Continu Instream bewaking van voedingsstoffen en Sediment in agrarische waterscheidingen

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

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

De meest gebruikte methode voor nutriënt en sediment toezicht op een keerpunt is grab bemonstering. Grab bemonstering vertegenwoordigt nauwkeurig een momentopname concentratie op het tijdstip van bemonstering². Het kan ook een variatie van de concentraties van de verontreinigende stof met tijd verbeelden als frequente bemonstering wordt gedaan. Frequente bemonstering is echter tijd intensieve en dure, waardoor het vaak onpraktisch². Bovendien kan grab bemonstering onder- of overschat de werkelijke verontreinigende stof concentraties buiten de bemonstering tijd^2,3,4. Bijgevolg ladingen berekend aan de hand van dergelijke concentraties mogelijk niet nauwkeurig.

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

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

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

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