رصد مائي مستمر للمغذيات والرواسب في مستجمعات المياه الزراعية
Summary
مع تقدم التكنولوجيا وارتفاع توقعات المستخدم النهائي، زادت الحاجة واستخدام أعلى الأزمنة البيانات لتقدير حمل الملوثات. ويصف هذا البروتوكول طريقة مستمرة في الموقع رصد نوعية المياه للحصول على بيانات الاستبانة الزمنية أعلى لعلم المياه القرارات المتعلقة بإدارة الموارد.
Abstract
تركيزات الملوثات والأحمال في مستجمعات المياه تختلف اختلافاً كبيرا مع الزمان والمكان. معلومات دقيقة وفي الوقت المناسب بشأن الحجم الملوثات في المياه شرط أساسي لفهم القوى المحركة لكميات الملوثات وجعل المياه علم قرارات إدارة الموارد. الأسلوب “الاستيلاء على أخذ العينات” استخداماً يوفر تركيزات الملوثات في وقت أخذ العينات (أي تركيز لقطة) وقد ظل-أو أوفيربريديكت بتركيزات الملوثات والأحمال. الرصد المستمر للمغذيات والرواسب مؤخرا تلقي مزيدا من الاهتمام بسبب التقدم في الحوسبة، والاستشعار عن التكنولوجيا، وأجهزة التخزين. هذا البروتوكول يوضح استخدام أجهزة الاستشعار، بارامترات والأجهزة باستمرار رصد النترات في الموقع والأمونيوم والتعكر، درجة الحموضة، الموصلية، ودرجة الحرارة والأوكسجين الذائب (DO) وحساب الأحمال من اتجاهين (خنادق) في اثنين مستجمعات المياه الزراعية. مع المعايرة الصحيحة، والصيانة، وتشغيل أجهزة الاستشعار وبارامترات، يمكن الحصول على بيانات نوعية المياه الصالحة للشرب عن طريق التغلب على الظروف الصعبة مثل تراكم الحشف والحطام. الأسلوب يمكن أيضا استخدامها في مستجمعات المياه من مختلف الأحجام وتتميز بالأراضي الزراعية والحرجية، و/أو الحضرية.
Introduction
ويقدم معلومات عن تركيزات الملوثات على مستويات مكانية مختلفة، اعتماداً على حجم المنطقة المساهمة التي يمكن أن تتراوح بين مؤامرة أو حقل فاصلاً رصد نوعية المياه. ويجري هذا الرصد على مدى فترة من الزمن، مثل حدث واحد، يوم، هذا موسم، أو سنة. يمكن أن تكون المعلومات التي حصل من رصد نوعية المياه، وتتعلق أساسا بالعناصر الغذائية (مثل النيتروجين والفوسفور) والرواسب، المستخدمة ل: 1) فهم العمليات الهيدرولوجية والنقل والتحويل من الملوثات في تيارات، مثل خنادق الصرف الزراعي؛ 2) تقييم كفاءة الممارسات الإدارية المطبقة على مستجمعات المياه لتقليل الحمل المغذيات والرواسب وزيادة نوعية المياه؛ 3) تقييم إيصال من الرواسب والمواد المغذية للمياه المصب؛ و 4) تحسين نماذج من العناصر الغذائية والرواسب نفهم الهيدرولوجية والمائية نوعية العمليات التي تحدد ديناميات ونقل الملوثات عبر مجموعة جداول زمنية ومكانية.
هذه المعلومات حاسمة لاستعادة النظم الإيكولوجية المائية والتخطيط المستدام وإدارة موارد المياه1.
الأسلوب الأكثر استخداماً للمغذيات والرواسب الرصد في فاصلاً هو الاستيلاء على أخذ العينات. يمثل الاستيلاء على أخذ العينات بدقة تركيز لقطة في الوقت عينة2. فإنه يمكن أيضا تصور تلاف تركيزات الملوثات مع مرور الوقت إذا كان يتم تكرار أخذ العينات. ومع ذلك، أخذ عينات متكررة الوقت مكثفة ومكلفة، وكثيراً ما يجعله غير عملي2. بالإضافة إلى ذلك، يجوز الاستيلاء على أخذ العينات تحت-أو المبالغة في تقدير تركيزات الملوثات الفعلية خارج وقت أخذ العينات2،3،4. ونتيجة لذلك، قد لا تكون الأحمال المحسوبة باستخدام مثل هذه التركيزات دقيقة.
الرصد المستمر يوفر بدلاً من ذلك، معلومات دقيقة وفي الوقت المناسب على نوعية المياه في فترة زمنية محددة سلفا، مثل دقيقة، ساعة، أو يوميا. يمكن للمستخدمين تحديد الفواصل الزمنية المناسبة على أساس احتياجاتها. الرصد المتواصل تمكن الباحثين والمخططين والمديرين لتحسين جمع العينات؛ وضع ورصد مقاييس الوقت متكاملة، مثل مجموع الأحمال اليومية القصوى (تمدلس)؛ تقييم استخدام الترفيهية هيئة المياه؛ تقييم أوضاع تيار خط الأساس؛ ومكانيا وزمنياً تقييم اختلاف الملوثات تحديد العلاقات السببية ووضع خطة إدارة5،6. الرصد المستمر للمغذيات والرواسب تلقت مؤخرا اهتماما متزايداً بسبب التقدم في تكنولوجيا الحوسبة، وأجهزة الاستشعار، وتحسين قدرة أجهزة التخزين، وتزايد الاحتياجات من البيانات اللازمة لدراسة عمليات أكثر تعقيداً 1 , 5 , 7-في دراسة استقصائية عالمية لما يزيد على 700 المياه المهنيين، استخدام بارامترات معلمة متعددة زادت من 26 في المائة إلى 61 في المائة من عام 2002 إلى عام 2012، ومن المتوقع أن تصل إلى 66% قبل عام 20225. في نفس الدراسة، أشار 72 في المائة من المجيبين إلى الحاجة إلى توسيع شبكة الرصد الخاصة بهم لتلبية تلك البيانات يحتاج إلى5. ومن المتوقع بنسبة 53% و 64%، على التوالي، قبل عام 20225عدد المحطات في شبكة رصد والعدد من المتغيرات التي ترصد كل محطة في عام 2012.
بيد أن نوعية المياه المستمر ورصد كمية في مستجمعات المياه الزراعية يمثل تحديا. أحداث الأمطار كبيرة يغسل الرواسب والتخزين، تسهم في تراكم الترسبات عالية الحمولة والحطام في أجهزة الاستشعار وبارامترات. جولة الإعادة من فائض النيتروجين والفوسفور تطبيقها على الحقول الزراعية يخلق ظروفا مثالية لنمو الكائنات الحية المجهرية والعيانية وقاذورات مجسات مائي وبارامترات، لا سيما خلال فصل الصيف. يمكن أن يسبب تراكم الحشف والرواسب مجسات لتفشل، والانجراف، وإنتاج بيانات غير موثوق بها. وعلى الرغم من هذه التحديات، أدق الأزمنة (منخفض حسب دقيقة) البيانات المطلوبة لدراسة عمليات الجريان السطحي وتلوث مصادر غير نقطة، كما أنها تتأثر بخصائص مستجمعات المياه (مثل الحجم، والتربة، والمنحدر، إلخ. )، وفي توقيت وكثافة الأمطار7. يمكن ضمان المراقبة الميدانية حذراً والمعايرة المتكررة، والتنظيف المناسبة وصيانة البيانات ذات النوعية الجيدة من أجهزة الاستشعار وبارامترات، حتى في القرار الوقت الدقيقة.
وهنا، نحن نناقش أسلوب في الموقع الرصد المستمر لمستجمعات المياه الزراعية هما استخدام بارامترات نوعية المياه معلمة متعددة، المنطقة ذات السرعة وأجهزة استشعار الضغط على المفاتيح، وأوتوسامبليرس؛ هذه المعايرة والصيانة الميدانية؛ وتجهيز البيانات. البروتوكول يوضح طريقة التي يمكن إجراء رصد نوعية المياه المستمر. البروتوكول تنطبق بصورة عامة على نوعية المياه المستمر وكمية الرصد في أي نوع أو حجم مستجمعات المياه.
نفذ البروتوكول في شمال شرق ولاية أركنسو في “حوض خنادق نهر ليتل” (080202040803 هوك، 53.4 كيلومتر2 ) وحوض الأدنى سانت فرانسيس (080202030801 هوك، 23.4 كيلومتر2 ). هذه المستجمعات المائية اثنين تصب في روافد نهر المسيسيبي. وحددت اللجنة المحافظة على نهر المسيسيبي الأدنى وخليج المكسيك نقص فرقة العمل لوضع خطة لإدارة مستجمعات المياه وتسجيل التقدم المحرز في أنشطة إدارة حاجة إلى رصد روافد نهر المسيسيبي 8 , 9-وعلاوة على ذلك، تتميز هذه المستجمعات المائية كمستجمعات المياه تركز دائرة حفظ الموارد الطبيعية وزارة الزراعة في “الولايات المتحدة” (وزارة الزراعة-سوسيولوجيا)، استناداً إلى إمكانات للحد من تلوث المغذيات والرواسب و تحسين نوعية الماء10. حافة من الميدان رصد يجري في هذه المستجمعات المائية كجزء من شبكة نهر المسيسيبي حوض مبادرة مستجمعات المياه الصحية (شملهم) على مستوى الولاية11. وترد تفاصيل أكثر لمستجمعات المياه (أي موقع مواقع، وخصائص مستجمعات المياه، إلخ) في اريال وريبا (2017)6. وباختصار، “حوض نهر ليتل الخنادق” قد يغلب تربة الطفال الطمي، وفول الصويا والقطن هي المحاصيل الرئيسية، حين الحوض السفلي سانت فرانسيس الغالب شاركي طين التربة، والأرز وفول الصويا من المحاصيل الرئيسية. في كل لمستجمعات المياه، في الموقع مستمرة كمية ونوعية المياه رصد (أي تصريف الحرارة ودرجة الحموضة،، التعكر، الموصلية، النترات والأمونيوم) أجرى في ثلاث محطات في التيار الرئيسي باستخدام هذا البروتوكول إلى فهم التغير المكاني والزماني في كميات المواد الملوثة والعمليات الهيدرولوجية. بالإضافة إلى ذلك، جمعت عينات المياه أسبوعية وتحليلها لشركة الرسوبيات المعلقةنسينتريشن.
Protocol
Representative Results
Discussion
عموما، الرصد المستمر للمغذيات والرواسب قد رصد استخدام أسلوب أخذ العينات الاستيلاء على العديد من المزايا. تتأثر عمليات نوعية المياه والهيدرولوجيا بهطول الأمطار على مدى فترة قصيرة جداً من الزمن. يمكن للمستخدمين الحصول على البيانات الزمانية القرار عالية على المغذيات والرواسب لدراسة المشا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
البحث الذي كان ممكناً بفضل تمويل من مشروع تقييم آثار الحفظ (CEAP). ونحن شاكرون خاصة للحصول على إذن الوصول إلى الموقع من المنتجين، المساعدة في مجال البحوث من أعضاء “وحدة بحوث إدارة المياه” وزارة الزراعة-أرس-دلتا، وتحليل عينة من الموظفين في “منشأة أبحاث علم السموم الإيكولوجية”، جامعة ولاية أركنسو. وأيد جزء من هذه البحوث موعد “البرنامج مشاركة جمعية الإغاثة اﻷرمنية”، يديره معهد أوك ريدج للعلم والتعليم (أوريسي) من خلال اتفاق مشترك بين الوكالات بين وزارة الطاقة الأمريكية ووزارة الزراعة. ويدير أورو أرس تحت رقم العقد الفلاني دي-AC05-06OR23100. جميع الآراء التي أعرب عنها في هذه الورقة هي صاحبة البلاغ، ولا تعكس بالضرورة سياسات وآراء من وزارة الزراعة، وجمعية الإغاثة اﻷرمنية، والكيان التشغيلي المعين، أو أوراو/أوريسي.
Materials
| 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hamilton, S. . Global hydrological monitoring industry trends. , (2012).
- 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).
- National Research Council (U.S.). . Confronting the nation’s water problems: The role of research. , (2004).
- LMRRA (Lower Mississippi River Resource Assessment). . Final Assessment in Response to Section 402 of WRDA 2000 Public Review Draft. , (2015).
- MWNTF (Mississippi River/Gulf of Mexico Watershed Nutrient Task Force). . New Goal Framework. , (2008).
- 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).
- Duncan, D., Harvey, F., Walker, M. . Australian Water Quality Centre. , (2007).
- Hamilton, S. . The 5 essential elements of a hydrological monitoring program. , (2012).
- Wagner, R. J., Boulger, R. W., Oblinger, C. J., Smith, B. A. . , (2006).
- World Metorological Organization. . Manual on Stream Gauging Volume I-Fieldwork. , (2010).
- American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. . Standard methods for the examination of water & wastewater. , (2005).
- ASTM (American Society of Testing and Materials) D3977-97. . Standard test methods for determining sediment concentration in water samples. , (1997).
- O’Connor, D. J. The temporal and spatial distribution of dissolved oxygen in streams. Water Resour Res. 3 (1), 65-79 (1967).
- Dabney, S. M. Cover crop impacts on watershed hydrology. J Soil Water Conserv. 53 (3), 207-213 (1998).
- 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).
