城市径流研究设施的设计与建造

摘要

本文描述了一个占地1,000 m²的实验设施的设计、构建与功能，该设施包含24个独立的33.6 m²田间小区，配备可按时间记录总径流体积的系统，并可在选定时间间隔采集径流子样本，用于量化模拟家庭草坪产生的径流水中化学成分的含量。

摘要

随着城市人口的增加，城市景观灌溉面积也随之扩大。由于景观灌溉需求增加，城市地区夏季用水量可达冬季基础用水量的2至3倍。不合理的灌溉方式以及强降雨事件可能导致城市景观区域产生径流，径流可能携带养分和沉积物进入当地溪流和湖泊，进而引发水体富营养化。为此建立了一个1,000 m²的试验设施，包含24个独立的33.6 m²的田间小区，每个小区均配备系统以测量径流总量随时间的变化，并在选定时间间隔采集径流子样本，用于量化模拟城市景观径流水中化学成分的含量。第一次和第二次试验的径流体积变异系数（CV）分别为38.2%和28.7%。两次试验中径流pH、电导率（EC）和Na浓度的CV值均低于10%。两次试验中DOC、TDN、DON、PO₄-P、K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺的浓度CV值均小于50%。总体而言，设施在草坪铺设后进行的测试结果表明，各小区之间的径流体积和化学成分具有良好的一致性。较大的小区面积足以涵盖大部分自然变异性，因此能够更好地模拟城市景观生态系统。

引言

美国南部亚热带气候区分布着四个增长最快、人口最密集的大都市区¹。此外，1982年至1997年间，美国南部的城市化土地面积增幅最大¹。随着城市区域的扩大，对饮用水的需求也相应增加 ，其中大部分水在夏季用于户外用途²。在新建建筑中，通常会安装可编程的地下灌溉系统。然而，这些系统往往被设置为对城市景观进行过于频繁和/或超出景观蒸散需求的灌溉量²。这导致城市景观产生大量径流排入受纳水体，从而引发所谓的“城市溪流综合征”³。“城市溪流综合征”的症状包括地表径流和侵蚀性水流频率增加、氮（N）、磷（P）、有毒物质和水温升高，以及河道形态、淡水生物和生态系统过程的变化³。

农业生态系统中氮（N）和磷（P）的流失已被广泛研究，发现主要取决于四个因素：养分来源、施用量、施用时间和养分 placement⁴。尽管目前关于城市景观中养分迁移至场外的数据较少，但这些原理可直接应用于草坪草栽培，无论是在家庭草坪、草皮农场、公园还是其他绿地。此外，不合理的灌溉 practices 导致地表径流，会加剧这些养分的流失。

灌溉水质量可进一步改变养分流失情况。美国西南地区常使用盐分较高或钠含量较高的水来灌溉家庭草坪和城市景观^5,6。灌溉水的化学组成可能显著改变土壤化学性质，....

方案

1. 位点选择

1. 选择一块大小合适、未受扰动且坡度均匀为3-4%的土壤区域。
2. 进行地形测量，并划定一个面积约为10 m × 100 m、平均坡度为3.7±0.5%的区域。
3. 将该10 m × 100 m的区域划分为三个小区，每个小区约10 m × 33.3 m（图1）。
4. 将每个小区进一步划分为8个田间样地，每个样地宽4.1 m、长8.2 m。
5. 鉴定并记录研究区域内存在的土壤系列。注：本研究地点为Booneville系列的细砂质壤土，但也可使用其他土壤系列和质地。

2. 挡土墙施工

1. 在小区低端处挖掘一条宽30 cm、深30 cm的沟槽。
2. 在距小区边缘10 cm处挖掘一条宽20 cm、深1.2 m的沟槽，以形成一个平滑的垂直边缘，并延伸至黏土底土层。
3. 在沟槽内制作并安装临时木制模板，以保持沟槽敞开。
4. 从模板下方的下坡侧移除土壤，深度达到小区低端地表以下76 cm处。确保从小区向外延伸约30 m范围内具有至少0.5%的坡度，以保证充分排水。
5. 拆除临时模板，并建造钢筋混凝土挡土墙。
   1. 为墙体外侧制作木制模板，并将小区下方未扰动的土壤作为内侧墙体。
   2. 确保墙体深入未扰....

结果

样地特征
24个样地的平均坡度为3.7%，其中最低为样地17的3.2%，最高为样地2的4.1%（表1）。平均表土厚度为36 cm，范围从样地24的25.0 cm到样地10的51.5 cm（表1）。

径流体积
2012年8月9日第一次试验的径流体积平均为213.5 L，范围从最低95.6 L到最高391 L，变异系数（CV）为38.2%（表2）。需要注意的是，在铺设草皮之前，这些试验小区经过充分灌溉，以确保灌溉系统和径流收集系统正常运行，并用于测量灌溉分布情况及其他类似操作。因此，大部分施加的灌溉水被作为径流收集。

相比之下，2012年9月13日径流事件发生前土壤更为干燥，导致平均径流量较低，为52.6 L。径流量范围从最低27.5 L到最高70.8 L，变异系数为28.7%。在此情况下，大部分施加的水渗透到了草坪草下方的土壤中，导致总径流量减少。

化学浓度.......

讨论

水分在土壤表面、土壤内部及穿过土壤的流动受到地形、植被覆盖以及土壤物理性质的显著影响。过度压实的土壤和黏粒含量较高的土壤会表现出较低的入渗速率以及更多的地表径流。因此，在建设此类设施时，应尽可能使用原位土壤并保持坡度均匀，同时在施工期间尽量减少各类交通活动对实验区域造成的压实。此外，还应尽量减少施工完成后维护作业带来的压实影响。在分析特定实验所获得的数据，并将其与其他地点的数据进行比较时，也必须考虑上述因素，因为不同地点的环境条件可能存在很大差异。

所有天然土壤均具有高度的内在空间变异性。这可能是由于生物活动所致，例如虫洞、昆虫活动等。 等等。 或土壤基本性质，如质地以及黏土的收缩-膨胀潜力。本设施选用较大的样地规模，旨在尽可能包含上述空间变异性，从而最大限度地降低样地间的总体变异。

本设施选用的喷灌喷头旨在提供较高的降水速率，同时改善漂移减少效果。 喷灌系统审计结果显示，平均降水速率为 4.04 cm/hr，均匀度为 79.5%。如果需要较低的降水速率，也可选用其他喷头，但这可能导致水分.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
流量计	Teledyne Isco	Model 4230	可测量并记录流槽中水流的鼓泡式流量计
便携式采样器	Teledyne Isco	Model 6712	与流量计配合使用，按预设时间间隔采集水样
用于数据采集的 Flow Link 软件	Teledyne Isco	Ver 5.0	实现流量计与计算机之间的通信
预制坡度排水沟	Zurn Industries, LLC	Z-886
灌溉控制器	Toro Company	VP Satellite	可对每个小区独立控制灌溉
电磁阀	Hunter	2.5 cm PGV	根据灌溉控制器发出的信号，开启或关闭各小区的水流
灌溉喷头	Hunter	Pro Spray 4	4 英寸弹出式喷洒喷头
6 英寸带槽排水管	Advanced Drainage Systems	6410100	单壁波纹高密度聚乙烯（HDPE）带槽管
6 英寸光面排水管	Advanced Drainage Systems	6400100	单壁波纹高密度聚乙烯（HDPE）光面管
滤纸	Whatman GF/F	1825-047	直径 47 mm，无粘合剂，玻璃微纤维滤膜
pH 计	Fisher	Accumet XL20
复合 pH 探头	Fisher	13-620-130
自动温度补偿探头	Fisher	13-602-19
电导率探头	Fisher	13-620-100	电极常数为 1.0
TOC-VCSH with total nitrogen unit TMN-1	Shimadzu Corp	TOC-VCSH with TMN-1	溶解性碳和氮分析仪
Smartchem 200	Unity Scientific	200	用于磷测定的分立式分析仪
ICS 1000	Dionex	ICS 1000	用于测定钙、镁、钾和钠的离子色谱仪
便携式土壤水分测定仪	Spectrum	FieldScout TDR 300	探针长度为 7.5 cm
累计式水表	Badger	3/4 英寸水表	标准家用型水表