Kontinuerlig Instream övervakning av näringsämnen och Sediment i jordbruket vattendelare

Environment
 

Summary

Med främjande av teknik och ökningen av slutanvändaren förväntningar, har behov och användning av högre temporal upplösning data för förorenande last uppskattning ökat. Det här protokollet beskriver en metod för kontinuerlig i situ vatten kvalitetsövervakning för att erhålla högre temporal upplösning data för informerade vatten resurs ledningsbeslut.

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

Koncentrationer av förorenande ämnen och laster i vattendelare varierar avsevärt med tid och utrymme. Korrekt och aktuell information om omfattningen av föroreningar i vatten är en förutsättning för att förstå förare av förorenande laster och för att göra välgrundade vatten resurs ledningsbeslut. Metoden används ofta ”grab provtagning” ger koncentrationerna av föroreningar vid tidpunkten för provtagning (dvs. en ögonblicksbild koncentration) och får inte under- eller overpredict de koncentrationer av förorenande ämnen och belastningar. Kontinuerlig övervakning av näringsämnen och sediment har nyligen fått mer uppmärksamhet på grund av framsteg i computing, sensing teknik och lagringsenheter. Detta protokoll visar användningen av sensorer, Kerstin och instrumentation att kontinuerligt övervaka i situ nitrat, ammonium, turbiditet, pH, konduktivitet, temperatur och upplöst syre (DO) och beräkna lasterna från två strömmar (diken) i två jordbruks vattendelare. Med ordentlig kalibrering, underhåll och drift av sensorer och Kerstin, kan bra vatten kvalitetsdata erhållas genom att övervinna utmanande förhållanden såsom påväxt och skräp uppbyggd. Metoden kan också användas i avrinningsområden i olika storlekar och kännetecknas av jordbruket, skogsklädda eller urban mark.

Introduction

Övervakning av vatten ger information om koncentrationerna av föroreningar i olika rumsliga skalor, beroende på storleken av området bidragande, som kan variera från en tomt eller ett fält till en vattendelare. Denna övervakning sker över en tidsperiod, till exempel en enskild händelse, en dag, en säsong eller ett år. Informationen samlat från övervakning av vattenkvalitet, främst avseende näringsämnen (t.ex. kväve och fosfor) och sediment, kan användas för att: 1) förstå hydrologiska processer och transport och omvandling av föroreningar i vattendrag, till exempel jordbruket dräneringsdiken; (2) bedöma effektiviteten av skötselmetoder tillämpas på vattendelaren att minska näringsämnen och sediment belastningen och öka vattenkvaliteten; (3) bedöma leverans av sediment och näringsämnen till vattnet nedströms; och 4) förbättra modellering av näringsämnen och sediment att förstå den hydrologiska och vatten kvalitetsprocesser som avgör förorenande transporter och dynamik över urvalet av de tidsmässiga och rumsliga skalor.

Denna information är avgörande för akvatiska ekosystem restaurering, hållbar planering och förvaltning av vatten resurser1.

Den vanligaste metoden för näringsämnen och sediment övervakning i en vattendelare är grab provtagning. Grab provtagning representerar exakt en ögonblicksbild koncentration vid tidpunkten för provtagning2. Det kan också skildra en variant av koncentrationer av förorenande ämnen med tiden om frekvent provtagning görs. Frekvent provtagning är dock dags intensiva och dyr, ofta gör det opraktiskt2. Dessutom grab provtagning får inte under- eller överskatta de faktiska föroreningen koncentrationerna utanför provtagning tid2,3,4. Följaktligen kan laster beräknas med hjälp av sådana koncentrationer inte vara exakta.

Alternativt, kontinuerlig övervakning ger korrekt och aktuell information om vattenkvaliteten i ett förutbestämt tidsintervall, till exempel en minut, timme, eller en dag. Användare kan välja lämpliga tidsintervall baserat på deras behov. Kontinuerlig övervakning möjliggör forskare, planerare, och chefer att optimera provtagning; utveckla och övervaka tid-integrerade mätvärden, såsom totala maximala dagliga laster (TMDLs); utvärdera rekreation av vattenförekomsten; bedöma baslinjen stream villkor; och spatialt och temporalt utvärdera variationen av föroreningar att avgöra orsak-verkan relationer och utveckla en management plan5,6. Kontinuerlig övervakning av näringsämnen och sediment har nyligen fått ökad uppmärksamhet på grund av framsteg i datoranvändning och sensorteknik, förbättrad kapacitet för lagringsenheter och det ökande data krävs för att studera mer komplexa processer 1 , 5 , 7. i en global undersökning av över 700 vatten proffs, användning av multi-parameter Kerstin ökade från 26% till 61% från 2002 till 2012 och väntas nå 66% av 20225. I samma undersökning anges 72% av de svarande behovet av utbyggnad av deras nätverk för övervakning att möta sina data behöver5. Antalet stationer i ett nätverk för övervakning och antalet variabler som övervakas per station 2012 förväntas öka med 53% och 64%, respektive, med 20225.

Men är kontinuerlig vattnets kvalitet och kvantitet övervakning i jordbruket vattendelare utmanande. Stora regn händelser tvätta bort sediment och makrofyter, bidrar till hög sediment belastning och skräp uppbyggd i sensorer och Kerstin. Avrinning av överskott av kväve och fosfor som tillämpas på åkrar skapar idealiska förhållanden för tillväxten av mikroskopiska och makroskopiska organismer och påväxt av instream sensorer och Kerstin, särskilt under sommaren. Påväxt och sediment uppbyggd kan orsaka sensorer för att misslyckas, drift och producerar otillförlitliga uppgifter. Trots dessa utmaningar krävs finare temporal upplösning (som låga per minut) data att studera avrinning processer och icke-punktkälla kontaminering, eftersom de påverkas av vattendelare egenskaper (t.ex. storlek, jord, lutning, etc. ) och timing och intensiteten hos nederbörden7. Försiktig fält observation, täta kalibrering, och ordentlig rengöring och underhåll kan säkerställa god kvalitet data från sensorer och Kerstin, även på de finare tidsupplösningen.

Här diskuterar vi en metod för i situ kontinuerlig övervakning av två jordbruks vattendelare använder multi-parameter vatten kvalitet Kerstin och givaren tryckgivare, område-hastighet och autosamplers; deras kalibrering och fältet underhåll. och databehandling. Protokollet visar ett sätt som kontinuerlig vatten kvalitetsövervakning kan utföras. Protokollet är allmänt tillämpliga på kontinuerlig vattenkvalitet och kvantitet övervakning på någon typ eller storlek av vattendelare.

Protokollet genomfördes i nordöstra Arkansas i lilla diken avrinningsområde (HUC 080202040803, 53,4 km2 område) och Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, 23.4 km2 -område). Dessa två avrinningsområden rinna in bifloder till floden Mississippi. Ett behov för övervakning av bifloder till floden Mississippi identifierades av den lägre Mississippifloden Conservation Committee och golfen av Mexico hypoxi arbetsgruppen utveckla en plan för hantering av vattendelare och protokollföra framsteg för hanteringsaktiviteter 8 , 9. Dessutom dessa vattendelare karaktäriseras som fokus vattendelare av United States Department of Agriculture naturliga resurser Conservation Service (USDA-NRC), baserat på potentialen för att minska förorening av näringsämnen och sediment och att förbättra vatten kvalitet10. Edge-of-field övervakning genomförs i dessa avrinningsområden som en del av hela delstaten Mississippi River Basin friska vattendelare initiativ (MRBI) nätverk11. Mer information om vattendelare (dvs plats för platser, vattendelare egenskaper, etc.) finns i Aryal och Reba (2017)6. Kort sagt, lite diken avrinningsområdet har huvudsakligen silt loam smutsar, och bomull och sojabönor är de stora grödorna, medan i Lower St. Francis Basin har huvudsakligen Sharkey lerjord och ris och soja är de viktigaste grödorna. Vid varje vattendelare genomfördes i situ fortlöpande bevattnar kvantitet och kvalitet övervakning (dvs ansvarsfrihet temperatur, pH,, grumlighet, konduktivitet, nitrat och ammonium) vid tre stationer i mainstream använder detta protokoll att förstå den rumsliga och tidsmässiga variationen i förorenande laster och hydrologiska processer. Dessutom veckans Vattenprover samlades in och analyserades för svävande sediment concentration.

Protocol

1. platsval

  1. vattendelare urval
    1. Välj watershed(s) baserat på storleken av föroreningsproblem, prioritering av vattendelare, närhet till forskningsanläggningen, tillgång till webbplatsen, och data mål.
  2. Stream mätplatser
    1. Välj stream provtagning plats(er) utifrån syftet studie.
      Obs: Optimal provtagning platser är väl blandade inom ett tvärsnitt, säkert och enkelt tillgängliga, geophysically stabil (dvs konstant tvärsnitt och en bank stödjande av instrumentet station bostäder) och representant 12 , 13 , 14. Stationer inte omedelbart nedströms från sammanflödet av två strömmar och i en rak kanal avsnitt, utan en konvergerande eller avvikande kanal tvärsnitt, är mer homogen och representativa 14.
    2. Samlokalisera hydrologiska och vatten kvalitetsmätningar vid ett tvärsnitt att beräkna lasterna.
      Obs: Om att identifiera den rumsliga variationen av näringsämnen och sediment i en vattendelare, Välj flera stationer att rikta potentiella källor i hela vattendelare.

2. Instrument och sensorn val

  1. Välj instrument och sensorer att mäta ansvarsfrihet och vattenkvalitet och samla vattenprover med avsedda intervall. Välj instrument och sensorer baserat på behovet av data, vattendelare och tillgängliga resurser.
    Obs: Idealisk sensorer är tillförlitlig, korrekt, känslig, exakt, låg kostnad och lämplig för stream miljö och kräver begränsat underhåll och minimal utbildning av fältet tekniker 13. I en jordbruks vattendelare, påväxt och skräp uppbyggd är de största orsakerna till oro. Kerstin utrustad med självrengörande och antifouling funktioner är följaktligen att föredra.
    1. Använd en autosampler, Kerstin, ett område-hastighet sensor, en tryckgivare och en portabel flödesmätare.
      Obs: Sond ska ha en torkare att rengöra grumlighet sensor och en borste för att rengöra den pH, ammonium, nitrat och göra sensorer.
      Obs: Instrumentet i detta protokoll avses med en vatten provtagning enhet bestående av en autosampler, slang, SIL eller flöde modul och område-hastighet sensor.
  2. Välj vatten parametrar baserat på data mål, sensor kostnad och tillgänglighet. Mäta den temperatur, pH,, konduktivitet, turbiditet, ammonium och nitrat var 15 min.
    Obs: Temperatur, pH, och ledningsförmåga är den vanligaste parametrar valt och mäts vid USGS stationer, medan nitrat, ammonium och turbiditet är mindre vanliga men vinner popularitet 1 , 14.
    Obs: data målen beror på vattendelare egenskaper. Exempelvis kväve och fosfor övervakning kan vara viktigare i jordbruket vattendelare jämfört med fosfor övervakning i urban vattendelare.

3. Sond kalibrering och programmering

  1. kalibrerar sensorer på sond enligt tillverkarens rekommendationer. Ändra protokollet kalibrering behövs baserat på de lokala miljöförhållandena.
    Obs: Frekvensen av kalibrering beror på miljön där sensorerna är utsatta. Det faller generellt inom 2-4 veckor. Här Kerstin är kalibrerade varannan vecka under växande säsong och varje 3 veckor i icke växande säsong (November till April).
  2. På laboratoriet, rengör sond noggrant innan kalibrering. Rengöra sensorn ytorna med mjuka borstar (t.ex. tandborstar) och tvål eller allrengöringsmedel. Ta bort Cirkulator torkare och borste med en sexkantig insexnyckel; Rengör torkarblad och borste.
  3. Häll elektrolyten i pH referenselektroden, fylla den med färsk elektrolytlösning och Lägg en kaliumklorid salt pellet för att upprätthålla konduktiviteten i elektrolytlösningen. Stäng locket så att det är lufttätt; vissa elektrolyten kommer att spilla ut medan locket skruvas på. Skölj sond med avjoniserat vatten.
  4. Avbryta sond på en robust stöd så att botten av sond vilar ca 20-30 cm ovanför bordsskivan, möjliggör lätta workabilityen. Anslut sond till datorn med en kommunikationskabel. Starta tillverkaren ' s programvara. Tryck på " driva sond " att inleda programmet sond.
  5. Ange antalet kalibrering standarder på den " parameterinställning " fliken. Kalibrerar sensorer i följande ordning: konduktivitet, pH,, grumlighet, nitrat och ammonium.
    Obs: Ordningen på kalibreringen är viktigt, som nitrat och ammonium sensorer använder ledningsförmåga och pH värden.
    Anmärkning: Antalet kalibrering standarder är 2 för konduktivitet, 2 eller 3 för pH, 1 för DO, 2 eller 4 för grumlighet, 2 för nitrat och 2 för ammonium.
  6. Skölj givare med DI vatten flera gånger och torka den givare 1.3.4.2.för med våtservetter innan att införa en standard att sensorn för att förhindra korskontaminering.
    Obs: Innan du kalibrera varje sensor, anteckna värdena sensorn läser för följande standarder: göra, pH 7, turbiditet för DI och 50 NTU, nitrat för 50 mg/L och ammonium för 50 mg/L. Dessa värden kan användas för att utvärdera om sensorerna var korrekta i fältet. De kan även användas försiktigt att korrigera fältvärden.
  7. Efter kalibrering av varje sensor (steg 3,8-3.13) för en standard, " kalibrering framgångsrika " visas; om kalibreringen misslyckas, återställs sensorn och försök igen. Om sensorn fortfarande misslyckas, förbrukningsartiklar kan behöva bytas ut eller sensorn måste fabriken reparation.
    Obs: om du återställer nitrat eller ammonium sensorn kommer du både sensorer.
  8. Kalibrera ledningsförmåga sensor använder 2-punktskalibrering; 0 µs/cm för en torr sensor och 1.412 µs/cm för standardlösningen. Välja " SpCond [µs/cm] " i den " kalibrering " fliken. Torka den ovala delen av sensorn helt med våtservetter. Ange " 0,0 " i µs/cm och ange " kalibrera. "
    1. Infoga standard i en påse för att helt täcka den ovala delen av sensorn. Vänta tills sensorn läser stabiliserar (~ 2-5 min), ange " 1412 " i µs/cm, och ange " kalibrera. " " kalibrering framgångsrika " visas; Om kalibreringen misslyckas, återställa sensorn och försök igen.
  9. Kalibrera pH sensorn med pH 7 och pH 10 normer och kontrollera kalibreringen med pH 4 linearitet. Välj den " pH [enheter] " fliken kalibrering på fliken Infoga pH 7 standard i en påse som täcker både pH korsningen och referenselektroden. Vänta cirka 5 minuter för att stabilisera. Ange " 7.0 " som pH värde och ange " kalibrera. "
    1. skölj elektroderna och torka dem med våtservetter. Sätt pH 10 och följ de samma förfarande som pH 7. Infoga pH 4 att kontrollera om Linjäriteten hos kalibreringskurvan är uppfyllda; kalibrerad sensorn bör läsa 4 ± 0,2 för pH 4.0 standard.
  10. Kalibrera sensor använder temperatur-stabiliserad, air-mättade, avjoniserat vatten (18 M Ω-cm) som enda punkt standard.
    1. Välj de " LDO % [lör] " tab. fyller kalibrering koppen med DI vatten till nästan full nivå och placera koppen på sond. Invertera den sond att se till att de temperaturgivare och membran täcks helt av vattnet.
    2. Vänta cirka 5 minuter att stabilisera procent mättnad läsningen. När stabiliserad, ange " 100 " för procent mättnad. Ange det barometriska trycket i mmHg genom att kontrollera en lokal väderstation och " kalibrera. "
      Obs: DI vatten är temperatur-stabiliserad och luften mättad av lämnar den öppen i atmosfären minst övernattning i laboratoriet för gasutbyte, mättnad och temperaturstabilisering. Barometertrycket behöver ges, eftersom mättnaden beror på lufttrycket förutom temperaturen (mätt genom sond själv).
    3. Kontrollera skalfaktorn, som bör vara 0,5 - 1,5, för acceptabel kalibrering. Avsluta programmet kalibrering, ange terminalläge, Använd pilarna för att belysa " Logga In, " och tryck på " ange. " belysa " nivå 3 " och tryck på " ange. " belysa " setup " och tryck på " ange. " belysa " sensorer " och tryck på " ange. " belysa " göra " och tryck på " ange. " belysa " % satt " och tryck på " ange. " Observera skalfaktorn.
    4. Press " Esc " att avsluta och ange " driva sond " igen. Välj den " kalibrering fliken " att fortsätta kalibreringen.
    5. Vänd sond tillbaka och upphäva det så att sensorerna möta marken.
  11. Kalibrera grumlighet sensor använder 4 standarder: DI, 50 NTU, 100 NTU och 200 NTU. Välj den " grumlighet [NTUs] " fliken. I en kalibrering kopp, sätta tillräckligt DI vatten för att täcka minst botten av grumlighet sensor. Låt den grumlighet behandlingen stabiliseras. Ange punkt " 1 " för DI-standarden, en " 0,6 " NTU grumlighet värde, och " kalibrera. "
    1. likaså kalibrera grumlighet sensor för andra standarder. Förhindra bubbla bildandet av homogenisering normerna, vända flaskan upp och ner (skaka inte) och hälla normerna längs koppen.
    2. Efter Kalibrera alla standarder, kontrollera sensor avläsningarna för DI och 50 NTU att se om kalibreringen var godtagbar (dvs. inom ±1%).
  12. Kalibrera nitrat sensor använder två standarder: hög (50 mg/L nr 3 -N) och låg (5 mg/L nr 3 -N). Välj den " nr 3 [mg/L-N] " fliken.
    1. Pour en 50 mg/L standard att fylla kalibrering koppen upp till tre fjärdedelar full och placera koppen på den sond, en vattentät anslutning. Invertera sond så att nitrat och temperatur sensorer är helt täckt. Vänta i 15 minuter (eller tills läsning är stabil). När stabiliserad, ange standardnivån " 1 " och värdet " 46,2. " spela in den temperatur och mV behandlingen i en anteckningsbok. Ange " kalibrera. "
      Obs: nitrat sensorn använder temperaturgivaren förutom ledningsförmåga och pH sensorer.
    2. Skölj sensorerna med DI vatten flera gånger och torka dem med våtservetter. Upprepa samma procedur för låg standard. Skillnaden mellan de två spänning avläsningarna bör vara 50-65 mV, och skillnaden mellan temperaturavläsningar bör inte överstiga 5 ° F för kalibrering kan accepteras.
  13. Kalibrera ammonium sensorn på samma sätt som nitrat sensorn.
  14. Reinstall och kalibrera torkare och borste. Välj den " SelfClean [Rev] " tab. Välj " 1 " rotation och ange " kalibrera. "
    Obs: de torkar och borsten roterar en gång.
  15. När alla sensorer är kalibrerad, programmera sond. Ange " ställa in klockan till pc tid " i det " systemet " fliken för synkronisering. Ta bort äldsta loggfilen om det finns 4 befintliga loggfiler och skapa en ny loggfil. När loggfilen skapas, Välj övervakning parametrar och parametrar för att logga in. Välj övervakning varaktighet (dvs. tills nästa kalibrering, vanligen 2-3 veckor i jordbruket vattendelare) och intervall (15 min) genom att välja start och sluttid för loggfilen och loggningsintervall. Spara loggfilen.
    Obs: När som helst en sond kan lagra upp till 4 loggfiler.
  16. Kontrollera internt batterispänning och ersätta de interna batterierna om det behövs.
    1. Välj de " online övervakning " fliken och börja online övervaka.
    2. Kontrollera internt batteri spänning läsningen. Om det är lägre än 10,5 V, ersätta det med åtta nya C-batterier.
      Obs: Sond stoppar inspelning av data om interna batteriets spänning sjunker under ~9.0 V.
    3. Använda kisel tätningsmedel försegla locket på batterifacket göra en vattentät anslutning.
  17. Fäst sensorn vakten och Lägg den i en hink halvfullt vatten.
    Obs: Kerstin i hinken är redo för transport och (åter) installation på platser. Kerstin måste vara nersänkt för pH-elektroden ska fungera korrekt.

4. Instrument och Sensor Installation

  1. område-hastighet sensor och flöde modul
    1. Mount område-velocity sensorn säkert på en stålplåt på en valda tvärsnitt. Montera stålplåt på den " L " fäste ( figur 1) som är monterad i det Telspar inlägget drivs på thalweg av strömmen (dvs, den djupaste delen av kanalen) ( figur 1). förlängningen av den " L " fäste uppströms i Telspar inlägget bör vara tillräckligt lång så att flödet inte påverkas av förekomsten av Telspar inlägget i strömmen. Placera sensorn på den " L " fäste på stream sängen så att spetsen på sensorn ansikten uppströms längs flödeslinjer.
      Obs: Effekten av Telspar inlägg kan utvärderas visuellt om införandet av inlägget skapar flöde störning vid sensor position uppströms eller kvantitativt med sensormätningar med och utan Telspar inlägget. I detta protokoll ansågs tvärsnittsdata variabilitet försumbar. Om det är som ska utvärderas, kan flera Kerstin eller sensorer placeras på ett tvärsnitt. I området hastighet-givaren mäter genomsnittlig hastighet med metoden ultraljud Doppler. Det kräver inte en konverteringsfaktor som bygger på djup flöde eller hastighet profilering och on-site kalibrering. Modulen flöde mäter hastighet från -1,5 till 6,1 m/s och djup från 0,01 m till 9.15 m. Som sådan, det är tillämpliga på olika vattendelare.
    2. Att beräkna ansvarsfrihet, mäta området i tvärsnittet.
      Obs: Programvaran kan direkt beräkna området om formen på kanalen eller en ekvation tillhandahålls.
      Obs: Data från sensorn registreras direkt i modulen flöde och kan laddas ner till en dator med tillverkaren ' s programvara och en kommunikationskabel.

< img alt = ”figur 1” class = ”xfigimg” src = ”/ filer/ftp_upLoad/56036/56036fig1.jpg ”/ >
figur 1. Layouten för en typisk Instream övervakningsstation (inte till en skala).
Stationen innehåller ett Telspar inlägg som sond är upphängd med hjälp av en stålvajer, en karbinhake och holkar. Doppskor visas inte. L-fäste som området-velocity sensorn monteras placeras på stream sängen och säkras tätt till inlägget med hjälp av skruvar och muttrar. Den autosampler (visas inte i figuren) drar vatten provet från en slang som innehåller en sil på spetsen. Kabeln från området-velocity sensorn är ansluten till modulen flöde (visas inte). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. tryckgivare (PT sensor)
    1. närhelst område-velocity sensorn är otillgänglig, mäta djupet med hjälp av en tryckgivare.
    2. Installera PT sensorn inuti Telspar post och säkra den med en ståltråd och Doppskor; spetsen på sensorn bör bara touch stream sängen. Programmera PT sensorn att mäta vattendjupet med 15 minuters mellanrum.
  2. Manuell ansvarsfrihet mätning
    1. för stationer med en PT sensor som ansvarsfrihet mätanordning, göra en scen-ansvarsfrihet kurva genom att manuellt mäta utsläpp över en rad flöden, som täcker minst låg, medium och hög flöden. Dela tvärsnittsarea i flera segment (30-60 cm bred), beroende på bredden på flödet. Mäta den genomsnittliga lufthastigheten i segmentet med hjälp av en portabel flödesmätare mittlinje. Om djupet är < 10 cm, mäta den högsta hastigheten och multiplicera med 0,9 till få den genomsnittliga hastigheten. Om djupet är 10-75 cm, mäta hastighet på 0,6 av djupet, att avgöra den genomsnittliga hastighet 15. För större än 75 cm djup, mäta hastigheter på tre djup (0,2 0,6 och 0,8 i djupet från vattenytan) och genomsnittlig dem 15.
    2. Beräkna utsläpp av ett segment med hjälp av den genomsnittliga hastighet, bredd och djup för segmentet och summera utsläppen från alla segment för att erhålla en djupurladdning.
    3. Följ proceduren för spänner av flöden som omfattar låg, medium och höga flöden.
    4. Bestämma förhållandet mellan scenen (dvs. djup flöde mäts av tryckgivaren vid tidpunkten för manuell ansvarsfrihet mätning) och de uppmätta utsläppen.
      Obs: Om ansvarsfrihet är alltför hög för att mäta hastigheten manuellt, en tillfällig område-hastighet sensor kan användas gör en relation mellan den ansvarsfrihet som mäts av den område-velocity sensorn och djup mätt med PT sensorn.
  3. Vatten kvalitet multi-parameter sond
    1. montera sond på Telspar inlägg med en ståltråd, holkar och en karbinhake för sond säkerhet och enkel installation och borttagning ( figur 1). Placera sond på Telspar inlägget att förhindra skador från skräp eller trä loggar som kan komma flytande med stream vattnet, särskilt under översvämningar nedströms sida. Placera längst ned på sond minst 1-10 cm ovanför stream sängen att minska sannolikheten för sediment uppbyggd på sond.
      Obs: Sond bör alltid vara nedsänkt i vattnet. I en bäck med varierande flöden, bör sond därför tillräckligt högt för att minska uppbyggnaden av sediment på sond och tillräckligt låg för att hindra sond från att få utsätts för luft. Dock för en kanal med mindre Variabelt flöde, sond kan placeras så att sensorerna är ca 10 cm under vattenytan.
      Obs: Om sond har en djup sensor, höjden av djup sensorn från kanal sängen bör mätas till konto för installation av djup sensorn ovanför kanal sängen djup.
    2. Power sond med interna batterier och/eller externa batterier. Använd en bärbar batterilåda för att hysa det externt batteriet och en kommunikationskabel för att ansluta till sond. Programmera den sond att samla in data var 15 min och hämta data direkt till datorn med en kommunikationskabel.
  4. Autosampler
    1. installera en autosampler i väder-skyddande hölje överst i ström bank på stabil grund. Kraft autosampler med ett blybatteri. Installera en 20-W solpanel för att ladda batteriet på plats.
    2. Säkra en sil pipa under vatten med Telspar inlägget eller L-fäste och Anslut den till autosampler med en slang.
      Obs: Autosampler drar vatten från strömmen via sil och slang.
      Obs: Placeringen av SIL röret är viktigt att erhålla representativa uppgifter. I detta protokoll, var den placerad förutsatt att ingen tvärsnittsdata variabilitet.
    3. Programmera autosampler till prov vatten vecko- eller utifrån behov. Autosampler handboken som tillhandahålls av tillverkaren till.
      Obs: Autosampler kan programmeras att provet vatten baserat på nederbörd, flöde, tid eller en kombination. Provtagaren kan programmeras att prova ett prov i många flaskor, många prover i en flaska (komposit), eller en kombination.
      Obs: Autosampler samlar en mängd vatten (2 000 mL) krävs för analysen av parametrarna i laboratoriet. Förutom kontinuerlig vatten kvalitetsövervakning med hjälp av sond, prover analyseras på veckobasis för svävande sediment koncentration.

5. Sensor och sond underhåll

  1. ren område-hastighet sensor på varje besök att minska skräp på eller nära sensorn ytorna.
  2. Ofta kalibrerar sensorer på sond.
    Obs: Frekvens är beroende på säsong, hydrologi, vattendelare, sensortyp och hastighet av påväxt. I de vattendelare som valt här, kalibrering krävdes varannan vecka att samla god kvalitet data.
  3. Ersätta förbrukningsdelar som rekommenderas av tillverkaren.
    Obs: Detta inkluderar en pH referens elektrod/mössa, en mössa (membran) för sensorn, ion-tip sensorer (nitrat och ammonium sensorer), och en cirkulerande torkare och borstar.
  4. Skicka sond för fabriken reparation vid behov (dvs. om sensorn inte läser acceptabla värden för normerna, även efter återställning och kalibrera, eller om sensorerna inte kalibrering).

6. Fältprovtagning och laboratorieanalys

  1. Förbered i förväg för studieresa att upprätthålla sensorerna och samla den automatiskt insamlad vattenprover eller manuellt prov och samla vattenprover om en autosampler inte är tillgänglig på webbplatsen. Se till att inkludera de poster som anges i checklistan (tabell 1).
  2. Samla vatten proverna i en ren (dvs syra tvättas och sköljas) och torr burk (10 L), märka dem och transportera dem på is till laboratoriet så snart som möjligt för analys.
    Obs: Den insamlade vattenprov är ett representativt urval under verkliga förhållanden vid tidpunkten för provtagning och på särskild plats; integriteten hos det insamlade provet bör bevaras mot kontaminering och fysiska, kemiska och biologiska förändringar 12.
    Obs: Behållare materialet krävs kan vara olika för vissa analyter, försurning och/eller filtrering kan krävas på webbplatsen.
  3. Analysera colvalda vatten prover i laboratorium med vanliga metoder innan godkända anläggningen gånger 16.
    Obs: Vattenprover kan analyseras med hjälp av EPA 353.2; 4500-NO3 för nitrat, EPA 353.2; 4500-NO2 för nitrit, EPA 365,1; 4500-PI för fosfat, EPA 350.1; 4500-PJ för totalkväve, EPA 365,4; 4500-PJ för total fosfor, 2540-D för totalt suspenderat material, 2540-C för Summa upplöst fasta ämnen och D 3977-97 för svävande sediment koncentration 16 , 17.
  4. Följer de lämpliga kvalitetskontroll och kontroller, till exempel tomma värden, normer, replikat, etc., under analysen. Följ kvalitet försäkran projektplanen (QAPP).
  5. Fylla kedjan av vårdnad ark för både prov samlaren och laboratoriepersonal och behålla en kopia av varje. Observera någon ovanlig eller anmärkningsvärda händelser observerats i området på kedja av vårdnad ark.

7. Datainsamling och analys

  1. Hämta vatten kvaliteten och kvantiteten data från Kerstin, flöde modul och laboratoriet.
  2. Spara en kopia av alla obearbetade data innan du arbetar med data korrigering och analys.
  3. Noggrant inspektera de insamlade uppgifterna på grumlighet och ta bort eventuella noll (t.ex. 0,0 NTU), NAN eller orimliga värden (t.ex. 3.000 NTU; övre detektionsgräns på sensorn) före ytterligare analys.
    Obs: Försiktighet bör iakttas när du tar bort alla data. De tas bort först när platsspecifika villkor i fältanteckningar identifiera och fastställa att uppgifterna inte är rimlig.
  4. Använda scenen-ansvarsfrihet förhållandet för att beräkna utsläppen från PT sensorn.
    Obs: Djupet mätt med PT sensorn måste vara tryck kompenserad.
    1. Användning tillverkaren (In situ Inc.) programvara, " Baromerge, " efter rätta PT sensordata.
      Obs: Data kan korrigeras genom en fast barometertryck värde genom att ange många barometertryck värden manuellt och automatiskt med en baroTroll loggfil. Detta protokoll används en baroTroll loggfil som distribuerats i närheten automatiskt korrigerar PT sensordata.
  5. För området-hastighet sensordata, ta bort eventuella negativa flödet som kunde vara sensorn artefakt.
    Försiktighet: Ibland kan det faktiskt finnas negativt flöde, beroende på webbplatsen. Ignorera i så fall inte den negativa velocity.
  6. Beräkna saknas ansvarsfrihet data med hjälp av en linjär regression mellan uppströms eller nedströms utsläpp samt utsläppen vid stationen.
    Obs: Förhållandet bör vara statistiskt signifikant, vilket vanligtvis är fallet mellan utsläpp för alla uppströms och nedströms stationer. I de vattendelare som testas här, förhållandet var signifikant (p < 0,01) och korrelationskoefficienten var större än 93%. Dock saknas ansvarsfrihet data kan endast fyllas med den här metoden om avståndet mellan platser är kort och de vattendelare kännetecken förblir liknande.
  7. Fyll inte saknade vatten kvalitetsdata.
    Obs: Vatten kvalitetsdata påverkas av många variabler (dvs, timing och tillämpningen av gödselmedel, huruvida ansvarsfrihet ökar eller minskar, platsspecifika villkor, etc.).
  8. Utföra en regressionsanalys mellan svävande sediment koncentrationen (SSC) från laboratorieresultaten och turbiditeten (NTU) mätt vid strömmen.
    Obs: En sådan regression är känslig för sediment storleksfördelning, sådan att om sand utgör en betydande men variabel bråkdel av vetenskapliga Styrkommittén, regression blir dålig. Den kan dock förbättras om sands och böter är separerade under prov analyseras och om böterna är korrelerade till vetenskapliga Styrkommittén. Använda regression för att beräkna kontinuerlig SSC värden.
  9. Eftersom koncentrationer av förorenande ämnen varierar med flytningar, beräkna flöde-viktade koncentrationer med ekvation 1 6. Beräkna flöde-vägda genomsnittliga koncentrationerna (FWMC) dagligen med Timvisa data. Du kan också beräkna det på timbasis med hjälp av 15-min data; FWMCs är tid-integrerade samt.
    Equation
    där
    FWMC = flöde-vägd genomsnittlig koncentration på en daglig basis
    c jag = koncentration av i th prov
    t jag = tid, 1 h
    q jag = ansvarsfrihet för jag th prov
    jag = 1 24
  10. tillämpa lämpliga statistiska metoder för att uppfylla data. När uppgifterna är icke-normala, omvandla data för att göra dem normala eller använda den median ± interkvartilintervall. Utföra icke-parametriska tester för icke-normala data.

Representative Results

I Aryal och Reba (2017) publikationen användes detta protokoll att studera transport och omvandling av näringsämnen och sediment i två små jordbruks vattendelare6. Ytterligare resultat från detta protokoll beskrivs nedan.

Nederbörd-avrinning vatten kvalitet relationer:

Styrkan i kontinuerlig övervakning är att användare kan välja en fin tidsupplösning att studera orsak-verkan relationer, såsom förhållandet mellan nederbörd, avrinning och grumlighet, med 15-min data (figur 2A). Nederbörd data hämtades från väderstationer (www.weather.astate.edu), en inuti lite diken avrinningsområdet och andra 6,3 miles bort från i Lower St. Francis Basin. Från 00:00 till 09:00 på 7/22 inträffade 25,4 mm nederbörd. Nederbörden ökar utsläppen från 0,71 m3/s 00:00 till 4.89 m3/s kl 17:45 på 7/22. Det fanns flera lokala ansvarsfrihet toppar under evenemanget, sannolikt kopplat till rumsliga variationer i nederbörd och dränering mönster av fälten ris och soja som bidragit till majoriteten av flödet. I Lower St. Francis Basin hade cirka 94% av området i rad grödor, främst sojabönor och ris. Som utsläpp gradvis avtagit, en annan 14-mm regn händelse inträffade på 7/23 kl 07:00 och varade i 5 h. Följaktligen, en annan ökning av ansvarsfrihet mättes.

Som förväntat, ökad grumlighet med flytningar efter händelsen regn och avtar gradvis (figur 2A). Turbiditeten ökat från 13 NTU vid 23:34 den 7/21 till 409 NTU vid 02:04 på 7/23. Den högsta grumligheten erhölls under ökande ansvarsfrihet-delen av hydrograph. Det var sannolikt på grund av den första flush som tvättas jordpartiklar från åkrar. Som med flytningar, visade turbiditeten också två tydliga toppar.

Figure 2
Figur 2. Variant av nederbörd, ansvarsfrihet och vattenkvaliteten på händelse Basis i nedre St. Francis Basin, en jordbruks vattendelare.
(A) regn, ansvarsfrihet och grumlighet. (B) nitrat, ammonium och ledningsförmåga från 7/21 7/26. Flesta av grödorna som vattendelare var sojabönor och ris. Nederbörd, ansvarsfrihet och grumlighet Tomterna är baserade på 60-, 15- och 15-min data, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Likaså, nitrat, ammonium och ledningsförmåga visade variationer med avrinning och tid (figur 2B). Under en avrinning händelse, kan nitrathalten antingen minska på grund av en utspädningseffekt eller öka på grund av en blandning av koncentrerad avrinning från fält. I den ansedda tidsramen, nitrat ökade upp till 4,52 mg/L vid 02:04 på 7/22 och minskade gradvis. Den högsta koncentrationen av nitrat sammanföll med den första flush avrinning, som nyligen ansökt men oanvända lösligt kväve spolades bort. Den andra toppen av nitrathalten brevväxlade med den andra toppen i ansvarsfrihet, men det hade en lägre koncentration än den första toppen. Detta beror sannolikt på bortspolning av lättlösligt kväve med den första flush. Form av nitrat topparna var liknande under båda händelser, trots olikheter i storlek.

Den genomsnittliga ammonium koncentrationen var 0.80 mg/L, sannolikt på grund av bidraget från risfälten. Ammonium koncentrationen varierade något med två ansvarsfrihet toppar (dvs, med en ökning av ansvarsfrihet). Ökningen av ammonium koncentrationen med andra ansvarsfrihet topp var mindre än med första ansvarsfrihet topp, dock av samma skäl som nitrat (figur 2B). Som med nitrat, nådde ammonium koncentrationen innan ansvarsfrihet nådde.

Conductivityen varierade från 93-495 µS/cm under perioden. Konduktiviteten visade ett omvänt förhållande till ansvarsfrihet (figur 2A och 2B) (dvs ledningsförmåga var hög under bas flöde och minskade med en ökning i flödet under både peak utsläpp). Nitrat och ammonium var sannolikt mindre bidragsgivare till vatten ledningsförmåga, eftersom conductivityen av vatten minskade under peak ansvarsfrihet, även om de nitrat och ammonium var högre än under normalförhållanden. Utspädning av regnvatten, som har lägre ledningsförmåga, kan ha bidragit till lägre conductivityen av vatten i bäcken.

Dagaktiva varianter av pH, temperatur och illustreras tydligt av sond resultaten (figur 3). Temperaturen varierade från 36,1 till 24.6 ° C från 7/9 - 7/10. Vattentemperaturen i strömmen var den lägsta på 06:00-07:00 och den högsta kl 17:00-18:00.

Figure 3
Figur 3. Dygnsvariation av pH, temperatur och på en Stream avsnitt i Lower St. Francis Basin, en jordbruks vattendelare. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Upplöst syre var lägst från midnatt till 06:00. Som aktiviteten photosynthesis växter börjar efter soluppgången, DO ökat stadigt tills den nådde 16:19 den 7/9 (9,98 mg/L, 144,9% mättnad) och vid 15:34 den 7/10 (11.21 mg/L, 159,9% mättnad). DO stadigt minskade fram till midnatt och var konstant. Bakterie- och algangrepp respiration, fotosyntes, carbonaceous och kvävehaltiga oxidation och temperaturen sannolikt påverkat dygnsvariation18.

PH varierade mellan 7,4 och 7,8 från 7/9-7/10. PH var störst vid 17:34 den 7/9 (7,78) och kl 17:04 den 7/10 (7,77). Dygnsvariation i pH påverkades också av andning, fotosyntes och buffring kapacitet, eftersom koldioxid, vilket minskar pH, avlägsnas under fotosyntesen och läggs under respiration i de akvatiska system.

De koncentrationer som visas i figur 2 och figur 3, mätt över en längre period (dvs. en månad, säsong, år) kan ge information om hur vattenkvaliteten ändras med tiden under naturliga eller hanterade förhållanden.

TempoRAL (månatlig) variant av förorenande laster:

Temporal variation på ett avsnitt av strömmen kan studeras över olika tidsskalor. Månatliga variation på lite diken avrinningsområdet, en liten jordbruks vattendelare i nordöstra Arkansas, avslöjade ett mönster av kväve och sediment förlust från vattendelare under hela året (figur 4). Förorenande laster hög i början av sommaren och senhösten. Månaderna September och oktober har präglats av låg förorening lastning, främst på grund av lågt flöde. Vetenskapliga Styrkommittén var störst i November och December på grund av hög nederbörd på nyligen skördade och störda områden. Data visade också att variationerna var mycket hög, eftersom daglig laster drevs av nederbörd händelser som varierade avsevärt. Höga laster under sen hösten (November och December) visat att näringsämnesminskningen program kan vara mer effektiva om de fokuserar på att minska November/December laster. Tekniker som minskar förlusten av föroreningar på vintern, såsom användning av täckgrödor19, måste följaktligen betraktas i vattendelare management-program.

Figure 4
Figur 4. Månatliga variant av nitrat, Ammonium och SSC belastning (kg/d) vid utloppet av floden lite diken Basin.
Värdena är medianvärdet ± interkvartilintervall. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Rumslig Variation av förorenande laster:

Protokollet kan också lämna uppgifter för rumsliga variationer förutom tidsmässiga variationer om flera stationer inom en vattendelare är valt. Förorenande laster i en jordbruks vattendelare (figur 5) visar tydligt öka nitrat och ammonium laster som vattnet resor nedströms. Förlusten i 9,6 kg per hektar nitrat per år var inom den 8-14 kg/ha per år range rapporterade i Missouri i små jordbruks vattendelare med liknande jord energislag20. Denna typ av information kan användas för att utvärdera effektiviteten av instream vatten förvaltningsmetoder och förorenande transporter, bland annat.

Figure 5
Figur 5. Nitrat och Ammonium transporteras i små avrinningsområden diken.
Uppströms, midstream och nedströms platser var ligger cirka 2 km från varandra. Värdena är medelvärde ± standardavvikelsen för medelvärdet på en daglig basis för augusti 2015. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Sensor påväxt och Sediment uppbyggd:

I jordbruket vattendelare, kan förekomsten av näringsämnen, såsom kväve och fosfor, i vattnets avrinning vid höga koncentrationer påskynda hastigheten vid vilken bio-påväxt sker vid en given temperatur. Dessutom kan avrinningsvatten bära höga sediment som härstammar från den bearbetad och eroderad vattenvägar. Den höga sediment belastningen kan leda till avsättning av sediment partiklarna på sensorn och sond ytbehandlar och ansamling av sediment. Sådan påväxt och sediment uppbyggd kan resultera i drift och i felaktiga resultat.

Dygnsvariation av göra minskade fram till 7/15, ökade på 7/16 efter sensorn var rengöras på plats, och plötsligt minskade efter 13 eller 14 dagar (figur 6) på grund av påväxt. Tillväxt och resulterande ansamling av mikroorganismer på ytbehandlar av sond syns i figur 7. Påväxt är svår på ytor där våtservetter eller borstar rengör inte. Effekten av sediment uppbyggd på turbiditeten läsning observerades 12/26 (figur 8). Nederbörden den 12/23-12/25 ökat turbiditeten upp till 1595 NTU och 1073 NTU. Turbiditeten minskade när ansvarsfrihet minskade i strömmen. Stora regn händelsen på 12/26 orsakade dock turbiditeten att nå den övre gränsen för 3000 NTU. Turbiditeten läsning förblev stabil på 3000 NTU på grund av ansamling av skräp på sond vakt och förekomsten av ogräs och växter på Telspar inlägget. När skräp samlat, grumlighet avläsningarna var oberäkneligt (dvs ändras plötsligt från 3000 NTU till mindre än 50 NTU i 15 min) och felaktiga. Därför är grumlighet data från 12/26 12/29 inte av god kvalitet.

Figure 6
Figur 6. Drift av DO Sensor mätning efter sond återstod i strömmen i två veckor.
Efter kalibrering, sond installerades på 7/8, och drivan började på 7/22. Drivan i sensorn läser efter 7/21 resulterade i en lägre DO än normalt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7. Bilder visar smuts på sensorn ytor (vänster) och rena Sensing ytor av sensorerna (höger) efter torka med en borste och Wiper. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 8
Figur 8. Grumlighet (NTU) i strömmen före och efter Sediment uppbyggd i sond Guard.
Nederbörd (mm) visas på den sekundära y-axeln. Turbiditeten visade ett utmärkt svar på nederbörd på 12/16 och 12/23 12/25. Händelsen stor nederbörd 12/26 skapade sediment uppbyggd i sond vakten och grumlighet avläsningarna efter 12/26 var dock felaktig (mestadels 3000 NTU) och OBERÄKNELIG. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Trong > objekt notering Objekt lista Kontrollera Dokument QAPP (kvalitet försäkran projektplan) Kedja av vårdnad ark Anteckningsbok Navigering kartor/GPS Penna, markör, etikett tejp Säkerhet Solskydd/solglasögon Wasp spray Första hjälpen-kit Dricksvatten Kommunikation (mobiltelefon) Personliga skyddande utrustning-vadare, gummistövlar, handskar, hatt Rep och ankare Antiseptiska handtvätt Provtagning, lagring, transport Kylare och is Provflaska och lock Märkning tejp Sensor/instrumentering Kommunikationskablar Externa batterier Fältet laptop Sond Kommunikationskabel 'C' batterier Tvål och borste Fältet laptop Andra Verktygslåda (skruvdragare, voltmeter, Buntband, skiftnyckel,...)

Tabell 1. Checklista över objekt rekommenderas för ett fält besök prov vatten och reparation och underhåll sensorer.

Discussion

Övergripande, kontinuerlig övervakning av näringsämnen och sediment har flera fördelar över övervakning med hjälp av grab provtagningsmetod. Hydrologiska och vatten kvalitetsprocesser påverkas av nederbörden under en mycket kort tidsperiod. Användare kan erhålla hög temporal upplösning data på näringsämnen och sediment att studera komplexa problem. Andra vatten kvalitetsparametrar, såsom konduktivitet, pH, temperatur och DO, kan erhållas samtidigt och till samma kostnad som för övervakning nitrat, ammonium och grumlighet. Dessutom finns det andra sensorer från tillverkare som möjliggör mätning av ännu mer vatten kvalitetsparametrar, till exempel klorofyll, salthalt och oxidation-reduktion potential, tillsammans med näringsämnen och sediment.

Detta protokoll kan användas för att identifiera den temporala variationen av föroreningar under en vald period av studie. den rumsliga variationen av föroreningar i en vattendelare, om övervakningen genomförs på flera stationer; och tvärsnittsdata variationen av föroreningar, om övervakningen genomförs på flera punkter i ett tvärsnitt. I detta protokoll visas dygnsvariation i pH, konduktivitet, göra, nitrat, ammonium, grumlighet och temperatur kan påvisa orsak-verkan relationer och bidra till en bättre förståelse för förare av förorenande laster.

Trots framgångsrika kontinuerlig mätning av näringsämnen och sediment är den största begränsningen av metoden förlust av data eller insamling av en låg kvalitet på grund av sensor fel, förlust av makt och sediment/skräp uppbyggd. Val av plats är viktigt, är det lika viktigt att ofta kontrollera kalibreringen eller kalibrera vid behov ersätta interna och externa batterier (om inte solar driv), och hämta och kontrollera data. Datakvaliteten kan äventyras i flera stadier, från datainsamling till databehandling. I skede förvärv, fokus i detta papper, diskuteras rättsmedel för möjliga problem nedan.

Dataförlust:

Olämplig programmering av sensorer, förlust av makt till sensorn, etc., kan orsaka brister i data. Om möjligt, kan en sol laddare installeras på stationerna att ladda batteriet. Annars, frekvent byte av inre (för Kerstin) och/eller externa batterier krävs. Hämtar data ofta hjälper att identifiera problemet snabbt och ta det, att minska förlust av data på grund av minnesbegränsningar. Gnagare kan skada kablarna och förluster av data. Dessa förluster kan undvikas genom att använda tråd vakter för att täcka kablarna.

Låg kvalitet Data på grund av påväxt:

Påväxt av sensorn ytor och resulterande drift eller felaktigheter i data kan minimeras genom att täcka sensor vakten med koppar tejp, genom att använda koppar vakt, och med hjälp av koppar mesh runt sensorn vakten. Vi hittade att täcka sond ytor (inte sensorer) med alla väder tejp underlättat rengöring av sensorerna. Självrengörande Kerstin med vindrutetorkare och penslar, lik den som används i denna studie, bidragit till att rengöra ytorna på sensorerna (figur 7). Användning av koppar material, såsom tejp, vakt, eller mesh, minskad tillväxt av mikroorganismer och den resulterande påväxt.

Låg kvalitet Data på grund av skräp uppbyggd:

Placeringen av sensorn och sond och begrava kablarna under sediment kan begränsa skräp uppbyggd. Till exempel, hjälper placera sond ett visst djup över stream sängen men under vattenytan för att begränsa sediment uppbyggd. Likaså minskar placeras sond på efterföljande sida av Telspar inlägget skräp, som Telspar inlägget fångar den stora skogen, gräs, etc. rengöring av sond under varje område besök kan hjälpa till att producera bättre data. Inslagning sensor vakten med koppar mesh minskar sediment och skräp buildup, störningar från vattenlevande växter och macroinvertebrates och påväxt.

Medan sond kan placeras uppströms eller nedströms Telspar inlägget, avbryta sond på den efterföljande sidan rekommenderas. Kravet för sensorer i sond att mäta utan partiskhet ha förflyttning av vatten över sensorn ytorna eller ha ingen stående vatten. Tunn bredden på inlägget (4,0 cm) och hålen i inlägget se till att vattnet flödar genom sensorn ytorna. Dessutom, när sond är på den överordnade sidan av inlägget, kan vattenlevande ogräs och material/växtrester Omslut sond vakten, som observerades i denna studie. En annan nackdel med att placera sond på uppströms sida är att, medan vakten skyddar sensorerna, sond kroppen är fortfarande i fara att skadas av skräp/trä på den överordnade sidan av inlägget. Effekten av inlägget på velocity mätningen kan testas genom att visuellt observerar och jämföra de hastighet avläsningarna med och utan inlägget. I detta protokoll, område-velocity sensorn var ca 50 cm uppströms i Telspar inlägget, och förekomsten av Telspar inlägget påverkar inte hastigheten.

Det är viktigt att identifiera frekvensen av kalibrering platsspecifika villkor. Det är en balans mellan att inte äventyra kvaliteten på uppgifterna genom under-kalibrera och inte slösa resurser genom alltför kalibrera. I jordbruket strömmar i denna studie (dvs, varma, fuktiga tropiska klimat) räckte laboratorium kalibrering varannan vecka under sommaren (figur 6) och varje 3 veckor på vintern. Dock rengjordes sensorer på webbplatsen varje vecka under sommaren.

Utarbetandet av en QAPP för alla aktiviteter, inklusive kvalitetskontroll kontroller i förväg om projektet, hjälper till att identifiera potentiella problem, håller studien konsekvent och enhetlig och ger bättre data. Efter de riktlinjer som fastställs i förfarandet för QAPP krävs.

Dokumentation av händelser eller ovanliga observationer i anteckningsböcker eller fotografier är mycket viktigt. Många gånger, är resultaten av övervakningen kopplade till händelser som är atypiska. Till exempel kommer att muddra (dvs. rengöring) av en ström (diket), vilket är ovanligt, öka grumligheten provets vatten även utan ökad ansvarsfrihet.

Den säkerheten för personalen som arbetar inom fältet, samt instrument säkerhet, är mycket viktiga. En säkerhet, hälsa och välfärd plan bör utarbetas innan starten av ett projekt. Säkerhetsproblemen bland ormar, temperatur faror, översvämning, vind, köra villkor, lightning, etc. logistik och rekommenderade objekt att ta under fältbesök finns i tabell 1.

En av begränsningarna i den nuvarande tekniken för att mäta nitrat och ammonium (dvs jonselektiv elektrod) är att den inte mäter dem just upp till mycket låga näringsvärden. Medan resolutionen av sensorerna är 0,01 mg/L för både nitrat och ammonium sensorer, noggrannhet är 5% av avläsningen eller upp till ± 2 mg/L. Riktigheten av de, turbiditet, pH och konduktivitet sensorer är ± 0,1 - 0,2 mg/L, eller 0,1%; ± 1 - 3% upp till 400 NTU; ± 0,2; och ± 5 µS, respektive. Dessutom protocol är svårt att följa under översvämningar på grund av otillgänglighet.

Medan detta protokoll testades i jordbruket vattendelare, kan det också gälla andra vattendelare i andra regioner, som vattendelare som påverkats av annan mark använder aktiviteter, inklusive gruvdrift. Denna metod är också användbar vid bedömningen av interaktioner mellan flera föroreningar. Framtida tillämpningar av den metod som beskrivs här inkluderar sensor avancemang för att klara påväxt av sensorer och ansamling av skräp/sediment på sond vakt; Ytterligare förbättringar av den noggrannhet och precision av sensorer; utveckling av trådlösa nätverk och avlägsen överföring av uppgifter till servrar; och uppbyggnad av större nätverk för standard datainsamlingssystem, datahantering och program.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Forskningen var möjligt tack vare finansiering från bevarande effekter bedömning projekt (CEAP). Vi är särskilt tacksamma för webbplats-behörighet från producenterna, forskning hjälp från medlemmar av USDA-ARS-Delta vatten Management Research Unit och provanalys av Personalen på ekotoxikologi forskningsanläggningen, Arkansas State University. En del av denna forskning stöddes av en avtalad tid till ARS deltagande programmet administreras av Oak Ridge Institutet för vetenskap och utbildning (ORISE) via en institutionsöverskridande avtal mellan US Department of Energy och USDA. ORISE hanteras av ORAU under DOE kontraktsnummer DE-AC05-06OR23100. Alla åsikter som uttrycks i detta dokument är författarens och återspeglar inte nödvändigtvis de riktlinjer och visningar av 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