille, velge flere stasjoner å målrette potensielle kilder gjennom vannskillet.

2. Apparatet og Sensor utvalg

  1. Velg instrumenter og sensorer å måle utslippet og vannkvalitet og samle vannprøver med det planlagte intervallet. Velg instrument og sensor basert på data behov, vannskille og tilgjengelige ressurser.
    Merk: Ideelle sensorer er pålitelig, nøyaktig, følsom, presis, rimelig og egnet for strøm miljøet og krever begrenset vedlikehold og minimal opplæring av feltet tekniker 13. I en landbruks-vassdraget, begroing og rusk buildup er de største årsakene til bekymringer. Følgelig foretrekkes sondes utstyrt med selvrensende og anti-fouling.
    1. Bruk en autosampler, sondes, et området hastighet sensor, en trykktransduceren og en bærbar flowmeter.
      Merk: Sonde bør har en vindusvisker ren turbiditet sensoren og en børste til å rengjøre pH, ammonium, nitrat, og gjøre sensorer.
      Merk: Maskinen i denne protokollen gjelder en vann prøvetaking enhet som består av en autosampler, slange, sil eller flow modul og området-hastighetssensor.
  2. Velg vann kvalitet parametere basert på data mål, sensor kostnader og tilgjengelighet. Måle temperaturen, pH,, ledningsevne, turbiditet, ammonium, og nitrat hver 15 min.
    Merk: Temperatur, pH, og ledningsevne er den vanligste parametere valgt og måles på USGS stasjoner, mens nitrat, ammonium og turbiditet er mindre vanlig, men er økende popularitet 1 , 14.
    Merk: data mål avhenger vannskille egenskaper. For eksempel nitrogen og fosfor overvåking kan være viktigere i landbruket elvene sammenlignet med fosfor overvåking i urban nedslagsfelt.

3. Sonde kalibrering og programmering

  1. kalibrere sensorer på sonde som produsenten anbefalinger. Endre enkeltflow behov basert på miljøforholdene.
    Merk: Frekvensen av kalibrering, avhenger av miljøet der sensorene er utsatt. Vanligvis faller innen 2-4 uker. Her på sondes er kalibrert annenhver uke under voksende sesongen og hver 3 uker i ikke voksende sesongen (November til April).
  2. På laboratoriet, ren sonde grundig før kalibrering. Rengjør sensor myk børster (f.eks tannbørster) og såpe eller Leather cleaner. Fjerne Sirkulator svaber og pensel med et Sekskantet Allen nøkkel; Rengjør svaber og pensel.
  3. Hell elektrolytt i pH referanse elektrode, fylle den med ferske electrolyte løsning og legge kalium klorid salt pellets for å opprettholde ledningsevne elektrolytt-løsning. Lukk lokket slik at det er lufttett; noen elektrolytt flyter ut mens hetten er skrudd på. Skyll sonde med deionisert vann.
  4. Suspendere sonde på en solid støtte slik at bunnen av sonde ligger ca 20-30 cm over bordplaten, muliggjør enkel workability. Koble sonde til datamaskinen med en kommunikasjon kabel. Starte produsenten ' s programvare. Trykk " opererer sonde " å gå inn i programmet sonde.
  5. Angir kalibrering standarder på den " parameteroppsett " kategorien. Kalibrere sensorene i følgende rekkefølge: ledningsevne, pH,, turbiditet, nitrat og ammonium.
    Merk: Rekkefølgen på kalibreringen er viktig, nitrat og ammoniumsulfat sensorer bruke ledningsevne og pH.
    Merk: Antall kalibrering standarder er 2 for ledningsevne, 2 eller 3 for pH, 1 på DO, 2 eller 4 for turbiditet, 2 for nitrat og 2 for ammonium.
  6. Skyll sensor(er) med DI vann flere ganger og tørr sensor(er) surface(s) med våtservietter før innføre en standard til sensoren til å forhindre kryss-kontaminering.
    Merk: Før kalibrering hver sensor, Merk verdiene sensoren leser til følgende standarder: gjøre, pH 7, turbiditet DI og 50 NTU, nitrat for 50 mg/L og ammonium for 50 mg/L. Disse verdiene kan brukes til å vurdere om sensorene var nøyaktig i feltet. De kan også klokt brukes til å korrigere verdiene.
  7. Etter kalibrering av hver sensor (trinn 3.8-3,13) for en standard, " kalibrering vellykket " vises, hvis kalibrering mislykkes, tilbakestiller sensoren og prøv på nytt. Hvis sensoren fremdeles svikter, rekvisita må erstatning eller sensoren må fabrikken reparasjon.
    Merk: Tilbakestilling nitrat eller ammonium sensoren vil tilbakestille begge sensorer.
  8. Kalibrere ledningsevne sensoren bruker 2-punkts kalibrering; 0 µs/cm for en tørr sensor og 1,412 µs/cm standard løsning. Velg " SpCond [µs/cm] " i den " kalibrering " kategorien. Tørk den ovale delen av sensoren helt med våtservietter. Angi " 0,0 " i µs/cm og angi " kalibrere. "
    1. Sett inn standard i en pose å helt dekke den ovale delen av sensoren. Vent til sensoren leser stabiliserer (~ 2-5 min), angi " 1412 " i µs/cm, og angi " kalibrere. " " kalibrering vellykket " vises. Hvis kalibrering mislykkes, tilbakestille sensoren og prøv på nytt.
  9. Kalibrere sensoren pH pH 7 og pH 10 standarder og kontroller linearitet av kalibreringen med pH 4. Velg den " pH enheter] " kategorien i kategorien kalibrering inn pH 7 standard en pose dekker både pH krysset og referanse elektroden. Vent ca 5 minutter for å stabilisere. Angi " 7.0 " som pH verdi og angi " kalibrere. "
    1. skyll elektrodene og tørk dem med våtservietter. Sett pH 10 og følg den samme fremgangsmåte som for pH 7. Sett inn pH 4 åsjekk hvis linearitet av kalibreringskurven er oppfylt; kalibrert sensoren bør lese 4 ± 0,2 for pH 4.0 standard.
  10. Kalibrere gjør sensoren bruker temperatur-stabilisert, air-mettet, deionisert vann (18 M Ω-cm) som eneste standard.
    1. Velg den " oss % [lørdag] " kategorien Fyll kalibrering koppen med DI vann til nesten full nivå og plassere koppen på sonde. Invertere sonde sørge for at temperatursensor og gjøre membraner er helt dekket av vannet.
    2. Vente ca 5 min å stabilisere prosent metning lesing. Når stabilisert, angi " 100 " for prosent metning. Angi barometertrykk i mmHg ved å sjekke en lokal værstasjon og angi " kalibrere. "
      Merk: DI vann er temperatur-stabilisert og luft-mettet av innlevering den åpen til atmosfæren minst natten i laboratoriet for gassutveksling, metning og temperaturstabilisering. Lufttrykk må angis, siden gjøre metning avhenger lufttrykk i tillegg til temperaturen (målt ved sonde selv).
    3. Sjekk skaleringsfaktoren, som bør være 0,5 - 1,5, for akseptabel kalibrering. Avslutt kalibreringsprogrammet, angi terminalmodus, bruk pilene til å markere " Log In, " og trykk " angi. " markere " nivå 3 " og trykk " angi. " markere " setup " og trykk " angi. " markere " sensorer " og trykk " angi. " markere " gjøre " og trykk " angi. " markere " % satt " og trykk " angi. " Merk skaleringsfaktoren.
    4. Trykk " Esc " å avslutte og angi " opererer sonde " igjen. Velg den " kalibrering kategorien " å fortsette kalibreringen.
    5. Inverter sonde tilbake og stoppe den slik at sensorene møte bakken.
  11. Kalibrere turbiditet sensoren bruker 4 standarder: DI, 50 NTU, 100 NTU og 200 NTU. Velg den " turbiditet [NTUs] " kategorien. I kalibrering kopp, satt nok DI vann til å dekke minst nederst turbiditet sensoren. La turbiditet lesing stabilisere. Angi punkt " 1 " DI standard, en " 0,6 " NTU turbiditet verdi, og " kalibrere. "
    1. , kalibrere turbiditet sensoren for andre standarder. Forhindre boble dannes ved homogenisere standardene, snu flasken opp og ned (ikke riste) og helle standarder langs koppen.
    2. Etter kalibrere alle standarder, sjekke sensor målingene for DI og 50 NTU å se om kalibreringen var akseptabel (dvs. i ±1%).
  12. Kalibrere nitrat sensoren bruker to standarder: høy (50 mg/L ingen 3 --N) og lav (5 mg/L ingen 3 --N). Velg den " ingen 3 - [mg/L-N] " kategorien.
    1. Hell 50 mg/L standard å fylle kalibrering koppen til tre fjerdedeler full og plassere koppen på sonde, gjør en vanntett tilkobling. Invertere sonde slik at nitrat og temperatur sensorer er helt dekket. Vent i 15 min (eller til lesing er stabil). Når stabilisert, angi standard nivået " 1 " og en verdi på " 46.2. " registrerer temperatur og mV målingene i en notatblokk. Angi " kalibrere. "
      Merk: nitrat sensoren bruker temperatursensoren i tillegg ledningsevne og pH sensorene.
    2. Skyll sensorene med Ionisert vann flere ganger og tørk dem med våtservietter. Gjenta samme lav standard. Forskjellen mellom de to spenning målingene bør være 50-65 mV, og forskjellen mellom temperaturen målingene bør ikke overstige 5 ° F for kalibrering å være akseptabelt.
  13. Kalibrere ammonium sensoren slik nitrat sensoren.
  14. Gjeninstallerer og kalibrere svaber og pensel. Velg den " SelfClean [Rev] " kategorien " 1 " rotasjon og angi " kalibrere. "
    Merk: svaber og pensel vil rotere gangen.
  15. Når alle sensorer er kalibrert, programmet sonde. Angi " Still klokke pc tid " i det " systemet " kategorien for synkronisering. Slett eldste loggfilen finnes 4 eksisterende loggfiler og Opprett en ny loggfil. Når loggfilen opprettes, Velg parameterne overvåking og parameterne logge. Velge overvåking varighet (dvs. før neste kalibreringen, vanligvis 2-3 uker i landbruket elvene) og intervall (15 min) ved å velge start- og sluttidspunkt av loggfilen og loggeintervallet. Lagre loggfilen.
    Merk: Når som helst en sonde kan lagre opptil 4 loggfiler.
  16. Sjekk interne batterispenning og erstatte de interne batteriene om nødvendig.
    1. Velg den " online overvåking " kategorien og starte avlytting.
    2. Sjekk interne batteriet spenning lesing. Hvis det er under 10,5 V, erstatte den med åtte nye C batterier.
      Merk: Sonde stopper innspillingen data om interne batterispenningen faller under ~9.0 V.
    3. Bruker silisium tetningsmasse for å forsegle dekselet over batterihuset å vanntett koble.
  17. Feste sensoren vakt og putte den i en bøtte halvfullt vann.
    Merk: Sondes i bøtte er klar for transport og (re) installasjon på nettsteder. Sondes må være neddykket for pH elektroden skal fungere.

4. Apparatet og Sensor installasjon

  1. området hastighet sensor og flyt modul
    1. Mount området hastighet sensoren sikkert en stålplater på et valgt tverrsnitt. Montere stålplater på den " L " braketten ( figur 1) som er montert i Telspar innlegg drevet på thalweg av (dvs. den dypeste delen av kanalen) ( figur 1). utvidelsen av den " L " brakett oppstrøms av Telspar innlegget bør være lenge nok slik at flyten ikke påvirkes av tilstedeværelsen av Telspar innlegget i strømmen. Plasser sensoren på den " L " braketten på bekken seng slik at spissen av sensoren vender oppstrøms retning strømmen.
      Merk: Effekten av Telspar innlegget kan evalueres visuelt hvis innføringen av stolpe skaper flyt forstyrrelser sensor der oppstrøms eller kvantitativt bruker sensor målinger med og uten Telspar innlegget. I denne protokollen, cross-sectional variasjon ble betraktet som ubetydelig. Hvis det vurderes, kan flere sondes eller sensorer plasseres på et tverrsnitt. Området hastighet sensor måler gjennomsnittlig hastighet ved hjelp av ultralyd Doppler metoden. Det krever ikke en konverteringsfaktor basert på flyt dybde eller hastighet profilering og stedets kalibrering. Modulen flyt måler hastighet fra-1.5 6.1 m/s og dybde fra 0.01 m 9.15 m. Slik den gjelder for ulike nedslagsfelt.
    2. Til å beregne utslipp, måle området av tverrsnittet.
      Merk: Programvaren kan direkte beregne arealet hvis formen på kanalen eller en formel angis.
      Merk: Data fra sensoren registreres direkte i modulen flyt og kan lastes ned til en datamaskin med produsenten ' s programvare og en kommunikasjon kabel.

< img-alt "Figur 1" class = "xfigimg" src = "filer/ftp_upLoad/56036/56036fig1.jpg"/ >
figur 1. Oppsettet for en typisk Instream alarmstasjon (ikke til en skala).
Stasjonen inneholder en Telspar innlegg som sonde er suspendert en stål kabel, en karabinkrok og ferrules. Ferrules vises ikke. L-brakett som området hastighet sensoren er montert plasseres på bekken seng og er sikret tett til innlegget med muttere og bolter. Autosampler (ikke vist i figuren) trekker vann prøven fra en slange som inneholder en sil på spissen. Kabelen fra området hastighet sensoren er koblet til modulen flyt (vises ikke). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. trykktransduceren (PT sensor)
    1. når området hastighet sensoren er utilgjengelig, måle dybden bruker en trykktransduceren.
    2. Installere PT sensoren inni Telspar innlegget og sikre den med en ståltråd og ferrules; spissen av sensoren bør bare ta bekken seng. Programmet PT sensoren til å måle Havdypet med 15 minutters intervaller.
  2. Manuell utslipp måling
    1. For stasjoner med PT sensor som en utslipp måleinstrument, gjør et stadium-utslipp kurve manuelt måle utslippet over et spekter av renn, dekker minst lav, middels og høy renner. Del tverrsnitt område i flere segmenter (30-60 cm bred), avhengig av bredden på flyt. Måle gjennomsnittlig hastighet i midtlinjen av segmentet ved hjelp av en bærbar flowmeter. Hvis dybden < 10 cm, måle den maksimale hastigheten og multiplisere med 0,9 å få mener hastigheten. Hvis dybde er 10-75 cm, måle hastigheten på 0,6 dybde å bestemme gjennomsnittlig hastighet 15. For dyp større enn 75 cm, måle hastigheter på tre dybder (0,2, 0,6 og 0,8 dybde fra vannoverflaten) og gjennomsnitt dem 15.
    2. Beregne utslipp av et segment med gjennomsnittlig hastighet, bredde og dybde av segmentet og summere utslipp fra alle segmenter å få en totale utslipp.
    3. Følg fremgangsmåten for celleområder flyter dekker lav, middels og høy renner.
    4. Bestemme forholdet mellom scenen (dvs. dybde av flow målt ved trykktransduceren ved manuell utslipp målingen) og målt utslipp.
      Merk: Hvis utslipp er for høy til å måle hastigheten manuelt, en midlertidig området hastighet sensor brukes gjør et forhold mellom utslipp målt området hastighet sensoren og dybden målt ved PT sensoren.
  3. Vann kvalitet flere parameter sonde
    1. montere sonde på Telspar innlegget med en ståltråd, ferrules og en karabinkrok for sonde sikkerhet og enkel installasjon og fjerning ( figur 1). Plass sonde på nedstrøms side av Telspar innlegget å hindre skade fra rusk eller tre logger som kan komme flyter med strømmen vannet, spesielt i flom. Plasser nederst i sonde minst 1-10 cm over bekken seng å redusere sannsynligheten for sediment buildup på sonde.
      Merk: Sonde bør alltid være neddykket i vannet. Derfor i en strøm med varierende flyter, bør sonde være høy nok til å redusere opphoping av sediment på sonde og lav nok til å hindre at sonde blir utsatt for luft. Men for en kanal med mindre variabel flyt, sonde kan plasseres slik at sensorene er ca 10 cm under vannflaten.
      Merk: Hvis sonde har en dybde-sensor, høyde dybde sensoren fra kanalen sengen bør måles kontoen for dybden på installasjon av dybden sensor over kanalen sengen.
    2. Makt sonde med interne batterier og/eller eksterne batterier. Bruk et bærbart batteri for å huse eksterne batteriet og en kommunikasjon kabel til å koble til sonde. Programmet sonde samle inn data hvert 15 min og laste ned data direkte til datamaskinen med kommunikasjon kabel.
  4. Autosampler
    1. installere en autosampler Vær beskyttende boliger på toppen av strømmen på stabil bakken. Power autosampler med bly syre batteri. Installere en 20-W solenergi panel for å lade batteriet hotellets.
    2. Sikre en sil rør under vann med Telspar innlegg eller L-brakett og koble den til autosampler med en slangen.
      Merk: Autosampler trekker vann fra strømmen via sil og slangen.
      Merk: Plasseringen av sil røret er viktig å få representativt data. I denne protokollen, det ble plassert forutsatt ingen cross-sectional variasjon.
    3. Program autosampler eksempel vann ukentlige eller basert på behov. Se håndboken til autosampler som leveres av produsenten.
      Merk: Autosampler programmeres for eksempel vann basert på nedbør, flyt, tid eller en kombinasjon. Sampler kan programmeres til å prøve et eksempel i mange flasker, mange prøver i en flaske (kompositt) eller en kombinasjon.
      Merk: Autosampler samler et volum av vann (2000 mL) nødvendig for analyse av flere parametere i laboratoriet. I tillegg til kontinuerlig vann kvalitet overvåking ved hjelp av sonde, analyseres prøver ukentlig for suspendert sediment konsentrasjon.

5. Sensor og Sonde vedlikehold

  1. ren området hastighet sensor på hvert besøk å redusere avfall på eller nær sensor overflater.
  2. Ofte kalibrere sensorer på sonde.
    Merk: Frekvens er avhengig av sesongen, hydrologi, vannskille, SensorType og antall begroing. I elvene valgt her, kalibrering var pålagt annenhver uke å samle god kvalitet data.
  3. Erstatte forbrukes deler som anbefalt av produsenten.
    Merk: Dette omfatter en pH referanse elektrode/cap, en lue (membran) gjør sensoren, ion-tip sensorer (nitrat og ammoniumsulfat sensorer), og en sirkulerende svaber og børster.
  4. Sende sonde fabrikken reparasjon hvis nødvendig (dvs. hvis sensoren ikke leser akseptable verdier for standardene, selv etter tilbakestilling og kalibrere på nytt, eller hvis sensorene mislykkes kalibrering).

6. Feltet prøvetaking og laboratorieanalyser

  1. forberede på forhånd for ekskursjon å opprettholde sensorer og samle den automatisk samlet vannprøver eller manuelt eksempel og samle vannprøver hvis en autosampler ikke er tilgjengelig på stedet. Kontroller at elementene som er oppført i kontrollisten (tabell 1).
  2. Samle vann prøvene i en ren (dvs., acid vasket og skyllet) og tørr glasset (10 L), merke dem og transportere dem på is til laboratoriet så snart som mulig for analyse.
    Merk: Samlet vann prøven er representativt utvalg under faktiske forhold ved prøvetaking og den bestemte plasseringen. integriteten til samlet prøven bør bevares mot forurensning og fysiske, kjemiske og biologiske endringer 12.
    Merk: Beholderen materialet kreves kan være forskjellig for noen analytter av interesse, mens forsuring og/eller filtrering kan være nødvendig på stedet.
  3. Analyser av colmerkede vann prøver i laboratoriet ved hjelp av standardmetodene før godkjente holder ganger 16.
    Merk: Vannprøver kan analyseres ved hjelp av EPA 353.2; 4500-NO3 for nitrat, EPA 353.2; 4500-NO2 for nitritt, EPA 365.1; 4500-PI for fosfat, EPA 350.1; 4500-PJ for totalt nitrogen, EPA 365.4; 4500-PJ for totalt fosfor, 2540 D for suspendert stoff, 2540-C for totalt oppløste faste stoffer, og D 3977 transportabel-97 for suspendert sediment konsentrasjon 16 , 17.
  4. Følg passende kvalitetskontroll og sjekker, for eksempel mellomrom, standarder, gjentak, etc., under analyse. Følg Quality Assurance prosjektplanen (QAPP).
  5. Fylle kjede av varetekt ark for både prøven kollektoren og laboratoriepersonell og beholde en kopi av hver. Merk uvanlig eller kjente hendelser i feltet kjede av varetekt ark.

7. Samling og analyse av

  1. samle vann kvalitet og kvantitet data fra sondes, flyt modul og laboratoriet.
  2. Lagre en kopi av alle rådata før du arbeider med data korreksjon og analyse.
  3. Nøye undersøke de innsamlede dataene på turbiditet og fjerne alle null (f.eks 0,0 NTU), NAN eller urimelig verdier (f.eks 3000 NTU; øvre grense for påvisning av sensoren) før videre analyse.
    Merk: Forsiktighet bør utvises når du fjerner data. De fjernes før områdespesifikke forhold i feltet notater identifisere og fastsette at dataene ikke er rimelig.
  4. Bruke scenen-utslipp forholdet til å beregne utslipp fra PT sensoren.
    Merk: Dybden målt ved PT sensoren må være press kompensert.
    1. Bruk produsenten (In situ Inc.) programvare, " Baromerge, " etter rette PT sensordata.
      Merk: Data kan korrigeres med en fast lufttrykk verdi ved å angi mange lufttrykk verdier manuelt og automatisk med en baroTroll-loggfil. Denne protokollen bruker en baroTroll-loggfil deployert i nærheten for å korrigere PT sensordata.
  5. For området hastighet sensordata, kan du fjerne noen negativ kontantstrøm som kan være gjenstand for sensoren.
    Advarsel: Noen ganger kan det faktisk være negativ flyt, avhengig av området. I dette tilfellet ikke overse negativt hastigheten.
  6. Beregne manglende utslipp data ved hjelp av en lineær regresjon mellom oppstrømshastighet eller nedstrøms utslipp og utslipp på stasjonen.
    Merk: Forholdet bør være statistisk signifikant, som er vanligvis tilfelle mellom utslipp for noen oppstrøms og nedstrøms stasjoner. I elvene testet her, forholdet var signifikant (p < 0,01) og korrelasjonskoeffisienten var større enn 93%. Imidlertid mangler utslipp data kan bare fylles med denne metoden hvis avstanden mellom områder er kort og vannskille egenskaper lignende.
  7. Fyller ikke manglende vann kvalitetsdata.
    Merk: Vann kvalitet dataene påvirkes av mange variabler (dvs. timing og anvendelse av gjødsel, om utslippet økes eller reduseres, stedsspesifikke forhold, etc.).
  8. Utfører en regresjonsanalyse mellom suspendert sediment konsentrasjon (SSC) fra laboratoriet resultatene og turbiditet (NTU) målt ved bekken.
    Merk: Slik en regresjon er følsomme for sediment størrelsesDistribusjon, slik at hvis sand utgjør en betydelig, men variabel brøkdel av SSC, regresjon vil bli dårlig. Men kan det bli bedre hvis sands og bøter skilles under eksempel analyse og bøter er korrelert til SSC. Bruke regresjon til å beregne kontinuerlig SSC verdier.
  9. Siden forurensende konsentrasjonene varierer med utslipp, beregne flyt-vektet konsentrasjoner bruker Formel 1 6. Beregne flyt-vektet gjennomsnittlig konsentrasjonen (FWMC) daglig med timebaserte data. Du kan også beregne den på timebasis bruker 15 minutter data. FWMCs er tid-integrert også.
    Equation
    der
    FWMC = flyt-vektet gjennomsnittlig konsentrasjon på daglig basis
    c jeg = konsentrasjon av jeg th prøve
    t jeg = tid, 1t
    q jeg = utslipp for jeg th prøve
    jeg = 1 til 24
  10. bruker passende statistiske teknikker for å oppfylle målene som data. Når dataene er ikke er vanlig, transformere dataene for å gjøre dem normal eller bruk median ± interquartile. Utføre ikke-parametriske tester ikke er vanlig data.

Representative Results

Denne protokollen ble brukt til å studere transport og transformasjonen av næringsstoffer og sedimenter i to små landbruket nedslagsfelt6i Aryal og Reba (2017) publikasjonen. Ytterligere resultater fra denne protokollen er beskrevet nedenfor.

Nedbør-avrenning vann kvalitet relasjoner:

Styrken i kontinuerlig overvåking er at brukerne kan velge en fin tid løsning å studere årsak-virkning relasjoner, for eksempel forholdet mellom regn avrenning og turbiditet, bruker 15 minutter data (figur 2A). Nedbør data ble lastet ned fra værstasjoner (www.weather.astate.edu), en liten grøfter vassdraget og andre 6,3 miles fra Lower St. Francis Basin. 00:00 til 09:00 på 7/22 oppstod totalt 25,4 mm nedbør. Nedbøren økte utslipp fra 0.71 m3/s klokken 00:00 til 4.89 m3/s på 17:45 på 7/22. Det var flere lokale utslippet topper under arrangementet, sannsynligvis knyttet til romlige variasjon av nedbør og drenering mønstre av feltene ris og soyabønner, som bidro til fleste flyten. Lower St. Francis Basin hadde ca 94% av arealet i rad avlinger, hovedsakelig soyabønner og ris. Som utslipp gradvis sunket, en annen 14 mm regn hendelse skjedde på 7/23 klokken 07:00 og varte i 5 h. Derfor ble en økning i utslipp målt.

Som forventet, økt turbiditet med utslipp etter hendelsen regn og sank gradvis (figur 2A). Turbiditet økt fra 13 NTU på 23:34 på 7/21 til 409 NTU på 02:04 på 7/23. Den høyeste turbiditet ble oppnådd under den økende utslipp delen av hydrograph. Det var sannsynligvis på grunn av den første flushen som vasket jordpartikler fra feltene landbruket. Som med utslipp, viste turbiditet også to klare topper.

Figure 2
Figur 2. Variasjon av nedbør, utslipp og vannkvalitet på hendelsen Basis i nedre St. Francis bassenget, en landbruket vannskille.
(A) nedbør, utslipp og turbiditet. (B) nitrat, ammonium og ledningsevne fra 7/21 til 7/26. Fleste av vannskille avlinger var soyabønner og ris. Nedbør, utslipp og turbiditet tomter er basert på 60, 15 og 15 minutter, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Tilsvarende nitrat, ammonium og ledningsevne viste varianter med avrenning og tid (figur 2B). Under en avrenning hendelse, kan Nitratkonsentrasjon enten redusere på grunn av en fortynning effekt eller øke på grunn av en blanding av konsentrert avrenning fra felt. I vurdert tidsrom, nitrat økt til 4.52 mg/L på 02:04 på 7/22 og redusert gradvis. Den høyeste konsentrasjonen av nitrat like første flush avrenning, som nylig brukt men ubrukt løselig nitrogen ble vasket bort. Andre toppen av Nitratkonsentrasjon korresponderte med andre topp i utslipp, men hadde en lavere konsentrasjon enn første toppen. Dette er sannsynligvis på grunn av utvasking av lett løselig nitrogen av den første flushen. Form av nitrat toppene var under begge hendelsene, til tross for forskjeller i omfanget.

Mener ammonium konsentrasjonen var 0.80 mg/L, sannsynligvis på grunn av bidraget fra rismarker. Ammoniumsulfat konsentrasjonen varierte litt med to utslipp topper (dvs. økt med en økning i utslipp). Økningen i ammonium konsentrasjonen med andre utslipp toppen var imidlertid mindre enn det med første utslipp topp, av samme grunn som nitrat (figur 2B). Som med nitrat, toppet ammonium konsentrasjonen før utslippet toppet.

Ledningsevne varierte fra 93-495 µS/cm i perioden. Ledningsevne viste en invers sammenheng utslipp (figur 2A og 2B) (dvs. ledningsevne var høyt under base flyt og redusert med en økning i flyt under både topp-utslipp). Nitrat og ammoniumsulfat var sannsynligvis mindre bidragsytere til vann ledningsevne, siden ledningsevne vann redusert under fjellpigg utslipp, selv om nitrat og ammoniumsulfat var høyere enn under grunnforholdene. Fortynning av regnvann, som har lavere ledningsevne, kan ha bidratt til lavere ledningsevne vann i bekken.

Daglige variasjoner av pH, temperatur og gjøre klart illustrert av sonde resultatene (Figur 3). Temperaturen varierte fra 36,1 24.6 ° c fra 7/9 - 7/10. Temperaturen i strømmen var den laveste på 06:00-07:00 og det høyeste på 17:00-18:00.

Figure 3
Figur 3. Dagaktive variant av pH, temperatur, og gjøre en Stream-delen i Lower St. Francis Basin, en landbruket vannskille. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Oppløst oksygen var lavest fra midnatt til kl 06.00. Fotosyntese aktiviteten av planter starter etter soloppgang, gjør økt jevnt før det toppet på 16:19 på 7/9 (9.98 mg/L, 144.9% metning) og 15:34 på 7/10 (11.21 mg/L, 159.9% metning). DE stadig redusert til midnatt og forble konstant. Bakteriell og alger åndedrett, fotosyntese, oppdagere og nitrogenholdige oksidering og temperatur trolig påvirket dagaktive variasjonen gjøre18.

PH varierte mellom 7.4 og 7,8 7/9-7/10. PH var høyest på 17:34 på 7/9 (7.78) og på 17:04 på 7/10 (7.77). Dagaktive variasjon i pH ble også påvirket av frekvensen av åndedrett, fotosyntese og bufring kapasitet, siden karbondioksid, som reduserer pH, fjernes under fotosyntese og legges under åndedrett i akvatiske systemer.

Konsentrasjonene som vist i figur 2 og Figur 3, hvis målt over en lengre periode (dvs. i måneden, sesongen, år) kan gi informasjon om hvor vannkvaliteten endres med tiden under naturlige eller administrert forhold.

TempoRAL (månedlig) variant av forurensende laster:

Timelige variant på en del av strømmen kan studeres over forskjellige tidsskalaer. Variasjonen i månedlig på liten grøfter vassdraget, et lite landbruket vannskille i nordøst Arkansas, avslørte et mønster av nitrogen og sedimenter fra vannskillet året (Figur 4). Forurensende laster var høy på forsommeren og sen høst. Månedene September og oktober var preget av lav stoffer lasting, hovedsakelig på grunn av lav strømning. SSC var høyest i November og desember på grunn av høy nedbør på nylig høstet og forstyrret. Dataene viste også at variasjoner var svært høy, siden daglig laster ble drevet av nedbør hendelser som variert betydelig. Høye belastninger under sent høsten (November og desember) viste at næringsstoffer reduksjon programmene kan være mer effektivt hvis de fokuserer på å redusere November/desember laster. Dermed må teknikker som reduserer tap av vinteren, som bruk av dekke avlinger19, vurderes i vannskille management-programmer.

Figure 4
Figur 4. Variasjonen i månedlig nitrat, Ammonium og SSC Load (kg/d) ved utløpet av elven liten grøfter bassenget.
Verdiene er median ± interquartile rekkevidde. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Romlig variasjon av forurensende laster:

Protokollen gir også dataene for romlig variasjoner i tillegg timelige varianter hvis flere stasjoner i et vannskille er valgt. Forurensende laster i en landbruket vannskille (figur 5) viser tydelig øker nitrat og ammonium vannet går nedstrøms. Tap i 9,6 kg/ha nitrat per år var innenfor 8-14 kg/ha årlig område rapportert i Missouri i små landbruket elvene med lignende jord typs20. Denne typen informasjon kan brukes til å evaluere effektiviteten av instream vann ledelsesmetoder og forurensende transport, blant andre.

Figure 5
Figur 5. Nitrat og Ammonium Transport i liten grøfter vassdraget.
Oppstrøms, midtstrøms og nedstrøms områder var lokalisert ca 2 km fra hverandre. Verdiene er gjennomsnittlig ± standardfeilen betyr daglig i August 2015. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Sensoren begroing og Sediment Buildup:

I landbruket elvene, kan tilstedeværelse av næringsstoffer nitrogen og fosfor, i avrenning vann på høye konsentrasjoner akselerere hastigheten der bio-begroing oppstår i en gitt temperatur. I tillegg kan avrenning vann bære høy sediment laster fra dyrket feltene og erodert vassdrag. Høy sediment belastningen kan føre til avsetning av sedimenter partikler på sensoren og sonde overflater og opphoping av sediment. Slike begroing og sedimenter buildup kan resultere i drift og unøyaktige resultater.

Dagaktive variasjonen av gjøre redusert til 7/15, økt på 7/16 Når sensoren var renset for webområdet og brått redusert etter 13 eller 14 dager (figur 6) på grunn av begroing. Vekst og resulterende opphopning av mikroorganismer på overflater av sonde vises i figur 7. Begroing er alvorlig på overflater der kluter eller børster ikke Rengjør. Effekten av sediment buildup på turbiditet lesing ble observert på 12/26 (Figur 8). Nedbør på 12/23 og 12/25 økt turbiditet opptil 1595 NTU og 1073 NTU. Turbiditet redusert når utslipp redusert i strømmen. Men forårsaket hendelsen store regn på 12/26 turbiditet å nå den øvre grensen for 3000 NTU. Turbiditet lesing stabilt på 3000 NTU opphopning av avfall på sonde vakt og tilstedeværelsen av ugress og planter på Telspar innlegget. Når rusk akkumulert, turbiditet målingene ble uberegnelig (dvs. endret brått fra 3000 NTU til mindre enn 50 NTU i 15 min) og feil. Derfor er turbiditet dataene fra 12/26 til 12/29 ikke av god kvalitet.

Figure 6
Figur 6. Drift av gjøre sensoren leser etter Sonde forble i strømmen i to uker.
Etter kalibrering, sonde ble installert på 7/8, og drift startet på 7/22. Drift i sensoren leser etter 7/21 resultert i en lavere gjøre enn normalt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7. Profilen viser begroing på Sensor overflater (venstre) og rengjøring Sensing flater av sensorer (høyre) etter tørke med en pensel og vindusvisker. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8. Turbiditet (NTU) i strømmen før og etter Sediment Buildup i Sonde Guard.
Nedbør (mm) vises sekundær y-aksen. Turbiditet viste et utmerket respons til nedbør på 12/16, 12/23 og 12/25. Men stor regnskyll hendelsen på 12/26 opprettet sediment buildup i sonde vakt og turbiditet målingene etter 12/26 var feil (hovedsakelig 3000 NTU) og uberegnelig. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

trong > elementet oppføringen Elementet oppføringen Sjekk Dokumenter QAPP (Quality Assurance prosjektplanen) Kjede av varetekt ark Feltet bærbare Navigasjon kart/GPS Penn, markør, etiketten tape Sikkerhet Solkrem/solbriller Veps spray Førstehjelpsutstyr Drikkevann Kommunikasjon (mobiltelefon) Personlig beskyttende utstyr-Wader, gummi støvel, hansker, lue Tau og anker Antiseptisk håndvask Prøvetaking, lagring, transport Kjøligere og is Prøven flasken og lokk Merking tape Sensor/instrumentering Kommunikasjonskabler Belastet eksterne batterier Feltet bærbare Sonde Kommunikasjon kabel "C" batterier Børste og såpe Feltet bærbare Andre Verktøyet boksen (skrutrekker, volt-meter, zip bånd, fastnøkkel,...)

Tabell 1. Sjekkliste for elementer anbefales for feltet besøke utvalg vann og reparasjon og vedlikehold sensorer.

Discussion

Total, kontinuerlig overvåking av næringsstoffer og sediment har flere fordeler over overvåking ved hjelp av grab sampling metoden. Hydrologiske og vann kvalitet prosesser påvirkes av nedbør over et svært kort tidsrom. Brukere kan få høy timelige oppløsning data på næringsstoffer og sedimenter å studere komplekse problemer. Andre vann kvalitet parameterene som ledningsevne, pH, temperatur og gjøre, kan hentes samtidig og til samme pris som for overvåking nitrat, ammonium og turbiditet. Videre er det andre sensorer fra produsenter som tillater for måling av enda mer vann kvalitet parametere, for eksempel klorofyll, saltholdighet og oksidasjon-reduksjon potensialet, næringsstoffer og sediment.

Denne protokollen kan brukes til å identifisere den timelige variasjonen forurensende stoffer over valgte studium; den romlige varianten av forurensning i et vannskille, hvis overvåker utføres på flere stasjoner; og cross-sectional variasjonen av miljøgifter, hvis overvåker utføres på flere punkter i et tverrsnitt. Som vist i denne protokollen, dagaktive variasjonen i pH, ledningsevne, gjør, nitrat, ammonium, turbiditet og temperatur kan vise årsak-virkning relasjoner og bidra til en bedre forståelse av driverne for forurensende laster.

Den største begrensningen av metoden er vellykket kontinuerlig måling av næringsstoffer og sediment, tap av data eller samlingen av en lav kvalitet data på grunn av feil på sensoren, tap av kraft og sedimenter/rusk buildup. Mens område er viktig, er det like viktig å ofte sjekke kalibreringen eller kalibrere når nødvendig, erstatte interne og eksterne batterier (hvis ikke solar drevet), og laste ned og kontrolldata. Datakvaliteten kan bli svekket i flere faser, fra datainnsamling til databehandling. På oppkjøp scenen, fokuset i dette papiret, er rettsmidler for mulige problemer omtalt nedenfor.

Datatap:

Upassende programmering av sensorer, strømforsyningen til sensoren, etc., kan forårsake hull i data. Hvis mulig, kan en solar lader installeres på stasjonene å lade batteriet. Ellers hyppige utskifting av interne (for sondes) og/eller eksterne batteriene er nødvendig. Laster ned data ofte hjelper å identifisere problemet raskt og håndtere det, redusere tap av data grunnet minne begrensninger. Gnagere kan skade kabler og medføre tap av data. Disse tapene kan unngås ved hjelp av wire vakter for å dekke kablene.

Lav kvalitet Data på grunn av begroing:

Begroing sensor overflater og resulterende drift eller unøyaktighet i dataene kan minimeres ved å dekke sensor vakt med kobber tape, ved hjelp av kobber vakt, og ved hjelp av kobber mesh rundt sensor vakt. Vi fant at dekker sonde overflater (ikke sensor) med allværs-selvklebende tape mye lettere rengjøring av sensorer. Selvrensende sondes vindusviskere og børster, som den som brukes i denne studien, hjalp for å Rengjør sensorer (figur 7). Bruk av kobber materialer som tape, beskytte, eller maske, redusert vekst av mikroorganismer og resulterende begroing.

Lav kvalitet Data på grunn av rusk Buildup:

Plassering av sensoren og sonde og begrave kablene under sediment kan begrense rusk buildup. For eksempel bidrar å plassere sonde en viss dybde over bekken seng, men under vannflaten til å begrense sediment buildup. Tilsvarende plassering av sonde på nedstrøms side av Telspar innlegget reduserer rusk, som Telspar innlegget fanger på store skogen, gress, etc. rengjøring av sonde i hvert besøk kan bidra til å gi bedre kvalitet data. Innpakning sensor vakt med kobber mesh reduserer sedimenter og rusk buildup, forstyrrelser fra vannplanter og macroinvertebrates og begroing.

Mens sonde kan plasseres oppstrøms eller nedstrøms Telspar innlegget, suspendere sonde på nedstrøms side anbefales. Kravet for sensorene i sonde måle uten bias er å ha bevegelse av vann over sensor overflater eller har ikke stående vann. Tynn bredden på innlegget (4.0 cm) og hullene i innlegget sikre at vannet renner gjennom sensoren overflater. I tillegg når sonde på oppstrøms side av innlegget, kan vannlevende ugress og plante materiale/rusk omslutte den sonde vakten, som observert i denne studien. En annen ulempe med plassering av sonde på oppstrøms side er at mens guard beskytter sensorer, sonde kroppen er fortsatt i fare for av rusk/tre på oppstrøms side av innlegget. Effekten av innlegget på hastighet målingen kan testes ved visuelt observere og sammenligne hastighet målinger med og uten innlegget. I denne protokollen, området hastighet sensoren var ca 50 cm oppstrøms av Telspar innlegget, og tilstedeværelsen av Telspar innlegget påvirke ikke hastigheten.

Det er viktig å identifisere frekvensen av kalibrering under områdespesifikke forhold. Det er en balanse mellom ikke at datakvaliteten under kalibrering og ikke sløse med ressurser av over kalibrering. I landbruket datastrømmene i denne studien (dvs. varmt, fuktig tropisk klima) var laboratorium kalibrering hver 2 uker om sommeren (figur 6) og hver 3 uker vinteren tilstrekkelig. Imidlertid ble sensorer renset på området hver uke om sommeren.

Utarbeidelse av en QAPP for alle aktiviteter, inkludert kvalitetskontroll sjekker før prosjektet, bidrar til å identifisere potensielle problemer, holder studien konsekvent og ensartet og produserer høyere kvalitet data. Følge retningslinjene gitt i QAPP prosedyren kreves.

Dokumentasjon av hendelser eller uvanlig observasjoner i bærbare eller fotografier er svært viktig. Mange ganger, er resultatene fra overvåkingen knyttet til hendelser som atypisk. For eksempel vil den mudring (dvs. rengjøring) av en strøm (grøft), som er sjeldne, øke turbiditet vann utvalget, selv uten økte utslipp.

Sikkerhet for personellet som er involvert i feltarbeid, samt instrument sikkerhet, er svært viktig. En sikkerhet, helse og velferd plan bør være utformet før starten av et prosjekt. Noen av sikkerhet bekymringer inkluderer slanger, temperatur farer, flom, høy vind, kjører betingelser, lyn, etc. logistikk og anbefalte elementer under feltet besøk er gitt i tabell 1.

En av begrensningene av dagens teknologi for å måle nitrat og ammonium (dvs ion-selektiv elektrode) er at det ikke måle dem nøyaktig til svært lav næringsstoffer verdier. Oppløsningen av sensorene er 0,01 mg/L for både nitrat og ammonium, nøyaktigheten er 5% av lesing, eller opp til ± 2 mg/L. Nøyaktigheten av, turbiditet, pH og ledningsevne sensorer er ± 0,1 - 0,2 mg/L eller 0,1%. ± 1 - 3% opp til 400 NTU; ± 0,2; og ± 5 µS, henholdsvis. Videre protocol er vanskelig å følge under flom på grunn av utilgjengelighet.

Mens denne protokollen ble testet i landbruket elvene, kan den også brukes til andre nedslagsfelt i andre regioner som nedslagsfelt påvirket av andre land bruk aktiviteter, inkludert gruvedrift. Denne metoden er også nyttig i vurderingen interaksjoner mellom flere forurensninger. Fremtidige anvendelser av metoden beskrevet her inkluderer sensoren fremgang å takle begroing av sensorer og akkumulering av rusk/sediment på sonde vakt; ytterligere forbedringer i nøyaktighet og presisjon av sensorer; utvikling av trådløse nettverk, eksterne overføring av data til servere; og opphoping av større nettverk for standarddata oppkjøpet systemer, databehandling og programmer.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forskningen var mulig på grunn av finansiering fra bevaring effekter vurdering Project (CEAP). Vi er spesielt takknemlig for områdetilgang tillatelse fra produsentene forskning assistanse fra medlemmer av USDA-ARS-Delta vann Management Research Unit og eksemplar analyse av personalet på økotoksikologi forskning anlegget, Arkansas State University. En del av denne forskningen ble støttet av en avtale til ARS deltakelse programmet, administrert av Oak Ridge Institutt for vitenskap og utdanning (ORISE) gjennom en interagency avtale mellom US Department of Energy og USDA. ORISE administreres av ORAU under DOE kontraktnummeret DE-AC05-06OR23100. Alle meninger uttrykt på dette papiret er forfatterens og reflekterer ikke nødvendigvis politikk og utsikt over USDA, ARS, DOE eller 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