Summary
Aqui apresentamos uma metodologia que corresponde a um tamanho de amostra de solo e um dispositivo de medição de condutividade hidráulica para impedir o fluxo de chamadas de parede ao longo dentro do contêiner de solo sendo erroneamente incluídos nas medições de fluxo de água. Seu uso é demonstrado com amostras coletadas de um site de irrigação de efluentes.
Abstract
Desde o início dos anos 1960, uma prática de descarga de águas residuais alternativo na The Pennsylvania State University foi pesquisada e seus impactos monitorados. Ao invés de descarregamento tratados de águas residuais para um fluxo e desse modo diretamente impactar a qualidade do fluxo, o efluente é aplicado para florestas e terra recortada gerenciado pela Universidade. Preocupações relacionadas com reduções na condutividade hidráulica do solo ocorrem quando considerando a reutilização de águas residuais. A metodologia descrita neste manuscrito, correspondência de tamanho de amostra de solo com o tamanho do aparato de medição de condutividade hidráulica de base laboratorial, oferece os benefícios de uma coleção relativamente rápida de amostras com os benefícios da controlada condições de contorno do laboratório. Os resultados sugerem que pode ter havido algum impacto de reutilização de águas residuais na capacidade do solo para transmitir água em profundidades mais profundas nas áreas do site depressional. A maioria das reduções da condutividade hidráulica do solo nas depressões parece estar relacionada com a profundidade da qual a amostra foi coletada e por inferência, associados com as diferenças estruturais e texturais de solo.
Introduction
Descarga de águas residuais tratadas de municípios em fluxos tem sido uma prática comum há décadas. Essas águas residuais é tratada principalmente com a finalidade de reduzir o potencial de consumo de oxigênio biológica por microorganismos nas águas receptoras, como resultado de efluentes de águas residuais descarregadas. Consumo de oxigênio por microrganismos degrada materiais orgânicos em águas residuais reduzindo os níveis de oxigênio no corpo da água em que o efluente é descarregado e, assim, prejudicar os organismos aquáticos, incluindo peixes.
Em décadas recentes preocupações desenvolveram relacionados com nutrientes inorgânicos, alguns metais e outros produtos químicos dentro de águas residuais que criar o mal. Devido a um estudo publicado por Kolpin et al 1, um foco maior em uma gama de produtos químicos não previamente considerado evoluiu. Este estudo, publicado pela Sociedade Geológica de Estados Unidos, elevado conscientização a respeito da ampla gama de produtos de cuidados pessoais e outros produtos químicos em rios e córregos através dos E.U. devido à descarga de instalações de tratamento de águas residuais.
Desde o início dos anos 1960, pesquisadores da Penn State University tem investigado e desenvolveu uma prática única de descarga alternativo de águas residuais em uma região húmida. Ao invés de descarregamento Tratado de águas residuais para um fluxo e impactante assim diretamente a qualidade do fluxo, o efluente é aplicada para as florestas e a terra recortada, gerido pela Universidade. Esta área de aplicação, apelidada de "The Living filtro", atualmente aceita todos os efluentes de águas residuais gerados a partir do campus mais alguns do município. Isto reduz a probabilidade de excesso de nutrientes entrar fluxos que entregam água da Baía de Chesapeake, protege a local da pesca de água fria de descargas de águas residuais quentes que é prejudicial aos peixes e impede a entrega de outros produtos químicos contidos nas águas residuais de contatar diretamente os ecossistemas aquáticos.
No entanto, há sempre consequências de alterações de comportamento, e esta facilidade de uso alternativo não é imune a tal. Perguntas surgiram sobre se a aplicação dos efluentes de águas residuais impactou negativamente a capacidade do solo para permitir que a água se infiltrar o solo superfície2,3,4,5 e causou maior escoamento superficial, se há uma possível contaminação dos poços locais com produtos químicos (nutrientes, antibióticos ou outros compostos farmacêuticos, produtos de cuidados pessoais) contidos nos efluentes de águas residuais, e se os produtos químicos estão criando negativos impactos ambientais, tais como através da captação de produtos químicos em plantas6 crescido no site, ou o desenvolvimento de resistência antibiótica em organismos7 no site do solo.
Como resultado de algumas destas preocupações, este estudo é realizado para determinar os impactos da irrigação de efluentes de águas residuais na condutividade hidráulica do solo na saturação. A abordagem utilizada envolve a coleta de solos de sites selecionados dentro ou fora da área irrigada e o tamanho de recipiente de amostra de solo com a configuração do laboratório de correspondência. É importante para o recipiente de amostras de solo caber dentro do aparelho de laboratório e para a água que se move para baixo através da matriz da amostra de solo a ser separados da água que se move para baixo entre o solo e o recipiente de amostras de solo. O protocolo descreve como os aparelhos de laboratório é construído para garantir que isso ocorreu.
São coletadas amostras de solo usando um amostrador hidráulico do núcleo ligado a um trator. Amostras de solo são coletadas de áreas selecionadas na paisagem ondulante e mantido em uma luva plástica cabida em amostras de núcleo do solo. Estes núcleos são coletados de um barro de silte Hagerstown, localizado em uma posição de paisagem cimeira ou em uma área de depressional. Seis cúpulas representativas e seis sites depressional são amostrados da área irrigada (um total de 12 locais de amostragem da área irrigada). Além disso, três cimeiras e três sites depressional são amostrados de uma área adjacente, sequeiro (um total de seis sites de sequeiro). Um máximo de seis núcleos é coletado em cada local para uma profundidade máxima de cerca de 1.200 mm, com cada amostra de núcleo, sendo cerca de 150 mm (100 mm da amostra sendo constante da luva de plástico e 50 mm, sendo constantes a cabeça de corte de amostras do metal ). Após a retirada de amostras do metal, as mangas de plástico contendo as amostras de solo coletadas são equipadas com tampas, transportados na vertical para o laboratório e armazenado na vertical, até que eles são usados para determinar a condutividade hidráulica saturada. Simultaneamente, amostras de solo são coletadas em cada profundidade para a determinação do solo e concentrações de solução de cálcio (Ca), magnésio (Mg) e sódio (Na) usando uma extração de Mehlich 3 para estimativas de água desionizada e concentrações de solo8 extrai-se a uma proporção de 1:2 de massa de solo: água em massa. As análises químicas dos extratos de água foram obtidas indutivamente acoplado Plasma emissão espectroscopia atômica (ICP-AES) e foram usadas para calcular a relação de adsorção de sódio (SAR).
A determinação da condutividade hidráulica saturada é efectuada principalmente usando um método de cabeça constante,9. Sais de uma solução contendo Ca e at para imitar a efluente condutividade elétrica (CE) e SAR do efluente é criado então o solo estará exposto à água variáveis de qualidade semelhantes à aplicada no campo de águas residuais. Neste caso, o CE é 1,3 dS/m e o SAR é 3, refletindo o CE e SAR do efluente nos últimos anos antes do período de amostra. [Tecnicamente, as unidades de SAR são (miliequivalentes/litro)½ e geralmente não são identificadas na literatura].
A modificação do método de cabeça constante de Klute e Dirksen9 é o desenvolvimento de um separador de fluxo por Walker8 para evitar o fluxo através da coluna que ocorreu fora da matriz de solo sejam incluídos na estimativa do solo hidráulico condutividade. O separador de fluxo é construído usando tubos de policloreto de vinila (PVC) selecionado e usinadas para coincidir com o tamanho da amostra de solo. Uma tela suporta a amostra de solo e permite que a água que foi movido pela matrix solo a fluir para fora a parte inferior da amostra. Uma segunda tomada emite a água que fluiu para baixo dentro da manga de plástico, eliminando assim chamados "fluxo de parede" incorretamente sejam incluídos na estimativa da quantidade de água que se move através da matriz do solo.
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Protocol
1. seleção de locais de amostragem de solo
- Identificar através de fotografia aérea e local visit(s) locais que receberam irrigação por águas residuais e os que não.
- Selecione vários sites representativos da qual a amostra, prestando atenção às diferenças de paisagem possível (particularmente local de paisagem, como a cimeira, inclinação lateral, inclinação do dedo do pé e depressão) em que a água, solo e plantas podem interagir de forma diferente.
- Identifica porções da paisagem como uma cimeira, inclinação lateral, inclinação do dedo do pé ou depressão. Categorize os sites representativos, baseados em suas características principais.
Nota: Neste experimento, sites foram identificados como uma cimeira de sequeiro, irrigada cimeira, depressão de sequeiro ou depressão de regadio. - Determine o número de locais e o site de cada localização que amostras serão tiradas de cada site representante característico.
Nota: Muitas vezes, discussões com um estatístico familiarizado com estatísticas ambientais serão muito úteis neste ponto e evitar preocupações posteriores em relação a análises estatísticas. - Colocar uma bandeira de marcação em cada localidade de amostra planejada e registrar a localização dos sítios amostra planejada no mapa, usando as coordenadas GPS.
2. coleta de amostras de solo
- Determine o equipamento que será usado para coletar as amostras de solo.
Nota: para o raso (por exemplo, menos de 300 mm de profundidade) amostras de solo, um sampler de solo cilíndrico (complementar a Figura 1) do tamanho usado para esta experiência muitas vezes podem ser conduzidas no solo com um martelo de queda, se o solo é macio o suficiente. Para o experimento aqui descrito, utilizou-se uma perfuratriz hidráulica para permitir que as amostras sejam recolhidas das profundezas até 1.200 mm.
Suplementar Figura 1: Equipamento usado para amostragem de broca.
- Transporte do equipamento de broca no local para realizar a amostragem.
- Colocar em capacetes, luvas e óculos de proteção antes de iniciar a perfuratriz.
- Poder-se a perfuratriz e abaixar a cabeça giratória suficientemente para permitir a instalação da barra de Kelly.
Nota: A barra de Kelly é a haste de metal que conecta o chefe da unidade da perfuratriz para o sampler. - Insira a barra de Kelly a cabeça giratória.
- Inserir um tubo de plástico forro/amostra no tubo de amostra de metal com uma cabeça de corte anexada à parte inferior do tubo de amostra de metal. Para o aplicativo descrito aqui, use uma 150 cm de comprimento e 90 milímetros fora forro de plástico de diâmetro (OD) montado em um 200 mm tempo e 100 milímetros OD/90 milímetros dentro do tubo de amostra de metal de diâmetro (ID).
- Fixe o tubo de metal amostra a Kelly bar usando uma cabeça de carro equipada para ambos.
- Opere o equipamento de broca para mover o tubo de amostra aproximadamente 150 mm no solo.
Nota: Isto irá fornecer uma amostra de 100 mm no forro plástico e permitem um espaço de 50 mm na parte superior da amostra para reter a água ponded na amostra quando as medições de condutividade hidráulica saturada são obtidas em laboratório. Isso também irá ajudar a evitar a compactação da amostra do solo durante a sua coleção. - Retire o tubo de metal de amostra do solo usando o sistema hidráulico da perfuratriz.
- Retire o tubo de metal amostra da cabeça da unidade. Em seguida, remover o plástico da amostra tubo segurando a amostra de solo do tubo de metal de amostra, usando o cuidado para não perder o solo de dentro do tubo de amostra de plástico e não de compactar o solo ou aperte os lados do tubo plástico amostra.
- Coloque as tampas em cada extremidade do tubo plástico amostra, usando vermelho para o final na parte superior da amostra de solo e preto para o fundo da amostra de solo. Tape as tampas para a manga para evitar a contaminação ou a perda de água da amostra.
- Coloca a amostra de pé na posição vertical para o transporte para o laboratório.
- Continue a amostragem para a profundidade mais profunda interesse, repetindo os passos 2.6 – 2.12.
3. construir uma cabeça constante, vários coluna, instalação de condutividade hidráulica do solo
Nota: O aparelho de laboratório de condutividade hidráulica é baseado no trabalho de Walker10. Envolve o uso de um permeameter que é construído para separar o fluxo entre a borda externa da amostra e o cilindro contendo o anel do fluxo através da matriz do solo. O ID de qualquer tubo de PVC referido abaixo não é uma estrito tolerância. Alguns podem se encaixam bem, e outros podem exigir algum trabalho (lixamento leve).
- Obter um 100-mm, 96 mm ID/114 mm-OD agenda 40 PVC cano longo.
- Obter um tubo de PVC de agenda 40 do longo, 73 mm ID/89 mm-diâmetro externo do 100-mm e para ter uma aresta de corte de 5 milímetros cônico da máquina. Proporcionar isso com um forro de plástico 89mm caber sobre o diâmetro exterior.
- Corte fora da parte inferior a 20 mm do tubo de PVC de agenda 40 referida no passo 3.2 e guarde-as para uso posterior.
- De uma folha de espessura de 6 mm de PVC cinza, corte um 155 x 155 mm2. Máquina da Praça para conter uma abertura circular de 60-70 mm no centro da Praça.
- Corte uma fatia grossa de 6mm 73 milímetros OD/63 mm ID agenda 40 PVC cachimbo de.
Nota: Um ralo de chuveiro de 73 mm que caiba um 73 mm ID agenda 40 tubo de PVC pode ser cortado e funciona bem, se um 73 milímetros OD agendar 40 tubo de PVC não é disponível. - Utilizando cimento de PVC, anexar a fatia grossa 6mm de 73 milímetros OD PVC (da etapa 3.5) 20 mm abaixo do topo do PVC 89mm OD (da etapa 3.2).
- Depois que o cimento de PVC usado na etapa 3.6 secou, centralize os dois cilindros de PVC para a folha de 6 mm e anexá-las para a folha usando cimento de PVC.
- Faça um furo no cilindro exterior PVC, centralizado aproximadamente 15 milímetros acima do quadrado de PVC cinzento, para acomodar um adaptador de 14 mm PVC com uma extremidade farpada.
- Cimento do adaptador no lugar usando cimento de PVC.
- Anexe um tubo de plástico OD/13 mm ID de 19 mm à extremidade farpada do adaptador.
- Cimento a peça de 20 mm do PVC agenda 40 referida no passo 3.4 ao fundo da Praça de PVC cinza, centrado sobre a abertura.
- Cortar um pedaço circular de diâmetro de 80-85 mm do engranzamento de fio de 6 mm x 18 G (um guarda de calha de aço galvanizado funciona bem para isso) para inserir o PVC de OD de 89 mm da parte superior para que repousa na fatia grossa 6mm de 73 milímetros OD PVC.
- Selecione um 19 x 184 x 2.438 placa de3 mm e corte-o ao meio, aparar a cada comprimento de 1.180 mm.
- Corte 6 – 125 mm furos espaçados 70mm separado na placa.
- Coloque um arame sob os furos na placa e anexá-lo (ex., usando uma pistola de grampo).
- Coloque um 140mm (abertura superior) x funil de 19 mm (bico OD) abaixo o engranzamento de fio e anexá-lo à diretoria; colocação de calafetar adesivo na borda do funil para eliminar as lacunas entre o topo do funil e a madeira.
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Construir uma moldura de madeira de 750 mm alta para segurar a placa com 6 furos (consulte as etapas 3.13 e 3.14) aproximadamente 350 mm acima do fundo do quadro.
- Prepare os componentes sobre este quadro para incluir uma base, dois extremos do quadro, duas estabilizadoras, uma base de reforço inferior, uma base estabilizadora, uma placa traseira estabilizadores do centro e uma placa traseira superior.
- Corte uma placa de 19 x 184 x 1.180 mm3 como base.
- Cortadas duas tábuas de 19 x 184 x 750 mm3 cada quadro final.
- Cortadas duas tábuas para criar um 19 x 184 x 600 mm3 estabilizar a perna em cada extremidade.
- Uma placa de corte 19 x 184 x 1.180 mm3 para servir como uma base de reforço inferior diretamente abaixo da placa com os 125 mm furos nele (ver passo 3.14).
- Cortar uma placa de 19 x 184 x 1.219 mm3 como uma estabilizador base anexada para a frente ou de trás dos dois estabilizando as pernas.
- Corte uma placa de 19 x 184 x 1.219 mm3 como um centro de estabilização placa traseira.
- Corte uma placa de 19 x 184 x 1.219 mm3 como um top volta da placa para adicionar estabilidade adicional, no qual será anexada uma sarjeta.
Nota: A placa traseira superior e sarjeta anexada devem ser a uma altura tal que o fundo da calha é aproximadamente na mesma altura como o topo do solo em manga de amostra do solo será quando a amostra está no local.
Suplementar Figura 2: vista do aparelho de condutividade hidráulica saturada de dianteira. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Prepare as calhas de alimentação e drenagem.
Nota: Cada calha de plástico é de aproximadamente 120 mm horizontal e 1219 mm de comprimento e é equipada com tampões de extremidade.- Faça furos na tampa de uma extremidade da calha de drenagem e em uma extremidade da calha fornecimento para acomodar um adaptador de extremidade farpada 13 mm HB x MGHT nylon em cada buraco.
- Faça furos na tampa da extremidade da calha de alimentação para acomodar um tubo de PVC de ID de 25 mm para permitir a drenagem de volta para o recipiente de alimentação.
- Cimento as conexões de PVC angulares conforme necessário para permitir a drenagem da água volta para o recipiente de alimentação.
- Cortar um 40 milímetros tampa de extremidade elevada da calha para caber dentro do fornecimento da calha aproximadamente 10 cm do PVC-conectado a tomada.
- Corte um entalhe trapezoidal na parte superior do que tampa de extremidade, que é de aproximadamente 20 mm de profundidade, 30 mm de largura na base e 50 mm de largura na parte superior do entalhe.
Nota: Isto irá agir para manter a cabeça na sarjeta fornecimento constante. - Coloca a calha de drenagem por baixo as ampolas então repousando sobre a base de reforço inferior da moldura de madeira.
- Anexe a calha de alimentação para a placa traseira superior usando cabides de sarjeta de vinil.
Suplementar Figura 3: terminar a exibição da fonte de água da calha. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Prepare a fonte de água.
- Conecte o tubo plástico para os adaptadores de nylon farpado final da calha de alimentação e a calha de drenagem.
- Coloque uma banheira grande no chão perto do dispositivo de condutividade, criado para servir como o recipiente de alimentação.
Nota: A banheira deve ser selecionada para manter a água suficiente para pelo menos 24 h de medições. - Coloque uma bomba submergível pequena dentro da banheira e conecte-o com tubo plástico ao final da entrada da calha de alimentação.
- Conecte o tubo de plástico pequeno para os adaptadores de extremidade farpada da tomada de fluxo da parede (referida em 3,9) e coloque a extremidade sem ligação da tubulação para o esgoto de drenagem.
- Encha o recipiente de alimentação com água.
- Ligue a bomba e executá-lo para preencher a calha de alimentação. Garantir a taxa de água a ser bombeada para a calha de alimentação é adequada para manter a calha de alimentação quase completa sem transbordar.
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Preparar uma amostra de solo"prática" para identificar quaisquer modificações necessárias.
- Coloca uma amostra de solo de "prática" dentro de uma manga de plástico amostragem, deixando cerca de 50 mm de espaço entre o topo do solo e a parte superior da manga de plástico.
- Cobrir a extremidade inferior da amostra e manga com uma dupla camada de gaze. Segure a gaze sobre a manga de amostragem com um tamanho suficientemente elástico.
- Coloca a amostra de solo de prática e manga em uma cuba de água cheia até cerca de 1/3 da altura da manga, com o fim de gaze estar na água.
- Depois de várias horas, elevar a água na banheira para aproximadamente 2/3 da altura da amostra. Depois de permitir que a amostra definir durante a noite, encha a banheira para apenas abaixo do topo da amostra de solo (não a parte superior da manga).
- Colocar a amostra de solo em cima do tubo de PVC OD de 89 mm e pressione-o gentilmente no tubo, permitindo que a borda afiada do tubo PVC para pressionar no solo alguns milímetros para permitir que a parte inferior do solo para descansar na tela.
Nota: O pano precisará ter o elástico afrouxado para permitir isto. Além disso, observe que o topo do solo em manga de amostra deve ser aproximadamente o nível com a parte inferior da calha de alimentação e parte superior da manga de amostra deve ser aproximadamente o nível com a parte superior da calha de alimentação. -
Fornece água para o topo da amostra de solo.
- Ligue a bomba e encher a calha de alimentação.
- Certifique-se a extremidade do tubo de drenagem é colocada na sarjeta a drenagem e a tomada da sarjeta drenagem está conectada firmemente para o tubo plástico que é colocado em um dreno ou recipiente em uma menor elevação.
- Usando o tubo de 6 mm, crie um sifão da sarjeta fornecimento à parte superior do solo.
- Colete amostras de água do núcleo do solo que drena do funil.
Nota: As amostras devem ser colhidas durante o período de tempo necessário para obter água suficiente para ter a precisão necessária para o experimento, com base em critérios de pesquisa. - Verifique se há vazamentos ou problemas imprevistos.
- Determine o comprimento aproximado do tempo necessário para coletar uma quantidade adequada de água com base no tempo necessário para encher aproximadamente metade num copo de 100 mL com água (ou outro volume determinado pela equipe de pesquisa).
- Crie um simulado "fluxo de parede" através da inserção de uma pequena chave de fenda ou outro instrumento semelhante ao longo do interior do contêiner de amostra de solo de plástico para confirmar que o excesso fluxo criado por essa passagem flui para a valeta de drenagem através do tubo de drenagem.
- Modifica a configuração baseada em quaisquer problemas encontrados em executar esta prática.
4. obtenção de condutividade hidráulica do solo valores
- Molhar as amostras de solo que foram coletados a partir do site de campo cobrindo as extremidades inferior das amostras com gaze prendido no lugar com uma faixa de borracha, seguindo as instruções fornecidas na etapa 3.20 para a prática de executar.
- Ligue a bomba e permitir que a calha de alimentação preencher. Verificar se há vazamentos.
- Coloca as amostras para o dispositivo de condutividade hidráulica como feito para a prática de executar. Tenha cuidado para não compactar as amostras durante o manuseio.
- Configure os tubos sifão para mover a água da sarjeta fornecimento para a superfície do solo contido na manga de plástico.
- Inicialmente, começa a recolher a água do funil de cada 10 – 20 min, para obter uma ideia de quanto tempo a tirar amostras e como frequentes para tirar amostras. Tempos de registro e massas/volumes de água em cada amostra para cada amostra de solo.
- Procure amostras sequenciais conter quantidades iguais de água. Depois de 3 – 5 amostras contêm a mesma quantidade de água, a amostra provavelmente atingiu um estado estável.
Nota: Para garantir que foi atingido o estado estacionário, pode ser desejável levar algumas amostras adicionais programadas 1 h separados. - Usar a lei de Darcy para calcular a condutividade hidráulica saturada;
Onde
K-sat = condutividade hidráulica saturada (L/T)
V = volume de estado estacionário de água que flui através do núcleo (L.3)
L = comprimento da amostra (L)
A = área de seção transversal da amostra do núcleo (L2) através de que a água está fluindo. Para esta configuração,
T = tempo (T)
(H2- H1) = diferença de cabeça hidráulica (L); para esta configuração, é a distância entre o topo da água ponded na superfície do solo e a parte inferior da amostra de solo.
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Representative Results
Para investigar a questão de se a aplicação de efluentes de águas residuais no local do filtro vivendo tem impactado a capacidade do solo de transmitir água, realizamos experimentos para medir a condutividade hidráulica saturada dos solos. Comparamos a condutividade hidráulica de solos de áreas irrigadas do site com aqueles em áreas de sequeiro do site. O impacto dos efluentes de águas residuais sobre a condutividade hidráulica do solo é uma questão de preocupação, como tem havido alguns relatos em regiões menos úmidas das reduções na capacidade do solo para transmitir água resultante (por exemplo) um acúmulo de sódio no solo ou a partir do desenvolvimento de uma crosta superficial biológica. Para cada uma das amostras coletadas para medições de condutividade hidráulica, amostras de locais adjacentes dentro de um metro das amostras de condutividade hidráulica foram coletadas para uma medição dos principais cátions de Ca, Mg e da solução do solo. Os valores de Ca, Mg e nd da solução do solo foram estimados de 1:2 solo massa: massa relação água deionizada água extrai dos solos, com valores de volta-calculados com base no conteúdo de água do solo no momento da amostragem. Essas concentrações de solução do solo foram usadas para calcular a relação de adsorção de sódio da solução do solo, conforme definido por:
onde os valores de ND, Ca e Mg são fornecidos em miliequivalentes (meq) / litro. (Para at, o número de meq/l = mg/l dividido por 23; para Ca, meq/l = mg/l dividido por 20; para Mg, meq/l = mg/l dividido por 12.)
Observou-se que a condutividade hidráulica diminuiu com profundidade nas áreas depressional (Figura 1), com a relação mais forte do Ksentou-se pela profundidade existentes nas áreas não irrigadas.
Ao considerar a relação de Ksab SAR, por amostras de solo abaixo de 20 cm, houve uma forte relação positiva entre K-sat e o SAR da solução do solo para as depressões de sequeiro (Figura 2), mas um forte negativo relação entre K-sat e SAR para as depressões irrigadas. Deve notar-se que os valores de SAR na área de sequeiro foram significativamente inferiores na área irrigada e estavam em um intervalo no qual não se espera que a condutividade hidráulica do solo poderia ser afetada. Os valores de SAR na área irrigada eram muito mais elevados, e apesar de estarem em um intervalo que não deverá criar quaisquer reduções da condutividade hidráulica, observa-se que havia uma forte relação negativa entre K-sat e SAR (Figura 2) .
Olhando para a distribuição de SAR pela profundidade para as depressões de sequeiro (Figura 3), havia pouca relação entre solo solução SAR e profundidade do solo. Assim, é provável que a relação entre os valores desab decrescentes K por profundidade é dominada por alterações das características do solo (estrutura, textura), que tendem a mudar com a profundidade. Em contraste, a Figura 4 demonstra que existe uma forte relação entre a profundidade do solo e solo solução SAR para áreas irrigadas de depressional. A forte relação entre K-sat e SAR para a área irrigada é provavelmente devido a ambos uma forte correlação entre a profundidade do solo e SAR de solução do solo e em certa medida, a uma diminuição do Ksentou-se com o aumento da profundidade. Parece, no entanto, que pode haver alguma diminuir no Ksentou-se simplesmente devido o aumento SAR.
Figura 1: Relação entre condutividade hidráulica saturada e profundidade de solo para depressões de regadio e sequeiro.
Figura 2: Relação entre condutividade hidráulica saturada e relação de adsorção de sódio (SAR) da solução de solo para depressões de regadio e sequeiro.
Figura 3: Valor da SAR média na solução do solo por amostragem profundidade para sítios localizados em depressões de sequeiro.
Figura 4: Valor da solução solo SAR pela profundidade para sítios localizados em depressões irrigadas.
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Discussion
A capacidade de coletar amostras de solo imperturbado, baseada em campo e obter seus valores de condutividade hidráulica é importante na obtenção de dados representativos de um site. Para melhor representar as condições de campo, é importante o uso de amostras de solo que permanecem em um representante do estado físico do seu ambiente no campo. Amostras de solo coletadas de um site de campo, que em seguida são perturbados por subamostragem ou manipulando compactação induzida, por exemplo, irá experimentar mudanças estruturais que afetam a condutividade hidráulica saturada.
Também é importante ter um meio de medir a condutividade hidráulica do solo em um ambiente controlado do laboratório. No entanto, usando um método de laboratório para a condutividade hidráulica saturada, que não consegue dar conta de um fluxo ao longo do interior do recipiente da amostra (chamados de parede fluxo") resultará em uma pobre reprodução de resultados e alta variabilidade devido a metodologia ao invés de variabilidade devida à natural.
Desde o desenvolvimento de Permeameter o disco em 1982 por Perroux11, baseado no trabalho de Clothier e branco12, muito esforço tem sido dispendido para obter mais satisfatoriamente de medições de condutividade hidráulica solo baseada no campo13. Ter as medições de campo baseada é altamente desejável, como "perturbado" solo amostras (por exemplo, secos e moídos amostras reembaladas em uma coluna) não refletem as condições do solo natural.
No entanto, também existem desvantagens de métodos baseados em campo para obter solo condutividades hidráulicas. Uma das suposições feita com os métodos baseados em campo é que o solo subjacente ao equipamento utilizado para medir a taxa da entrada de água no solo é uniforme13. No entanto, a maioria dos solos não são uniformes, mas são compreendidos de camadas de solo de materiais que diferem em suas condutividades.
Outra desvantagem é o fato de que uma campanha de amostragem ampla pode exigir de 1 – 4 h (ou mais) tempo de medição por exemplo, além do tempo de preparação do local. Trabalhos anteriores a este local14 necessárias várias semanas para concluir usando o método de Ankeny et al.13. A consequência é que a coleção de um grande número de amostras exigirá um período de tempo tão substancial que as condições de campo vão mudar (por exemplo, crescimento da planta, teor de água, etc.), e a amostragem também pode interferir com o campo operações (por exemplo, neste caso, aplicações de rega de águas residuais e colheita). As diferenças nas condições ambientais (por exemplo, chuvas) podem resultar em mudanças nas propriedades químicas do solo. No caso deste experimento, concentrações de Ca, Mg e nd mudaram por causa da lixiviação de Ca, Mg e nd através do solo devido à infiltração da precipitação e o movimento descendente da água.
Por causa do trabalho físico envolvido em e o comprimento de tempo necessário para preparar o local quando é coberta com vegetação14, e o período de tempo necessário para coletar os valores de condutividade hidráulica saturada baseada em campo, a capacidade de obter valores representativos sobre uma escala das profundidades do solo e locais de campo podem exigir até meio-dia por exemplo por profundidade. Operações de campo de produção de planta necessárias, incluindo a irrigação, podem restringir o período de tempo para coleta de amostra.
Além disso, mesmo se o tempo necessário para realizar medições de campo de condutividade hidráulica saturada em muitos sites está disponível, o comprimento de tempo para obter amostras através de um local de campo e em várias profundidades necessariamente resultará em muitas amostras coletadas sob diferentes condições ambientais, como as mudanças de dia para dia (ou mais frequentemente).
Amostras colhidas em campo com uma amostra de solo hidráulico podem ser coletadas em um tempo muito mais curto, reduzindo assim as mudanças que podem ocorrer em um local de campo ao longo do tempo. No entanto, os procedimentos de laboratório para obter a condutividade hidráulica do solo de tais amostras têm a clara desvantagem de ser sujeitos chamados "fluxo de parede"10. Fluxo de parede é o fluxo de água ao longo do interior do recipiente da amostra quando a amostra é colocada em um dispositivo de cabeça constante, que normalmente é usado para obter estimativas de condutividade hidráulica do solo. Tal fluxo, se for incluído na medida da taxa de circulação de água através do solo, resulta em uma alta erroneamente estimativa da condutividade hidráulica. Este manuscrito descreve o uso de um laboratório criado para eliminar o fluxo de parede das estimativas da condutividade hidráulica do solo e de um método de coleta de amostra que corresponde ao tamanho de amostra de solo para o tamanho do equipamento de laboratório.
Um passo crítico é coletar amostras de solo que não tem sido compactadas. Embora o status de umidade do solo terá impacto sobre a resistência à inserção do sampler e, portanto, a compatibilidade do solo, a recomendação é que o comprimento da amostra coletada deve ser um pouco mais curto do que o forro de amostra que é inserido em o tubo de amostra de metal.
Transporte de amostras de campo para o laboratório deve ser feito de uma forma que minimiza a perturbação a eles. Mantê-los na posição vertical e garantindo que eles não são hermeticamente embalados contra cada outro vontade ajudam reduzir as perturbações de manipulação.
O passo mais crítico no protocolo é construir os aparelhos de laboratório para coincidir com o tamanho da amostra coletado do campo para que o fluxo de parede não está incluído na água coletada do solo matriz10. Embora a descrição do aparato de laboratório aqui apresentado é para um determinado tamanho de recipiente de amostras, outros recipientes de tamanhos podem ser utilizados se a titulares de amostra no aparelho de laboratório da mesma forma são comparados em tamanho.
Depois de um protótipo é montado, amostras de teste criadas intencionalmente ao resultado no fluxo de parede devem ser utilizadas para verificar que a construção do aparelho realmente separar parede fluxo fluxo de matriz do solo. Outra observação importante é que se o projeto final permite o estabelecimento de uma cabeça constante de água em cima da amostra do solo sem overtopping o recipiente plástico do solo. O topo do recipiente solo deve estar acima do nível da água no abastecimento de sarjeta. Isto é crítico. Se a água overtops o recipiente plástico do solo, então as dimensões eram provavelmente não corretamente medido. Isto pode ser superado por um anel de borracha para o topo do recipiente plástico solo, tomando cuidado para não perturbar a amostra de solo de encaixe.
O tempo de recolha de amostra necessário será dependente de ambos os critérios definidos para a precisão do experimento, bem como a taxa de circulação de água através do solo. Por exemplo, amostras podem precisar ser recolhidos por 10 – 20 min cada hora por um período de 12 h até uma quantidade relativamente constante de água move-se através do núcleo de solo e dentro do recipiente de amostragem cada vez que uma amostra. Em outros casos, as amostras só podem precisar de ser colhida para 8 – 10 min por um período de 3 ou 4 h antes de uma quantidade constante de água se move através do solo por um período de determinada amostra. Volumes constantes de água durante o mesmo período de tempo da amostra indica que uma condição de "estado estacionário" tinha sido alcançada.
Amostras de solo foram preparadas para uma análise de condutividade hidráulica saturada colocando gaze na parte inferior de cada núcleo e, em seguida, colocando o núcleo em uma banheira de água lentamente saturar as amostras de baixo para cima, por um período de pelo menos 24 h.
Após presaturation, os núcleos foram retirados da banheira e a parte inferior de cada um dos núcleos foi definido em um separador de fluxo projetado para separar qualquer fluxo ao longo dos lados da manga de plástico contendo o solo, do fluxo através do solo em si. Seis núcleos de solo cada vez foram colocados neste dispositivo que incluía um banco com um sistema de calha10 contendo um açude para o fornecimento de água para o topo das amostras de solo em uma cabeça constante através de tubos de sifão. Água foi bombeada para o sistema da calha de um reservatório, utilizando uma bomba submersível.
O separador de fluxo é essencialmente um comprimento de 100 mm e tubo de PVC de diâmetro de 100 mm que serve como um suporte em que se senta a manga de plástico segurando a amostra de solo. Um segundo tubo de PVC (cerca de 75 mm de diâmetro e 75 mm de comprimento) é afiado para que a amostra de solo entra em contato com a borda afiada deste tubo de PVC e se encaixa dentro do tubo de PVC exterior, com a manga de plástico segurando a amostra de solo montagem fora do tubo de PVC menor. Uma tela no tubo de PVC menor suporta a amostra de solo e permite que a água que foi movido através do solo a fluir para fora a parte inferior da amostra. Uma segunda tomada emite a água que fluiu para baixo dentro da manga de plástico, eliminando assim chamados "fluxo de ignorar" incorretamente sejam incluídos na estimativa da quantidade de água que movia-se sobre a matriz de solo.
Uma limitação importante para a técnica ocorre com solos, tais como aqueles com teor de argila de alta, que têm uma baixa condutividade hidráulica saturada. Solos com muito baixa condutividade hidráulica saturada normalmente devem ter sua condutividade determinada com uma cabeça de"queda" abordagem7 em vez da abordagem de cabeça constante usada aqui. O aparelho descrito aqui precisaria ser significativamente modificado para permitir uma abordagem caindo de cabeça ser utilizada.
O projeto foi encontrado para fornecer resultados mais consistentes de condutividade hidráulica do solo saturado10 que laboratório tradicionais métodos9. Uso do desenho ou modelo deve ajudar a reduzir a frequência de gravação erroneamente altas estimativas de condutividade hidráulica do solo saturado devido erroneamente, incluindo fluxo de parede nas estimativas do volume de água que flui através do solo, durante um período de tempo.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Os autores gostaria de agradecer a Pensilvânia estado Universidade escritório de planta física para a concessão de financiamento parcial para apoiar este projeto. Financiamento parcial também foi fornecido pela W-3170 projeto de pesquisa do USDA-Regional. Gostaríamos de expressar nossa gratidão a Ephraim Govere pela ajuda com o trabalho analítico. Nossa profunda gratidão é Charles Walker, cujo projeto de engenharia e habilidades de construção tornaram possível para nós realizar este trabalho.
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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