Summary
Här presenterar vi en metodik som matchar en urvalsstorlek för smutsa och en hydraulisk konduktivitet mätinstrument för att förhindra att den så kallade väggen flöden längs insidan av behållaren jord felaktigt i vatten flöde mätningar. Dess användning är visat med prover som tagits från en avloppsvatten bevattning webbplats.
Abstract
Sedan början av 1960, en alternativ avloppsvatten ansvarsfrihet praxis vid Pennsylvania State University har forskat och dess konsekvenser övervakas. Snarare än urladdning behandlade avloppsvatten till en bäck, och därmed direkt påverkar strömmen kvalitet, utflödet tillämpas till skogsklädda och beskurna mark förvaltas av universitetet. Problem med anknytning till minskningar i jord hydraulisk konduktivitet uppstå när man överväger avloppsvatten återanvändning. Den metod som beskrivs i detta manuskript, matchande jord provstorlek med storleken på laboratoriebaserade hydraulisk konduktivitet mätning apparaten, ger fördelarna med en relativt snabb insamling av prover med fördelarna med kontrollerad laboratoriet randvillkor. Resultaten tyder på att det kan ha varit några effekterna av avloppsvatten återanvändning på markens förmåga att överföra vatten på djupare djup i de depressional områdena av webbplatsen. De flesta av minskningarna i jord hydrauliska konduktiviteten i nedsänkningarna verkar vara relaterade till djupet från som provet samlades, och genom slutledning, på markens struktur och textur skillnader.
Introduction
Utsläpp av renat avloppsvatten från kommuner i vattendrag har varit en normal praxis i decennier. Sådant avloppsvatten behandlas primärt i syfte att minska risken för biologiska syreförbrukningen av mikroorganismer i recipienten, till följd av urladdade avloppsvatten utflödet. Syreförbrukningen av mikroorganismer försämrar organiska material i avloppsvattnet minskar syrehalten i vatten kroppen till som utflödet är urladdat och därmed skada vattenlevande organismer, inklusive fisk.
Under de senaste decennierna har oro utvecklat relaterade till oorganiska näringsämnen, vissa metaller och andra kemikalier i avloppet som skapar skada. På grund av en studie som publicerades av Kolpin et al. 1, ett större fokus på en rad kemikalier inte tidigare ansetts har utvecklats. Denna studie, utgiven av United States Geological Society, höjde medvetenhet om det breda utbudet av personliga hygienprodukter och andra kemikalier i floder och vattendrag över hela USA på grund till utsläpp från avloppsreningsverk.
Sedan början av 1960, har forskare vid Penn State University undersökt och utvecklat en alternativ avloppsvatten ansvarsfrihet praxis något unikt i en fuktig region. Snarare än urladdning behandlade avloppsvatten till en ström, och därmed direkt påverkar strömmen kvalitet, utflödet tillämpas på den skogsklädda och beskurna marken förvaltas av universitetet. Detta användningsområde, smeknamnet ”The Living Filter”, accepterar för närvarande alla avloppsvatten avloppsvatten genereras från campus plus några från kommunen. Detta minskar sannolikheten för överskottet av näringsämnen att ange strömmar som levererar vatten till Chesapeake Bay, skyddar det lokala kallvattenlevande fisket från utsläpp av varmt avloppsvatten vilket är skadligt för fisk, och förhindrar leverans av andra kemikalier som finns i avloppsvattnet från att direkt kontakta akvatiska ekosystem.
Dock finns det alltid konsekvenserna av beteendeförändringar, och detta alternativ användning anläggning är inte immunt mot sådana. Frågor har uppkommit om huruvida tillämpningen av avloppsvatten utflödet har negativt markens förmåga att låta vatten att infiltrera de jord ytbehandla2,3,4,5 och orsakade större avrinning, om det finns en eventuell förorening av lokala brunnar med kemikalier (näringsämnen, antibiotika eller andra läkemedelssubstanser, kroppsvårdsprodukter) som finns i avloppsvatten utflödet och om dessa kemikalier skapar negativa miljöeffekter, såsom genom användningen av kemikalier i växter6 odlas på webbplatsen, eller utvecklingen av antibiotikaresistens i jord organismer7 på platsen.
Till följd av några av dessa farhågor genomförs denna studie för att avgöra effekterna av bevattning av avloppsvatten avloppsvatten på jord hydraulisk konduktivitet på mättnad. Den metod som används innebär att samla jordar från utvalda webbplatser antingen inom eller utanför området bevattnade och matchande jord urvalsstorleken behållare med laboratoriet setup. Det är viktigt för jord provbehållaren att passa in i laboratorieutrustning och vattnet som rör sig nedåt genom matrisen jord i provet separeras från vattnet som rör sig nedåt mellan jorden och marken provbehållaren. Protokollet beskrivs hur laboratorieutrustning är konstruerad för att säkerställa detta inträffade.
Jordprover samlas in med hjälp av en hydraulisk core sampler kopplad till en traktor. Jord kärnar ur samlas från utvalda områden i det böljande landskapet och bevaras i en plastficka som monteras i jord kärna sampler. Dessa kärnor samlas in från en Hagerstown silt loam, ligger antingen i toppmötet liggande ställning eller i ett depressional område. Sex representativa toppmöten och sex depressional platser provtas från området bevattnade (totalt 12 bevattnade området provtagningspunkterna). Dessutom provtas tre toppmöten och tre depressional platser från en intilliggande, icke-bevattnade areal (totalt sex icke-bevattnade platser). Högst sex kärnor samlas på varje plats till ett maxdjup på cirka 1.200 mm, med varje core prov skall vara ca 150 mm lång (100 mm av provet att rymmas i plastficka och 50 mm att rymmas i skärhuvudet av metall sampler ). Efter avlägsnande från metall sampler, plast ärmar som innehåller insamlade Jord kärnar ur är utrustade med gavlar, transporteras upprätt till laboratoriet och förvaras i upprätt position tills de används för att bestämma den mättad hydraulisk konduktiviteten. Samtidigt, samlas jordprover på varje djup för bestämning av jord och jord lösning koncentrationer av kalcium (Ca), Magnesium (Mg) och natrium (Na) med en Mehlich 3 utvinning för uppskattningar av jord koncentrationer8 och avjoniserat vatten extrakt i förhållandet 1:2 jord massa: vatten samlas. De kemiska analyserna av extrakt av vatten erhölls från induktivt kopplad Plasma utsläpp atomspektroskopi (ICP-AES) och användes för att beräkna natrium Adsorption baserat (SAR).
Bestämning av den mättade hydraulisk konduktiviteten utförs främst med hjälp av en konstant huvud metod9. En lösning som innehåller Ca Na salter för att efterlikna den spillvatten elektriska ledningsförmågan (EG) och SAR utflöde skapas så att jorden kommer att utsättas för vatten kvalitet variabler liknar avloppsvattnet tillämpas i fältet. I detta fall EG är 1,3 dS/m och SAR är 3, återspeglar EG och SAR avloppsvattnets senaste åren före provtagningsperioden. [Tekniskt, enheterna för SAR är (milliekvivalenter/liter)½ och identifieras inte vanligtvis i litteraturen.]
Ändringen till metoden för konstant huvud fått Klute och Dirksen9 är utvecklingen av flöde avgränsare av Walker8 att förhindra flödet genom kolumnen som inträffade utanför matrisen jord från att inkluderas i uppskattningen av smutsa hydrauliska ledningsförmåga. Flöde separatorn är byggt med polyvinylklorid (PVC) slangar valt och maskinbearbetade för att matcha jord urvalets storlek. En skärm stöder jordprov och tillåter vattnet som har flyttats genom matrisen jord att flöda ut botten på provet. En andra utlopp avger det vatten som runnit ner insidan av plast hylsan, vilket eliminerar s.k. ”vägg flöde” felaktigt inkluderas i uppskattningen av mängden vatten som rör sig genom matrisen jord.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. att välja jord mätplatser
- Identifiera genom flygfotografering och webbplatsen visit(s) platser som har fått bevattning med avloppsvatten och de som inte har.
- Välj flera representativa platser att smaka på, betala nära uppmärksamhet till möjliga landskap skillnader (särskilt landskap plats, till exempel toppmötet, side slope, tå lutning och depression) som vatten, jord och växter kan interagera annorlunda.
- Identifiera delar av landskapet som ett toppmöte, side slope, tå lutning eller depression. Kategorisera de representativa webbplatser baserat på deras viktiga egenskaper.
Obs: I detta experiment, platser identifierades som ett icke-bevattnade toppmöte, bevattnade toppmötet, icke-bevattnade depression, eller bevattnade depression. - Bestämma antalet platser och webbplatsen för varje plats där prover tas från varje distinkt representativ plats.
Obs: Ofta diskussioner med en statistiker som är bekant med miljöstatistik kommer att vara mycket bra på denna punkt och förhindra senare oro statistiska analyser. - Placera en märkning flagga på varje planerade provtagningsplats och registrera platsen för de planerade platserna på kartan, med hjälp av GPS-koordinater.
2. samla in jordprover
- Bestämma den utrustning som används för att samla jordproverna.
Obs: för grunt (t.ex., mindre än 300 mm djup) jordprover, en cylindrisk jord sampler (kompletterande bild1) av den storlek som används för detta experiment kan ofta vara drivande i marken med en droppe hammare, om jorden är tillräckligt mjuk. För experimentet beskrivs här, en hydraulisk borrpelaren användes för att tillåta prover samlas in från djup upp till 1200 mm.
Kompletterande bild 1: Borrpelaren används för provtagning.
- Transportera borrpelaren till platsen för att genomföra provtagning.
- Sätta på hårda hattar, handskar och skyddsglasögon före start borrpelaren.
- Driva upp borrpelaren och lägre roterande huvudet tillräckligt för att tillåta installation av Kelly bar.
Obs: Kelly baren är den metallstav som ansluter manöverhuvudet av borrpelaren till sampler. - Infoga fältet Kelly i rotationshuvud.
- Infoga en plast liner/sampling tube i metall prov röret med ett skärhuvud som sitter på undersidan av metall prov röret. För det program som beskrivs här, Använd en 150 cm lång och 90 mm utanför diameter (OD) plast liner monteras i en 200 mm lång och 100 mm OD/90 mm inne diameter (ID) metall prov röret.
- Fäst metall prov röret Kelly bar med en bilresa huvud monterad på båda.
- Driva borrpelaren flytta provet röret ungefär 150 mm i marken.
Obs: Detta kommer att ge ett 100 mm prov i plast liner och möjliggöra ett 50 mm utrymme längst upp i provet att hålla vatten relsemarginal på prov när mättad hydraulisk konduktivitet mätningarna erhålls i laboratoriet. Detta hjälper också undvika komprimerar jordprov under sin samling. - Ta bort metall prov röret från marken med hjälp av det hydrauliska systemet av borrpelaren.
- Ta bort metall prov röret från manöverhuvudet. Och sedan ta bort plasten prova tube håller jordprov från metall prov röret, med hand inte att förlora mark från inuti plast prov röret, och inte till kompakt jord eller squeeze sidorna av plast prov röret.
- Placera gavlar på varje ände av plast prov röret, med röd för slutet på toppen av jordprov och svart för botten av jordprov. Tejpa slutet mössor till hylsan för att undvika kontaminering eller förlusten av vatten från provet.
- Placera provet stående upprätt för transport tillbaka till laboratoriet.
- Fortsätt provtagning till djupaste djupet av intresse, upprepa steg 2,6 – 2.12.
3. bygga ett konstant huvud, flera kolumn, jord hydraulisk konduktivitet inställning
Obs: Den hydraulisk konduktivitet laboratorieutrustning är baserad på arbete av Walker10. Det innebär användning av en permeameter som är konstruerad för att separera flödet mellan den yttre kanten av provet och cylindern som innehåller ringen från flödet genom matrisen jord. ID för någon PVC-rör som avses nedan är inte en strikt tolerans. Vissa kan passa väl, och andra kan kräva lite arbete (lätt slipning).
- Få en 100 mm lång, 96 mm ID/114 mm-OD schema 40 PVC-rör.
- Få en 100 mm lång, 73 mm ID/89 mm-OD schema 40 PVC pipe och bearbeta det för att ha en 5 mm koniska skäregg. Ge detta en 89 mm plast liner passar in på ytterdiametern.
- Skär av botten 20 mm av schema 40 PVC röret avses i steg 3,2 och behålla den för senare användning.
- Från en grå PVC 6 mm tjocka ark, skär en 155 x 155 mm2. Maskin genom att innehålla en cirkulär öppning på 60 – 70 mm i mitten av torget.
- Skär en 6 mm tjock skiva av en mm 73 OD/63 mm ID schema 40 PVC-rör.
Obs: En mm 73 dusch avlopp som ryms inom en 73 mm ID schema 40 PVC-röret kan kapas och fungerar väl om en 73 mm OD schemalägga 40 PVC-röret är inte tillgänglig. - Med PVC cement, bifoga den 6 mm tjock skiva 73 mm OD PVC (från steg 3.5) 20 mm under toppen av 89 mm OD PVC (från steg 3,2).
- Efter den PVC-cement som används i steg 3.6 har torkat, centrum två PVC cylindrarna på bladet 6 mm och fäst dem på arket med PVC cement.
- Borra ett hål i yttre PVC cylindern, centrerad ca 15 mm ovanför torget grå PVC, att rymma en 14 mm PVC-adapter med hullingförsedda ände.
- Cementera adaptern på plats med PVC cement.
- Fäst en 19 mm OD/13 mm ID plaströr hullingförsedda slutet av adaptern.
- Cement 20 mm stycke schema 40 PVC som avses i steg 3,4 till botten av grå PVC torget, centrerad på öppningen.
- Klipp ut en 80 – 85 mm diameter rund bit 6 mm x 18 G trådnät (en galvaniserad stål rännstenen vakt fungerar bra för detta) för att infoga i 89 mm OD PVC uppifrån så att den vilar på 6-mm tjock skiva av 73 mm OD PVC.
- Välj en 19 x 184 x 2 438 mm3 styrelsen och skär den i halv, trimning varje längd till 1 180 mm.
- Skär ut 6 – 125 mm hål fördelade 70 mm mellanrum i styrelsen.
- Placera ett ståltrådsnät under hålen i styrelsen och bifoga det (t.ex., med hjälp av en häftpistol).
- Placera en 140 mm (övre öppning) x 19 mm (pipen OD) tratt under trådnät och bifoga det till styrelsen; att placera självhäftande täta på kanten av tratten till eliminera luckor mellan toppen av tratten och trä.
-
Bygga en 750 mm hög träram för att hålla styrelsen med 6 hål (se 3.13 och 3.14) ca 350 mm ovanför botten av ramen.
- Förbereda komponenterna i denna ram att inkludera en bas, två frame ändar, två stabiliserande ben, en lägre stärkande bas, en stabiliserande bas, en center-stabiliserande tillbaka ombord och en övre tillbaka ombord.
- Skär en styrelse till 19 x 184 x 1 180 mm3 som bas.
- Klipp två brädor till 19 x 184 x 750 mm3 varje som ram ändar.
- Skär två brädor att skapa en 19 x 184 x 600 mm3 stabiliserande ben på varje ände.
- Skär en styrelse till 19 x 184 x 1 180 mm3 att fungera som en lägre stärkande bas direkt under styrelsen med 125 mm hål borras i det (se steg 3.14).
- 3 som stabiliserande bas kopplad till den främre eller bakre av de två skär en styrelse till 19 x 184 x 1 219 mm och stabilisera benen.
- Skär en styrelse till 19 x 184 x 1 219 mm3 som ett stabiliserande tillbaka styrelse.
- Skär en styrelse till 19 x 184 x 1 219 mm3 som en topp tillbaka ombord för att lägga till ytterligare stabilitet, på vilken en avloppsränna kommer att bifogas.
Obs: Övre tillbaka styrelse och bifogade rännstenen bör vara på en höjd så att längst ner i rännstenen är ungefär på samma höjd som toppen av jorden i jord prov hylsan kommer att när provet är på plats.
Kompletterande figur 2: framifrån av mättad hydraulisk konduktivitet apparaturen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
-
Förbereda leverans och dränering rännor.
Obs: Varje plast rännan är cirka 120 mm över och 1219 mm lång och är försedd med gavlar.- Borra hål i en gavel av dränering rännstenen och i ena änden av leverans rännstenen att rymma en 13 mm HB x MGHT nylon hullingförsedda slutet adapter i varje hål.
- Borra hål i andra gaveln av leverans rännstenen att rymma en 25 mm ID PVC-rör för dränering tillbaka till behållaren för leverans.
- Cementera de vinklade PVC-anslutningarna som behövs för att möjliggöra dränering av vatten tillbaka till behållaren för leverans.
- Skär en 40 mm hög rännstenen ändlock att passa inuti leverans fästmarginal cirka 10 cm från PVC-anslutna uttaget.
- Skär ett Trapetsformat snäpp på toppen av det ändlock som är ca 20 mm djup, 30 mm bred i botten och 50 mm brett längst upp i skåran.
Obs: Detta kommer att fungera för att upprätthålla en konstant huvud i utbudet rännstenen. - Placera dränering rännstenen under trattarna så den vilar på den lägre stärkande bas av träram.
- Fäst leverans rännstenen övre tillbaka tavlan med vinyl rännstenen galgar.
Kompletterande figur 3: avsluta syn på vattenförsörjning gutter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
-
Förbereda vattenkälla.
- Anslut plaströr till nylon taggig slut korten i både leverans rännstenen och dränering rännstenen.
- Placera en stor balja på golvet intill ledningsförmåga enheten ställa in att fungera som behållaren för leverans.
Obs: Badkaret bör väljas att hålla tillräckligt med vatten under minst 24 h mätningar. - Placera en liten dränkbar pump i badkaret och ansluta den via plaströr till inloppet slutet av leverans rännstenen.
- Anslut de små plaströr på taggtråd slutet nätverkskorten av flöde vägguttaget (som avses i 3.9) och placera den icke-anslutna änden av slangen i dränering rännstenen.
- Fyll behållaren försörjning med vatten.
- Koppla in pumpen och kör att fylla utbudet rännstenen. Se till att vatten pumpas in leverans rännstenen är tillräcklig för att hålla leverans rännstenen nästan full utan att flöda över.
-
Förbereda en ”praxis jordprov” att identifiera eventuella ändringar som behövs.
- Placera ett jordprov för ”practice” i en plast provtagning ärm, lämnar ca 50 mm utrymme mellan toppen av smutsa och toppen av plast hylsan.
- Täcka den nedre änden av provet och ärm med ett dubbelt lager av cheesecloth. Håll cheesecloth på provtagning ärmen med ett tillräckligt stora gummiband.
- Placera praxis jordprov och ärm i en balja med vatten till ca 1/3 av höjden av hylsan, fylld cheesecloth slutet att vara i vattnet.
- Efter flera timmar, höja vattnet i badkaret till cirka 2/3 av höjden av provet. Efter att provet att ställa över natten, Fyll badkaret till strax under toppen av jordprov (inte toppen av ärmen).
- Placera jordprov ovanpå 89-mm OD PVC röret och tryck den försiktigt på röret, så att den slipade kanten av PVC röret till tryck i marken några millimeter för att tillåta längst ned på marken att vila på skärmen.
Obs: Cheesecloth kommer att behöva ha gummi bandet lossas för att möjliggöra detta. Observera också att toppen av jorden i provet hylsan bör vara ungefär nivå med botten av leverans rännstenen och toppen av provet hylsan bör vara ungefär nivå med toppen av leverans rännstenen. -
Ge vatten till toppen av jordprov.
- Slå på pumpen och fyll leverans rännstenen.
- Se till slutet av dränering röret placeras i dränering rännstenen och utloppet från dränering rännstenen är ordentligt ansluten till de plaströr som placeras i ett avlopp eller behållare på en lägre höjd.
- Med 6-mm slangar, skapa en sifon från leverans rännstenen till toppen av smutsa.
- Samla vattenprover från jord kärnan som avlopp från tratten.
Obs: Prover bör tas ut för tidsperiod som krävs för att få tillräckligt med vatten för att få den precision som krävs för experimentet, baserat på forskning kriterier. - Kontrollera om läckor eller oförutsedda problem.
- Bestämma den ungefärliga längden av tid som behövs för att samla en tillräcklig mängd vatten baserat på den tid som behövs för att fylla ungefär hälften en 100 mL-bägare med vatten (eller annan volym som bestäms av forskargruppen).
- Skapa en simulerad ”vägg flöde” genom att sätta in en liten skruvmejsel eller en annan liknande implementera längs insidan av plast jord provbehållaren bekräfta att överskjutande flödet skapad av denna passage tillfalla dränering rännstenen genom dränering röret.
- Ändra inställningarna baserat på eventuella problem som finns i denna praxis kör.
4. att erhålla jord hydraulisk konduktivitet värden
- Blöt upp jordproverna som samlades från webbplatsen fältet genom att täcka botten ändarna av proverna med cheesecloth hålls på plats med ett gummiband, följa anvisningarna anges i steg 3.20 för öva kör.
- Starta pumpen och låt leverans rännstenen att fylla. Kontrollera efter läckor.
- Placera proverna på hydraulisk konduktivitet enheten som gjort för den praxis som kör. Var noga med att inte kompakt proverna under hantering.
- Ställa in sifon rören att flytta vatten från leverans rännstenen på ytan av jorden i en plastficka.
- Inledningsvis börja samla vatten från tratten varje 10 – 20 min, för att få en uppfattning om hur länge att ta prover och hur ofta att ta prover. Registrera tider och vatten massorna/volymer på varje prov gång för varje jordprov.
- Leta efter sekventiell prover innehåller lika mängder vatten. Efter 3 – 5 prover som innehåller samma mängd vatten, har provet sannolikt nått en steady-state.
Obs: För att säkerställa steady state har nåtts, kan det vara önskvärt att ta ett par ytterligare prover planerad 1 h isär. - Använda Darcys lag för att beräkna den mättad hydraulisk konduktiviteten;
där
Ksatt = mättad hydraulisk konduktivitet (L/T)
V = steady-state volymen av vattnet som rinner genom kärnan (L3)
L = sampels längd (L)
A = tvärsnittsarea prov på kärnan (L2) genom vilket vattnet rinner. För denna installation,
T = tid (T)
(H2 – H1) = hydrauliska huvudet skillnad (L); för denna installation är det avståndet mellan toppen av vattnet relsemarginal på jordytan och botten av jordprov.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
För att undersöka frågan om huruvida tillämpningen av avloppsvatten avloppsvatten på webbplatsen levande Filter har påverkat jordens förmåga att överföra vatten, vi har utfört experiment för att mäta den mättad hydraulisk konduktiviteten av smutsar. Vi jämförde hydraulisk konduktivitet av jordar från bevattnade områden på webbplatsen med de icke-bevattnade områden på webbplatsen. Effekterna av avloppsvatten avloppsvatten på jord hydrauliska konduktiviteten är en fråga om oro, eftersom det har förekommit några rapporter i mindre fuktiga regioner av nedsättning av förmågan av marken att överföra vatten följd (till exempel) en uppbyggnad av natrium i marken eller från utvecklingen av en yta biologiska skorpa. För varje av de prov som samlats för hydraulisk konduktivitet mätningar, samlades prover från intilliggande platser inom en mätare av hydraulisk konduktivitet proverna för en mätning av de stora kationerna på Ca, Mg, Na i marklösningen. Värdena på Ca, Mg, Na i marklösningen uppskattades från 1:2 jord massa: vatten förhållandet massa avjoniserat vatten extrakt av smutsar, med värden som back-beräknas baserat på markens vatteninnehåll vid tidpunkten för provtagning. Dessa jord lösning koncentrationer användes för att beräkna förhållandet natrium adsorption av smutsa lösningen, som definieras av:
där värdena för Na, Ca och Mg ges i milliekvivalenter (meq) / liter. (För Na, antalet meq/l = mg/l dividerat med 23; för Ca, meq/l = mg/l uppdelat med 20; för Mg, meq/l = mg/l dividerat med 12.)
Det observerades att den hydrauliska konduktiviteten minskat med djup i de depressional områdena (figur 1), med det starkaste förhållandet mellan Ksatt av djup existerande i de icke-bevattnade arealer.
När man överväger förhållandet mellan Ksatt med SAR, för jordprover under 20 cm, fanns det ett starkt positivt samband mellan Ksatt och SAR av smutsa lösningen för den icke-bevattnade depression (figur 2), men en stark negativ förhållandet mellan Ksatt och SAR för den bevattnade depression. Det bör noteras att värdena för SAR i området icke-bevattnade var betydligt lägre än de i bevattnade området och var i ett utbud där det inte förväntas att hydrauliska konduktiviteten i marken skulle påverkas. De SAR-värdena i området bevattnade var mycket högre och även om de var i ett utbud som inte förväntas skapa eventuella minskningar i den hydrauliska konduktiviteten, det observeras att det fanns ett starkt negativt samband mellan Ksatt och SAR (figur 2) .
Tittar på fördelningen av SAR av djup för den icke-bevattnade depression (figur 3), fanns det lite förhållandet mellan jordlösningar SAR och jord djup. Det är således troligt att förhållandet mellan de minskande Ksatt värdena av djup domineras av förändringar i markens egenskaper (struktur, textur), som tenderar att ändra med djup. Figur 4 visar däremot att det finns ett starkt samband mellan jord djup och jord lösning SAR för bevattnade depressional områden. Starka förhållandet mellan Ksatt och SAR för bevattnade området beror sannolikt på båda en stark korrelation mellan jord djup och jord lösning SAR och i viss mån till en minskning i Ksatt med en ökning på djupet. Det förefaller dock att det kan finnas vissa minskning Ksatt helt enkelt på grund av ökad SAR.
Figur 1: Förhållandet mellan mättad hydraulisk konduktivitet och jord djup för både bevattnade och icke-bevattnade fördjupningar.
Figur 2: Förhållandet mellan mättad hydraulisk konduktivitet och natrium adsorption förhållandet (SAR) smutsa lösningen för både bevattnade och icke-bevattnade fördjupningar.
Figur 3: Värdet av den genomsnittliga SAR i marklösningen genom provtagning djup för platser i icke-bevattnade fördjupningar.
Figur 4: Värdet av jordlösningen SAR av djup för platser i bevattnade fördjupningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Förmågan att samla fältbaserade, ostörda jordprover och få deras hydraulisk konduktivitet värden är viktigt att erhålla data representativa för en webbplats. För att bäst representerar fältförhållanden, är det viktigt att använda jordprover som finns kvar i aggregationstillstånd företrädare för deras miljö i fältet. Jordprover som samlats in från en plats som störs då av delsampling eller hantering inducerad kompaktering, till exempel, kommer att uppleva strukturella förändringar som påverkar den mättad hydraulisk konduktiviteten.
Det är också viktigt att ha ett sätt att mäta markens hydrauliska konduktiviteten i kontrollerad laboratoriemiljö. Dock med ett laboratorium metod för den mättad hydraulisk konduktivitet som underlåter att redovisa ett flöde längs insidan av provbehållaren (så kallade ”vägg flöde”) kommer att resultera i en dålig reproduktion av resultat och hög variation på grund av metodik snarare än på grund av naturliga variationer.
Eftersom utvecklingen av den skivan Permeameter i 1982 av Perroux11, baserat på arbete av klädeshandlaren och vita12, har mycket möda lagts ner för att få mer tillfredsställande fältbaserade jord hydraulisk konduktivitet mätningar13. Att ha fältbaserade mätningar är mycket önskvärt, som ”störd” jord prover (exempelvis torkats och malts prover omförpackas i en kolumn) återspeglar inte de naturliga markförhållandena.
Det finns dock även nackdelar med fältbaserade metoder för att erhålla jord hydraulisk konduktivitet. Det är ett antagande med fältbaserade metoder att marken bakom den utrustning som används för att mäta graden av vattenintaget i marken är enhetliga13. Dock de flesta jordar är inte enhetlig utan består av lager av jordmaterial som skiljer sig i deras konduktivitet.
En annan nackdel är att en omfattande provtagning kampanj kan kräva från 1 – 4 h (eller mer) mättid per prov, förutom webbplats förberedelsetiden. Tidigare arbete på denna webbplats14 krävs flera veckor att slutföra metoden Ankeny et al13. Följden är att insamling av ett stort antal prover kommer att kräva en sådan betydande tid i anspråk att förhållandena i fältet kommer att förändras (t.ex., växternas tillväxt, vattenhalt, etc.), och provtagningen kan också störa fält verksamhet (t.ex., i detta fall avloppstillämpningar bevattning och skörd). Skillnader i miljöförhållanden (t.ex., regn) kan resultera i förändringar i markens kemiska egenskaper. När det gäller detta experiment, jord Ca, Mg och Na koncentrationer förändrats på grund av utlakningen av Ca, Mg och Na genom marken på grund av nederbörd infiltration och nedåtgående vatten rörelse.
På grund av de inblandade i kroppsarbete och hur lång tid krävs för att förbereda platsen när det är täckt med växtlighet14, och hur lång tid krävs för att samla fältbaserade mättad hydraulisk konduktivitet värden, möjligheten att få representativa värden över en rad jord djup och fältet platser kan kräva upp till en halv dag per prov per djup. Nödvändiga växt produktion fältverksamhet, inklusive bevattning, får begränsa längden på tid för provtagning.
Dessutom, även om den tid som krävs för att utföra fältmätningar av mättad hydraulisk konduktivitet på många platser är tillgängliga, kommer hur lång tid att erhålla prover över en plats och på flera djup nödvändigtvis resultera i många prover samlas under olika miljöförhållanden, som dessa förändring från dag till dag (eller oftare).
Prover som tagits från fältet med en hydraulisk jord sampler kan samlas i en mycket kortare tid, vilket minskar de förändringar som kan ske på en plats över tiden. Laboratoriet förfarandena för att erhålla jord hydrauliska konduktiviteten från sådana prover har dock distinkta nackdelen av att vara föremål för så kallade ”vägg flöde”10. Vägg flöde är flödet av vatten längs insidan av provbehållaren när provet placeras på en konstant huvud enhet som vanligtvis används för att erhålla jord hydraulisk konduktivitet uppskattningar. Sådant flöde, resulterar om den ingår i mått på graden av vatten rörelse genom marken, i en felaktigt höga uppskattning av hydraulisk konduktivitet. Detta manuskript beskriver användningen av ett laboratorium som inrättats för att eliminera vägg flöde från uppskattningar av jord hydraulisk konduktivitet och ett prov insamlingsmetod som matchar jord stickprovsstorleken till storleken på laboratorieutrustning.
Ett avgörande steg är att samla in jordprover som inte har varit packad. Även om markens fukt status kommer att påverka motståndet mot införandet av provtagaren och därmed förenligheten av smutsa, är rekommendationen att längden som samlas bör vara något kortare än prov liner som sätts in metall prov röret.
Transport av prover från fältet till labbet bör göras på ett sätt som minimerar störningar för dem. Att hålla dem upprätt och säkerställa de inte packas tätt mot varje andra ska bidra till att minska hantering störningar.
Det mest kritiska steget i protokollet är att bygga den laboratorieutrustning för att matcha urvalsstorleken samlas från fältet så att väggen flöde inte ingår i vattnet samlas in från marken matris10. Även om beskrivningen av den laboratorieutrustning som presenteras häri är för en viss storlek på provbehållaren, får andra stora containrar användas om provet innehavare i laboratorieutrustning matchas likaså i storlek.
När en prototyp är monterad, bör prover som avsiktligt skapade till resultat i väggen flöde användas för att fastställa att byggandet av apparaten skiljer verkligen väggen flöde från jord matrix flöde. En annan viktig observation är om den slutliga utformningen möjliggör inrättandet av en ständig vattenpelare ovanpå jordprov utan overtopping behållaren plast jord. Toppen av behållaren jord måste vara ovanför vattennivån i utbudet rännstenen. Detta är avgörande. Om vattnet overtops behållaren plast jord, då var måtten sannolikt inte korrekt mätt. Detta kan lösas genom att montera en gummiring till toppen av behållaren plast jord, vara noga med att inte störa jordprov.
Den tid för samling av prov som krävs kommer att vara beroende av båda kriterierna för experimentets precision samt graden av vatten rörelse genom marken. Prover kan exempelvis behöva samlas in för 10 – 20 min varje timme under en period av 12 h tills en relativt konstant mängd vatten rör sig genom jord kärna och i behållaren för provtagning varje gång ett prov tas. I andra fall behöva bara proverna samlas för 8 – 10 min för en period av 3 eller 4 h innan en konstant mängd vatten rör sig genom marken för ett givet provtagningsperiod. Konstant volymdelar vatten under samma period av samplingstiden tyder på ett ”steady state”-villkor hade uppnåtts.
Jord kärnor var förberedda för en mättad hydraulisk konduktivitet analys genom att placera cheesecloth nedtill på varje kärna och sedan placera kärnan i en balja med vatten långsamt mätta proverna från botten upp, under en period på minst 24 h.
Efter presaturation, borrkärnorna togs bort från badkaret och botten av var och en av kärnor sattes på flöde avgränsare avsedd att skilja något flöde längs sidorna av plast hylsan som innehåller smutsa, från flödet genom marken själv. Sex mark kärnor samtidigt placerades på denna enhet som ingår en bänk i en Rännsten system10 som innehåller en weir för leverans av vatten till toppen av jordproverna på ett konstant huvud genom hävert rör. Vatten pumpades till rännstenen systemet från en reservoar med en dränkbar pump.
Avgränsaren som flödet är i huvudsak en 100 mm lång och 100 mm diameter PVC rör som fungerar som en hållare där den plasthylsa som håller jordprov sitter. Ett andra PVC-rör (ca 75 mm i diameter och 75 mm lång) slipas så att jordprov kontakter den skarpa kanten av denna PVC-slang, och passar inuti utanför PVC röret, med plast hylsan håller de jordprov montering utanför mindre PVC röret. En skärm i mindre PVC röret stöder jordprov och tillåter vattnet som har flyttats genom marken rinna ut botten på provet. En andra utlopp avger det vatten som runnit ner insidan av plast hylsan, vilket eliminerar s.k. ”bypassflöde” felaktigt inkluderas i uppskattningen av mängden vatten som förflyttas genom matrisen jord.
En viktig begränsning till tekniken uppstår med jordar, som de med en hög lerhalt, som har en låg mättad hydraulisk konduktivitet. Jordar med mycket låg mättad hydraulisk konduktivitet vanligtvis måste ha deras ledningsförmåga bestämmas med en ”huvud” närma sig7 istället för den konstant huvud metoden används här. Den apparat som beskrivs här måste modifieras avsevärt för att möjliggöra en fallande huvud strategi att utnyttjas.
Designen har befunnits ge mer enhetliga resultat av mättade jorden hydraulisk konduktivitet10 än traditionella laboratorium metoder9. Användning av design bör bidra till att minska frekvensen av inspelning felaktigt höga skattningar av mättade jorden hydraulisk konduktivitet på grund av felaktigt inklusive vägg flöde i uppskattningar av mängden vatten som rinner genom marken över en tidsperiod.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna vill tacka Pennsylvania State University Office av fysiska anläggningen för att ge partiell finansiering stödja detta projekt. Den USDA-regionala forskningsprojekt W-3170 lämnade också delfinansiering. Vi vill uttrycka vår tacksamhet till Ephraim Govere för hans hjälp med det analytiska arbetet. Vår djupaste tacksamhet är att Charles Walker, vars konstruktion och konstruktion färdigheter gjort det möjligt för oss att genomföra detta arbete.
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).
