Un protocollo per Condurre Pioggia di simulazione per studiare deflusso del suolo

Summary

Un simulatore di pioggia è stato utilizzato per applicare un'aliquota consistente di pioggia uniforme caselle suolo imballate in uno studio del destino e trasporto di urea, una fonte nonpoint contaminante ambientale. In condizioni di suolo e precipitazioni uniformi, antecedente contenuto di umidità del suolo esercitato un forte controllo sulla perdita di urea nel deflusso superficiale.

Abstract

La pioggia è una forza trainante per il trasporto di contaminanti ambientali da suoli agricoli a corpi idrici superficiali attraverso deflusso superficiale. L'obiettivo di questo studio è stato quello di caratterizzare gli effetti delle antecedente contenuto di umidità del suolo sul destino e il trasporto di superficie applicata urea commerciale, una forma comune di azoto (N) fertilizzante, a seguito di un evento di pioggia che si verifica entro 24 ore dopo l'applicazione di fertilizzanti. Anche se l'urea si presume essere facilmente idrolizzato di ammonio e quindi spesso non disponibili per il trasporto, studi recenti suggeriscono che l'urea può essere trasportato da suoli agricoli alle acque costiere in cui è implicato in fioriture algali nocive. Un simulatore di pioggia è stato utilizzato per applicare un'aliquota consistente di pioggia uniforme in scatole terra battuta che era stato prewetted a diversi contenuti di umidità del suolo. Controllando precipitazioni e le caratteristiche fisiche del suolo, gli effetti di umidità del suolo antecedente sulla perdita di urea erano isolated. Terreni Wetter esposte tempo più breve da inizio precipitazioni per il deflusso iniziazione, maggiore volume totale di deflusso, le concentrazioni di urea superiore in ballottaggio, e maggiori carichi di massa di urea in deflusso. Questi risultati dimostrano anche l'importanza di controllare per antecedente umidità del suolo in studi volti a isolare le altre variabili, come la fisica del suolo o le caratteristiche chimiche, pendenza, copertura del suolo, la gestione, o le caratteristiche pioggia. Poiché simulatori pioggia sono progettate per fornire gocce di dimensioni simili e velocità come precipitazioni naturali, studi condotti sotto un protocollo standardizzato possono produrre dati importanti che, a sua volta, può essere usato per sviluppare modelli per prevedere il destino e trasporto degli inquinanti in deflusso.

Introduction

Gli impatti ambientali dell'agricoltura sono un problema globale e in rapida crescita, soprattutto alla luce delle incertezze del cambiamento globale. La pioggia è una forza trainante per il trasporto di contaminanti ambientali da suoli agricoli a corpi idrici superficiali attraverso deflusso superficiale. Un ampio corpo di ricerca è focalizzata su una migliore comprensione delle interazioni tra pioggia e le condizioni del suolo in quanto determinano le fonti puntuali di sedimenti, nutrienti, e le perdite di pesticidi provenienti da terreni agricoli. L'obiettivo di questo studio è stato quello di caratterizzare gli effetti delle antecedente contenuto di umidità del suolo sul destino e il trasporto di superficie applicata urea commerciale, una forma comune di azoto (N) fertilizzante, a seguito di un evento di pioggia che si verifica entro 24 ore dopo l'applicazione di fertilizzanti.

Ci sono pochi studi del destino e trasporto di urea nei terreni, in quanto l'urea viene rapidamente idrolizzato di ammonio a seguito dell'applicazione di fertilizzanti e THerefore spesso non disponibili per il trasporto. Tuttavia, recenti studi spartiacque suggeriscono che l'urea può essere trasportato da suoli agricoli alle acque costiere e causare spostamenti verso le popolazioni di organismi che producono tossine nocive ^1,2. Sia laboratorio e di campo esperimenti hanno dimostrato che quando le diatomee australis Pseudo-Nitzschia domoico produttori di acido (P. Australi) è stato coltivato in urea arricchito acqua di mare, la quantità di acido domoico prodotto era maggiore rispetto a quando coltivate su nitrato o ammonio arricchito acqua di mare ^3. Questo studio ha utilizzato pioggia simulata per studiare i processi che controllano il potenziale di perdite di urea-N a deflusso seguenti imprese applicazione dei fertilizzanti.

A causa della variabilità delle precipitazioni naturali, simulatori di pioggia sono stati utilizzati per applicare tassi di pioggia uniformi sulle superfici terrestri o scatole terra battuta per valutare il deflusso in condizioni controllate. Simulatori di pioggia sono stati inizialmente utilizzati per lo studio del suoloerosione ^4. Tuttavia, nel corso degli anni sono stati utilizzati per misurare altri costituenti in deflusso superficiale e percolato da terreni ^5-7. Sono stati inoltre condotti studi sul campo utilizzando precipitazioni naturali di valutare le perdite di costituenti del suolo in deflusso. Tendenze tra i dati delle precipitazioni e simulazione precipitazioni naturali seguono uno schema simile, che punta a una consistenza nei processi. Pertanto simulazione piovosità può essere utilizzato in studi per prevedere le probabilità di occorrenza di ciò che accade sotto precipitazioni naturali ^8.

Una varietà di simulatori di pioggia sono stati sviluppati, e in genere usano spruzzatori ugelli per applicare acqua a tassi e durate desiderati. In termini di dimensioni, simulatori di precipitazioni vanno da un semplice piccolo, infiltrometro portatile, con un 6 di diametro zona precipitazioni ⁹ al simulatore complesso precipitazioni Kentucky, che si estende su un terreno 14,75 ft x 72 ft (4,5 mx 22 m) ^10. Un difetto nel corpo di ricerca che empsimulazione precipitazioni non legato è che non c'è nessun disegno standardizzato singolo o un protocollo per lo svolgimento di simulazioni di pioggia ^11. In realtà, al 2011 "Internazionale Pioggia Simulator Workshop" presso l'Università di Trier, in Germania, una comunità collaborativa di scienziati provenienti da 11 paesi partecipanti ha concluso che una standardizzazione della simulazione precipitazioni e simulatori è necessaria al fine di garantire la comparabilità dei risultati e per promuovere ulteriormente sviluppi tecnici per superare limiti fisici e vincoli ^12. Questo studio cerca di affrontare parzialmente tale esigenza presentando una descrizione dettagliata di un protocollo standardizzato per condurre simulazioni pioggia utilizzando un simulatore che è già ampiamente adottata per l'utilizzo in Nord America.

Questo esperimento è parte di un più ampio studio volto a valutare la fonte di urea nelle acque degli estuari della Baia di Chesapeake, dove sono noti fioriture algali tossiche a verificarsi ogni anno. L'oggettivita specifico e di questo esperimento è stato quello di determinare l'effetto del contenuto di umidità del suolo antecedente sulle perdite di urea nel deflusso. Scatole suolo duplicare uniformemente sacco era prewetted ad uno dei sei diversi contenuti di umidità rappresentano 50, 60, 70, 80, 90 e 100% della capacità di campo. Urea era superficie applicata in forma prill ad una velocità di 150 kg N / ha. Entro 24 ore le scatole sono stati sottoposti ad una pioggia uniforme della durata di 40 minuti ad una velocità di 3,17 centimetri / h, equivalenti a un evento di precipitazione naturale che si verifica comunemente su base annua sulla costa orientale della Baia di Chesapeake in Maryland. Deflusso campioni sono stati raccolti a 2 minuti di intervallo, immediatamente filtrati utilizzando un filtro di vetro (0,45 micron), e conservati a 4 ° C fino a quando furono analizzati entro 24 ore dal prelievo. Concentrazioni di urea-N sono stati determinati mediante analisi flow injection colorimetria ^13. I dati sono stati analizzati utilizzando SAS v.9.1 ^14, ed i risultati statistici sono stati considerati significativi per P ≤ 0,05.

e_content "> Il simulatore precipitazioni portatile che è stato utilizzato in questo studio è conforme alle specifiche di progetto ¹⁵ e il protocollo che è stato sviluppato dalla National Fosforo Progetto ^16. Negli Stati Uniti e in Canada, questo simulatore di design e il protocollo è stato ampiamente adottato come metodo standard per utilizzare nella determinazione sia disciolto e particolato associazione perdita fosforo nel deflusso. Sebbene deflusso campioni sono stati analizzati per l'urea anziché fosforo, il metodo per l'applicazione uniforme e piovosità coerente confezionato scatole suolo è la stessa di quella che viene brevemente descritto in Fosforo Nazionale Protocollo di simulazione precipitazioni progetto.

Protocol

1. Raccolta e preparazione del terreno

1. Raccogliere il terreno dall'orizzonte superficie del profilo del suolo per rappresentare accuratamente condizioni fisiche e chimiche della superficie del suolo. Nota: Se possibile terreno deve essere raccolto dai primi 5 cm di superficie. La zona di raccolta terreno deve essere abbastanza piccolo per limitare variazione fisica del suolo e chimiche.
2. Setacciare il suolo attraverso un schermo grossolano (20 mm) per rimuovere le rocce. Nota: Vagliatura è più facile se il terreno è leggermente umido.
3. Stendere il terreno setacciato su un telone pesante in uno strato sottile per facilitare l'asciugatura, preferibilmente in una casa verde o ambiente interno caldo.
4. Mescolare il terreno con una pala, rastrello o tirando i bordi del telo da un lato all'altro come se ripiegando un calzone gigante. Nota: Fare attenzione a non strappare o strappare il telo con il bordo di una pala o rastrello. Ripetere questa operazione diverse volte fino a quando il terreno sia ben mescolata.
5. Prendere 10 campioni daluoghi diversi nel mucchio di terreno ben miscelato e condurre un test Mehlich-3 fosforo ¹⁷ per verificare l'omogeneità. Nota: omogeneità è ottenuto quando i risultati dei 10 campioni hanno un coefficiente di variazione (CV) di <0.05. Dove: CV = deviazione standard / media.
6. Se il CV del test Mehlich-3 fosforo è> 0,05, rimescolare il terreno e ripetere il test di omogeneità.

2. Scatole di imballaggio del suolo

1. Nota: caselle di terreno dovrebbe essere di volumi uniforme con identiche dimensioni di lunghezza, larghezza e profondità (100 centimetri x 20 centimetri x 7,5 centimetri) con nove 5 mm fori di drenaggio sul fondo. Scatole devono avere un labbro 5 cm e una grondaia raccolta su una estremità (Figura 1).
2. Linea fondo delle scatole con telo 4 strati per mantenere suolo dal lavare dai fori nella scatola mentre permettendo all'acqua di fluire attraverso il terreno è saturo.
3. Imballare la scatola primo terreno da scavare abbastanza secca, setacciato e omogeneosciuto suolo nella casella di riempirlo circa la metà profondo quando levigate (circa 3,5 cm). Stendere uniformemente il suolo e confezionarle con un mattone piatto. Nota: substrato dovrebbe essere sufficientemente asciutta in modo che non compatto sotto la pressione del mattone.
4. Aggiungere altri 2 cm di suolo e livellarlo con un calibro di livellamento ad una profondità imballato di 5 cm, l'altezza del labbro della scatola che si riversa nel canale di scolo (Figura 2).
5. Pesare la quantità di terreno che è stato aggiunto alla prima casella imballato, e aggiungere lo stesso peso del suolo a tutte le caselle rimanenti. Imballare ogni casella di raggiungere una profondità del suolo di 5 cm e densità uniforme.
6. Aspirare le grondaie delle scatole suolo per rimuovere qualsiasi terreno che ha sparso nella grondaia durante il processo di confezionamento.

3. Montaggio Boxes suolo nella precipitazioni Simulator

1. Posizionare un telaio costruito su 2 a 6 x in legname trattato pressione nel centro del simulatore di pioggia in cui le scatole suolo will essere collocato. Nota: Il telaio deve avere una traversa in mezzo per fornire rigidità. Caselle di immissione del suolo su un telaio senza fondo minimizza spruzzata che altrimenti avvenire da una piattaforma solida immediatamente sotto le caselle suolo e permette il drenaggio libero dai fori sul fondo delle scatole.
2. Posizionare il telaio su blocchi di cemento ad una altezza che consente il posizionamento di bottiglie di raccolta e imbuti sotto i beccucci sulle grondaie di raccolta sul davanti di scatole suolo montate sulla piattaforma.
3. Elevare ulteriormente la parte posteriore della piattaforma, utilizzando mattoni, legname e spessori, in modo tale che la parte posteriore di una scatola terreno posto sulla piattaforma è di 3 cm rispetto al frontale della scatola, con un conseguente pendenza 3%. Misurare la pendenza inserendo un bordo (> 100 cm di lunghezza) sul retro di una scatola suolo montata sulla piattaforma. Utilizzando il livello di un falegname, tenere premuto il livello di scheda e sollevare la parte posteriore della piattaforma in modo che la parte anteriore della scatola è di 3 cm sotto la scheda di livello (Figura 3 ). Nota: Assicurarsi che la parte anteriore e posteriore della piattaforma è di livello da un lato all'altro.
4. Individuare il punto direttamente sotto l'ugello sovraccarico e evitare di mettere una scatola in quella posizione per evitare grandi gocce dall'ugello all'inizio o alla fine di un evento di precipitazione di cadere su una scatola suolo, quindi posizionare cinque o sei scatole equidistanti sulla piattaforma . Segnare la posizione delle caselle e sempre collocare scatole nelle stesse posizioni.

4. Selezione della sorgente di acque irrigue

1. Selezionare una sorgente di acqua di irrigazione che è relativamente priva di tutti gli elementi e composti, in particolare quelli di interesse per lo studio. Analizzare la fonte di acqua prima dello studio per determinare la purezza dell'acqua. Nota: Se necessario, resine di scambio dovrebbero essere utilizzati per raggiungere la purezza dell'acqua desiderata.
2. Fornire una fonte d'acqua principale al simulatore di pioggia che supera una pressione di 8 psi e una portata di 5 gpm. Nota: le fonti municipali normali superano questi requisiti minimimenti. Se si utilizza serbatoi d'acqua e pompe, accertarsi che le pompe sono in grado di fornire un approvvigionamento idrico che supera la minima pressione e portata.

5. Selezione delle dimensioni dell'ugello da utilizzare

1. Selezionare uno dei quattro formati ugelli standard che vengono utilizzati per le simulazioni delle precipitazioni. Nota: Ogni ugello ha una pressione di prestazioni ottimali ed il flusso per ottenere una corretta dimensione delle gocce e l'intensità (Tabella 1). Scelta delle dimensioni dell'ugello per uso in uno studio particolare è determinato in relazione all'intensità (cm / hr) dell'evento precipitazioni naturali di essere rappresentati.

6. Le precipitazioni Simulator Operazione

1. Posizionare la (1) Valvola a sfere ad una leva (figura 4) in posizione di chiusura, leva a 90 gradi attraverso il tubo, e accendere la fonte principale dell'acqua (comunale o pompa).
2. Ruotare la vite di quadrato sulla parte superiore della (3) regolatore di pressione (figura 4) in senso antiorario per restrarre la pressione e aprire completamente il (4) valvola di controllo del flusso next-in-linea in linea.
3. Aprire la (1) Valvola a sfere ad una leva (Figura 4) e regoli la (3) regolatore di pressione ruotando la vite in senso orario per raggiungere circa 8 bar nella (6) manometro posto nella parte alta del simulatore di pioggia. Nota: Una volta che la (3) regolatore di pressione è stata impostata a superare leggermente la pressione dell'ugello desiderata, non dovrebbe essere regolata durante il funzionamento del simulatore di pioggia a meno che i principali cambiamenti di pressione fonte di acqua.
4. Chiudere parzialmente la (4) valvola in-linea di controllo di flusso (figura 4) fino a quando il misuratore (5) scorrono legge la velocità approssimativa portata in galloni al minuto per l'ugello in uso e la (6) manometro legge la psi approssimativa per l' ugello utilizzata (Tabella 1).
5. Chiudere la (1) Valvola a sfere ad una leva (Figura 4) per fermare il flusso senza modificare laportata e impostazioni di pressione.

7. Calibrazione ugello e precipitazioni Uniformità

1. Coprire i fori dei fondi di 5 o 6 scatole vuote suolo con del nastro adesivo per evitare che l'acqua fuoriuscita delle scatole e metterli nelle posizioni segnate sul telaio di legno (vedi punto 3.4).
2. Posizione e tenere una lunghezza di 10 m di tubo in PVC da 2 pollici con una curva a 45 ° attaccato alla fine sopra l'ugello e aprire il (1) valvola a sfera leva singola.
3. Raccogliere lo scarico dal tubo di PVC in un grande cilindro graduato per 10 sec.
4. Apportare piccole modifiche al (4) valvola di controllo del flusso in linea e ripetere le 10 collezioni sec fino a quando il volume del flusso 10 sec corrisponde al valore corrispondente per l'ugello in uso (Tabella 1). Una volta che la corretta portata si ottiene, utilizzare il valore sul misuratore di flusso come mezzo di variazione di monitoraggio del flusso a causa di possibili variazioni di pressione. Nota: Per calibrare correttamente l'ugello, the 10 sec volume di flusso è una misura più accurata rispetto alla lettura sul misuratore di flusso.
5. Rimuovere la lunghezza di 10 piedi di tubo in PVC per consentire pioggia per bagnare la zona box e notare il tempo di iniziazione pioggia.
6. Dopo esattamente 10 minuti bruscamente fermare la pioggia posizionando il tubo in PVC 10 piedi sopra l'ugello per deviare il flusso e chiudere la (1) valvola a sfera leva singola.
7. Misurare il volume di acqua (ml) raccolto in ciascuna casella versandolo in un cilindro graduato, e calcolare la profondità piovosità dividendo il volume per la superficie del fondo della scatola (2.000 unità cm ^2).
8. Calcolare il coefficiente di variazione per la profondità pioggia. Nota: uniformità pioggia è raggiunto quando la profondità precipitazioni nelle 5 o 6 scatole ha un coefficiente di variazione <0,05. Dove: CV = deviazione standard / media.
9. Se il CV non è inferiore a 0,05, ruotare l'ugello di ¼ di giro più stretto e ripetere il processo di calibrazione. Nota: L'ugello potrebbe aver bisogno di essere girato più volteper ottenere un CV inferiore a 0,05.
10. Una volta che un CV inferiore a 0,05 si ottiene, ripetere la calibrazione più volte per garantire che l'intensità di pioggia attraverso i funzionamenti è coerente.

8. Condurre una simulazione Pioggia

1. Dopo la calibrazione, collocare scatole terra battuta nelle posizioni segnate sul telaio di legno (vedi punto 3.4).
2. Bottiglie di raccolta posizione di deflusso e canalizzazioni sotto i beccucci di scarico e impediscono pioggia di cadere direttamente nella grondaia utilizzando una graffetta per fissare uno scudo sopra la grondaia (Figura 5).
3. Ripetere i passaggi 7,2-7,5 per ricalibrare la portata dell'ugello immediatamente prima di un evento di simulazione di pioggia e avviare la pioggia.
4. Registrare il tempo di deflusso iniziazione per ogni dialogo quando il drenaggio dell'acqua dal tubo di scarico si trasforma da una flebo lenta a un flusso continuo.
5. Raccogliere campioni di deflusso ad intervalli di tempo prestabiliti durante l'evento passando bottiglie di raccolta o pressola fine di un evento di durata prefissata.
6. Per terminare un evento di pioggia, fermare la pioggia posizionando il tubo in PVC 10 piedi sopra l'ugello per deviare bruscamente il flusso e chiudere la (1) valvola a sfera leva singola.
7. Raccogliere i campioni di deflusso e il volume record utilizzando un cilindro graduato o in massa assumendo che l'acqua pesa 1 g / cm ^2.
8. Miscelare accuratamente i campioni in modo che tutti i sedimenti è in sospensione e poi prendere un sottocampione per analisi di laboratorio.

Results

Uno dei motivi per condurre l'esperimento in corso era quello di esplorare i fattori che possono aver contribuito a scarsi risultati di un precedente esperimento in cui la perdita di urea nel ballottaggio è stato messo a confronto tra diverse forme di fertilizzanti e concimi contenenti urea. Tutti i trattamenti sono stati applicati ai terreni che erano stati saturi e scaricato in capacità di campo. Risultati per cinque repliche del trattamento urea prill variava da concentrazioni di 1-12 mg / L di urea-N di deflusso. Questo ordine di grandezza variazione tra le repliche era inaccettabile in condizioni controllate confondeva i risultati dell'esperimento. Una forte relazione positiva tra il volume totale di deflusso e di concentrazione di urea-N in ballottaggio suggerito che condizioni fisiche, quali l'imballaggio o antecedenti condizioni di umidità variabili dovute alle diverse condizioni di drenaggio e di essiccazione, sono stati i fattori causali.

Al fine di indagare la causa di tali variazioni estreme urLe concentrazioni bis in ballottaggio, tutte le caselle del esperimento in corso sono stati accuratamente confezionati con pesi uguali di terreno argilloso limo uniformemente misto come raffigurato nelle figure 1 e 2, per ridurre al minimo la variazione in condizioni fisiche. Per raggiungere 50, 60, 70, 80, 90 e 100% della capacità di campo approssimata come determinato bagnando, poi stufa una piccola quantità di terreno setacciato, il peso di acqua necessaria per bagnare il terreno corrispondente moistures suolo antecedenti di 14 , 17, 19, 22, 25, e 27% è stata calcolata, aggiunti ai box, e lasciato equilibrare O / N. La simulazione precipitazioni ha seguito il protocollo preciso sopra descritto e raffigurato nelle figure 3-5. Il 17 WSQ Jet completa 3/8 HH ugello (Tabella 1) è stato utilizzato per fornire una intensità di pioggia di 3,2 cm / h per un periodo minimo di 40 che equivale ad un evento di precipitazione naturale che si verifica comunemente su base annua, sulla sponda orientale della Chesapeake Bay in Maryland.

Tabella 2. C'è stata una significativa correlazione positiva tra volume deflusso totale e stato di umidità antecedente (Figura 6). Terreni Wetter avevano meno capacità di immagazzinare acqua e tassi di infiltrazione minori risultanti in maggiori volumi di deflusso. C'era una significativa relazione negativa tra il tempo di deflusso e la condizione di umidità antecedente (Figura 7). L'acqua infiltrata nel suolo asciutti per un periodo di tempo più lungo prima di diventare bagnato vicino alla superficie, causando il deflusso a verificarsi. Non sorprende, c'è stata una relazione positiva tra carico totale urea-N in deflusso e volume totale deflusso (Figura 8). E 'noto che in studi idrologici portata volumetrica è di solito un forte predittore di carico totale. Come concentrazione si comporterà in risposta a un evento deflusso è meno prevedibile. Flusso concentratio ponderatan è stato calcolato sommando i carichi per ogni raccolta deflusso 2 min e dividendo per il volume totale di deflusso. È equivalente alla concentrazione in un unico insieme di deflusso al termine del periodo di precipitazioni 40 min. In questo studio, c'è stata una significativa relazione positiva tra la concentrazione ponderata portata in deflusso e la condizione di umidità antecedente (Figura 9). Date le relazioni lineari positive tra volume di deflusso e l'umidità del suolo antecedente e il flusso di concentrazione ponderata e condizioni di umidità antecedente, una significativa relazione positiva tra carico totale urea-N e condizioni di umidità antecedente era previsto. Tuttavia, questo rapporto significativo è stato meglio descritta da un'equazione esponenziale (Figura 10).

Per visualizzare la perdita di urea-N in ballottaggio nel corso del tempo, una concentrazione singola 2 min e carichi cumulativi in ​​una replica di una casella di terreno che rappresenta ogni condiz umidità antecedenteione è stata tracciata sul 40 min intervallo di tempo piovosità (Figura 11). Sebbene le concentrazioni di deflusso possono variare leggermente irregolare nel tempo (ad esempio nel caso della umidità 90%), concentrazioni generalmente iniziano elevata e diminuire nel tempo. Carichi cumulativi nel tempo sono funzioni molto più liscia, e si illustrano le relazioni significative precedentemente discussi. Tempo di deflusso è più lungo, le concentrazioni di urea-N di deflusso sono più bassi e carichi cumulativi sono meno per i terreni asciutti. Anche se l'urea idrolizza rapidamente in terreni, in caso di precipitazioni entro ore di applicazione superficie, gran parte della N è ancora presente in forma di urea ed è soggetta a perdita di deflusso. L'urea è una molecola neutra e non è fortemente sorbita alle superfici delle particelle di terreno. Come l'acqua si infiltra suoli asciutti durante la prima parte di un evento di pioggia porta urea disciolta giù nel terreno e lontano dalla zona di deflusso superficiale. Quando il deflusso non cominciare, c'è meno urea prESE e le concentrazioni di deflusso sono più bassi. Da un senso pratico, urea sarebbe quasi sempre applicata in condizioni asciutte come attrezzature agricole non poteva attraversare terreni che sono alla capacità di campo.

Figura 1. Schema di imballato box deflusso del suolo. Una scatola di metallo (100 centimetri x 20 centimetri x 7,5 cm) con un 5 centimetri labbro sull'estremità anteriore è dotato di terreno ad una profondità di 5 cm. Il deflusso che si rovescia sopra il 5 centimetri labbro viene raccolto in una grondaia allegato che è schermato contro la pioggia che cade direttamente nella grondaia. Nove fori di 5 millimetri di diametro consentono acqua che si infiltra nel terreno per drenare dalle scatole ed evitare ristagni. Un capezzolo attaccato vicino al bordo anteriore del fondo della grondaia permette il deflusso delle acque di scarico in imbuti e bottiglie di raccolta positioned sotto il capezzolo.

Figura 2. Materiali di imballaggio della scatola. Circa 4 strati di garza nel fondo della scatola impediscono la perdita di suolo, ma permettono lo scolo delle acque. Un indicatore livellamento costituito di vetro acrilico sandwich tra due assi di legno è largo quanto la scatola (20 cm) e profonda (2,5 cm) come differenza tra i lati della scatola (7,5 cm) e la parte superiore della grondaia (5 cm). Appoggiando il bordo sul bordo della scatola del vetro acrilico è usato per terreno grado alla profondità della grondaia.

Figura 3. Posizionamento piattaforma. Posizionare la piattaforma in modo che quando le scatole terra battuta sono in posizione, tutti hanno la stessa pendenza. Per questo studio, la pendenza desiderata è stata del 3%. Mentre si tiene un livello di scheda, posizionare la piattaforma in modo che la discesa, fine grondaia della scatola è di 3 cm sotto l'estremità curva ascendente. La piattaforma dovrebbe essere a livello in direzione della pendenza trasversale.

Figura 4. Pioggia controlli simulatore a partire dalla fonte di acqua e progredendo attraverso il sistema idraulico per l'ugello (1) valvola a sfera monocomando:. Questa è una valvola di intercettazione rapida. Leva in linea con il tubo è acceso; leva di 90 gradi in tutta pipa è spenta. Utilizzare questa valvola per attivare il flusso e scendere senza disturbare le valvole che controllano la pressione e portata. Aprire completamente e chiudere completamente. Do non provare a utilizzare questa valvola per controllare la portata. (2) Filtro Sedimenti: Controllare il filtro periodicamente e sostituirlo come elemento necessario per evitare l'intasamento con sedimenti. (3) regolatore di pressione: Questa valvola controlla la pressione nella linea da questo punto in avanti. Troppa pressione potrebbe rompersi tubi, tubi o collegamenti. (4) valvola di controllo di flusso in linea (saracinesca): Valvola utilizzata per ottimizzare il flusso dell'ugello per ottenere la portata desiderata e la pressione dell'ugello. (5) Misuratore di portata: Misure di portata approssimativa. (6) Manometro: misura la pressione approssimativa all'ugello.

Figura 5. Scatole posizionati sulla piattaforma per la simulazione della piovosità. Inserire 5 o 6 caselle in posizioni contrassegnate per ogni evento simulazione pioggia. Evitare di posizionare una scatoladirettamente sotto l'ugello per evitare gocciolare direttamente su una superficie box.

Figura 6. Volume deflusso totale è positivamente correlata con antecedente contenuto di umidità del suolo (R ² = 0.64).

Figura 7. Tempo di deflusso è correlato negativamente con antecedente contenuto di umidità del suolo (R ² = 0.48). La superficie di un terreno bagnato satura rapidamente. Le piogge che supera la conducibilità idraulica del suolo saturo genera il deflusso.

fo: content-width = "5in" fo: src = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8.jpg" />
Figura 8. Carico totale urea-N è positivamente correlata con il volume di deflusso (R ² = 0,81). Differenze di volume deflusso travolgere differenze nella concentrazione di urea-N in deflusso.

Figura 9. Concentrazione di flusso ponderata di urea-N è positivamente correlata con antecedente umidità del suolo (R ² = 0,66). Terreni asciutti permettono infiltrazioni che percola urea-N nel suolo e lontano dalla superficie del suolo. Quando deflusso accade, meno urea-N è disponibile in superficie per il movimento in deflusso.

5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10.jpg "/>
Figura 10. Carico totale urea-N è positivamente correlata con antecedente umidità del suolo (R ² = 0.74). Le relazioni positive tra il volume deflusso totale e antecedente contenuto di umidità del suolo e tra la concentrazione flusso ponderata di urea-N e contenuto di umidità antecedente combinano per provocare una relazione esponenziale (y = 0,2043 e ^0.0405x).

Figura 11. Concentrazione di urea-N ed i rapporti di carico cumulativi nel tempo per una copia di ogni antecedente suolo umidità conten t. Anche se la concentrazione di urea-N non è sempre una funzione regolare nel tempo, le relazioni significative precedente ly discusso può essere visualizzato.

Nozzle Size	Intensità	Pressione ottimale	Flusso	10 sec Flusso
	cm / h	psi	gpm	ml
17 WSQ Jet completa 3/8 HH	3.2	6.0	1.5	940
3.3	6.0	1.8	1.140
30 w Jet pieno mezzo HH	6.0	5.0	2.2	1.250
50 w Jet pieno mezzo HH	7.0	4.1	3.7	2.300

: 173px; "> 24 WSQ Jet Figura 3/8 HH

Tabella 1. Dimensioni ugello grafico. Ugelli che sono stati identificati per l'uso con questo simulatore di precipitazioni e la loro intensità di pioggia associata, la pressione e parametri di flusso sono presentati. Scelta delle dimensioni dell'ugello dipende dalla desiderataprecipitazioni di intensità. Intensità di pioggia e durata corrispondono ad un evento di precipitazione di un certo periodo di ritorno per una posizione specificata studio. Ugello 17 WSQ è stato utilizzato per questo studio. Le piogge di durata di 40 minuti ad una intensità di 3,2 cm / h è equivalente ad un evento di precipitazione naturale che si verifica comunemente su base annua sulla costa orientale della Baia di Chesapeake in Maryland.

L'umidità del terreno	Deflusso totale	Flusso ponderate	Carico totale
%	Volume (L)	concentrazione	(Urea mg -N)
		(Mg L -1 urea-N)
27 †	2.96	4.99	13.66
27	2.87	4.37	12.55
25	2.52	3.57	8.62
25	1.81	4.21
22	2.52	2.18	5.50
22	2.47	1.54	3.81
19	1.99	1.72	3.41
19	2.35	3.70	8.68
17	1.91	3.22
17	1.66	0.90	1.50
14	1.51	0,78	1.18
			† numeri duplicati rappresentano due repliche per ogni livello di umidità

px; "> 2.33 h: 129px; "> 1.69

Numeri Tabella 2. Antecedent umidità del suolo, il volume totale di deflusso, il flusso weighted concentrazione di urea-N e totale carico urea-N dopo la simulazione pioggia. Duplicare rappresentano due repliche per ogni livello di umidità

Discussion

Il deflusso è principalmente generato da due meccanismi, infiltrazione eccesso di deflusso e della saturazione eccesso di deflusso ¹⁸ ed è influenzato dalle caratteristiche del suolo, umidità antecedente suolo, topografia e intensità di pioggia. Simulazione piovosità può essere utilizzato per fissare la variabile intensità di pioggia e studiare una o più variabili rimanenti. Intensità di pioggia e la durata possono essere controllate in un intervallo limitato per studio modificando la dimensione dell'ugello. Le fasi più critiche per lo svolgimento di studi di simulazione della piovosità sulle scatole terra battuta sono: 1) assicurare imballaggio uniforme di scatole suolo; 2) il controllo antecedente tenore di umidità del suolo; 3) taratura della portata per l'ugello selezionato in modo che la dimensione di goccia e velocità approssimi precipitazioni naturali; e 4) la regolazione della posizione degli ugelli per verificare precipitazioni uniforme in tutte le caselle del terreno.

Al termine del processo di calibrazione, una volta un CV inferiore a 0,05 si ottiene per uniformità piovosità in tutti suolocaselle, la calibrazione 10 min deve essere ripetuta più volte per garantire che l'intensità di pioggia attraverso i funzionamenti è coerente. Un curriculum può anche essere calcolato per uniformità tra piste. Se il CV per uniformità piste è inferiore a quello per l'uniformità delle precipitazioni in tutte le caselle, considerare il raggruppamento trattamenti replicati all'interno delle singole corse per minimizzare la variazione di tutti i trattamenti. Altrimenti, per ridurre l'errore associato posizione casella e attraverso i funzionamenti, randomizzare entrambi i trattamenti e replica secondo la posizione del quadro, prendendo misure per limitare l'immissione di un trattamento in una posizione più di una volta.

L'utilizzo di questo simulatore di pioggia progettazione e un protocollo standard per calibrare correttamente il simulatore di migliorare la comparabilità dei risultati tra gli studi condotti da diversi ricercatori. I dati ottenuti in questo modo possono essere utilizzati per prevedere che cosa succede sotto le precipitazioni naturali e comprendere meglio i processi e fattori che controllano le perdite per l'ambiente da nonfonti npoint di contaminanti. Tali studi possono produrre dati preziosi per l'uso in modelli di sviluppo per prevedere il destino e il trasporto di sedimenti e chimiche inquinanti in ballottaggio in condizioni di precipitazioni naturali.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Simulatore di precipitazioni	Joern's Inc.	TLALOC 3000	Dimensioni: 1,5 m x 2,0 m (dimensioni opzionali)
Simulatore di precipitazioni	Joern's Inc.	TLALOC 4000	Dimensioni 2,0 m x 2,0 m (dimensioni opzionali)
ugello a pioggia	Inc.	3/8HH-SS17WSQ	Dimensione 17 ugello
Pioggia	Spruzzatura Sistemi Inc.	3/8HH-SS24WSQ	Dimensione 24 ugelli
Pioggia	Spruzzatura Sistemi Inc.	1/2HH-SS30WSQ	Dimensione 30 ugello
Pioggia	Spruzzatura Sistemi Inc.	Ugello 3/8HH-SS50WSQ	misura 50