Tutaj prezentujemy metodologię, która dopasowuje wielkość próbki gleby i urządzenie do pomiaru przewodności hydraulicznej, aby zapobiec błędnemu uwzględnieniu w pomiarach przepływu wody tzw. przepływu ścian wzdłuż wnętrza pojemnika z glebą. Jego zastosowanie demonstruje się za pomocą próbek pobranych z oczyszczalni ścieków.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Wpływ nawadniania ścieków na przewodność hydrauliczną gleby: sprzężone pobieranie próbek w terenie i laboratoryjne oznaczanie nasyconej przewodności hydraulicznej
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Od początku lat sześćdziesiątych badano alternatywną metodę odprowadzania ścieków na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii i monitorowano jej wpływ. Zamiast odprowadzać oczyszczone ścieki do strumienia, a tym samym bezpośrednio wpływać na jakość strumienia, ścieki są stosowane na terenach zalesionych i uprawnych zarządzanych przez Uniwersytet. Obawy związane ze zmniejszeniem przewodności hydraulicznej gleby pojawiają się, gdy rozważa się ponowne wykorzystanie ścieków. Metodologia opisana w tym manuskrypcie, polegająca na dopasowaniu wielkości próbki gleby do wielkości laboratoryjnej aparatury do pomiaru przewodności hydraulicznej, zapewnia korzyści płynące ze stosunkowo szybkiego pobierania próbek z korzyściami płynącymi z kontrolowanych laboratoryjnych warunków brzegowych. Wyniki sugerują, że ponowne wykorzystanie ścieków mogło mieć pewien wpływ na zdolność gleby do przenoszenia wody na większych głębokościach w depresyjnych obszarach terenu. Większość spadków przewodności hydraulicznej gleby w zagłębieniach wydaje się być związana z głębokością, z której pobrano próbkę, a także z różnicami strukturalnymi i teksturalnymi gleby.
Wprowadzenie
Odprowadzanie oczyszczonych ścieków z gmin do strumieni jest standardową praktyką od dziesięcioleci. Ścieki takie są oczyszczane przede wszystkim w celu zmniejszenia potencjału biologicznego zużycia tlenu przez mikroorganizmy w wodach, do których odprowadzane są ścieki. Zużycie tlenu przez mikroorganizmy powoduje degradację materiałów organicznych w ściekach, zmniejszając poziom tlenu w zbiorniku wodnym, do którego odprowadzane są ścieki, a tym samym szkodzi organizmom wodnym, w tym rybom.
W ostatnich dziesięcioleciach pojawiły się problemy związane z nieorganicznymi składnikami odżywczymi, niektórymi metalami i innymi chemikaliami w ściekach, które powodują szkody. Ze względu na badanie opublikowane przez Kolpin i wsp.1, wyewoluowało większe skupienie na zakresie substancji chemicznych, które wcześniej nie były brane pod uwagę. To badanie, opublikowane przez Towarzystwo Geologiczne Stanów Zjednoczonych, podniosło świadomość na temat szerokiej gamy produktów higieny osobistej i innych chemikaliów w rzekach i strumieniach w całych Stanach Zjednoczonych z powodu zrzutów z oczyszczalni ścieków.
Od początku lat 60. naukowcy z Penn State University badali i rozwijali alternatywną metodę odprowadzania ścieków, nieco unikalną w wilgotnym regionie. Zamiast odprowadzać oczyszczone ścieki do strumienia, a tym samym bezpośrednio wpływać na jakość strumienia, ścieki są stosowane na terenach zalesionych i uprawnych zarządzanych przez Uniwersytet. Ten obszar zastosowań, nazywany "Żywym filtrem", przyjmuje obecnie wszystkie ścieki wytwarzane z kampusu oraz niektóre z gminy. Zmniejsza to prawdopodobieństwo przedostania się nadmiaru składników odżywczych do strumieni dostarczających wodę do Zatoki Chesapeake, chroni lokalne łowiska zimnowodne przed zrzutami ciepłych ścieków, które są szkodliwe dla ryb, oraz zapobiega bezpośredniemu kontaktowi innych substancji chemicznych zawartych w ściekach z ekosystemami wodnymi.
Jednak zawsze istnieją konsekwencje zmian w zachowaniu, a ta alternatywna funkcja nie jest na nie odporna. Pojawiły się pytania dotyczące tego, czy zastosowanie ścieków negatywnie wpłynęło na zdolność gleby do przepuszczania wody do powierzchni gleby2,3,4,5 i spowodowało większy spływ, czy możliwe jest zanieczyszczenie lokalnych studni chemikaliami (składniki odżywcze, antybiotyki lub inne związki farmaceutyczne, produkty higieny osobistej) zawarte w ściekach ściekowych oraz czy te chemikalia mają negatywny wpływ na środowisko, na przykład poprzez pobieranie chemikaliów do roślin6 uprawianych na danym terenie, czy też rozwój oporności na antybiotyki u organizmów glebowych7 na miejscu.
W wyniku niektórych z tych obaw, to badanie jest prowadzone w celu określenia wpływu nawadniania ścieków na przewodność hydrauliczną gleby przy nasyceniu. Zastosowane podejście polega na pobraniu gleby z wybranych miejsc w obrębie nawadnianego obszaru lub poza nim i dopasowaniu wielkości pojemnika na próbkę gleby do konfiguracji laboratoryjnej. Ważne jest, aby pojemnik na próbkę gleby mieścił się w aparacie laboratoryjnym i aby woda, która przemieszcza się w dół przez matrycę glebową w próbce, była oddzielona od wody, która przemieszcza się w dół między glebą a pojemnikiem na próbkę gleby. Protokół opisuje, w jaki sposób skonstruowana jest aparatura laboratoryjna, aby zapewnić, że tak się stanie.
Próbki gleby są pobierane za pomocą hydraulicznego próbnika rdzeniowego podłączonego do ciągnika. Rdzenie glebowe są pobierane z wybranych obszarów w pofałdowanym krajobrazie i zatrzymywane w plastikowej tulei zamontowanej w próbniku rdzenia glebowego. Rdzenie te są zbierane z gliny mułowej Hagerstown, znajdującej się albo w krajobrazie szczytowym, albo w obszarze depresyjnym. Z nawadnianego obszaru pobiera się próbki z sześciu reprezentatywnych szczytów i sześciu miejsc depresyjnych (w sumie 12 miejsc pobierania próbek z nawadnianego obszaru). Ponadto pobrano próbki z trzech szczytów i trzech miejsc depresyjnych z przyległego, nienawadnianego obszaru (w sumie sześć miejsc nienawadnianych). W każdym miejscu pobiera się maksymalnie sześć rdzeni wiertniczych do maksymalnej głębokości około 1 200 mm, przy czym każda próbka rdzeniowa ma długość około 150 mm (100 mm próbki znajduje się w plastikowej tulei i 50 mm znajduje się w głowicy tnącej próbnika metalowego). Po wyjęciu z próbnika metalowego, plastikowe rękawy zawierające zebrane rdzenie glebowe są wyposażane w zaślepki, transportowane w pozycji pionowej do laboratorium i przechowywane w pozycji pionowej do czasu wykorzystania ich do określenia nasyconej przewodności hydraulicznej. Jednocześnie próbki gleby są pobierane na każdej głębokości w celu określenia stężeń gleby i roztworu glebowego (Ca), magnezu (Mg) i sodu (Na) przy użyciu ekstrakcji Mehlich 3 w celu oszacowania stężeń w glebie 8 i ekstraktów wody dejonizowanej w stosunku 1:2 masy gleby do masy wody. Analizy chemiczne ekstraktów wodnych uzyskano za pomocą atomowej spektroskopii emisyjnej w plazmie sprzężonej indukcyjnie (ICP-AES) i wykorzystano do obliczenia współczynnika adsorpcji sodu (SAR).
Określenie nasyconej przewodności hydraulicznej odbywa się głównie przy użyciu metody stałej wysokości9. Powstaje roztwór zawierający sole Ca i Na, które naśladują przewodność elektryczną ścieków (EC) i SAR ścieków, dzięki czemu gleba będzie narażona na zmienne jakości wody podobne do ścieków stosowanych na polu. W tym przypadku EC wynosi 1.3 dS/m, a SAR wynosi 3, co odzwierciedla EC i SAR ścieków w ostatnich latach poprzedzających okres pobierania próbek. [Technicznie rzecz biorąc, jednostki SAR to (miliekwiwalenty/litr) 1/2 i zwykle nie są identyfikowane w literaturze.]
Modyfikacja metody stałej wysokości podnoszenia Klute i Dirksen9 to opracowanie separatora przepływu przez Walker8, aby zapobiec włączeniu przepływu przez kolumnę, który wystąpił poza matrycą gleby, do oszacowania przewodności hydraulicznej gleby. Separator przepływowy jest zbudowany z rurek z polichlorku winylu (PVC) dobranych i obrobionych maszynowo tak, aby pasowały do wielkości próbki gleby. Sito podtrzymuje próbkę gleby i umożliwia wodzie, która przepłynęła przez matrycę glebową, wypłynięcie z dna próbki. Drugi wylot emituje wodę, która spłynęła po wnętrzu plastikowej tulei, eliminując w ten sposób nieprawidłowe uwzględnienie tak zwanego "przepływu ściennego" w oszacowaniu ilości wody przepływającej przez matrycę glebową.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Wybór miejsc pobierania próbek gleby
- Zidentyfikuj za pomocą fotografii lotniczej i wizji lokalnych miejsca, które były nawadniane ściekami, oraz takie, które nie były nawadniane.
- Wybierz kilka reprezentatywnych stanowisk do pobrania próbek, zwracając szczególną uwagę na możliwe różnice w rzeźbie terenu (w szczególności na położenie w krajobrazie, takie jak wierzchołek, zbocze, podnóże zbocza i zagłębienie), w których woda, gleba i rośliny mogą w różny sposób na siebie oddziaływać.
- Określ części krajobrazu jako wierzchołek, zbocze, podnóże zbocza lub zagłębienie. Skategoryzuj reprezentatywne stanowiska na podstawie ich głównych cech.
UWAGA: W tym doświadczeniu stanowiska zidentyfikowano jako nienawadniany wierzchołek, nawadniany wierzchołek, nienawadniane zagłębienie lub nawadniane zagłębienie. - Ustal liczbę lokalizacji oraz dokładne miejsce pobrania próbek dla każdego charakterystycznego stanowiska reprezentatywnego.
UWAGA: Na tym etapie bardzo pomocne mogą być konsultacje ze statystykiem specjalizującym się w statystyce środowiskowej, co pozwoli uniknąć późniejszych problemów związanych z analizami statystycznymi. - Umieść flagę znacznikową w każdym planowanym miejscu pobrania próbki i nanieś lokalizację planowanych stanowisk na mapę, korzystając z współrzędnych GPS.
2. Pobieranie próbek gleby
- Określ sprzęt, który zostanie wykorzystany do pobierania próbek gleby.
UWAGA: W przypadku płytkich próbek gleby (np. o głębokości mniejszej niż 30 mm), cylindryczny próbnik gleby (Rycina uzupełniająca 1>) o rozmiarze zastosowanym w tym doświadczeniu może być często wbijany w glebę za pomocą młota spadającego, jeśli gleba jest wystarczająco miękka. W opisanym tutaj doświadczeniu zastosowano hydrauliczną wiertnicę, aby umożliwić pobieranie próbek z głębokości do 1 20 mm.
Rysunek dodatkowy 1: Użyta do pobierania próbek platforma wiertnicza.
- Przetransportuj wiertnicę na miejsce poboru próbek.
- Przed uruchomieniem wiertnicy załóż kaski, rękawice i okulary ochronne.
- Włącz wiertnicę i opuść głowicę obrotową na wysokość umożliwiającą montaż pręta Kelly.
UWAGA: Pręt Kelly to metalowy pręt łączący głowicę napędową wiertnicy z próbownikiem. - Wsuń pręt Kelly do głowicy obrotowej.
- Włóż plastikową wkładkę/rurkę do próbkowania do metalowej rury pomiarowej z nasadką tnącą przymocowaną do jej dna. W opisanym zastosowaniu należy użyć plastikowej wkładki o długości 150 cm i średnicy zewnętrznej (OD) 90 mm, dopasowanej do metalowej rury pomiarowej o długości 20 mm, średnicy zewnętrznej (OD) 10 mm i średnicy wewnętrznej (ID) 90 mm.
- Przymocuj metalową rurę pomiarową do pręta Kelly za pomocą dopasowanej do obu elementów głowicy napędowej.
- Uruchom wiertnicę, aby wprowadzić rurkę pomiarową w głąb gleby na głębokość około 150 mm.
UWAGA: Pozwoli to na pobranie próbki o długości 10 mm w plastikowej wkładce i zapewni 50 mm wolnej przestrzeni nad próbką na wodę gromadzącą się podczas pomiarów nasyconej przewodności hydraulicznej w laboratorium. Pomoże to również uniknąć zagęszczenia próbki gleby podczas jej pobierania. - Wyciągnij metalową rurę pomiarową z gleby za pomocą układu hydraulicznego wiertnicy.
- Zdemontuj metalową rurę pomiarową z głowicy napędowej. Następnie ostrożnie wyjmij z metalowej rury plastikową rurkę z próbką gleby, dbając o to, aby nie zgubić materiału z wnętrza wkładki, nie zagęścić gleby ani nie ścisnąć ścianek plastikowej rurki.
- Nałóż zaślepki na oba końce plastikowej rurki: czerwoną na górny koniec próbki gleby oraz czarną na dolny koniec. Przyklej zaślepki taśmą do tulei, aby zapobiec zanieczyszczeniu lub utracie wody z próbki.
- Umieść próbkę w pozycji pionowej do transportu do laboratorium.
- Kontynuuj pobieranie próbek do interesującej głębokości, powtarzając kroki 2.6–2.12.
3. Budowa układu do pomiaru przewodności hydraulicznej gleby z zastosowaniem stałego ładunku i wielu kolumn
UWAGA: Laboratoryjna aparatura do pomiaru przewodności hydraulicznej opiera się na pracach Walkera10. Wykorzystuje ona permeametr skonstruowany w taki sposób, aby oddzielić przepływ między zewnętrzną krawędzią próbki a cylindrem zawierającym pierścień od przepływu przez macierz glebową. Wewnętrzna średnica (ID) każdej z wymienionych poniżej rur PVC nie podlega ścisłej tolerancji. Niektóre mogą pasować idealnie, inne mogą wymagać obróbki (lekkiego szlifowania).
- Należy przygotować rurkę z PVC typu schedule 40 o długości 10 mm, średnicy wewnętrznej 96 mm i średnicy zewnętrznej 14 mm.
- Przygotować rurę PVC typu schedule 40 o długości 10 mm, średnicy wewnętrznej 73 mm i średnicy zewnętrznej 89 mm, a następnie obrobić ją mechanicznie tak, aby uzyskać zwężoną krawędź tnącą o szerokości 5 mm. Wyposażyć rurę w plastikową wyściółkę o średnicy 89 mm, dopasowaną do średnicy zewnętrznej.
- Odetnij dolne 20 mm rury z PVC typu schedule 40, o której mowa w kroku 3.2, i zachowaj ten fragment do późniejszego użycia.
- Z arkusza szarego PVC o grubości 6 mm wytnij fragment o wymiarach 15 x 15 mm2Wykonaj obróbkę kwadratu tak, aby w jego centrum znalazł się okrągły otwór o średnicy 60–70 mm.
- Wytnij plaster o grubości 6 mm z rury PVC schedule 40 o średnicy zewnętrznej 73 mm i średnicy wewnętrznej 63 mm.
UWAGA: Odpływ prysznicowy o średnicy 73 mm, który pasuje do rury PVC schedule 40 o średnicy wewnętrznej (ID) 73 mm, może zostać docięty i będzie dobrze funkcjonować w przypadku braku dostępności rury PVC schedule 40 o średnicy zewnętrznej (OD) 73 mm. - Używając kleju do PVC, przymocuj plaster PVC o grubości 6 mm i średnicy zewnętrznej 73 mm (z kroku 3.5) 20 mm poniżej górnej krawędzi rury PVC o średnicy zewnętrznej 89 mm (z kroku 3.2).
- Po wyschnięciu kleju do PVC użytego w kroku 3.6, wyśrodkuj dwa cylindry z PVC na arkuszu o grubości 6 mm i przyklej je do arkusza, używając kleju do PVC.
- Wywierć otwór w zewnętrznym cylindrze z PVC, w centrum, około 15 mm powyżej szarego kwadratu z PVC, aby umożliwić zamontowanie 14 mm adaptera z PVC z końcówką z barbami.
- Przymocuj adapter, używając kleju do PVC.
- Przymocuj plastikową rurkę o średnicy zewnętrznej 19 mm i średnicy wewnętrznej 13 mm do rurkowego końca adaptera.
- Przyklej za pomocą kleju 20-mm odcinek rury PVC schedule 40, wspomniany w kroku 3.4, do dna szarego kwadratu z PVC, centrując go względem otworu.
- Wytnij okrągły kawałek siatki stalowej o średnicy 80–85 mm, oczkach 6 mm i grubości drutu 18 G (w tym celu dobrze sprawdza się ocynkowana osłona rynnowa), a następnie włóż go od góry do rury PVC o średnicy zewnętrznej 89 mm, tak aby spoczywał on na 6-milimetrowym plastrze rury PVC o średnicy zewnętrznej 73 mm.
- Wybierz element o wymiarach 19 x 184 x 2 438 mm3 płytę i przeciąć ją na pół, przycinając każdy odcinek do długości 1 180 mm.
- Wytnij w płycie otwory o średnicy 6–125 mm w odstępach 70 mm.
- Umieść siatkę drucianą pod otworami w płycie i przymocuj ją (np.., używając takera).
- Pod siatką z drutu należy umieścić lejek o średnicy otworu górnego 140 mm i średnicy zewnętrznej wylotu 19 mm, a następnie przymocować go do płyty, nakładając uszczelniacz na krawędź lejka, aby wyeliminować szczeliny między górną częścią lejka a drewnem.
- Zbuduj drewnianą ramę o wysokości 750 mm, aby utrzymać płytkę z 6 otworami (patrz kroki 3.13 i 3.14) na wysokości około 350 mm nad podstawą ramy.
- Przygotuj elementy tej ramy, na które składają się: podstawa, dwa końce ramy, dwie nogi stabilizujące, dolna baza wzmacniająca, baza stabilizująca, środkowa stabilizująca płyta tylna oraz górna płyta tylna.
- Przytnąć deskę do wymiarów 19 x 184 x 1 180 mm3 jako baza.
- Dotnij dwie deski do wymiarów 19 x 184 x 750 mm3 każda z nich jako końce klatek.
- Przytnąć dwie deski, aby uzyskać wymiar 19 x 184 x 60 mm3 stabilizująca nóżka na każdym końcu.
- Dotnij deskę do wymiarów 19 x 184 x 180 mm3 aby służyła jako dolna wzmacniająca podstawa bezpośrednio pod płytą z nawierconymi otworami o średnicy 125 mm (patrz krok 3.14).
- Dotnij deskę do wymiarów 19 x 184 x 1 219 mm3 jako stabilizująca podstawa przymocowana z przodu lub z tyłu dwóch nóg stabilizujących.
- Przyciąć deskę do wymiarów 19 x 184 x 1 219 mm3 jako centralna stabilizująca deskay transportowa.
- Dotnij deskę do wymiarów 19 x 184 x 1 219 mm3 jako górną tylną płytę w celu zapewnienia dodatkowej stabilności, do której zostanie przymocowany rynienkowy system odpływowy.
UWAGA: Górna tylna płyta oraz przymocowany do niej rynienek powinny znajdować się na takiej wysokości, aby dno rynienki znajdowało się mniej więcej na tym samym poziomie, na którym będzie znajdować się górna powierzchnia gleby w tulei z próbką gleby po umieszczeniu próbki w urządzeniu.
Rycina dodatkowa 2: Widok z przodu aparatury do pomiaru nasyconej przewodności hydraulicznej. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
- Przygotuj rynny doprowadzające i odprowadzające.
UWAGA: Każda plastikowa rynna ma około 120 mm szerokości i 1219 mm długości i jest wyposażona w zaślepki końcowe.- Wywierć otwory w jednej zaślepce rynny odprowadzającej oraz w jednym końcu rynny doprowadzającej, aby przymocować w każdym otworze nylonowy adapter kolczasty 13 mm HB x MGHT.
- Wywierć otwory w drugiej zaślepce rynny doprowadzającej, aby przymocować rurę PVC o średnicy wewnętrznej 25 mm, umożliwiającą odpływ wody z powrotem do zbiornika zasilającego.
- Sklej kątowe połączenia PVC w taki sposób, aby umożliwić odpływ wody z powrotem do zbiornika zasilającego.
- Wytnij zaślepkę końcową rynny o wysokości 40 mm, tak aby pasowała do wnętrza rynny doprowadzającej w odległości około 10 cm od wylotu z podłączeniem PVC.
- Wytnij w górnej części tej zaślepki trapezowate wcięcie o głębokości około 20 mm, szerokości 30 mm u dołu i 50 mm u góry wcięcia.
UWAGA: Będzie ono służyć do utrzymania stałego poziomu wody w rynnie doprowadzającej. - Umieść rynnę odprowadzającą pod lejkami tak, aby opierała się na dolnej podstawie wzmacniającej drewnianej ramy.
- Przymocuj rynnę doprowadzającą do górnej tylnej płyty za pomocą winylowych uchwytów do rynien.
Rysunek uzupełniający 3: Widok końcowy rynny doprowadzającej wodę. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
- Przygotuj źródło wody.
- Podłącz plastikowe rurki do nylonowych adapterów z kolcami w rynnie doprowadzającej i rynnie odpływowej.
- Postaw na podłodze obok zestawu do pomiaru przewodności dużą kuwetę, która będzie służyć jako zbiornik zasilający.
UWAGA: Kuwetę należy dobrać tak, aby pomieściła ilość wody wystarczającą na co najmniej 24 h pomiarów. - Umieść w kuwecie małą pompę zanurzeniową i podłącz ją za pomocą plastikowej rurki do wlotu rynny doprowadzającej.
- Podłącz małą plastikową rurkę do adapterów z kolcami wylotu przepływu przyściennego (omówionego w punkcie 3.9) i umieść wolny koniec rurki w rynnie odpływowej.
- Napełnij zbiornik zasilający wodą.
- Włącz pompę i pozwól jej napełnić rynnę doprowadzającą. Upewnij się, że tempo pompowania wody do rynny doprowadzającej jest odpowiednie, aby utrzymać ją prawie pełną, ale bez przelewania.
- Przygotuj „próbkę gleby treningowej”, aby zidentyfikować ewentualne potrzebne modyfikacje.
- Umieść „treningową” próbkę gleby w plastikowej tulei do pobierania próbek, pozostawiając około 50 mm odstępu między górną powierzchnią gleby a górną krawędzią tulei.
- Przykryj dolny koniec próbki i tulei podwójną warstwą gazy. Przymocuj gazę do tulei za pomocą gumki recepturki o odpowiedniej wielkości.
- Umieść treningową próbkę gleby wraz z tuleją w kuwecie z wodą wypełnionej do około 1/3 wysokości tulei, tak aby koniec z gazą znajdował się w wodzie.
- Po kilku godzinach podnieś poziom wody w kuwecie do około 2/3 wysokości próbki. Po pozostawieniu próbki na noc, napełnij kuwetę tuż poniżej górnej powierzchni próbki gleby (NIE do górnej krawędzi tulei).
- Umieść próbkę gleby na wierzchu rury PVC o średnicy zewnętrznej 89 mm i delikatnie dociśnij ją do rury, pozwalając, aby zaostrzona krawędź rury PVC wbiła się w glebę na kilka milimetrów, co umożliwi oparcie spodu gleby na sicie.
UWAGA: Aby to umożliwić, należy poluzować gumkę recepturkę na gazie. Należy również zwrócić uwagę, aby górna powierzchnia gleby w tulei znajdowała się mniej więcej na poziomie dna rynny doprowadzającej, a górna krawędź tulei na poziomie górnej krawędzi rynny doprowadzającej. - Doprowadź wodę do górnej powierzchni próbki gleby.
- Włącz pompę i napełnij rynnę doprowadzającą.
- Upewnij się, że koniec rurki odpływowej znajduje się w rynnie odpływowej, a wylot z rynny odpływowej jest szczelnie połączony z plastikową rurką prowadzącą do odpływu lub zbiornika znajdującego się na niższym poziomie.
- Używając rurki o średnicy 6 mm, utwórz syfon z rynny doprowadzającej do górnej powierzchni gleby.
- Pobierz próbki wody z rdzenia glebowego, która odpływa z lejka.
UWAGA: Próbki należy pobierać przez czas niezbędny do uzyskania wystarczającej ilości wody, aby zapewnić precyzję wymaganą dla eksperymentu, zgodnie z kryteriami badawczymi. - Sprawdź, czy nie ma wycieków lub nieprzewidzianych problemów.
- Określ przybliżony czas potrzebny na zebranie odpowiedniej ilości wody na podstawie czasu niezbędnego do napełnienia około połowy zlewki o pojemności 10 mL wodą (lub innej objętości określonej przez zespół badawczy).
- Symuluj „przepływ przyścienny”, wsuwając mały śrubokręt lub inny podobny przedmiot wzdłuż wnętrza plastikowego pojemnika z próbką gleby, aby potwierdzić, że nadmiar przepływu stworzony przez ten kanał dopływa do rynny odpływowej poprzez rurkę odpływową.
- Zmodyfikuj układ na podstawie problemów wykrytych podczas tego przebiegu próbnego.
4. Wyznaczanie wartości hydraulicznej przewodności gruntu
- Nawilż próbki gleby pobrane z terenu badań, zakrywając ich dolne końce gazą przymocowaną gumką recepturką, zgodnie z instrukcjami podanymi w kroku 3.20 dla próby treningowej.
- Uruchom pompę i poczekaj, aż rynna doprowadzająca zostanie wypełniona. Sprawdź, czy nie występują nieszczelności.
- Umieść próbki w urządzeniu do pomiaru przewodności hydraulicznej, analogicznie do przeprowadzonego uruchomienia próbnego. Należy uważać, aby nie zagęścić próbek podczas manipulacji.
- Ustaw rurki syfonowe tak, aby przenosić wodę z rynny zasilającej na powierzchnię gleby znajdującej się w plastikowej tulei.
- Na początku należy zacząć pobierać wodę z lejka co 10–20 min, aby określić czas trwania pobierania próbek oraz częstotliwość ich pobierania. Dla każdej próbki gleby należy zapisać czas oraz masę/objętość wody pobranej w każdym punkcie czasowym.
- Należy szukać sekwencyjnych próbek zawierających taką samą ilość wody. Po uzyskaniu od 3 do 5 próbek o tej samej zawartości wody można przyjąć, że próbka prawdopodobnie osiągnęła stan stacjonarny.
UWAGA: Aby upewnić się, że osiągnięto stan stacjonarny, wskazane może być pobranie dwóch dodatkowych próbek w odstępach godzinnych. - Należy zastosować prawo Darcy’ego, aby obliczyć nasycony współczynnik przewodności hydraulicznej;
![Wzór na nasyconą przewodność hydrauliczną \(K_{sat}=VL/[A \cdot T \cdot (H2-H1)]\), wyświetlanie równania.](/files/ftp_upload/57181/57181eq1.jpg "figure-protocol-4")
gdzie
Knasycenie tlenem = nasycony współczynnik przewodności hydraulicznej (L/T)
V = objętość wody przepływającej przez rdzeń w stanie stacjonarnym (L3)
L = długość próbki (L)
A = powierzchnia przekroju poprzecznego próbki rdzenia (L2), przez który przepływa woda. W tej konfiguracji,
T = czas (T)
(H2 – H1) = różnica poziomów hydraulicznych (L); w tej konfiguracji jest to odległość między górną powierzchnią wody zgromadzonej na powierzchni gleby a dnem próbki gleby.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Aby zbadać kwestię tego, czy stosowanie ścieków oczyszczonych na obszarze Living Filter wpłynęło na zdolność gleby do przesyłania wody, przeprowadziliśmy eksperymenty w celu pomiaru nasyconego przewodnictwa hydraulicznego gleb. Porównaliśmy przewodnictwo hydrauliczne gleb z obszarów nawadnianych z przewodnictwem gleb z obszarów nienawadnianych na tym samym terenie. Wpływ ścieków oczyszczonych na przewodnictwo hydrauliczne gleby jest kwestią istotną, ponieważ w regionach o mniejszej wilgot...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Możliwość pobierania niezakłóconych próbek gleby z terenu i uzyskiwania ich wartości przewodności hydraulicznej jest ważna w uzyskiwaniu danych reprezentatywnych dla danego miejsca. Aby jak najlepiej odzwierciedlić warunki polowe, ważne jest, aby używać próbek gleby, które pozostają w stanie fizycznym reprezentatywnym dla środowiska, w którym żyją na polu. Próbki gleby pobrane z terenu polowego, które są następnie zakłócane na przykład przez podpobieranie próbek lub postępowanie z zagęszczeniem wywołanym zagęszczeniem, u...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować Biuru Zakładu Fizycznego Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii za częściowe finansowanie tego projektu. Częściowe finansowanie zapewnił również Regionalny Projekt Badawczy USDA W-3170. Chcielibyśmy wyrazić naszą wdzięczność Ephraimowi Govere za pomoc w pracach analitycznych. Jesteśmy głęboko wdzięczni Charlesowi Walkerowi, którego umiejętności inżynieryjne, projektowe i konstrukcyjne umożliwiły nam przeprowadzenie tej pracy.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| < mocny> Sprzęt do pobierania próbek:< / strong> | |||
| Wiertnica do pobierania próbek gleby | Giddings Machine Co. Inc | # 25-TS / Model HDGSRTS | * UWAGA: Ten model jest porównywalny z modelem, który zastosowaliśmy, ale który nie jest już produkowany |
| Kelly Bar | Giddings Machine Co. Inc | #KB-208 8 Ft. Kelly Bar | |
| Soil Sample Collection Tube | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-180 4-3/4" X 7-1/4" | |
| Bit do zbierania gleby | Giddings Machine Co., Inc | #ZC-190 4-3/4" Standardowa | |
| do próbki gleby | Giddings Machine Co., Inc | #ZC-208 3-5 / 8 "x 6" | Wystarczająca ilość w stosunku do liczby pobieranych próbek |
| Czarne zaślepki a do dolnej części wkładek do próbek | Giddings Machine Co. Inc | Do zatrzymywania próbek w wkładkach | |
| Czerwone zaślepki a do górnej części wkładek do próbek | Giddings Machine Co. Inc | Do zatrzymywania próbek w wkładkach | |
| Chłodnica Skrzynia | Przechowuj i utrzymuj próbki w pozycji pionowej w wkładkach do próbek podczas transportu z terenu do laboratorium | ||
| Sprzęt ochronny: | |||
| Kaski ochronne, gogle i rękawice | inne elementy potrzebne do ochrony osobistej | ||
| Piła | |||
| Wiertła i bity | |||
| PVC Cement | |||
| 6 do 8, 19 mm x 184 mm x 2 438 mm Płyty | |||
| 2 – Łączniki kolczaste; 13 mm HB x MGHT | do podłączenia rurki z tworzywa sztucznego do zasilania rynny i rynny drenażowej | ||
| 6 – złączka | do łączenia rurki z tworzywa sztucznego z zewnętrznym cylindrem z PVC, aby umożliwić odprowadzanie wody | ||
| Rurka | |||
| Okrągłe elementy | siatki o średnicy 6 i 85 mmMoże być cięta z (np. ) siatki drucianej o długości 600 mm i grubości 6 mm x 18 (np. osłona rynny ze stali ocynkowanej ) | ||
| Schemat 40 Rura PVC – 96 mm ID / 114 mm OD | |||
| Schemat 40 Rura PVC – 73 mm ID / 89 mm OD | |||
| Schemat 40 Rura PVC – 63 mm ID / 73 mm OD, Odpływy prysznicowe z tworzywa sztucznego OR 6 - 73 mm | |||
| Do kierowania wody przepływającej z próbki gleby do zlewki zbiorczej | |||
| samoprzylepna | |||
| 1 – długość 150 mm x 1 200 mm siatka | 4 Dobrze sprawdza się siatka | ||
| 2 – 120 mm x 1 219 mm Rynna plastikowa z zaślepkami | |||
| 4 – Wieszaki | |||
| 1 - dodatkowa zaślepka | rynnyDo cięcia zgodnie z opisem w procedurach w celu stworzenia stałej wysokości podnoszenia w rynnie zasilającej | ||
| 1 – duża wanna | objętości około 65 l, na przykład służąca jako źródło wody dla procedury przewodności hydraulicznej | ||
| 1 – duża wanna | Służy do zwilżania próbek gleby | ||
| 1 – Pompa zatapialna | np. Beckett M400 AUL lub M400 AS | ||
| Wystarczająco duży, aby ciasno zmieścić się wokół plastikowych wkładek na próbki | |||
| Skala o wielkości co najmniej 0,1 g | |||
| Zlewka lub inny pojemnik do zbierania wody z każdej próbki | |||
| Chlorek | Do tworzenia jakości wody podobnej do tej, która jest zwykle stosowana do gleby | ||
| Chlorek | wapniaDo tworzenia jakości wody podobnej do tej, która jest zwykle stosowana do gleby |
Bibliografia
- 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).
- Duan, R., Sheppard, C. D., Fedler, C. B. Short-term effects of wastewater land application on soil chemical properties. Water, Air, & Soil Pollution. 211 (1-4), 165-176 (2010).
- Frenkel, H., Goertzen, J. O., Rhoades, J. D. Effects of clay type and content exchangeable sodium percentage, and electrolyte concentration on clay dispersion and soil hydraulic conductivity. Soil Science Society of America Journal. 42 (1), 32-39 (1978).
- Goncalves, R. A. B., et al. Hydraulic conductivity of a soil irrigated with treated sewage effluent. Geoderma. 139 (1-2), 241-248 (2007).
- Halliwell, D. J., Barlow, K. M., Nash, D. M. A review of the effects of wastewater sodium on soil physical properties and their implications for irrigation systems. Australian Journal of Soil Research. 39 (6), 1259-1267 (2001).
- Franklin, A. M., Williams, C. F., Andrews, D. M., Woodward, E. E., Watson, J. E. Uptake of Three Antibiotics and an Antiepileptic Drug by Wheat Crops Spray Irrigated with Wastewater Treatment Plant Effluent. Journal of Environmental Quality. 45 (2), 546-554 (2016).
- Franklin, A. M., et al. Antibiotics in agroecosystems: introduction to the special section. Journal of Environmental Quality. 45 (2), 377-393 (2016).
- Wolf, A. M., Beegle, D. B. Recommended soil tests for macronutrients. Recommended Soil Testing Procedures for the Northeastern United States. Sims, J. T., Wolf, A. , 3rd ed, Agricultural Experiment Stations of Connecticut, Delaware, Maine, Maryland, Massachusetts, New Hampshire, New Jersey, New York, Pennsylvania, Rhode Island, Vermont, and West Virginia. University of Delaware, Newark. Northeast Regional Bulletin No. 493 39-47 (2011).
- Klute, A., Dirksen, C. Hydraulic conductivity and diffusivity: laboratory methods. Methods of Soil Analysis: Part 1-Physical and Mineralogical Methods. Klute, A. , Soil Science Society of America, American Society of Agronomy. Madison, WI. 687-743 (1986).
- Walker, C. Enhanced techniques for determining changes to soils receiving wastewater irrigation for over forty years. , The Pennsylvania State University. University Park, PA. Dissertation (2006).
- Perroux, K. M., White, I. Designs for disc permeameters. Soil Science Society of America Journal. 52 (5), 1205-1215 (1988).
- Clothier, B. E., White, I. Measurement of sorptivity and soil water diffusivity in the field. Soil Science Society of America Journal. 45 (2), 241-245 (1981).
- Ankeny, M. D., Ahmed, M., Kaspar, T. C., Horton, R. Simple field method for determining unsaturated hydraulic conductivity. Soil Science Society of America Journal. 55 (2), 467-470 (1991).
- Larson, Z. M. Long-term treated wastewater irrigation effects on hydraulic conductivity and soil quality at Penn State's Living Filter. , The Pennsylvania State University. University Park, PA. Master thesis (2010).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
