Summary
Hier präsentieren wir eine Methodik entspricht einer Stichprobengröße von Boden und eine hydraulische Leitfähigkeit Messgerät zu verhindern, dass die sogenannten wandströmung entlang der Innenseite des Behälters Boden in Wasser Durchflussmessungen fälschlicherweise aufgenommen zu werden. Seine Verwendung ist mit Proben von einer Abwasser-Bewässerung-Website unter Beweis gestellt.
Abstract
Seit den frühen 1960er Jahren eine alternative Abwasser-Entlastung-Praxis an der Pennsylvania State University erforscht und seine Auswirkungen überwacht. Anstatt entladen Abwasser in einen Stream behandelt und somit unmittelbar Auswirkungen auf die Streamqualität, wird das Abwasser zu bewaldeten angewendet und beschnittenen Land bewirtschaftet von der Universität. Bedenken in Bezug auf Kürzungen im Boden hydraulische Leitfähigkeit auftreten wenn Abwasserwiederverwendung in Betracht. In dieser Handschrift, die passende Boden-Sample-Größe mit der Größe des Labor-basierte hydraulische Leitfähigkeit Messung Apparates beschriebene Methode bietet die Vorteile einer relativ raschen Sammlung von Proben mit den Vorteilen des kontrolliert Labor-Randbedingungen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es einige Auswirkungen der Abwasserwiederverwendung auf den Boden-Fähigkeit, Wasser in größeren Tiefen in den depressional Bereichen der Website übertragen wurden. Die meisten der Kürzungen in den Boden hydraulische Leitfähigkeit in den Vertiefungen scheinen zu beziehen sich auf die Tiefe von der Probe erfasst wurden und Folgerung, verbunden mit dem Boden bauliche und strukturelle Unterschiede.
Introduction
Entlastung von gereinigtem Abwasser aus den Gemeinden in Streams ist seit Jahrzehnten gängige Praxis. Solches Abwasser wird in erster Linie zum Zweck der Verringerung des Potenzials für biologische Sauerstoffzehrung durch Mikroorganismen in den Vorfluter, durch das austretende Abwasser Abwasser behandelt. Sauerstoffverbrauch von Mikroorganismen verschlechtert sich organische Stoffe im Abwasser Reduzierung der Sauerstoff in das Gewässer, in die das Abwasser geleitet wird und damit Schaden aquatische Organismen, einschließlich Fisch.
In den letzten Jahrzehnten entwickelten Bedenken im Zusammenhang mit anorganischen Nährstoffen, einige Metalle und andere Chemikalien im Abwasser, die Schaden verursachen. Aufgrund einer Studie Kolpin Et al. 1, entwickelte sich eine stärkere Konzentration auf eine Reihe von Chemikalien, die bisher nicht in Betracht gezogen. Diese Studie, veröffentlicht von der United States Geological Society, Bewusstsein über die breite Palette von Körperpflege-Produkten und anderen Chemikalien in Flüssen und Bächen in den USA wegen aus Kläranlagen.
Seit den frühen 1960er Jahren haben Forscher an der Penn State University untersucht und entwickelt eine alternative Abwasser Entlastung Praxis etwas einzigartig in einem feuchten Bereich. Anstatt entladen Abwasser in einen Stream behandelt und somit unmittelbar Auswirkungen auf die Streamqualität, das Abwasser gilt für die bewaldeten und beschnittenen Land verwaltet von der Universität. Dieser Anwendungsbereich, den Spitznamen "The Living Filter" nimmt derzeit alle Abwasser Abwasser erzeugt aus dem Campus plus einige aus der Gemeinde. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit für überschüssige Nährstoffe Streams eingeben, die Wasser an der Chesapeake Bay zu liefern, schützt die lokalen Kaltwasser Fischerei vor Einleitung von warmen Abwasser, das ist schädlich für die Fische, und verhindert, dass die Lieferung anderer Chemikalien enthalten im Abwasser von aquatischen Ökosystemen direkt zu kontaktieren.
Allerdings gibt es immer wieder Folgen von Verhaltensänderungen und anderweitige Verwendung ist nicht immun gegen solche. Fragen entstanden in Bezug auf, ob die Anwendung des Abwassers Abwasser des Bodens Fähigkeit, Wasser, Boden Oberfläche2,3,4,5 zu infiltrieren kann negativ beeinflusst hat und verursacht mehr Abfluss, sei eine mögliche Kontamination der örtlichen Brunnen mit Chemikalien (Nährstoffe, Antibiotika oder andere Arzneimittel zur Behandlung, Körperpflege-Produkte) im Abwasser Abwasser enthalten, und ob diese Chemikalien negativ erstellen Auswirkungen auf die Umwelt, wie z. B. durch die Aufnahme von Chemikalien in Pflanzen6 gewachsen auf der Website oder die Entwicklung von Antibiotika-Resistenzen in Organismen7 auf dem Gelände des Bodens.
Durch einige dieser Bedenken ist diese Studie durchgeführt, um die Auswirkungen der Bewässerung des Abwasser Abwasser am Boden hydraulische Leitfähigkeit bei Sättigung zu ermitteln. Die Vorgehensweise umfasst Böden aus ausgewählten Standorten innerhalb oder außerhalb der bewässerten Fläche zu sammeln und Abgleich den Boden Stichprobenumfang-Container mit der Laboraufbau. Es ist wichtig für den Boden-Probe-Container in die Laborgeräte passen und für das Wasser, das nach unten der bodenmatrix in der Probe durchläuft getrennt werden aus dem Wasser, die zwischen dem Boden und der Probenbehälter Boden nach unten bewegt. Das Protokoll beschreibt, wie die Laborgeräte aufgebaut ist, um sicherzustellen, dass dies geschah.
Bodenproben werden gesammelt mit einem hydraulischen Core Sampler an einen Traktor angehängt. Boden-Kerne werden aus ausgewählten Gebieten in die hügelige Landschaft gesammelt und aufbewahrt in einer Kunststoffhülle ausgestattet in den Boden Core Sampler. Diese Kerne werden aus einer Hagerstown Silt Lehm, befindet sich in der Lage sein Gipfel Landschaft oder in einer depressional Gegend gesammelt. Sechs Vertreter Gipfeln und sechs depressional Seiten sind der bewässerten Fläche (insgesamt 12 bewässerten Fläche Meßstellen) entnommen. Darüber hinaus sind drei Gipfel und drei depressional Seiten aus einem benachbarten, nicht bewässerte Gebiet (insgesamt sechs nicht bewässerte Standorte) abgetastet. Maximal sechs Kernen ist an jedem Standort zu einer maximalen Tiefe von ca. 1.200 mm, mit jeder Bohrkern wird ca. 150 mm lang (100 mm von der Probe in der Plastikhülle und 50 mm in den Schneidkopf des Metal Sampler enthalten enthalten gesammelt. ). Nach der Entnahme aus dem Metal Sampler die Kunststoffhülsen, enthält die gesammelten Boden-Kerne sind mit Endkappen versehen, aufrecht ins Labor transportiert und aufrecht gelagert, bis sie zur Bestimmung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit verwendet werden. Gleichzeitig werden Bodenproben in jeder Tiefe für die Bestimmung des Bodens und Boden lösungskonzentrationen von Calcium (Ca), Magnesium (Mg) und Natrium (Na) mit einer Mehlich 3 Extraktion für Schätzungen des Bodens Konzentrationen8 und deionisiertes Wasser gesammelt. Auszüge im Verhältnis 1:2 Masse: Bodenwasser Masse. Die chemischen Analysen der Wasser-Extrakte wurden induktiv gekoppelten Plasma Atomic Emission-Spektroskopie (ICP-AES) entnommen und wurden verwendet, um das Natrium Adsorption Verhältnis (SAR) zu berechnen.
Die Bestimmung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit ist in erster Linie mit einem konstant-Kopf Methode9durchgeführt. Eine Lösung mit Ca und Na Salze um Abwasser elektrische Leitfähigkeit (EC) zu imitieren und SAR des Abwassers wird erstellt, sodass der Boden ausgesetzt werden wird Qualität Variablen ähnlich dem Abwasser im Bereich angewendet. In diesem Fall ist die EG 1,3 dS/m und der SAR-Wert beträgt 3, EG / SAR des Abwassers in den letzten Jahren vor der Probe reflektiert. [Technisch die Einheiten für SAR (Milliequivalents/Liter)½ sind und sind in der Regel nicht in der Literatur gekennzeichnet.]
Die Änderung der konstant-Kopf Methode Klute und Dirksen9 ist die Entwicklung eines Separators fließen durch Walker8 Durchfluss durch die Spalte zu verhindern, die außerhalb der bodenmatrix aufgetreten aus in die Schätzung der hydraulischen Boden aufgenommen wird Leitfähigkeit. Der Fluss-Separator basiert auf Polyvinylchlorid (PVC) Schläuche ausgewählt und bearbeitet den Boden Stichprobenumfang entsprechen. Ein Bildschirm der Bodenprobe unterstützt und ermöglicht das Wasser, das durch die bodenmatrix fließen heraus die Unterseite der Probe ist umgezogen. Eine zweite Steckdose strahlt das Wasser, das an der Innenseite der Kunststoffhülse, wodurch sogenannte "wall Flow" von nicht falsch aufgenommen in der Schätzung der Menge an Wasser, das durch die bodenmatrix bewegt geflossen ist.
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Protocol
1. Auswahl Boden Probenahme Standorten
- Durch Luftaufnahmen zu identifizieren und Website visit(s) Standorten, die Bewässerung durch Abwasser und diejenigen, die nicht erhalten haben.
- Wählen Sie mehrere repräsentative Standorte aus dem Probe, aufmerksam auf mögliche Landschaft Unterschiede (vor allem Landschaft Speicherort, z. B. Gipfel, Seite Neigung, Zehe Hang und Depression) auf denen Wasser, Boden und Pflanzen interagieren kann anders.
- Teile der Landschaft als ein Gipfel, Seite Hang, Zehe Hang oder Depression zu identifizieren. Die repräsentativen Websites basierend auf ihre wesentlichen Eigenschaften zu kategorisieren.
Hinweis: In diesem Experiment Websites wurden identifiziert als ein Gipfel nicht bewässerte, bewässert Gipfel, nicht bewässerte Depression oder Depression bewässert. - Bestimmen Sie die Anzahl der Standorte und der Website von jedem, die Ort, von dem jeder markanten repräsentativen Standort Proben entnommen werden.
Hinweis: Oft Gespräche mit Statistiker mit Umweltstatistiken vertraut werden an dieser Stelle sehr hilfreich sein und verhindern, dass spätere Bedenken in Bezug auf statistische Analysen. - Legen Sie eine Markierung Flagge an jedem Standort geplante Probe und notieren Sie den Speicherort der die geplante Beispielsites auf einer Karte mit GPS-Koordinaten.
2. Sammeln von Bodenproben
- Bestimmen Sie die Ausrüstung, die verwendet wird, um Bodenproben zu sammeln.
Hinweis: für flache (z.B.weniger als 300 mm tief) Bodenproben, einen zylindrischen Boden Sampler (ergänzende Abbildung1) von der Größe, die für dieses Experiment verwendet können oft in den Boden mit einem Fallhammer Gefahren werden, wenn der Boden weich genug ist. Für das hier beschriebene Experiment ein hydraulisches Bohrgerät wurde verwendet, um Proben aus tiefen gesammelt werden können bis zu 1.200 mm.
Zusätzliche Abbildung 1: Bohrständer für Stichproben verwendet.
- Transportieren Sie das Bohrgerät auf die Website, die Probenahme durchzuführen.
- Setzen Sie auf harte Hüte, Handschuhe und Schutzbrille vor Beginn den Bohrständer.
- Schalten Sie den Bohrständer und unteren der Drehkopf genug, um die Installation von der Kelly-Bar zu ermöglichen.
Hinweis: Die Kelly-Bar ist die Metallstange, die den Antriebskopf am Bohrständer mit dem Sampler verbindet. - Legen Sie die Kelly-Bar in der Drehkopf.
- Legen Sie eine Kunststoff-Liner/Probenröhrchen in das Metall Probenröhrchen mit einem Schneidkopf an der Unterseite des probenröhrchens Metall befestigt. Für die beschriebene Anwendung hier verwenden Sie ein 150 cm lang und 90 mm Außen Durchmesser (OD) Kunststoff-Liner ein 200 mm lange und 100 mm OD/90 mm im Durchmesser (ID) Metall Probenröhrchen eingebaut.
- Kelly mit einem Antriebskopf ausgestattet, um sowohl zuordnen Sie das Metall Probenröhrchen.
- Betreiben Sie den Bohrständer um das Probenröhrchen ca. 150 mm in den Boden zu bewegen.
Hinweis: Wird eine Probe von 100 mm in der Kunststoff-Liner bieten und ermöglichen einen 50 mm Abstand an der Spitze der Stichprobe zu halten Wasser ging auf die Probe, wenn der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit-Messungen im Labor gewonnen werden. Dieses hilft auch, zu vermeiden, Verdichtung der Bodenprobe während seiner Sammlung. - Entfernen Sie das Metall Probenröhrchen aus dem Boden mit dem hydraulischen System der Bohrständer.
- Entfernen Sie das Metall Probenröhrchen aus den Antriebskopf. Dann entfernen Sie der Kunststoff Probe Schlauch hält die Bodenprobe aus Metall Probenröhrchen, mit vorsichtig und nicht zu verlieren, Boden von innen das Kunststoff-Probenröhrchen und Sie verdichten den Boden oder drücken Sie die Seiten des dem Kunststoff-Probenröhrchen.
- Legen Sie die Endkappen an jedem Ende des Kunststoff probenröhrchens, mit rot für das Ende an der Spitze der Bodenprobe und schwarz für den unteren Teil der Bodenprobe. Kleben Sie die Endkappen an der Hülse, Kontamination oder den Verlust von Wasser aus der Probe zu vermeiden.
- Legen Sie die Probe stehend für den Transport ins Labor.
- Probenahme, die tiefste Tiefe des Interesses, wiederholen Sie Schritte 2,6 – 2.12 weiter.
3. der Bau eine Konstante Kopf, mehrere Spalte, Boden hydraulische Leitfähigkeit Setup
Hinweis: Die hydraulische Leitfähigkeit Laborgeräte basiert auf Arbeit von Walker10. Es beinhaltet die Verwendung von einer Permeameter, die konstruiert wird, um den Informationsfluss zwischen den äußeren Rand der Probe und der Zylinder mit den Ring aus der Durchströmung der bodenmatrix zu trennen. Die ID jedes PVC-Rohr, nachfolgend ist keine strenge Toleranz. Einige können gut passen, und andere erfordern einiges an Arbeit (leichtes Schleifen).
- Erhalten Sie ein 100 mm langes, 96 mm ID/114 mm OD Schedule 40 PVC-Rohr.
- Erhalten Sie ein 100 mm langes, 73 mm ID/89 mm-OD Schedule 40 PVC-Rohr und Maschine um eine 5 mm konisch Schneide haben. Bieten Sie diese mit einem 89 mm Kunststoff-Liner über den äußeren Durchmesser passen.
- Cut-off unten 20 mm Schedule 40 PVC-Rohr in Schritt 3.2 genannten und für späteren Gebrauch aufbewahren.
- Schneiden Sie aus einer 6 mm dicken grauen PVC 155 x 155 mm2. Maschine den Platz, um eine kreisförmige Öffnung von 60 – 70 mm in der Mitte des Platzes enthalten.
- Schneiden Sie eine 6 mm dicke Scheibe von einem 73 mm OD/63 mm ID Schedule 40 PVC-Rohr.
Hinweis: Eine 73 mm Duschrinne passt in einem 73 mm ID Schedule 40 PVC-Rohr kann geschnitten werden und funktioniert gut, wenn eine 73 mm OD 40 PVC-Rohr zu planen ist nicht verfügbar. - Mit PVC-Kleber, befestigen Sie die 6 mm dicke Scheibe von 73 mm OD PVC (von Schritt 3.5) 20 mm unterhalb der Oberkante des 89 mm OD PVC (aus Schritt 3.2).
- Nachdem der PVC-Zement verwendet im Schritt 3.6 getrocknet ist, zentrieren Sie die zwei PVC-Zylinder auf der 6 mm-Blatt und das Blatt mit PVC Zement beifügen.
- Bohren Sie ein Loch in den äußeren PVC-Zylinder zentriert ca. 15 mm über dem grauen PVC-Platz, einen 14 mm PVC-Adapter mit einem Stacheldraht Ende unterzubringen.
- Den Adapter mit PVC Zement Zement.
- Legen Sie eine 19 mm OD/13 mm ID Kunststoffschlauch auf Stacheldraht Ende des Adapters.
- Zement, 20 mm Stück des Schedule 40 PVC gemäß 3.4 Schritt nach unten auf den grauen PVC-Platz, zentriert auf die Öffnung.
- Schneiden Sie ein 80 – 85 mm Durchmesser rundes Stück 6 mm x 18 G Drahtgeflecht (verzinktem Stahl Gosse Wache eignet sich gut für diese) um in 89 mm OD PVC von oben einzufügen, so dass es stützt sich auf die 6 mm dicke Scheibe von 73 mm OD PVC.
- Wählen Sie ein 19 x 184 x 2.438 mm3 Brett, und schneiden Sie es in Hälfte schneiden jede Länge bis 1.180 mm.
- Schneiden Sie 6 – 125 mm, die Löcher im Board Abstand von 70 mm Abstand.
- Ein Drahtgeflecht unter die Löcher in der Platine zu platzieren und befestigen Sie es (zB., mit einem Tacker).
- Platzieren Sie eine 140 mm x 19 mm (Auslauf OD) Trichter (obere Öffnung) unter das Drahtgeflecht und befestigen Sie es an den Vorstand; Platzieren Kleber Abdichten am Rand des Trichters, Lücken zwischen der Oberseite des Trichters und des Holzes zu beseitigen.
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Bauen einen 750 mm hohen Holzrahmen um das Brett mit 6 Löchern halten (siehe Schritte 3.13 und 3.14) ca. 350 mm über dem Boden des Rahmens.
- Bereiten Sie die Komponenten dieses Rahmens sollen eine Basis, zwei Frame endet zwei stabilisierende Beine, eine geringere Verstärkung Basis, eine stabilisierende Basis, eine Mitte-stabilisierenden Rückwand und ein Top Rückwand.
- Schneiden Sie ein Brett auf 19 x 184 x 1.180 mm3 als Basis.
- Schneiden Sie zwei Bretter bis 19 x 184 x 750 mm3 jeweils als Frame endet.
- Schnitt zwei Bretter erstelle ich ein 19 X 184 X 600 mm3 Stabilisierung Bein an jedem Ende.
- Schneiden Sie ein Brett auf 19 x 184 x 1.180 mm3 als ein niedrigerer Stärkung Basis direkt unter dem Brett mit der 125 mm Bohrungen in es (siehe Schritt 3.14) dienen.
- Schneiden Sie ein Brett bis 19 x 184 x 1.219 mm stabilisiert3 als stabilisierende Basis befestigt an der Vorder- oder Rückseite der beiden Beine.
- Schneiden Sie ein Brett auf 19 x 184 x 1.219 mm3 als stabilisierende Rückwand Zentrum.
- Schneiden Sie ein Brett auf 19 x 184 x 1.219 mm3 , als eine Top zurück an Bord fügen Sie zusätzliche Stabilität, auf dem eine Dachrinne angebracht werden soll.
Hinweis: Der oberen Rückwand und angehängten Rinne in einer Höhe sollte so, dass der Boden der Rinne etwa auf derselben Höhe wie die Oberseite des Bodens in der Boden-Probe-Hülse sein wird, wenn die Probe vorhanden ist.
Ergänzende Abbildung2: Frontansicht der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit Apparat. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Bereiten Sie die zu- und Abwasser Rinnen.
Hinweis: Jeder Kunststoff Dachrinne ist ca. 120 mm breit und 1219 mm lang und ist mit Endkappen versehen.- Bohren Sie Löcher in einer Endkappe der Entwässerung Rinne und ein Ende der Versorgung Rinne, einen 13 mm HB X MGHT Nylon Stacheldraht Ende Adapter in jedem Loch unterzubringen.
- Bohren Sie Löcher in die anderen Endkappe der Rinne Versorgung, einem 25 mm ID PVC-Rohr für Entwässerung zurück zu dem Vorratsbehälter ermöglichen unterzubringen.
- Die abgewinkelten PVC-Verbindungen zu festigen, Bedarf zur Ableitung von Wasser zurück in den Vorratsbehälter zu ermöglichen.
- Schneiden Sie eine 40 mm Hohe Rinne Endkappe, passen in die Versorgung Dachrinne ca. 10 cm aus der Steckdose PVC verbunden.
- Schnitt eine trapezförmige Kerbe an der Spitze der die Endkappe ist ca. 20 mm tief, 30 mm breit, 50 mm breit an der Kerbe oben und unten.
Hinweis: Dies wird handeln, um eine Konstante Kopf in der Gosse Versorgung zu erhalten. - Die Entwässerung Rinne unterhalb der Trichter zu platzieren, so dass es auf der unteren stärkenden Basis des hölzernen Rahmens liegt.
- Die oberen Rückwand mit Vinyl Rinne Aufhänger zuordnen Sie die Versorgung Gosse.
Ergänzende Abbildung 3: Ansicht der Wasserversorgung Gosse enden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Bereiten Sie die Wasser-Quelle.
- Verbinden Sie den Kunststoffschlauch mit Nylon Stacheldraht Ende Adapter in der Gosse Versorgung und die Entwässerung Rinne.
- Platzieren Sie eine große Badewanne auf dem Boden neben der Leitfähigkeit Gerät so eingerichtet, dass als die Vorratsbehälter dienen.
Hinweis: Die Wanne sollte gewählt werden, genügend Wasser für mindestens 24 Stunden Messungen zu halten. - Platzieren Sie eine kleine Tauchpumpe in die Wanne zu und verbinden Sie es über Kunststoffschlauch, der Meeresarm-Ende der Rinne Versorgung.
- Verbinden Sie die kleine Kunststoffrohre mit Stacheldraht Ende Adapter von der Steckdose Strom (gemäß 3,9) und legen Sie die nicht verbundenen Ende des Schlauches in die Entwässerung Rinne.
- Füllen Sie der Vorratsbehälter mit Wasser.
- Schließen Sie die Pumpe und führen Sie es um die Versorgung Rinne zu füllen. Sicherstellen Sie, dass die Rate von Wasser in die Versorgung Rinne gepumpt ausreichen, um die Versorgung Rinne fast voll ohne Überlaufen zu halten ist.
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Bereiten Sie eine Bodenprobe"Praxis", Modifikationen erforderlich zu identifizieren.
- Legen Sie eine "Praxis" Bodenprobe in einem Kunststoff Probenahme Ärmel, so dass ca. 50 mm Abstand zwischen der Spitze des Bodens und dem oberen Rand der Kunststoffhülse.
- Das untere Ende der Probe und Hülse mit einer doppelten Schicht von Gaze abdecken. Halten Sie die Gaze auf die Probenahme-Hülse mit einem ausreichend großen Gummiband.
- Der Praxis Bodenprobe und am Ärmel in einer Wanne mit Wasser gefüllt, ca. 1/3 der Höhe der Hülse mit Gaze Ende im Wasser zu platzieren.
- Heben Sie nach mehreren Stunden das Wasser in die Wanne zu etwa 2/3 der Höhe der Probe. Füllen Sie nach Abzug der Probe über Nacht einstellen die Wanne knapp unter der Spitze der Bodenprobe (nicht vom oberen Rand der Hülse).
- Legen Sie die Bodenprobe auf die 89 mm OD PVC-Schlauch und drücken Sie es sanft auf das Rohr, so dass geschärften Rand des PVC-Rohr in den Boden ein paar Millimeter zu drücken, um die Unterseite des Bodens, auf dem Bildschirm ablegen zu ermöglichen.
Hinweis: Die Gaze musst das Gummiband gelockert, um dies zu ermöglichen haben. Beachten Sie, dass die Oberseite des Bodens in der Probe Hülse etwa auf Niveau mit der Unterseite der Versorgung Rinne sollte und der Spitze der Stichprobe Hülse etwa auf Niveau mit dem oberen Rand der Versorgung Gosse sollte. -
Bieten Sie Wasser an die Spitze der Bodenprobe.
- Schalten Sie die Pumpe und füllen Sie die Versorgung Gosse zu.
- Stellen Sie sicher, das Ende des entwässerungsrohres befindet sich in der Entwässerung Rinne und Austritt aus der Entwässerung Rinne ist eng an Kunststoffrohren, die in einen Abfluss oder einen Behälter auf einer niedrigeren Höhe platziert wird.
- Mit 6 mm Schlauch, erstellen Sie einen Siphon aus der Gosse Versorgung an die Spitze des Bodens.
- Sammeln Sie Wasserproben aus dem Boden-Kern, der aus dem Trichter mündet.
Hinweis: Für die Länge der Zeit benötigt, um genügend Wasser zu erhalten, um die Präzision, die für das Experiment, basierend auf Suchkriterien haben sollten Proben gesammelt werden. - Überprüfen Sie auf Lecks oder unerwartete Probleme.
- Bestimmen Sie die ungefähre Länge der Zeit benötigt, um eine ausreichende Menge an Wasser, die basierend auf der Zeit benötigt, um etwa die Hälfte eine 100 mL-Becherglas mit Wasser füllen zu sammeln (oder andere Volumen durch das Research-Team bestimmt).
- Erstellen Sie eine simulierte "wall Flow" durch das Einfügen einen kleinen Schraubendreher oder einem anderen ähnlichen umzusetzen entlang der Innenseite der Kunststoff Boden Probenbehälter zu bestätigen, dass der überschüssige Strom erstellt von diesem Durchgang, die Entwässerung Rinne durch den Drainageschlauch fließt.
- Ändern Sie das Setup basierend auf alle Probleme in diesem Praxis-Lauf gefunden.
4. Boden hydraulische Leitfähigkeit erhalten Werte
- Nass, Bodenproben, die aus der Wiese gesammelt wurden, indem Sie die unteren Enden der Proben mit Gaze mit einem Gummiband gehalten abdecken, befolgen Sie die Anweisungen in Schritt 3.20 für die Praxis laufen bereitgestellt.
- Starten Sie die Pumpe und ermöglichen Sie die Versorgung Rinne zu füllen. Auf Dichtheit prüfen.
- Legen Sie die Proben auf die hydraulische Leitfähigkeit Gerät, wie gemacht für die Praxis führen. Achten Sie darauf, dass Sie nicht bei der Handhabung der Proben kompakt.
- Die Siphon-Rohre für Wasser aus der Gosse Versorgung auf die Oberfläche des Bodens in die Kunststoffhülse enthaltenen bewegen eingerichtet.
- Zunächst beginnen Sie, Wasser aus dem Trichter zu sammeln alle 10 – 20 Minuten, um eine Vorstellung davon, wie lange, nehmen Proben und wie oft nehmen Proben zu gewinnen. Bestzeiten und Massen/Wassermengen Probe jeweils für jede Bodenprobe.
- Suchen Sie nach sequentielle Proben, um gleiche Mengen von Wasser enthalten. Nach 3 – 5 Proben die gleiche Menge an Wasser enthalten, hat die Probe wahrscheinlich einen stabilen Zustand erreicht.
Hinweis: Um sicherzustellen, dass die Steady-State erreicht ist, kann es wünschenswert, ein Paare zusätzliche Proben geplant 1 h auseinander zu nehmen sein. - Verwenden Sie Darcy-Gesetz die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit berechnet;
wo
Ksa = gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit (L/T)
V = Steady-State-Volumen des Wassers, das durch den Kern (L3)
L = Sample-Länge (L)
A = Querschnittsfläche der Probe des Kerns (L2) durch die Wasser fließt. Für dieses setup
T = Zeit (T)
(H2- H1) = hydraulische Wasserspiegeldifferenz (L); für dieses Setup ist es der Abstand zwischen der Spitze des Wassers auf der Bodenoberfläche hellgrauer und dem unteren Rand der Bodenprobe.
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Representative Results
Zur Untersuchung der Frage, ob die Anwendung von Abwasser Abwasser auf dem Gelände Leben Filter die Fähigkeit des Bodens, Wasser übertragen ausgewirkt hat, haben wir Experimente zur Messung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens durchgeführt. Wir verglichen die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens von bewässerten Gebieten des Standortes mit denen nicht bewässerte Bereiche der Website. Die Auswirkungen von Abwasser Abwasser auf die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens ist eine Frage von Belang, da es einige Berichte in weniger feuchten Regionen Reduktionen in der Fähigkeit des Bodens schon, Wasser aus (zum Beispiel) eine Ansammlung von Natrium in den Boden zu übertragen oder von der Entwicklung einer Oberfläche biologische Kruste. Für jeden der die Proben für die hydraulische Leitfähigkeit Messungen wurden Proben aus benachbarten Orten innerhalb von einem Meter der hydraulischen Leitfähigkeit Proben für eine Messung von der großen Kationen Na, Ca und Mg in der Bodenlösung gesammelt. Die Werte von Ca, Mg und Na in der Bodenlösung wurden von 1:2 Boden Masse: Wasser Massenverhältnis deionisiertes geschätzt der Böden, mit Rücken-berechneten Werte basierend auf dem Boden-Wasser-Inhalt zum Zeitpunkt der Probenahme Wasser extrahiert. Diese Böden lösungskonzentrationen wurden verwendet, um das Natrium Adsorption Verhältnis der Bodenlösung, berechnen, definiert durch:
wo sind die Werte für Na, Ca und Mg in Milliequivalents (Meq) angegeben / Liter. (Für Na, die Anzahl der mmol/l = mg/l geteilt durch 23; für Ca, mmol/l = mg/l geteilt durch 20; für Mg, mmol/l = mg/l geteilt durch 12.)
Es wurde beobachtet, dass die hydraulische Leitfähigkeit mit Tiefe in den depressional Bereichen (Abbildung 1), verringert die stärkste Beziehung Ksaß , durch Tiefe in den nicht bewässerten Gebieten vorhandenen.
Wenn man das Verhältnis von Ksaß mit SAR, Bodenproben unter 20 cm, gab es eine starke positive Beziehung zwischen Ksaß und den SAR-Wert der Bodenlösung für die Unbewässerte Vertiefungen (Abbildung 2), aber eine starke negative Beziehung zwischen Ksaß und SAR für die bewässerten Vertiefungen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Werte der SAR im Bereich Unbewässerte deutlich unter denen in der bewässerten Fläche lagen und waren in einem Bereich, in dem es nicht erwartet wird, dass die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens beeinflusst werden. Die SAR-Werte in der bewässerten Fläche viel höher waren und obwohl sie in einem Bereich nicht zu erwarten, Kürzungen in der hydraulischen Leitfähigkeit zu schaffen waren, es wird beobachtet, dass gab es eine starke negative Beziehung zwischen Ksaß und SAR (Abbildung 2) .
Betrachtet man die Verteilung der SAR durch Tiefe für die Unbewässerte Vertiefungen (Abbildung 3), gab es wenig Beziehung zwischen Bodenlösung SAR und Bodentiefe. So ist es wahrscheinlich, dass die Beziehung zwischen der abnehmenden Ksaß Werte durch Tiefe durch Veränderungen in der Bodenbeschaffenheit (Struktur, Textur),, die dazu neigen beherrscht wird, mit Tiefe zu ändern. Im Gegensatz dazu zeigt Abbildung 4 , dass es eine starke Beziehung zwischen Bodentiefe und Bodenlösung SAR für bewässerten depressional Gebieten. Die starke Beziehung zwischen Ksaß und SAR für der bewässerten Fläche ist wahrscheinlich auf eine starke Korrelation zwischen Bodentiefe und Boden Lösung SAR und in gewissem Maße zu einer Abnahme der Ksaß mit einer Zunahme der Tiefe. Es scheint jedoch, dass möglicherweise einige Rückgang der Ksaß , einfach aufgrund der erhöhten SAR.
Abbildung 1: Beziehung zwischen gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit und Bodentiefe für bewässerten und nicht bewässerten Depressionen.
Abbildung 2: Beziehung zwischen gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit und Natrium-Adsorption-Verhältnis (SAR) von der Bodenlösung für bewässerten und nicht bewässerten Depressionen.
Abbildung 3: Wert des durchschnittlichen SAR in der Bodenlösung durch Stichproben Tiefe für Standorte in Unbewässerte Depressionen.
Abbildung 4: Wert der Bodenlösung SAR durch Tiefe für Standorte in bewässerten Depressionen.
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Discussion
Die Fähigkeit, Feld-basierte, ungestörten Bodenproben zu sammeln und erhalten ihre hydraulische Leitfähigkeit-Werte ist wichtig bei der Beschaffung von Daten repräsentativ für eine Website. Um am besten Feldbedingungen repräsentieren, ist es wichtig, Bodenproben zu verwenden, die in einem Aggregatzustand Vertreter ihrer Umgebung im Bereich bleiben. Bodenproben gesammelt von der Wiese, die sind dann gestört durch Unterabtastung oder Handhabung induzierte Verdichtung, zum Beispiel, strukturelle Veränderungen, die Auswirkungen die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit zu erleben.
Es ist auch wichtig, ein Mittel zur Messung der Boden hydraulischen Leitfähigkeit in einer kontrollierten Laborumgebung zu haben. Verwenden Sie jedoch eine Labormethode für der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit, nicht um einen Fluss entlang der Innenseite der Probenbehälter zu berücksichtigen (so genannte "wall Flow") führt eine schlechte Reproduktion der Ergebnisse und hohe Variabilität durch Methodik anstatt auf natürliche Variabilität.
Da die Entwicklung des Permeameter Disc 1982 von Perroux11, basiert auf der Arbeit von Tuchmacher und weißen12, hat viel Mühe aufgewendet wurden, um feldbasierte Boden hydraulische Leitfähigkeit Messungen13zufriedenstellender zu erhalten. Feld-basierte Messungen ist höchst wünschenswert, als "gestört" Boden Proben (z. B. getrocknet und gemahlen Proben in eine Spalte umgepackt) spiegeln nicht die natürliche Bodenverhältnisse.
Allerdings gibt es auch Nachteile der Feld-basierte Methoden, Boden hydraulischen Leitfähigkeiten zu erhalten. Eine Annahme gemacht mit Feld-basierten Methoden ist, dass die Erde zugrunde liegt die Ausrüstung verwendet, um die Rate der Wasseraufnahme in den Boden zu messen einheitliche13. Aber die meisten Böden sind nicht einheitlich sondern bestehen aus Schichten von Boden-Materialien, die in ihrer Leitfähigkeiten unterscheiden.
Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, die eine umfangreiche Sampling-Aktion von 1 – 4 h (oder mehr) erfordern kann Messzeit pro Probe neben die Website Vorbereitungszeit. Frühere Arbeiten auf dieser Seite14 benötigt mehrere Wochen in Anspruch, mit der Methode der Ankeny Et Al13. Die Folge ist, dass die Sammlung einer großen Anzahl von Proben so einen beträchtlichen Zeitraum erforderlich ist, dass Feldbedingungen ändert (z.B., Pflanzenwachstum, Wassergehalt, etc.), und die Probenahme kann auch mit Feld Operationen (z.B., in diesem Fall Abwasser Bewässerung und Ernte). Unterschiede in der Umweltbedingungen (z.B. Regen) führt zu Veränderungen der chemischen Eigenschaften des Bodens. Bei diesem Experiment geändert Boden Ca, Mg und Na-Konzentrationen durch die Auswaschung von Ca, Mg und Na durch den Boden durch Niederschläge Infiltration und abwärts Wasserbewegung.
Wegen der körperlichen Arbeit beteiligt und die Länge der Zeit erforderlich, um die Website zu erstellen, wenn es mit Vegetation14 bedeckt ist, und die Länge der Zeit erforderlich, um feldbasierte gesättigten hydraulischen Leitfähigkeitswerte, die Fähigkeit zu sammeln Repräsentative Werte über einen Bereich von bodentiefen und Feld Standorte können bis zu einen halben Tag pro Probe pro Tiefe erfordern. Notwendige Produktion Bereich Anlagenbetrieb, einschließlich Bewässerung, können die Zeitdauer für die Probenahme einschränken.
Darüber hinaus auch wenn der Zeitaufwand durchzuführen Feldmessungen der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit an vielen Standorten verfügbar ist, wird die Länge der Zeit Proben auf der Wiese und in mehreren tiefen erhalten notwendigerweise viele Proben ergibt unter verschiedenen Umweltbedingungen, wie den Wechsel von Tag zu Tag (oder häufiger).
Proben aus dem Bereich mit einem hydraulischen Boden Sampler können abgeholt werden in viel kürzerer Zeit, wodurch sich die Veränderungen, die im Laufe der Zeit auf eine Wiese stattfinden können. Jedoch haben die Laborverfahren, die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens von solchen Proben zu erhalten die deutlichen Nachteil der sogenannten "wall Flow"10unterlag. Wandströmung ist die Strömung des Wassers entlang das Innere des probenbehälters, wenn die Probe auf einem konstanten Kopf Gerät platziert wird, die in der Regel verwendet wird, um Boden hydraulische Leitfähigkeit Schätzungen zu erhalten. So fließen, führt wenn es in das Maß für die Geschwindigkeit der Bewegung des Wassers durch den Boden enthalten ist eine irrtümlich hohe Schätzung der hydraulischen Leitfähigkeit. Dieses Manuskript beschreibt die Verwendung eines Labors zur Beseitigung wandströmung von Schätzungen der Boden hydraulische Leitfähigkeit und eine Probe-Sammlung-Methode, die Boden-Sample-Größe auf die Größe der Laborausstattung entspricht eingerichtet.
Ein wichtiger Schritt ist, Bodenproben zu sammeln, die nicht komprimiert wurden. Obwohl der Boden Feuchtigkeit Status den Widerstand gegen die Einfügung des Samplers und damit die Vereinbarkeit des Bodens auswirkt, ist die Empfehlung, daß die Länge der Probe etwas kürzer als die Probe Zwischenlage eingefügt wird das Metall Probenröhrchen.
Transport von Proben aus dem Feld in das Labor sollte in gewissem Sinne erfolgen die Störungen zu minimieren. Aufrecht zu halten und sicherzustellen, die sie nicht gegen jedes andere werden dicht dazu beitragen, Umgang mit Störungen.
Der wichtigste Schritt im Protokoll ist, bauen die Laborgeräte angepasst, die Größe der Stichprobe, die aus dem Bereich gesammelt, so dass Wand fließen nicht in die Wasser aus dem Boden Matrix10enthalten ist. Obwohl die Beschreibung der enthaltenen Laborgeräte für eine bestimmte Größe der Probenbehälter ist, können andere mittelgroße Behälter verwendet werden, wenn der Probenhalter in die Laborgeräte in der Größe ähnlich abgestimmt sind.
Sobald ein Prototyp montiert ist, sollten Proben absichtlich geschaffen, zum Ergebnis in wandströmung genutzt werden, um festzustellen, dass die Konstruktion des Gerätes wirklich wandströmung aus dem Boden Matrix Flow trennt. Eine weitere wichtige Beobachtung ist, ob das endgültige Design die Einrichtung eines ständigen Kopf des Wassers auf die Bodenprobe erlaubt ohne Überflutung des Kunststoff Boden-Containers. Den oberen Rand des Containers Boden muss oberhalb des Wasserspiegels in der Gosse Versorgung sein. Dies ist kritisch. Wenn das Wasser den Kunststoff Boden Container überragt, würden dann die Dimensionen nicht richtig gemessen. Dies kann durch den Einbau eines Gummirings an die Spitze des Behälters Kunststoff Boden, wobei Sie darauf achten, nicht zu stören die Bodenprobe überwunden werden.
Der Zeitaufwand Sample-Sammlung werden abhängig von den Kriterien für das Experiment Präzision sowie die Geschwindigkeit der Bewegung des Wassers durch den Boden. Beispielsweise müssen Proben gesammelt werden für 10 – 20 Minuten pro Stunde für einen Zeitraum von 12 h bis eine relativ konstante Wassermenge bewegt sich durch den Boden-Kern und in der Probenbehälter jeweils eine Probe entnommen. In anderen Fällen müssen die Proben nur für 8 – 10 min für einen Zeitraum von 3 oder 4 h gesammelt werden, bevor eine konstante Menge an Wasser durch den Boden für eine gegebene Probe Zeit bewegt. Konstante Mengen an Wasser über den gleichen Zeitraum Probe deutet darauf hin, dass ein "Steady State" Zustand erreicht hatte.
Boden Kerne wurden auf einer gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit Analyse vorbereitet indem Gaze auf der Unterseite der einzelnen Kerne und setzen dann den Kern in einer Wanne mit Wasser langsam die Proben von unten nach oben, für einen Zeitraum von mindestens 24 h zu sättigen.
Nach Presaturation wurde die Kerne aus der Wanne entfernt wurden und am Ende jeder der Kerne auf eine Fluss-Separator entwickelt, um jede Strömung entlang der Seiten des die Kunststoffhülse mit der Erde, aus der Strömung durch die Erde selbst zu trennen. Sechs Boden Kerne zu einem Zeitpunkt wurden auf diesem Gerät platziert, inklusive eine Bank mit einer Rinne System10 , enthält ein Wehr für die Lieferung von Wasser an die Spitze der Bodenproben an eine Konstante Spitze durch Röhren Siphon. Wasser wurde für das Rinnensystem aus einem Reservoir mit einer Tauchpumpe ausgepumpt.
Der Fluss Separator ist im Wesentlichen eine lange 100 mm und 100 mm Durchmesser PVC Rohr dient als Inhaber eines in dem die Kunststoffhülse halten die Bodenprobe sitzt. Eine zweite PVC-Schlauch (ca. 75 mm Durchmesser und 75 mm lang) wird geschärft, so dass die Bodenprobe die scharfe Kante dieser PVC-Schlauch Kontakte und passt in das außen PVC-Rohr mit der Kunststoffhülle hält der Bodenprobe Montage außerhalb der kleineren PVC-Schlauch. Ein Bildschirm in das kleinere PVC-Rohr unterstützt die Bodenprobe und das Wasser, das durch das Erdreich bewegt hat, aus der Unterseite der Probe ermöglicht. Eine zweite Steckdose strahlt das Wasser, das an der Innenseite der Kunststoffhülse, wodurch sogenannte "bypass-Fluss" von nicht falsch aufgenommen in der Schätzung der Menge an Wasser, das durch die bodenmatrix bewegt geflossen ist.
Eine wichtige Einschränkung, die Technik tritt mit Böden, z. B. mit einem hohen Ton-Inhalt, die eine geringe gesättigte hydraulischen Leitfähigkeit haben. Böden mit sehr niedrigen gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit in der Regel müssen ihre Leitfähigkeit bestimmt mit einen "fallenden Kopf" Ansatz7 statt des ständigen Kopf Ansatz hier verwendet. Das hier beschriebene Gerät müsste erheblich geändert werden, um für einen fallenden Kopf Ansatz genutzt werden können.
Das Design hat sich herausgestellt, konsistentere Ergebnisse der gesättigten Boden hydraulische Leitfähigkeit10 als traditionelle Labor Methoden9. Die Gestaltung sollte dazu beitragen, die Häufigkeit der Aufnahme irrtümlich hoher Schätzungen der gesättigten Boden hydraulische Leitfähigkeit aufgrund irrtümlich einschließlich wandströmung in Schätzungen über die Menge des Wassers fließt durch den Boden über einen Zeitraum von Zeit.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Die Autoren möchte der Pennsylvania State Universität Büro der physische Anlage für die Bereitstellung von Teilfinanzierung, dieses Projekt zu unterstützen. Teilfinanzierung sorgte auch die USDA-Regional-Forschungsprojekt W-3170. Wir würden gerne unsere Ephraim Govere für seine Hilfe bei der analytischen Arbeit bedanken. Unsere tiefste Dankbarkeit soll Charles Walker, deren Konstruktion und Bau Fähigkeiten ermöglichte es uns, diese Arbeit durchzuführen.
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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