Summary
Здесь мы представляем методология, которая соответствует размер выборки почв и гидравлической проводимости измерения устройство для предотвращения так называемой стене поток вдоль внутри контейнера почвы от ошибочно включены в измерения расхода воды. Его использование продемонстрировал образцы, собранные с сайта полива сточных вод.
Abstract
Начиная с начала 1960-х исследовал разряда практики альтернативного сточных вод в университете штата Пенсильвания и мониторинга ее последствий. Вместо выгрузки очищенных сточных вод в поток и тем самым непосредственно влияет качество потока, стоков применяется для лесных и обрезки земли управляется университетом. Проблемы, связанные с сокращением в гидравлической проводимости почвы происходят при рассмотрении повторное использование сточных вод. Методике, описанной в этой рукописи, соответствующий размер выборки почв с размера на основе лабораторных гидравлическая проводимость Измерение аппарата, обеспечивает преимущества относительно быстрое коллекция образцов с преимуществами контролируемых Лаборатория граничные условия. Результаты показывают, что, возможно, были некоторые последствия повторного использования сточных вод на способность почвы передачи воды на больших глубинах в депрессионные областях сайта. Большинство сокращений в гидравлической проводимости почвы в депрессии, как представляется, быть связаны с глубины, из которых была собрана образца и, следовательно, связанных с различиями структурных и текстурные почвы.
Introduction
Сбросы очищенных сточных вод от муниципалитетов в потоки был стандартной практикой на протяжении десятилетий. Таких сточных вод обрабатывается главным образом в целях уменьшения возможности для потребления кислорода биологических микроорганизмов в принимающем водах, благодаря разряженной сточных. Потребление кислорода микроорганизмами деградирует органических веществ в сточных водах, снижение уровня кислорода в организме воду в которой сточные воды сбрасываются и тем самым вред водных организмов, включая рыбу.
В последние десятилетия проблемы разработали соответствующие неорганических питательных веществ, некоторых металлов и других химических веществ в сточные воды, которые создают вреда. Из-за исследования, опубликованного Kolpin и др. 1, развивалась заострить внимание на целый ряд химических веществ, которые не рассматривались ранее. Это исследование, опубликованное в геологического общества Соединенных Штатов, возведенное осведомленности о широкий спектр продуктов личной гигиены и других химических веществ в реках и ручьях в США из-за выделений из очистных сооружений.
С начала 1960-х исследователи из университета штата Пенсильвания расследование и альтернативного сточных вод разряда практика несколько уникальных влажных региона. Вместо выгрузки очищенных сточных вод в поток, и таким образом, непосредственно влияющих на поток качества стоков применяется к лесных и обрезанного Земля управляется университетом. Эта область применения, по прозвищу «Живущих фильтр», в настоящее время принимает все сточных вод из кампуса, плюс некоторые из муниципалитета. Это уменьшает вероятность для избыточных питательных веществ, чтобы ввести потоки, которые доставляют воду на Чесапик-Бэй, защищает местных холодноводных рыболовства от сбросов тепло сточных вод, которые вредны для рыб и препятствует доставке других химических веществ содержащиеся в сточных водах от напрямую контактировать водных экосистем.
Однако всегда есть последствия изменения поведения, и этот механизм альтернативного использования не застрахована от таких. Возникли вопросы относительно ли применение сточных отрицательно сказалось способность почвы позволить воде проникнуть в почву поверхности2,3,4,5 и вызвало более стока, Есть ли возможное загрязнение местной скважин с химическими веществами (питательные вещества, антибиотики или других фармацевтических соединений, средства личной гигиены), содержащихся в сточных и ли эти химические вещества создание негативных воздействие на окружающую среду, такие как через поглощения химических веществ в растения6 выросли на сайте, или развития устойчивости к антибиотикам в почве организмов7 на сайте.
В результате некоторых из этих проблем это исследование проводится для определения воздействия полива сточных вод на гидравлической проводимости почвы при насыщении. Используемый подход предполагает сбор почвы от выбранных сайтов в пределах или за пределами области орошаемых и соответствующий размер контейнера образца грунта с лабораторной установки. Это важно для контейнера образца почвы вписываются в лаборатории аппарат и для воды, которая движется вниз через матрицу почвы в образце быть отделены от воды, которая движется вниз между почвой и контейнера образца грунта. Протокол описывает, как Ступка построен, чтобы убедиться, что это произошло.
Образцы почвы собраны с использованием пробоотборника гидравлические ядро, прилагается к трактору. Ядер почвы собраны из отдельных районов в волнообразный ландшафт и сохранены в пластиковый рукав вписывается в сборники основных почвы. Эти ядра собираются от Хейгерстаун ила суглинка, расположен в позиции пейзаж на высшем уровне или в зоне депрессионные. Шесть представительных встреч и шесть депрессионные сайты отбираются из области орошаемых (в общей сложности 12 Площадь орошаемых участков отбора проб). Кроме того три саммитов и три депрессионные сайты отбираются из смежных неорошаемых районе (в общей сложности шесть узлов неорошаемых). Максимум шесть ядер собирается на каждом сайте максимальная глубина около 1200 мм, с каждой основной выборки, длиной около 150 мм (100 мм образца, содержащегося в пластик и 50 мм, содержащихся в режущую головку металла сборники ). После удаления из металла сэмплер пластиковые рукава, содержащий собранные почвы ядер оснащены заглушки, перевозятся в вертикальном положении в лабораторию и хранить вертикально, до тех пор, пока они используются для определения насыщенных гидравлической проводимости. Одновременно собраны образцы почвы на каждой глубине для определения почвы и концентраций почвенного раствора кальция (Ca), магния (Mg) и натрия (Na) с использованием Mehlich 3 добыча для оценки почв концентрации8 и деионизированной воды экстракты в соотношении 1:2, масса: воды, почвы массы. Химический анализ воды экстрактов были получены от индуктивно сочетании плазмы атомной эмиссионной спектроскопии (ICP-AES) и были использованы для расчета коэффициент адсорбции натрия (САР).
Определение насыщенных гидравлической проводимости осуществляется преимущественно с помощью постоянной головной метод9. Раствор, содержащий Ca и Na солей для имитации сточных электропроводности (EC) и САР стоков создается, поэтому почва будет подвергаться воздействию воды похож на сточных вод, применяемых в области качества переменных. В этом случае ЕС-1.3 dS/м и ВДО-3, отражающий EC и САР стоков в последние годы до периода выборки. [Технически, единицы измерения для САР являются (миллиэквиваленты/литр)½ и обычно не определены в литературе].
Изменения в метод постоянной головной Клют и Дирксен9 является разработка разделитель потока Уокер8 для предотвращения потока через колонку, которое произошло за пределами почвенная матрица от включаются в смету почвы гидравлические проводимости. Рассекатель потока построен с помощью поливинилхлорид (ПВХ) трубы выбран и обработана в соответствии с размером выборки почв. Экран поддерживает пробы почвы и воды, которая перешла через почвенная матрица течь из нижней части образца. Второй выход испускает воды утекло вниз внутри пластиковая втулка, тем самым устраняя так называемых «стены поток» от неправильно включены в оценку количества воды, которая движется через матрицу почвы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Выбор места отбора проб почвы
- Определить путем аэрофотосъемки и сайт visit(s) места, которые получили полива сточных вод, и те, которые не имеют.
- Выберите несколько репрезентативных участках, из которого для выборки, уделяя пристальное внимание возможным пейзаж различия (особенно пейзаж местоположение, как саммита, крен, мыс склон и депрессия) на которых воды, почвы и растений могут взаимодействовать по-разному.
- Определение части ландшафта как саммита, крен, мыс склона или депрессии. Классифицировать представитель сайтов, основанных на их основных характеристик.
Примечание: В этом эксперименте, сайты были определены как не орошаются саммита, орошаемых саммита, не орошаются депрессии или орошаемых депрессии. - Определите количество мест и сайт каждого местоположения, из которого будет отбирать пробы с каждого характерный представитель сайта.
Примечание: Часто, дискуссии с статистик знакомы с экологической статистики будет очень полезно на данный момент и предотвратить позднее опасения относительно статистического анализа. - Установите флаг маркировки в каждом месте планируемой образца и запишите расположение запланированной выборки объектов на карте, с помощью GPS координат.
2. сбор проб почвы
- Определите оборудование, которое будет использоваться для сбора проб почвы.
Примечание: для мелкой (например, менее чем в 300 мм в глубину) образцы почвы, цилиндрические почвы сэмплер (дополнительная цифра 1) размер, используемый для этого эксперимента, часто могут управляться в почву с молотком падение, если почва является достаточно мягким. Для эксперимента, описанные здесь, гидравлическая буровая был использован чтобы образцы должны быть собраны из глубин до 1200 мм.
Дополнительные рисунок 1: Буровой станок используется для выборки.
- Транспортные буровой на сайт для проведения выборки.
- Наденьте каски, перчатки и защитные очки перед началом буровой.
- Мощность до буровой и нижний роторный голову достаточно, чтобы разрешить установку панели Келли.
Примечание: В баре Келли является металлический стержень, который соединяет головку привода буровой сэмплер. - Вставка панели Келли в роторный голову.
- Вставьте трубу лайнера пластиковые/образец в металлический образец трубки с режущей головкой, прилагается к нижней части металла образца трубки. Для применения описанных здесь, используйте длиной 150 см и 90 мм за пределами диаметра (OD) пластиковый вкладыш вписывается в 200 мм длиной и 100 мм OD/90 мм внутри трубы металлические образца диаметр (ID).
- Подсоедините трубку металла образца в Келли бар с помощью головки установлены оба.
- Управлять буровой для перемещения образца трубки примерно 150 мм в почву.
Примечание: Это будет предоставлять образец 100 мм в пластиковый вкладыш и для пространства 50 мм в верхней части образца позволяют удерживать воду заданный на образце, когда насыщенный Гидропроводность измерений получены в лабораторных условиях. Это также поможет избежать сжатие образца грунта во время его сбора. - Удаление металлических образцов трубки из почвы с помощью гидравлической системы буровой.
- Удаление металлических образцов трубки из головки. Затем удалить пластиковые образец трубки Холдинг образец почвы из металла образца трубки, используя уход не терять почву от внутри трубы пластиковые образца и не компактный почвы или Сожмите стороны трубы пластиковые образца.
- Место колпачки на каждом конце трубки пластиковых образца, используя красный для окончания в верхней части образца грунта и черный для нижней части образца грунта. Лента колпачки на втулку, чтобы избежать заражения или потери воды из образца.
- Поместите образец вертикально для транспортировки обратно в лабораторию.
- Продолжать выборки глубочайшие глубины интерес, повторяя шаги 2.6-2.12.
3. Создание постоянной головы, несколько столбцов, установки гидравлической проводимости почвы
Примечание: Гидравлическая проводимость Ступка основана на работе Уокер10. Это включает в себя использование permeameter, который построен для разделения потока между внешним краем образца и цилиндра, содержащие кольца из потока через матрицу почвы. Идентификатор любого трубы ПВХ, упоминаемые ниже не является строгим терпимость. Некоторые могут хорошо подходят, и другие могут потребовать некоторые работы (света шлифования).
- Получите 100-мм длиной, 96 мм ID/114 мм ОД график 40 ПВХ труб.
- Получить 100-мм длиной, 73 мм ID/89 мм ОД график 40 ПВХ труб и машины, чтобы иметь 5 мм конические передний край. Обеспечить это с 89 мм пластиковый вкладыш, чтобы соответствовать через наружный диаметр.
- Срезают нижний график 40 ПВХ труб в 20 мм, упоминаемые в шаге 3.2 и сохраните его для последующего использования.
- Из листа толщиной 6 мм серая ПВХ вырежьте 155 x 155 мм2. Машина на площадь, чтобы содержать круглое отверстие в 60 – 70 мм в центре площади.
- Отрежьте кусочек толщиной 6 мм 73 мм OD/63 мм ID график 40 ПВХ труб.
Примечание: 73 мм душ утечка, которая вписывается в 73 мм ID график 40 труб ПВХ могут быть сокращены, и работает хорошо, если 73 мм OD график 40 ПВХ труб не доступен. - С помощью ПВХ цемента, приложите кусочек толщиной 6 мм 73 мм OD ПВХ (от шага 3.5) 20 мм ниже верхней части ПВХ 89 мм OD (от шага 3.2).
- После высыхания ПВХ цемента, используемых в шаге 3.6, центр двух цилиндров ПВХ лист 6 мм и прикрепить их на лист с помощью ПВХ цемента.
- Просверлите отверстие в наружный ПВХ цилиндр, сосредоточено около 15 мм выше серый квадрат ПВХ, чтобы вместить 14 мм ПВХ адаптер с колючая конце.
- Адаптер на месте с помощью ПВХ цемент цемент.
- Приложите 19 мм OD/13 мм ID пластиковые трубы колючая конце адаптера.
- Цемент, 20 мм кусок график 40 ПВХ, упоминаемые в шаге 3.4 в нижней части площади Серый ПВХ, сосредоточены на открытие.
- Вырезать из 80 – 85 мм диаметр круговой кусок 6 мм x 18 G сетка (оцинкованные стальные желоба гвардии работает хорошо для этого) для вставки в ПВХ ОД 89 мм от верхней, так что он опирается на 6 мм толщиной среза 73 мм OD ПВХ.
- Выберите 19 x 184 x 2438 мм3 Совет и разрезать его пополам, обрезка длиной до 1180 мм.
- Вырежьте из 6 – 125 мм, которую отверстия на расстоянии 70 мм друг от друга в правлении.
- Поместить проволочную сетку под отверстия в плате и прикрепить его (например., с помощью пистолета штапель).
- Место 140 мм (верхнее отверстие) x 19 мм (OD носик) воронка ниже сетки и прикрепить его к Совету; размещение клей конопатить на краю воронки для ликвидации разрыва между верхней части воронки и древесины.
-
Построить 750 мм высокий деревянный каркас провести Комиссия с 6 отверстиями (см. шаги 3.13 и 3.14) примерно 350 мм над нижней части кадра.
- Подготовка компонентов этого кадра включить базу, два кадра, два Стабилизирующие опоры, нижней укрепления базы, стабилизирующим базы, центр стабилизации задняя стенка и верхняя задняя стенка.
- Вырежьте доски до 19 x 184 x 1180 мм3 как база.
- Сократить две доски до 19 x 184 x 750 мм3 каждого кадра.
- Вырезать две доски для создания 19 x 184 x 600 мм3 стабилизации ног на каждом конце.
- Отрежьте доску до 19 x 184 x 1180 мм3 в качестве нижней укрепления базы непосредственно под правление с 125 мм отверстия, просверленные в нем (см. шаг 3.14).
- Вырезать доски до 19 x 184 x 1219 мм3 как стабилизирующий база прилагается к передней или задней части двух стабилизации ноги.
- Вырежьте доски до 19 x 184 x 1219 мм3 как центр стабилизации задняя стенка.
- Вырежьте доски до 19 x 184 x 1219 мм3 как топ обратно доска для добавления дополнительной стабильности, на которую будет прилагаться желоба.
Примечание: Верхняя задняя стенка и прилагаемый желоба должны быть на высоте таким образом, что в нижней части желоба находится примерно на том же высоте, как в верхней части почвы в рукав образец почвы будет, когда образец имеет место.
Дополнительные рисунок 2: передний вид аппарата насыщенных Гидропроводность. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
-
Подготовьте снабжения и дренажные желоба.
Примечание: Каждый пластиковые желоба — приблизительно 120 мм 1219 мм длиной и поперек и оснащен с торцевыми заглушками.- Просверлите отверстия в одном конце колпачок дренажные желоба и в одном конце желоба снабжения для размещения 13 мм HB x MGHT нейлон колючая конце адаптер в каждое отверстие.
- Просверлите отверстия в других крышки снабжения желоба для размещения 25 мм ID ПВХ трубы для дренажа обратно в контейнер снабжения.
- Цемент угловые соединения ПВХ, необходимые для отвода воды обратно в контейнер снабжения.
- Вырезать 40 мм высокой желоба заглушка чтобы поместиться внутри поставки желоба примерно в 10 см от розетки подключены ПВХ.
- Вырежьте Трапецеидальный паз в верхней части этой конце крышкой, которая является примерно 20 мм глубиной 30 мм на 50 мм в верхней части выемку и нижней.
Примечание: Это будет действовать для поддержания постоянной голову в канаве снабжения. - Место дренажной канаве под воронок, так что он лежит на нижней базе укрепления деревянной рамы.
- Прикрепите gutter снабжения к верхней задней платы, используя винил желоба вешалки.
Дополнительная цифра 3: конец вид водоснабжения желоба. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
-
Подготовьте источник воды.
- Подключите к нейлон колючая конце адаптеры gutter снабжения и дренажные желоба пластиковые трубы.
- Место большой ванной на полу рядом с проводимости устройство, чтобы служить контейнер снабжения.
Примечание: Ванной должен быть выбран провести достаточно воды для по крайней мере 24 h измерений. - Место небольшой погружного насоса в ванну и подключить его через пластиковые трубы на входе конце желоба снабжения.
- Подключите небольшие пластиковые трубы к адаптерам колючая конце потока розетки (упоминаемые в 3,9) и место не подключенных к концу шланга в дренажной канаве.
- Заполните контейнер снабжения водой.
- Подключите насос и запустите его, чтобы заполнить gutter снабжения. Убедитесь, что уровень воды закачивается в канаву снабжения является достаточным для держать gutter питания почти полностью без переполнения.
-
Подготовка «образец почвы практика» определить любые необходимые изменения.
- Поместите образец почвы «практика» в пластиковых выборки рукава, оставляя пространство между верхней части почвы и верхней части пластиковая втулка около 50 мм.
- Покрытие нижней части образца и рукав с двойной слой марли. Держите марлю на рукаве выборки с достаточно большой резинкой.
- Место практики образца грунта и рукав в ванну воды, около 1/3 высоты рукав, наполненный конец марлю, находясь в воде.
- После нескольких часов Поднимите воду в ванне около 2/3 высоты образца. После позволяя образца для задания на ночь, заполните ванну чуть ниже верхней части образца грунта (не верхней части рукава).
- Поместите образец грунта на вершине 89 мм OD ПВХ труба и аккуратно нажмите на трубу, позволяя заточенные края трубки ПВХ нажать в почву в несколько миллиметров, чтобы разрешить в нижней части почвы, чтобы отдохнуть на экране.
Примечание: Марлю необходимо иметь резинкой, ослаблены для того, чтобы разрешить это. Кроме того Обратите внимание, что в верхней части почвы в рукав образца должна быть примерно уровень с нижней части желоба снабжения и в верхней части образца рукав должен быть примерно на уровне с верхней частью gutter снабжения. -
Обеспечивают водой в верхней части образца грунта.
- Включите насос и заполнить gutter снабжения.
- Обеспечить к концу дренажная трубка помещается в дренажной канаве и выходе из дренажной канаве плотно подключен к пластиковые трубы, который помещается в сливной или контейнер на нижней отметке.
- С помощью 6-миллиметровой трубки, создайте сифон из желоба питания в верхней части почвы.
- Сбор проб воды из почвы ядра, который истощает от воронки.
Примечание: Образцы должны быть собраны для количество времени, необходимое для получения достаточного количества воды для того чтобы иметь точностью, требуемой для эксперимента, основанные на критериях исследований. - Проверить наличие протечек или непредвиденные проблемы.
- Определите приблизительную длину времени, необходимо собрать достаточное количество воды, основанный на время, необходимое для заполнения примерно половину 100 мл стакан с водой (или другого тома, определяется исследовательской группы).
- Создание имитации «стены поток», вставив небольшой отвертки или другой подобный реализации вдоль внутри контейнера образца пластиковой почвы для подтверждения, что избыток потока, созданного этот проход потока в дренажной канаве через дренажные трубки.
- Измените настройки, основанные на любые проблемы, выявленные в этой практике выполнения.
4. получение гидравлической проводимости почвы значения
- Мокрые до проб почвы, которые были собраны из области сайта, покрывая нижние концы образцов с марлей, удерживается на месте с резинкой, после направления заданное на шаге 3,20 для практики выполнения.
- Запустить насос и разрешить поставку желоба для заполнения. Проверить на наличие утечек.
- Поместите образцы на гидравлической проводимости устройство как сделано для практики выполнения. Будьте осторожны, чтобы не сжать образцов во время обработки.
- Настройка сифонной трубки для перемещения воды из желоба снабжения на поверхность почвы, содержащихся в пластиковый рукав.
- Первоначально начинают собирать воду из воронки каждые 10 – 20 минут, чтобы получить идею как долго для отбора проб и как часто взять образцы. Запись раз и массы/объемы воды во время каждого образца для каждого образца грунта.
- Ищите последовательных образцов, чтобы содержать одинаковое количество воды. После 3-5 образцы содержат одинаковое количество воды, образец вероятно достиг устойчивого состояния.
Примечание: Убедитесь, что был достигнут устойчивого состояния, он может быть желательным принять пару дополнительных образцов, запланированных 1 h друг от друга. - Использование закон Дарси для вычисления насыщенных гидравлической проводимости;
где
KСБ = насыщенных гидравлической проводимости (L/T)
V = объем устойчивого состояния воды, протекающей через ядро (3Л)
L = длина образца (L)
A = площадь поперечного сечения образца керна (2Л), через который вода течет. Для этой установки,
T = время (T)
(H2 – H1) = гидравлические голову разница (L); для этой установки это расстояние между верхней части воды, заданный на поверхности почвы и в нижней части образца грунта.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Расследовать вопрос о ли применение сточных вод на сайте живущих фильтр повлияла на способность почвы для передачи воды, мы провели эксперименты для измерения насыщенных гидравлической проводимости почвы. Мы сравнили гидравлической проводимости почвы с орошаемых земель в неорошаемых районах сайта и сайта. Воздействие сточных вод на гидравлической проводимости почвы является вопрос о озабоченность, как поступали некоторые сообщения в менее влажных регионах сокращений в способности почвы для передачи воды в результате (к примеру) накопление натрия в почве или от разработки поверхности биологических коры. Для каждого из образцов, собранных для гидравлической проводимости измерений были собраны пробы из прилегающих мест внутри метр гидравлической проводимости образцов для измерения основных катионов и Ca, Mg, Na в почвенном растворе. Значения и Ca, Mg, Na в почвенном растворе оценивались от массового отношение массы: водой 1:2 почвы деионизированной воды извлекает из почвы, со значениями, рассчитанными обратно во время выборки на основе содержание воды в почве. Эти концентраций почвенного раствора использовались для расчета коэффициент адсорбции натрия почвенного раствора, как определено:
где в миллиэквиваленты (мг-экв) приведены значения для Na, Ca и Mg / литр. (Для Na, количество мг-экв/л = мг/л разделена на 23; для Ca, мг-экв/л = мг/л разделена на 20; для мг, мг-экв/л = делится на 12 мг/л.)
Было отмечено, что гидравлическая проводимость снизилась с глубиной в депрессионные районах (рис. 1), с сильным отношение Kсидел по глубине, существующих в неорошаемых районах.
При рассмотрении отношение Kсидел с САР, образцы почвы ниже 20 см, но сильный отрицательный был сильный позитивные отношения между Kсидел и САР почвенного раствора для неорошаемых депрессий (рис. 2), взаимосвязь между Kсидел и САР для орошаемых депрессий. Следует отметить, что значения SAR в районе неорошаемых были значительно ниже, чем в области орошаемых и были в диапазоне, в котором не ожидается, что будет влияние гидравлической проводимости почвы. Значения SAR в орошаемой площади были намного выше, и хотя они были в диапазоне не ожидается, что создание любых сокращений в гидравлической проводимости, он отметил, что существует сильная негативную взаимосвязь между Kсидел и САР (рис. 2) .
Глядя на распределение САР по глубине для неорошаемых депрессий (рис. 3), было мало отношения между почвы решение РСА и глубине почвы. Таким образом вполне вероятно, что связь между сокращениемсидел значениями K глубиной преобладают изменения в характеристиках почвы (структура, текстуры), которые имеют тенденцию к изменению с глубиной. В отличие от этого Рисунок 4 показывает, что существует тесная взаимосвязь между глубине почвы и почвенного раствора SAR для орошаемых депрессионные областей. Сильная взаимосвязь между Kсидел и SAR для площади орошаемых земель, вероятно, из-за как сильная корреляция между глубине почвы и почва решение РСА и в некоторой степени к снижению Kсидел с увеличением глубины. Представляется, однако, что там может быть некоторое снижение Kсидел просто из-за увеличения САР.
Рисунок 1: Взаимосвязь между насыщенных гидравлической проводимости и глубине почвы для как на орошаемых, так и на неорошаемых депрессий.
Рисунок 2: Связь между насыщенных гидравлической проводимости и коэффициент адсорбции натрия (САР) почвенного раствора для как на орошаемых, так и на неорошаемых депрессий.
Рисунок 3: Значение средняя САР в почвенном растворе путем отбора проб глубины для сайтов, расположенных в неорошаемых депрессий.
Рисунок 4: Значение почвенного раствора САР по глубине для сайтов, расположенных в орошаемых депрессий.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Возможность сбора проб почвы на основе поля, спокойно и получить их значения Гидропроводность имеет важное значение в получении данных, представитель сайта. Для того, чтобы наилучшим образом представляют полевых условиях, важно использовать образцы почвы, которые остаются в представитель физического состояния их окружающей среды на местах. Образцы почвы собраны из поля сайта, который затем нарушается подвыборка или обработке искусственного уплотнения, например, будут испытывать структурных изменений, влияющих на насыщенный гидравлической проводимости.
Важно также иметь средства измерения гидравлической проводимости почвы в контролируемых лабораторных условиях. Однако, с помощью метода лаборатории для насыщенных гидравлической проводимости, которой не приходится потока вдоль внутри контейнера образца (так называемые «стена поток») приведет к плохой воспроизводства результатов, и высокая изменчивость из-за методологии а не из-за естественной изменчивости.
Поскольку развитие Permeameter диска в 1982 году в Perroux11, основано на работе Клотьер и белый12, много усилий было израсходовано более удовлетворительным образом получить на местах почвы Гидропроводность измерения13. Наличие на местах измерений является весьма желательным, как «расстройствами» почвы образцы (к примеру, сушеные и отшлифованные образцы перепакован в столбец) не отражают природных почвенных условий.
Однако есть и недостатки на местах методам получения гидравлической проводимости почвы. Одно предположение, сделанные с методами на основе поля является равномерное13почвы, лежащие в основе оборудования, используемого для измерения скорости потребления воды в почву. Однако большинство почв не являются единообразными, но состоят из слоев почвы материалов, которые отличаются в их проводимости.
Еще одним недостатком является тот факт, что кампания обширной выборки может потребовать от h 1-4 (или более) время измерения на сэмпл, помимо время подготовки сайта. Ранние работы на этом сайте14 требуется несколько недель, чтобы завершить, с помощью метода Ankeny et al13. Следствием этого является, что коллекция большое количество образцов потребует такого значительного периода времени что полевых условиях будет меняться (например, рост растений, содержание воды, и т.д.), и выборки может также столкнуться с полем операции (например, в этом случае сточных вод орошения приложения и урожай). Различия в экологических условиях (например, количество осадков) может привести к изменениям в химических свойств почвы. В случае этого эксперимента Ca, Mg и Na концентраций почвенного изменилась из-за выщелачивания и Ca, Mg, Na через почву за счет инфильтрации осадков и движение вниз воды.
Из-за физического труда, участвующих в и время, необходимое для подготовки сайта когда она покрыта растительностью14, и времени, необходимых для сбора на местах насыщенных Гидропроводность ценностей, возможность получения Представитель значения в диапазоне глубин почвы и местах может потребовать до полдня на сэмпл в глубину. Необходимые завод производства полевых операций, включая орошение, может ограничить продолжительность времени для сбора проб.
Кроме того даже если время, необходимое для проведения полевых измерений насыщенных гидравлической проводимости на многих участках, продолжительность времени для получения образцов через сайт, поле и на несколько глубинах обязательно приведет во многих пробах в различных экологических условиях, как эти изменения со дня на день (или чаще).
Образцы, собранные из поля с гидравлической почвы сборники могут быть собраны в гораздо меньше времени, сокращая тем самым изменения, которые могут иметь место в поле сайт со временем. Однако лабораторные процедуры для получения гидравлической проводимости почвы от таких образцов имеют собственный недостаток подвергнуться так называемых «стены поток»10. Стены поток является потоком воды вдоль внутренней части контейнера образца когда образец помещается на постоянной головного устройства, который обычно используется для получения оценок гидравлической проводимости почвы. Такой поток, если он включен в мера скорости движения воды через почву, приводит к ошибочно высокой оценки гидравлической проводимости. Эта рукопись описывает использование лаборатории для устранения стены поток от оценки гидравлической проводимости почвы и образец коллекции метод, который соответствует размеру выборки почв до размера лабораторного оборудования.
Критически важный шаг состоит в сборе проб почвы, которые не был уплотненный. Хотя состояние влажности почвы будет ударопрочность вставки сэмплер и, таким образом, совместимость почвы, рекомендация, что длина образца собранные должно быть несколько короче, чем образец лайнера, который вставляется в металлический образец трубки.
Транспортировка образцов из поля в лаборатории должно быть сделано в манере, которая сводит к минимуму помехи для них. Держать их вертикально и обеспечение того, что они не упакованы плотно против каждого воли помочь уменьшить обработки волнений.
Наиболее важным этапом в протоколе заключается в создании лаборатории аппарата в соответствии с размером выборки, собранные из поля таким образом, чтобы поток стены не входит в воду, собранные из почвы Матрикс10. Хотя описание Ступка, представленные в настоящем документе для определенного размера контейнера образца, другие размера контейнеры могут использоваться, если держатели образца в лабораторию аппарат аналогичным образом сопоставляются в размер.
В собранном прототип испытательных образцов, умышленно созданный результат в поток стены должны использоваться для выяснения, что строительство аппарата действительно отдельные стены поток от почвы матрица потока. Еще одно важное замечание является ли окончательный дизайн допускает создание постоянного начальника воды поверх образца грунта без опрокидывания контейнера пластиковые почвы. В верхней части контейнера почвы должны быть выше уровня воды в канаве снабжения. Это очень важно. Если вода overtops контейнер пластиковый почвы, то размеры были вероятно измеряется не правильно. Это может быть преодолено путем установки резиновое кольцо в верхней части контейнера пластиковые почвы, соблюдая осторожность, чтобы не нарушить образца грунта.
Время сбора образцов будет зависеть как критерии, установленные для точности эксперимента, а также скорость движения воды через почву. Например образцы может должны быть собраны для 10-20 минут каждый час в течение 12 ч до тех пор, пока относительно постоянное количество воды проходит через ядро почвы и в контейнер выборки каждый раз образец забирается. В других случаях может потребоваться только образцы должны быть собраны для 8-10 мин в течение 3-4 ч до постоянное количество воды движется через почву в течение данного образца. Постоянные объемы воды за тот же период времени измерения означает, что было достигнуто «стабильного состояния».
Почвы ядер были готовы для анализа насыщенных гидравлической проводимости, поместив марлю в нижней части каждого ядра и затем помещая ядро в ванну воды медленно насыщают образцы снизу вверх, в течение не менее 24 ч.
После presaturation ядра были удалены из ванны и в нижней части каждого из ядер был задан разделитель потока, предназначен для разделения любого потока по бокам пластиковая втулка, содержащие почвы, от потока через сама почва. Шесть ядер почвы, в то время были размещены на этом устройстве, которая включала скамейке с водосточные системы10 , содержащий плотины для доставки воды в верхней части проб почвы на постоянном голову через сифон трубки. В водосточную систему была откачка воды из водоема с помощью погружного насоса.
Рассекатель потока является по существу длиной 100 мм и 100 мм диаметр ПВХ трубка, которая служит в качестве держателя, в котором сидит пластиковая втулка, проведения пробы почвы. Вторая Трубка ПВХ (примерно 75 мм в диаметре и длиной 75 мм) заостренные, так что образец грунта контакты острый край этой трубки ПВХ и соответствует внутри внешней трубки ПВХ, Пластиковый рукав, проведения пробы почвы, установку вне меньшего ПВХ трубки. Экран в небольших трубки ПВХ поддерживает образца грунта и воды, которая перешла через почву течь из нижней части образца. Второй выход испускает воды утекло вниз внутри пластиковая втулка, тем самым устраняя так называемых «обойти поток» от неправильно включены в оценку количества воды, переехал через матрицу почвы.
Одним из важных ограничений к технике происходит с почвы, такие, как те, с высоким содержанием глины, которые имеют низкие насыщенных гидравлической проводимости. Почвы с очень низким насыщенных гидравлической проводимости обычно должны иметь их проводимости, определившись с «падения головы» подход7 вместо постоянной головной подход, используемый здесь. Аппарат, описанные здесь необходимо будет значительно изменен для падая головой подход к использоваться.
Было установлено, что дизайн обеспечения более последовательного результата насыщенных почвы Гидропроводность10 чем традиционные лабораторные методы9. Использование конструкции должны помочь уменьшить частоту записи ошибочно высокой оценки гидравлической проводимости насыщенных почвы вследствие ошибочно включая стены потока в смете объем воды, протекающей через почву в течение определенного периода времени.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить Пенсильвании государственного университета управления физической растений для частичного финансирования поддержать этот проект. Частичное финансирование также оказали USDA-регионального научно-исследовательского проекта W-3170. Мы хотели бы выразить нашу признательность Эфраим Govere за его помощь в аналитической работе. Нашу глубочайшую благодарность — Чарльз Уолкер, чьи инженерное проектирование и строительные навыки, стало возможным для нас, для проведения этой работы.
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).
