Gli impatti di irrigazione delle acque reflue su conducibilità idraulica del suolo: accoppiata campo campionamento e determinazione in laboratorio della conducibilità idraulica satura

Summary

Qui presentiamo una metodologia che corrisponde a una dimensione del campione di terreno e un dispositivo di misurazione della conducibilità idraulica per impedire il flusso del cosiddetto muro lungo la parte interna del contenitore del terreno venga erroneamente inclusa in misure di flusso di acqua. Il suo utilizzo è dimostrato con i campioni raccolti da un sito di irrigazione delle acque reflue.

Abstract

Dal 1960, una pratica di scarico di acque reflue alternativo presso la Pennsylvania State University è stata studiata e suoi impatti monitorati. Piuttosto che scarico trattato delle acque reflue in un flusso e quindi direttamente incidono sulla qualità del flusso, l'effluente viene applicato a boscose e ritagliato terreni gestiti dall'Università. Preoccupazioni relazionate alle riduzioni in conducibilità idraulica del suolo si verificano quando si considera il riutilizzo delle acque reflue. La metodologia descritta in questo manoscritto, corrispondenti dimensioni campione del terreno con le dimensioni dell'apparato di misura basati su laboratorio conducibilità idraulica, offre i vantaggi di una relativamente rapida raccolta di campioni con i benefici della controllata condizioni al contorno di laboratorio. I risultati indicano che ci può essere stato qualche impatto di riutilizzo delle acque reflue sulla capacità del suolo di trasmettere acqua a profondità più profonda nelle aree depressional del sito. La maggior parte delle riduzioni della conduttività idraulica del suolo nelle depressioni sembrano essere collegati alla profondità da cui il campione è stato raccolto e, dall'illazione, connessi con le differenze strutturali e tessiturali di suolo.

Introduction

Scarico di acque reflue trattate dai comuni in flussi è stata una pratica standard per decenni. Tali acque reflue vengono trattate principalmente allo scopo di ridurre il potenziale di consumo di ossigeno biologico da microrganismi nelle acque del ricevente, come conseguenza dell'effluente di scarico delle acque reflue. Consumo di ossigeno da microrganismi degrada materiali organici nelle acque reflue riducendo i livelli di ossigeno nel corpo idrico in cui l'effluente viene scaricata e quindi danno gli organismi acquatici, compresi i pesci.

Negli ultimi decenni le preoccupazioni hanno sviluppato correlate ai nutrienti inorganici, alcuni metalli e altre sostanze chimiche all'interno delle acque reflue che creare danni. A causa di uno studio pubblicato da Kolpin et al. ¹, si è evoluto una maggiore focalizzazione su una gamma di prodotti chimici non precedentemente considerati. Questo studio, pubblicato da the United States Geological Society, ha sensibilizzato per quanto riguarda la vasta gamma di prodotti di cura personale e altre sostanze chimiche nei fiumi e nei torrenti attraverso gli Stati Uniti dovuto scaricare da impianti di trattamento delle acque reflue.

Dal 1960, ricercatori presso la Penn State University hanno studiato e sviluppato una pratica alternativa delle acque reflue di scarico alquanto singolare in una regione umida. Piuttosto che scarico trattato delle acque reflue in un flusso, e quindi direttamente impattante la qualità dello stream, l'effluente viene applicato per le foreste e la terra ritagliata gestito dall'Università. Questo campo di applicazione, soprannominato "The Living filtro", attualmente accetta tutti gli effluenti di acque reflue generato dal campus ed alcuni dal comune. Questo riduce la probabilità di sostanze nutritive in eccesso di entrare flussi che trasportano acqua della baia di Chesapeake, protegge la pesca locale con acqua fredda dagli scarichi di acque reflue caldo che è dannoso per i pesci e impedisce la consegna di altri prodotti chimici contenute nelle acque reflue da contattando direttamente gli ecosistemi acquatici.

Tuttavia, ci sono sempre le conseguenze dei cambiamenti di comportamento, e questa struttura di uso alternativo non è immune da tale. Questioni sono state sollevate per quanto riguarda se l'applicazione dell'effluente delle acque reflue ha influenzato negativamente la capacità del suolo per permettere all'acqua di infiltrarsi il suolo superficiale^2,3,4,5 e ha causato una maggiore deflusso, Se c'è una possibile contaminazione dei pozzi locali con prodotti chimici (sostanze nutrienti, gli antibiotici o altri composti farmaceutici, prodotti di cura personale) contenuti nell'effluente delle acque reflue, e se quelle sostanze chimiche stanno creando negativi impatti ambientali, ad esempio attraverso l'assorbimento di sostanze chimiche in piante⁶ cresciuta sul sito, o lo sviluppo di resistenza agli antibiotico in organismi⁷ presso il sito di suolo.

A seguito di alcune di queste preoccupazioni, questo studio è condotto per determinare l'impatto dell'irrigazione dell'effluente di acque reflue su conducibilità idraulica del suolo a saturazione. L'approccio utilizzato prevede la raccolta di suoli da siti selezionati sia all'interno che all'esterno della superficie irrigata e la dimensione di contenitore del campione di terreno con la configurazione del laboratorio di corrispondenza. È importante per il contenitore del campione di terreno per adattarsi l'apparecchio da laboratorio e per l'acqua che si muove verso il basso attraverso la matrice suolo nel campione da separare dall'acqua che si muove verso il basso fra il terreno e il contenitore del campione di suolo. Il protocollo descrive come l'apparecchiatura di laboratorio è costruito per garantire che ciò si è verificato.

Campioni di terreno vengono acquisiti utilizzando un campionatore di carotiere idraulico collegato a un trattore. Carote di terreno vengono raccolti da aree selezionate nel paesaggio ondulato e conservato in una custodia di plastica inserita il campionatore di nucleo del suolo. Questi nuclei vengono raccolti da un terriccio di limo Hagerstown, situato in una posizione di vertice paesaggio o in una zona depressional. Sei vertici rappresentativi e sei siti depressional sono provati dalla superficie irrigata (un totale di 12 siti di campionamento di superficie irrigata). Inoltre, tre vertici e tre siti depressional vengono campionati da un'area adiacente, non irrigate (un totale di sei siti irrigua). Un massimo di sei core è raccolti in ogni sito per una profondità massima di circa 1.200 mm, con ciascun campione di nucleo essendo lunga circa 150 mm (100 mm del campione essendo contenuto nel manicotto di plastica e 50 mm essendo contenuta nella testa di taglio del metallo campionatore ). Dopo la rimozione il campionatore del metallo, le buste di plastica con i torsoli di suolo raccolti sono dotati di tappi, trasportato in posizione verticale per il laboratorio e conservati in posizione verticale fino a quando non vengono utilizzati per determinare la conducibilità idraulica satura. Contemporaneamente, vengono raccolti campioni di terreno ad ogni profondità per la determinazione del suolo e le concentrazioni di soluzione del suolo di calcio (Ca), magnesio (Mg) e sodio (Na) utilizzando un'estrazione Mehlich 3 per le stime del terreno concentrazioni⁸ e acqua deionizzata gli estratti presenti in un rapporto di 1:2 di terreno massa: acqua massa. Le analisi chimiche degli estratti dell'acqua sono state ottenute da Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES) e sono state utilizzate per calcolare il rapporto di adsorbimento del sodio (SAR).

La determinazione della conducibilità idraulica satura avviene principalmente mediante un costante metodo testa⁹. Una soluzione contenente Ca e Na sali per imitare degli effluenti conducibilità elettrica (EC) e SAR dell'effluente viene creato in modo che il terreno sarà esposto all'acqua variabili di qualità simile a acque reflue applicata in campo. In questo caso, la CE è 1,3 dS/m e il SAR è 3, riflettendo la CE ed il SAR dell'effluente negli ultimi anni prima del periodo di campione. [Tecnicamente, le unità per il SAR sono (milliequivalenti/litro)^½ e non sono di solito identificate nella letteratura].

La modifica del metodo di testa costante di Klute e Dirksen⁹ è lo sviluppo di un separatore di flusso da Walker⁸ per impedire il flusso attraverso la colonna che si è verificato di fuori della matrice suolo venga inclusa nella stima del suolo idraulico conducibilità. Il separatore di flusso è costruito utilizzando tubi di cloruro di polivinile (PVC) selezionati e lavorati per abbinare la dimensione del campione di suolo. Uno schermo supporta il campione di terreno e permette all'acqua che è spostato attraverso la matrice suolo di fluire fuori la parte inferiore del campione. Una seconda presa emette l'acqua che ha fluito giù all'interno del manicotto in plastica, eliminando il cosiddetto "muro flusso" in modo non corretto venga inclusa nella stima della quantità di acqua che si muove attraverso la matrice suolo.

Protocol

1. selezione di punti di campionamento del suolo

1. Identificare attraverso la fotografia aerea e sito visite località che hanno ricevuto l'irrigazione di acque reflue e coloro che non hanno.
2. Selezionare diversi siti rappresentativi da cui gustare, prestando particolare attenzione alle differenze di paesaggio possibile (in particolare posizione paesaggio, come vertice, pendio, pendio di punta e depressione) sui quali acqua, suolo e piante possono interagire in modo diverso.
3. Identificare parti del paesaggio come un vertice, pendio, pendio di punta o depressione. Classificare i siti rappresentativi in base alle loro caratteristiche principali.
   Nota: In questo esperimento, siti sono stati identificati come un vertice non irrigate, irrigate vertice, depressione non irrigate o irrigate depressione.
4. Determinare il numero di posizioni e il sito di ogni posizione da cui campioni saranno prelevati da ciascun sito rappresentativo distintivo.
   Nota: Spesso, discussioni con uno statistico familiarità con statistiche ambientali saranno essere molto utile a questo punto e prevenire successive preoccupazioni per quanto riguarda le analisi statistiche.
5. Inserire un flag di marcatura in ogni posizione di campione previsto e registrare la posizione dei siti campione pianificato su una mappa, utilizzando le coordinate GPS.

2. raccolta dei campioni di suolo

1. Determinare l'attrezzatura che verrà utilizzato per raccogliere i campioni di suolo.
   Nota: per poco profondo (per esempio, meno di 300 mm di profondità) campioni di terreno, un campionatore cilindrico del suolo (complementare figura 1) delle dimensioni utilizzato per questo esperimento possono spesso essere infissa nel terreno con un maglio a caduta libera, se il terreno è abbastanza morbido. Per l'esperimento descritto qui, una perforatrice idraulica è stato utilizzato per consentire campioni di essere raccolti dalle profondità fino a 1.200 mm.

Supplemental figura 1: Drill rig utilizzata per il campionamento.

2. Trasportare l'impianto di perforazione di trivello al sito per effettuare il campionamento.
3. Mettere su elmetti, guanti e occhiali protettivi prima di avviare l'impianto di perforazione di trivello.
4. Alimentare l'impianto di perforazione di trivello e abbassare la testa rotante sufficientemente per permettere l'installazione della barra di Kelly.
   Nota: La barra di Kelly è l'asta di metallo che collega la testa di azionamento dell'impianto di perforazione di trivello al campionatore.
5. Inserire la barra di Kelly nella testa rotante.
6. Inserire un tubo di plastica Fodera/campione del tubo metallo campione con una testa di taglio attaccata al fondo della provetta del campione di metallo. Per l'applicazione descritta qui, utilizzare un 150 cm di lunghezza e 90 mm esterno fodera di plastica di diametro (OD) montata in un 200 mm e 100 millimetri OD/90 mm all'interno del tubo di metallo campione di diametro (ID).
7. Fissare il tubo di metallo campione al Kelly bar utilizzando una testa di azionamento montato ad entrambi.
8. Azionare l'impianto di perforazione di trivello per spostare la provetta del campione circa 150 millimetri nel terreno.
   Nota: Questo sarà fornire un campione di 100 mm sotto la fodera di plastica e consentire uno spazio di 50 mm nella parte superiore del campione di trattenere l'acqua ponded sul campione quando le misurazioni di conducibilità idraulica satura sono ottenute in laboratorio. Questo aiuterà anche evitare la compattazione il campione di terreno durante la sua collezione.
9. Rimuovere il tubo di metallo campione dal suolo usando il sistema idraulico dell'impianto di perforazione di trivello.
10. Rimuovere il tubo di metallo campione da testa d'azionamento. Quindi rimuovere la plastica campione tubo tenendo il campione di terreno dal tubo metallo campione, utilizzando cura per non perdere terreno all'interno del tubo di plastica del campione e non compattare il suolo o stringere i lati del tubo di plastica del campione.
11. Inserire i tappi su ciascuna estremità del tubo di plastica del campione, utilizzando il rosso per la fine nella parte superiore del campione di terreno e nero per il fondo del campione di terreno. Nastro le testate al manicotto per evitare la contaminazione o la perdita d'acqua dal campione.
12. Il campione viene posto in posizione verticale per il trasporto al laboratorio.
13. Continuare campionamento alla profondità più profonda di interesse, ripetendo i passaggi 2.6 – 2,12.

3. costruire una testa costante, più colonna, l'installazione di conducibilità idraulica del suolo

Nota: L'apparecchiatura di laboratorio di conducibilità idraulica è basato sul lavoro di Walker¹⁰. Esso prevede l'utilizzo di un permeametro che è costruito per separare il flusso tra il bordo esterno del campione e il cilindro contenente l'anello dal flusso attraverso la matrice suolo. L'ID di qualsiasi tubo in PVC di cui qui di seguito non è una rigorosa tolleranza. Alcuni possono adattarsi bene, mentre altri potrebbero richiedere qualche lavoro (leggera carteggiatura).

1. Ottenere un tubo di PVC 100 mm lungo, 96 mm ID/114 schedula 40 mm di diametro.
2. Ottenere un tubo di PVC 100 mm lungo, schedula 40 73 mm ID/89 mm-OD e macchina per avere un bordo di taglio 5 mm conico. Fornire questo con una fodera di plastica 89 mm per adattarsi sopra il diametro esterno.
3. Cut-off il fondo 20 mm del tubo PVC schedule 40 di cui al punto 3.2 e conservarlo per un uso successivo.
4. Da un foglio di spessore di 6 mm di PVC grigio, tagliare un 155 x 155 mm². Macchina la piazza per contenere un'apertura circolare di 60 – 70 mm al centro della piazza.
5. Tagliare una fetta spessa di 6 mm di un tubo 73 mm OD/63 mm ID schedule 40 PVC.
   Nota: Uno scarico doccia 73 mm che si inserisce all'interno di un tubo di PVC 40 73 mm ID pianificazione può essere tagliato e funziona bene se un 73 mm OD programma 40 PVC tubo non è disponibile.
6. PVC con cemento, allegare la fetta spessa 6mm di 73 mm OD PVC (dal punto 3.5) 20 mm sotto la parte superiore del PVC OD 89 mm (dal punto 3.2).
7. Dopo che il cemento di PVC utilizzato nel passaggio 3.6 è asciugata, centrare i due cilindri di PVC sul foglio di 6 mm e allegarli al foglio di PVC con cemento.
8. Praticare un foro nel cilindro esterno in PVC, centrato approssimativamente 15 mm sopra il quadrato in PVC grigio, per ospitare un adattatore 14 mm PVC con un fine spinato.
9. L'adattatore al posto del PVC con cemento di cemento.
10. Collegare un 19mm tubo plastica OD/13 mm ID all'estremità pungente dell'adattatore.
11. Cemento il pezzo di 20 mm del PVC schedule 40 di cui al punto 3.4 alla parte inferiore del quadrato in PVC grigio, centrato sull'apertura.
12. Ritagliare un pezzo di rete metallica 6 mm x 18 G (una guardia di gronda in acciaio zincato funziona bene per questo) 80 – 85 mm diametro circolare per inserire in PVC OD 89 mm dalla parte superiore in modo che poggi sulla fetta di 73 mm spessa 6 mm OD in PVC.
13. Selezionare un 19 x 184 x 2.438 mm³ bordo e tagliarlo a metà, ogni lunghezza a 1.180 mm di taglio.
14. Tagliare 6 – 125 mm fori distanziati distanti nel Consiglio di 70 mm.
15. Collocare una rete metallica sotto i fori nel Consiglio e fissarla (per es., utilizzando una pistola della graffetta).
16. Posizionare un 140 mm (apertura superiore) x imbuto di 19 mm (beccuccio OD) sotto la rete metallica e collegarlo alla scheda; immissione caulk adesivo sul bordo dell'imbuto per eliminare le lacune tra la parte superiore dell'imbuto e il legno.
17. Costruire un telaio di legno alta 750 mm per contenere la scheda con i 6 fori (vedere i passaggi 3.13 e 3.14) circa 350 mm sopra il fondo del telaio.
    1. Preparare i componenti di questo telaio per includere una base, due estremità del telaio, due gambe stabilizzatrici, una base di rinforzo inferiore, una base stabilizzante, un centro di stabilizzazione posteriore della scheda e un bordo posteriore superiore.
    2. Tagliare una tavola a 19 x 184 x 1.180 mm³ come base.
    3. Tagliare due schede a 19 x 184 x 750 mm³ ciascuno come estremità telaio.
    4. Tagliate due schede per creare un 19 x 184 x 600 mm³ stabilizzando la gamba su ciascuna estremità.
    5. Tagliare una tavola a 19 x 184 x 1.180 mm³ per servire come una base di rinforzo inferiore direttamente sotto la plancia con i 125 mm fori in esso (Vedi punto 3.14).
    6. Tagliare una tavola a 19 x 184 x 1.219 mm³ come base stabilizzante attaccata alla parte anteriore o posteriore dei due stabilizzando le gambe.
    7. Tagliare una tavola a 19 x 184 x 1.219 mm³ come centro di stabilizzazione posteriore della scheda.
    8. Tagliare una tavola a 19 x 184 x 1.219 mm³ come un top Torna a bordo per aggiungere ulteriore stabilità, su cui sarà allegata una grondaia.
       Nota: Il bordo superiore della parte posteriore e la grondaia allegata deve essere ad un'altezza tale che il fondo della grondaia è approssimativamente alla stessa altitudine, come la parte superiore del terreno nel manicotto del campione di suolo sarà quando il campione è a posto.

Supplementare nella figura 2: Vista frontale dell'apparato di conducibilità idraulica saturata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

18. Preparare le grondaie e scarichi.
    Nota: Ogni grondaia di plastica è di circa 120 mm di fronte e 1219 mm di lunghezza ed è dotata di protezioni di estremità.
    1. I fori nel tappo di un'estremità della grondaia di drenaggio e in una delle estremità della grondaia fornitura per ospitare una scheda di 13 mm HB x MGHT nylon spinato fine in ogni buco.
    2. Forare il tappo della grondaia per accogliere un tubo di PVC ID 25 mm per consentire di drenaggio al contenitore alimentazione alimentazione.
    3. Cemento, le connessioni PVC angolate come necessario per consentire di drenaggio dell'acqua verso il serbatoio.
    4. Taglio un 40 mm tappo fine alta grondaia per adattarsi all'interno della fornitura grondaia di circa 10 cm dalla presa del PVC-collegato.
    5. Tagliare una tacca trapezoidale nella parte superiore di quella testata che è circa 20 mm di profondità, 30 mm di larghezza nella parte inferiore e 50 mm di larghezza nella parte superiore della tacca.
       Nota: Questo agirà per mantenere una testa costante nella grondaia fornitura.
    6. Posizionare la grondaia di drenaggio sotto gli imbuti in modo poggia su base rinforzo inferiore della cornice di legno.
    7. Estremità della grondaia di alimentazione alla scheda posteriore superiore utilizzando ganci grondaia di vinile.

Supplementare nella figura 3: vista della grondaia di approvvigionamento idrico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

19. Preparare la sorgente di acqua.
    1. Collegare il tubo di plastica per le schede di fine nylon spinato in entrambi la grondaia di approvvigionamento e la grondaia di drenaggio.
    2. Posto una grande vasca idromassaggio al piano adiacente al dispositivo conducibilità costruito per servire come contenitore di alimentazione.
       Nota: La vasca deve essere selezionata per tenere abbastanza acqua per almeno 24 h di misurazioni.
    3. Posizionare una piccola pompa sommergibile nella vasca e collegarlo tramite tubazione di plastica all'estremità dell'ingresso della grondaia di fornitura.
    4. Collegare il piccolo tubo di plastica per le schede di fine spinato della presa a muro flusso (di cui a 3,9) e posizionare l'estremità del tubo nella grondaia drenaggio non connessi.
    5. Riempire il serbatoio con acqua.
    6. Collegare la pompa ed eseguirlo per riempire la barra di alimentazione. Garantire il tasso di acqua pompata nella grondaia alimentazione è sufficiente per mantenere la grondaia di approvvigionamento quasi completa senza fuoriuscirne.
20. Preparare un "campione di terreno di pratica" per identificare le modifiche necessarie.
    1. Inserire un campione di terreno "pratica" in un manicotto di plastica campionamento, lasciando circa 50 mm di spazio tra la parte superiore del terreno e la parte superiore del manicotto di plastica.
    2. Coprire l'estremità inferiore del campione e manica con un doppio strato di garza. Tenere la garza sulla manica di campionamento con un elastico sufficientemente grande.
    3. Inserire il manicotto e il campione di terreno di pratica in una vasca d'acqua riempito per circa 1/3 dell'altezza del manicotto, con il fine di garza stare in acqua.
    4. Dopo diverse ore, alzare l'acqua nella vasca per circa 2/3 dell'altezza del campione. Dopo che il campione impostare durante la notte, riempire la vasca a poco sotto la cima del campione di terreno (non la parte superiore della manica).
21. Posizionare il campione di terreno sopra il tubo di PVC OD-89mm e premere delicatamente sul tubo, permettendo il bordo affilato del tubo del PVC di premere nel terreno pochi millimetri per consentire il fondo del terreno di riposare sullo schermo.
    Nota: La garza sarà necessario avere l'elastico allentato per permettere questo. Si noti inoltre che la cima del suolo nella manica del campione dovrebbe essere circa il livello con la parte inferiore della grondaia fornitura e parte superiore della custodia del campione dovrebbe essere circa livello con la parte superiore della grondaia di fornitura.
22. Fornire l'acqua alla parte superiore del campione di terreno.
    1. Accendere la pompa e riempire la barra di alimentazione.
    2. Garantire l'estremità del tubo di drenaggio viene inserito nella grondaia drenaggio e l'uscita dalla grondaia drenaggio è strettamente collegata alla tubazione di plastica che viene inserita in un contenitore ad un'altitudine inferiore o scarico.
    3. Utilizzando tubi di 6 mm, creare un sifone dalla grondaia di alimentazione nella parte superiore del terreno.
23. Raccogliere campioni di acqua dal nucleo del suolo che drena dall'imbuto.
    Nota: I campioni devono essere raccolti per la lunghezza del tempo necessario per ottenere acqua sufficiente al fine di avere la precisione necessaria per l'esperimento, sulla base di criteri di ricerca.
24. Controllare eventuali perdite o problemi imprevisti.
25. Determinare la lunghezza approssimativa del tempo necessario per raccogliere una quantità adeguata di acqua in base al tempo necessario per riempire circa la metà un becher da 100 mL con acqua (o altro volume determinato dal team di ricerca).
26. Creare un flusso simulato della parete del"" con l'inserimento di un piccolo cacciavite o un altro attrezzo simile lungo l'interno del contenitore del campione di terreno in plastica per confermare che la portata in eccesso creata da questo passaggio flusso alla grondaia drenaggio attraverso il tubo di drenaggio.
27. Modificare il programma di installazione basato su eventuali problemi riscontrati in questa esecuzione pratica.

4. conducibilità idraulica del terreno di ottenere valori

1. Bagnate fino i campioni di suolo che sono stati raccolti dal sito campo coprendo le estremità inferiore dei campioni con garza fissata con un elastico, seguendo le indicazioni fornite nel passaggio 3.20 per la pratica di eseguire.
2. Avviare la pompa e consentire la grondaia di rifornimento riempire. Controllare eventuali perdite.
3. Posizionare i campioni sul dispositivo conducibilità idraulica come fatto per la pratica di eseguire. Fare attenzione a non compattare i campioni durante la movimentazione.
4. Impostare i tubi sifone per spostare l'acqua dalla grondaia alimentazione sulla superficie del suolo contenuto nel manicotto di plastica.
5. Inizialmente, cominciano a raccogliere l'acqua dall'imbuto ogni 10 – 20 minuti, per ottenere un'idea di quanto tempo per prendere campioni e frequenza di prelevare campioni. I tempi di registrazione e masse/volumi di acqua in ogni momento di campione per ogni campione di terreno.
6. Cercare campioni sequenziali contenere la stessa quantità di acqua. Dopo 3 – 5 campioni contengono la stessa quantità di acqua, il campione ha probabilmente raggiunto uno stato stazionario.
   Nota: Per garantire che lo stato stazionario è stato raggiunto, potrebbe essere desiderabile prendere un paio esempi aggiuntivi prevista 1h a pezzi.
7. Utilizzare la legge di Darcy per calcolare la conducibilità idraulica satura;
   
   dove
   K_sat = conducibilità idraulica satura (L/T)
   V = volume allo stato stazionario dell'acqua che scorre attraverso il nucleo (L³)
   L = lunghezza del campione (L)
   A = area di sezione trasversale del campione del nucleo (L²) attraverso cui l'acqua scorre. Per questa configurazione,
   
   T = tempo (T)
   (H2- H1) = differenza di testa idraulica (L); per questa configurazione, è la distanza tra la parte superiore dell'acqua ponded sulla superficie del suolo e la parte inferiore del campione di terreno.

Representative Results

Per studiare la domanda di se l'applicazione di effluente di acque reflue presso il sito di vivere filtro ha avuto un impatto la capacità del suolo di trasmettere l'acqua, abbiamo condotto esperimenti per misurare la conducibilità idraulica satura dei terreni. Abbiamo confrontato la conducibilità idraulica dei suoli da aree irrigue del sito con quelli in zone non irrigate del sito. L'impatto dell'effluente di acque reflue sulla conduttività idraulica del terreno è una questione di preoccupazione, come ci sono stati alcuni rapporti in regioni meno umide delle riduzioni della capacità del suolo di trasmettere acqua risultante da (per esempio) un accumulo di sodio nel terreno o dallo sviluppo di una crosta superficiale di biologico. Per ciascuno dei campioni raccolti per misure di conducibilità idraulica, sono stati raccolti campioni da posizioni adiacenti all'interno di un misuratore dei campioni conducibilità idraulica per una misurazione dei principali cationi di Ca, Mg, Na e nella soluzione del suolo. I valori di Ca, Mg, Na e nella soluzione del terreno sono stati stimati da deionizzata massa rapporto 1:2 del suolo massa: acqua acqua estratti dei suoli, con valori calcolati dal retro basati sul contenuto idrico del suolo al momento del campionamento. Queste concentrazioni di soluzione del suolo sono state utilizzate per calcolare il rapporto di assorbimento del sodio della soluzione del suolo, come definito da:

dove i valori per Na, Ca e Mg sono indicati in milliequivalenti (meq) / litro. (Per Na, il numero di meq/l = mg/l diviso da 23; per Ca, meq/l = mg/l diviso da 20; mg, meq/l = mg/l diviso per 12.)

È stato osservato che la conducibilità idraulica è diminuito con profondità nelle aree depressional (Figura 1), con il rapporto più forte di K_seduto dalla profondità esistenti nelle zone non irrigate.

Quando si considera il rapporto di K_seduto con SAR, per campioni di suolo inferiore a 20 cm, c'era una forte relazione positiva fra K_seduto e il SAR della soluzione del suolo per le depressioni non irrigate (Figura 2), ma un forte negativo rapporto fra K_seduto e SAR per le depressioni irrigate. Si noti che i valori di SAR in zona irrigua erano significativamente inferiori a quelli della superficie irrigata e sono stati in un intervallo in cui non è previsto che la conducibilità idraulica del terreno sarebbe influenzata. I valori SAR in superficie irrigata erano molto più alti e anche se fossero in una gamma che non si prevede di creare eventuali riduzioni della conduttività idraulica, si è osservato che c'era una forte relazione negativa tra K_seduto e SAR (Figura 2) .

Guardando alla distribuzione del SAR di profondità per le depressioni non irrigate (Figura 3), c'era poca relazione tra suolo soluzione SAR e profondità del suolo. Così, è probabile che il rapporto tra i valori decrescenti di_Sab K di profondità è dominato da cambiamenti nelle caratteristiche del suolo (struttura, consistenza), che tendono a cambiare con la profondità. Al contrario, nella figura 4 dimostra che vi è una forte relazione tra la profondità del suolo e terreno soluzione SAR per aree irrigate depressional. La forte relazione tra K_seduto e SAR per la superficie irrigata è probabilmente a causa di una forte correlazione tra profondità del suolo e del terreno soluzione SAR e in qualche misura ad una diminuzione in K_seduto con un aumento in profondità. Sembra, tuttavia, che ci può essere qualche diminuzione K_seduti semplicemente dovuto il SAR aumentato.

Figura 1: Relazione tra conducibilità idraulica satura e profondità del suolo per depressioni irrigate e non irrigate.

Figura 2: Relazione tra conducibilità idraulica satura e rapporto di adsorbimento del sodio (SAR) della soluzione del suolo per depressioni irrigate e non irrigate.

Figura 3: Valore del SAR medio nella soluzione del suolo tramite il campionamento profondità per siti situati in depressioni non irrigate.

Figura 4: Valore della soluzione del suolo SAR di profondità per siti situati in depressioni irrigate.

Discussion

La capacità di raccogliere campioni di terreno indisturbato, sul campo e ottenere i relativi valori di conducibilità idraulica è importante per ottenere dati rappresentativi di un sito. Al fine di meglio rappresentare condizioni di campo, è importante utilizzare campioni di terreno che rimangono in un rappresentante dello stato fisico del loro ambiente nel campo. Campioni di suolo raccolti da un sito di campo che poi sono disturbati da sottocampionamento o gestendo compattazione indotta, ad esempio, sperimenteranno cambiamenti strutturali che hanno un impatto la conducibilità idraulica satura.

È anche importante avere un mezzo per misurare la conducibilità idraulica del suolo in un ambiente di laboratorio controllato. Tuttavia, utilizzando un metodo di laboratorio per la conducibilità idraulica satura che non rappresenti un flusso lungo l'interno del contenitore del campione (il cosiddetto "flusso di parete") si tradurrà in una riproduzione povera di risultati e alta variabilità dovuta metodologia piuttosto che dovuto alla naturale variabilità.

Poiché lo sviluppo del permeametro disco nel 1982 da Perroux¹¹, basato sul lavoro di Clothier e bianco¹², molto sforzo è stato consumato per ottenere in modo più soddisfacente del suolo sul campo conducibilità idraulica misure¹³. Avendo le misure basate su campo è altamente auspicabile, come terreno "turbato" campioni (ad esempio, essiccati e macinati campioni ripiegati in una colonna) non riflettono le condizioni naturali del terreno.

Tuttavia, ci sono anche svantaggi ai metodi basati sul campo per ottenere terreno conducibilità idraulica. Una ipotesi fatta con metodi basati sul campo è che il terreno sottostante l'attrezzatura utilizzata per misurare il tasso di assunzione di acqua nel terreno è uniforme¹³. Tuttavia, maggior parte dei suoli non sono uniforme ma sono costituita da strati di materiali del suolo che differiscono da nella loro conducibilità.

Un altro svantaggio è il fatto che una campagna di vasto campione può richiedere da 1 – 4 h (o più) tempo di misura per campione, oltre al tempo di preparazione del sito. Lavoro più in anticipo questo sito¹⁴ necessarie diverse settimane per completare utilizzando il metodo di Ankeny et al.¹³. La conseguenza è che la raccolta di un gran numero di campioni richiede un considerevole periodo di tempo che le condizioni del campo cambierà (ad es., crescita delle piante, contenuto idrico, ecc.), e il campionamento può interferire con il campo operazioni (ad esempio, in questo caso, applicazioni di irrigazione delle acque reflue e raccolto). Differenze nelle condizioni ambientali (ad esempio, pioggia) possono provocare i cambiamenti nelle proprietà chimiche del suolo. Nel caso di questo esperimento, le concentrazioni di Ca, Mg e Na terreno modificato a causa di lisciviazione di Ca, Mg e Na attraverso il suolo a causa di infiltrazioni di pioggia e movimento dell'acqua verso il basso.

Il coinvolti nel lavoro fisico e la lunghezza del tempo necessario per preparare il sito quando è coperto di vegetazione¹⁴, e la lunghezza del tempo necessario per raccogliere i valori di conducibilità idraulica satura sul campo, la capacità di ottenere valori rappresentativi sopra una gamma di profondità del suolo e le posizioni di campo possono richiedere fino a una mezza giornata per campione per profondità. Funzionamenti di campo di produzione di impianti necessari, compresi irrigazione, possono vincolare la lunghezza del tempo per la raccolta del campione.

Inoltre, anche se il tempo necessario per eseguire misurazioni di campo della conducibilità idraulica satura in molti siti è disponibile, il periodo di tempo per ottenere campioni attraverso un sito di campo e a diverse profondità si tradurrà necessariamente in molti campioni raccolti in condizioni ambientali diverse, come quelle cambiare da giorno a giorno (o più frequentemente).

Campioni raccolti dal campo con un campionatore di terreno idraulico possono essere raccolti in un tempo molto più breve, riducendo così le modifiche che potrebbero avere luogo presso un sito di campo nel corso del tempo. Tuttavia, le procedure di laboratorio per ottenere la conducibilità idraulica del suolo da tali campioni hanno lo svantaggio di distinto di subire il cosiddetto "muro flusso"¹⁰. Flusso di parete è il flusso dell'acqua lungo l'interno del contenitore del campione quando il campione è posto su un dispositivo di testa costante che viene in genere utilizzato per ottenere le stime di conducibilità idraulica del suolo. Tale flusso, se è incluso nella misura del tasso di movimento dell'acqua attraverso il suolo, provoca un'erroneamente alta stima della conducibilità idraulica. Questo manoscritto descrive l'uso di un laboratorio allestito per eliminare parete flusso dalle stime della conducibilità idraulica del suolo e di un metodo di raccolta del campione che corrisponde la dimensione del campione di suolo per le dimensioni delle attrezzature di laboratorio.

Un passo fondamentale è quello di raccogliere campioni di terreno che non sono stati compattati. Anche se lo stato di umidità del suolo avrà un impatto la resistenza per l'inserimento del campionatore e quindi la compatibilità del terreno, la raccomandazione è che la lunghezza del campione raccolto dovrebbe essere un po ' più breve del liner di campione che viene inserito nel il tubo di metallo campione.

Trasporto dei campioni dal campo al laboratorio dovrebbe essere fatto in un modo che riduce al minimo il disturbo per loro. Tenendoli in posizione verticale e garantire che non sono stipate contro ogni altra volontà aiutare ridurre le perturbazioni di movimentazione.

La fase più critica nel protocollo è quello di costruire l'apparecchio da laboratorio per abbinare la dimensione del campione raccolta dal campo in modo che il flusso di muro non è incluso nell'acqua raccolta dal suolo matrice¹⁰. Sebbene la descrizione dell'apparato di laboratorio presentato qui è per una particolare dimensione del contenitore del campione, altri contenitori di dimensioni possono essere utilizzate se i portacampioni nell'apparato di laboratorio sono abbinati allo stesso modo nella dimensione.

Una volta assemblato un prototipo, campioni di prova creati intenzionalmente al risultato nel flusso di parete dovrebbero essere utilizzati per accertare che la costruzione dell'apparato veramente separare parete flusso dal flusso di matrice del terreno. Un'altra importante osservazione è che se il disegno finale consente l'istituzione di una testa costante di acqua sopra il campione di terreno senza tracimazione del contenitore di plastica del terreno. Parte superiore del contenitore del suolo deve essere sopra il livello dell'acqua nella grondaia fornitura. Questo è fondamentale. Se l'acqua sovrasta il contenitore di plastica del terreno, quindi le dimensioni erano probabilmente non correttamente misurati. Questo può essere superato inserendo un anello di gomma nella parte superiore del contenitore di plastica del terreno, facendo attenzione a non disturbare il campione di terreno.

Il tempo di raccolta del campione richiesto sarà dipende da entrambi i criteri stabiliti per la precisione dell'esperimento, come pure il tasso di movimento dell'acqua attraverso il suolo. Ad esempio, campioni potrebbero essere necessario essere raccolti per 10 – 20 min ogni ora per un periodo di 12 h fino a quando una quantità relativamente costante di acqua si muove attraverso il nucleo di suolo e nel contenitore di campionamento ogni volta che un campione è prelevato. In altri casi, i campioni possono solo bisogno di essere raccolti per 8 – 10 minuti per un periodo di 3 o 4 h prima di una quantità costante di acqua si muove attraverso il terreno per un periodo dato campione. Costante volumi d'acqua rispetto allo stesso periodo del tempo di campionamento indicherebbe che una condizione di "steady state" era stato raggiunto.

Nuclei di terreno sono stati preparati per un'analisi della conducibilità idraulica satura posizionando una garza sul fondo di ogni nucleo e poi mettendo il nucleo in una vasca di acqua lentamente per saturare i campioni dal basso verso l'alto, per un periodo di almeno 24 ore.

Dopo presaturation, i nuclei sono stati rimossi dalla vasca e parte inferiore di ciascuno dei nuclei è stato impostato su un separatore di flusso progettato per separare qualsiasi flusso lungo i lati del manicotto in plastica contenente il terreno, dal flusso attraverso il suolo stesso. Sei core di terreno alla volta sono stati collocati su questo dispositivo che comprendeva una panchina con un sistema di grondaia¹⁰ contenente una diga per la consegna di acqua verso l'alto di campioni del terreno a una testa costante attraverso tubi di sifone. Acqua è stata pompata verso il sistema della grondaia da un serbatoio con una pompa sommergibile.

Il separatore di flusso è essenzialmente una lunga 100 mm e tubo in PVC diametro 100 mm che funge da un supporto in cui si siede il manicotto di plastica che tiene il campione di terreno. Un secondo tubo di PVC (circa 75 mm di diametro e 75 mm di lunghezza) è affilato affinché il campione di terreno contatti il bordo tagliente di questo tubo di PVC e si inserisce all'interno del tubo di PVC esterno, con il manicotto di plastica che tiene il campione di terreno montaggio all'esterno del tubo di PVC più piccolo. Uno schermo nel più piccolo tubo PVC sostiene il campione di terreno e permette all'acqua che è spostato attraverso il suolo di fluire fuori la parte inferiore del campione. Una seconda presa emette l'acqua che ha fluito giù all'interno del manicotto in plastica, eliminando il cosiddetto "flusso di bypass" in modo non corretto venga inclusa nella stima della quantità di acqua che si muoveva attraverso la matrice suolo.

Una limitazione importante alla tecnica si verifica con terreni, come quelli con un elevato contenuto in argilla, che hanno una bassa conducibilità idraulica satura. Suoli con bassissima conducibilità idraulica satura in genere devono avere loro conducibilità determinato con una "testa cadente" approccio⁷ invece la costante approccio testa usato qui. L'apparecchiatura descritta qui avrebbe bisogno di essere significativamente modificata per consentire un approccio testa caduto essere utilizzato.

Il design è stato trovato per fornire risultati più coerenti di suolo saturo conducibilità idraulica¹⁰ di laboratorio tradizionali metodi⁹. Uso del disegno dovrebbe aiutare a ridurre la frequenza di registrazione erroneamente alta stima della conducibilità idraulica del terreno saturo a causa di erroneamente incluso parete flusso nelle stime del volume di acqua che scorre attraverso il terreno per un periodo di tempo.

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