Summary
Aquí presentamos una metodología que se ajuste a un tamaño de muestra de suelo y un dispositivo de medición de conductividad hidráulica para evitar que el flujo supuesto muro a lo largo del interior del recipiente suelo ser incluido erróneamente en las mediciones de flujo de agua. Su uso se demuestra con las muestras recogidas de un sitio de riego de aguas residuales.
Abstract
Desde la década de 1960, una práctica de descarga de aguas residuales alternativo en la Universidad Estatal de Pensilvania se ha investigado y monitoreado sus impactos. En lugar de descarga tratado aguas residuales a un arroyo, así directamente impactando la calidad de la corriente, el efluente se aplica en bosques y tierras recortadas a cargo de la Universidad. Preocupaciones relacionadas con reducción en la conductividad hidráulica del suelo ocurren al considerar la reutilización de aguas residuales. La metodología descrita en este manuscrito, que empareja el tamaño de la muestra de suelo con el tamaño de los aparatos de medición de conductividad hidráulica en laboratorio, proporciona los beneficios de una colección relativamente rápida de muestras con los beneficios de control laboratorio las condiciones de contorno. Los resultados sugieren que puede haber habido algún impacto de reutilización de aguas residuales en la capacidad del suelo de transmitir agua a profundidades más profundas en las áreas depresivo del sitio. La mayoría de las reducciones en la conductividad hidráulica del suelo en las depresiones parece estar relacionado con la profundidad que se colectó la muestra y por inferencia, asociada a las diferencias estructurales y texturales de suelo.
Introduction
Descarga de aguas residuales tratadas de municipios en corrientes ha sido una práctica habitual durante décadas. Tales aguas residuales se tratan principalmente con el objetivo de reducir el potencial de consumo biológico de oxígeno por los microorganismos en las aguas receptoras, debido a los efluentes de aguas residuales descargadas. Consumo de oxígeno por los microorganismos degrada materiales orgánicos en las aguas residuales, reducción de los niveles de oxígeno en el cuerpo en que el efluente se descarga y por lo tanto daño los organismos acuáticos, incluyendo peces.
En las últimas décadas preocupaciones han desarrollado relacionados con nutrientes inorgánicos, algunos metales y otras sustancias químicas dentro de las aguas residuales que crean daño. Debido a un estudio publicado por Kolpin et al. 1, ha desarrollado un enfoque mayor en una gama de productos químicos considerados no previamente. Este estudio, publicado por la sociedad geológica de Estados Unidos, sensibilizado con respecto a la amplia gama de productos de cuidado personal y otros productos químicos en ríos y arroyos a través de los Estados Unidos debido a la descarga de instalaciones de tratamiento de aguas residuales.
Desde la década de 1960, investigadores de Penn State University han investigado y desarrollado una práctica de descarga de aguas residuales alternativo algo única en una región húmeda. En lugar de descarga tratado aguas residuales a un arroyo, y así directamente impacta la calidad de la corriente, el efluente se aplica a los bosques y las tierras recortadas a cargo de la Universidad. Este área de aplicación, apodado "El filtro de vivir", en la actualidad acepta todos los efluentes de aguas residuales generado por el campus y algunos del municipio. Esto reduce la probabilidad de exceso de nutrientes entrar en arroyos que entregan agua a la bahía de Chesapeake, protege la pesca local de agua fría de las descargas de aguas residuales calientes que es perjudicial para los peces y evita que la entrega de otros productos químicos contenidos en las aguas residuales entre directamente en contacto con los ecosistemas acuáticos.
Sin embargo, siempre hay consecuencias de los cambios de comportamiento, y este uso alternativo no es inmune a tales. Han surgido preguntas sobre si la aplicación del efluente de aguas residuales ha impactado negativamente la capacidad del suelo para que el agua al infiltrarse en el suelo superficie de2, 3,4,5 y causó mayor escurrimiento, Si existe una posible contaminación de los pozos locales con productos químicos (antibióticos, nutrientes y otros compuestos farmacéuticos, productos de cuidado personal) contenidas en el efluente de aguas residuales, y si la creación de esos productos químicos son negativos impactos ambientales, tales como a través de la absorción de productos químicos en las plantas6 en el sitio, o el desarrollo de resistencia antibiótica en suelo organismos7 en el sitio.
Como resultado de algunas de estas preocupaciones, se realiza este estudio para determinar los impactos de la irrigación de los efluentes de aguas residuales en la conductividad hidráulica del suelo a saturación. El enfoque utilizado implica recopilación de suelos de sitios seleccionados ya sea dentro o fuera de la superficie regada y emparejar el tamaño de contenedor de muestra de suelo con la configuración del laboratorio. Es importante para el contenedor de muestra de suelo encajar en los aparatos de laboratorio y para el agua que se mueve hacia abajo a través de la matriz del suelo en la muestra que se separará del agua que se mueve hacia abajo entre el suelo y el recipiente de la muestra de suelo. El protocolo describe cómo se construye el aparato de laboratorio para asegurarse de que esto ocurrió.
Las muestras de suelo se recogen usando un muestreador de hidráulica de la base conectado a un tractor. Núcleos de suelo se recogen de áreas seleccionadas en el paisaje ondulado y retenido en una funda de plástico en el dechado de base de suelo. Estos núcleos son recogidos de una marga de cieno Hagerstown, situada en una posición de paisaje de la cumbre o en una zona depresivo. Seis cumbres representativas y seis sitios depresivo son muestras de la superficie regada (un total de 12 sitios de muestreo de la superficie de regadío). Además, tres cumbres y tres sitios depresivo son muestreados de una zona adyacente, sin riego (un total de seis sitios de secano). Un máximo de seis núcleos se recoge en cada sitio a una profundidad máxima de aproximadamente 1.200 mm, con cada muestra de la base aproximadamente 150 mm de largo (100 mm de la muestra está contenida en la funda de plástico y 50 mm que figura en el cabezal de corte del metal sampler ). Después del retiro de la muestra de metal, las mangas plásticas que contienen los núcleos de suelo recogido equipadas con casquillos de extremo, transportadas al laboratorio en posición vertical y almacenaron en posición vertical hasta que se utilizan para determinar la conductividad hidráulica saturada. Al mismo tiempo, las muestras de suelo se recogen en cada profundidad para la determinación de suelo y suelo solución concentraciones de calcio (Ca), magnesio (Mg) y sodio (Na) con una extracción de Mehlich 3 para las estimaciones de las concentraciones de suelo8 y agua desionizada extractos en una proporción de 1:2 de masa: agua del suelo total. Los análisis químicos de los extractos de agua fueron obtenidos inductivamente acoplado Plasma emisión Espectroscopia atómica (ICP-AES) y se utilizaron para calcular la relación de adsorción de sodio (SAR).
La determinación de la conductividad hidráulica saturada se realiza principalmente usando un método de cabeza constante9. Una solución que contiene Ca y Na sales para imitar el efluente conductividad eléctrica (CE) y SAR del efluente se crea para que el suelo se expondrá a las variables de calidad similares a la aplicada en el campo de aguas residuales de agua. En este caso, la CE es 1,3 dS/m y la RAE es 3, que refleja la CE y SAR del efluente en los últimos años antes del período de la muestra. [Técnicamente, las unidades SAR son (miliequivalentes/litro)½ y generalmente no se identifican en la literatura.]
La modificación en el método de cabeza constante de Klute y Dirksen9 es el desarrollo de un separador de flujo por Walker8 para prevenir el flujo a través de la columna que se produjeron fuera de la matriz del suelo de ser incluido en la estimación del suelo hidráulico conductividad. El separador de flujo está construido con tubería de cloruro de polivinilo (PVC) seleccionado y trabajado a máquina para que coincida con el tamaño de la muestra de suelo. Una pantalla es compatible con la muestra de suelo y permite que el agua que salga de la parte inferior de la muestra se ha movido a través de la matriz del suelo. Una segunda salida emite el agua que ha fluido por el interior de la funda de plástico, eliminando así llamado "flujo de la pared" de ser incluido erróneamente en la estimación de la cantidad de agua que se mueve a través de la matriz del suelo.
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Protocol
1. selección de sitios de muestreo de suelo
- Identificar a través de fotografía aérea y sitio visitas lugares que han recibido riego por aguas residuales y aquellos que no tienen.
- Seleccione varios sitios representativos de que la muestra, prestando mucha atención a las diferencias de paisaje posible (particularmente ubicación paisaje, como la Cumbre, cuesta lateral, pendiente del dedo del pie y la depresión) que podrían tener interacciones agua, suelo y plantas diferentemente.
- Identificar las porciones del paisaje como una cumbre, cuesta lateral, pendiente del dedo del pie o depresión. Categorizar los sitios representativos basados en sus características principales.
Nota: En este experimento, fueron identificados como una cumbre sin riego, Cumbre, depresión de secano, de regadío o regadío depresión. - Determinar el número de localizaciones y el sitio de cada ubicación desde la que se tomarán muestras de cada sitio representante distintivo.
Nota: A menudo, discusiones con un estadístico con estadísticas ambientales serán muy útil en este punto y evitar más preocupaciones con respecto a los análisis estadísticos. - Colocar una bandera de la marca en cada lugar muestra planificado y registrar la ubicación de los sitios de muestra prevista en el mapa, utilizando coordenadas GPS.
2. recogida de muestras de suelo
- Determinar el equipo que se utilizará para recoger las muestras de suelo.
Nota: para poco profundas (por ejemplo, menos de 300 mm de profundidad) las muestras de suelo, un muestreador cilíndrico de suelo (figura 1 complementaria) del tamaño utilizado para este experimento a menudo pueden ser conducidas en el suelo con un martillo de caída, si el suelo es bastante suave. Para el experimento descrito aquí, se utilizó un aparejo de taladro hidráulico para muestras a recogerse en profundidades hasta 1.200 mm.
Suplementario Figura 1: Equipo de perforación usado para el muestreo.
- Transporte del equipo de perforación al sitio para llevar a cabo el muestreo.
- Poner en los cascos, guantes y gafas protectoras antes de iniciar la perforación.
- Encender el equipo de perforación y baje la cabeza rotatoria suficientemente para permitir la instalación de la barra Kelly.
Nota: La barra de Kelly es la varilla que conecta la cabeza de accionamiento de la plataforma de perforación en el sampler. - Inserte la barra de Kelly en la cabeza rotatoria.
- Inserte un tubo de muestra del trazador de líneas plástico el tubo de muestra de metal con un cabezal de corte en la parte inferior del tubo de metal de la muestra. Para la aplicación descrita aquí, utilice un 150 cm de largo y 90 mm fuera de la cubierta de plástico de diámetro (OD) colocado en un 200 mm largo y 100 mm OD/90 mm en tubo de metal muestra de diámetro (ID).
- Conecte el tubo de metal muestra a Kelly bar usando una cabeza de accionamiento para ambos.
- Operar el equipo de perforación para mover el tubo de ensayo aproximadamente 150 mm en el suelo.
Nota: Esto proporcionará una muestra de 100 mm en el forro de plástico y deje un espacio de 50 mm en la parte superior de la muestra para contener el agua en la muestra cuando las mediciones de la conductividad hidráulica saturada se obtienen en el laboratorio. Esto también ayudará a evitar la compactación de la muestra de suelo durante su colección. - Retire el tubo de metal de la muestra del suelo mediante el sistema hidráulico de la perforación.
- Retire el tubo de metal muestra la cabeza de accionamiento. Luego retire el plástico de la muestra tubo llevando a cabo la muestra de suelo del tubo de metal de la muestra, usando cuidado para no perder el suelo de dentro del tubo de plástico de la muestra y no compactar el suelo o apriete los lados del tubo plástico de la muestra.
- Coloque las tapas en cada extremo del tubo plástico de la muestra, utilizando el rojo para el final en la parte superior de la muestra de suelo y el negro para la parte inferior de la muestra de suelo. Con cinta adhesiva las tapas en la manga para evitar la contaminación o la pérdida de agua de la muestra.
- Coloque la muestra de pie vertical para el transporte hacia el laboratorio.
- Continuar el muestreo a la profundidad más profunda de interés, repitiendo los pasos 2.6 – 2.12.
3. construcción de una cabeza constante, múltiples columnas, configuración de conductividad hidráulica del suelo
Nota: El aparato de laboratorio de la conductividad hidráulica se basa en el trabajo por Walker10. Se trata de la utilización de un permeámetro que se construye para separar el flujo entre el borde exterior de la muestra y el cilindro que contiene el anillo de la corriente a través de la matriz del suelo. El ID de cualquier tubo de PVC que se refiere a continuación no es una estricta tolerancia. Algo puede caber bien, y otros pueden requerir algún trabajo (lijado ligero).
- Obtener un 100 mm largo, 96 mm ID/114 mm OD horario 40 tubo de PVC.
- Obtener un 100 mm largo 73 mm ID/89 mm-OD horario 40 tubo de PVC y de la máquina que tienen un borde de corte de 5 mm cónico. Proveerle con un trazador de líneas plástico de 89 mm para encajar en el diámetro exterior.
- Corte la parte inferior de 20 mm de la tubería de PVC schedule 40 mencionados en el paso 3.2 y retener para su uso posterior.
- De una hoja gruesa de 6 mm de PVC gris, cortar una de 155 x 155 mm2. La Plaza contiene una abertura circular de 60 a 70 mm en el centro de la Plaza de la máquina.
- Cortar una rodaja gruesa de 6 mm de un 73 mm OD/63 mm ID horario 40 tubo de PVC.
Nota: Se puede cortar un desagüe de la ducha de 73 mm que encaja dentro de un tubo de PVC 40 mm 73 ID programa y funciona bien si una 73 mm OD programar 40 tubería de PVC no está disponible. - Con cemento de PVC, coloque la rebanada de espesor de 6 mm de 73 m m OD PVC (de paso 3.5) 20 mm por debajo de la parte superior del PVC 89 mm OD (del paso 3.2).
- Cuando se haya secado el cemento de PVC utilizado en el paso 3.6, centro de los dos cilindros de PVC sobre la hoja de 6 mm y adjuntarlas a la hoja con cemento de PVC.
- Perfore un agujero en el cilindro de PVC exterior, centrada en aproximadamente 15 mm por encima de la Plaza de PVC gris, para dar cabida a un adaptador de PVC de 14 mm con un extremo dentado.
- Pegue el adaptador en su lugar con cemento de PVC.
- Conecte un tubo de plástico de ID OD/13 mm de 19 mm en el extremo de púa del adaptador.
- Cemento el pedazo de 20 mm de PVC schedule 40 a que se refiere el paso 3.4 en la parte inferior de la Plaza de PVC gris, centrado en la apertura.
- Cortar una pieza circular de 80 – 85 mm de diámetro de malla de alambre de 6 mm x 18 G (un protector del canal de acero galvanizado funciona bien para esto) para insertar en el 89 mm OD PVC desde arriba para que descanse sobre la rebanada de espesor de 6 mm de 73 mm OD PVC.
- Seleccione una 19 x 184 x 2.438 mm3 Junta y corte por la mitad, recortar cada longitud 1.180 mm.
- Corte 6 – 125 mm agujeros espaciados 70 mm. en el tablero.
- Coloque una malla de alambre en los agujeros en el tablero y fije (por ej., utilizando una pistola de grapas).
- Coloque un 140 mm (apertura superior) x embudo de 19 mm (Caño OD) por debajo de la malla de alambre y sujételo a la Junta; colocar masilla adhesiva en el borde del embudo para eliminar las diferencias entre la parte superior del embudo y la madera.
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Construir un marco de madera alto 750 mm para sujetar la tabla con 6 agujeros (ver pasos 3.13 y 3.14) aproximadamente 350 mm por encima de la parte inferior del marco.
- Preparar los componentes de este marco para incluir una base, dos extremos del marco, dos patas estabilizadoras, una base refuerzo inferior, una base estabilizadora, un tablero trasero estabilizador de centro y un tablero trasero superior.
- Cortar un tablero de 19 x 184 x 1.180 mm3 como base.
- Cortar dos tablas a 19 x 184 x 750 m m3 cada como extremos del marco.
- Corte dos juntas para crear una 19 x 184 x 600 mm3 estabilizar la pierna en cada extremo.
- Cortar un tablero de 19 x 184 x 1.180 mm3 para servir como una base fortalecimiento inferior directamente debajo de la placa con los agujeros de 125 mm perforados en él (ver paso 3.14).
- Cortar un tablero de 19 x 184 x 1.219 mm estabilización de3 como base estabilizadora conectada a la parte delantera o trasera de las dos piernas.
- Cortar un tablero de 19 x 184 x 1.219 mm3 como un centro de estabilización de la placa posterior.
- Cortar un tablero de 19 x 184 x 1.219 mm3 como una tapa detrás del tablero para agregar estabilidad adicional, en la que se adjuntará un canal.
Nota: El tablero superior de la espalda y canal adjunta deben ser a una altura tal que la parte inferior del canal es aproximadamente a la misma elevación como la parte superior del suelo en la manga de la muestra de suelo cuando la muestra está en el lugar.
Suplementario Figura 2: vista de aparato de conductividad hidráulica saturada anterior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Preparar los canales de abastecimiento y drenaje.
Nota: Cada canal plástico es aproximadamente de 120 milímetros a través y 1219 mm de largo y está equipado con tapones.- Perfore agujeros en la tapa de uno de los extremos del canal de drenaje y en un extremo del canal de abastecimiento para dar cabida a un adaptador de extremo de púa de nylon de 13 mm HB x MGHT en cada agujero.
- Perfore agujeros en la otra tapa del extremo del canal para acomodar un tubo de PVC de la identificación de 25 mm para permitir el drenaje hacia el recipiente de la fuente de suministro.
- Cemento las conexiones PVC ángulo según sea necesario para permitir el drenaje de agua hacia el recipiente de suministro.
- Corte 40 mm tapa canal alto para caber dentro de la fuente canal de aproximadamente 10 cm de la toma de conexión de PVC.
- Corte una muesca trapezoidal en la parte superior de esa tapa que es de aproximadamente 20 mm de profundidad, 30 mm de ancho en la parte inferior y 50 mm de ancho en la parte superior de la muesca.
Nota: Este actuará para mantener una cabeza constante en el canal de suministro. - Coloque el canal de drenaje por debajo de los embudos para que quede en la base inferior de refuerzo de la estructura de madera.
- Coloque el canal de alimentación en el tablero trasero superior usando vinilo canalón colgantes.
Suplementario Figura 3: acabar con vista del canal de abastecimiento de agua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Preparar la fuente de agua.
- Conecte el tubo de plástico a los adaptadores de extremo de púas de nylon en el canal de la fuente y el canal de drenaje.
- Coloque una bañera grande en el piso adyacente al dispositivo de conductividad para servir como contenedor de suministro.
Nota: La bañera debe seleccionarse para contener suficiente agua durante al menos 24 h de mediciones. - Colocar una pequeña bomba sumergida en la bañera y conecte mediante tubo de plástico hasta el final de la entrada del canal de suministro.
- Conecte la tubería de plástico a los adaptadores de extremo de púa de la toma de corriente de flujo (a que se refiere el 3.9) y coloque el extremo no conectado de la tubería en el canal de drenaje.
- Llene los recipientes con agua.
- Enchufe la bomba y ejecútelo para llenar el canal de suministro. Asegúrese de que la tasa de agua bombeada en el canal alimentación es adecuada para mantener el canal de suministro casi completo sin desbordamiento.
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Preparar una "muestra de suelo práctica" para identificar las modificaciones necesitadas.
- Coloque una muestra de suelo de "práctica" en una manga de plástico muestreo, dejando alrededor de 50 mm de espacio entre la parte superior del suelo y la parte superior de la funda de plástico.
- Cubra el extremo inferior de la muestra y la manga con una doble capa de estopilla. Mantenga la gasa en la manga de muestreo con una banda elástica suficientemente tamaño.
- Coloque la muestra de suelo práctica y manga en una tina de agua llenado hasta aproximadamente 1/3 de la altura de la manga, con el fin de una gasa en el agua.
- Después de varias horas, elevar el agua en la bañera hasta aproximadamente 2/3 de la altura de la muestra. Después de permitir que la muestra establecer durante la noche, llene la bañera hasta justo por debajo de la parte superior de la muestra de suelo (no la parte superior de la manga).
- Coloque la muestra de suelo en la parte superior del tubo de PVC de OD de 89 mm y presione suavemente en el tubo, permitiendo que el borde afilado del tubo de PVC para presionar en el suelo unos milímetros para permitir que la parte inferior de la tierra a descansar en la pantalla.
Nota: La estopilla necesitará la goma aflojada para permitir esto. También, tenga en cuenta que la parte superior del suelo en la manga de la muestra debe ser aproximadamente a nivel con la parte inferior de la canaleta de la fuente y la parte superior de la manga de la muestra debe ser aproximadamente a nivel con la parte superior de la canaleta de la fuente. -
Abastecer de agua a la parte superior de la muestra de suelo.
- Encienda la bomba y llenar el canal de suministro.
- Asegúrese de que el extremo del tubo de drenaje se coloca en el canal de drenaje y la salida de la canaleta de drenaje está conectada firmemente a la tubería plástica que se coloca en un recipiente a una altura inferior o drenaje.
- Con tubo de 6 mm, crear un sifón desde el canal de suministro a la parte superior del suelo.
- Recoger muestras de agua de la base del suelo que drena desde el embudo.
Nota: Las muestras se deben recoger durante el tiempo necesario para obtener suficiente agua para tener la precisión necesaria para el experimento, basado en criterios de investigación. - Compruebe si hay fugas o problemas imprevistos.
- Determinar la longitud aproximada del tiempo necesario para recoger una cantidad adecuada de agua basado en el tiempo necesario para llenar aproximadamente la mitad un vaso de 100 mL con agua (u otro volumen determinado por el equipo de investigación).
- Crear un flujo simulado de la pared del"", insertando un desarmador pequeño u otro instrumento similar en el interior del recipiente plástico suelo para confirmar que el exceso creado por este pasaje de flujo flujo en el canal de drenaje a través del tubo de drenaje.
- Modificar la configuración basada en problemas encontrados en el funcionamiento de esta práctica.
4. obtención de la conductividad hidráulica del suelo valores
- Mojado por las muestras de suelo que se recolectaron desde el sitio de campo cubriendo los extremos de la parte inferior de las muestras con una gasa sujeta con una banda de caucho, siguiendo las indicaciones proporciona en 3.20 de paso para la práctica a ejecutar.
- Arrancar la bomba y permita que el canal de suministro llenar. Revise si hay fugas.
- Coloque las muestras en el dispositivo de la conductividad hidráulica como para la práctica de correr. Tenga cuidado de no compactar las muestras durante la manipulación.
- Configurar los tubos de sifón para mover el agua desde el canal de alimentación sobre la superficie del suelo contenido en la funda de plástico.
- Inicialmente, comenzar a recoger agua del embudo cada 10 – 20 minutos, para tener una idea de cuánto tiempo tomar las muestras y cómo con frecuencia tomar muestras. Registrar tiempos y volúmenes de las masas de agua en cada tiempo de la muestra para cada muestra de suelo.
- Busque las muestras secuenciales contener cantidades iguales de agua. Después de 3 a 5 muestras contienen la misma cantidad de agua, la muestra es probable que ha alcanzado un estado estacionario.
Nota: Para asegurar que se ha alcanzado el estado estacionario, puede ser conveniente tomar dos muestras adicionales programadas 1 h aparte. - Utilizar la ley de Darcy para calcular la conductividad hidráulica saturada;
donde
Ksat = conductividad hidráulica saturada (L/T)
V = volumen de estado estacionario del agua que fluye a través del núcleo (L3)
L = longitud de la muestra (L)
A = área de sección transversal de la muestra de la base (L2) por que el agua está fluyendo. Para esta configuración,
T = tiempo (T)
(H2 – H1) = diferencia de cabeza hidráulica (L); para esta configuración, es la distancia entre la parte superior del agua que se acumuló en la superficie del suelo y la parte inferior de la muestra de suelo.
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Representative Results
Para investigar la cuestión de si la aplicación de efluentes de aguas residuales en el sitio de filtro de vida ha impactado la habilidad del suelo de transmitir agua, llevamos a cabo experimentos para medir la conductividad hidráulica saturada de los suelos. Comparamos la conductividad hidráulica de los suelos de regadío del sitio con las zonas de secano del sitio. El impacto de los efluentes de aguas residuales en la conductividad hidráulica del suelo es una cuestión de preocupación, como han habido algunos informes en regiones menos húmedas de reducciones en la capacidad del suelo de transmitir agua resultante (por ejemplo) una acumulación de sodio en el suelo o desde el desarrollo de una costra biológica superficial. Para cada una de las muestras recolectadas para la medición de la conductividad hidráulica, se recolectaron muestras de localidades adyacentes a menos de un metro de las muestras de conductividad hidráulica para una medición de los principales cationes de Ca, Mg y Na en la solución del suelo. Los valores de Ca, Mg y Na en la solución del suelo se estimaron de 1:2 cociente total de la masa: agua del suelo desionizada extractos de agua de los suelos, con los valores calculados de respaldo basados en el contenido hídrico del suelo en el momento de muestreo. Estas concentraciones de la solución de suelo se utilizaron para calcular la relación de adsorción de sodio de la solución del suelo, definida por:
donde se dan los valores de Na, Ca y Mg en miliequivalentes (meq) / litro. (De Na, el 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.)
Se observó que la conductividad hidráulica disminuye con la profundidad en las zonas depresivo (figura 1), con la relación más fuerte de Kse sentó a profundidad existente en las áreas de secano.
Al considerar la relación de K sesentó con SAR, para las muestras de suelo por debajo de 20 cm, hubo una fuerte relación positiva entre Kse sentó y la RAE de la solución del suelo para las depresiones de secano (figura 2), pero una fuerte negativa relación entre Kse sentó y SAR para las depresiones de regadíos. Cabe señalar que los valores de SAR en el área de secano fueron significativamente inferiores a los de la zona irrigada y estaban en un rango en el cual no se espera que afectaría la conductividad hidráulica del suelo. Los valores de SAR en el área de regadío eran mucho más altos y aunque estaban en un rango no debe crear ninguna reducción en la conductividad hidráulica, se observa que había una fuerte relación negativa entre Kse sentó y SAR (figura 2) .
Observando la distribución de la SAR por la profundidad de las depresiones de secano (figura 3), había poca relación entre la solución del suelo SAR y profundidad del suelo. Por lo tanto, es probable que la relación entre los valores desat disminución de K por la profundidad está dominada por cambios en las características del suelo (estructura, textura), que tienden a cambiar con la profundidad. En cambio, figura 4 muestra que existe una fuerte relación entre la profundidad del suelo y la solución de suelo SAR para regadío depresivo. La fuerte relación entre Kse sentó y SAR de la superficie regada es probablemente debido a ambos una fuerte correlación entre la profundidad del suelo y suelo solución SAR y en cierta medida a una disminución de Kse sentó con un aumento en profundidad. Sin embargo, parece que puede haber cierta disminución de Ksat simplemente debido a la SAR mayor.
Figura 1: Relación entre la conductividad hidráulica saturada y la profundidad del suelo para depresiones superficies regadas y no regadas.
Figura 2: Relación entre la conductividad hidráulica saturada y la relación de adsorción de sodio (SAR) de la solución del suelo para depresiones superficies regadas y no regadas.
Figura 3: Valor de la SAR promedio en solución del suelo mediante el muestreo de profundidad para los sitios ubicados en depresiones de secano.
Figura 4: Valor de la solución del suelo SAR por profundidad para sitios ubicados en depresiones de regadíos.
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Discussion
La capacidad para recoger muestras de suelo en el campo, sin perturbaciones y obtener sus valores de conductividad hidráulica es importante en la obtención de datos representativos de un sitio. Para representar mejor las condiciones de campo, es importante utilizar las muestras de suelo que permanecen en un representante del estado físico de su entorno en el campo. Recogieron muestras de suelo de un sitio de campo que luego son perturbados por este método o por manipulación de compactación inducida, por ejemplo, experimentará cambios estructurales que afectan la conductividad hidráulica saturada.
También es importante tener un medio de medición de la conductividad hidráulica del suelo en un entorno de laboratorio controlado. Sin embargo, usando un método de laboratorio para la conductividad hidráulica saturada que no representan un flujo a lo largo del interior del recipiente (llamado "la pared flujo") resultará en una pobre reproducción de resultados y gran variabilidad debido a la metodología en lugar de variabilidad debida a la natural.
Desde el desarrollo del Permeámetro de disco en 1982 por Perroux11, basado en la obra de Panero y blanco12, mucho esfuerzo se ha expendido para obtener más satisfactoriamente en el campo suelo conductividad hidráulica medidas13. Es altamente deseable tener las mediciones en el campo, como "perturbado" suelo muestras (por ejemplo, secada y muestras reembaladas en una columna de tierra) no reflejan las condiciones del suelo natural.
Sin embargo, también hay desventajas de métodos de campo para obtener suelo conductividad hidráulica. Una hipótesis con métodos basados en el campo es que el suelo subyacente a los equipos utilizados para medir la velocidad de la toma de agua en el suelo es uniforme13. Mayoría de los suelos no es uniforme pero se compone de capas de materiales del suelo que difieren en su conductividad.
Otro inconveniente es el hecho de que una campaña de muestreo extensivo puede requerir de 1 a 4 h (o más) tiempo de medición por muestra, además el tiempo de preparación del sitio. Trabajo anterior en este sitio14 requiere varias semanas para completar el método de Ankeny et al13. La consecuencia es que la colección de un gran número de muestras requiere un período de tiempo tan considerable que cambian las condiciones de campo (p. ej., crecimiento de las plantas, contenido de agua, etc.), y el muestreo también puede interferir con el campo operaciones (p. ej., en este caso, aplicaciones de riego de aguas residuales y de la cosecha). Las diferencias en las condiciones ambientales (p. ej., lluvia) pueden resultar en cambios en las propiedades químicas del suelo. En el caso de este experimento, las concentraciones de Ca, Mg y Na suelo cambiaron debido a la lixiviación de Ca, Mg y Na a través del suelo debido a la infiltración de precipitaciones y el movimiento del agua hacia abajo.
Debido al trabajo físico en y la longitud del tiempo necesaria para preparar el sitio se cubre con vegetación14, y la longitud de tiempo requerido para recoger valores de conductividad hidráulica saturada de campo, la capacidad para obtener valores representativos en un rango de profundidades de suelo y terreno pueden requerir hasta medio día por ejemplo por la profundidad. Operaciones de campo de producción de planta necesaria, incluyendo riego, pueden limitar la cantidad de tiempo para la recogida de muestras.
Además, aunque el tiempo necesario para llevar a cabo mediciones de campo de conductividad hidráulica saturada en muchos sitios está disponible, la longitud de tiempo para obtener las muestras en un sitio de campo y en varias profundidades necesariamente resultará en muchas muestras se recogen bajo diferentes condiciones ambientales, como los cambios del día a día (o más con frecuencia).
Las muestras recogidas del campo con un muestreador de suelo hidráulico pueden ser colectadas en un tiempo mucho más corto, reduciendo así los cambios que pueden ocurrir en un sitio de campo, con el tiempo. Sin embargo, los procedimientos de laboratorio para obtener la conductividad hidráulica del suelo de dichas muestras tienen la clara desventaja de ser objeto de llamado "flujo de la pared"10. Pared caudal es el flujo de agua en el interior del recipiente cuando la muestra se coloca en un dispositivo de cabeza constante que se utiliza normalmente para obtener estimaciones de conductividad hidráulica del suelo. Tal flujo, si se incluye en la medida de la tasa de movimiento del agua a través del suelo, resulta en una estimación erróneamente alta de conductividad hidráulica. Este manuscrito describe el uso de un laboratorio para eliminar el flujo de la pared de las estimaciones de la conductividad hidráulica del suelo y de un método de colección de muestra, que coincide con el tamaño de la muestra de suelo el tamaño de los equipos de laboratorio.
Un paso fundamental es recoger muestras de suelo que no han sido compactadas. Aunque el estado de humedad del suelo afectará la resistencia a la inserción del muestreador y por lo tanto la compatibilidad del suelo, la recomendación es que la longitud de la muestra recogida debe ser algo más corta que la muestra del trazador de líneas que se inserta en el tubo de metal de la muestra.
Transporte de muestras desde el campo al laboratorio debe realizarse de manera que se minimiza la perturbación a ellos. Manteniéndolos en posición vertical y asegurar que no se embalan firmemente contra cada otra voluntad ayudar a reducir el manejo de los disturbios.
El paso más crítico en el protocolo es construir el aparato de laboratorio para que coincida con el tamaño de la muestra recogido del campo para que el flujo de la pared no está incluido en el agua de la matriz de suelo10. Aunque la descripción de los aparatos de laboratorio presentados en este documento es para un tamaño particular de contenedor de muestras, pueden usarse otros envases tamaño si los portamuestras en el aparato de laboratorio se corresponden de manera similar en tamaño.
Una vez que se ensambla un prototipo, prueba de las muestras creada intencionalmente a resultado en el flujo de pared debería utilizarse para determinar que la construcción del aparato verdaderamente separar pared flujo de flujo de la matriz de suelo. Otra observación importante es si el diseño final permite el establecimiento de una cabeza constante de agua sobre la muestra de suelo sin rebase el contenedor plástico del suelo. La parte superior del depósito de suelo debe estar por encima del nivel de agua en el canal de suministro. Esto es fundamental. Si el agua overtops el contenedor plástico del suelo, luego las dimensiones eran probablemente no correctamente medido. Esto se puede solucionar colocando un anillo de goma en la parte superior del envase de plástico del suelo, teniendo cuidado de no alterar la muestra de suelo.
El tiempo de colección de la muestra necesario dependerá de los criterios tanto para la precisión del experimento, así como la tasa de movimiento del agua a través del suelo. Por ejemplo, muestras deba recogerse durante 10 – 20 minutos cada hora durante un período de 12 horas hasta que una cantidad relativamente constante de agua se mueve a través de la base del suelo y en el recipiente de muestreo cada vez que se toma una muestra. En otros casos, las muestras sólo necesite a recogerse para 8 – 10 min para un periodo de 3 o 4 horas antes de que una cantidad constante de agua se mueve a través del suelo durante un período determinado de la muestra. Volumen constante de agua durante el mismo período de tiempo de la muestra indica que había llegada a una condición de "estado estacionario".
Núcleos de suelo se prepararon para un análisis de la conductividad hidráulica saturada colocando una gasa en la parte inferior de cada base y luego colocando la base en una tina de agua lentamente saturar las muestras de abajo a arriba, por un período de al menos 24 h.
Después de presaturation, los núcleos fueron removidos de la bañera y la parte inferior de cada uno de los núcleos fue fijada en un separador de flujo diseñado para separar cualquier flujo a lo largo de los lados de la funda de plástico que contiene el suelo, de flujo a través del suelo sí mismo. Se colocaron seis núcleos de suelo en un momento en este dispositivo que incluye un banco con un sistema de canal10 con un vertedero para el suministro de agua a la parte superior de las muestras de suelo en una cabeza constante a través de tubos de sifón. Al sistema del canal se bombea agua de un depósito mediante una bomba sumergible.
El separador de flujo es esencialmente un 100 mm de largo y tubo de PVC de diámetro de 100 mm que sirve como un soporte en el que se encuentra la funda de plástico con la muestra de suelo. Un segundo tubo de PVC (aproximadamente 75 mm de diámetro y 75 mm de largo) es afilado para que la muestra de suelo en contacto con el filo de este tubo de PVC y se ajusta dentro del tubo exterior de PVC, con la funda de plástico con la muestra de suelo montaje fuera del pequeño tubo de PVC. Una pantalla en el tubo de PVC más pequeño compatible con la muestra de suelo y permite que el agua que salga de la parte inferior de la muestra se ha movido a través del suelo. Una segunda salida emite el agua que ha fluido por el interior de la funda de plástico, eliminando así llamado "flujo de derivación" de ser incluido erróneamente en la estimación de la cantidad de agua que se movió a través de la matriz del suelo.
Una limitación importante a la técnica se produce con los suelos, tales como aquellos con un alto contenido de arcilla, que tienen una baja conductividad hidráulica saturada. Suelos con muy baja conductividad hidráulica saturada normalmente deben tener su conductividad determinada con una "cabeza caída" enfoque7 en lugar del constante enfoque principal aquí. El aparato descrito aquí tendría que ser modificado significativamente para permitir un enfoque cabeza caído a utilizarse.
El diseño se ha encontrado para proporcionar resultados más consistentes de conductividad hidráulica del suelo saturado10 de métodos de laboratorio tradicionales9. Uso del diseño debe ayudar a reducir la frecuencia de grabación erróneamente altas estimaciones de la conductividad hidráulica del suelo saturado por erróneamente como flujo de pared en las estimaciones del volumen de agua que fluye a través del suelo durante un período de tiempo.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Los autores desean agradecer la Pensilvania estado Universidad Oficina de planta física para proporcionar financiación parcial a apoyar este proyecto. Financiamiento parcial también fue proporcionada por el proyecto de investigación de la USDA-Regional W-3170. Nos gustaría expresar nuestro agradecimiento a Ephraim Govere por su ayuda con el trabajo analítico. Nuestro más profundo agradecimiento es Charles Walker, cuyo diseño de ingeniería y habilidades de la construcción hizo posible para nosotros para llevar a cabo este trabajo.
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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