本文介绍一种方法，通过匹配土壤样品尺寸与水力传导率测量装置，防止土壤容器内壁的所谓侧壁流被错误地计入水流测量结果中。本方法的应用通过采集自废水灌溉场地的样品进行演示。
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本文内容
摘要
摘要
自20世纪60年代初以来，宾夕法尼亚州立大学一直在研究一种替代性的废水排放方式，并持续监测其影响。该方法不将处理后的废水排入溪流，从而避免对溪流水质造成直接影响，而是将出水施用于由大学管理的林地和农田。在考虑废水再利用时，人们关注其可能导致土壤水力传导度下降的问题。本文所述的方法通过将土壤样品尺寸与实验室水力传导度测定装置的尺寸相匹配，兼具了采样相对快速和实验室边界条件可控的优点。结果表明，在场地低洼区域的较深土层中，废水再利用可能对土壤输水能力产生了一定影响。在低洼区域中，土壤水力传导度的大部分降低似乎与样品采集深度有关，并可推断与土壤结构和质地的差异相关。
引言
数十年来，将市政污水处理后的废水排入河流一直是一种常规做法。此类废水的处理主要目的是降低受纳水体中微生物因排放的废水出水而产生生物耗氧的潜在风险。微生物耗氧会降解废水中的有机物质，导致出水排入的水体中氧气水平下降，从而危害水生生物，包括鱼类。
近几十年来，人们日益关注废水中的无机营养物质、某些金属及其他化学物质可能造成的危害。根据Kolpin发表的一项研究 等1，人们开始更加关注以往未被重视的多种化学物质。这项由美国地质学会发表的研究，提高了人们对美国各地河流和溪流中广泛存在的个人护理产品及其他化学物质的认识，这些物质主要来自废水处理设施的排放。
自20世纪60年代初以来，宾夕法尼亚州立大学的研究人员一直在研究和开发一种在湿润地区较为独特的替代性废水排放方式。该方法不将处理后的废水排入溪流，从而避免对溪流水质造成直接影响，而是将出水施用于由大学管理的林地和农田。这一应用区域被昵称为"活过滤器"，目前接收来自校园的全部废水出水以及部分市政废水。该做法降低了过量营养物质进入切萨皮克湾集水溪流的可能性，保护了当地冷水鱼类资源免受温热废水排放的不利影响（此类排放对鱼类有害），并防止废水中所含的其他化学物质直接进入水生生态系统。
然而，行为改变总会带来相应后果，这种替代用途设施也不例外。人们已提出一些问题：废水排放是否对土壤的入渗能力产生负面影响，导致地表水入渗减少2,3,4,5 并增加地表径流；废水中所含的化学物质（营养物质、抗生素或其他药物化合物、个人护理用品）是否可能污染当地水井；以及这些化学物质是否正在造成负面环境影响，例如通过植物吸收进入在该场地种植的植物体内6，或导致场地土壤生物产生抗生素耐药性7。
由于上述部分问题，本研究旨在确定废水排放灌溉对土壤饱和水力传导度的影响。所采用的方法包括从灌溉区内外选定的地点采集土壤样品，并将土壤样品容器的尺寸与实验室装置相匹配。土壤样品容器必须能够适配实验室仪器，同时确保流经样品中土壤基质的下渗水与沿土壤和容器壁之间下渗的水分相互分离。本方案描述了如何构建实验室装置以实现这一目标。
使用连接在拖拉机上的液压取芯采样器采集土壤样品。从起伏地形中选定的区域采集土壤芯样，并将其保留在安装于土壤取芯器内的塑料套管中。这些土芯采自哈格斯敦粉质壤土，采样位置位于山脊顶部或洼地。从灌溉区共采集6个具有代表性的山顶样点和6个洼地样点（共计12个灌溉区采样点）。此外，从相邻的非灌溉区采集3个山顶样点和3个洼地样点（共计6个非灌溉区采样点）。每个采样点最多采集6个土芯，最大深度约为1,200 mm，每个土芯样品长约150 mm（其中100 mm样品位于塑料套管内，50 mm位于金属取样器的切割头内）。从金属取样器中取出后，装有土壤芯样的塑料套管加盖密封，直立运送到实验室，并保持直立状态储存，直至用于测定饱和导水率。同时，在每个深度采集土壤样品，用于测定土壤及土壤溶液中钙（Ca）、镁（Mg）和钠（Na）的浓度，土壤浓度采用Mehlich 3法提取8，并按土壤质量与水质量比为1:2的比例用去离子水提取。水提取液的化学分析通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）完成，用于计算钠吸附比（SAR）。
饱和水力传导度的测定主要采用恒水头法9。配制含有钙和钠盐的溶液，以模拟出水的电导率（EC）和钠吸附比（SAR），从而使土壤暴露于与田间施用废水相似的水质条件。本实验中，EC为1.3 dS/m，SAR为3，反映了采样期前几年出水的EC和SAR水平。[从技术上讲，SAR的单位为（毫当量/升）½，但在文献中通常不明确标注。]
对 Klute 和 Dirksen9 提出的定水头法的改进，是 Walker8 设计了一种分流装置，以防止将发生在土壤基质外部的水流计入土壤水力传导度的估算中。该分流装置采用聚氯乙烯（PVC）管材加工制成，其尺寸经过选择和加工，以匹配土壤样品的大小。筛网用于支撑土壤样品，并允许通过土壤基质的水分从样品底部流出；另一个出水口则排出沿塑料套管内壁下流的水分，从而避免所谓的"壁面流"被错误地计入通过土壤基质的水量估算中。
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方案
1. 选择土壤采样地点
- 通过航空摄影和实地考察，确定曾使用废水灌溉的区域以及未使用废水灌溉的区域。
- 从不同区域中选择若干具有代表性的采样点，并密切关注可能存在的地貌差异（特别是地貌位置，如山顶、坡面、坡脚和洼地），因为在这些位置上水、土壤和植物的相互作用可能存在差异。
- 将地貌部分划分为山顶、坡面、坡脚或洼地，并根据各代表点的主要特征进行分类。
注意：在本实验中，采样点被划分为未灌溉山顶、灌溉山顶、未灌溉洼地和灌溉洼地。 - 确定从每个典型代表性采样点中采集样本的具体位置数量及位置分布。
注意：在此阶段，通常与熟悉环境统计学的统计学家进行讨论将非常有帮助，可避免后续在统计分析方面出现的问题。 - 在每个计划采样位置放置标记旗，并使用GPS坐标在地图上记录计划采样点的位置。
2. 采集土壤样品
- 确定用于采集土壤样品的设备。
注意：对于浅层（例如，深度小于 300 mm）土壤样品，若土壤足够松软，通常可使用本实验所用尺寸的圆柱形土壤采样器（补充图 1）配合落锤打入土壤中。本实验所描述的方法采用液压钻机，以便从深达 1,200 mm 的土层中采集样品。
补充图1：用于采样的钻探设备。
- 将钻机运输至现场以进行采样。
- 在启动钻机前，佩戴安全帽、手套和防护护目镜。
- 启动钻机，并将旋转头降至足够低的位置，以便安装凯利杆。
注：凯利杆是连接钻机驱动头与采样器的金属杆。 - 将凯利杆插入旋转头中。
- 将带有切割头的塑料衬管/样品管插入金属样品管中，切割头安装在金属样品管底部。针对此处描述的应用，使用一根长150 cm、外径（OD）90 mm的塑料衬管，插入一根长200 mm、外径100 mm、内径（ID）90 mm的金属样品管中。
- 使用适配于两者的驱动头将金属样品管固定在凯利杆上。
- 操作钻机，使样品管进入土壤约150 mm。
注：这将在塑料衬管中获得100 mm的样品，并在样品顶部预留50 mm空间，用于在实验室测定饱和导水率时容纳积聚在样品表面的水。同时也有助于避免在采集过程中压实土壤样品。 - 使用钻机的液压系统将金属样品管从土壤中取出。
- 将金属样品管从驱动头拆下，然后小心地将装有土壤样品的塑料样品管从金属样品管中取出，注意不要丢失塑料样品管内的土壤，也不要压实土壤或挤压塑料样品管的管壁。
- 在塑料样品管两端安装端帽，土壤样品顶部一端使用红色端帽，底部一端使用黑色端帽。用胶带将端帽固定在套管上，以防止样品污染或水分流失。
- 将样品直立放置，以便运送回实验室。
- 继续采样至目标最深深度，重复步骤2.6–2.12。
3. 构建恒定水头多柱土壤水力传导装置
注意：水力传导率实验室装置基于 Walker10 的研究。该装置使用一种渗透仪，可将试样外缘与环状容器壁之间的水流与通过土壤基质的水流分离开来。下文中提到的任何 PVC 管的内径（ID）均无严格的公差要求。某些管件可能匹配良好，而另一些可能需要稍作处理（轻微打磨）。
- 获取一根长度为100 mm、内径96 mm、外径114 mm的40号聚氯乙烯（PVC）管。
- 获取一根长100 mm、内径73 mm、外径89 mm的40号聚氯乙烯（PVC）管，将其加工成具有5 mm锥形切割刃。配备一个外径89 mm的塑料衬套，套在管子外径上。
- 剪下3.2步骤中提到的40号PVC管底部20 mm的一段，并保留以备后续使用。
- 从一块6 mm厚的灰色PVC板上，切割出一块155 x 155 mm的样品2将方形部件加工成在其中心带有60–70 mm圆形开口的结构。
- 切割一段6毫米厚、外径73毫米、内径63毫米的40号聚氯乙烯（PVC）管。
注意：若无法获得外径为73 mm的40号聚氯乙烯（PVC）管，可使用适配于内径为73 mm的40号PVC管的73 mm淋浴排水口，将其切割后使用亦效果良好。 - 使用PVC胶水，将步骤3.5中得到的外径73 mm、厚6 mm的PVC切片固定在步骤3.2中使用的外径89 mm PVC管顶部下方20 mm处。
- 在3.6步骤中使用的PVC胶水干燥后，将两个PVC管居中放置于6 mm板材上，并使用PVC胶水将其固定在板材上。
- 在外部PVC圆筒上钻一个孔，孔的位置位于灰色PVC方块上方约15 mm处的中心，用于安装带有齿状端的14 mm PVC接头。
- 使用PVC胶水将接头固定到位。
- 将外径19 mm、内径13 mm的塑料管连接至接头的带倒刺端。
- 将第3.4步中提到的20 mm长的40号PVC管段，居中粘接在灰色PVC方板底部的开口处。
- 剪取一块直径为80–85 mm的6 mm × 18 G金属丝网（使用镀锌钢制檐槽防护网效果良好），从顶部插入外径为89 mm的PVC管中，使其放置在另一段外径为73 mm、厚度为6 mm的PVC管切片上。
- 选择一根 19 x 184 x 2,438 mm 的材料3 将木板切成两半，每段修整至1,180 mm。
- 在板上切割出直径6–125 mm的孔，孔间距为70 mm。
- 在板上的孔下方放置一张金属网并将其固定（例如，使用订书枪）。
- 在金属丝网下方放置一个上口直径为140 mm、喷嘴外径为19 mm的漏斗，并将其固定在木板上；在漏斗边缘涂抹粘合密封胶，以消除漏斗顶部与木材之间的缝隙。
- 搭建一个750 mm高的木制框架，用于固定带有6个孔的板，使板位于框架底部上方约350 mm处（见步骤3.13和3.14）。
- 准备该框架的各个部件，包括底座、两个框架端板、两条支撑腿、下部加强底座、稳定底座、中心稳定后板和顶部后板。
- 将一块板材切割至 19 x 184 x 1,180 mm3 作为基础。
- 将两块木板切割成 19 x 184 x 750 mm3 每一帧的结束处
- 切割两块板材，制成 19 x 184 x 600 mm 的尺寸3 每端各有一个稳定腿。
- 将一块木板切割成 19 x 184 x 1,180 mm3 作为紧贴在板下方的加固基座，其上钻有直径125 mm的孔（见步骤3.14）。
- 将一块木板切割成 19 x 184 x 1,219 mm3 作为稳定基座，连接在两条稳定支腿的前侧或后侧。
- 将一块木板切割为 19 x 184 x 1,219 mm3 作为中心稳定背部支撑板。
- 将一块木板切割成 19 x 184 x 1,219 mm3 作为上层背板以增加额外的稳定性，用于安装引流槽。
注意：后部上方挡板及其附带的导流槽应调整至适当高度，使得当土样置于土样套管中时，导流槽底部与套管内土样表面大致处于同一水平高度。
补充图2：饱和导水率测定装置的正面示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。
- 准备供水槽和排水槽。
注：每个塑料槽宽约 120 mm，长 1219 mm，并配有端盖。- 在排水槽的一个端盖和供水槽的一端钻孔，以便安装直径为 13 mm 的 HB × MGHT 尼龙带刺接头。
- 在供水槽另一端的端盖上钻孔，以安装内径为 25 mm 的 PVC 管，用于将水排回供水容器。
- 根据需要用水泥固定倾斜的 PVC 连接件，以实现水流回供水容器的排水功能。
- 将一个高 40 mm 的槽端盖切割后安装在供水槽内，位置位于 PVC 连接出水口前方约 10 cm 处。
- 在该端盖顶部切出一个梯形缺口，缺口深度约为 20 mm，底部宽 30 mm，顶部宽 50 mm。
注：该结构可维持供水槽内恒定的水头压力。 - 将排水槽置于漏斗正下方，使其坐落在木架的下部加强底座上。
- 使用乙烯基槽架将供水槽固定在顶部后板上。
补充图3：供水槽端面示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。
- 准备水源。
- 将塑料管连接到供水槽和排水槽的尼龙倒刺接头适配器上。
- 在电导率装置旁的地面上放置一个大桶，作为供水容器。
注意：应选择足够大的桶，以容纳至少24小时测量所需的水量。 - 将一个小型潜水泵放入桶中，并通过塑料管将其连接至供水槽的进水端。
- 将小塑料管连接至墙体流出口的倒刺接头（见步骤3.9），并将未连接的一端放入排水槽中。
- 用水填充供水容器。
- 接通水泵电源并启动，使供水槽注满水。确保水泵向供水槽供水的速率足以维持供水槽接近满水状态，但不溢出。
- 制备“练习用土壤样品”以识别所需调整。
- 将一份“练习用”土壤样品放入塑料取样套管中，使土壤顶部与塑料套管顶部之间留出约50 mm的空间。
- 用双层纱布覆盖样品和套管的下端，并用合适尺寸的橡胶圈将纱布固定在取样套管上。
- 将练习用土壤样品及其套管放入盛水的桶中，水位约为套管高度的1/3，确保纱布端浸入水中。
- 数小时后，将桶中水位升高至样品高度的约2/3。待样品静置过夜后，将桶中水位加至刚好低于土壤样品顶部（非套管顶部）。
- 将土壤样品置于外径89 mm的PVC管顶部，并轻轻下压，使PVC管的锐边嵌入土壤数毫米，从而使土壤底部能紧贴筛网。
注意：需松开固定纱布的橡胶圈以允许此操作。同时应注意，样品套管中的土壤顶部应大致与供水槽底部齐平，而套管顶部应大致与供水槽顶部齐平。 - 向土壤样品顶部供水。
- 打开水泵，注满供水槽。
- 确保排水管末端置于排水槽内，且排水槽出口紧密连接至塑料管，该塑料管通向较低位置的排水口或容器。
- 使用6 mm管，从供水槽至土壤样品顶部建立虹吸。
- 从漏斗排出的土壤芯中收集水样。
注意：应根据实验要求的精度，收集足够长时间的水样，以获得足够的水量。 - 检查是否存在泄漏或其他意外问题。
- 根据注满约半个100 mL烧杯（或研究团队确定的其他体积）所需的时间，估算收集足量水所需的大致时间。
- 通过将小螺丝刀或其他类似工具插入塑料土壤样品容器内壁，模拟“墙体流”，以确认由此通道产生的过量水流能经排水管流入排水槽。
- 根据本次练习运行中发现的问题，对装置进行调整。
4. 获取土壤水力传导系数值
- 按照预实验步骤3.20中的说明，用橡皮筋将纱布固定在田间采集的土壤样品底部，使样品湿润。
- 启动水泵，使供水槽注满水，并检查是否存在泄漏。
- 将样品放置到水力传导装置上，操作方式与预实验相同。在操作过程中注意避免压实样品。
- 设置虹吸管，将供水槽中的水引至塑料套管内土壤表面。
- 最初每隔10–20分钟从漏斗中收集一次出水，以初步判断取样所需时长及取样频率。记录每个土壤样品在每次取样时的时间及出水质量/体积。
- 观察连续几次取样所得水量是否相等。当连续3–5次取样获得的水量基本一致时，样品可能已达到稳定状态。
注：为确保已达到稳定状态，建议额外安排两次间隔1小时的取样。 - 利用达西定律计算饱和水力传导度；
![饱和水力传导度公式 \(K_{sat}=VL/[A \cdot T \cdot (H2-H1)]\)，方程显示。](/files/ftp_upload/57181/57181eq1.jpg "figure-protocol-4")
其中
Ksat = 饱和水力传导度 (L/T)
V = 通过土柱的稳态出水量 (L3)
L = 样品长度 (L)
A = 水流通过的土柱横截面积 (L2)。本实验装置中，
T = 时间 (T)
(H2 – H1) = 水力水头差 (L)；本实验中，指土壤表面积水顶部与土壤样品底部之间的垂直距离。
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结果
为了探究在“生命过滤器”（Living Filter）场地施用废水出水是否影响了土壤传输水的能力，我们开展了实验以测定土壤的饱和导水率。我们将场地内灌溉区域的土壤导水率与非灌溉区域的土壤导水率进行了比较。废水出水对土壤导水率的影响是一个值得关注的问题，因为在较干旱地区已有部分报道指出，由于土壤中钠的积累或地表生物结皮的形成等原因，土壤传水能力有所下降。对于每一份用于测定导水率的土壤样品，均在距离其一米范围内的邻近位置采集了配套样品，用于测定土壤溶液中主要阳离子（Ca、Mg 和 Na）的含量。土壤溶液中 Ca、Mg 和 Na 的浓度值是通过土壤与去离子水按质量比 1:2 提取后测定获得，并根据采样时土壤的实际含水量进行反向校正计算得出。这些土壤溶液离子浓度数据被用于计算土壤溶液的钠吸附比（SAR），其定义如下：
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讨论
采集基于野外的未扰动土壤样品并测定其水力传导系数，对于获取具有场地代表性的数据至关重要。为了最真实地反映野外条件，必须使用在物理状态上能够代表其野外环境的土壤样品。例如，从野外采样点获取的土壤样品若在后续分样或操作过程中因人为压实而受到扰动，其结构将发生变化，从而影响饱和水力传导系数。
在受控的实验室条件下，拥有测量土壤水力传导度的方法也非常重要。然而，若采用实验室方法测定饱和水力传导度时，未能考虑样品容器内壁的水流（即所谓的"壁面流"），将导致实验结果重复性差，且变异性较高，这种变异性源于方法学本身，而非自然变异性。
自1982年Perroux开发出圆盘渗透仪以来11，基于 Clothier 和 White 的研究工作12，人们已投入大量努力以更令人满意地获取基于野外的土壤水力传导度测量值13获得基于野外的测量数据是非常理想的，因为 "紊乱" 土壤样品...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者谨此感谢宾夕法尼亚州立大学基建办公室为支持本项目提供的部分资金。美国农业部区域研究项目 W-3170 也提供了部分资金支持。我们衷心感谢 Ephraim Govere 在分析工作中的协助。我们最深切的感谢献给 Charles Walker，他的工程设计与建造技能使本研究的开展成为可能。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>采样设备： | |||
| 土壤采样钻机 | Giddings Machine Co. Inc | #25-TS / 模型 HDGSRTS | * 注：此模型与我们曾使用但现已停产的模型相当 |
| 凯莉·巴尔 | Giddings Machine Co. Inc | #KB-208 8 英尺 Kelly 横杆 | |
| 土壤样品采集管 | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-180 4-3/4” X 7-1/4” | |
| 土壤采集管钻头 | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-190 4-3/4” 标准缓解 | |
| 土壤样品用塑料衬垫 | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-208 3-5/8” × 6” | 足以满足所采集样本的数量需求 |
| 样品衬管底部的黑色端盖 a | Giddings Machine Co. Inc | 保留样品于衬管中 | |
| 样品衬管顶部的红色端帽 a | Giddings Machine Co. Inc | 保留样品于衬管中 | |
| 冷藏箱 | 储存 &并在样品从野外运输至实验室期间，将样品直立置于样品衬管中保存 | ||
| <强>防护装备： | |||
| 安全帽、护目镜和手套 | 根据需要配备的其他个人防护用品 | ||
| 锯子 | |||
| 钻头和钻头组件 | |||
| PVC胶粘剂 | |||
| 6至8块，19毫米 x 184毫米 x 2,438毫米板材 | |||
| 2 – 带倒刺接头；13 毫米 HB × MGHT | 将塑料管连接至供水槽和排水槽 | ||
| 6 – 带倒刺接头 | 将塑料管连接至外层PVC圆筒，以实现排水 | ||
| 3,000 毫米长，外径 19 毫米 / 内径 13 毫米的塑料管 | |||
| 6 – 直径85毫米的圆形网片 | 可从（例如600毫米长、6毫米×18号规格的金属丝网例如 镀锌钢制天沟防护网 | ||
| 40号PVC管 – 96 mm 内径 / 114 mm 外径 | |||
| 40号PVC管 – 73 mm 内径 / 89 mm 外径 | |||
| 40号PVC管 – 63 mm 内径 / 73 mm 外径，或 6 - 73 mm 塑料淋浴排水管 | |||
| 40号PVC管 – 25 mm 内径 | |||
| 6 毫米厚 × 155 毫米见方的聚氯乙烯板 | 可购买 2 – 6 mm × 300 mm（约）板材，每片约 20 美元，来源：https://www.interstateplastics.com/Pvc-Gray-Sheet-PVCGE~~SH.php?vid=20180212222911-7p | ||
| 6 – 140 mm × 19 mm 塑料漏斗 | 引导土壤样品中的水流进入收集烧杯 | ||
| 密封胶 | |||
| 1 – 150 mm × 1,200 mm 金属丝网布 | 4 层网格效果良好 | ||
| 2 – 120 毫米 × 1,219 毫米带端盖塑料排水槽 | |||
| 4 – 檐槽挂钩 | |||
| 1 - 额外的排水槽端盖 | 按照步骤中所述进行切割，以在供水槽中形成恒定水头 | ||
| 1 – 大型塑料盆 | 约65升，例如用作水力传导率测定的水源 | ||
| 1 – 大型塑料盆 | 用于润湿土壤样品 | ||
| 1 – 潜水泵 | 例如 Beckett M400 AUL 或 M400 AS | ||
| 塑料管 | 不同尺寸的排水管、供水管和排水沟排水口 | ||
| 纱布容器 | 有助于在测定水力传导性和润湿上升过程中将土壤样品置于塑料样品容器底部以保留土壤 | ||
| 橡皮筋 | 足够大，可紧密套在塑料样品衬管周围 | ||
| 可精确至0.1 g的天平 | |||
| 用于收集各样本水样的烧杯或其他容器 | |||
| 氯化钠 | 用于创建与通常施用于土壤的水质相似的水 | ||
| 氯化钙 | 用于创建与通常施用于土壤的水质相似的水 |
参考文献
- Kolpin, D. W., et al. Pharmaceuticals, hormones, and other organic wastewater contaminants in U.S. streams, 1999-2000: a national reconnaissance. Environmental Science & Technology. 36 (6), 1202-1211 (2002).
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