Continuo hidrológico y control de calidad de Vernal estanques de agua

Resumen

Comprensión de los procesos de estanques vernales y los impactos de las actividades antropogénicas en su capacidad para proveer estos servicios y servicios de los ecosistemas requiere Monitoreo Hidrológico intensivo. Este protocolo de muestreo utilizando in situ equipo de monitoreo fue desarrollado para evaluar el impacto de actividades antropogénicas sobre los niveles de agua y la calidad.

Resumen

Estanques de vernales, también conocidos como piscinas vernales, proporcionan servicios de los ecosistemas críticos y hábitat para una variedad de especies amenazadas y en peligro de extinción. Sin embargo, son partes vulnerables de los paisajes que son a menudo mal entendidos y documentadas. Uso de la tierra y las prácticas de manejo, así como el cambio climático se cree que son una contribución a la disminución mundial de anfibios. Sin embargo, se necesita más investigación para entender el alcance de estos impactos. Aquí, presentamos la metodología para la caracterización morfología de una charca vernal y el detalle de una estación de monitoreo que puede utilizarse para recopilar datos de cantidad y calidad de agua sobre la duración del hidroperiodo de una charca vernal. Ofrecemos metodología de cómo llevar a cabo estudios de campo para caracterizar la morfología y curvas de la etapa de almacenamiento para un estanque vernal. Además, ofrecemos metodología para control de nivel del agua, temperatura, pH, oxígeno disuelto, potencial de oxidación-reducción y conductividad eléctrica del agua en una charca vernal, así como datos de precipitación. Esta información puede utilizarse para cuantificar mejor los servicios ecosistémicos que proporcionan estanques vernales y los impactos de las actividades antropogénicas en su capacidad para proveer estos servicios.

Introducción

Vernal son humedales temporales y poco profundos que normalmente contienen agua de otoño a la primavera y a menudo están secos durante los meses de verano. El período de inundación de estanques vernales, comúnmente conocida como el hidroperíodo, es controlado principalmente por precipitación y evapotranspiración¹.

Estanques vernales pueden también denominarse piscinas vernales, charcas efímeras, charcas temporales, estanques estacionales y humedales geográficamente aislado². En el noreste de los Estados Unidos, vernales estanques más a menudo se caracterizan por el hábitat crítico que proporcionan para los anfibios, como los criaderos y de prestar apoyo durante etapas tempranas de la vida (es decir, los renacuajos) y metamorfosis. En California, estanques vernales se caracterizan por la vegetación única y en peligro de extinción especies que soportan².

Estos hábitats son cada vez más amenazados debido al uso y el cambio climático de la tierra, y las poblaciones de anfibios están sufriendo una disminución global significativa en gran parte debido a actividades antropogénicas^3,4. Preocupaciones de calidad de agua debido a la contaminación son, también, pensamiento a ser factores que contribuyen a anfibios reciente disminuye a nivel mundial⁵. Además, estudios recientes han revelado una ocurrencia creciente de características de intersexualidad en ranas que habitan estanques vernales afectados por aguas residuales humanas⁶. Por lo tanto es necesario realizar seguimiento más intenso de estanques vernales impactados y naturales para comprender mejor a los contribuyentes a la disminución mundial de anfibios.

Los parámetros físicos del vernales lagunas que deben ser medidos y monitoreados incluyen la morfología de la charca y el nivel de agua. La morfología es la geometría del estanque y se desarrolla mediante la realización de una encuesta para determinar los cambios en elevación del otro lado del Charco. La encuesta de datos entonces se utilizan para establecer una curva de la etapa de almacenamiento, que permite el volumen del estanque para estimar basados en mediciones de nivel de agua. Porque el nivel del agua en una charca vernal es influenciado por la precipitación, las mediciones deben hacerse con una alta resolución temporal para entender mejor corto (es decir, del orden de minutos a horas) y las fluctuaciones a largo plazo (es decir, del orden de meses a años) en nivel del agua.

Parámetros de calidad de agua de interés que afectan la función de estanques vernales son temperatura, pH, conductividad eléctrica, niveles de oxígeno disuelto y potencial de oxidación-reducción. Estos parámetros pueden ser medido en situ con redes de sensores y tecnologías relativamente baratos. Algunos parámetros de calidad de interés, como algunas especies nutrientes (es decir, nitrógeno total Kjeldahl) y otros contaminantes (es decir, contaminantes emergentes) del agua requieren muestras para ser recogido y llevado a un laboratorio para el procesamiento y Análisis.

Los parámetros críticos que afectan la capacidad de estanques vernales para funcionar como adecuado hábitat para los anfibios de la cría y las primeras etapas del desarrollo de los renacuajos son agua de nivel, pH y disolvieron la concentración de oxígeno. Comparado con vernales estanques ubicados en paisajes relativamente prístinos, niveles elevados de conductividad eléctrica, pH más alto, reducido disuelven las concentraciones de oxígeno y altas concentraciones de nutrientes se han registrado en vernales estanques afectados por antropogénicos actividades^2,7. Condiciones reductoras o anaerobias pueden ocurrir en estos hábitats, especialmente los que se ven afectados por las actividades antropogénicas. Esto puede causar un cambio en la comunidad microbiológica, alterando el alimento ciclismo dentro de la charca y potencialmente reducir la degradación de compuestos disruptores endocrinos y otros contaminantes^8,9.

El objetivo de este documento es proporcionar información sobre cómo establecer una estación de monitoreo de la cantidad de agua y la calidad de una charca vernal. Este método puede ser aplicado a cualquier charca vernal, pero requiere acceso al sitio (es decir, el sitio debe en la propiedad pública o tener permiso del dueño de tierra instalación de equipos).

Protocolo

1. realización de una encuesta de una morfología de la charca Vernal

1. seleccionar una ubicación para designar como punto de referencia y marca con una pequeña encuesta o bandera de la marca.
   Nota: La ubicación debe ser una elevación más alta que el estanque y tener línea de visión desde todas las ubicaciones a través de la charca.
2. Asignar el punto de referencia una elevación de referencia, el número exacto no importa, simplemente es una referencia a la que pueden compararse con otras elevaciones.
3. Usando una cinta métrica y marca banderas, hacer transectos en un intervalo de 3 m sobre el área del estanque, resultando en una cuadrícula de 3 x 3 m (ver ejemplo en figura 1).
Intervalos de
4. Determine la elevación de la parte inferior del estanque (es decir, la tierra) a 3 m a lo largo de cada transecto mediante la medición de la altura de una barra de nivelación con un nivel automático. Asegurar que los perfiles se extienden a las elevaciones más altas en cada lado de la charca.
5. Al final de cada transecto, un acimuth al punto de referencia y registrar la altura.
6. Determinar el error de la encuesta como la diferencia entre el punto de referencia ' elevación s asignada (es decir, el valor de referencia asignado en el paso 1.2) y la altura medida desde el lugar más distante del perfil transecto.
7. Calcular el error permisible (AE) de cierre para el perfil que AE = K (2 * M) ^0.5, donde K es una constante entre 0.001 y 1 y M es la distancia (en millas) entre el punto de referencia y la ubicación más distante en el perfil de.
   Nota: El valor de K depende de la exactitud requerida de la encuesta, que en este caso puede tomarse como 0.1 ¹⁰.
8. Compara el error de encuesta calculado en el paso 1,6 a la AE calcula en paso 1.7. Si el error de la encuesta es mayor que el AE y luego rehacer el perfil de nivelación (los pasos 1.3 y 1.4) para que los transectos. Si el error de la encuesta es menor que el AE, a continuación, el perfil de nivelación para que los transectos es completar, llevar a cabo el perfil de nivelación para el transecto siguiente.
9. Repetir pasos 1.4 a 1.8 para realizar Perfil de nivelación a intervalos de 3 m a través de la charca en la otra dirección para crear una rejilla de elevaciones conocidas (ver un ejemplo del perfil de transectos en la figura 1).
10. Elaborar una curva de la etapa de almacenamiento para el estanque una vez que las elevaciones (con respecto a la referencia) son conocidas a través de la red de 3 m x 3 m encuestada a otro lado del Charco.
    Nota: Se pueden utilizar intervalos más grandes, pero puede incrementar el error en la determinación de la relación entre el nivel del agua y el volumen del estanque.

2. Determinación de la charca Vernal ' s etapa almacenamiento curva

Nota: cada charca vernal tendrá una relación única entre el nivel de agua y volumen de agua en el estanque. Esta relación se denomina la curva de la etapa de almacenamiento de información.

1. Con los datos de elevación se reunieron en la sección 1, determinar las altitudes más y mínima en el estanque.
2. Determinar la diferencia entre la elevación más alta y más baja y seleccione un intervalo para que dibujar las curvas de nivel; un contorno intervalo de 0.1 a 0.2 m se recomienda ¹¹.
3. Calcular la superficie de cada contorno (un _yo). Esto puede hacerse ya sea a mano usando un planímetro o electrónicamente usando software de información geográfica (SIG).
4. Utilizar el método de promedio final de área para calcular el volumen entre cada intervalo de contorno (V ):
   
   donde E es la elevación del contorneada .
5. Calcular el volumen total (V _P) de la charca vernal como la suma del volumen entre cada intervalo de contorno:
   
   Nota: aquí H es la profundidad del estanque. Un ejemplo es dado en la tabla 1.
6. Determinar la relación de la etapa de almacenamiento para el estanque graficando el volumen acumulado del estanque en función de la profundidad.
   1. Después de instalar el sensor de nivel de agua, utilizar el nivel del agua como el " etapa " y estimar el volumen de agua, o almacenamiento, en el estanque.
      Nota: En la figura 2 se muestra un ejemplo de una curva de la etapa de almacenamiento. Si el sensor de nivel de agua está instalado por encima del punto más bajo en la charca vernal, se necesitará un desvío para convertir el nivel de agua medido en la curva de la etapa de almacenamiento (añadir el desplazamiento en el paso 3.3 para el nivel de agua registrado por los sensores de nivel de agua para determinar el st edad).

3. Instalación de una estación de monitoreo

Nota: sensores de parámetros de interés para este estudio incluyó un transductor de presión (medidas de nivel de agua y temperatura), disuelven concentración de oxígeno, oxidación-reducción conductividad eléctrica, potencial, pH y un pluviómetro de cubo que inclina. La sonda de oxidación-reducción, sonda de pH y sensor de oxígeno disuelto deben calibrarse en el laboratorio antes del despliegue por el sensor de ' s manual de usuario. Aquí, se selecciona un datalogger central (programado para registrar datos a intervalos de 15 min), a la cual están conectados todos los sensores durante la implementación. Un escenario alternativo viable sería que cada uno de los sensores es autónoma y no no necesidad de un datalogger central, ya que cada sensor registraría sus propios datos.

1. Acople de los sensores (con la excepción de la galga de la lluvia) a un bloque o una estaca de madera ( figura 3). Utilice abrazaderas o zip lazos para asegurar que los sensores en la parte inferior de la charca vernal (o de la profundidad de interés).
   1. Fijar el sensor de oxígeno disuelto que está en un ángulo (siguiendo las instrucciones del fabricante), que permita que el oxígeno difunda a través de la membrana. Instale el montante de transductor de presión, como la presión que mide es la columna de agua por encima de él, y el nivel de agua se deben registrar en forma vertical.
2. Instalar los sensores montados en una ubicación hacia el centro de la charca que se seca durante el período de estudio.
3. Determinar la distancia vertical entre los sensores y el punto más bajo en el estanque utilizando una regla o el equipo de topografía. Anote esta distancia para el uso en el desarrollo de la curva de la etapa de almacenamiento tal como se describe en el paso 2.6 (es decir, un desplazamiento puede ser necesarios cuando la relación con la profundidad medida usando los transductores de presión a la profundidad total del agua en el estanque).
4. Mientras que puede ser sumergidos en el agua, los cables del sensor son vulnerables a los ratones u otros animales que pueden masticar en ellos cuando el nivel del agua es bajo en el estanque, para evitar esto utilizan cloruro de apolyvinyl de la pipa para proteger los cables del sensor (opcional, pero recomendado). Ejecutar los cables del sensor hasta el borde de la charca vernal a través de un tubo de PVC (3 m largo, 6,35 cm de diámetro), como se muestra en la figura 4.
   Nota: para instalación temporal (e.g., unas pocas semanas a unos meses) el tubo de PVC puede considerarse innecesario.
5. Conjunto encima de un trípode y montaje en el suelo introduciendo estacas en cada uno de viajeOD patas.
   Nota: Algunos trípodes altos pueden tener un pararrayos que requiere instalación, también.
   1. Colocar el trípode cerca del borde de la charca vernal para que sea accesible incluso cuando el estanque está lleno de agua.
6. Fije la caja del recinto para el datalogger y la batería (12 V) en el trípode, salir de la habitación sobre el trípode para el panel solar ser montado sobre la caja de la caja ( figura 4).
7. Una panel solar 10 W en la parte superior del trípode y ángulo hacia el sol. Un ángulo solar calculadora ¹² puede utilizarse, si se desea, para determinar el ángulo óptimo en el que se instale el panel de.
8. Monte el medidor de lluvia para el trípode si hay espacio. De lo contrario, lo conecte a una estaca de madera o barra de metal cerca del borde de la charca y el trípode ( figura 4). Asegurar (si es posible) que el pluviómetro tiene cobertura arbórea que representa aproximadamente la cobertura arbórea del estanque (si existe).
9. Trae todos los cables de panel solar y sensor en la caja del recinto a través del orificio en la parte inferior de la caja.
10. Conectar todos los sensores con el datalogger ' panel de cableado s según los sensores ' instrucciones o datalogger ' diagrama de cableado de s. Ver ejemplo en la figura 5A.
11. Conecte los cables del panel solar a la batería de 12V para recargar la batería ( figura 5B).
    Nota: Seleccionar una batería que también tiene un regulador de voltaje (recomendado) para asegurar que la batería no reciba demasiada energía eléctrica del panel solar de.
12. Conectar la batería al panel de entrada de energía en el datalogger ( figura 5B) para proporcionar energía a los sensores y el datalogger.
13. Coloque un paquete de desecante dentro de la caja de la caja para reducir la probabilidad de daños por humedad a datalogger.
14. Recomendado pero opcional: conectar un ordenador portátil de campo con el software de comunicación de datalogger para el datalogger usando un cable serial ( figura 5B) para asegurar que la red de sensor está funcionando correctamente.
15. Cierra la caja y coloque la arcilla alrededor del agujero en la parte inferior de la caja del recinto donde entran los cables para evitar insectos y agua fuera de la caja. Si la seguridad de los equipos es una preocupación, asegurar la caja de la caja con un candado.

Resultados

Estanques de vernales pueden exhibir una amplia gama de morfología, con perfiles que van desde convexa de pendiente recta a cóncava. Morfología de ejemplo para un estanque vernal en Pennsylvania Central se muestra en la figura 1, junto con los resultados de la curva de la etapa de almacenamiento de este estanque (figura 2, tabla 1). Profundidad máxima del estanque no es un fuerte indicador de superficie, grad...

Discusión

Importancia con respecto a los métodos existentes

Mientras que control de flujos de metodologías bien establecidos desarrollados por United States Geological Survey (USGS), no hay tal programa de monitoreo generalizado existe para dinámica de comprensión charca vernal. Este protocolo pretende proporcionar orientación de cómo empezar a enfoque hidrológico e investigación en un sitio de la charca vernal, con el objetivo de comprender factores como físicos y químicos de...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
CR1000	Campbell Scientific	16130-23	Measurement and Control Datalogger
ENC12/14-SC-MM	Campbell Scientific	30707-88	Weatherproof Enclosure Box (12" x 14")
CS451-L	Campbell Scientific	28790-82	Pressure Transducer
CM305-PS	Campbell Scientific	20570-3	47" Mounting Pole (Tripod)
TE525-L	Texas Electronics	7085-111	Tipping Bucket Rain Gauage (0.01 inch)
CS511-L	Campbell Scientific	26995-41	Dissolved Oxygen Sensor
SP10	Campbell Scientific	5278	10 W Solar Panel
PS150-SW	Campbell Scientific	29293-1	12 V Power Supply with Voltage Regulator & 7 Ah Rechargeable Battery
CSIM11-ORP	Wedgewood Analytical	22120-72	Oxidation-reduction potential probe
CSIM11-L	Wedgewood Analytical	22119-151	pH probe
CS547A-L	Campbell Scientific	16725-229	Water conductivity probe
A547	Campbell Scientific	12323	CS547(A) Conductivity Interface
CST/berger SAL 'N' Series Automatic Level Package	CST/berger	55-SLVP32D	Automatic Survey Level, Tripod, and 8' survey rod