Summary
Nous présentons ici une méthode qui correspond à une taille d’échantillon de sol et un dispositif de mesure de conductivité hydraulique pour empêcher l’acheminement de ce que l'on appelle mur le long de l’intérieur du conteneur du sol soient inclus par erreur dans les mesures de débit de l’eau. Son utilisation est démontrée avec les échantillons prélevés dans un site d’irrigation des eaux usées.
Abstract
Depuis le début des années 1960, une pratique de décharge des eaux usées alternative à la Pennsylvania State University a été étudiée et ses effets étudiés. Plutôt que de décharger les eaux usées traitées dans un flux de données et ainsi directement ayant une incidence sur la qualité du flux, l’effluent est appliqué à boisées et terres cultivées géré par l’Université. Préoccupations liées à des réductions dans la conductivité hydraulique du sol se produisent lors de l’examen de réutilisation des eaux usées. La méthode décrite dans ce manuscrit, correspondance taille de l’échantillon de sol avec la taille de l’appareil de mesure de conductivité hydraulique en laboratoire, offre les avantages d’une collection relativement rapide des échantillons avec les avantages de contrôlée laboratoire des conditions aux limites. Les résultats suggèrent qu’il peut y avoir eu une incidence de réutilisation des eaux usées sur la capacité du sol à transmettre à l’eau à plus grandes profondeurs dans les zones dépressionnaires du site. La plupart des réductions dans la conductivité hydraulique du sol dans les dépressions semble être reliées à la profondeur de laquelle l’échantillon a été prélevé et par conséquent, associée à des différences structurales et texturales de sol.
Introduction
Évacuation des eaux usées traitées des municipalités dans les cours d’eau a été une pratique courante depuis des décennies. Ces eaux usées sont traitée principalement dans le but de réduire le risque de consommation d’oxygène biologique par des microorganismes dans les eaux réceptrices, à la suite les effluents d’eaux usées déchargée. La consommation d’oxygène par les microorganismes dégrade les matières organiques dans les eaux usées, réduire les niveaux d’oxygène dans le corps de l’eau dans laquelle les effluents sont rejetés et, par conséquent mal les organismes aquatiques, y compris les poissons.
Dans les dernières décennies préoccupations ont mis au point aux nutriments inorganiques, certains métaux et autres produits chimiques dans les eaux usées qui créent un préjudice. En raison d’une étude publiée par Kolpin et al. 1, davantage l’accent sur une gamme de produits chimiques n’a pas été considéré comme a évolué. Cette étude, publiée par l’United States Geological Society, sensibilisé au sujet de la vaste gamme de produits de soins personnels et autres produits chimiques dans les rivières et les ruisseaux à travers les États-Unis due à s’acquitter des installations de traitement des eaux usées.
Depuis le début des années 1960, des chercheurs de la Penn State University ont étudié et mis au point une pratique de décharge des eaux usées alternative assez unique dans une région humide. Plutôt que de décharger les eaux usées traitées dans un flux et Théia ainsi directement la qualité du flux, l’effluent est appliquée à la forêt et les terres cultivées, géré par l’Université. Ce domaine d’application, surnommé « Du filtre vivant », accepte actuellement tous les effluents d’eaux usées produit du campus plus certains de la municipalité. Cela réduit le risque d’excès de nutriments entrer dans les cours d’eau qui fournissent l’eau à la baie de Chesapeake, protège la pêche locale d’eau froide de rejets d’eaux usées chaudes, qui est nocif pour les poissons et empêche la livraison d’autres produits chimiques contenues dans les eaux usées de contacter directement les écosystèmes aquatiques.
Cependant, il y a toujours des conséquences des changements de comportement et cette facilité d’utilisation alternative n’est pas immunisé contre tel. Questions ont été soulevées quant à savoir si l’application des effluents des eaux usées a négativement la capacité du sol à permettre à l’eau de s’infiltrer dans le sol de surface2, 3,4,5 et causé le plus grand ruissellement, s’il y a une possibilité de contamination des puits les avec des produits chimiques (les nutriments, les antibiotiques ou les autres composés pharmaceutiques, produits de soins personnels) contenues dans les effluents d’eaux usées, et si ces produits chimiques sont création négatives impacts environnementaux, tels que grâce à l’absorption de produits chimiques dans les usines6 cultivé sur le site, ou le développement de la résistance aux antibiotique dans les organismes7 sur le site du sol.
À la suite de certaines de ces préoccupations, cette étude est menée pour déterminer les effets de l’irrigation des effluents d’eaux usées sur la conductivité hydraulique à saturation. L’approche utilisée consiste à collecter les sols provenant de certains sites à l’intérieur ou à l’extérieur de la superficie irriguée et correspondant à la taille de conteneur de l’échantillon de sol avec l’installation du laboratoire. Il est important que le contenant d’échantillon de sol pour s’insérer dans les appareils de laboratoire et l’eau qui se déplace vers le bas dans la matrice du sol dans l’échantillon d’être séparé de l’eau qui se déplace vers le bas entre le sol et le contenant d’échantillon de sol. Le protocole décrit comment l’appareil de laboratoire est construit pour s’assurer que cela se produisait.
Échantillons de sol sont prélevés à l’aide d’un échantillonneur de base hydraulique attaché à un tracteur. Carottes de sol collectés proviennent des zones sélectionnées dans le paysage vallonné et conservée dans un manchon en plastique inséré dans le sampler de noyau de sol. Ces carottes sont prélevées dans un loam limoneux de Hagerstown, situé dans une position de paysage du sommet ou dans une zone dépressionnaires. Six sommets représentatifs et six sites dépressionnaires sont prélevées de la superficie irriguée (un total de 12 sites d’échantillonnage de superficie irriguée). En outre, trois sommets et trois sites dépressionnaires sont échantillonnés dans une zone adjacente, non irrigués (un total de six sites non irriguées). Un maximum de six cœurs est collecté à chaque site jusqu'à une profondeur d’environ 1 200 mm, avec chaque échantillon de base étant d’environ 150 mm de long (100 mm de l’échantillon figurant dans la pochette plastique et 50 mm étant contenue dans la tête de la coupe de l’échantillonneur de métal ). Après le retrait de l’échantillonneur de métal, les manchons en plastique contenant les carottes de sol collectés sont équipés d’embouts, transporté debout au laboratoire et stockées debout jusqu'à ce qu’ils servent à déterminer la conductivité hydraulique saturée. Simultanément, les échantillons de sol sont prélevés à chaque profondeur pour la détermination du sol et les concentrations dans le sol solution de Calcium (Ca), magnésium (Mg) et Sodium (Na) en utilisant une extraction Mehlich 3 pour les estimations de l’eau déionisée et sol concentrations8 des extraits à un ratio de 1:2 de masse : l’eau du sol massive. Les analyses chimiques de l’eau extraits provenaient d’inductivement couplé Plasma Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES) et ont servi à calculer le Ratio d’Adsorption Sodium (SAR).
La détermination de la conductivité hydraulique saturée est effectuée principalement à l’aide d’une méthode de siège constant9. Une solution contenant Ca et Na sels pour imiter l’effluent conductivité électrique (EC) et SAR de l’effluent est créé de sorte que le sol sera exposé à variables similaires pour la traitement des eaux usées appliquées dans le domaine de la qualité de l’eau. Dans ce cas, la Commission européenne est 1,3 dS/m et le SAR est 3, ce qui reflète la Communauté européenne et la SAR de l’effluent dans ces dernières années avant la période d’échantillonnage. [Sur le plan technique, les unités SAR sont (milliéquivalents par litre)½ et ne sont pas habituellement identifiées dans la littérature.]
La modification à la méthode de tête constante de Klute et Dirksen9 est le développement d’un séparateur de débit par Walker8 pour empêcher le flux à travers la colonne qui a eu lieu en dehors de la matrice du sol soient inclus dans l’estimation du sol hydraulique conductivité. Le séparateur de flux est construit à l’aide de chlorure de polyvinyle (PVC) tubes sélectionnés et usinés pour correspondre à la taille de l’échantillon de sol. Un écran prend en charge l’échantillon de sol et permet à l’eau qui a traversé la matrice du sol s’écoule de la partie inférieure de l’échantillon. Une seconde prise émet l’eau qui a coulé à l’intérieur de l’enveloppe en plastique, éliminant ainsi ce qu’on appelle « débit de mur » soient incorrectement inclus dans l’estimation de la quantité d’eau qui se déplace à travers la matrice du sol.
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Protocol
1. sélection des sites d’échantillonnage du sol
- Identifier par le biais de la photographie aérienne et site (s) les lieux qui ont reçu l’irrigation par des eaux usées et celles qui ne l’ont pas.
- Sélectionnez plusieurs sites représentatifs permettant d’effectuer un échantillonnage, accordant une attention particulière aux différences de paysage possible (particulièrement lieu de paysage, tels que le sommet, côté pente, pente de l’orteil et dépression) sur lequel l’eau, le sol et les plantes peuvent interagir différemment.
- Identifier les parties du paysage comme un sommet, pente latérale, pente de l’orteil ou la dépression. Classer les sites représentatifs basés sur ses caractéristiques majeures.
NOTE : Dans cette expérience, sites ont été identifiés comme un sommet non irriguées, irrigué de sommet, dépression non irriguées ou irriguée de dépression. - Déterminer le nombre d’emplacements et le site de chaque emplacement à partir duquel les échantillons seront prises de chaque site distinctif de la représentante.
NOTE : Souvent, discussions avec un statisticien familier avec les statistiques de l’environnement seront très utile à ce stade et empêcher plus tard préoccupations au sujet des analyses statistiques. - Placer un drapeau de marquage à chaque emplacement de l’échantillon prévu et noter l’emplacement des sites échantillon prévu sur une carte, en utilisant les coordonnées GPS.
2. le prélèvement d’échantillons de sol
- Déterminer l’équipement qui servira à recueillir les échantillons de sol.
Remarque : pour peu profondes (par exemple, moins de 300 mm de profondeur) des échantillons de sol, un échantillonneur de sol cylindriques (supplémentaire Figure 1) de la taille utilisée pour cette expérience souvent peuvent être branchés dans le sol avec un marteau de goutte, si le sol est assez mou. Pour l’expérience décrite ici, un appareil de forage hydraulique a été utilisé pour permettre d’échantillons à prélever des profondeurs jusqu'à 1 200 mm.
Supplémentaire Figure 1 : Appareil de forage utilisée pour l’échantillonnage.
- Le transport de l’appareil de forage sur le site de procéder à l’échantillonnage.
- Mettre le casque, des gants et des lunettes de protection avant de commencer l’installation de foret.
- Mettez en marche l’appareil de forage et abaissez la tête rotative suffisamment pour permettre l’installation de la barre de Kelly.
Remarque : La barre de Kelly est la tige métallique qui relie la tête d’entraînement de l’appareil de forage à l’échantillonneur. - Insérer la barre de Kelly dans la tête rotative.
- Insérer un tube de plastique liner/échantillon dans le tube échantillon de métal avec une tête de coupe attachée vers le bas du tube échantillon de métal. Pour l’application décrite ici, utilisez une longueur de 150 cm et 90 mm à l’extérieur du revêtement en plastique de diamètre inséré dans un 200 mm de long et 100 mm OD/90 mm à l’intérieur du tube à essais métallique diamètre (ID).
- Fixer le tube échantillon de métal à la Kelly bar à l’aide d’une tête d’entraînement montée sur les deux.
- Faites fonctionner l’appareil de forage pour déplacer le tube à essais environ 150 mm dans le sol.
Remarque : Cela fournira un échantillon de 100 mm dans la pellicule en plastique et laisser un espace de 50 mm dans la partie supérieure de l’échantillon à contenir de l’eau s’est accumulée sur l’échantillon lorsque les mesures de conductivité hydraulique saturée sont obtenus en laboratoire. Cela permettra également d’éviter le compactage de l’échantillon de sol au cours de sa collection. - Enlever le tube échantillon métallique du sol à l’aide du système hydraulique de l’appareil de forage.
- Retirer le tube échantillon métallique de la tête du moteur. Puis retirez le plastique tube tenant l’échantillon de sol du tube échantillon métallique, en utilisant l’échantillon soin pour ne pas perdre le sol à l’intérieur du tube d’échantillon en plastique et non compacter le sol ou pressez les côtés du tube à échantillon en plastique.
- Placez les bouchons sur chaque extrémité du tube à échantillon en plastique, à l’aide de rouge pour la fin dans la partie supérieure de l’échantillon de sol et de noir pour la partie inférieure de l’échantillon de sol. Scotchez les capuchons d’extrémité de la douille pour éviter la contamination ou la perte d’eau de l’échantillon.
- Placer l’échantillon debout pour le transport vers le laboratoire.
- Continuer d’échantillonnage à la profondeur plus profonde d’intérêt, en répétant les étapes 2.6 – 2.12.
3. construire une charge constante, plusieurs colonnes, sol conductivité hydraulique installation
Remarque : Les appareils de laboratoire de la conductivité hydraulique sont basé sur le travail de Walker10. Elle implique l’utilisation d’un perméamètre qui est construit pour séparer le flux entre le bord externe de l’échantillon et le cylindre contenant l’anneau de l’écoulement à travers la matrice du sol. L’ID d’un tuyau en PVC mentionnée ci-dessous n’est pas une stricte tolérance. Certains peuvent bien cadrer, et d’autres peuvent nécessiter un travail (léger ponçage).
- Obtenir un 100 mm long, 96 mm ID/114 mm-OD Cédule 40 tube PVC.
- Obtenir un tube de PVC de 100 mm long, 73 mm ID/89 mm-OD Cédule 40 et machine pour avoir un tranchant de 5 mm conique. Les fournir avec un revêtement en plastique de 89 mm pour s’adapter sur le diamètre extérieur.
- Couper la partie inférieure de 20 mm du tuyau PVC Cédule 40 visés à l’étape 3.2 et le conserver pour une utilisation ultérieure.
- Partir d’une feuille épaisse de 6 mm de PVC gris, couper un 155 x 155 mm2. Machine à la place pour contenir une ouverture circulaire de 60 à 70 mm dans le centre de la place.
- Couper une tranche épaisse de 6 mm d’un 73 mm OD/63 mm ID annexe 40 tube PVC.
Remarque : Un drain de douche de 73 mm qui s’insère dans un tuyau de PVC 40 73 mm ID annexe peut être coupé et fonctionne bien si un 73 mm OD planifiez 40 tuyau en PVC n’est pas disponible. - De la colle PVC, fixer la tranche épaisse de 6 mm de 73 mm OD PVC (à l’étape 3.5) 20 mm au-dessous du sommet de la 89 mm OD PVC (de l’étape 3.2).
- Après que le ciment de PVC utilisé à l’étape 3.6 a séché, centrez les deux cylindres de PVC sur la feuille de 6 mm et joignez-les à la feuille de la colle PVC.
- Percer un trou dans le cylindre extérieur PVC, centré à environ 15 mm au dessus du carré PVC gris, pour accueillir un adaptateur 14 mm en PVC avec une extrémité cannelée.
- Le ciment de l’adaptateur en place de la colle PVC.
- Fixez un tube en plastique de OD/13 mm ID de 19 mm à l’extrémité cannelée de l’adaptateur.
- Ciment la pièce de 20 mm de la Cédule 40 PVC visée à l’étape 3.4 vers le bas de la place de PVC gris, centrée sur l’ouverture.
- Découpez un morceau de treillis métallique de 6 mm x 18 G (un gardien de la gouttière en acier galvanisé fonctionne bien pour cela) selon la circulaire 80 – 85 mm de diamètre pour insérer dans le 89 mm OD PVC du haut afin qu’il repose sur la tranche épaisse de 6 mm de la 73 mm OD PVC.
- Sélectionnez un 19 x 184 x 2 438 planche de3 mm et il a coupé en deux, tailler chaque longueur de 1 180 mm.
- Découper 6 – 125 mm trous espacés de 70 mm au sein du Conseil.
- Placer un grillage sous les trous dans le Conseil et l’attacher (e.g., à l’aide d’une agrafeuse).
- Placez un 140 mm (ouverture supérieure) x entonnoir de 19 mm (bec OD) sous le treillis métallique et le joindre à la Commission ; mise mastic adhésif sur le rebord de l’entonnoir pour éliminer les espaces entre le haut de l’entonnoir et le bois.
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Construire un cadre en bois haute de 750 mm pour tenir la planche avec les 6 trous (voir étapes 3.13 et 3.14) environ 350 mm au-dessus du fond de l’image.
- Préparer les éléments de ce cadre afin d’inclure une base, deux fin d’image, deux pieds stabilisateurs, une base de renforcement inférieure, une base stabilisatrice, un panneau arrière centre-stabiliser et une planche dessu.
- Coupez une planche à 19 x 184 x 1 180 mm3 comme base.
- Couper les deux planches à 19 x 184 x 750 mm3 chaque fin de la trame.
- Coupes deux planches pour créer un 19 x 184 x 600 mm3 stabilisation des jambes à chaque extrémité.
- Coupez une planche à 19 x 184 x 1 180 mm3 pour servir une base de renforcement inférieure directement sous le Conseil d’administration avec les 125 mm trous forés dedans (Voir l’étape 3.14).
- Coupez une planche à 19 x 184 x 1 219 mm3 comme base stabilisatrice attachée à l’avant ou l’arrière des deux stabilisateurs de jambes.
- Coupez une planche à 19 x 184 x 1 219 mm3 comme un centre de stabiliser la planche.
- Coupez une planche à 19 x 184 x 1 219 mm3 comme un dessus de retour à bord pour ajouter une stabilité supplémentaire, sur lequel sera attachée une gouttière.
Remarque : La planche supérieure et le caniveau ci-joint doivent être à une hauteur telle que le fond de la gouttière est environ à la même altitude que le dessus du sol dans le manchon d’échantillon de sol sera quand l’échantillon est en place.
Supplémentaire Figure 2 : façade de l’appareil de la conductivité hydraulique saturée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Préparer les gouttières d’alimentation et de drainage.
Remarque : Chaque gouttière en plastique est d’environ 120 mm horizontalement et 1219 mm de long et est équipé d’embouts.- Percer des trous dans un embout de la gouttière de drainage et à une extrémité de la gouttière d’approvisionnement pour accueillir un adaptateur d’extrémité cannelée de nylon 13 mm HB x MGHT dans chaque trou.
- Percer des trous dans l’autre embout de la gouttière d’approvisionnement pour accueillir un tuyau en PVC de ID 25 mm pour assurer un drainage vers le réservoir d’alimentation.
- Les raccords PVC coudés de ciment au besoin pour assurer un drainage de l’eau vers le réservoir d’alimentation.
- Couper un 40 mm Bouchon d’extrémité de gouttière haute pour s’adapter à l’intérieur de l’approvisionnement en gouttière environ 10 cm de la prise de connexion PVC.
- Coupez une encoche trapézoïdale en haut de la plaque ce qui est d’environ 20 mm de profondeur, 30 mm de largeur au fond et 50 mm de large en haut de l’encoche.
Remarque : Ceci agira afin de maintenir une charge constante dans le caniveau de l’approvisionnement. - Placez la gouttière de drainage sous les entonnoirs afin qu’il reste sur la base inférieure de renforcement de l’armature en bois.
- Fixer la gouttière d’alimentation sur la planche supérieure à l’aide de crochets de gouttière de vinyle.
Supplémentaire Figure 3 : fin de vue de l’approvisionnement en eau de gouttière. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Préparer la source en eau.
- Raccordez le tuyau en plastique pour les adaptateurs de fin en nylon boutonnée dans le caniveau de l’approvisionnement et la gouttière de drainage.
- Placez une grande cuve sur le sol adjacent à l’appareil de conductivité créée pour servir comme conteneur d’approvisionnement.
Remarque : La baignoire doit être sélectionnée pour contenir assez d’eau pendant au moins 24 h de mesures. - Placer une petite pompe submersible dans le baquet et connectez-le via des tuyaux en plastique à la fin de l’entrée de la gouttière de l’approvisionnement.
- Connecter le petit tube de plastique pour les adaptateurs de l’extrémité cannelée de la prise de courant (dénommé dans la version 3.9) et placer l’extrémité non connecté du tube dans le caniveau de drainage.
- Remplissez le réservoir d’alimentation avec de l’eau.
- Branchez la pompe et exécutez-le pour combler la gouttière d’approvisionnement. S’assurer que le taux d’eau pompée dans la gouttière d’alimentation est suffisant pour maintenir la gouttière d’approvisionnement presque pleine sans débordement.
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Préparer un « échantillon de sol pratique » pour identifier les adaptations nécessaires.
- Placer un échantillon de sol « pratique » dans un manchon en plastique d’échantillonnage, laissant environ 50 mm d’espace entre le dessus du sol et le haut de l’enveloppe en plastique.
- Couvrir l’extrémité inférieure de l’échantillon et le manchon avec une double épaisseur d’étamine. Tenez la gaze sur le manchon d’échantillonnage avec un taille suffisamment élastique.
- Placer l’échantillon de sol de pratique et de la gaine dans un baquet d’eau rempli à environ 1/3 de la hauteur de l’enveloppe, avec la fin de l’étamine étant dans l’eau.
- Après plusieurs heures, soulever l’eau dans la baignoire pour environ 2/3 de la hauteur de l’échantillon. Après avoir laissé l’échantillon à la valeur du jour au lendemain, remplir la baignoire juste au-dessous du sommet de l’échantillon de sol (pas en haut de la manche).
- Placer l’échantillon de sol sur le dessus du tube de PVC OD de 89 mm, puis appuyez doucement le tube, ce qui permet du bord affuté du tube PVC pour enfoncer dans le sol de quelques millimètres pour permettre à la partie inférieure du sol pour se reposer sur l’écran.
NOTE : L’étamine devra avoir l’élastique desserré pour permettre cela. Notez également que le dessus du sol dans le manchon de l’échantillon doit être peu près de niveau avec le fond de la gouttière de l’approvisionnement et le haut de l’enveloppe de l’échantillon devrait être à peu près de niveau avec le dessus de la gouttière de l’approvisionnement. -
Fournir de l’eau vers le haut de l’échantillon de sol.
- Mettre en marche la pompe et combler la gouttière d’approvisionnement.
- S’assurer que l’extrémité de la tubulure de drainage est placée dans le caniveau de drainage et de la sortie de la gouttière de drainage est étroitement liée à la tuyauterie en plastique qui est placée dans un drain ou un conteneur à une altitude inférieure.
- Utilisez un tuyau de 6 mm, créer un siphon de la gouttière d’alimentation vers le haut du sol.
- Recueillir des échantillons d’eau de base du sol qui s’écoule de l’entonnoir.
Remarque : Les échantillons doivent être prélevés pour la durée requise pour obtenir la quantité d’eau suffisante afin d’avoir la précision requise pour l’expérience, basée sur des critères de recherche. - Vérification des fuites ou des problèmes imprévus.
- Déterminer la longueur approximative du temps nécessaire pour recueillir une quantité suffisante d’eau basé sur le temps nécessaire pour remplir environ la moitié un bécher de 100 mL d’eau (ou autre volume déterminé par l’équipe de recherche).
- Créer un flux simulé « mur » en insérant un petit tournevis ou un autre outil similaire à l’intérieur du conteneur en plastique sol échantillon pour confirmer que le limiteur de débit créé par ce passage coule de la gouttière de drainage par le tube de drainage.
- Modifier le programme d’installation basé sur tous les problèmes trouvés lors de cette exécution pratique.
4. l’obtention de la conductivité hydraulique des valeurs
- Mouillée par les échantillons de sol qui ont été récoltées dans le site de champ en couvrant les extrémités inférieures des échantillons avec gaze maintenue par un élastique, suivant les directives fournies à l’étape 3.20 pour la pratique exécuter.
- Démarrer la pompe et laisser la gouttière d’alimentation à remplir. Vérifiez l’étanchéité.
- Placer les échantillons sur le périphérique de conductivité hydraulique comme pour l’exercice pratique. Veillez à ne pas compacter les échantillons lors de la manipulation.
- Mettre en place les tubes siphon aspire l’eau de la gouttière d’approvisionnement sur la surface du sol contenu dans le manchon en plastique.
- Au début, commencent à recueillir l’eau de l’entonnoir toutes les 10 à 20 min, pour avoir une idée de combien de temps pour prendre des échantillons et la fréquence d’en prélever des échantillons. Un temps record et masses/volume d’eau à chaque fois de l’échantillon pour chaque échantillon de sol.
- Recherchez des échantillons séquentiels contenir une quantité égale d’eau. Après que 3 à 5 échantillons contiennent la même quantité d’eau, l’échantillon a probablement atteint un état stable.
Remarque : Pour garantir que l’état d’équilibre a été atteint, il peut être souhaitable de prendre quelques exemples supplémentaires à la demande 1 h dehors. - Loi de Darcy permet de calculer la conductivité hydraulique saturée ;
où
Ksat = conductivité hydraulique saturée (L/T)
V = volume de l’état d’équilibre de l’eau qui coule à travers le noyau (L3)
L = longueur de l’échantillon (L)
A = aire de la section exemple de la carotte (L2) à travers lequel l’eau s’écoule. Pour cette configuration,
T = temps (T)
(H2 – H1) = différence tête hydraulique (L) ; pour cette configuration, c’est la distance entre le dessus de l’eau s’est accumulée sur la surface du sol et la partie inférieure de l’échantillon de sol.
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Representative Results
Afin d’étudier la question de savoir si l’application d’effluents d’eaux usées sur le site de filtre vivant a un impact sur la capacité du sol à transmettre à l’eau, nous avons mené des expériences pour mesurer la conductivité hydraulique saturée des sols. Nous avons comparé la conductivité hydraulique des sols des périmètres irrigués du site avec les zones non irriguées du site. L’impact des effluents d’eaux usées sur la conductivité hydraulique du sol est une question d’intérêt, comme il y ont eu des rapports dans des régions moins humides des réductions de la capacité du sol à transmettre l’eau résultant de (par exemple) une accumulation de sodium dans le sol ou le développement d’une croûte superficielle biologique. Pour chacun des échantillons prélevés pour les mesures de conductivité hydraulique, échantillons provenant des localités adjacentes dans un compteur des échantillons conductivité hydraulique ont été prélevés pour une mesure des principale cations de Ca, Mg et Na dans la solution du sol. Les valeurs de Ca, Mg et Na dans la solution du sol étaient estimées de 1:2 rapport masse de sol masse : eau désionisée eau extraits du sol, avec rétro-calcul des valeurs basées sur la teneur en eau du sol au moment de l’échantillonnage. Ces concentrations de solution de sol ont été utilisées pour calculer le coefficient d’adsorption de sodium de la solution du sol, tel que défini par :
où les valeurs de Na, Ca et Mg sont donnés en milliéquivalents (meq) / litre. (Pour Na, le nombre de meq/l = mg/l, divisé par 23 ; pour Ca, meq/l = mg/l, divisé par 20 ; pour Mg, meq/l = mg/l divisé par 12.)
Il a été observé que la conductivité hydraulique diminue avec la profondeur dans les zones dépressionnaires (Figure 1), à la plus forte relation entre Ksat par profondeur existant dans les zones non irriguées.
Lorsqu’on examine la relation entre Ksat avec SAR, des échantillons de sol inférieure à 20 cm, il y avait une forte relation positive entre Ksat et le SAR de la solution du sol pour les dépressions non irriguées (Figure 2), mais un fort négatif relation entre Ksat et SAR pour les dépressions irriguées. Il est à noter que les valeurs des espèces en péril dans la région non irriguées étaient sensiblement inférieurs à ceux de la zone irriguée et situaient situent dans une fourchette dans laquelle on ne prévoit pas que la conductivité hydraulique du sol serait touchée. Les valeurs SAR dans la superficie irriguée étaient beaucoup plus élevés et bien qu’ils étaient dans une gamme n’étant ne pas censée créer toute réduction de la conductivité hydraulique, on observe qu’il y avait une forte corrélation négative entre Ksat et SAR (Figure 2) .
En regardant la répartition des espèces en péril en profondeur pour les dépressions non irriguées (Figure 3), il y avait peu de relations entre SAR la solution du sol et la profondeur du sol. Ainsi, il est probable que la relation entre les valeurs deSam K décroissantes, de profondeur est dominée par des changements dans les caractéristiques du sol (structure, texture), qui ont tendance à changer avec la profondeur. En revanche, la Figure 4 montre qu’il existe une forte corrélation entre la profondeur du sol et la solution du sol SAR pour les zones dépressionnaires irriguées. La forte relation Ksat / SAR pour la superficie irriguée est probablement due à deux une forte corrélation entre la profondeur du sol et sol solution SAR et dans une certaine mesure à une diminution de Ksat avec une augmentation de la profondeur. Il semble, toutefois, qu’il peut y avoir certains diminution Kétait assis tout simplement en raison de la SAR accrue.
Figure 1 : Relation entre la conductivité hydraulique saturée et profondeur du sol pour les dépressions irriguées et non irriguées.
Figure 2 : Relation entre la conductivité hydraulique saturée et coefficient d’adsorption de sodium (SAR) de la solution du sol pour les dépressions irriguées et non irriguées.
Figure 3 : Valeur de la moyenne RAS dans la solution du sol par l’échantillonnage de profondeur pour les sites établis dans les dépressions non irriguées.
Figure 4 : Valeur de la solution du sol en profondeur pour les sites établis dans les dépressions irriguées SAR.
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Discussion
La capacité de recueillir des échantillons de sol non perturbé, sur le terrain et d’obtenir leurs valeurs de conductivité hydraulique est importante dans l’obtention des données représentatives d’un site. Afin de mieux représenter des conditions sur le terrain, il est important d’utiliser des échantillons de sol qui restent dans un représentant de l’état physique de leur environnement dans le domaine. Échantillons de sol prélevés à partir d’un site de champ qui sont alors perturbés par sous-échantillonnage ou manutention compactage induite, par exemple, connaîtra des changements structurels qui ont une incidence de la conductivité hydraulique saturée.
Il est également important d’avoir un moyen de mesurer la conductivité hydraulique du sol dans un environnement de laboratoire contrôlées. Cependant, en utilisant une méthode de laboratoire pour la conductivité hydraulique saturée qui ne tient pas compte pour un flux à l’intérieur du conteneur échantillon (ce qu’on appelle « mur flux ») se traduira par une reproduction médiocre des résultats et une variabilité élevée en raison de la méthodologie plutôt que de la variabilité due au naturel.
Étant donné que le développement de la perméamètre de disque en 1982 par Perroux11, basé sur le travail de Clothier et blanc12, beaucoup d’efforts ont été déployé afin d’obtenir plus de façon satisfaisante sur le terrain du sol conductivité hydraulique mesures13. Avoir des mesures sur le terrain est hautement souhaitable, comme sol « perturbé » échantillons (par exemple, séchés et moulus échantillons remballés dans une colonne) ne reflètent pas les conditions de sol naturel.
Cependant, il y a aussi des inconvénients aux méthodes sur le terrain pour obtenir des sols des conductivités hydrauliques. Une hypothèse faite avec des méthodes sur le terrain, c’est que le sol sous-jacent de l’équipement utilisé pour mesurer la vitesse de la prise d’eau dans le sol est uniforme13. Cependant, la plupart des sols ne sont pas uniformes, mais sont constitués de couches de matériaux qui se distinguent par leurs conductivités du sol.
Un autre inconvénient est le fait qu’une campagne d’échantillonnage intensif peut nécessiter de 1 à 4 h (ou plus) temps de mesure par exemple, en plus du temps de préparation du site. Des travaux antérieurs à ce site14 requis plusieurs semaines pour terminer en utilisant la méthode de Ankeny et al.13. La conséquence est que la collection d’un grand nombre d’échantillons exigera Aussie une période considérable et que les conditions sur le terrain vont changer (par exemple, la croissance des plantes, teneur en eau, etc.), et l’échantillonnage peut également interférer avec le champ opérations (par exemple, dans ce cas, les applications de traitement des eaux usées d’irrigation et la récolte). Différences dans les conditions environnementales (p. ex., précipitations) peuvent entraîner des changements dans les propriétés chimiques du sol. Dans le cas de cette expérience, les concentrations de Ca, Mg et Na sol changé en raison de la lixiviation de Ca, Mg et Na dans le sol en raison de l’infiltration des précipitations et de mouvement de l’eau vers le bas.
En raison du travail physique impliqué dans et la longueur du temps nécessaire pour préparer le site lorsqu’il est recouvert de végétation,14, et la longueur du temps nécessaire pour rassembler des valeurs de conductivité hydraulique saturée sur le terrain, la possibilité d’obtenir les valeurs représentatives dans une gamme de profondeurs du sol et des bureaux extérieurs peuvent nécessiter jusqu'à une demi-journée par exemple par la profondeur. Opérations de terrain de production végétale nécessaire, y compris l’irrigation, peuvent limiter la durée de prélèvement d’échantillons.
En outre, même si le temps requis pour effectuer des mesures sur le terrain de la conductivité hydraulique saturée sur de nombreux sites n’est disponible, la longueur du temps d’obtenir des échantillons sur un site de champ et à plusieurs profondeurs entraînera nécessairement de nombreux échantillons sont recueillis sous différentes conditions environnementales, comme les changements de jour à jour (ou plus fréquemment).
Échantillons prélevés sur le terrain avec un échantillonneur de sol hydraulique peuvent être collectées dans un temps beaucoup plus court, ce qui réduit les changements qui peuvent avoir lieu sur un site de champ au fil du temps. Toutefois, les procédures de laboratoire pour obtenir la conductivité hydraulique du sol de ces échantillons présentent l’inconvénient distinct de subir ce qu’on appelle « débit de mur »10. Flux de mur est l’écoulement de l’eau le long de l’intérieur du conteneur échantillon lorsque l’échantillon est placé sur un dispositif de tête constant qui est généralement utilisé pour estimer la conductivité hydraulique du sol. Ce flux, si elle est incluse dans la mesure de la vitesse de mouvement de l’eau dans le sol, entraîne une estimation élevée par erreur de la conductivité hydraulique. Cet article décrit l’utilisation d’un laboratoire mis en place pour éliminer le flux de mur des estimations de la conductivité hydraulique du sol et d’une méthode de collecte d’échantillon qui correspond à la taille de l’échantillon de sol à la taille de l’équipement de laboratoire.
Une étape cruciale est de recueillir des échantillons de sol qui n’ont pas été compactés. Bien que le statut de l’humidité du sol affectera la résistance à l’insertion de l’échantillonneur et donc la compatibilité du sol, la recommandation est que la longueur de l’échantillon prélevé doit être un peu plus courte que la doublure de l’échantillon qui est insérée dans le tube à essais métallique.
Transportant des échantillons sur le terrain au laboratoire doit se faire d’une manière qui leur perturber le moins possible. En les gardant en position verticale et s’assurer qu’ils ne sont pas serrés contre chaque autre volonté aident réduire les turbulences de la manipulation.
L’étape la plus critique dans le protocole est de construire les appareils de laboratoire pour correspondre à la taille de l’échantillon recueillie sur le terrain afin que les flux de mur n’est pas inclus dans l’eau recueillie de la matrice de sol10. Bien que la description de l’appareil de laboratoire présentées ici est pour une taille particulière de récipient pour échantillons, autres conteneurs de tailles peuvent être utilisés si les détenteurs de l’échantillon dans l’appareil de laboratoire correspondent de même taille.
Une fois qu’un prototype est assemblé, échantillons de test créés intentionnellement au résultat du débit mur devraient être utilisés pour s’assurer que la construction de l’appareil sépare vraiment murale débit d’écoulement de matrice de sol. Une autre observation importante est que la conception finale permet la constitution d’une hauteur constante d’eau sur le dessus de l’échantillon de sol sans recouvrir le récipient de sol en plastique. Le haut du conteneur du sol doit être au-dessus du niveau de l’eau dans le caniveau de l’approvisionnement. Ceci est crucial. Si l’eau déborde le conteneur de sol en plastique, puis les dimensions risquaient pas correctement mesuré. Cela peut être surmonté en installant un anneau en caoutchouc vers le haut du conteneur en plastique sol, en veillant à ne pas déranger l’échantillon de sol.
Le temps de collecte d’échantillon requis sera dépendant de ces deux critères définis pour la précision de l’expérience ainsi que le taux de mouvement de l’eau dans le sol. Par exemple, échantillons devrez peut-être être collectées pendant 10 à 20 minutes toutes les heures pendant une période de 12 h jusqu'à ce qu’une quantité relativement constante de l’eau se déplace à travers le noyau de la terre et dans le récipient d’échantillonnage chaque fois qu’un échantillon est prélevé. Dans d’autres cas, les échantillons peuvent suffit à percevoir pendant 8 à 10 min pour une période de 3 ou 4 h avant une quantité constante de l’eau se déplace à travers le sol pour une période d’échantillonnage donné. Constants volumes d’eau pendant la même période de temps d’échantillon indiquerait qu'une condition « état stationnaire » avait été atteint.
Des carottes de sol ont été préparés pour une analyse de la conductivité hydraulique saturée en plaçant étamine au bas de chaque noyau et ensuite placer le noyau dans un baquet d’eau pour saturer lentement les échantillons de bas en haut, pour une période d’au moins 24 h.
Après presaturation, les carottes ont été retirés de la baignoire et le bas de chacun des conducteurs a été mis sur un séparateur de débit destiné à séparer, tout écoulement le long des côtés de la manche en plastique contenant de la terre, du débit à travers le sol lui-même. Six cylindres de sol à la fois ont été placés sur ce dispositif qui comprenait un banc avec un système de gouttière10 contenant un déversoir pour la distribution d’eau vers le haut des échantillons de sol à une charge constante à travers les tubes de siphon. L’eau a été pompée dans le système de gouttière provenant d’un réservoir à l’aide d’une pompe submersible.
Le séparateur de flux est essentiellement un 100 mm de long et un tube de PVC de diamètre 100 mm qui sert comme un titulaire dans lequel se trouve le manchon en plastique tenant l’échantillon de sol. Un deuxième tube de PVC (environ 75 mm de diamètre et de 75 mm de long) est affûté afin que l’échantillon de sol entre en contact avec le tranchant de ce tube de PVC et s’inscrit à l’intérieur du tube PVC extérieur, avec le manchon en plastique tenant l’échantillon de sol montage extérieur du tube de PVC plus petit. Un écran dans le petit tube de PVC prend en charge l’échantillon de sol et permet à l’eau qui a traversé le sol s’écoule de la partie inférieure de l’échantillon. Une seconde prise émet l’eau qui a coulé à l’intérieur de l’enveloppe en plastique, éliminant ainsi ce qu’on appelle « débit de contourner » soient incorrectement inclus dans l’estimation de la quantité d’eau qui a traversé la matrice du sol.
Une limite importante à la technique se produit avec les sols, comme ceux ayant une teneur en argile élevée, qui ont une faible conductivité hydraulique saturée. Sols avec une très faible conductivité hydraulique saturée en général doivent avoir leur conductivité déterminée avec une tête de « chute » approche7 au lieu de l’approche de tête constante utilisée ici. L’appareil décrit ici devrait être sensiblement modifié pour permettre une approche tête tombante devant être utilisée.
La conception a été trouvée pour fournir des résultats plus uniformes de saturation du sol conductivité hydraulique10 que de méthodes de laboratoire traditionnel9. Utilisation du dessin ou modèle devrait contribuer à réduire la fréquence d’enregistrement des estimations élevées par erreur de la conductivité hydraulique saturée du sol due à tort y compris les flux de mur dans les estimations du volume d’eau qui coule à travers le sol sur une période de temps.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs aimeraient remercier les Pennsylvania State Université Bureau d’installations matérielles pour fournir un financement partiel de soutenir ce projet. Un financement partiel a été également fourni par l’USDA-Regional Research Project W-3170. Nous tenons à exprimer notre gratitude à Ephraim Govere pour son aide avec le travail d’analyse. Notre profonde gratitude est de Charles Walker, dont la conception technique et les compétences de construction pris permis de faire effectuer ce travail.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sampling equipment: | |||
| Soil Sampler Drill Rig | Giddings Machine Co. Inc | #25-TS / Model HDGSRTS | * NOTE: This model is comparable to the model we utilized but which is no longer produced |
| 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” | |
| Soil Collection Tube Bit | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-190 4-3/4” Standard Relief | |
| Plastic Liner for Soil Sample | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-208 3-5/8” x 6” | Enough for the number of samples being collected |
| Black end caps a for bottom of sample liners | Giddings Machine Co. Inc | To retain samples in liners | |
| Red end caps a for top of sample liners | Giddings Machine Co. Inc | To retain samples in liners | |
| Cooler Chest | Store & maintain samples upright in sample liners during transport from field to lab | ||
| Protective gear: | |||
| Hardhats, googles, and gloves | other items as needed for personal protection | ||
| Saw | |||
| Drill and bits | |||
| PVC Cement | |||
| 6 to 8, 19 mm x 184 mm x 2,438 mm boards | |||
| 2 – barbed fittings; 13 mm HB x MGHT | to connect plastic tubing to supply gutter and to drainage gutter | ||
| 6 – barbed fitting | to connect plastic tubing to outer PVC cylinder to allow for water drainage | ||
| 3,000 mm long, 19 mm OD / 13 mm ID plastic tubing | |||
| 6 – 85 mm diameter circular mesh pieces | Can be cut from (e.g.) a 600 mm long, 6 mm x 18 gauge wire mesh (e.g. galvanized steel gutter guard) | ||
| Schedule 40 PVC pipe – 96 mm ID / 114 mm OD | |||
| Schedule 40 PVC pipe – 73 mm ID / 89 mm OD | |||
| Schedule 40 PVC pipe – 63 mm ID / 73 mm OD, OR 6 - 73 mm plastic shower drains | |||
| Schedule 40 PVC pipe – 25 mm ID | |||
| 6, 6 mm thick x 155 mm square sheets of PVC | Can purchase 2 – 6 mm x 300 mm (appx) sheets for about $20 each from: https://www.interstateplastics.com/Pvc-Gray-Sheet-PVCGE~~SH.php?vid=20180212222911-7p | ||
| 6 – 140 mm by 19 mm plastic funnels | To direct water flowing from soil sample into collection beaker | ||
| Adhesive caulk | |||
| 1 – length of 150 mm x 1,200 mm wire mesh cloth | 4 Mesh works well | ||
| 2 – 120 mm x 1,219 mm plastic gutter with end caps | |||
| 4 – gutter hangers | |||
| 1 - additional gutter end cap | To be cut as described in procedures to create a constant head in the supply gutter | ||
| 1 – large plastic tub | Appx 65 L in volume, for example, to serve as water source for the hydraulic conductivity procedure | ||
| 1 – large plastic tub | To serve for wetting up soil samples | ||
| 1 – Submersible pump | e.g. Beckett M400 AUL or M400 AS | ||
| Plastic tubing | Various sized drainage tubes, water supply tube, and drain from drainage gutter | ||
| Container of Cheese Cloth | To place at bottom of soil sample help retain soil in plastic sample container during hydraulic conductivity and wetting up | ||
| Rubber bands | Large enough to fit around plastic sample liners tightly | ||
| Scale which measures to at least 0.1 g | |||
| Beaker or other container to collect water from each sample | |||
| Sodium Chloride | For creating a water quality similar to that which is typically applied to the soil | ||
| Calcium Chloride | For creating a water quality similar to that which is typically applied to the soil |
References
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