Summary
Hier presenteren we een methodologie die overeenkomt met de grootte van de steekproef van een bodem en een hydraulische geleidbaarheid meting apparaat om te voorkomen dat de stroom van de zogenaamde muur langs de binnenkant van de grond container ten onrechte in water stroom metingen worden opgenomen. Het gebruik ervan is aangetoond met monsters verzameld van een irrigatie-site van afvalwater.
Abstract
Sinds de vroege jaren 1960, een alternatieve afvalwater geen kwijting praktijk aan de Pennsylvania State University heeft onderzocht en de effecten ervan gecontroleerd. In plaats van lozen afvalwater getrakteerd op een stroom, en daardoor rechtstreeks invloed op de kwaliteit van de stream, het afvalwater wordt toegepast tot het bosrijke en bijgesneden land beheerd door de Universiteit. Bezorgdheid over kortingen in de doorlatendheid van de bodem optreden bij het overwegen van hergebruik van afvalwater. De methodologie beschreven in dit manuscript, overeenkomen met de grootte van de steekproef van de bodem met de grootte van de doorlatendheid laboratorium gebaseerde meting apparaat, biedt de voordelen van een relatief snelle collectie van monsters met de voordelen van gecontroleerde laboratorium randvoorwaarden. De resultaten suggereren dat er weliswaar enige invloed van hergebruik van afvalwater op de bodem vermogen om water op een diepere diepte in de depressional gebieden van de site. Allermeest naar de verlaging van de doorlatendheid van de bodem in de depressies lijken te worden gerelateerd aan de diepte van het waarvoor het monster werd verzameld, en door afleiding, gekoppeld aan de bodem structurele en textuur verschillen.
Introduction
Lozing van behandeld afvalwater van de gemeenten in stromen is al decennia een standaard praktijk. Dergelijke afvalwater wordt behandeld voornamelijk met het oog op de vermindering van het potentieel voor biologische zuurstofverbruik door micro-organismen in de ontvangende wateren, als gevolg van het effluent ontladen afvalwater. Zuurstofverbruik door micro-organismen degradeert organische materialen in het afvalwater dat verlaging van de concentraties van de zuurstof in het waterlichaam in die het afvalwater wordt geloosd en daardoor schade waterorganismen, met inbegrip van vis.
In de afgelopen decennia hebben de bezorgdheid verband met anorganische voedingsstoffen, sommige metalen, en andere chemische stoffen in het afvalwater die leiden tot schade ontwikkeld. Als gevolg van een studie gepubliceerd door Kolpin et al. 1, meer aandacht voor een aantal chemische stoffen niet eerder overwogen is geëvolueerd. Deze studie, gepubliceerd door de United States Geological Society, verhoogd bewustzijn met betrekking tot het brede scala van producten voor persoonlijke verzorging en andere chemische stoffen in rivieren en beken in de VS vanwege tot kwijting van de faciliteiten van de waterbehandeling van afvalwater.
Sinds de vroege jaren 1960, hebben onderzoekers van de Penn State University onderzocht en ontwikkeld van een alternatieve afvalwater geen kwijting praktijk enigszins uniek in een vochtig gebied. In plaats van afvalwater lozen getrakteerd op een stroom, en daardoor rechtstreeks invloed de kwaliteit van de stream, het afvalwater wordt toegepast op de beboste en de bijgesneden land beheerd door de Universiteit. Deze module, bijgenaamd "The Living Filter", accepteert momenteel alle afvalwater afvalwater gegenereerd op basis van de campus plus enkele van de gemeente. Dit vermindert de kans voor overtollige voedingsstoffen te voeren beken die water aan de Chesapeake Bay leveren, beschermt de lokale koudwater visserij van lozingen van warm afvalwater die schadelijk is voor de vis, en voorkomt dat de levering van andere chemische stoffen opgenomen in het afvalwater van direct contact met aquatische ecosystemen.
Echter, er zijn altijd gevolgen van gedrag veranderingen, en deze alternatieve gebruik faciliteit is niet immuun voor deze. Vragen zijn gerezen met betrekking tot of de toepassing van het afvalwater uitstromende water is de bodem kunnen toestaan dat water te infiltreren in de bodem oppervlakte2,3,4,5 negatief beïnvloed en veroorzaakt meer afvoer, of er is een mogelijke besmetting van de lokale putjes met chemische (voedingsstoffen, antibiotica of andere farmaceutische verbindingen, producten voor persoonlijke verzorging) stoffen in het effluent van afvalwater, en of die chemicaliën samenstelt negatieve milieu-effecten, zoals door de opname van chemische stoffen in planten6 geteeld op de site, of de ontwikkeling van resistentie tegen antibiotica in de bodem organismen7 op de site.
Als gevolg van sommige van deze problemen, is deze studie uitgevoerd om te bepalen van de gevolgen voor de irrigatie van afvalwater afvalwater op de hydraulische geleidbaarheid van de bodem op verzadiging. De aanpak omvat het verzamelen van bodems van geselecteerde sites binnen of buiten het geïrrigeerde gebied en overeenkomen met de grond container steekproefgrootte met de laboratorium-setup. Het is belangrijk voor de bodem monsterrecipiënt om te passen in de laboratoriumapparatuur en voor het water dat naar beneden door de matrix van de bodem in de steekproef beweegt kan worden gescheiden van het water dat naar beneden beweegt zich tussen de bodem en de bodem monsterrecipiënt. Het protocol wordt beschreven hoe de laboratoriumapparatuur is gebouwd om ervoor te zorgen dat dit gebeurde.
Bodemmonsters worden verzameld met behulp van een hydraulische core sampler gekoppeld aan een trekker. Bodem kernen worden verzameld uit geselecteerde gebieden in het glooiende landschap en bewaard in een plastic hoes gemonteerd in de Steekmonster boren. Deze kernen worden bijeengezocht uit een Hagerstown slib leem, gelegen in een top landschap positie of in een depressional gebied. Zes representatieve toppen en zes depressional sites worden bemonsterd uit het geïrrigeerde gebied (een totaal van 12 geïrrigeerde gebied bemonsteringsplaatsen). Daarnaast worden drie toppen en drie depressional plaatsen bemonsterd uit een aangrenzende, niet-geïrrigeerde gebied (een totaal van zes niet-geïrrigeerde sites). Een maximum van zes kernen worden verzameld op elke site naar een maximale diepte van ongeveer 1200 mm, met elk monster van de kern zijn van ongeveer 150 mm lang (100 mm van het monster wordt vervat in de plastic hoes en 50 mm wordt opgenomen in de snijkop van de metalen sampler ). Na verwijdering van de metalen sampler, de kunststof mouwen met de verzamelde bodem kernen zijn uitgerust met eindkappen, rechtop naar het laboratorium vervoerd, en rechtop opgeslagen totdat zij worden gebruikt om te bepalen van de verzadigde hydraulische geleidbaarheid. Gelijktijdig, worden bodemmonsters verzameld op iedere diepte voor de bepaling van de bodem en de bodem oplossing concentraties van de Calcium (Ca), Magnesium (Mg) en natrium (Na) met behulp van een Mehlich 3-extractie voor de raming van de bodem concentraties8 en gedeïoniseerd water extracten op een 1:2-verhouding bodem massa: water massa. De chemische analyses van de water-extracten werden verkregen met inductief gekoppeld Plasma atomaire emissie spectroscopie (ICP-AES) en werden gebruikt voor het berekenen van de Sodium Adsorption Ratio (SAR).
De bepaling van de verzadigde doorlatendheid geschiedt voornamelijk met behulp van een constante hoofd methode9. Zouten van een oplossing met NB en de certificeringsinstantie om na te bootsen de afvalwater elektrische geleidbaarheid (EC) en SAR van het uitstromende water wordt gemaakt zodat de bodem/water kwaliteit variabelen vergelijkbaar met het afvalwater in het gebied toegepast zullen worden blootgesteld. In dit geval de EG is 1.3 dS/m en de SAR is 3, als gevolg van de EG en de SAR van het effluent in recente jaren voorafgaand aan de bemonsteringsperiode. [Technisch, de eenheden voor SAR zijn (milli-equivalent/liter)½ en worden meestal niet geïdentificeerd in de literatuur.]
De wijziging van de constante hoofd methode van Klute en Dirksen9 is de ontwikkeling van een scheidingsteken stroom door Walker8 om stroom door de kolom die zich hebben voorgedaan buiten de matrix van de bodem worden opgenomen in de schatting van de hydraulische bodem te voorkomen geleidendheid. Het scheidingsteken voor de stroom is gebouwd met behulp van polyvinylchloride (PVC) leidingen geselecteerd en machinaal overeenkomen met de grootte van de steekproef van de bodem. Een scherm ondersteunt het bodemmonster en het water dat door de bodem matrix is verhuisd naar het stromen de bodem van het monster. Een tweede outlet straalt het water dat naar beneden van de binnenkant van de plastic hoes, zodat er geen zogenaamde "muur stroom" onjuist worden opgenomen in de schatting van de hoeveelheid water die de bodem matrix doorloopt is gestroomd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. de bodem bemonstering locaties selecteren
- Identificeren via luchtfotografie en site visit(s) locaties die irrigatie door afvalwater en die nog niet hebben ontvangen.
- Selecteer verschillende representatieve sites om te proeven, waaruit veel aandacht aan de mogelijke landschap verschillen (met name landschap locatie, zoals top, kant helling, Teen helling en depressie) waarop water, bodem en planten kunnen communiceren anders.
- Identificeren van gedeelten van het landschap als een top, kant helling, Teen helling of depressie. Categoriseren de representatieve sites die zijn gebaseerd op hun belangrijkste kenmerken.
Opmerking: In dit experiment, sites werden geïdentificeerd als een niet-geïrrigeerde top, top, niet-geïrrigeerde depressie, geïrrigeerd of geïrrigeerd depressie. - Bepaal het aantal locaties en de site van elke locatie waaruit zal monsters worden genomen vanuit elke karakteristieke vertegenwoordiger-site.
Opmerking: Vaak gesprekken met een vertrouwd met milieustatistieken statisticus zal op dit punt zeer nuttig zijn en voorkomen dat latere betrekking tot statistische analyses. - Plaats een markering-vlag op de locatie van elke geplande monster en noteer de locatie van de geplande monster sites op een kaart, met behulp van GPS coördinaten.
2. het verzamelen van bodemmonsters
- Het bepalen van de apparatuur die worden gebruikt voor het verzamelen van de bodemmonsters.
Opmerking: voor ondiep (bijvoorbeeldminder dan 300 mm diep) bodemmonsters, een cilindrische bodem sampler (aanvullende figuur 1) van de grootte gebruikt voor dit experiment kunnen vaak worden gereden in de bodem met een drop-hamer, als de bodem zacht genoeg is. Voor het experiment hier beschreven, een hydraulische Boorinstallatie werd gebruikt om monsters worden verzameld uit de diepten tot 1200 mm.
Aanvullende figuur 1: Boorinstallatie gebruikt voor bemonstering.
- Het vervoer van de boorinstallatie naar de site uit te voeren van de bemonstering.
- Zet op harde hoeden, handschoenen en veiligheidsbril vóór het opstarten van de boorinstallatie.
- Schakel de boorinstallatie en lager de roterende kop voldoende om de installatie van de Kelly-bar.
Opmerking: De Kelly bar is de metalen staaf die de instelwaarde van de boorinstallatie met de sampler verbindt. - Plaats de Kelly-bar in de roterende kop.
- Een kunststof voering/monsterbuisje in het metalen monsterbuisje invoegen met een gekoppeld aan de onderkant van de metalen monsterbuisje snijkop. Voor de toepassing beschreven hier, gebruik een 150 cm lang en 90 mm buiten diameter (OD) kunststof voering gemonteerd in een 200 mm lang en 100 mm OD/90 mm binnen diameter (ID) metalen monsterbuisje.
- Het metalen monsterbuisje hechten aan de Kelly bar met behulp van een instelwaarde gemonteerd op beide.
- Bedienen van de boorinstallatie ga het monsterbuisje ongeveer 150 mm in de bodem.
Opmerking: Dit zal een 100 mm monster in de kunststof voering te verstrekken en laat voor een ruimte van 50 mm aan de bovenkant van het monster steekhoudend rijm op monster wanneer de verzadigde doorlatendheid metingen worden verkregen in het laboratorium. Dit zal ook helpen voorkomen met het comprimeren van het bodemmonster tijdens haar collectie. - Verwijder de metalen monsterbuisje uit de bodem met behulp van het hydraulische systeem van de boorinstallatie.
- Verwijder de metalen monsterbuisje uit de instelwaarde. Dan Verwijder het plastic Monster buis houdt het bodemmonster uit het metalen monsterbuisje, met behulp van zorg niet om te verliezen van de bodem van binnen het plastic monsterbuisje, en niet te comprimeren van de bodem of knijp de zijkanten van de plastic monsterbuisje.
- Plaats de eindkappen op elk uiteinde van de plastic monsterbuisje, met rood voor het einde bij de bovenkant van het bodemmonster en zwart voor de onderkant van het bodemmonster. Tape de eindkappen aan de mouw ter voorkoming van verontreiniging of het verlies van water uit het monster.
- Leg het monster rechtop voor vervoer terug naar het laboratorium.
- Blijven bemonstering tot de diepste diepte van belang, herhaalt u stap 2.6-2.12.
3. opbouw van een constante hoofd meerdere bodem doorlatendheid Setup, kolom
Opmerking: De doorlatendheid laboratoriumapparatuur is gebaseerd op werk van Walker10. Het gaat om het gebruik van een permeameter die is gebouwd om te scheiden van de informatiestroom tussen de buitenste rand van het monster en de cilinder met de ring van de stroom door de bodem-matrix. De ID van een PVC-pijp waarnaar hieronder is niet een strikte tolerantie. Sommige kunnen goed passen, en anderen voorschrijven wat werk (licht schuren).
- Het verkrijgen van een 100 mm lang, 96 mm ID/114 mm-OD schema 40 PVC pijp.
- Verkrijgen van een 100 mm lang, 73 mm ID/89 mm-OD schema 40 PVC pijp en machine om te hebben een 5 mm tapered snijkant. Dit voorzien van een plastic voering van 89 mm te passen over de buitendiameter.
- Afgesneden de bodem 20 mm van het schema 40 PVC pijp waarnaar wordt verwezen in stap 3.2 en behouden voor later gebruik.
- Van een 6 mm dikke blad van grijze PVC, de gesneden een 155 x 155 mm2. Machine het plein bevatten een cirkelvormige opening van 60-70 mm in het midden van het plein.
- Snijd een 6 mm dikke segment van een 73 mm OD/63 mm ID schema 40 PVC pijp.
Opmerking: Een 73 mm douche afvoer die binnen een 73 mm ID schema 40 PVC pijp past kan worden gesneden en werken goed als een 73 mm OD 40 PVC pijp plant is niet beschikbaar. - De 6 mm dikke segment van 73 mm OD PVC met PVC cement, hechten (uit stap 3.5) 20 mm onder de bovenkant van het PVC 89 mm OD (uit stap 3.2).
- Nadat de PVC cement gebruikt in stap 3.6 is opgedroogd, centreren de twee PVC-cilinders in het blad van 6 mm en deze koppelen aan het blad met PVC cement.
- Boor een gat in de buitenste PVC cilinder, ongeveer 15 mm boven de grijze PVC-plein, aan een 14 mm PVC-adapter met een prikkeldraad einde gecentreerd.
- Het cement van de adapter in plaats met behulp van PVC cement.
- Bevestig een 19 mm OD/13 mm ID kunststof buis aan de prikkeldraad uiteinde van de adapter.
- Cement, het stuk van de 20 mm van het schema 40 PVC waarnaar wordt verwezen in stap 3.4 naar de onderkant van het grijze PVC vierkant, gecentreerd op de opening.
- Knip een circulaire stuk van 80-85 mm diameter van 6 mm x 18 G gaas (een verzinkt stalen goot bewaker werkt goed voor dit) als u wilt invoegen in het PVC 89 mm OD vanaf de bovenkant, zodat het berust op het 6-mm dikke segment van de 73 mm OD PVC.
- Selecteer een 19 x 184 x 2438 mm3 bestuur en snijden in de helft, trimmen van elke lengte tot 1.180 mm.
- Knip 6 – 125 mm gaten verdeeld 70 mm uit elkaar in de Raad van bestuur.
- Plaats een gaas onder de gaten in de Raad van bestuur en voeg het (bijv., met behulp van een nietpistool).
- Plaats een 140 mm (bovenste opening) x 19 mm (uitloop OD) trechter onder het gaas en voeg het bij de Raad van bestuur; Zelfklevende breeuwwerk op de rand van de trechter te elimineren van de kloof tussen de bovenkant van de trechter en het hout te plaatsen.
-
Bouwen van een 750 mm hoge houten frame om het bord met de 6 gaten (zie stap 3.13 en 3.14) ongeveer 350 mm boven de onderkant van het frame.
- De onderdelen van dit kader op te nemen van een basis, twee frame uiteinden, twee stabiliserende poten, een lagere versterking base, een stabiliserende base, een center-stabiliseren terug board en een top terug board voor te bereiden.
- Snijd een bord tot en met 19 x 184 x 1.180 mm3 als basis.
- Gesneden twee planken 19 x 184 x 750 mm3 elke als frame eindigt.
- Gesneden twee boards maken een 19 x 184 x 600 mm3 stabiliseren been aan elk uiteinde.
- Snijd een bord tot en met 19 x 184 x 1.180 mm3 om te dienen als een lagere versterking base direct onder de Raad van bestuur met de 125 mm gaten geboord in het (zie stap 3.14).
- Een bord op 19 x 184 x 1,219 mm gesneden stabiliseren3 als stabiliserende basis gekoppeld aan de voorkant of achterkant van de twee benen.
- Snijd een bord tot en met 19 x 184 x 1,219 mm3 als een centrum terug bestuur te stabiliseren.
- Snijd een bord tot en met 19 x 184 x 1,219 mm3 als een top terug aan boord om toe te voegen extra stabiliteit, waarop een goot zal worden gehecht.
Opmerking: De top terug bestuur en het bijgevoegde goot moet op een hoogte zodat de onderkant van de goot ongeveer op de zelfde hoogte is als de top van de bodem in de bodem monster mouw zijn zal als het monster gebracht is.
Aanvullende figuur 2: Vooraanzicht van verzadigde doorlatendheid apparaat. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
-
De aanvoer en afvoer dakgoten voor te bereiden.
Opmerking: Elke kunststof goot is ongeveer 120 mm opzij en 1219 mm lang en is uitgerust met eindkappen.- Boor gaten in een eindkap van de goot afvoer en één uiteinde van de goot van de levering aan een 13 mm HB x MGHT nylon prikkeldraad einde adapter in elk gaatje.
- Boor gaten in de andere eindkap van de rugmarge levering aan een 25 mm ID PVC pijp te voorzien van afvoer terug naar de levering container.
- Cement de schuine PVC-verbindingen als u wilt toestaan voor de afvoer van water terug naar de levering container.
- Knippen van een 40 mm hoge goot eindkap past binnen het aanbod goot ongeveer 10 cm uit het stopcontact PVC-verbonden.
- Snijd een trapeziumvormige inkeping aan de bovenkant van dat eindkap die ongeveer 20 mm diep en 30 mm breed aan de onderkant en de 50 mm breed aan de bovenkant van de inkeping.
Opmerking: Dit zal handelen te handhaven van een constante hoofd in de goot van het aanbod. - Plaats de goot afvoer onder de trechters zodat het rust op de lagere versterking base van het houten frame.
- De levering goot hechten aan de top terug bestuur met vinyl goot hangers.
Aanvullende figuur 3: einde weergave van watervoorziening rugmarge. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
-
Bereid de waterbron.
- De kunststof buizen verbinden met de nylon prikkeldraad einde adapters in zowel de levering goot en de afvoer goot.
- Plaats een grote bak op de grond naast de geleidbaarheid-apparaat instellen om te dienen als de levering container.
Opmerking: De kuip moet zijn geselecteerd om genoeg water gedurende ten minste 24 uur van metingen te houden. - Plaats een kleine dompelpomp in de kuip en verbind deze via kunststof buis aan het einde van de inlaat van de goot levering.
- De kleine plastic buis verbinden met het prikkeldraad einde adapters van het stopcontact stroom (waarnaar wordt verwezen in 3.9) en de niet-verbonden uiteinde van de slang in de afvoer goot plaatsen.
- De levering container met water vullen.
- Sluit de pomp en stormloop op voor het vullen van de goot levering. Zorg ervoor het tarief van water gepompt in de goot levering is voldoende om te houden van de levering goot bijna vol zonder overlopen.
-
Een "praktijk bodemmonster" voor te bereiden om te identificeren van de wijzigingen die nodig zijn.
- Plaats een bodemmonster "praktijk" in een kunststof bemonstering mouw, verlaten ongeveer 50 mm ruimte tussen de bovenkant van de bodem en de bovenkant van de plastic hoes.
- Betrekking hebben op de onderkant van het monster en de mouw met een dubbele laag kaasdoek. Houd de kaasdoek op de mouw van de bemonstering met een voldoende grote rubberen band.
- Plaats de praktijk bodemmonster en de mouw in een bad van water tot ongeveer 1/3 van de hoogte van de hoes, gevuld met het einde van de kaasdoek wordt in het water.
- Na enkele uren, het water in de kuip tot ongeveer 2/3 van de hoogte van het monster te verhogen. Na het toestaan van het monster, tot 's nachts ingesteld, vul de kuip tot net onder de top van het bodemmonster (niet vanaf de bovenzijde van de mouw).
- Plaats het bodemmonster op de top van de 89-mm OD PVC-buis en druk er voorzichtig op de buis, waardoor de aangescherpte rand van de PVC-buis te drukken in de grond een paar millimeter toe te staan van de onderkant van de bodem om te rusten op het scherm.
Opmerking: De kaasdoek moet hebben van de rubberen band losgemaakt om dit mogelijk te maken. Merk ook op dat de top van de bodem in de mouw van het monster ongeveer niveau met de bodem van de goot van het aanbod moet en de bovenkant van de mouw monster ongeveer niveau met de bovenkant van de goot levering moet. -
Water naar de top van het bodemmonster leveren.
- Zet de pomp en vul de levering goot.
- Controleer het einde van de afvoerslang wordt geplaatst in de goot afvoer en de uitlaat van de goot afvoer is strak aangesloten op de kunststof buizen die wordt geplaatst in een afvoer of container op een lagere hoogte.
- Maak 6-mm buis met een hevel uit de goot levering naar de top van de bodem.
- Watermonsters ophalen in de kern van de bodem die uit de trechter wegloopt.
Opmerking: Voor de lengte van de tijd die nodig is om voldoende water om de precisie die vereist zijn voor het experiment, op basis van criteria van het onderzoek moeten monsters worden genomen. - Controleer op lekken of onverwachte problemen.
- Het bepalen van de lengte van de tijd die nodig is voor het verzamelen van een voldoende hoeveelheid water op basis van de tijd die nodig is om te vullen van ongeveer de helft een bekerglas van 100 mL met water (of een ander volume bepaald door het onderzoeksteam).
- Maak een gesimuleerde "muur stroom" door het invoegen van een kleine schroevendraaier of een ander soortgelijk voeren langs de binnenkant van de monsterrecipiënt kunststof bodem om te bevestigen dat de overtollige stroom gemaakt door deze doorgang naar de goot afvoer via de afvoerslang vloeien.
- Wijzig de instelling op basis van eventuele problemen die zijn gevonden in deze praktijk run.
4. het verkrijgen van doorlatendheid van de bodem waarden
- NAT van de bodemmonsters die werden verzameld uit de veld-site door de uiteinden van de onderkant van de monsters die met kaasdoek op zijn plek gehouden met een rubberen band, na de richtingen waarin stap 3,20 voor de praktijk uitvoeren.
- Start van de pomp en laat de levering goot te vullen. Controleer op lekkage.
- Leg de monsters op de doorlatendheid apparaat zoals gedaan voor de praktijk uitvoeren. Wees voorzichtig niet te comprimeren de monsters tijdens de behandeling.
- De sifon buizen ingesteld om water te verplaatsen van de goot van de levering op het oppervlak van de bodem die zijn opgenomen in de plastic hoes.
- Aanvankelijk, beginnen met het verzamelen van water uit de trechter elk 10-20 min, om te krijgen een idee van hoe lang te nemen monsters en hoe vaak monsters te nemen. Record tijden en massa/volume op elk tijdstip van de steekproef voor elk bodemmonster.
- Kijk voor opeenvolgende monsters bevat gelijke hoeveelheden van water. Na 3-5 monsters dezelfde hoeveelheid water bevatten, is het monster waarschijnlijk een steady-state bereikt.
Opmerking: Om ervoor te zorgen dat de steady state is bereikt, het kan wenselijk zijn om een paar extra monsters gepland 1 h uit elkaar te nemen. - De wet van Darcy gebruiken voor het berekenen van de verzadigde doorlatendheid;
waar
Kzat = verzadigde doorlatendheid (L/T)
V = volume van de steady-state water stroomt door de kern (L3)
L = lengte van het monster (L)
A = samplegebied dwarsdoorsnede van de kern (L2) via welke water stroomt. Voor deze instelling
T = tijd (T)
(H2 – H1) = hydraulische hoofd verschil (L); voor deze installatie is de afstand tussen de bovenkant van het water op het bodemoppervlak rijm en de onderkant van het bodemmonster.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Voor het onderzoek naar de vraag of de toepassing van afvalwater afvalwater op de site van Living Filter heeft invloed op het vermogen van de bodem voor het verzenden van water, experimenten we voor het meten van de verzadigde doorlatendheid van de bodem. We vergeleken de doorlatendheid van de bodem van de geïrrigeerde gebieden van de site met die van niet-geïrrigeerde gebieden van de site. De impact van afvalwater afvalwater op de doorlatendheid van de bodem is een kwestie van bezorgdheid, aangezien er enkele meldingen in minder vochtige gebieden van de verlaging van het vermogen van de bodem geweest voor het verzenden van water als gevolg van (bijvoorbeeld) een ophoping van natrium in de bodem of van de ontwikkeling van een oppervlakte biologische korst. Voor elk van de monsters verzameld voor hydraulische geleidbaarheid metingen, werden monsters van aangrenzende plaatsen binnen een meter van de doorlatendheid monsters verzameld voor een meting van de belangrijke kationen van Ca, Mg en Na in de bodemoplossing. De waarden van Ca, Mg en Na in de bodemoplossing werden geraamd van 1:2 bodem massa: water massaverhouding gedeïoniseerd water extracten van de bodems, met waarden terug-berekend op basis van het vochtgehalte van de bodem ten tijde van de bemonstering. Deze bodem oplossing concentraties werden gebruikt voor de berekening van de adsorptie natrium verhouding tussen de bodemoplossing, zoals gedefinieerd door:
Indien de waarden voor nb, Ca en Mg in milli-equivalent (milli-equivalent) worden gegeven / liter. (Voor nb, het aantal milli-equivalent/l = mg/l verdeeld door 23; voor Ca, milli-equivalent/l = mg/l gedeeld door 20; voor Mg, milli-equivalent/l = mg/l gedeeld door 12.)
Werd naar voren gebracht dat de doorlatendheid daalde met diepte in de depressional gebieden (Figuur 1), met de sterkste relatie van Kzat door diepte bestaande in het niet-geïrrigeerde gebieden.
Bij het overwegen van de relatie tussen Kzat met SAR, voor grondmonsters dan 20 cm, was er een sterke positieve relatie tussen Kzat en de SAR van de bodemoplossing voor de niet-geïrrigeerde depressies (Figuur 2), maar een sterke negatieve relatie tussen Kzat en SAR voor de geïrrigeerde depressies. Opgemerkt moet worden dat de waarden van de SAR op het gebied van niet-bevloeide aanzienlijk lager dan in het geïrrigeerde gebied waren en in een bereik waarin het niet te verwachten werden is dat de doorlatendheid van de bodem zou worden beïnvloed. De SAR-waarden in het geïrrigeerde gebied waren veel hoger en hoewel ze in een reeks niet verwacht om te maken van eventuele verlagingen in de doorlatendheid waren, het is waargenomen dat er een sterke negatieve relatie tussen Kzat en SAR (Figuur 2 was) .
Kijkend naar de verdeling van de SAR door diepte voor de niet-geïrrigeerde depressies (Figuur 3), was er weinig relatie tussen bodemoplossing SAR en diepte van de bodem. Dus, is het waarschijnlijk dat de relatie tussen de afnemende Kzat waarden door diepte wordt gedomineerd door veranderingen in de bodemkenmerken (structuur, textuur), die de neiging om met diepte. In tegenstelling, blijkt Figuur 4 dat er een sterke relatie tussen bodem diepte en bodemoplossing SAR voor bevloeide oppervlakten van de depressional. De sterke relatie tussen Kzat en SAR voor het geïrrigeerde gebied is waarschijnlijk te wijten aan zowel een sterke correlatie tussen bodem diepte en bodem oplossing SAR en tot op zekere hoogte tot een afname van Kzat met een toename van de diepte. Het lijkt, maar dat er enkele daling in Kzat gewoon als gevolg van de toegenomen SAR wellicht.
Figuur 1: Relatie tussen verzadigde doorlatendheid en diepte van de bodem voor bevloeide en niet-bevloeide depressies.
Figuur 2: Relatie tussen verzadigde doorlatendheid en natrium adsorption ratio (SAR) van de bodemoplossing voor bevloeide en niet-bevloeide depressies.
Figuur 3: Waarde van de gemiddelde SAR in de bodemoplossing steekproefsgewijs diepte voor sites die zich in niet-geïrrigeerde depressies.
Figuur 4: Waarde van de bodemoplossing SAR door diepte voor sites die zich in geïrrigeerde depressies.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De mogelijkheid om veld gebaseerde, ongeroerde grondmonsters verzamelen en het verkrijgen van hun waarden hydraulische geleidbaarheid is belangrijk bij het verkrijgen van de gegevens representatief voor een site. Om het beste vertegenwoordigen veldomstandigheden, is het belangrijk te gebruiken van bodemmonsters die nog steeds onder een vertegenwoordiger van de fysische toestand van hun omgeving in het veld. Bodemmonsters bijeengezocht uit een veld-site die vervolgens worden verstoord door de steekproef of door behandeling geïnduceerde verdichting, bijvoorbeeld, beleeft structurele veranderingen die van invloed zijn de verzadigde hydraulische geleidbaarheid.
Het is ook belangrijk dat er een middel om de doorlatendheid van de bodem in een gecontroleerde laboratorium-omgeving te meten. Echter, met behulp van de methode van een laboratorium voor de verzadigde doorlatendheid die niet goed zijn voor een stroom langs de binnenkant van de monsterrecipiënt (zogenaamde "muur stroom") zal resulteren in een slechte reproductie van resultaten, en hoge variabiliteit als gevolg van de methodologie in plaats van wijten aan natuurlijke variabiliteit.
Aangezien de ontwikkeling van het Disc-Permeameter in 1982 door Perroux11, gebaseerd op werk van Clothier en witte12, heeft veel moeite om te verkrijgen meer bevredigend veld gebaseerde bodem doorlatendheid metingen13is uitgegeven. Met veld gebaseerde metingen is zeer wenselijk, als "gestoord" bodem monsters (bijvoorbeeld, gedroogd en vermalen monsters omgepakt in een kolom) komen niet overeen met de natuurlijke bodemgesteldheid.
Er zijn echter ook nadelen aan het veld gebaseerde methoden om te verkrijgen bodem hydraulische geleidbaarheid. Een aanname gemaakt met veld gebaseerde methoden is dat de bodem ten grondslag liggen aan de apparatuur die wordt gebruikt voor het meten van de snelheid van de inname van water in de bodem uniform13 is. De meeste bodems zijn niet uniform echter bestaan uit lagen van de bodem materialen die in hun geleidbaarheid verschillen.
Een ander nadeel is het feit dat de campagne van een uitgebreide steekproef van 1-4 h (of meer vereisen kan) tijd van de meting per monster, naast de voorbereidingstijd van de site. Eerder werk op deze site14 verplicht enkele weken om te voltooien met behulp van de methode van Ankeny et al.13. Het gevolg is dat de collectie van een groot aantal monsters zulk een aanzienlijke periode vergt de veldomstandigheden zal veranderen (bijvoorbeeldplantengroei, vochtgehalte, etc.), waardoor de bemonstering kan ook verstoren veld bewerkingen (bijvoorbeeld, in dit geval afvalwater irrigatie toepassingen en oogst). Verschillen in milieu-omstandigheden (bijv., regenval) kunnen leiden tot veranderingen in de chemische eigenschappen van de bodem. In het geval van dit experiment, bodem Ca, Mg en nb concentraties gewijzigd vanwege de uitspoeling van Ca, Mg, en Na door de bodem als gevolg van de regenval infiltratie en neerwaartse water beweging.
Vanwege de fysieke arbeid die betrokken zijn bij en de lengte van tijd verplicht te stellen van de site wanneer het is bedekt met vegetatie14, en de lengte van de tijd vereist om te verzamelen van verzadigde doorlatendheid veld gebaseerde waarden, de mogelijkheid om te verkrijgen representatieve waarden over een waaier van diepten van de bodem en veld locaties kunnen verplichten tot een halve dag per monster per diepte. Nodig plantaardige productie werk op het terrein, met inbegrip van irrigatie, kunnen het beperken van de tijdsduur voor sample collectie.
Bovendien, zelfs als de tijd die nodig is om uit te voeren veldmetingen van verzadigde doorlatendheid op veel sites beschikbaar is, de lengte van de tijd om de monsters te krijgen over een veld site en op verschillende diepten zal noodzakelijkerwijs leiden tot vele monsters worden verzameld onder verschillende ecologische omstandigheden, als die verandering van dag tot dag (of vaker).
Monsters verzameld uit het veld met een hydraulische bodem sampler kunnen worden genomen in een veel kortere tijd, waardoor de wijzigingen die op de site van een veld na verloop van tijd plaatsvinden mag. De laboratorium-procedures voor het verkrijgen van de doorlatendheid van de bodem van deze monsters hebben echter het duidelijke nadeel worden onderworpen aan de zogenaamde "muur stroom"10. Muur stroom is de stroom van water langs de binnenkant van de monsterrecipiënt wanneer het monster wordt geplaatst op een constante hoofd apparaat die meestal wordt gebruikt om het verkrijgen van de schattingen van de doorlatendheid van de bodem. Deze stroom, resulteert als het deel van de maatregel van het tarief van beweging van het water door de bodem uitmaakt, in een ten onrechte hoge raming van hydraulische geleidbaarheid. Dit manuscript beschrijft het gebruik van een laboratorium te elimineren muur flow uit schattingen van de doorlatendheid van de bodem, en van een monster collectie methode die overeenkomt met de grootte van de bodem-steekproef aan de grootte van het laboratoriumapparatuur instellen.
Een cruciale stap is het verzamelen van bodemmonsters die hebben niet is gecomprimeerd. Hoewel de bodem vocht status invloed op de weerstand aan het inbrengen van de sampler en dus de compatibiliteit van de bodem hebben zal, is de aanbeveling dat de lengte van het monster verzameld moet iets korter dan de monster-voering die wordt ingevoegd het metalen monsterbuisje.
Vervoer van monsters uit het veld naar het lab moet gebeuren op een manier die verstoring aan hen minimaliseert. Ze rechtop te houden en ervoor te zorgen die zij niet strak tegen elke andere zal verpakt zijn helpen verminderen van verstoringen van de behandeling.
De meest kritische stap in het protocol is het bouwen van de laboratoriumapparatuur zodat deze overeenkomen met de grootte van de steekproef verzameld uit het veld, zodat de stroom van de muur is niet opgenomen in het water verzameld uit de bodem matrix10. Hoewel de beschrijving van de hier vermelde laboratoriumapparatuur voor een bepaalde grootte van monsterrecipiënt, kunnen andere middelgrote containers worden gebruikt als aan de houders van het monster in de laboratoriumapparatuur wordt ook voldaan in grootte.
Zodra een prototype is verzameld, moeten proefmonsters opzettelijk gemaakt tot resultaat in muur stroom worden benut om na te gaan dat de bouw van het apparaat echt muur stroom van bodem matrix stroom scheiden. Een andere belangrijke opmerking is of het definitieve ontwerp de oprichting van een constante hoofd van water op de top van het bodemmonster staat zonder overtopping van de kunststof bodem container. De bovenkant van de container van de bodem moet boven het waterniveau in de goot van het aanbod. Dit is van cruciaal belang. Als het water overtops de kunststof bodem-container, dan waren de afmetingen waarschijnlijk niet correct gemeten. Dit kan door het aanbrengen van een rubberring tot de bovenkant van de container van kunststof bodem, voorzichtig niet te verstoren het bodemmonster worden overwonnen.
De benodigde tijd voor de collectie van monster zal afhankelijk van zowel de criteria voor het experiment de precisie, alsmede de mate van beweging van het water door de bodem worden. Monsters moeten bijvoorbeeld mogelijk worden verzameld voor 10-20 min per uur voor een periode van 12 h tot een relatief constante hoeveelheid water door de kern van de bodem beweegt en in de container bemonstering telkens wanneer een monster wordt genomen. In andere gevallen, kunnen de monsters hoeft te worden verzameld voor 8-10 min. voor een periode van 3 of 4 h voordat een constante hoeveelheid water door de bodem voor een bepaald bemonsteringsperiode verhuist. Constante hoeveelheid water over de dezelfde periode monster wijzen op dat een "steady state"-voorwaarde had bereikt.
Bodem kernen waren voorbereid op een verzadigde doorlatendheid analyse door kaasdoek te plaatsen op de bodem van elk boormonster en dan het plaatsen van de kern in een bad van water te verzadigen langzaam de monsters van de bottom-up, voor een periode van ten minste 24 uur.
Na de presaturation, de kernen werden verwijderd uit de kuip en de onderkant van elk van de kernen was ingesteld op een stroom scheidingsteken ontworpen om te scheiden van een stroming langs de zijkanten van de plastic hoes, met de bodem, van de stroom door de bodem zelf. Zes bodem kernen tegelijk werden op dit apparaat waaronder een bankje met een rugmarge systeem10 met een weir voor de levering van water aan de bovenkant van de bodemmonsters aan een constante hoofd via sifon buizen geplaatst. Water was gepompt naar het systeem van de goot uit een reservoir met een dompelpomp.
Het scheidingsteken voor de stroom is in wezen een 100 mm lang en 100 mm diameter PVC buis die fungeert als een houder waarin de plastic hoes die houden van het bodemmonster zit. Een tweede PVC-buis (ongeveer 75 mm in diameter en 75 mm lang) aangescherpt zodat het bodemmonster contact op met de scherpe kant van dit PVC-buis en past binnen de buiten PVC-buis, met de plastic hoes het bodemmonster passend buiten de kleinere PVC-buis te houden. Een scherm in de kleinere PVC-buis ondersteunt het bodemmonster en het water dat door de bodem is verhuisd naar het stromen de bodem van het monster. Een tweede outlet straalt het water dat naar beneden van de binnenkant van de plastic hoes, zodat er geen zogenaamde "rondweg stroom" onjuist worden opgenomen in de schatting van de hoeveelheid water die via de bodem-matrix verplaatst is gestroomd.
Een belangrijke beperking om de techniek treedt op met bodems, zoals mensen met een hoog kleigehalte, die een laag verzadigd hydraulische geleidbaarheid hebben. Bodems met weinig verzadigde hydraulische geleidbaarheid moeten hebben meestal hun geleidbaarheid bepaald met een "vallende hoofd" aanpak7 in plaats van de constante hoofd benadering hier gebruikt. Het hier beschreven apparaat zou moeten aanzienlijk worden gewijzigd als u wilt toestaan voor een vallende hoofd aanpak worden gebruikt.
Het ontwerp is gebleken dat meer consistente resultaten van verzadigde bodem doorlatendheid10 dan traditioneel laboratorium methoden9. Gebruik van het ontwerp moet helpen verminderen de frequentie voor het opnemen van ten onrechte hoge schattingen van de hydraulische geleidbaarheid verzadigde bodem als gevolg van ten onrechte met inbegrip van muur stroom in de schattingen van de hoeveelheid water door de bodem stroomt over een periode van tijd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs bedank Pennsylvania State Universiteit Office van Physical Plant voor het verstrekken van gedeeltelijke financiering ter ondersteuning van dit project. Gedeeltelijke financiering werd ook verstrekt door de USDA-regionale onderzoeksproject W-3170. Wij zouden graag onze dankbaarheid uiten aan Ephraim Govere voor zijn hulp met het analytische werk. Onze diepste erkentelijkheid wil Charles Walker, wiens technisch ontwerp en de bouw vaardigheden maakte het mogelijk voor ons om dit werk te verrichten.
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
- 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).
