Name: 设计一个城市径流研究设施的建设 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-08-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 48 s
Description: 学习设计和建造城市径流研究设施的方法，用于测量模拟城市草坪的总径流量并收集水样进行化学成分分析。该设施包含24个独立样地，可帮助研究人员评估草坪管理措施对径流水质的影响。

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作者衷心感谢The Scotts Miracle-Gro公司为本设施提供的资金支持。同时感谢Toro公司协助提供灌溉控制器。本项目初期已故的Chris Steigler博士的远见与规划也在此一并致谢。作者还要感谢N. Stanley女士在样品制备与分析过程中提供的技术支持。

1. 位点选择
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>进行地形测量，并划定一个面积约为10 m ×&#160;100 m、平均坡度为3.7±0.5%的区域。</li>
	<li>将该10 m ×&#160;100 m的区域划分为三个小区，每个小区约10 m ×&#160;33.3 m（图1）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 挡土墙施工
<ol>
	<li>在小区低端处挖掘一条宽30 cm、深30 cm的沟槽。</li>
	<li>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。</li>
	<li>在沟槽内制作并安装临时木制模板，以保持沟槽敞开。</li>
	<li>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。</li>
	<li>拆除临时模板，并建造钢筋混凝土挡土墙。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>确保墙体深入未扰动的底土层，以防止未来发生位移。</li>
		<li>为每个小区组装两段带端盖的沟渠排水管，并在低端安装底部排水出口。使用硅胶密封所有接头，然后按照制造商的建议将接头拧紧固定。</li>
		<li>用胶粘和螺丝将一根直径10 cm的PVC 90°弯头和一段60 cm长的排水管连接至排水出口。将组装好的排水管放入混凝土模板中并固定，使顶部边缘在两个方向上保持水平，并且位于小区低端地表以下1.27 cm处（图2）。用临时塑料盖覆盖排水管，防止混凝土进入。</li>
		<li>使用适当振动将4,000磅强度的预拌混凝土浇筑入模板中，以消除空隙。
		<ol>
			<li>当模板填满后，用抹刀修整上表面，形成带有圆角的光滑表面。应移除排水管上的临时塑料盖，以便进行最终表面处理。</li>
			<li>确保最终混凝土表面与小区底部的地表齐平，并向排水管方向形成1.27 cm的坡度。</li>
			<li>确保在排水管的下坡侧，混凝土表面从排水管向外形成1.27 cm的坡度，以防止水倒流进入排水管。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在每个排水管出口下方建造钢筋混凝土垫层（宽1.2 m、长1.8 m、厚15 cm）。垫层必须具有远离墙体的0.5%坡度，且垫层顶部应低于排水管出口底部30 cm。</li>
	<li>在挡土墙侧面、每个垫层上方设置防水电源插座（110/120 V），为后续安装仪器做好准备。</li>
</ol>
3. 仪器安装
<ol>
	<li>将排水管齐平切割至混凝土墙面。</li>
	<li>在排水口正下方安装一个1.2米长的H型槽。
	<ol>
		<li>使用合适的混凝土锚栓和螺钉将槽体固定在墙面上，并确保槽体左右水平。</li>
		<li>用可调节的不锈钢支架支撑槽体前端，并通过调节装置使设备在左右和前后方向均保持水平。使用浴缸与瓷砖密封胶密封槽体与混凝土之间的接缝。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在每个垫层上安装一个流量计。将流量计安装在槽体末端附近，以尽量缩短所需管路长度。</li>
	<li>在每个垫层上安装一台便携式采样器。根据需要放置采样器，以最大限度减少通向采样管所需的管路长度。注意：可能需要将采样器置于支架上，以防止采样管路中出现积水的凹陷区域。</li>
	<li>设计、加工并安装覆盖墙体和槽体的不锈钢盖板，以防止降水进入明沟排水系统或槽体中。</li>
</ol>
4. 绘图区域准备
<ol>
	<li>使用邻近田区的原生表土填充墙体上坡侧的任何微小空隙，并夯实。</li>
	<li>使用小型后置式开沟机，在所有小区剩余的三侧开挖宽10 cm、深30 cm的沟槽。
	<ol>
		<li>将厚0.10 mm、宽40 cm的透明塑料条垂直插入沟槽中，以防止小区之间水分的侧向移动。</li>
		<li>安装灌溉管道和喷头。每个小区按4.1 m2的间距安装六个喷头。</li>
		<li>人工回填所有沟槽并轻轻夯实。在沟槽区域上方将土壤堆成高5 cm、宽30 cm的土埂，以防止小区间地表水的侧向流动。</li>
		<li>调节灌溉喷头高度，使其与土埂区域的土壤表面齐平。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>修建导流沟，防止上坡水流进入试验小区。
	<ol>
		<li>使用平地铲在中心位置开挖一条V形沟渠，中心深度约20 cm，顶部宽度2 m。注意：沟渠中心线应位于小区区域高侧上方约1.25 m处，并横跨所有小区的上缘。</li>
		<li>在沟渠底部开挖一条倾斜的排水沟。注意：为确保良好排水，排水沟底部在每组小区中心最高点处应低于沟渠底部30 cm，并向每组小区两端保持至少0.5%的坡度。排水沟底部需根据需要人工修平并进行测量，以确保坡度均匀。</li>
		<li>在排水沟底部铺设5 cm厚的洗净的6–9 mm粒径的碎石。</li>
		<li>在碎石表面放置直径15 cm的带孔排水管，然后用更多6–9 mm粒径的碎石填满沟槽。</li>
		<li>根据需要在小区组的两端及之间开挖沟槽，将排水水引导至挡土墙下方的排放位置。使用直径15 cm的无孔波纹排水管，并用挖掘出的土壤回填这些沟槽。在沟槽和沟渠区域覆盖一层直径5–15 cm的大块护坡石（bull rock）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 种植与初始径流事件
<ol>
	<li>用手持耙梳理地块，确保苗床平整且坡度均匀，为铺设草坪做准备。</li>
	<li>使用标准测量设备，沿每个样地的中线，从墙体起始点开始，在距离为 0、1.5、3.0、4.6、6.1 和 7.6 m 的位置进行高程测量，计算并记录每个样地的坡度。</li>
	<li>在每个样地的4个位置测量表土深度，方法是将直径为2.54 cm的土壤取样器插入土壤，直至遇到具有黏土质地的底土层。</li>
	<li>在类似质地的土壤上种植的草坪草。注意：对于本设施而言，成熟的‘Raleigh’圣奥古斯丁草（Stenotaphrum secundatum [Walt.] Kuntze）被使用。然而，可根据地点、天气和实验设计考虑使用其他草种。所有地块可同时铺草皮，或如本实验所示，分批种植：12个地块（每个区组4个地块）于08月种植&#160;2012年8月，其余12个样地于12日种植&#160;2012年9月</li>
	<li>创建径流事件
	<ol>
		<li>记录水表初始读数，并测量所有样地的土壤含水量。
		<ol>
			<li>取下每个小区阀门箱的盖子，记录24个小区各自的初始水表读数。</li>
			<li>使用便携式手持水分探针，测量并记录每个样地的土壤含水量。注：在初始表征阶段，每个样地进行4次测量（在样地的每个象限各进行1次测量），探针长度为7.5 cm。然而，测量次数、探针长度以及所用仪器的类型可根据具体研究目标进行调整。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>根据需要设置程序流量计和采样器以测量流量并采集样品。注意：750 ml&#160;每流过 20 L 后采集样品，但也可根据需要使用其他采样体积和间隔。</li>
		<li>以预定时间运行灌溉系统，施加足量水分直至产生径流。注：以 4.04 cm/hr 的速率施加 20–21 mm 的降水量对该设施足够，但具体数值可能因场地条件而异。</li>
		<li>记录24个试验小区的水表最终读数。在喷头运行期间采集灌溉水样品。对径流样品进行标记并运送至实验室进行分析。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 样品分析
<ol>
	<li>将探头直接浸入水样中，测量水样的电导率和pH值，然后过滤50 ml&#160;将每个水样通过0.7 µm玻璃微纤维滤膜进行分样，以备化学分析。</li>
	<li>使用美国环保署方法 415.1 测定溶解性有机碳（DOC）和总溶解性氮（TDN）15.
	<ol>
		<li>配制1,000 mg/L的标准溶液：加入2.125 g干燥的邻苯二甲酸氢钾（1-KOCOC6H4-2-羧基）加入1 L容量瓶中，加入约500 ml&#160;蒸馏水溶解化学物质，并用蒸馏水定容。将溶液储存在棕色瓶中，置于冰箱中保存。</li>
		<li>将6.0677 g干燥的硝酸钠加入1 L容量瓶中，配制成1,000 mg/L的标准溶液。加入约500 ml水&#160;蒸馏水，涡旋溶解化学物质，再用蒸馏水定容。</li>
		<li>通过稀释步骤6.3.1–6.3.2中的标准溶液的子样，制备涵盖待测样品预期浓度范围的中间碳（C）和氮（N）标准溶液。</li>
		<li>倒入约 16 ml&#160;待分析水样注入24 ml&#160;样品瓶加盖隔垫和瓶盖。</li>
		<li>将装满的样品瓶放入自动进样器托盘中，并记录每个样品在托盘中的位置。注意：为保证质量，每检测12个样品后应运行一个空白样、两个标准品以及两个有证标准物质。th 未知。</li>
		<li>将自动进样器托盘放入仪器中，并按照制造商的说明操作自动分析仪。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在采样后48小时内，分别采用美国环保局（USEPA）方法365.1、353.2和350.1测定磷、硝酸盐和氨。16-18.
	<ol>
		<li>制备以下试剂和磷分析用标准品：
		<ol>
			<li>通过缓慢加入70 ml浓硫酸制备5 N的硫酸储备液&#160;浓硫酸至400 ml&#160;500 ml 蒸馏水&#160;容量瓶。将溶液冷却至室温，用蒸馏水定容。</li>
			<li>配制0.3%酒石酸锑钾储备液。称取0.5 g三水合酒石酸锑钾C8H4K2O12Sb2•3H2O&#160;并溶于约 50 ml&#160;100 ml 蒸馏水&#160;容量瓶。溶解后，用蒸馏水定容，并在4 °C下储存于棕色玻璃塞瓶中。</li>
			<li>通过将4 g四水合钼酸铵（NH4)6Mo7O24•4H2O,&#160;在 100 ml 中&#160;试剂水。储存于酸洗过的塑料瓶中，4 °C 保存。</li>
			<li>配制15% w/w的十二烷基硫酸钠（SDS）储备液。将15 g SDS溶解于3（CH2)11OSO3Na&#160;在 85 ml 中&#160;蒸馏水。注意：可能需要轻轻搅拌并加热以完全溶解。</li>
			<li>通过加入2 ml的稀释液制备稀释的SDS溶液（试剂1）&#160;15% SDS 储存液 15 ml 加至 98 ml 水中&#160;蒸馏水。盖紧瓶塞，倒置混匀5–6次。</li>
			<li>制备 100 ml&#160;将上述试剂按以下方法混合，配制显色试剂（试剂2）：取20 ml&#160;加入50 ml蒸馏水&#160;5 N H2SO4 并混匀。加入5 ml&#160;0.3% 酒石酸锑钾溶液，混匀。加入 15 ml&#160;4% 钼酸铵溶液，混匀。加入 10 ml&#160;加入15% w/w的SDS溶液并混匀。注意：该溶液可储存于酸洗过的瓶中，在室温下不超过一周。</li>
			<li>通过将0.88 g抗坏血酸C溶解，制备抗坏血酸溶液（试剂3）6H8O6&#160;在 50 ml 中&#160;蒸馏水。加入0.5 ml&#160;加入15% SDS并轻轻混匀。注意：该溶液必须每日新鲜配制。</li>
			<li>通过加入0.4393 g干燥的KH₂PO₄，配制100 mg P/L的标准溶液2PO4&#160;至1 L容量瓶中，加入约500 ml&#160;蒸馏水，涡旋振荡以溶解化学物质，并用蒸馏水定容。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>配制硝酸盐分析所需的以下试剂和标准品
		<ol>
			<li>加入 25 ml&#160;浓磷酸（H3PO4) 至 150 ml&#160;250 ml 蒸馏水&#160;容量瓶。冷却至室温，加入10.0 g磺胺（4-NH2C6H4SO2NH2) 并溶解。加入 0.5 g N-(1-萘基)乙二胺二盐酸盐（C10H7NHCH2CH2NH2•2HCl）并溶解。加入 2 ml&#160;加入浓缩冲洗液（来自仪器制造商），用蒸馏水定容。注意：该溶液可储存于棕色瓶中，最多可保存数周。</li>
			<li>溶解85 g氯化铵（NH₄Cl）于700 mL去离子水中。4Cl）和0.1 g 乙二胺四乙酸二钠（C10H14N2Na2O8•2H2O) 在约 900 ml 中&#160;在1 L容量瓶中加入蒸馏水。通过加入浓氨水（NH₄OH）将pH值调节至8.5。4OH）并用蒸馏水定容。</li>
			<li>加入200 ml&#160;将6.4.2.2步骤中的溶液转移至1 L容量瓶中，用蒸馏水定容。通过加入浓氨水（NH₄OH）调节pH至8.5。4OH</li>
			<li>溶解 7.218 g 硝酸钾（KNO3) 于蒸馏水中并稀释至1&#160;L. 加入 1 ml&#160;氯仿（CHCl₃）3）作为防腐剂。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>制备以下用于氨分析的试剂和标准品：
		<ol>
			<li>将8 g氢氧化钠（NaOH）溶解于125 ml水中&#160;250 ml 蒸馏水&#160;容量瓶。冷却至室温，加入20.75 g苯酚（C6H5OH）并溶解，用蒸馏水定容，于棕色瓶中避光保存，可存放至2周。</li>
			<li>加入25 ml&#160;含5.25% NaOCl的漂白液0.5 ml&#160;浓缩探针洗涤液至50 ml&#160;容量瓶。用蒸馏水定容并混匀。</li>
			<li>溶解25 g EDTA二钠盐二水合物（C10H14N2Na2O8•2H2O）和 2.75 g 氢氧化钠（NaOH）溶于约 450 ml 水中&#160;500 ml 蒸馏水&#160;容量瓶。加入 3 ml&#160;加入浓缩探针洗涤液，混匀，加蒸馏水定容。</li>
			<li>溶解 0.075 g 二水合硝普钠（Na2Fe(CN)5NO•2H2O) 在 100 ml 中&#160;蒸馏水。加入0.5 ml&#160;浓缩探针洗涤液，混匀后置于棕色瓶中，可保存至1周。</li>
			<li>通过将3.819 g干燥的无水氯化铵（NH₄Cl）溶解于水中，配制1,000 mg/L的氨标准储备液。4Cl) 在 500 ml 中&#160;蒸馏水定容至1 L。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将样品置于 4 ml&#160;样品瓶加盖隔垫和瓶盖。</li>
		<li>将装满的样品瓶放入分析仪中，并记录每个位置对应的样品信息。注意：出于质量保证目的，每分析12个样品后应运行一次有证标准物质。th 未知。</li>
		<li>按照制造商提供的说明书操作分析仪，以检测所选分析物。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用离子色谱法测定阳离子（钠、钙、镁和钾）。
	<ol>
		<li>将2.542 g NaCl加入1 L容量瓶中，加蒸馏水定容，配制成1,000 mg/L的Na标准储备液。</li>
		<li>将1.9070 g KCl加入1 L容量瓶中，用蒸馏水定容，配制成1,000 mg/L的K标准储备液。</li>
		<li>通过加入 8.3608 g MgCl 制备 1,000 mg/L 的 Mg 储备溶液2•6H2转移至1 L容量瓶中，并用蒸馏水定容至刻度。</li>
		<li>通过加入3.6674 g CaCl₂•2H₂O，配制1,000 mg/L的Ca标准储备液2加入1 L容量瓶中，并用蒸馏水定容至刻度。</li>
		<li>通过加入35 ml制备350 mg/L的Na工作溶液&#160;将贮备液加入至 100 ml&#160;容量瓶中加蒸馏水至刻度。</li>
		<li>制备25 mg/L的K工作液，需加入2.5 ml&#160;将贮备液加入至 100 ml&#160;容量瓶中加蒸馏水至刻度。</li>
		<li>通过加入2.5 ml，配制25 mg/L的Mg工作溶液&#160;将贮备液加入至 100 ml&#160;容量瓶中加蒸馏水至刻度。</li>
		<li>通过加入 7.5 ml 配制浓度为 75 mg/L 的 Ca 工作溶液&#160;将贮存液加入至 100 ml&#160;容量瓶，加蒸馏水至刻度。</li>
		<li>通过0.2 μm玻璃微纤维滤膜对径流水样进行二次过滤。</li>
		<li>将样品或标准品加至样品瓶的填充线处，用隔垫和瓶盖密封。</li>
		<li>将样品管放入分析仪中，并记录样品的位置。注意：出于质量保证目的，需使用空白对照&#160;每12个样品后应运行一次认证参考标准th 未知</li>
		<li>按照制造商的说明操作自动分析仪。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

除了 S. Kelly 为 The Scotts Miracle-Gro 公司的员工外，作者声明不存在竞争性经济利益。

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。&#160;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。&#160;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...

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&#160;，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，导致碳、氮、钙及其他阳离子释放进入径流水。近期研究表明，提取液中钠吸附比（SAR）升高显著增加了从圣奥古斯丁草草屑、黑麦草草屑及其他有机物质中淋溶出的碳（C）和氮（N）的量7。此外，从休闲用草坪土壤中可被水提取的碳、氮和磷的流失量与灌溉水中的化学成分显著相关6。
Washbusch 等 研究了威斯康星州麦迪逊市的城市径流，发现草坪是总磷的最大来源8。此外，他们还发现，“街道尘土”中25%的总磷来源于落叶和草屑。在典型的农村环境中，枯枝落叶落在地面后缓慢分解，将养分重新释放到土壤中。然而，在城市环境中，大量富含养分的落叶和草屑可能掉落、被冲刷或吹拂到硬质地面（如车道、人行道和道路）上，随后进入街道，成为“街道尘土”的一部分，其中许多最终直接被冲入受纳水体。
城市景观土壤在施工过程中常常受到扰动并高度压实，这会因渗透率降低而导致径流量增加9。Kelling 和 Peterson 报道指出，由于前期施工活动导致土壤压实或土层严重扰动，住宅草坪产生的总径流量以及径流中养分浓度均有所升高10。另一方面，Edmondson et al. 发现，在英国莱斯特市及郊区的城市区域，城市土壤的压实程度低于周边的农业土壤11。他们认为这是由于农业活动中使用了重型机械所致，但也指出草坪土壤的容重高于林木和灌木下土壤，这归因于草坪刈割作业和更频繁的人为踩踏。
在许多情况下，城市和郊区溪流综合征似乎显著受到径流和点源排放的影响3,12。尽管可以通过许可制度和循环利用来控制点源污染，但仍需进一步研究，以开发并验证住宅草坪建植与管理的最佳操作规程，从而最大限度地减少养分随径流流失。过去在此方面的研究工作往往集中在沿海地区，因为这些区域土壤砂质含量高，人们担忧养分通过淋溶和径流进入沿海水体所产生的影响。然而，在砂质极高的土壤上，必须具备陡峭的坡度和高强度的降雨，才能产生明显的径流13,14。相比之下，美国中部地区的许多土壤质地较细，渗透率低，即使在较小的降雨事件中也会产生大量径流。因此，有必要设计并建造一个基于典型住宅景观常见原生土壤和坡度的径流试验设施。
本文描述了一个1,000 m2设施的设计、建造和功能，该设施包含24个独立的33.6 m2田间小区，用于在相对较短的时间分辨率下测量总径流量，并在选定的体积或时间间隔内同步采集径流水分样，以测定和量化径流水中化学成分的含量。

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

城市径流研究设施的设计与建造

Design and Construction of an Urban Runoff Research Facility

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。

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...

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。

随着城市人口的增加，城市灌溉景观面积也随之扩大。城市地区夏季用水量可达冬季基准用水量的2至3倍。

以下实验流程的总体目标是设计并构建模拟城市草坪，以测量总径流量，并同时采集径流水分样。通过选择具有均匀的3%至4%坡度且具备足够地块面积的场地来建设实验设施，从而实现对模拟城市草坪产生的径流水进行化学组分的测定与量化分析。第二步是在试验小区底部建造一道挡土墙，该挡土墙包括径流收集槽，可汇集各小区产生的全部径流，并将其导至测量与采样设备。接下来，将测量与采样设备安装在挡土墙下方，以精确测量不同时段的径流量，并收集径流水样用于分析。第四步涉及试验小区的最终准备工作，包括安装各小区独立的灌溉系统、小区之间的塑料隔离屏障、小型地上土埂，以及在试验小区上方设置分流沟。 最后，在试验小区中铺设匍匐剪股颖草皮。启动灌溉系统以引发径流事件，并收集产生的水样，分析其化学成分。与佛罗里达、宾夕法尼亚和俄亥俄州的类似设施相比，本设施的两个主要优势在于：一是建于原生未扰动土壤之上，二是试验小区能够包含自然变异性及微气候效应。利用该设施开展的研究将聚焦于城市环境中草坪和景观引起的养分径流等关键环境问题，有助于我们开发并应用、实施关键的最佳管理措施，以最大限度减少甚至防止城市草坪和景观中的养分流失。尽管目前利用该设施开展的研究可为圣奥古斯丁草（St.Augustine grass）草坪的养分流失提供科学依据，但该设施未来也可用于其他草种以及土壤改良剂、除草剂和杀虫剂等产品。总体而言，希望复制该设施的人员在初期将面临选址困难，随后在挡土墙的设计与施工方面也会遇到挑战。对该地点进行直观演示至关重要，可向人们展示当景观区域的灌溉速率超过土壤吸收能力时，会有大量水从地表流出。首先，选择一片未受扰动、坡度均匀为3%至4%的土壤区域，并对该区域进行地形测量。接着，划定一个平均坡度为3.7%、面积为10米×100米的区域，并将其划分为三个大小均为10米×33.3米的区块。然后将每个区块细分为八个宽4.1米、长8.2米的田间小区。开始施工时，将强度为4,000磅的预拌混凝土倒入先前准备好的模板中，并在模板填满后使用振动法去除空隙。用抹刀修整上表面，使其形成带有圆角的光滑表面，并移除排水管上的临时塑料盖，以便进行最终的表面处理。接着，确保浇筑完成的混凝土表面与小区底部的土壤表面齐平，并向排水口方向设置1.27厘米的坡度，以利于水分从土壤顺畅排入排水口。然后在每个排水口下方制作钢筋混凝土垫层，尺寸为宽1.2米、长1.8米、厚15厘米，垫层向远离墙体方向设置0.5%的坡度，并确保垫层顶部低于排水口底部30厘米。在每个垫层上方的挡土墙侧面设置防水电源插座。为准备安装仪器，将排放管齐平切割至混凝土墙。在排水口正下方安装一个1.2米长的H型量水槽，并使用混凝土锚栓和螺丝将量水槽在墙面上横向固定并调平。接着，用可调节的不锈钢支架支撑量水槽前端，并通过调节支架将设备调至水平状态。使用浴缸和瓷砖密封胶密封渡槽与混凝土之

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Research

科研

JoVE Journal

Environment

环境

设计一个城市径流研究设施的建设

在一项关于尿素（一种非点源环境污染物）归趋与迁移的研究中，使用降雨模拟器向压实的土壤箱施加了稳定且均匀的降雨。在土壤条件和降雨条件均保持均匀的情况下，前期土壤含水量对尿素通过地表径流的流失具有显著控制作用。...

一种用于研究土壤径流的降雨模拟实验方案

本文总结了用于处理城市暴雨径流和农业灌溉回流、以去除与水生生物毒性相关的农药及其他污染物的处理系统的设计特征及其处理效果。...

用于去除农业和城市径流中与地表水毒性相关的污染物的植被处理系统

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。...

废水灌溉对土壤水力传导度的影响：饱和水力传导度的野外采样与实验室测定耦合分析

人工湿地处理系统已用于废水处理数十年，但将其应用于油砂工艺受影响水体的处理相对较新。为了探索这一潜力，本文概述了地表流中型实验系统的设计与实验方法。该方法旨在加深我们对关键设计参数的理解，并提高处理效果。...

中型规模人工湿地污水处理系统设计

本方法介绍了如何构建和操作一个连续的13C和15N同位素标记室，用于植物组织的均一或差异标记。文中讨论了对柳枝稷（Andropogon...

用于植物同位素均匀或差异性代谢与结构标记的连续13C和15N标记室的设计与操作

溶渗仪二氧化碳梯度设施可在温度受控的培养室内，于黏土、粉质黏土和砂质土壤单体上建立250至500 µl...

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识别猎豹：通过足迹识别个体

一种用于通过生物沉积法量化双壳软体动物滤食和摄食行为的流通式装置已针对船载使用进行了改进。该装置周围构建了一个二维万向节平台，可将设备与船只运动隔离开来，从而能够在 offshore...

海上双壳类悬浮摄食量化装置的设计与使用

本文介绍了一种用于饮用水微生物检测的可调节、低成本且便于运输的培养箱构建方法。我们的设计基于广泛可得的材料，可在多种野外条件下运行，同时仍具备高端实验室培养箱的优势。...

用于野外和实验室的低成本移动培养箱的构建

本实验方案的目的是详细介绍如何在实验室中采集视频数据；如何记录参与者观看这些视频时的眼动数据；以及如何利用机器学习技术高效分析参与者所观看视频的内容。...

结合眼动追踪数据与自由观看城市公园环境步行视频的视频内容分析

学习设计和建造城市径流研究设施的方法，用于测量模拟城市草坪的总径流量并收集水样进行化学成分分析。该设施包含24个独立样地，可帮助研究人员评估草坪管理措施对径流水质的影响。

城市径流研究设施的设计与建造

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