Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Environment

Design och konstruktion av en Urban Runoff Research Facility

Published: August 8, 2014 doi: 10.3791/51540

Summary

Detta dokument beskriver utformning, konstruktion och funktion av en 1.000 m 2 anläggning innehåller 24 individuella 33,6 m 2 fält tomter utrustade för att mäta total avrinning volymer med tid och insamling av avrinnings delprov vid valda intervall för kvantifiering av kemiska beståndsdelar i avrinningsvattnet från simulerade hem gräsmattor.

Abstract

Eftersom den urbana befolkningen ökar, så ökar ytan för konstbevattnade urbana landskapet. Sommar vattenanvändning i tätorter kan vara 2-3x vinter baslinjen vattenanvändning på grund av ökad efterfrågan på liggande bevattning. Felaktig bevattningsmetoder och stora regnhändelser kan resultera i avrinning från urbana landskap som har potential att bära näringsämnen och sediment i lokala vattendrag och sjöar där de kan bidra till övergödning. En 1.000 m 2 anläggning byggdes som består av 24 individuella 33,6 m 2 fält tomter, alla utrustade för att mäta total avrinning volymer med tid och insamling av avrinnings delprov vid valda intervall för kvantifiering av kemiska beståndsdelar i avrinningsvattnet från simulerade urbana landskap. Avrinningsvolymerna från de första och andra studier hade koefficient variabilitet (CV) värden på 38,2 och 28,7%, respektive. CV-värden för avrinning pH, EG, och Na-koncentrationen för båda studierna var alla under 10%. Koncentrations av DOC, TDN, DON, PO 4-P, K +, Mg2 + och Ca2 + hade CV-värden mindre än 50% i båda studierna. Totalt sett resultaten av tester utföras efter torv installation vid anläggningen indikerade god enhetlighet mellan tomter för avrinningsvolymer och kemiska beståndsdelar. Den stora tomten storlek är tillräcklig för att omfatta en stor del av den naturliga variationen och ger därför bättre simulering av urbana landskaps ekosystem.

Introduction

Fyra av de snabbast växande, mycket befolkade storstadsområdena är belägna i södra USA i subtropiska klimat 1. Dessutom, den största procentuella förändringen i urbaniserade land mellan 1982 och 1997 inträffade i södra USA 1. Med ökade stadsområden kommer en samtidig efterfrågan på dricksvatten, som till stor del används för utomhusbruk under sommarmånaderna 2. Med nybyggnation, är programmerbara i mark bevattningssystem installeras ofta. Tyvärr är dessa system ofta programmeras för att leverera bevattning för urban landskaps oftare och / eller i volymer som överstiger avdunstning krav landskapet 2. Detta resulterar i en betydande del av avrinning från urban landskaps till recipienten, vilket bidrar till det som har kallats stads stream syndrom 3. Symtom på den urbana strömmen syndrom är ökad frekvens av land flöde och erosiv flöde, ökad nitrogen (N), fosfor (P), gifter, och temperatur förutom förändringar i kanal morfologi, sötvattensbiologi och ekosystemprocesser 3.

Förluster av kväve och fosfor från jordbruket ekosystem har studerats och befunnits vara i första hand beroende av fyra faktorer: näringskälla, dosering, ansökan timing och närings placering 4. Medan färre publicerade uppgifter finns nu på off site förflyttning av näringsämnen från urbana landskap, kan dessa principer appliceras direkt på turfgrass kultur, vare sig i hemmet gräsmattor, sod gårdar, parker eller andra grönområden. Dessutom kan felaktig bevattningsmetoder som resulterar i avrinning från landskapet förvärra dessa förluster.

Näringsförluster kan ytterligare förändras genom bevattning vattenkvalitet. Områden i sydvästra USA använder ofta mer saltlösning eller med natrium vatten för bevattning av hem gräsmattor och urbana landskap 5,6. Den kemiska sammansättningen avbevattningsvattnet kan påtagligt förändra markkemi orsakar en frisättning av kol, kväve, kalcium och andra katjoner med avrinningsvattnet. Senaste arbete visade att ökad natrium absorption ratio (SAR) hos utvinna vatten ökat markant de mängder kol (C) och kväve (N) lakas från St Augustinegrass urklipp, rajgräs urklipp och andra organiska material 7. Dessutom vatten extraherbart jord C, N och P förluster från fritids turfgrass jordar var signifikant korrelerad med bevattning kemiska 6 beståndsdelar.

Washbusch et al. studerade urban avrinning i Madison, WI och fann att gräsmattor var de största bidragsgivarna av totalfosfor 8. Dessutom fann de också att 25% av den totala P i "Street Dirt" härstammar från löv och gräsklipp. I en typisk lantlig miljö, faller löv på marken och sedan bryts ned långsamt frigör näringsämnen tillbaka till soljemiljö. Men i stadsmiljö, kan betydande mängder näringsrika blad och gräsklipp faller på eller få tvättade eller blåst på hardscapes såsom uppfarter, trottoarer och vägar, därefter gör sin väg ut på gatorna, där de bidrar till "street dirt" , som till stor del får tvättas direkt i mottagande vattendrag.

Stadsbilden jordar är ofta störd och Komprimerat under byggtiden, vilket också kan öka mängden avrinning på grund av minskade infiltrationshastigheter 9. Kelling och Peterson rapporterade att både den totala avrinningen volymen och näringshalter i avrinningen från hemmet gräsmattor ökat från gräsmattor som är packad eller har allvarligt störda markprofiler på grund av tidigare byggverksamhet 10. Edmondson et al. Å andra sidan, fann att stads jordar var mindre packad än omgivande jordbruksmark i städer och förorter regionen nolsyraester, UK 11. De tillskrev detta till tunga jordbruksmaskiner som används, men de noterade också att gräsmattor hade större jord skrymdensitet än marken under träd och buskar, som tillskrevs gräsklippning och ökad mänsklig tramp.

Det verkar som i många situationer, är städer och förorter stream syndrom kraftigt påverkad av avrinning och punktkälleutsläpp 3,12. Medan punktkällor kan manipuleras genom tillstånd och återvinning, behövs ytterligare forskning för att utveckla och testa de bästa rutiner för hemmet gräsmatta etablering och förvaltning förvaltning för att minimera näringsförluster till avrinning. Tidigare forskningsinsatser på detta område har ofta centrerad längs kustområden där det finns hög sand innehåll jordar, på grund av oro i samband med effekterna av utlakning och avrinning förluster av näringsämnen till kustvatten. Men när man arbetar med mycket sandjordar måste man ha branta sluttningar och höga regnpriser för att kunna generate någon avrinning 13,14. Däremot många av marken i centrala USA är bra strukturerad och har låga infiltrationshastigheter som resulterar i betydande mängder avrinning från även små regnhändelser. Således var det önskvärt att utforma och bygga en avrinning anläggning på befintliga jorden och lutning typiska för de som kan uppstå på bostads landskap.

Denna uppsats beskriver design, konstruktion och funktion av en 1.000 m 2 anläggning innehåller 24 individuella 33,6 m 2 fält tomter för att mäta den totala avrinningsvolymer vid relativt små tids resolutioner och samtidig insamling av avrinningsvatten delprov på utvalda volymetriska eller tidsmässiga intervall för mätning och kvantifiering av kemiska beståndsdelar i avrinningsvattnet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1 Site Selection

  1. Leta upp en lämplig storlek område med orörd jord som har en enhetlig 3-4% lutning.
  2. Genomföra en topografisk undersökning och avgränsa ett område cirka 10 mx 100 m med en genomsnittlig 3,7 ± 0,5% lutning.
  3. Dela upp 10 mx 100 m området i tre block, vardera cirka 10 mx 33,3 m (figur 1).
  4. Dela upp varje block i 8 fält tomter, vardera 4,1 m bred och 8,2 m lång.
  5. Identifiera och dokumentera jord serien finns i studieområdet. Obs: denna plats hade ett Boone serie fin sandig lerjord, men andra serier jord och texturer kan användas.

2. stödmur Konstruktion

  1. Skär en 30 cm bred och 30 cm djupt dike i den lägre delen av tomterna.
  2. Skär en 20 cm bred och 1,2 m djupt dike 10 cm från tomten kanten för att ge en jämn vertikal kant som sträcker sig in i leran alv.
  3. Konstruera och installera tillfällig trä formensi diket för att hålla den öppen.
  4. Avlägsna jord intill utförsåkning sida av formen till ett djup av 76 cm under markytan vid den låga änden av plottarna. Försäkra en minsta lutning på 0,5% från plottarna för ett avstånd av ca 30 m för att ge adekvat dränering.
  5. Ta bort de tillfälliga formerna och konstruera en stålförstärkt betong stödmur.
    1. Construct träformar för utsidan av väggen och använd ostörd jord nedan tomten områden som insidan väggen.
    2. Se till att väggen sträcker sig in ostört alv för att förhindra framtida rörelser.
    3. Montera två avsnitt av diket avloppet för varje tomt med gavlar i varje ände och en bottenurladdningsflykt i den lägre delen. Täta alla skarvar med silikon och sedan skruva lederna tillsammans enligt tillverkarens rekommendationer.
    4. Limma och skruva en 10 cm diameter PVC 90 ° ell och 60 cm längd på tryckledningen till utloppet. Placera den monterade avloppet ikonkret form och fäst den så att den övre kanten är plan i båda riktningarna och 1,27 cm under jordytan vid den låga änden av kurvan (Figur 2). Täck avloppet med en tillfällig plastlock för att hålla våt betong.
    5. Häll £ 4000 testet färdigblandad betong in i formulär med hjälp av lämpliga mängder vibrationer för att ta bort tomrum.
      1. När formerna är fulla, murslev den övre ytan för att bilda en slät yta med rundade kanter. Tillfälliga plastskydd på avlopp bör tas bort för att möjliggöra ytbehandling final.
      2. Se till att den färdiga betongytan är i nivå med markytan vid botten av tomt och har en 1,27 cm lutning till avloppet.
      3. Se till att, på neråt sidan av avloppet har betongen en 1,27 cm lutning bort från avloppet för att hindra vatten från att säkerhetskopiera i avloppet.
  6. Form och häll stål armerad betong kuddar (1,2 m bred, 1,8 m lång och 15 cm tjock) below varje dränerings utflöde. Mattor måste ha 0,5% lutning bort från väggen och den övre delen av dynan måste vara 30 cm under botten av dräneringsutloppet.
  7. Ge en väder eluttag (110/120 V) på sidan av den bärande väggen ovanför varje dyna som förberedelse för instrumentering.

3 Installation av Instrumentation

  1. Skär avloppsrör spola med betongväggen.
  2. Installera en 1,2 m lång H ränna omedelbart under dränerings utflöde.
    1. Förankra vattenränna på väggen med lämpliga betongankare och skruvar vara säker på att rännan är nivån från sida till sida.
    2. Stötta framsidan av rännan med ett justerbart ställ rostfritt stål och använd justeringar både sida till sida och fram till baksidan nivå enheten. Täta fogarna mellan rännor och betong med badkar och kakel tätningsmedel.
  3. Installera en flödesmätare på varje dyna. Lokalisera flödesmätaren nära änden av rännan för att minimerarörlängd behövs.
  4. Installera en bärbar provtagare på varje dyna. Lokalisera provtagaren som behövs för att minimera den erforderliga mängden av slangen för att nå provtagningsröret. Obs: Det kan vara nödvändigt att sätta provtagaren på ett stativ för att undvika depressioner som kan behålla vattnet i provtagningsslangen.
  5. Design, tillverka och installera rostfritt stål täcker över muren och rännor för att förhindra ingången för nederbörd i diket avlopp eller rännor.

4. Tomt Framställning

  1. Fyll och tamp eventuella smärre tomrum på den uppåtgående linjen sidan väggen med hjälp av infödda matjord från intilliggande åkerområden.
  2. Använd en liten promenad bakom kedjegrävare att skära en 10 cm bred, 30 cm djup dike på de återstående 3 sidor av alla tomter.
    1. Sätt 40 cm breda remsor av 0,10 mm tjock klar plast vertikalt i skyttegravarna för att förhindra sidorörelse av vatten mellan tomter.
    2. Installera bevattning rör och huvuden. Installera sex huvuden på 4,1 m 2avståndet för varje tomt.
    3. Återfyllning och lätt packa alla diken för hand. Högen jorden in i en 5 cm hög med 30 cm bred berm över diket området för att förhindra sidorörelse av ytvatten mellan tomter.
    4. Justera bevattnings huvuden till toppen av den jord höjd i bärmen områden.
  3. Konstruera en avledning dike för att förhindra uppåtgående linjen vatten från att komma på tomter
    1. Använd en låda bladet för att skära en V-formad kanal ca 20 cm djup i centrum och 2 m i diameter. OBS: I mitten av kanalen bör vara ca 1,25 m över den höga sidan av ritytan och bör sträcka sig över den övre sidan av alla tomter.
    2. Skär en sluttande dike i kanalens botten. OBS: För att säkerställa god dränering, ska gravbottnen vara 30 cm under kanalbotten vid den högsta punkten i mitten punkten ovanför varje block och har en minsta lutning på 0,5% går till varje ände av varje block. Trench underdel skall handen jämnas och övervakas vid behovatt säkerställa en enhetlig lutning.
    3. Lägg 5 cm tvättad 6-9 mm ärter grus på botten av skyttegravarna.
    4. Placera en 15 cm diameter slitsad avloppsledningen på grusytan och fyll diket med mer 6-9 mm grus.
    5. Cut diken som behövs i ändarna och mellan blocken av tomter till ruttdräneringsvatten att fullgöra platser under stödmur. Använd 15 cm diameter vanlig korrugerad dräneringsledningen och återfyllning dessa diken med schaktmassor. Täck diket och kanalområdet med ett lager av stor 5-15 cm tjur diameter rock.

5. Plantering och Initial Runoff Händelse

  1. Hand rake tomterna för att säkerställa en smidig såbädd med jämn lutning som förberedelse för torv installation.
  2. Mät och dokumentera lutningen på varje tomt med standard mätutrustning genom att höjdmätningar på ett avstånd av 0, 1,5, 3,0, 4,6, 6,1 och 7,6 m från väggen längs mittlinjen för varje tomt.
  3. Mät depe matjord på 4 platser i varje tomt genom att sätta in en 2,54 cm diameter jordsond i marken tills leran Strukturerad alv påträffas.
  4. Växt sod odlas på en liknande konsistens jord. Anmärkning: För denna anläggning, var mogna "Raleigh" St Augustinegrass (Stenotaphrum secundatum [. Walt] Kuntze) används. Emellertid kan andra gräs användas baserat på plats, väder, och experimentella designöverväganden. Samtliga tomter får sodded på en gång eller som i förevarande fall har 12 tomter (4 tomter i varje block) planterade den 08 augusti 2012, med de återstående 12 tomter planterade den 12 september 2012.
  5. Skapa en Runoff händelse
    1. Ta ingångsvärdena av vattenmätare och mäta innehållet i alla tomter markfuktighet.
      1. Ta bort locken från ventillådor placerade i spetsen för varje tomt och registrera den initiala vattenmätaren läsning för var och en av de 24 tomterna.
      2. Med hjälp av en bärbar handhållen fuktgivare, mäta och registrera jorden moisture innehållet i varje diagram. Obs: För första karakterisering, var fyra mätningar per tomt (1 mätning i varje kvadrant för varje tomt) med 7,5 cm långa sonder. Däremot kan antalet mätningar, längd sonder, och typ av instrument som används varieras utifrån de specifika studiemålen.
    2. Programflödesmätare och provtagare för att mäta flödet och samla prover som önskat. Anmärkning: 750 ml prov uppsamlades efter varje 20 L av flödet men andra volymer och intervall kan användas som lämpligt.
    3. Manövrera bevattningssystem för en förutbestämd tid att applicera en tillräcklig mängd vatten för att orsaka avrinning. Obs: 20-21 mm nederbörd appliceras med en hastighet av 4.04 cm / h var tillräckligt för den här anläggningen kan dock detta belopp variera beroende på platsspecifika förhållanden.
    4. Notera de slutar vatten mätaravläsningar för var och en av de 24 tomterna. Samla bevattnings vattenprover från spruthuvudena under drift. Etikett och transport avrinningprover till laboratoriet för analys.

6. Provanalys

  1. Mät den elektriska ledningsförmågan och pH i vattenproverna genom doppning prober direkt i proverna. Filtrera sedan en 50 ml delprov av varje vattenprov genom en 0,7 um glasmikrofiberfilter som förberedelse för kemisk analys.
  2. Mät löst organiskt kol (DOC) och total löst kväve (TDN) med hjälp av USEPA metod 415.1 15.
    1. Gör en 1.000 mg / L standardlösning genom att tillsätta 2.125 g torkade kaliumsyra ftalat (1-KOCOC 6 H 4-2-COOH) till en 1 L mätkolv. Tillsätt ca 500 ml destillerat vatten, för att virvla runt upplösa kemikalien och bringa till volym med destillerat vatten. Store-lösning under kylning i en brun flaska.
    2. Gör en 1000 mg / L standardlösning genom att tillsätta 6,0677 g torkad natriumnitrat till en 1 L mätkolv. Tillsätt ca 500 ml destillerat vatten, swirl för att lösa upp den kemiska, och ta med till volym med destillerat vatten.
    3. Gör mellanliggande C och N standarder som omfattar den förväntade koncentrationsområde i de prover som ska köras genom utspädning delprover av standardlösningar från steg 6.3.1-6.3.2.
    4. Häll ca 16 ml av vattenprover som ska analyseras i en 24 ml provflaskor och täcker var och en med en septa och mössa.
    5. Placera fyllda flaskor i autosampler facket föra register över vad provet är i vilket läge. Anmärkning: för kvalitetssäkringsändamål en tom, två standarder och två certifierade referensstandarder bör köras efter varje 12: e okänd.
    6. Placera autosampler facket i maskinen och driva den automatiska analysatorn enligt tillverkarens instruktioner.
  3. Mät fosfor, nitrat och ammoniak med hjälp av USEPA metoder 365,1, 353,2 och 350,1 respektive inom 48 timmar för provtagning 16-18.
    1. GörFöljande reagenser och standarder för fosforanalys:
      1. Gör en 5 N svavelsyra förrådslösning genom långsam tillsats av 70 ml koncentrerad svavelsyra till 400 ml destillerat vatten i en 500 ml-mätkolv. Kyl lösningen till rumstemperatur och späd till volym med destillerat vatten.
      2. Lägg till en 0,3% kalium antimonyltartrate stamlösning. Väg 0,5 g antimonkaliumtartrat, trihydrat C 8 H 4 K 2 O 12 Sb 2 • 3H 2 O och lös det i ca 50 ml destillerat vatten i 100 ml mätkolv. Efter det är upplöst, späd till volym med destillerat vatten och förvaras vid 4 ° C i en brun, glaspropp flaska.
      3. Lägg till en 4% lösning av ammoniummolybdat genom att lösa 4 g ammoniummolybdat-tetrahydrat, (NH4) 6 Mo 7 O 24 • 4H 2 O, i 100 ml reagensvatten. Förvaras i en syratvättad plastflaska vid 4 ° C.
      4. Gör en 15% vikt / vikt stamlösning av natriumdodecylsulfat (SDS). Lös upp 15 g av SDS CH 3 (CH 2) 11 OSO 3 Na i 85 ml destillerat vatten. OBS: Detta kan kräva varsam omrörning och värme för att helt upplösas.
      5. Gör en späd SDS-lösning (REAGENS 1) genom att tillsätta 2 ml av en 15% SDS-stamlösning till 98 ml destillerat vatten. Cap kolv och blanda genom att vända 5-6x.
      6. Gör 100 ml färgreagens (Reagens 2) genom blandning av de ovannämnda reagensen enligt följande: Till 20 ml destillerat vatten och tillsätt 50 ml av 5 NH 2 SO 4 och blanda. Tillsätt 5 ml 0,3% antimon kaliumtartratlösning och blanda. Tillsätt 15 ml 4% ammoniummolybdat-lösning och blanda. Tillsätt 10 ml 15% vikt / vikt SDS-lösning och blanda. Anmärkning: Denna lösning kan förvaras i en syratvättad flaska vid RT under inte mer än en vecka.
      7. Lägg ett askorbinsyralösning (REAGENS 3) genom att lösa 0,88 g askorbinsyra C 6 H 8 O6 i 50 ml destillerat vatten. Tillsätt 0,5 ml 15% SDS och virvla försiktigt. OBS: Denna lösning måste beredas på nytt varje dag.
      8. Gör en 100 mg P / L standardlösning genom att tillsätta 0,4393 g torkade KH 2 PO 4 till en 1 L mätkolv. Tillsätt ca 500 ml destillerat vatten, för att virvla runt upplösa kemikalien och bringa till volym med destillerat vatten.
    2. Gör följande reagenser och standarder för nitratanalys
      1. Tillsätt 25 ml koncentrerad fosforsyra (H 3 PO 4) till 150 ml destillerat vatten i en 250 ml-mätkolv. Kyl till RT och tillsätt 10,0 g sulfanilamid (4-NH 2 C 6 H 4 SO 2 NH 2) och lös. Lägg 0,5 g N-(1-naftyl) etylendiamin-dihydroklorid (C 10 H 7 NHCH 2 CH 2 NH 2 • 2HCl) och lös. Tillsätt 2 ml koncentrerad sköljlösning (från instrumentet manufact UReR) och späd till märket med destillerat vatten. Notera: Lösning kan lagras i en brun flaska i upp till flera veckor.
      2. Lös upp 85 g ammoniumklorid (NH4CI) och 0,1 g dinatrium-etylendiamintetraacetat (C 10 H 14 N 2 Na 2 O 82 H2O) i ca 900 ml destillerat vatten i en 1 L mätkolv. Justera pH till 8,5 genom tillsats av koncentrerad ammoniumhydroxid (NH4OH) och späd till volym med destillerat vatten.
      3. Sätt 200 ml av lösningen från 6.4.2.2 i en 1 L volymetriska och späd till volym med destillerat vatten. Justera pH till 8,5 genom tillsats av koncentrerad ammoniumhydroxid (NH4OH).
      4. Lös 7,218 g kaliumnitrat (KNO3) i destillerat vatten och späd till 1 L. Tillsätt 1 ml kloroform (CHCI3) som konserveringsmedel.
    3. Gör följande reagenser och standarder för ammoniak analysär:
      1. Lös upp 8 g natriumhydroxid (NaOH) i 125 ml destillerat vatten i en 250 ml mätkolv. Kyl till RT, till 20.75 g fenol (C 6 H 5 OH) och lös. Späd till volym med destillerat vatten och förvaras upp till 2 veckor i en brun flaska i mörker.
      2. Tillsätt 25 ml blekmedel lösning innehållande 5,25% NaOCl plus 0,5 ml koncentrerad Sond Skölj lösning till en 50 ml mätkolv. Späd till märket med destillerat vatten och blanda.
      3. Lös 25 g EDTA dinatriumsaltdihydrat (C 10 H 14 N 2 Na 2 O 8 • 2H 2 O) och 2,75 g natriumhydroxid (NaOH) i ca 450 ml destillerat vatten i en 500 ml mätkolv. Tillsätt 3 ml koncentrerad Probe Rinse Solution, blanda och ta med till volym med destillerat vatten.
      4. Lös 0,075 g natriumnitroprussid dihydrat (Na 2 Fe (CN) 5NO • 2H 2 O) i 100 ml destillerat vatten. ETTdd 0,5 ml koncentrerad Probe Rinse Solution, blanda och förvara i en brun flaska i upp till 1 vecka.
      5. Gör en 1000 mg / L ammoniak förrådslösning genom att lösa 3,819 g torkad vattenfri ammoniumklorid (NH4CI) i 500 ml destillerat vatten och utspädning till 1 L.
    4. Placera prover i 4 ml provflaskor och täcker var och en med en septa och mössa.
    5. Placera fyllda flaskor i analysatorn föra register över vad provet är i vilket läge. Anmärkning: för kvalitetssäkringsändamål en godkänd referensstandard bör köras efter var 12: e okända.
    6. Styr analysatorn enligt tillverkarens instruktioner för analyten av valet.
  4. Mät katjoner (natrium, kalcium, magnesium och kalium) med användning av jonkromatografi.
    1. Förbered en 1.000 mg / L stamlösning av Na genom att lägga 2.542 g NaCl till en 1 L mätkolv och ta med till volym med destillerat vatten.
    2. Förbered en 1.000 mg / L stamlösningK genom att lägga till 1,9070 g KCl till en 1 L mätkolv och ta med till volym med destillerat vatten.
    3. Förbered en 1.000 mg / L stamlösning av Mg genom att lägga till 8,3608 g MgCl2 • 6H 2 O till en 1 L mätkolv och ta med till volym med destillerat vatten.
    4. Förbered en 1.000 mg / L stamlösning av Ca genom att lägga till 3,6674 g CaCl • 2H 2 O till en 1 L mätkolv och ta med till volym med destillerat vatten.
    5. Förbered en 350 mg / L arbetar lösning av Na genom att tillsätta 35 ml stamlösning till en 100 ml mätkolv och ta med till volym med destillerat vatten.
    6. Förbered en 25 mg / L arbetslösning av K genom att tillsätta 2,5 ml stamlösning till en 100 ml mätkolv och ta med till volym med destillerat vatten.
    7. Förbered en 25 mg / L fungerande lösning av Mg genom att tillsätta 2,5 ml stamlösning till en 100 ml mätkolv och ta med till volym med destillerat vatten.
    8. Förbered en 75 mg / L fungerande lösning av Ca frånsätta 7,5 ml av stamlösningen till en 100 ml mätkolv och ta med till volym med destillerat vatten.
    9. Refilter avrinning vattenprov genom ett 0,2 ^ m glasmikrofiberfilter.
    10. Fyll provflaska för att fylla linje med prov eller standard och täta med septa och mössa.
    11. Placera provflaskor i analysatorn hålla reda på provplatser. Anmärkning: för kvalitetssäkringsändamål en blank och godkänd referensstandard bör köras efter var 12: e okända.
    12. Kör den automatiska analysatorn enligt tillverkarens instruktioner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Handling egenskaper
Den genomsnittliga lutning för alla 24 tomter var 3,7% och varierade från en bottennotering på 3,2% för tomt 17 till som högst 4,1% för diagram 2 (tabell 1). Genomsnittlig matjord tjocklek var 36 cm och sträckte sig från en bottennotering på 25,0 cm för tomt 24 till en toppnivå på 51,5 cm för diagram 10 (tabell 1).

Avrinning volymer
Avrinningsvolymer från den första rättegången den 9 augusti 2012 hade ett medelvärde på 213,5 L och sträckte sig från en bottennotering på 95,6 L till en hög av 391 L med en koefficient på variabilitet (CV) på 38,2% (tabell 2). Det bör noteras att före sodding, dessa tomter hade varit väl bevattnade för att säkerställa god funktion av bevattning och avrinning insamlingssystem, mäta distributionen bevattning och liknande aktiviteter. Således mycket av den pålagda bevattning uppsamlades som avrinning.

Däremot var marken mycket torrare före 13 September 2012 avrinning händelse som medfört lägregenomsnittlig avrinning Volymen 52.6 L. Volymerna varierade från en låg på 27,5 L till en hög på 70,8 L med ett CV på 28,7%. I detta fall, en stor del av den applicerade vatten infiltreras i jorden under sod vilket resulterar i lägre mängder av totala avrinningen.

Kemiska koncentrationer
Bevattnings gjordes genom att använda den lokala dricksvatten. Ett sammansatt prov av bevattningsvatten samlades in från bevattningshuvuden under bevattnings händelsen och analyserades för dess kemiska sammansättning. Vattnet hade ett pH av 8,5, en elektrisk konduktivitet (EG) av 1030 DS / cm och innehöll 0,19 mg / L NO3-N, 0 mg / l NH4-N, 3,26 mg / L DOC, 0,38 mg / L TDN, 0,19 mg / L löst organiskt kväve (DON), 0,14 mg / L fosfat-P, 220,9 mg / L Na, 2,0 mg / LK, 0,87 mg / L Mg och 4,27 mg / L Ca.

PH-värdena för samtliga 49 vattenprov som samlats in efter den första avrinning händelsen morgonen den 9 augusti, 2012 efter läggning sod föregående dag i genomsnitt 8.4 standardenhetermed ett minimum av 8,1 och högst 8,9 enheter (tabell 3), vilket resulterar i ett mycket lågt CV av 1,5%. EG och Na + koncentration av dagvatten hade ganska stora medel och CV värden under 10% (tabell 3). Koncentrationerna av DOC, TDN, DON, PO 4-P, K +, Mg2 + och Ca2 + hade CV-värden i intervallet 10,3-32,9%. Koncentrationer av NO3-N och NH 4-N hade hjälp av 0,58 mg / l och 0,12 mg / l. Emellertid är dessa två parametrar var de mest varierande och hade de högsta CV-värden av 85,0% och 63,5%, respektive.

PH-värdena för de 40 vattenproven samlats in den 13 september 2012 från den andra gruppen av tomter i genomsnitt 8.5 standardenheter med ett CV på 2,9% (tabell 4). Som med den första rättegången, pH, elektrisk konduktivitet (EC) och Na + mätningar för första avrinning händelsen efter läggning sod den 12 September 2013 hade highest medel och lägsta CV-värden av 2,9, 4,9, och 6,5%, respektive. Koncentrationerna av NO3-N, DOC, TDN, DON, PO 4-P, K +, Mg2 + och Ca2 + hade CV-värden i intervallet 33,0-49,7%. Ammonium-kväve hade den lägsta medelvärdet på 0,39 mg / L, men var den mest rörliga med den högsta CV på 107,5%.

Ovanstående uppgifter för den första avrinning händelse från nyligen sodded tomter kommer att tjäna som utgångspunkt för framtida mätningar. Vi förväntar CV värden mellan tomter att minska när turfgrass blir bättre etablerad och det finns mindre möjligheter för kanal vattenflöde mellan sod block och jämnare over vattenflöde genom gräset kronorna. Plot storlek är tillräcklig för att möjliggöra markvattenkemiska interaktioner inträffa innan avrinning når de strömavtagare och därmed bör kemikaliehalter i avrinningen vara representativ för vad som skulle finnas i en liknande stadslandskapet. Vi räknar med möjligheten att vara till nytta för att utveckla forskningsbaserade bästa rutiner för gödsling och bevattning av stadslandskap förvaltning.

Figur 1
Figur 1 Contour karta över backen som visar lägen för de tre block av avrinningsytor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2
Figur 2 Schematisk beskrivning av stödmur som visar placeringen av uppsamlingstråg och kuddar för mätinstrument.rget = "_blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Plot Number Matjord Djup (cm) Surface Slope (%) pH (Std. Units) NO3-N (mg / kg) P (mg / kg) K (mg / kg)
1 34,8 4,0 4,7 43 215 334
2 35,3 4,1 5,0 40 204 273
3 39,5 4,0 5,1 44 190 302
4 35,3 3,8 5,0 59 184 300
5 30,5 3,7 4,9 56 205 325
6 31,5 3,6 5,0 26 223 271
7 33,5 3,8 5,1 30 224 243
8 40,5 3,9 4,8 13 218 208
9 36,0 3,4 5,1 26 263 343
10 51,5 3,6 5,4 49 229 348
11 32,5 3,5 5,6 34 262 352
12 50,5 3,6 5,4 32 235 339
13 48,5 4,0 5,0 54 261 318
14 26,0 3,3 5,6 23 252 322
15 36,5 3,4 5,1 37 247 292
16 28,0 3,6 5,4 20 279 291
17 38,1 3,2 5,5 13 319 256
18 36,4 3,3 5,3 15 316 220
19 40,8 3,9 5,3 31 329 223
20 33,5 4,0 5,1 40 321 271
21 39,0 3,6 5,0 24 283 269
22 31,0 3,3 5,0 30 311 314
23 31,0 3,4 5,0 30 287 259
24 25,0 3,8 5,2 13 301 292

Tabell 1 Genomsnittlig djup av matjord, yta sluttning, markens pH, nitrat-N, P och K för de 24 avrinnings tomter Värden för pH, NO3-N, P och K rapporteras av TexasAgriLife Extension -. Jord, Vatten och foderprovningslaboratorium. Markens pH mättes på en 2: 1 jord: vattenextrakt, NO3-N från Cd reduktion, P och K från Mehlich 3 extraktion följt av ICP-analys.

Datum Enheter Medelvärde Minsta Maximal CV (%)
9-augusti L 213,5 95,6 391,6 38,2
13-sep L 52,6 27,5 70,8 28,7

Tabell 2 Medelvärde, minimum, maximum och variationskoefficient (CV) för avrinningsvolymer som samlas den 09 augusti 2012 och 13 September 2012 från 12 avrinnings tomter en dag efter läggning sod.

Parameter Enheter Medelvärde Minsta Maximal CV (%)
pH Std. Enheter 8,4 8,1 8,9 1,5
EG μ, S / cm 1137 1080 1220 3,7
NO3-N mg / L 0,58 0,08 2,93 85
NH 4-N mg / L 0,12 0,04 0,37 63,5
DOC mg / L 22 16,3 30,1 13,4
TDN mg / L 1,89 1,16 4,42 32,9
DON mg / L 1,2 0,8 2,26 23,3
PO 4 -P mg / L 1,05 0,59 1,76 31,9
Na mg / L 213 201 222 2,3
K mg / L 11,9 6,4 19,1 29,3
Mg mg / L 4,65 2,64 5,69 13,2
Ca mg / L 18,4 13 22,1 10,3

Tabell 3 Medelvärde, minimum, maximum och variationskoefficient (CV) för 49 mätningar vardera 12 parametrar för vattenprov som togs ut vid 9 augusti 2012 från 12 avrinnings tomter en dag efter läggning sod utan tillsatser av gödselmedel.

Parameter Enheter Medelvärde Minsta Maximal CV (%)
pH Std. Enheter 8,5 8,1 9 2,9
EG iS / cm 1514 1310 1630 4,9
NO3-N mg / L 1,68 0,28 3,95 49,7
NH 4-N mg / L 0,39 0,08 2,59 107,5
DOC mg / L 27,6 7,08 54,6 33,7
TDN mg / L 3,73 0,81 6,6 33,0
DON mg / L 1,67 0 4,97 48,0
PO 4 -P mg / L 1,34 0,33 2,32 40,5
Na mg / L 206 188 241 6,5
K mg / L 10,4 3,58 21,8 35,9
Mg mg / L 3,17 1,02 5,02 41,3
Ca mg / L 12,7 3,72 21 40,1

Tabell 4 Medelvärde, minimum, maximum och variationskoefficient (CV) för 40 mätningar vardera 12 parametrar för vattenprov insamlade den 13 september 2012 från 12 avrinnings tomter en dag efter läggning sod utan tillsatser av gödselmedel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vatten flödar över, i och genom jordar påverkas i hög grad av topografi, vegetationstäcke, och markens fysikaliska egenskaper. Alltför packad jord och mark med höga lera innehåll kommer att uppvisa lägre infiltrationshastigheter och ökade mängder av avrinning. Därför när man bygger en anläggning av detta slag, alla ansträngningar bör göras för att använda befintlig jord med enhetliga sluttningar och minimera packning från alla typer av trafik på de försöksområden under konstruktion. Dessutom bör kompaktering från tjänsten anläggningsunderhållsåtgärder minimeras. Dessa faktorer måste också beaktas vid tolkningen av data från ett givet experiment och jämföra dem med data från andra platser där stället kan vara mycket olika.

Alla naturliga jordar har en hög mängd inneboende rumslig variabilitet. Detta kan vara ett resultat av biologisk aktivitet såsom hål mask, insektsaktiviteter, etc. eller grundläggande jord korrektband såsom textur och krympa-swell potential av leror. Den stora tomtstorlek som används i denna anläggning valdes för att inkludera så mycket av denna rumsliga variabiliteten som möjligt och därmed minimera den totala variationen mellan tomter.

De bevattningssprutmunstycken i denna anläggning valdes att användas för att ge en hög nederbörd takt med förbättrad reducering drift. En bevattnings revision resulterade i en genomsnittlig nederbörd hastighet av 4,04 cm / h och en likformighet på 79,5%. Andra munstycken kan användas om lägre nederbördsmängder önskas, men det kan leda till mindre jämn fördelning vatten och ökad vindavdrift beroende på vinden. Tvångsavrinningshändelser där bevattningssystemet användes som vattentäkt fördes mellan 7-9 am för att minimera vindpåverkan.

Användning och drift av anläggningen hittills har visat ett behov av noggrann observation av sprutmunstycken och byte av skadade sådana. Skadade munstycken förändra enfäste och distribution av vatten, som kan avvikelsedata. Även om inte ett problem i detta inledande arbete, är det uppenbart att regelbunden rengöring av kanal avlopp och H rännor kommer att krävas för att ta bort ackumulerade organiska och oorganiska sediment. Sådana sediment kan påverka flödesmätningar speciellt vid låga flöden och bidra kemiska beståndsdelar till avrinning vattenprov.

Den genomsnittliga NO 3-N koncentrationer av 0,58 och 1,68 mg / L för augusti och september prövningar är höga jämfört med 0,0-0,4 mg / L rapporterats av Kelling och Peterson för ogödslade kontroll gräsmattor som tjänade som kontrollutskrift i deras WI studie 10 . En stor del av ökningen kan bero på det faktum att vår studie genomfördes på nyligen planterade sod. Detta tillät vattnet att komma i direkt kontakt med jord i sömmarna mellan sod block och troligen ökat både markerosion och N avlägsnande från den bördiga jorden. Effekter av flöde längs sömmarna kommer att minska i framtiden experiments som de torv mognar och stickat ihop till en tät, tät turf baldakin. Vidare störning av jorden under uppförande och kratta före sod installation gjorde effektivt lufta jorden som gav optimala förutsättningar för nitrifikation i marken. De uppmätta NO 3-N koncentrationen likartad med medelvärdet av 1,54 mg / L rapporterats av Gobel för regn avrinning från trädgårdar, gräsmattor och odlad mark 19.

Fosforförluster från ogödslade turfgrass rad typiskt 0,5-5,5 mg / L 10,17,18. Mean fosforförlusterna var 1,05 och 1,34 mg / L för augusti och september prövningar, respektive, och var inom intervallet 0,5 till 1,7 mg / L rapporterats av Kelling och Peterson 10 och inom intervallet 0,5-5,5 mg / L rapporterats av Vietor 20. Högre P förluster från ogödslade tomter rapporterats av Vietor troligen på grund av den högre lutning på 8,5% och olika gräsarter som används i deras studie 20 19. En stor del av P förlusten från den aktuella studien var sannolikt på jorderosion från första avrinning händelsen på en nyplanterad webbplats. Det är också troligt att den höga natriumhalten i bevattningsvatten som används i föreliggande studie kan ha påverkat de koncentrationer av P i avrinningsvatten 7.

I jämförelse med den första rättegången, de uppmätta koncentrationerna av parametrar i den andra rättegången var mer varierande. Denna ökade variation tillskrevs den torrare ursprungliga mark fukthalt före plantering vilket resulterade i färre prover. De extra 30 dagar av varmt och torrt väder tillät mer nitrifikation att inträffa. Dessutom fanns det mer damm vid plantering tid som kan ha varit på vegetationen och därefter tvättas bort i avrinning händelsen. Det ärockså möjligt att en del av den ökade variationen kan bero på skillnader i näringsinnehåll av den köpta sod, trots alla ansträngningar att minimera denna felkälla.

Sammantaget har avrinning anläggningen många fördelar för framtida forskning om avrinning från grästäckta områden som hem gräsmattor, idrottsplatser, parker och liknande grönområden. Primär bland dessa är att anläggningen är tillräckligt stor för att upprätthållas på lång sikt med hjälp av full storlek utrustning gemensamma för torvindustrin. Slåtter kan göras med antingen gå bakom eller åkgräsklippare. Befruktning kan göras med användning av kommersiellt tillgängliga släpp spridare. Den stora storleken på de enskilda tomterna ska hjälpa innehålla liknande mängder naturlig variabilitet och mikroklimat effekter i varje. Anläggningen byggdes på relativt ostörda befintliga jorden så att resultaten inte påverkade av antropogena effekter. Anläggningen har individuell tomt kontroll över bevattning med hjälp av utrustning somär typiskt för husägare bevattningssystem. Därmed behovet av en regnsimulator elimineras vilket möjliggör upp till alla 24 tomter som ska köras samtidigt om så önskas. Avrinningen mätning och provtagning är automatiserad tillåter datainsamling och prov från oplanerade stormar.

Framtida studier som undersöker effekten av bevattningsvolymer, marktäckare, närings, appliceringsmängder, och ansökan timing planeras. Som urban greenscape arealen fortsätter att öka, anläggningar av det här slaget har potential för intensiva studier av bevattning och närings rörelse från urbana landskap. Uppgifter om dessa typer kan användas för utveckling av vetenskapligt grundade bästa förvaltningsmetoder som minimerar rörelser utanför anläggningen av vatten och näringsämnen under olika klimatregimer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Med undantag för S. Kelly att vara anställd av The Scotts Miracle-Gro Company, författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.

Acknowledgments

Författarna erkänner tacksamt stöd från The Scotts Miracle-Gro Företag för denna möjlighet. Vi är också tacksamma för Toro Co för hjälp med att tillhandahålla bevattning controller. Visionen och planering av den framlidne Dr Chris Steigler i ett tidigt skede av projektet är också tacksamt. Författarna vill också tacka Ms N. Stanley för henne tekniskt bistånd med beredning och analys prov.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Flow Meter Teledyne Isco Model 4230 Bubbling flow meter that measures and records water flow through flume
Portable Sampler Teledyne Isco Model 6712 Works in conjunction with the flow meter to collect water samples at predetermined intervals.
Flow Link Software to collect data Teledyne Isco Ver 5.0 Allows communication between flow meter and computer
Presloped trench drain Zurn Industries, LLC Z-886
Irrigation Controller Toro Company VP Satellite Controls irrigation to each plot individually
Electric Valves Hunter 2.5 cm PGV Opens or closes water flow to individual plots based on signal from irrigation controller
Irrigation heads Hunter Pro Spray 4 4 in pop up spray heads
6 in Slotted Drain Pipe Advanced Drainage Systems 6410100 Single wall corrugated HDPE - slotted
6 in Plain Drain Pipe Advanced Drainage Systems 6400100 Single wall corrugated HDPE - plain
Filter Paper Whatman GF/F 1825-047 47 mm diameter, binder-free, glass microfiber filter
pH Meter Fisher Accumet XL20
Combination pH Probe Fisher 13-620-130
Automatic Temperature Compensating Probe Fisher 13-602-19
Electrical Conductivity Probe Fisher 13-620-100 Cell constant of 1.0
TOC-VCSH with total nitrogen unit TMN-1 Shimadzu Corp TOC-VCSH with TMN-1 Dissolved C and N analyzer
Smartchem 200 Unity Scientific 200 Discrete Analyzer for P measurement
ICS 1000 Dionex ICS 1000 Ion Chromatography for Ca, Mg, K, and Na measurement
Portable Soil Moisture Meter Spectrum  FieldScout TDR 300 7.5 cm long probes
Totallizing Water Meters Badger 3/4 inch water meters Standard homeowner water meters

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fulton, W., Pendall, R., Nguyen, M., Harrison, A. Who sprawls most? How growth patterns differ across the U.S. The Brookings Institution Survey Series. http://www.brookings.edu/~/media/research/files/reports/2001/7/metropolitanpolicy%20fulton/fulton. , (2001).
  2. White, R. H., et al. How much water is 'enough'? Using PET to develop water budgets for residential landscapes. Proc. Texas Sec. Amer. Water Works Assoc. 7, Texas Water Resources Institute. Arlington, TX. 7 (2004).
  3. Walsh, C. J., Roy, A. H., Feminella, J. W., Cottingham, P. D., Groffman, P. M., Morgan, R. P. The urban stream syndrome: current knowledge and the search for a cure. J. North Am. Benthol. Soc. 24, 706-723 (2005).
  4. 4R Plant Nutrition: A Manual for Improving the Management of Plant Nutrition. International Plant Nutrition Institute. , International Plant Nutrition Institute. Norcross, GA. (2012).
  5. Miyomoto, S., Chacon, A. Soil salinity of urban turf area irrigated with saline water II. Soil factors. Landsc. Urban Plan. 77, 28-38 (2006).
  6. Steele, M. K., Aitkenhead-Peterson, J. A. Urban soils of Texas: Relating irrigation sodicity to water-extractable carbon and nutrients. Soil Sci. Soc. Am. J. 76, 972-982 (2012).
  7. Steele, M. K., Aitkenhead-Peterson, J. A. Salt impacts on organic carbon and nitrogen leaching from senesced vegetation. Biogeochem. 112, 245-259 (2013).
  8. Washbusch, R. J., Selbig, W. R., Bannerman, R. T. Sources of phosphorus in stormwater and street dirt from two urban residential basins. National Conference on Tools for Urban Water Resource Management and Protection Proceedings. , Madison, Wisconsin. (2000).
  9. Pitt, R., Chen, S., Clark, S. E., Swenson, J., Ong, C. K. Compaction's impacts on urban storm-water infiltration. J. Irrigation Drainage Eng. 134, 652-658 (2008).
  10. Kelling, K. A., Peterson, A. E. Urban lawn infiltration rates and fertilizer runoff losses under simulated rainfall. Soil Sci. Soc. Am. J. 39, 349-352 (1975).
  11. Edmondson, J. L., Davies, Z. G., McCormack, S. A., Gaston, K. J., Leake, J. R. Are soils in urban ecosystems compacted? A citywide analysis. Biol. Lett. 7, 771-774 (2011).
  12. Cunningham, M. A., et al. The suburban stream syndrome: Evaluating land use and stream impairments in the suburbs. Phys. Geogr. 30, 269-284 (2009).
  13. Erickson, J. E., Cisar, J. L., Volin, J. C., Snyder, G. H. Comparing nitrogen runoff and leaching between newly established St. Augustinegrass turf and an alternative residential landscape. Crop Sci. 41, 1889-1895 (2001).
  14. Morton, T. G., Gold, A. J., Sullivan, W. M. Influence of overwatering and fertilization on nitrogen losses from home lawns. J. Environ. Qual. 17, 124-130 (1988).
  15. Method 415.1 Organic carbon, total (combustion or oxidation). Methods for Chemical Analysis of Water and Wastes. O'Dell, J. W. , 415.1-415.3 (1983).
  16. Determination of phosphorus by semi automated colorimetry. Environmental monitoring systems laboratory, Office of research and development. U.S. Environmental Protection Agency. O'Dell, J. W. , Cincinnati, OH. Available at: http://water.epa.gov/scitech/methods/cwa/bioindicators/upload/2007_07_10_methods_method_365_1.pdf (1993).
  17. O'Dell, J. W. Determination of nitrate nitrogen by semi automated colorimetry. Revision 2.0 Edited by JW O'Dell, Environmental monitoring systems laboratory. Office of research and development, U.S. Environmental Protection Agency. , Cincinnati, OH. Available at: http://water.epa.gov/scitech/methods/cwa/bioindicators/upload/2007_07_10_methods_method_353_2.pdf (1993).
  18. O'Dell, J. W. Determination of ammonia nitrogen by semi automated colorimetry. Revision 2.0 Edited by JW O'Dell, Environmental monitoring systems laboratory. Office of research and development, U.S. Environmental Protection Agency. , Cincinnati, OH. Available at: http://water.epa.gov/scitech/methods/cwa/bioindicators/upload/2007_07_10_methods_method_350_1.pdf (1993).
  19. Gobel, P., Dierkes, C., Coldewey, W. G. Storm water runoff concentration matrix for urban areas. J. Contam. Hydrol. 91, 26-42 (2007).
  20. Vietor, D. M., Provin, T. L., White, R. H., Munster, C. L. Runoff losses of phosphorus and nitrogen imported in sod or composted manure for turf establishment. J. Env. Qual. 33, 358-366 (2004).

Tags

Miljövetenskap urban avrinning landskap hem gräsmattor turfgrass St Augustinegrass kol kväve fosfor natrium
Design och konstruktion av en Urban Runoff Research Facility
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wherley, B. G., White, R. H.,More

Wherley, B. G., White, R. H., McInnes, K. J., Fontanier, C. H., Thomas, J. C., Aitkenhead-Peterson, J. A., Kelly, S. T. Design and Construction of an Urban Runoff Research Facility. J. Vis. Exp. (90), e51540, doi:10.3791/51540 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter