Лучшие практики для отбора проб воды в условиях холодного климата

Понимание проблем отбора проб холодной воды

Сбор проб воды при минусовых температурах или из покрытых льдом водоемов требует специализированных подходов, которые выходят далеко за рамки стандартных протоколов отбора проб. Условия замораживания могут изменить химию проб, повредить оборудование и создать серьезные угрозы безопасности. Независимо от того, контролируете ли вы отдаленные арктические озера, горные потоки под снежным покровом или муниципальные водохранилища в северных регионах, соблюдение проверенных лучших практик обеспечивает целостность проб, безопасность персонала и соответствие нормативным требованиям.

Выборка воды в холодном климате имеет решающее значение для оценки воздействия на окружающую среду, мониторинга качества питьевой воды и исследований изменения климата. Наличие льда, снега и экстремального холода может привести к появлению таких артефактов, как замораживание концентрации растворенных твердых веществ, сдвиги рН и потеря летучих соединений. Без тщательного планирования и выполнения данные из таких образцов могут не представлять фактических полевых условий, что приводит к ошибочным выводам или нормативному несоблюдению.

Это руководство расширяет основные методы, касающиеся выбора оборудования, методов проникновения льда, сохранения проб, полевой документации, протоколов безопасности и обработки после сбора. Для получения дополнительной информации о стандартных процедурах отбора проб воды обратитесь к руководству по выбору проб воды EPA и полевому руководству USGS для методов отбора проб воды .

Подготовка и предполевое планирование

Тщательная подготовка является основой успешной выборки холодного климата. Неудачные усилия в экстремальных условиях часто приводят к неполным наборам данных, отказу оборудования или инцидентам безопасности. Планирование должно начинаться за несколько недель до полевого события и включать обзор исторических данных о погоде, ледовых условиях и маршрутах доступа.

инвентаризация и кондиционирование оборудования

Все оборудование для отбора проб должно надежно работать при минусовых температурах. Батареи быстро теряют емкость в холоде; приносят запасные части и сохраняют их в тепле внутри изолированных мешочков. Смазочные материалы и уплотнения в перистальтических насосах, бэйлерах и фильтрационных установках могут застыть или треснуть. Испытайте все оборудование в холодной среде перед развертыванием.

Брифинг по разведке и безопасности на месте

По возможности, заранее посетите место отбора проб. Оцените толщину льда, текущие модели и опасности, такие как гребни давления или каналы притока. Создайте систему дружков, согласуйте аварийные сигналы и определите ближайшее убежище. Кратко опишите симптомы гипотермии в холодную погоду и первую помощь. Просмотрите руководящие принципы холодного стресса NIOSH для базовых практик безопасности.

Проникновение льда и пробоотборник доступа

Доступ к открытой воде через лед требует систематического подхода, чтобы избежать загрязнения и травм. Методика зависит от толщины льда, типа (ясный синий лед против белого снежного льда) и глубины водной колонны.

Оценка толщины льда

Измерять толщину льда в месте отбора проб с помощью ледового шнека или долота. Чистый, синий лед структурно сильнее белого, пузырчатого льда или снежного льда. Как правило, тонкий лед (менее 10 см) небезопасен для пешеходного движения. Используйте портативный ледокол толщины или измерительную ленту на воздушных полётах. В проточной воде лед может быть опасно тонким даже тогда, когда берег кажется стабильным.

Бурение и очистка отверстия

Для льда толщиной более 15 см наиболее эффективен газовый шнек диаметром 20–25 см. Для более тонкого льда работает ручная штырька для льда. После бурения удалите ледяной слякоть с помощью прорезиненного совка, чтобы предотвратить повторное замораживание. Работайте быстро, но осторожно — подвергнутая воздействию вода начинает замерзать в течение нескольких минут при температуре воздуха ниже -10°С. Если для отбора проб требуется несколько глубин, опустите пробоотборник через отверстие сразу после очистки.

При использовании методов нагрева для расплавления отверстия (например, в очень толстом льду или для доступа небольшого диаметра) избегайте применения тепла вблизи от забора пробы. Используйте отопительный нагреватель, который циркулирует теплой водой вокруг корпуса пробоотборника без непосредственного нагрева воды, которая должна быть собрана.

Отбор проб из Under-Ice Flows

В реках или ручьях с ледяным покровом вода может течь под замерзшей поверхностью. Дыры бурения в нескольких точках поперечного сечения обеспечивают репрезентативное боковое смешивание. Не пробуйте сразу после бурения; пусть вода стабилизируется в течение 30 секунд, чтобы позволить осесть любым ледяным щепам или нарушенному осадку. Используйте глубиноинтегрирующий пробоотборник, который можно опустить и поднять через водную колонну для сбора композитного образца.

Для озер расположите пробоотборное отверстие вдали от берега (не менее 10 метров), чтобы избежать мелководья, вблизи береговой воды, которая может быть химически различной или подвержена воздействию ледовых эффектов.

Методы сбора образцов

После установления доступа сбор проб должен свести к минимуму изменение химического состава воды. Холодные температуры могут подавлять биологическую активность, но также повышать растворимость газов, таких как кислород и углекислый газ. Летучие органические соединения могут быть потеряны, если оборудование для отбора проб не запечатано правильно.

Depth-Specific vs. Grab Sampling (недоступная ссылка)

Сохранение и полевые измерения

Некоторые анализы требуют немедленной консервации. В холодном климате консервацию кислоты (например, азотной кислоты для металлов) может потребоваться выполнять внутри нагретого транспортного средства или укрытия, потому что кислотная реакция может замедляться при низких температурах. Для биологических показателей, таких как бактерии кишечной палочки, используйте стерильные бутылки и не допускайте их замерзания - в противном случае лизис клеток будет производить ложные негативы.

Измерения поля должны быть проведены как можно скорее после сбора. Используйте многопараметрический сонд, который может обрабатывать температуры до -2 ° C. Калибруйте сонд при температуре в пределах 5 ° C образца. Параметры для записи: температура, рН, проводимость, растворенный кислород (титрация или датчик) и мутность. Обратите внимание на любые кристаллы льда или бритвенный лед в образце , поскольку это влияет на результаты.

Для микрометаллов фильтрующие образцы в полевых условиях используют фильтр 0,45 мкм. Предварительно промывайте фильтрационный блок пробой воды. В условиях замерзания фильтрование может занять больше времени - осторожно нагревайте корпус фильтра, используя ручные нагревательные пакеты для поддержания расхода без нагрева воды выше 4°C.

Обработка образцов, транспортировка и консервация

Холодные температуры могут сохранять некоторые компоненты (например, питательные вещества), но ухудшать другие (например, хрупкие соединения). Цель состоит в том, чтобы держать образцы при 4 ° C ± 2 ° C во время транспортировки, но не позволять им замораживать твердые вещества, которые могут концентрировать аналиты, разрушать клетки и повреждать стеклянные контейнеры.

Полевое хранение и изоляция

  • Используйте изолированные охладители с пакетами льда (не влажный лед) для поддержания стабильной прохладной температуры без замерзания. В условиях экстремального холода пакеты льда могут замерзнуть слишком сильно - используйте гелевые пакеты с материалами для смены фазы, предназначенными для минусовых условий.
  • Поместите слой изоляционной пены между образцами бутылок и более холодными стенками. Не переполняйте; допустите воздушное пространство для температурного буферизации.
  • Если используется сухой лед для замороженных партий (необходимых для некоторых органических соединений), упаковывайте образцы в крышечный контейнер внутри холодильника, чтобы избежать поглощения CO2, изменяющего рН.
  • Держите флаконы летучих органических соединений (ЛОС) полностью заполненными нулевым пространством головы и оберните их изоляционной лентой для замедления диффузии.

Цепь хранения и документирования

Холодные условия часто приводят к сокращению продолжительности внимания и быстрой бумажной волоките. Используйте предварительно напечатанную форму цепочки хранения (COC) с непогодными крышками. Запишите все соответствующие полевые условия: температуру воздуха, температуру воды, толщину льда, скорость ветра, облачный покров, наличие снега на льду и любые наблюдения за льдом или слякотью в образце. Сфотографируйте место отбора проб и состояние ледяной дыры.

Если образцы должны храниться в течение более 48 часов до анализа, заморозьте образцы воды по некоторым параметрам (например, нитрат, фосфат), но обратите внимание, что циклы замораживания-оттаивания могут изменять концентрации твердых частиц.

Обеспечение качества данных в условиях субзеро

Обеспечение качества (QA) при отборе проб холодного климата требует дополнительных шагов за пределы стандартных протоколов. Риск загрязнения от таяния льда, конденсации и заморозков оборудования высок. Полевые заготовки и заготовки оборудования становятся еще более важными.

Слепые дубликаты и полевой бланш

На каждом участке собирайте заготовку для поля, предпочтительно используя деионизированную воду, которая подвергалась воздействию того же холодного воздуха и условий обработки, что и образцы. Эта заготовка определяет, возникает ли загрязнение из-за удара льда, шнека или бутылок для проб. Для дублированных образцов относительная разница в процентах должна быть в пределах 20% для ионных видов и 30% для следовых металлов. При очень низких температурах эти пределы могут нуждаться в корректировке, но документировать любые отклонения.

Использование контрольных бланков

Сами консерванты могут замерзать или выпадать при низких температурах. Для образцов кислотных металлов, включающих в себя «заготовленный бланк», содержащий только кислоту и деионизированную воду, хранится и транспортируется в тех же холодных условиях. Это проверяет, остается ли кислотный раствор стабильным.

Обеззараживание оборудования в полевых условиях

Между участками отбора проб обеззараживают пробоотборники с помощью тройного промывания водой участка (или деионизированной водой, если перекрестное загрязнение вызывает беспокойство). При минусовых температурах промывка воды должна быть при температуре окружающей среды (не горячей), чтобы избежать внезапного теплового напряжения на оборудовании. Используйте портативную баллончик с распылителем, который не замерзает.

Протоколы безопасности для работы на льду и экстремального холода

Пробы льда требуют особого снижения риска; даже опытные команды пострадали от переохлаждения и связанных со льдом аварий.

Контрольный список безопасности льда

  • Всегда проверяйте толщину льда в нескольких точках, прежде чем наступить на лед. Используйте ледяной шнек или шпилевую стойку.
  • Носите персональное устройство для плавания (PFD) со спасательным крюком и носите ледовые колки (два ручных колпака), чтобы вырваться, если вы провалитесь.
  • Никогда не пробуйте в одиночку - всегда есть приятель на берегу, который может обратиться за помощью.
  • Используйте веревочную систему: один конец привязан к дереву или стационарному якорю, другой к упряжке пробоотборника.
  • Держите смену сухой одежды в водонепроницаемой сумке в автомобиле или санях.

Мониторинг здоровья холодного климата

Следите за признаками переохлаждения (дрожание, спутанность сознания, плохая координация) и обморожения (онемение, белые пятна на коже). Поверните членов команды в нагретый автомобиль каждые 45 минут при экстремальном холоде (< -20 ° C). Убедитесь, что руки и ноги остаются теплыми - вызванное холодом онемение может привести к потере образцов.

Носите готовый к полевому применению аптечку с дополнительными тепловыми одеялами, подогревателями для рук и термосом для горячих напитков. Не игнорируйте ранние признаки холодного стресса; Реакционноспособные решения медленнее в холодных условиях.

Регулирующие и отчетные соображения

Многие экологические разрешения и программы мониторинга требуют сбора и анализа проб воды по конкретным протоколам.Холодные климатические условия могут оправдывать отклонения, но такие отклонения должны быть задокументированы и обоснованы в итоговом отчете.

Соблюдение стандартных методов

Придерживайтесь стандартных методов исследования воды и сточных вод (23-е издание или более поздняя серия) или ISO 5667, где это применимо. Для покрытых льдом водоемов Национальное руководство по полевым работам USGS рекомендует оговорку «тонкий лед», которая позволяет альтернативные методы доступа, если стандартная выборка открытой воды невозможна. Всегда записывайте причину любого отклонения от запланированного метода.

Данные об покрытии льдом

В полевом отчете приводятся следующие данные: дата, время, точное местоположение (координаты ГПС), толщина льда, глубина снега на льду, температура воздуха и воды, была ли водная колонна изотермической или стратифицированной, а также способ проникновения льда. Эти метаданные неоценимы для интерпретации сезонных тенденций и для обзоров обеспечения качества.

Пример: зимний отбор проб в прудах Аляскинской тундры

Исследование химии оттепели на севере Аляски в 2022 году показало, что образцы, собранные через лед с помощью нагретого перистальтического насоса, производят растворенный органический углерод (DOC) на 15% выше, чем те, которые были собраны со стандартным пробоотборником Van Dorn, вероятно, из-за снижения дегазации. Команда документально подтвердила, что нагревание головки насоса до 15 ° C предотвращало замерзание трубок, но не меняло температуру воды в линии образца выше 2 ° C. Этот пример подчеркивает необходимость проверки методологии и отчета обо всех модификациях.

Заключение

От бурения сквозь толстый лед до сохранения летучих соединений при минусовых температурах каждый шаг представляет риски, которые могут поставить под угрозу качество данных. Следуя передовой практике, изложенной здесь - развертывание изолированных контейнеров, тщательная оценка толщины льда, использование соответствующих глубине пробоотборников, поддержание надежной программы QA / QC и приоритет безопасности персонала - полевые команды могут собирать надежные образцы воды, которые поддерживают точные экологические оценки и соответствие нормативным требованиям.

Поскольку изменение климата изменяет зимние условия во всем мире, спрос на высококачественные данные о холодном климате будет только расти. Инвестирование в надлежащую подготовку, оборудование и протоколы сегодня гарантирует, что эта важная информация остается надежной на десятилетия вперед. Для дальнейшего чтения по связанным методам обратитесь к стандарту ASTM D4447 для отбора проб воды в ледяных водах и «Оценка качества воды» руководства ЮНЕСКО / ВОЗ .