Summary
Her presenterer vi en metodikk som tilsvarer en jord utvalgsstørrelsen og en hydraulisk ledningsevne måling enheten forhindre såkalte vegg flyten av beholderen jord feilaktig inkluderes i vann flyt mål. Bruken er demonstrert med prøver fra en avløpsvann vanning sted.
Abstract
Siden tidlig på 1960-tallet, en alternativ avløpsvann utslipp praksis ved Pennsylvania State University er blitt forsket og konsekvensene overvåket. Snarere enn lossing behandlet avløpsvann til en strøm, og dermed direkte påvirker strømmen kvalitet, avløpsvann brukes til skogkledde og beskjæres landet styres av universitetet. Bekymringer knyttet til reduksjoner i hydraulisk hele oppstå når avløpsvann gjenbruk. Metodikk beskrevet i dette manuskriptet matchende jord utvalgsstørrelsen med størrelsen på laboratorie-baserte hydraulisk ledningsevne måling apparater, gir en relativt rask innsamling av prøver med fordelene av kontrollert laboratoriet betingelser. Resultatene tyder på at det kan ha vært noen innvirkning av avløpsvann gjenbruk på jord evne til å overføre vann på dypere dyp i depressional områder av nettstedet. De fleste av reduksjonene i den hydrauliske hele i depresjoner vises relateres til dybden fra som prøven ble samlet inn, og inferens, forbundet med jord strukturelle og tekstur forskjeller.
Introduction
Utslipp av avløpsvann fra kommuner i bekker har vært standard praksis i flere tiår. Slike avløpsvann behandles primært for å redusere faren for biologisk oksygenforbruk av mikroorganismer i mottak farvannene, som følge av utladet avløpsvann avløpsvann. Oksygenforbruk av mikroorganismer forringer organisk materiale i avløpsvannet redusere oksygen i vannet kroppen inn som avløpsvann slippes og dermed skade vannlevende organismer, inkludert fisk.
I de siste tiårene har bekymringer utviklet knyttet til uorganiske næringsstoffer, noen metaller og andre kjemikalier i avløpsvannet som skaper skade. På grunn av en studie publisert av Kolpin et al. 1, større fokus på en rekke kjemikalier ikke tidligere vurdert har utviklet seg. Denne studien, publisert av USA Geological Society, hevet bevisstheten om det store omfanget av personlig pleieprodukter og andre kjemikalier i elver og bekker over hele USA grunn til utslipp fra avløpsvann behandlingstilbud.
Siden tidlig på 1960-tallet, har forskere ved Penn State University undersøkt og utviklet en alternativ avløpsvann utslipp praksis noe unikt i et fuktig område. Snarere enn lossing behandlet avløpsvann til en strøm, og dermed direkte påvirker strømmen kvalitet, avløpsvann brukes for den skogkledde og beskjæres landet styres av universitetet. Denne modulen, kalt "The Living Filter", godtar for tiden alle avløpsvann avløpsvann fra campus pluss noen fra kommunen. Dette reduserer sannsynligheten for overflødig næringsstoffer inn bekker som leverer vann til Chesapeake Bay, beskytter lokale kaldt vann fisket fra utslipp av varm avløpsvann som er skadelig å fisken, og hindrer leveringen av andre kjemikalier finnes i avløpsvannet fra direkte kontakt med akvatiske økosystemer.
Men det er alltid konsekvensene av funksjonalitetsendringer, og alternative bruk anlegget er ikke immun til slike. Spørsmål har oppstått om om anvendelsen av avløpsvann avløpsvann har negativt påvirket jord muligheten til vann å infiltrere jord overflaten2,3,4,5 og forårsaket større avrenning, om det er en mulig smitte av lokale kjemikalier (næringsstoffer, antibiotika eller andre farmasøytiske forbindelser, personlig pleieprodukter) i avløpsvann avløpsvann, og om de kjemikaliene skaper negativ miljømessige virkninger, som gjennom opptaket av kjemikalier i planter6 dyrket på stedet, eller utvikling av antibiotikaresistens i jord organismer7 på stedet.
Som et resultat av noen av disse bekymringene, er denne studien gjennomført for å fastslå virkningene av vanning av avløpsvann avløpsvann på hydraulisk hele på metning. Fremgangsmåten som brukes innebærer å samle jord fra utvalgte nettsteder enten innenfor eller utenfor Vannes og matchende jord beholder utvalgsstørrelsen med laboratoriet oppsett. Det er viktig for beholderen jord prøve å passe inn i laboratoriet apparatet og vannet som flytter nedover gjennom jord matrisen i utvalget skal skilles fra vannet som flytter nedover mellom jord og jord eksempel beholder. Protokollen beskriver hvordan laboratorium apparatet er konstruert for å sikre dette skjedde.
Jordprøver samles inn med en hydraulisk core sampler knyttet til en traktor. Jord kjerner er samlet fra utvalgte områder i det bølgende landskapet og beholdt i en plast ermet montert inn den jord core sampler. Disse kjerner er samlet inn fra en Hagerstown silt leirjord, enten en toppmøtet liggende posisjon eller i et depressional område. Seks representant topper og seks depressional nettsteder tas fra Vannes området (totalt 12 Vannes området målestasjoner). I tillegg tas tre topper og tre depressional nettsteder fra et tilstøtende, ikke-Vannes område (totalt seks ikke-Vannes nettsteder). Maksimalt seks kjerner samles på hvert område til en maksimumsdybde på ca 1200 mm, med hver kjerne prøve å være ca 150 mm lang (100 mm på utvalget som finnes i plast ermet og 50 mm som finnes i kutte hodet av den metall sampler ). Etter fjerning fra den metall sampler, plast ermer som inneholder samlet jord kjernene er utstyrt med endestykker, transporteres stående til laboratoriet, og lagret oppreist før de brukes til å bestemme mettet hydraulisk ledningsevne. Samtidig, samles jordprøver på hver dybde for fastsettelse av jord og jord løsning konsentrasjoner av kalsium (Ca), Magnesium (Mg) og natrium (Na) bruker en Mehlich 3 utvinning for estimater av jord konsentrasjoner8 og deionisert vann trekker ut i 1:2 forholdet jord masse: vann masse. De kjemiske analysene av vann ekstrakter Hentet fra Induktivt kombinert Plasma Atomic utslipp spektroskopi (ICP-AES) og ble brukt til å beregne natrium adsorpsjon Ratio (SAR).
Fastsettelse av mettet hydraulisk ledningsevne utføres primært bruker en konstant hodet metode9. En løsning som inneholder Ca og Na salter for å etterligne avløpsvann elektrisk ledningsevne (EC) og SAR av avløpsvann opprettes slik jord vil bli utsatt til vann kvalitet variabler ligner på avløpsvannet brukt i feltet. I dette tilfellet EF er 1,3 dS/m og SAR er 3, reflekterer EC og SAR av avløpsvann de siste årene før samplingsperioden. [Teknisk enhetene for SAR er (milliequivalents/liter)½ og er ikke vanligvis funnet i litteraturen.]
Endring til konstant hodet metoden av fortvilet forsøker og Dirksen9 er utviklingen av en flyt-skille av Walker8 å forhindre flyt gjennom kolonnen som skjedde utenfor jord matrix inkluderes i estimatet av jord hydraulisk ledningsevne. Flyt-skille er bygget med polyvinylklorid (PVC) rør valgt og maskinert tilsvarer jord utvalgsstørrelsen. En skjerm støtter jordprøve og tillater vannet som gikk gjennom jord matrix å strømme ut i bunnen av prøven. En andre stikkontakt avgir vann som har strømmet ned innsiden av plast ermet, og dermed eliminere såkalte "vegg flyt" feil inkluderes i estimatet av mengden vann som beveger seg gjennom jord matrix.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. velge jord prøvetaking steder
- Identifisere gjennom Flyfoto og nettstedet visit(s) steder har mottatt vanning av avløpsvann og de har.
- Velg flere representant områder som prøve, vier oppmerksomhet til mulig landskapet forskjeller (spesielt landskapet plasseringen, som toppmøtet, siden stigningstallet, tå skråningen og depresjon) som vann, jord og planter kan samhandle annerledes.
- Identifisere deler av landskapet som toppmøtet, siden stigningstallet, tå skråningen eller depresjon. Kategorisere representative områdene basert på deres store egenskaper.
Merk: I dette eksperimentet, områder ble identifisert som en ikke-Vannes toppmøte, Vannes toppmøtet, ikke-Vannes depresjon, eller Vannes depresjon. - Bestemme antall steder og webområdet plassering som skrives fra hvert særpreget representant område.
Merk: Ofte diskusjoner med statistiker kjent med miljømessige statistikk vil være svært nyttig på dette punktet og hindre senere bekymringer om statistiske analyser. - Plasser et merke flagg hver planlagte prøvens plassering og plasseringen av webområdene planlagte eksempler på kart med GPS-koordinatene.
2. samle jordprøver
- Bestemme utstyret som brukes til å samle jord prøvene.
Merk: For grunt (f.eksmindre enn 300 mm dyp) jordprøver, en sylindrisk jord sampler (supplerende figur 1) av brukt til dette eksperimentet kan ofte kjøres i jorden med en dråpe hammer, hvis jord er myk nok. For eksperimentet beskrevet her, brukte en hydraulisk drill rig tillate prøver inn fra dypet opptil 1200 mm.
Supplerende figur 1: Borerigg brukes for prøvetaking.
- Transport drill riggen til området for å gjennomføre prøvetaking.
- Sette på hard luer, hansker og beskyttende briller før du starter boreriggen.
- Forsterk drill riggen og lavere roterende hodet tilstrekkelig å tillate installasjon av baren Kelly.
Merk: Kelly baren er metall stang som kobler stasjonen hodet av boreriggen til sampler. - Baren Kelly inn roterende hodet.
- Inn en plast rutebåt/sample tube metall eksempel røret med kutte hode festet til undersiden av metall eksempel røret. For programmet beskrevet her, bruk 150 cm lang og 90 mm utenfor diameter (OD) plast rutebåt montert i en 200 mm lang og 100 mm OD/90 mm inne diameter (ID) metall eksempel røret.
- Feste metall eksempel tuben til Kelly bar bruke stasjonen hode utstyrt både.
- Operere drill riggen til å bevege prøven røret ca 150 mm i jorden.
Merk: Dette gir en 100 mm utvalg i plast duken og tillate en 50 mm plass på toppen av prøven å holde vann ponded på prøven når mettet hydraulisk ledningsevne målene er oppnådd i laboratoriet. Dette hjelper også unngå komprimering av jordprøve under sin samling. - Fjern metal eksempel røret fra jorden ved hjelp av hydrauliske systemet av boreriggen.
- Fjern metal eksempel røret fra stasjonen hodet. Så Fjern plast prøve tube holder jordprøve fra metall eksempel røret, med forsiktighet for ikke å miste jord fra inne i plast eksempel røret, og ikke å kompakt jord eller klem sider av plast eksempel røret.
- Plass endestykkene i hver ende av plast eksempel rør, bruke rødt for slutten på toppen av jordprøve og sort til bunnen av jordprøve. Tape endestykkene til ermet å unngå forurensning eller tap av vann fra utvalget.
- Plass prøven står oppreist for transport tilbake til laboratoriet.
- Fortsette prøvetaking til dypeste dybden av interesse, Gjenta trinn 2.6-2.12.
3. bygge et konstant hode, flere kolonne, jord hydraulisk ledningsevne oppsett
Merk: Hydraulisk ledningsevne laboratorium apparatet er basert på arbeid av Walker10. Det involverer bruk av en permeameter som er bygget for å skille flyten mellom ytterkanten av prøven og sylinderen inneholder ringen fra flyten gjennom jord matrix. IDen for en PVC-rør som er referert til nedenfor er ikke en streng toleranse. Noen kan passe godt, og andre krever litt arbeid (lett sliping).
- Få en 100 mm lang, 96 mm ID/114 mm-OD tidsplan 40 PVC-rør.
- Få en 100 mm lang, 73 mm ID/89 mm-OD tidsplan 40 PVC-rør og maskinen det å ha en 5 mm konisk cutting edge. Gi dette en 89 mm plast liner for å passe over den ytre diameteren.
- Avskåret bunnen 20 mm tidsplan 40 PVC-rør referert til i trinn 3.2 og beholde den for senere bruk.
- Fra et 6 mm tykt ark med grå PVC, kuttet en 155 x 155 mm2. Maskinen ved å inneholde en sirkulær åpning av 60-70 mm i midten av plassen.
- Skjær en 6 mm tykk skive en 73 mm OD/63 mm ID tidsplan 40 PVC-rør.
Merk: En 73 mm dusjen renne som passer i en 73 mm ID tidsplan 40 PVC pipe kan kuttes, og fungerer godt hvis en 73 mm OD planlegge 40 PVC-rør er ikke tilgjengelig. - Bruke PVC sement, knytte til 6 mm tykk skive 73 mm OD PVC (fra trinn 3,5) 20 mm under toppen av 89 mm OD PVC (fra trinn 3.2).
- Etter PVC sement brukte i trinn 3.6 har tørket, Midtstiller to PVC sylindere på 6 mm arket og knytte dem til regnearket ved hjelp av PVC sement.
- Bore et hull i ytre PVC sylinderen, sentrert ca 15 mm over grå PVC plassen, til en 14 mm PVC-adapter med en piggete end.
- Sement kortet i stedet bruker PVC sement.
- Fest en 19 mm OD/13 mm ID plast slangen til piggete enden av adapteren.
- Sement 20 mm stykke tidsplan 40 PVC nevnt i trinn 3.4 nederst på den grå firkanten PVC, sentrert rundt åpningen.
- Klipp ut en 80-85 mm diameter runde stykke 6 mm x 18 G netting (galvanisert stål rennesteinen vakt fungerer bra for dette) for å sette inn 89 mm OD PVC fra toppen slik at den hviler på 6 mm tykk skive av 73 mm OD PVC.
- Velg en 19 x 184 x 2,438 mm3 bord, og kutt den i halvparten, trimming hver lengde 1,180 mm.
- Kuttet ut 6-125 mm hull linjeavstand 70 mm fra hverandre i styret.
- Plassere en netting under hullene i styret og fest den (f.eks., bruker en stifting gun).
- Plasser en 140 mm (topp åpning) x 19 mm (tut OD) trakt under netting og knytte den til styret; plassere selvklebende caulk på kanten av trakten å eliminere gapene mellom toppen av trakten og tre.
-
Bygge en 750 mm høy treramme å holde styret med 6 hullene (se trinn 3,13 og 3.14) omtrent 350 mm over bunnen av rammen.
- Forberede komponentene i denne rammen med base, to ramme endene, to stabiliserende Ben, en lavere styrke base, en stabiliserende base, en center-stabilisere tilbake bord og en topp tilbake bord.
- Skjær et bord til 19 x 184 x 1,180 mm3 som base.
- Cut to styrene til 19 x 184 x 750 mm3 hver som ramme ender.
- Cut to boards opprette en 19 x 184 x 600 mm3 stabilisere etappe i hver ende.
- Skjær et bord til 19 x 184 x 1,180 mm3 å tjene som lavere styrke base direkte under styret med 125 mm hull boret i det (se trinn 3.14).
- 3 som stabiliserende base knyttet til foran eller bak to kuttet et bord til 19 x 184 x 1,219 mm og stabilisere ben.
- Skjær et bord til 19 x 184 x 1,219 mm3 som et stabiliserende bakre panelet.
- Kutte en bord til 19 x 184 x 1,219 mm3 som en topp tilbake ombord for å legge til ekstra stabilitet, som en innbindingsmarg skal festes.
Merk: Topp bak styret og tilknyttede rennesteinen bør være i en høyde slik at bunnen av rennesteinen er omtrent på samme høyde som toppen av jord i jord eksempel ermet skal når prøven er på plass.
Ekstra figur 2: foran visning av mettet hydraulisk ledningsevne apparater. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
-
Forberede innbindingsmargene på forsyning og avløp.
Merk: Hver plast rennesteinen er ca 120 mm på tvers og 1219 mm lang og er utstyrt med endestykker.- Bore hull i én ende av drenering gutter og en ende av forsyning innbindingsmargen å tilpasse en 13 mm HB x MGHT nylon piggete slutten adapter i hvert hull.
- Bore hull i den andre end cap forsyning motstående til en 25 mm ID PVC pipe å tillate drenering tilbake til beholderen forsyning.
- Sement vinklet PVC-tilkoblingene for å tillate drenering av vannet tilbake til beholderen forsyning.
- Kutte en 40 mm høy rennesteinen Beskyttelseskappe for levering gutter ca 10 cm fra PVC-tilkoblet uttaket.
- Skjær en trapesformet hakk på toppen av at enden cap som er ca 20 mm dyp, 30 mm bred nederst og 50 mm bred på toppen av hakket.
Merk: Dette vil fungere for å opprettholde et konstant hode i supply rennesteinen. - Plass drenering rennesteinen under trakter slik den hviler på lavere styrke grunnlaget for treramme.
- Fest forsyning rennesteinen til toppen bak styret med vinyl rennesteinen kleshengere.
Ekstra figur 3: avslutte visningen av vannforsyning rennesteinen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
-
Forberede vannkilde.
- Koble plast slangen til nylon barbed slutten kortene både levere rennesteinen og drenering rennesteinen.
- Plass et stort badekar på gulvet ved ledningsevne enheten definert som beholderen forsyning.
Merk: Badekaret skal velges å holde nok vann for minst 24 timer av målinger. - Plasser en liten nedsenkbar pumpe i badekaret og kobler den via plast slangen til innløp slutten av forsyning rennesteinen.
- Koble små plast slangen til piggete slutten kortene av flyt stikkontakten (referert til i 3.9) og sted den ikke-tilkoblet enden av slangen i drenering rennesteinen.
- Forsyning beholderen fylles med vann.
- Koble pumpen og løpe den å fylle supply rennesteinen. Sikre vann blir pumpet i supply rennesteinen er tilstrekkelig for å holde tilbudet rennesteinen nesten full uten overflyt.
-
Forberede en "praksis jordprøve" til å identifisere eventuelle endringer som er nødvendig.
- Plass en "praksis" jordprøve i en plast prøvetaking ermet, etterlot om lag 50 mm avstand mellom toppen av jord og toppen av plast ermet.
- Dekke den nedre enden av prøven og ermet med et dobbelt lag cheesecloth. Hold cheesecloth prøvetaking ermet med tilstrekkelig størrelse gummi band.
- Plass praksis jordprøve og ermet i et kar med vann fylt til ca 1/3 av høyden på ermet med cheesecloth slutten i vannet.
- Etter flere timer, heve vann i karet omtrent 2/3 høyde av utvalget. Etter at prøven sette over natten, fylle badekaret til bare under toppen av jordprøve (ikke toppen av ermet).
- Plasser jordprøve på 89 mm OD PVC tube og trykk det forsiktig på røret, slik at skjerpet kanten av PVC tube å trykke i jorden noen millimeter tillater bunnen av jord å hvile på skjermen.
Merk: Cheesecloth må ha gummistrikk løsnet for å tillate dette. Også merke til at toppen av jord i prøven ermet skal være ca i høyde med bunnen av forsyning rennesteinen og toppen av prøven ermet skal være ca i høyde med toppen av forsyning rennesteinen. -
Gir vann til toppen av jordprøve.
- Slå på pumpen og fylle supply rennesteinen.
- Sikre slutten av drenering rør plasseres i drenering rennesteinen og utløpet drenering rennesteinen er tett koblet til plast slangen som er plassert i en avløp eller beholder i en lavere høyde.
- Bruker 6 mm rør, opprette en siphon forsyning menn til toppen av jord.
- Samle vannprøver fra jord kjernen som drenerer fra trakten.
Merk: Utvalg skal samles for tiden nødvendig for å få nok vann for å ha presisjonen kreves for eksperimentet, basert på forskning kriterier. - Se etter lekkasjer eller uventede problemer.
- Avgjøre omtrentlige tiden det tar å samle en tilstrekkelig mengde vann basert på tiden det tar å fylle omtrent halvparten en 100 mL kanne med vann (eller andre volum bestemmes av undersøkelsesgruppen).
- Opprette en simulert "vegg flyt" ved å sette inn en liten skrutrekker eller en annen lignende implementere av beholderen plast jord prøve å bekrefte at den overskytende flyten opprettet av denne passasjen tilflyte drenering rennesteinen gjennom drenering røret.
- Endre oppsettet basert på problemer i denne praksisen kjøre.
4. skaffe hydraulisk hele verdier
- Våt opp jord prøvene som ble samlet inn fra webområdet feltet ved å dekke bunnen ender prøvene med cheesecloth holdt på plass med en gummi band, følger instruksjonene angitt i trinn 3,20 for praksisen kjøre.
- Starte pumpen og tillate levering gutter å fylle. Kontroller for lekkasje.
- Sett prøvene til hydraulisk ledningsevne enheten som praksisen kjøre. Pass på at du ikke kompakt prøvene under behandling.
- Definere Hevert rør å flytte vann levere menn på overflaten av jorden i plast ermet.
- Først begynne å samle vann fra trakten hver 10-20 min, for å få en idé om hvor lenge å ta prøver og hvor ofte det skal ta prøver. Posten ganger og vann massene/volumer på hvert samplingstidspunkt for hver jordprøve.
- Ser for sekvensiell prøver inneholder lik mengde vann. Etter 3-5 prøver inneholder samme mengde vann, har utvalget sannsynligvis nådd en stabil tilstand.
Merk: For å sikre jevn staten er nådd, kan det være ønskelig å ta et par ekstra prøver planlagt 1t fra hverandre. - Bruke DArcys lov til å beregne mettet hydraulisk ledningsevne;
hvor
Ksatt = mettet hydraulisk ledningsevne (L/T)
V = steady state volum av vann som strømmer gjennom kjernen (L-3)
L = eksempel lengde (L)
A = tverrsnitt område av kjernen (L2) gjennom vann strømmer. For dette oppsettet
T = tid (T)
(H2- H1) = hydraulisk hodet forskjell (L); for dette oppsettet er avstanden mellom toppen av vannet ponded på overflaten og nederst i jordprøve.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
For å undersøke spørsmålet om anvendelsen av avløpsvann avløpsvann på Living Filter området har påvirket muligheten av jord å overføre vann, gjennomførte vi eksperimenter for å måle mettet hydraulisk ledningsevne jord. Vi sammenlignet hydraulisk ledningsevne av jord fra Vannes områder av nettstedet med de i ikke-Vannes områder av nettstedet. Virkningen av avløpsvann avløpsvann på den hydrauliske hele er et spørsmål av interesse, som det har vært noen rapporter i mindre fuktige områder av reduksjoner i muligheten av jord til å overføre vann fra (for eksempel) en oppbygging av natrium i jord eller fra utvikling av en overflate biologiske skorpe. For hver av prøvene samlet for hydraulisk ledningsevne målinger, innhentet prøver fra tilstøtende områder innenfor en meter av hydraulisk ledningsevne prøvene for en måling av de store kasjoner av Ca og Mg Na i jord løsningen. Verdiene for Ca og Mg Na i jord løsningen ble anslått fra 1:2 jord masse: vann forhold mellom vaskebuffer vann uttrekk av jord, med verdiene tilbake beregnet basert på jord vanninnholdet ved prøvetaking. Disse jord løsning konsentrasjoner ble brukt til å beregne natrium adsorpsjon forholdet mellom jord løsning, som definert av:
der verdiene for Na, Ca og Mg er gitt i milliequivalents (meq) / liter. (For Na, antall meq/l = mg/l delt av 23, ca, meq/l = mg/l delt med 20, for Mg, meq/l = mg/l delt på 12.)
Det ble observert at hydraulisk ledningsevne redusert med dybde i depressional områder (figur 1), med sterkeste forholdet mellom Ksatt ved dybde eksisterende innen ikke-Vannes.
Når de vurderer forholdet mellom Ksatt med SAR, jordprøver under 20 cm, var det en sterk positiv sammenheng mellom Ksatt og SAR jord løsningen de ikke-Vannes depresjoner (figur 2), men en sterk negativ forholdet mellom Ksatt og SAR for de Vannes depresjoner. Det bør bemerkes at verdiene for SAR i ikke-Vannes området var betydelig under de i Vannes området og var i et område der det ikke forventes at hydraulisk ledningsevne jord ville bli påvirket. SAR-verdiene i Vannes området var mye høyere og selv om de var i et område som ikke forventes å opprette reduksjoner i hydraulisk ledningsevne, det er observert at det var en sterk negativ relasjon mellom Ksatt og SAR (figur 2) .
Ser på fordelingen av SAR av dybde for de ikke-Vannes depresjoner (Figur 3), var det lite forhold mellom jord løsning SAR og jord dybde. Derfor er det sannsynlig at forholdet mellom synkende Ksatt verdiene med dybde er dominert av endringer i jord kjennetegnene (struktur, tekstur), som pleier å endre med dybde. Figur 4 viser derimot at det er en sterk relasjon mellom jord dybde og jord løsning SAR for Vannes depressional områder. Det sterke forholdet mellom Ksatt og SAR Vannes området er trolig på grunn av både en sterk sammenheng mellom jord dybde og jord løsning SAR og til dels en nedgang i Ksatt med en økning i dybden. Det synes imidlertid at det kan være noen nedgang i Ksatt bare på grunn av økt SAR.
Figur 1: Forholdet mellom mettet hydraulisk ledningsevne og jord dybde for både Vannes og ikke-Vannes depresjoner.
Figur 2: Forholdet mellom mettet hydraulisk ledningsevne og natrium adsorpsjon forholdet (SAR) jord løsningen både Vannes og ikke-Vannes depresjoner.
Figur 3: Verdien av gjennomsnittlig SAR i jord løsning av prøvetaking dybde for områder i ikke-Vannes depresjoner.
Figur 4: Verdien for jord løsning SAR av dybde for områder i Vannes depresjoner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Samle feltbaserte, uforstyrrede jordprøver og få hydraulisk ledningsevne verdiene er viktig i å skaffe data representant for et område. For å best representerer feltforhold, er det viktig å bruke jordprøver som forblir i en fysisk tilstand representant for miljøet i feltet. Jordprøver samlet fra et feltet område som er så forstyrret delsampling eller håndtering indusert komprimering, for eksempel, vil oppleve strukturelle endringer som påvirker mettet hydraulisk ledningsevne.
Det er også viktig å ha en måte å måle den hydrauliske hele i en kontrollert laboratorium. Imidlertid bruker laboratoriemetode for mettet hydraulisk ledningsevne som ikke klarer å ta hensyn til en flyt av beholderen utvalg (såkalte "vegg flyt") vil resultere i en dårlig gjengivelse av resultater og høye variasjon på grunn av metodikk snarere enn grunn av naturlig variasjon.
Siden utviklingen av platen Permeameter i 1982 av Perroux11, basert på arbeid av tekstilhandlers og hvite12, er store anstrengelser brukt for å få mer tilfredsstillende feltbaserte jord hydraulisk ledningsevne mål13. Feltet-baserte målinger er svært ønskelig, som "forstyrret" jord prøvene (for eksempel tørket og bakken prøver pakket inn i en kolonne) gjenspeiler ikke de naturlige grunnforholdene.
Det er imidlertid også ulemper til feltbaserte metoder for å skaffe jord hydraulisk conductivities. En antagelse laget med feltbaserte metoder er at jorda underliggende utstyret som brukes til å måle frekvensen av vanninntak i jorden uniform13. Men de fleste jord er ikke ensartet men består av lag av jord materialer som varierer i deres conductivities.
En annen ulempe er at en omfattende utvalg kampanje kan kreve fra 1 – 4 h (eller flere) måling tid per prøve, i tillegg til nettstedet Forberedelsestid. Tidligere arbeid på dette området14 kreves flere uker å fullføre ved hjelp av metoden Ankeny et al13. Konsekvensen er at innsamling av et stort antall eksempler vil kreve en betydelig periode av tid at feltet forholdene endres (f.eksplantevekst vanninnhold, etc.), og prøvetaking kan også forstyrre feltet operasjoner (f.eks, i dette tilfellet avløpsvann vanning programmer og høst). Forskjeller i miljøforhold (f.eks, nedbør) kan resultere i endringer i jord kjemiske egenskaper. I dette eksperimentet, jord Ca og Mg Na konsentrasjoner endret på grunn av utvasking av Ca og Mg Na gjennom jorden nedbør infiltrasjon og nedover vann bevegelse.
På grunn av fysisk arbeid involvert i og hvor lenge må forberede området når det er dekket med vegetasjon14, og hvor lenge må samle feltbaserte mettet hydraulisk ledningsevne verdier, muligheten til å få representant verdier over en rekke jord dypet og feltet steder kan kreve opp til en halv dag per prøve per dybde. Nødvendig anlegg produksjon feltoperasjoner, inkludert vanning, kan begrense tiden for prøvetaking.
Dessuten, selv om tiden det tar å utføre feltet målinger av mettet hydraulisk ledningsevne på mange nettsteder er tilgjengelig, vil tiden hente prøver over et felt-nettsted og på flere dybder nødvendigvis resultere i mange prøver samles under ulike miljøforhold, som de endringen fra dag til dag (eller oftere).
Eksempler fra feltet med en hydraulisk jord sampler kan samles i en mye kortere tid, og dermed redusere endringene som kan skje på et feltet område over tid. Men har prosedyrer laboratoriet hente den hydrauliske hele fra slike eksempler forskjellige ulempen ved å måtte såkalte "vegg flyt"10. Veggen flyt er vannstrømmen langs innsiden av beholderen prøven når prøven er plassert på en konstant hodet enhet som brukes vanligvis til å skaffe jord hydraulisk ledningsevne estimater. Slike flyt, fører hvis den er inkludert i mål for frekvensen av vann bevegelse gjennom jord, til en feilaktig anslag av hydraulisk ledningsevne. Dette manuskriptet beskriver bruken av et laboratorium satt opp til å eliminere veggen strøm fra estimater hydraulisk hele og prøve samling metode som tilsvarer jord utvalgsstørrelsen størrelsen på laboratoriumutstyr.
Et viktig skritt er å samle jordprøver som ikke har vært komprimert. Selv om statusen jord fuktighet vil påvirke motstanden mot innsetting av sampler og dermed kompatibiliteten til jord, er anbefaling at lengden på prøven samlet skal noe kortere enn prøve duken som settes inn i metall eksempel røret.
Transport prøver fra feltet til lab bør gjøres på en måte som minimerer forstyrrelser til dem. Holde dem stående og sikre de ikke er tett pakket mot hver andre vil redusere håndtering forstyrrelser.
Det viktigste trinnet i protokollen er å bygge laboratorium apparatet å matche utvalgsstørrelsen samlet fra feltet slik at veggen flyt ikke er inkludert i vannet samlet fra jord matrix10. Selv om beskrivelsen av laboratoriet apparatet presenteres her er for en bestemt størrelse utvalg beholderen, kan andre størrelse beholdere brukes hvis prøven innehaverne i laboratoriet apparatet sammenlignes tilsvarende størrelse.
Når en prototype er montert, skal testprøvene forsettlig opprettet resultatet i veggen flyt benyttes for å fastslå at byggingen av apparatet virkelig skille veggen flyt fra jord matrix flyt. En annen viktig observasjon er om den endelige utformingen tillater etablering av en konstant leder vann over jordprøve uten overtopping beholderen plast jord. Toppen av jord beholderen må være over vannivået i supply rennesteinen. Dette er kritisk. Hvis vannet overtops beholderen plast jord, deretter ble dimensjonene sannsynligvis ikke riktig målt. Dette kan løses ved å sette en gummi ring til toppen av beholderen plast jord, pass på ikke å forstyrre jordprøve.
Eksempel samling tiden det tar vil være avhengig av begge vilkårene som er angitt for eksperimentet presisjon samt frekvensen av vann bevegelse gjennom jorden. For eksempel må prøver samles i 10-20 minutter hver time i løpet av 12 h til en relativt konstant mengde vann beveger seg gjennom jord kjernen og inn i beholderen prøvetaking hver gang en prøve er tatt. I andre tilfeller må bare prøvene skal hentes for 8-10 minutter for en periode på 3 eller 4 h før en konstant mengde vann beveger seg gjennom jorden for en gitt samplingsperioden. Konstant mengder vann i samme periode av prøvetiden skulle tilsi en "steady state" tilstand hadde nådd.
Jord kjerner var forberedt for en mettet hydraulisk ledningsevne analyse ved å plassere cheesecloth nederst på hver kjerne og deretter plassere kjernen i et kar med vann å sakte mette prøvene fra bunnen opp, for en periode på minst 24 timer.
Etter presaturation, kjernene ble fjernet fra badekaret og bunnen av hver av kjernene ble satt på en flyt-skille utformet for å skille noen kontantstrøm langs sidene av plast ermet med jord, fra flyte gjennom jorden selv. Seks jord kjerner samtidig ble plassert på denne enheten som inkluderte en benk med en innbindingsmarg system10 inneholder en demning for levering av vann til toppen av jordprøver i en konstant hodet gjennom Hevert rør. Vannet var pumpet i rennesteinen systemet fra et reservoar bruker en nedsenkbar pumpe.
Flyt-skille er egentlig en 100 mm lang og 100 mm diameter PVC rør som fungerer som en holder som plast ermet holder jordprøve sitter. En andre PVC tube (ca 75 mm i diameter og 75 mm lang) er nok slik at jordprøve kontakter den skarpe kanten av denne PVC-rør, og passer innenfor utenfor PVC røret, med plast ermet holder jordprøve passende utenfor den mindre PVC-rør. En skjerm i mindre PVC tube støtter jordprøve og tillater vannet som gikk gjennom jord å strømme ut i bunnen av prøven. En andre stikkontakt avgir vann som har strømmet ned innsiden av plast ermet, og dermed eliminere såkalte "omkjøringsvei flyt" feil inkluderes i estimatet av mengden vann som flyttet gjennom jord matrix.
En viktig begrensning å teknikken oppstår med jord, som dem med høye leire innhold, som har en lav metning hydraulisk ledningsevne. Jord med svært lav metning hydraulisk ledningsevne vanligvis må ha deres ledningsevne bestemt med en "fallende hodet" tilnærming7 i stedet for konstant hodet tilnærming her. Apparatet beskrevet her må endres betydelig for å tillate en fallende hodet tilnærming som skal benyttes.
Utformingen har blitt funnet for å gi mer enhetlige resultater mettet jord hydraulisk ledningsevne10 enn tradisjonelle laboratorium metoder9. Bruk av design bør bidra til å redusere frekvensen av opptak feilaktig høye anslag av mettet hydraulisk hele på grunn av feilaktig inkludert veggen flyt i estimater av volumet av vann som strømmer gjennom jorden over en tidsperiode.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne vil gjerne takke Pennsylvania State University Office av fysiske anlegget for å gi delvis finansiering å støtte prosjektet. Delvis støtte ble også levert av USDA-Regional forskningsprosjekt W-3170. Vi ønsker å uttrykke vår takknemlighet til Ephraim Govere for hans hjelp med Analytisk arbeid. Vår dypeste takknemlighet er å Charles Walker, som engineering design og konstruksjon ferdigheter gjorde det mulig for oss å gjennomføre dette arbeidet.
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).
