Kontinuierliche Instream Überwachung von Nährstoffen und Sediment in landwirtschaftlichen Wasserscheiden
Summary
Mit der Weiterentwicklung der Technologie und der Anstieg der Endkunden Erwartungen die Notwendigkeit und die Verwendung von höheren zeitlichen Auflösung Daten für Schadstoff-Belastung-Schätzung gestiegen. Dieses Protokoll beschreibt ein Verfahren zur kontinuierlichen in Situ Überwachung der Wasserqualität um höhere zeitliche Auflösung Daten für fundierte Wasser Ressourcen Management-Entscheidungen zu erhalten.
Abstract
Schadstoffkonzentrationen und Lasten in Einzugsgebieten unterschiedlich mit Zeit und Raum. Genaue und aktuelle Informationen über das Ausmaß von Schadstoffen in Wasser-Ressourcen ist eine Voraussetzung für das Verständnis der Fahrer von der Schadstofffrachten und Entscheidungen informiert Wasser Ressourcen Management. Die häufig verwendete “greifen Probenahme” Methode bietet die Konzentrationen von Schadstoffen zum Zeitpunkt der Probenahme (d. h. eine Snapshot-Konzentration) und kann unter- oder overpredict die Schadstoffkonzentrationen und Lasten. Kontinuierliche Überwachung der Nährstoffe und Sediment erhielt vor kurzem mehr Aufmerksamkeit aufgrund der Fortschritte in computing, sensing Technologie und Speichergeräte. Dieses Protokoll zeigt den Einsatz von Sensoren, Sonden und Instrumentierung, in Situ Nitrat, Ammonium, Trübung, pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperatur und gelösten Sauerstoff (DO) kontinuierlich zu überwachen und zu berechnen, die Lasten aus zwei Bächen (Gräben) in zwei landwirtschaftliche Wasserscheiden. Mit der richtigen Kalibrierung, Wartung und Betrieb von Sensoren und Sonden erhalten Sie Daten zur guten Wasserqualität durch Überwindung der schwierige Bedingungen wie Ablagerungen und Schmutz Anhaftungen. Die Methode kann auch verwendet in Einzugsgebieten in verschiedenen Größen und zeichnet sich durch Landwirtschaft, bewaldeten und/oder urban Land.
Introduction
Überwachung der Wasserqualität gibt Auskunft über die Konzentrationen von Schadstoffen auf verschiedenen räumlichen Ebenen, abhängig von der Größe des Gebiets beitragen, die von einem Grundstück oder ein Feld um eine Wasserscheide reichen können. Diese Kontrolle erfolgt über einen Zeitraum von Zeit, wie ein einzelnes Ereignis, einen Tag, eine Saison oder ein Jahr. Die Informationen aus der Überwachung der Wasserqualität, vor allem in Bezug auf Nährstoffe (z. B. Stickstoff und Phosphor) und Sediment, kann verwendet werden, um: 1) verstehen hydrologische Prozesse, Transport und Umwandlung von Schadstoffen in Strömen, wie landwirtschaftliche Entwässerungsgräben; (2) Bewertung der Effizienz von Management-Praktiken angewendet um die Wasserscheide, die Nährstoff- und Sediment Last zu reduzieren und die Qualität des Wassers zu erhöhen; (3) die Lieferung von Sedimenten und Nährstoffen an das Wasser flussabwärts zu beurteilen; und 4) verbessern die Modellierung von Nährstoffen und Sediment zu verstehen die hydrologischen und Wasser Qualitätsprozesse, die Schadstoff-Transport und Dynamik über den Bereich der zeitlichen und räumlichen Skalen zu bestimmen.
Diese Information ist entscheidend für aquatische Ökosystem Restaurierung, nachhaltige Planung und das Management von Wasser-Ressourcen-1.
Die am häufigsten verwendete Methode für Nährstoff und Sediment Überwachung in eine Wasserscheide ist greifen Probenahme. Greifer Probenahme repräsentiert genau eine Snapshot-Konzentration zum Zeitpunkt der Probenahme2. Es kann auch eine Variation der Schadstoffkonzentrationen mit der Zeit zeigen, wenn häufige Probenahme erfolgt. Häufige Stichproben ist jedoch Zeit, intensive und teuer, so dass es oft unpraktisch2. Darüber hinaus greifen Probenahme kann unter- oder überschätzen die tatsächlichen Schadstoffkonzentrationen außerhalb der Probenahme Zeit2,3,4. Infolgedessen können Lasten mit solchen Konzentrationen berechnet ungenau sein.
Alternativ bietet kontinuierliche Überwachung genaue und aktuelle Informationen über die Wasserqualität in einem vorgegebenen Zeitintervall, z. B. eine Minute, eine Stunde oder einen Tag. Benutzer können die entsprechenden Zeitabständen je nach ihren Bedürfnissen auswählen. Kontinuierliche Überwachung ermöglicht die Forscher, Planer und Manager, Entnahme von Proben zu optimieren; Entwicklung und Überwachung der Zeit integriert Metriken, wie maximale tägliche Gesamtlasten (TMDLs); Bewerten der Erholungsnutzung des Gewässers; Grundlinie Stream Bedingungen zu beurteilen; und räumlich und zeitlich zu bewerten die Variation der Schadstoffbelastung von Ursache-Wirkungs-Beziehungen zu bestimmen und entwickeln eine Management Plan5,6. Kontinuierliche Überwachung der Nährstoffe und Sediment erhielt vor kurzem erhöhte Aufmerksamkeit aufgrund der Fortschritte in computing und Sensortechnik, die verbesserte Kapazität der Speichermedien und die zunehmende Anforderungen benötigt, um komplexe Prozesse zu studieren 1 , 5 , 7. in einer weltweiten Umfrage von mehr als 700 Wasser Profis, die Verwendung von Multi-Parameter-Sonden stieg von 26 % auf 61 % von 2002 bis 2012 und 20225auf 66 % steigen dürfte. In der gleichen Umfrage 72 % der Befragten angegeben, dass die für den Ausbau ihres Netzwerks zur Überwachung ihrer Daten genügen5Bedürfnisse. Die Anzahl der Stationen in ein Messnetz und die Anzahl der Variablen überwacht pro Station im Jahr 2012 werden voraussichtlich bis 20225bzw. um 53 % und 64 %, zu erhöhen.
Kontinuierliche Wasserqualität und Quantität Überwachung in landwirtschaftlichen Wasserscheiden ist jedoch schwierig. Große Niederschlagsereignisse abwaschen, Sediment und Makrophyten, einen Beitrag zu hoher Last und Schutt Sedimentanhäufung in den Sensoren und Sonden. Der Abfluss von überschüssigem Stickstoff und Phosphor auf landwirtschaftlichen Feldern angewendet schafft ideale Bedingungen für das Wachstum der makroskopischen und mikroskopischen Organismen und für die Verschmutzung des Instream-Sensoren und Sonden, besonders im Sommer. Verschmutzung und Sediment Anhäufung kann Sensoren zu scheitern, drift und erzeugen unzuverlässige Daten verursachen. Trotz dieser Herausforderungen sind feinere zeitliche Auflösung (so niedrig wie pro Minute) Daten erforderlich, um die Stichwahl Prozesse und Punkt-Quelle Kontamination zu studieren wie sie, Wasserscheide Merkmale (z.B. Größe, Boden, Neigung, etc. betroffen sind. ) und das Timing und die Intensität der Niederschläge7. Sorgfältige Feld Beobachtung, häufige Kalibrierung und ordnungsgemäße Reinigung und Wartung garantieren qualitativ hochwertige Daten von den Sensoren und Sonden, auch bei den feineren Zeitauflösung.
Hier diskutieren wir eine Methode für die in Situ kontinuierliche Überwachung von zwei landwirtschaftlichen Wasserscheiden Multiparameter Wasser Qualität Sonden, Bereich-Geschwindigkeit und Wandler Drucksensoren und Probengeber verwenden; Ihre Kalibrierung und Wartung; und Datenverarbeitung. Das Protokoll zeigt einen Weg in dem fortlaufende Gewässerüberwachung durchgeführt werden kann. Das Protokoll ist generell für kontinuierliche Wasserqualität und Quantität Überwachung auf jeder Art und Größe des Einzugsgebietes.
Das Protokoll wurde im nordöstlichen Arkansas in kleinen Gräben Einzugsgebiet (HUC 080202040803, 53,4 km2 Fläche) und Lower St. Francis Basin (HUC 080202030801, 23,4 km2 Fläche) durchgeführt. Diese zwei Wasserscheiden fließen in die Nebenflüsse des Mississippi River. Eine Notwendigkeit für die Überwachung der Nebenflüsse des Mississippi Flusses wurde von der unteren Mississippi River Conservation Committee und der Golf von Mexiko Hypoxie Task Force, einen Wasserscheide-Management-Plan zu entwickeln und den Fortschritt der Management-Aktivitäten aufzeichnen identifiziert. 8 , 9. Darüber hinaus zeichnen sich diese Wasserscheiden als Fokus Wasserscheiden durch die United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service (USDA-NRCS), basierend auf das Potenzial zur Reduzierung der Nährstoff- und Sediment Verschmutzung und für Wasser Qualität10zu verbessern. Edge-Bereich Überwachung wird in diesen Einzugsgebieten im Rahmen der landesweiten Mississippi River Basin gesunde Watershed Initiative (MRBI) Netzwerk11durchgeführt. Mehr sind die Wasserscheiden (z. B. Standorte, Wasserscheide Merkmale usw.)in Aryal und Reba (2017)6erläutert. Kurzum, das kleine Gräben Einzugsgebiet hat überwiegend Schluff-Lehm-Böden, und Baumwolle und Soja sind die wichtigsten Kulturen, während die Lower St. Francis Basin überwiegend Sharkey Lehmboden hat, und Reis und Soja die wichtigsten Kulturen sind. An jeder Wasserscheide in Situ kontinuierliche Wassermenge und Qualitätsüberwachung (d. h. Entlastung Temperatur, pH-Wert,, Trübung, Leitfähigkeit, Nitrat und Ammonium) erfolgte an drei Stationen im Mainstream unter Verwendung dieses Protokolls die räumliche und zeitliche Variabilität in der Schadstofffrachten und die hydrologischen Prozesse zu verstehen. Darüber hinaus wurden wöchentlich Wasserproben gesammelt und analysiert für suspendierten Sediment coNcentration.
Protocol
Representative Results
Discussion
Insgesamt hat die kontinuierliche Überwachung von Nährstoffen und Sediment mehrere Vorteile gegenüber monitoring mittels Greifer-Sampling-Methode. Hydrologische und Wasser Qualitätsprozesse sind in einer sehr kurzen Zeitspanne von Regenfällen betroffen. Benutzer erhalten hohe zeitliche Auflösung Daten über Nährstoffe und Sediment, komplexe Probleme zu studieren. Andere Wasser Qualitätsparameter, wie Leitfähigkeit, pH-Wert, Temperatur und, erhalten Sie gleichzeitig und zu den gleichen Kosten für die Überwachun…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Forschung wurde durch Finanzierung von Erhaltung Effekte Bewertung Projekt (CEAP) möglich. Wir sind besonders dankbar für Website-Zugriffsberechtigung von den Herstellern Forschung Unterstützung von Mitgliedern des USDA-ARS-Delta Wasser Management Research Unit und Analyse von Proben von den Mitarbeitern der Ökotoxikologie Forschungseinrichtung, Arkansas State University. Teil dieser Forschung wurde durch eine Anstellung an der ARS-Beteiligungsprogramm, verwaltet vom Oak Ridge Institut für Wissenschaft und Bildung (ORISE) durch eine interinstitutionelle Vereinbarung zwischen dem US-Department of Energy und der USDA unterstützt. ORISE wird von ORAU unter DOE Vertragsnummer DE-AC05-06OR23100. Alle Meinungen in diesem Papier sind des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Politik und die Aussicht auf USDA, ARS, DOE oder ORAU/ORISE.
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
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