內陸湖水質監(jiān)測

1、為什么要監(jiān)測問題任何規(guī)模的湖泊和池塘都是復雜的生態(tài)系統(tǒng)，投入和產(chǎn)出眾多，可能以微妙或劇烈的方式影 響水質。無論是人工造湖，側重休閑釣魚和水上運動，還是以古代冰川或構造活動自然形成 的棲息地，了解有助于湖泊健康的水文參數(shù)對于正確管理都很重要。實時監(jiān)控系統(tǒng)使湖泊管理專業(yè)人員能夠及時了解不斷變化的水質，并在潛在問題發(fā)展為大問 題之前解決它們。這些問題可能與沉積物和濁度，熱分層，過多的養(yǎng)分負載和藻華有關。 Fondriest Environmental提供了針對其中許多情況的具體指南。本指南將從更廣泛的角度關 注湖泊學和湖泊管理。許多聯(lián)邦和私人組織為理想的湖泊條件提供了指南，包括美國環(huán)境保護署，美國地

2、質調查局， 北美湖泊管理協(xié)會等。無論您是負責池塘，湖泊或流域的資源管理者，還是可能影響湖泊健 康的土木或商業(yè)項目的成員，請務必與當?shù)刈匀毁Y源部聯(lián)系，以確保達到水文標準。湖泊管理“湖泊管理”是一個廣泛的術語，可以結合許多學科和應用來應用。單個湖泊的管理可以包 括保護，改善，恢復和修復項目，以及對當?shù)亓饔蚝拖到y(tǒng)中其他水體的研究。北美湖泊管理協(xié)會建議在管理湖泊和流域時采取“迭代步驟”。為達成既定目標而付出的小 努力所付出的代價卻不及重大改善，而且對非目標生物和湖泊其他方面的負面影響也較小。 但是它警告說，某些技術只有在大規(guī)模實施時才有效，這可能會增加湖泊管理的成本和影響。 為了在時間和資金的限制下取

3、得理想的效果，可能需要做出妥協(xié)，但是應參考當?shù)胤ㄒ?guī)，以 確定對湖泊或流域采取的任何措施是否合理。湖泊管理有多種方法，并且有許多技術可以改變湖泊的養(yǎng)分含量，氧氣水平，生物分布和沉 積物組成。這些可以像收獲植物，添加細菌和去除某些魚類一樣“簡單”，也可以包括更復 雜的措施，例如降低水位，疏，沉積物或控制各種水力因素。這些操作中的任何一項都可能 會干擾湖泊的熱量分布，因此建議在項目之前，期間和之后維護水文監(jiān)測系統(tǒng)。湖泊類型產(chǎn)生水體的方法可能對其水文特性產(chǎn)生持久影響。深度，面積，體積和流量都是重要的特征， 至少部分由湖泊的形成決定。由于湖泊是由地球表面或地球以下的重大事件形成的，因此湖 泊往往集中在具

4、有其他水體的區(qū)域。對湖泊起源的了解可以提供湖泊可能發(fā)生的物理，化學 和生物事件的有用概況，還可以幫助您確定哪種監(jiān)視類型最適合這種情況。冰河湖冰川湖冰川湖是所有湖泊流域中最常見的形式，它是由10,000至12,000年前的大量冰塊運 動而形成的。在此期間，冰川在北半球最為常見，因此，世界上大多數(shù)湖泊也都在此出現(xiàn)。 如今，在美國和加拿大的某些山區(qū)仍然可以發(fā)現(xiàn)形成北美大部分湖泊的冰川殘余物。當冰川在整個景觀中移動時，它們會刮掉山頂并重新放置各種大小的沉積物。冰川運動形成 的湖泊可能是冰rain的結果，或者是沉積的冰川沉積物阻塞河流時形成的水壩。多年后，冰 川的來回刮擦運動形成了其他冰川湖。當冰融化并

5、留下凹陷時，被沙子和礫石覆蓋的冰川會 形成沼澤。緩慢融化的冰川也可以在冰蓋下方形成河流。解決湖溶液湖有時，巖石的地下沉積物會隨著水流過而溶解，從而在上方的地面中留下凹陷。當這 些圓形的凹陷充滿水時，它們被稱為溶液湖。氯化鈉和碳酸鈣沉積物最易溶于水，因此最可 能溶解并形成溶液色淀。這些類型的湖泊在密歇根州，印第安納州，肯塔基州和佛羅里達州 尤為常見。火山湖火山湖火山活動可以多種方式形成湖泊。當巖漿從火山噴發(fā)時，留下的空洞可能會坍塌，從 而在火山表面留下凹陷，降雨和徑流會形成湖泊。以這種方式形成的湖泊被稱為破火山口， 并且往往顯得異常圓潤。不活潑的火山也可以在其火山口中收集水，形成火山口湖。此外，

6、 火山噴發(fā)的熔巖會導致湖泊形成，因為其在地表的冷卻速度比在地下的冷卻更快。頂部的硬 化熔巖通常會在下面的熔融熔巖上坍塌，形成可能變成湖泊的洼地。構造湖構造湖隨著地殼向地下深處移動，構造斷層可能導致凹陷。例如，在地震期間，地殼中的薄 弱點可能會塌陷，形成凹陷處，雨水和地下水可在其中聚集。這類湖泊被稱為grab谷，通 常非常古老和深deep，并展現(xiàn)出高度多樣的生態(tài)系統(tǒng)。美國的太浩湖是構造活動的結果。 世界上最深的湖，西伯利亞的貝加爾湖，也是一個小地方。其他類型的湖泊大壩筑成河在監(jiān)視項目期間，您可能會遇到其他幾種非常常見的湖泊形態(tài)。Oxbow湖是由河 水流造成的侵蝕形成的。這條河的外彎流最快，因此侵

7、蝕率最高。當外部彎道繼續(xù)擴張時， 河流將沉積物和其他物質留在內部彎道附近，最終形成了一個有限流量的單獨的C形區(qū)域， 稱為牛弓。在北美，海貍負責創(chuàng)建許多小湖和池塘，因為它們的大壩可以轉移河流的水流，并留下營養(yǎng) 豐富的淺水體。當然，人類也創(chuàng)造了人造湖，其目的包括飲用水供應，電力，娛樂和防洪。 諸如滑坡之類的災難性事件可能會堵塞河流并形成湖泊，盡管由于筑壩材料的不穩(wěn)定，這些 通常通常是暫時的。免疫學問題湖泊中可以表現(xiàn)出各種各樣的水文現(xiàn)象，每個湖泊都像最后一樣復雜，而且在許多情況下相 互交織在一起。負責湖泊維護的自然資源管理者可能需要密切關注某些或所有這些現(xiàn)象，而 特定的監(jiān)視項目可能僅旨在觀察一種現(xiàn)象

8、的特定影響。即使您的應用程序僅要求監(jiān)視一個參 數(shù)或過程，了解該過程如何影響其他參數(shù)或過程并使其適應湖泊的整體健康狀況也將提高您 分析數(shù)據(jù)和做出適當響應的能力。富營養(yǎng)化富營養(yǎng)化是由于營養(yǎng)物含量增加引起的。這可能導致藻華，并可能導致溶解氧含量低。當 藻類繁茂的藻類死亡死亡并分解時，有機物和負責分解的有機物的增加負荷會消耗水中的可 用氧氣，從而形成低氧的“死區(qū)”。這些死區(qū)減少了湖泊中的可居住空間，并可能加劇競爭 并殺死魚類等其他生物。該過程在大多數(shù)水體中都是自然過程，但是人為活動（例如農(nóng)業(yè)施 肥）可以加快這一過程。富營養(yǎng)化主要是養(yǎng)分含量的函數(shù)，溫度可能對該現(xiàn)象產(chǎn)生重大影響。較高的溫度可以增加生 物量

9、的產(chǎn)生，因此有助于總體上耗氧率。此外，高度分層的湖泊比充分混合的湖泊更脆弱， 因為溫躍層阻止了任何缺氧區(qū)和含氧水之間的交換。熱分層湖泊分層是水密度與溫度之間關系的產(chǎn)物。與其他化合物不同，水作為液體比固體更稠密- 這就是冰漂浮的原因。水在4攝氏度時密度最高，而隨著溫度的升高或降低，水的密度將降 低。當然，到那時，水會在0攝氏度凍結，因此有更多的空間可以加熱而不是冷卻。在夏天，太陽輻射加熱了湖泊的上層或上層，導致那里的水變得稀疏。該次纖毛吸收較少的 光（如果有的話），并且保持寒冷和密集。密度的差異會導致上斜帶在沒有混合的情況下漂 浮在下斜帶的頂部，形成稱為溫躍層的分隔層。藻類和浮游動物在夏季生活在

10、上層動物中， 但是當它們死亡時，生活在底棲沉積物中的無脊椎動物和微生物分解了殘留物，從而消耗了 氧氣。因為在夏季湖水不混合，所以在某些情況下，低層浮水可能會變得缺氧。隨著天氣的涼爽和秋天陽光的減弱，上斜線開始變冷，從而減少了上斜線和下斜線之間的密 度差。風和不斷變化的水密度的結合有助于混合各層，在整個水柱中分配氧氣和養(yǎng)分。一些湖泊在冬天結冰，防止風將水混合。冰層下會形成一層薄薄的涼水，而湖的底部則有較 熱，濃稠的水，這稱為逆分層現(xiàn)象。就像夏天一樣，次高鐵素也沒有新的氧氣。冬季缺氧的 湖水經(jīng)常會造成“冬季死亡”，大量依賴氧氣的魚類和其他生物死亡。導致缺氧條件的相同 化學過程會導致磷的釋放，從而在

11、較溫暖的月份導致藻類生長增加。每年混合兩次的湖泊被稱為微細湖泊。淺湖表現(xiàn)出不同的水文性質，并且比深湖更易混合。濁度和泥沙懸浮固體是水中大于2微米的任何顆粒。濁度是水透明度的量度。濁度可能受水體中存在 的許多因素影響，包括水中存在泥漿，淤泥，藻類或化學物質。工業(yè)活動，例如采礦，伐木 以及（可能是最常見的）疏often活動通常會導致湖泊和河流的渾濁程度。濁度通常隨季節(jié)而變化，因為冰和雪會嚴重影響流量和可能使水渾濁的沉積物的存在。在冬 季，被冰覆蓋的湖泊通常顯示出很低的濁度，但是在春季融雪之后，由于泥土和污物被沖入 水中，會形成高濁度。夏季藻類和其他生物的生長也會導致濁度增加。湖泊中濁度的重要性取決

12、于季節(jié)，湖泊的形態(tài)和內部的生態(tài)系統(tǒng)。高度混濁的水阻止了植物 生長所必需的光線的通過，這也可能降低依賴植物為食物的其他生物的生存能力。與藻類相 關的濁度通常與湖泊底部的富營養(yǎng)化和缺氧有關，特別是那些高度分層或混合不良的湖泊。極高的濁度實際上可能導致魚類和其他生物窒息，影響其捕獲獵物的能力，甚至將魚卵埋在 湖底。造成渾濁的顆?？赡軘y帶細菌或其他污染物，可能會損害湖泊的水質。藻華浮游植物從陽光中產(chǎn)生自己的能量。所有其他生物都將其作為碳源直接或間接消耗。不應 將藻類和藻華視為對湖泊水質的內在危害。實際上，藻類是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。 藻類會將水氧化，將無機物轉化為有機物，并成為湖泊食物鏈的基礎。

13、營養(yǎng)負荷是湖泊中藻類生長的主要決定因素，因此，監(jiān)測藻類過多或缺乏的湖泊中的營養(yǎng)水 平（尤其是磷和硝酸鹽）至關重要。水溫，濁度以及來自其他動植物的競爭也會影響藻類的 生長。如上所述，藻類含量高會導致湖泊富營養(yǎng)化，渾濁和缺氧。由于在湖泊表面形成了許 多藻華，因此大多數(shù)監(jiān)視都可以僅憑視線進行，盡管對于特別大的湖泊可能需要空中觀察甚 至衛(wèi)星成像。實時解決方案應基于實時或基于間隔的測量來建立有效的森林學監(jiān)測系統(tǒng)。附加的數(shù)據(jù)記錄和遙測儀器使 研究人員和管理人員可以方便地遠程研究語言學讀數(shù)。根據(jù)所檢查的條件，植物學監(jiān)測系統(tǒng) 可以由一種或多種儀器組成。在開始任何監(jiān)視項目之前，應確定一系列目標，以便可以采購必要

14、的設備和人員，并可以制 定適當?shù)臅r間表。例如，美國環(huán)保署在其大湖區(qū)監(jiān)測計劃中列出了這些共同目標：評估開放湖泊流域的水質狀況。提供數(shù)據(jù)以檢測和評估氯化物，硝酸鹽氮，二氧化硅，浮游植物，總磷，葉綠素a和secchi 盤深度的趨勢和年度變化。提供足以驗證或修改水質模型的數(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)以計算每個湖泊的營養(yǎng)指數(shù)。盡管幾乎可以肯定，覆蓋所有大湖區(qū)的計劃比起較小湖上的類似計劃，對設備，人員和覆蓋 面的需求更大，但您的項目目標可以包括EPA清單中的全部或任何組合。多參數(shù)主機YSI EXO2多參數(shù)探空儀植物學監(jiān)測項目可能需要觀察和測量各種水文參數(shù)。因此，F(xiàn)ondriest Environmental建議使用多參

15、數(shù)探空儀作為項目的基礎。多參數(shù)主機在不同品牌和型號之間有所不同，但由于一些共同特征而被統(tǒng)一。如預期的那樣， 多參數(shù)探空儀通常具有一系列端口，用于連接電導率，溫度，深度，pH和液位傳感器和探 頭。理想情況下，這些傳感器應在現(xiàn)場進行更換，以進行即時維護和系統(tǒng)修改。一些主機會 內置傳感器，從而留出更多的傳感器端口用于其他測量。大多數(shù)主機都具有內置電池和內存， 因此可以長時間部署而無需定期出勤。數(shù)據(jù)記錄儀和外部電源連接允許在某些主機上進行更 長的部署。對于湖泊中的應用，通常將多參數(shù)探測器安裝在浮標上并與數(shù)據(jù)記錄儀一起使用湖泊的水況變化很大，有時甚至在同一湖中。具有內置光學傳感器的主機可能會包含防污刮

16、片，以確保其在現(xiàn)場的持久性能。但是，即使是這些主機，也應偶爾檢查傳感器，端口和連 接器周圍是否積有塵垢和有機物。測量光合有效輻射最佳的光合作用輻射是400-700 nm的波段，它涵蓋了可見光譜。落在400到700納米之間 的太陽輻射稱為光合有效輻射或PAR。該參數(shù)在淡水湖泊環(huán)境中特別重要，因為它是水生生 產(chǎn)力的決定因素。當然，植物依靠PAR來生長，但是食物鏈基礎上的許多其他重要生物也是 如此。某些PAR傳感器的構造可抵抗腐蝕和輕微撞擊。每個PAR傳感器均可在一定深度或壓力下 使用。一些PAR傳感器在一個方向上測量輻射，而其他PAR傳感器則可以在所有方向上感 應光子通量。當研究某些光合生物（例如

17、浮游植物）時，該功能特別有用，它們可以從多個 方向獲取輻射。在使用多參數(shù)探空儀或數(shù)據(jù)浮標進行部署之前，請確保您的PAR傳感器適合工作：水深和濁 度會影響某些傳感器的性能。渾濁的水可能需要特殊的PAR傳感器才能獲得準確的讀數(shù)。典型的內陸湖監(jiān)測系統(tǒng)如前所述，在任何給定的湖泊中都可以測量許多水文參數(shù)，但是一個湖泊學項目的需求可能 與另一個湖泊學項目相差很大。監(jiān)視站點的數(shù)量，它們的位置以及每個監(jiān)視站點所使用的儀 器因項目而異，但是大多數(shù)內陸湖泊監(jiān)視系統(tǒng)都具有一些共同點。為了有效，應實時提供測量數(shù)據(jù)。最簡單，最有效的方法是使用基于浮標的監(jiān)視系統(tǒng)。數(shù)據(jù) 浮標可以在水道最深處的多個深度處容納傳感器，比基于岸

18、上的系統(tǒng)提供更全面的數(shù)據(jù)。然 后，該系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)實時安全地傳輸?shù)絀nternet，以便從任何計算機進行訪問。浮標系統(tǒng)是靈活的，可根據(jù)項目學要求進行定制。它們可以容納所需數(shù)量的傳感器，并且所 有設備都通過船用電池和太陽能面板充電系統(tǒng)供電。有多種遙測選項可供選擇，任何一臺計 算機都可以提供連續(xù)的實時數(shù)據(jù)。這樣可以確保項目順利運行，并且如果超出參數(shù)限制，則 可以立即執(zhí)行任何控制措施。典型的內陸湖泊監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)浮標數(shù)據(jù)浮標是一個浮動平臺，支持諸如傳感器和數(shù)據(jù)記錄器的實時監(jiān)視工具。除了安裝監(jiān)控設 備外，浮標還提供所有電源并可以實時傳輸傳感器數(shù)據(jù)。多參數(shù)探空儀多參數(shù)探空儀提供了一個通用平臺，可在一個公共

19、地點部署多個傳感器。這些主機也可以充 當傳感器與數(shù)據(jù)記錄器或電源之間的接口。PAR傳感器PAR傳感器使用硅光電二極管和玻璃濾光片對400 nm至700 nm之間的光產(chǎn)生均勻的靈敏 度，這與大多數(shù)水生植物和藻類所使用的光非常接近。傳感器可以定向為同時測量向下和向 上輻射。系泊五金數(shù)據(jù)浮標可以根據(jù)應用要求通過單點或兩點系泊固定。遙測遙測技術可實時訪問數(shù)據(jù)。無線通信可以基于無線電到岸，蜂窩或基于衛(wèi)星。實時數(shù)據(jù)通過基于云的數(shù)據(jù)中心，可以24/7全天候訪問項目數(shù)據(jù)。監(jiān)視數(shù)據(jù)可以實時查看，也可以 查看趨勢圖。當指定參數(shù)超出預定義限制時，可以通過文本或電子郵件發(fā)送實時自動警報。監(jiān)控位置內陸湖泊監(jiān)測系統(tǒng)應位于

20、何處，將主要取決于現(xiàn)場條件。需要仔細計劃以選擇位置，確定深 度和水位波動并設計系泊解決方案，以有效地將系統(tǒng)固定在適當?shù)奈恢枚粫p壞儀器。選擇位置顧名思義，固定系統(tǒng)設置在固定位置。這些系統(tǒng)可以放置在水中的結構或固定浮標上。但是， 現(xiàn)場條件通常使在海岸上安裝監(jiān)視設備變得困難或不切實際。此外，僅依靠海岸線解決方案 可能無法準確代表水質狀況。由于這些原因，基于浮標的系統(tǒng)提供了最全面，最具成本效益 的解決方案。數(shù)據(jù)浮標為溫度分析提供了一個穩(wěn)定的平臺，并能夠在水柱中不同深度處容納 多個傳感器。此外，它們可以攜帶數(shù)據(jù)記錄器，太陽能電池組和遙測（無線通信）系統(tǒng)，以 進行擴展部署。根據(jù)環(huán)境條件和從浮標懸掛的傳

21、感器數(shù)量，這些浮標的尺寸可能會有所不同。150至450磅 的數(shù)據(jù)浮標。凈浮力通常足以監(jiān)測河流，內陸湖泊和受保護水域的項目。在沿海和大湖地區(qū) 部署中可能需要更大的平臺，這些平臺會受到更極端的條件和波浪作用。預部署部署數(shù)據(jù)浮標。為了獲得準確的數(shù)據(jù)，應在項目開始前不久對所有傳感器進行校準。如果使 用基于浮標的系統(tǒng)，則平臺應在部署前完全組裝在岸上。這包括在需要時連接任何傳感器， 塔架，太陽能電池板和附加的鎮(zhèn)重。此外，在將浮標放入水中之前，應對完整的監(jiān)控系統(tǒng)（傳 感器，數(shù)據(jù)記錄器，遙測，軟件）進行測試。盡管此過程可確保所有設備均在規(guī)格范圍內運 行，但也使每個人都有機會在部署之前熟悉系統(tǒng)。在將浮標平臺部署

22、到水中之前，問題總是 比較容易處理。浮標系泊必須系泊浮標系統(tǒng)以確保其保持靜止。建議將浮標系泊在水道最深處，以確保進行最全面的 測量。這允許多個測量深度，并且將最好地反映整個水體的特征。基于浮標的系統(tǒng)通常根據(jù) 環(huán)境和特定于應用的因素而固定為單點或兩點系泊。在“浮標系泊”部分中了解更多信息。數(shù)據(jù)管理NexSens工程師與項目經(jīng)理一起建立應用程序。任何監(jiān)視項目的主要部分都是收集和訪問數(shù) 據(jù)。盡管可以簡單地在現(xiàn)場記錄測量結果，但是實時記錄，發(fā)送和查看監(jiān)視數(shù)據(jù)的能力要高 效得多。在“監(jiān)視設備”部分中了解更多信息。質量保證為了保持精度并使設備保持在規(guī)格范圍內，最佳實踐建議定期清潔和校準儀器。還建議對照 另

23、一臺儀器對傳感器的準確性進行交叉檢查。項目甚至可能需要使用質量保證計劃（QAP）， 其中提供了維護，校準和QA / QC要求的詳細概述。系統(tǒng)維護定期校準至關重要。無論使用哪種水質儀器，定期維護和校準都是必不可少的。儀器維護包 括清潔儀器（特別是如果傳感器未自清潔），以及更換任何劣化的O形圈以防止進水。維護 間隔主要取決于現(xiàn)場條件和其他變量，例如生物污染的可能性。常見的校準和維護間隔為每 兩周或每月一次。校準之前，重要的是用水徹底沖洗校準杯，然后用少量的校準標準液沖洗被校準的傳感器。 建議清洗2至3次。丟棄沖洗標準液，然后用新的校準標準液重新填充校準杯。用適當?shù)男?準標準液填充杯子，以完全浸沒傳感器。體積會有所變化，只要確定傳感器已浸入水中即可。 小心避免與其他標準交叉污染。有關傳感器校準的更多詳細信息，請參考制造商的用戶手冊。萬一傳感器出現(xiàn)故障或損壞，手邊準備備用傳感器或主機是很有用的。這些可以在校準或例 行維護檢查期間現(xiàn)場交換。備有可用的備用設備將減少由于不可預見的傳感器故障而導致的 停機時間，這可能會導致長期數(shù)據(jù)集的嚴重中斷和代價高昂的中斷。性能驗證定期點采樣還將有助于驗證站點數(shù)據(jù)的質量。除了對設備進行校準之外，定期驗證傳感器是 否提供了準確的數(shù)據(jù)