토양 유출을 연구하기 위해 강우 시뮬레이션을 실시하기위한 프로토콜

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Summary

강우 시뮬레이터 요소, 비점 오염원 환경 오염 물질의 거동 및 이동에 대한 연구에서 포장 토양 상자에 균일 한 강우의 일관된 속도를 적용하는 데 사용되었다. 균일 한 토양과 강우 조건에서 선행 토양 수분 함량은 표면 유출에 요소 손실에 강력한 통제를 발휘.

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Kibet, L. C., Saporito, L. S., Allen, A. L., May, E. B., Kleinman, P. J., Hashem, F. M., Bryant, R. B. A Protocol for Conducting Rainfall Simulation to Study Soil Runoff. J. Vis. Exp. (86), e51664, doi:10.3791/51664 (2014).

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Abstract

강우는 표면 유출을 통해 surficial 수역에 농업 토양에서 환경 오염 물질의 수송을위한 원동력입니다. 이 연구의 목적은 시비 후 24 시간 이내에 발생하는 강우 이벤트 다음 상업적 요소, 질소 (N) 비료의 일반적인 형태를 적용 표면의 변화와 운송에 선행 토양 수분 함량의 영향을 특성화했다. 요소는 쉽게 암모늄을 가수 분해되는 것으로 가정 및 수송 때문에 자주 사용할 수 있지만, 최근의 연구는 요소가이 유해 적조에 연루되어 연안 해역에 농업 토양에서 전송 될 수있는 것이 좋습니다. 강우 시뮬레이터는 다양한 토양 수분 함량에 prewetted 되었었다 포장 토양 바꾸 걸쳐 균일 강우의 일관된 속도를 적용하는 데 사용 하였다. 강우 및 토양의 물리적 특성을 제어함으로써, 요소 수의 손실에 선행 토양 수분의 영향은 졸라되었습니다테드. 습한 토양은 강우 개시에서 유출 개시, 유출의 더 큰 전체 볼륨, 유출 높은 요소 농도와 유출량 요소의 큰 질량 부하에 짧은 시간을 보였다. 이러한 결과는 토양의 물리적 또는 화학적 특성, 기울기, 토양 덮개, 관리 또는 강우 특성과 같은 다른 변수를 분리하도록 설계 연구에서 선행 토양 수분 함량에 대한 제어의 중요성을 보여준다. 강우 시뮬레이터는 자연 강우와 유사한 크기 및 속도의 빗방울을 제공하도록 설계되어 있기 때문에, 표준화 된 프로토콜에 따라 수행 연구는, 차례 차례로, 유출 오염 물질의 거동 및 이동을 예측하는 모델을 개발하는 데 사용할 수있는 중요한 데이터를 얻을 수 있습니다.

Introduction

농업이 환경에 미치는 영향, 특히 글로벌 변화의 불확실성에 비추어, 세계 및 급속하게 증가 관심사이다. 강우는 표면 유출을 통해 surficial 수역에 농업 토양에서 환경 오염 물질의 수송을위한 원동력입니다. 연구의 큰 몸들은 침전물, 영양, 농업 토양에서 농약 손실의 비점 오염원을 확인으로 더 나은 강우와 토양 조건 사이의 상호 작용을 이해에 초점을 맞추고 있습니다. 이 연구의 목적은 시비 후 24 시간 이내에 발생하는 강우 이벤트 다음 상업적 요소, 질소 (N) 비료의 일반적인 형태를 적용 표면의 변화와 운송에 선행 토양 수분 함량의 영향을 특성화했다.

요소가 빠르게 시비와 일 다음 암모늄을 가수 분해되기 때문에 토양의 요소의 변화와 운송의 몇 가지 연구가있다erefore 전송을 위해 자주 사용할 수 없습니다. 그러나, 최근의 유역 연구는 요소가 유해 물질 1,2를 생산 생물의 집단을 향해 연안 해역 및 원인 변화에 농업 토양에서 전송 될 수있는 것이 좋습니다. 실험실 및 필드 두 실험은 domoic 산 생산 규조류 의사 nitzschia의의 오스 트레일 (P. australi들) 요소가 풍부한 해수에서 재배 때, domoic 산의 양이 질산 또는 암모늄 풍부한 성장하면보다 큰 생산하는 것으로 나타났습니다 해수 3. 이 연구는 상업 시비 다음 유출량 요소-N 손실에 대한 가능성을 제어하는​​ 과정을 조사하기 위해 모의 강우량을 사용했다.

이 자연 강우의 변동성에, 강우 시뮬레이터 통제 된 조건에서 결선을 평가하기 위해 땅 표면 또는 포장 토양 상자에 균일 한 강우 비율을 적용하는 데 사용되었다. 강우 시뮬레이터는 초기에 토양을 연구하는 데 사용되었다침식 4. 그러나 지난 몇 년 동안 그들은 토양 5-7에서 표면 유출수 및 침출수에 다른 성분을 측정하는 데 사용되었다. 자연 강우를 사용 현장 연구도 유출량 토양 성분의 손실을 평가하기 위해 수행되었다. 자연 강우량과 강우 시뮬레이션 데이터 사이의 동향 프로세스의 일관성을 가리키는 비슷한 패턴을 따릅니다. 그 때문에 강우 시뮬레이션은 자연 강우 8 하에서 일어나는의 발생 가능성을 예측하는 연구에 사용될 수있다.

강우 시뮬레이터의 다양한 개발되었으며, 일반적으로 그들이 원하는 가격과 기간에 물을 적용하는 노즐 분무기를 사용합니다. 크기의 측면에서, 강우 시뮬레이터 직경 강우 지역 9 6 간단한, 작은, 휴대용 infiltrometer에서 플롯 14.75 피트가 X 72피트 (4.5 MX 22m) (10)을 포함 복잡한 켄터키 강우량 시뮬레이터, 범위. 연구의 몸에 하나의 단점이 EMPloyed 강우 시뮬레이션 강우 시뮬레이션 11을 수행하기위한 단 하나의 표준화 된 설계 나 프로토콜이 없다는 것입니다. 사실, 트리어 대학, 독일, 11 참여 국가의 과학자의 공동 사회에서 2011 년 "국제 쏟아지는 시뮬레이터 워크샵"에서 강우 시뮬레이션과 시뮬레이터의 표준화가 결과의 비교를 보장하기 위해 더욱를 촉진하기 위해 필요하다는 결론을 내렸다 물리적 한계와 제약 조건 (12)을 극복하는 기술 개발. 이 연구 결과는 부분적으로 이미 널리 북미에서 사용 채용 시뮬레이터를 사용 강우 시뮬레이션을 수행하기위한 표준화 된 프로토콜의 상세한 설명을 제시하여 그 요구를 해결하고자한다.

이 실험은 유독 적조가 매년 발생하는 것으로 알려져있다 체사 피크 만의 하구 해역에서 요소의 원인을 평가하기위한 더 큰 연구 결과의 일부입니다. 특정 objectiv 실험 E는 유출량 우레아 손실에 선행 토양 수분 함량의 효과를 결정하는 것이었다. 중복 균일 토양 포장 박스 50을 나타내는 여섯 가지 수분 함량 중 하나, 60, 70, 80, 90, 및 필드 용량의 100 %로 prewetted 하였다. 요소는 150kg N / 헥타르의 비율로 프릴 형태로 적용될 표면했다. 24 시간 안에 상자는 일반적으로 메릴랜드 체사 피크 만의 동쪽 해안에 매년 발생하는 자연 침전 이벤트에 해당하는 / 시간 3.17 cm의 속도로 40 분 지속 시간의 균일 한 강수량을 실시 하였다. 유출 샘플은 즉시 유리 필터 (0.45 μm의)를 사용하여 여과 2 분 간격으로 수집하고, 그들이 컬렉션의 24 시간 내에 분석 될 때까지 4 ℃에서 보관 하였다. 우레아 N 농도는 흐름 주입 분석 비색 (13)에 의해 결정 하였다. 데이터는 SAS의 v.9.1 (14)를 사용하여 분석하고, 통계 결과는 0.05 ≤ P에서 중요한 것으로 간주되었다.

e_content "> 본 연구에 사용 된 휴대용 강우 시뮬레이터는 국립 인 프로젝트 (16)에 의해 개발 된 설계 사양 (15) 및 프로토콜을 준수합니다. 미국과 캐나다에서,이 시뮬레이터 설계 및 프로토콜이 널리 표준 방법으로 채택되었다 결정에 사용 용해와 유출량 입자 바인딩 인 손실을 모두. 유출 샘플이 아니라 인 이상의 요소를 분석했지만, 토양 상자를 포장하는 균일하고 일관된 강우량을 적용하는 방법이 간단히 국가 인에 설명되어있는 것과 동일하다 프로젝트 강우 시뮬레이션 프로토콜입니다.

Protocol

1. 토양 수집 및 준비

  1. 정확하게 토양 표면의 물리적 및 화학적 조건을 나타내는 토양 프로파일의 표면 수평선으로부터 토양을 모은다. 참고 : 가능한 토양 표면의 상단 5cm에서 수집해야합니다. 토양 컬렉션이 지역은 토양의 물리적, 화학적 특성의 변화를 제한 할 정도로 작아야한다.
  2. 바위를 제거하기 위해 굵은 (20mm) 화면을 통해 흙을 체. 참고 : 토양이 어느 정도 습기가있는 경우 체질 쉽습니다.
  3. 바람직하게는 그린 하우스 나 따뜻한 실내 환경에서, 건조를 촉진하기 위해 얇은 층에있는 무거운 타르 칠한 방수 천의 체질 흙을 확산.
  4. 삽, 갈퀴 또는 거대한 사항 일을 접는 것처럼 한쪽에서 다른쪽으로 방수 천의 가장자리를 잡아 당겨 흙을 혼합. 참고 : 추출 또는 삽 또는 레이크의 가장자리 방수포가 찢어지지 않도록주의하십시오. 토양이 완전히 혼합 될 때까지이 과정을 여러 번 반복합니다.
  5. 10 샘플을 채취다른 완전히 혼합 토양의 더미에서 장소와 동질성을 테스트 할 수있는 Mehlich-3 인 테스트 (17)를 실시. 참고 : 10 샘플의 결과를 <0.05의 변동 계수 (CV)를 받으면 동질성이 달성된다. 여기서, CV = 표준 편차 / 평균.
  6. Mehlich-3 인 테스트의 CV> 0.05이면, 토양 혼합 계속 균질성 시험을 반복한다.

2. 토양 포장 상자

  1. 참고 : 토양 상자 아래에있는 구 5 mm 배수 구멍 길이의 동일한 치수의 폭과 깊이 (100cm X 20cm X 7.5 cm)와 균일 한 볼륨이어야합니다. 상자는 5 cm의 입술 한 쪽 끝에서 수집 홈통 (그림 1)이 있어야합니다.
  2. 4 호선 플라이 치즈 천으로 상자의 바닥은 흙이 포화 될 때 물이 흐르게 허용하면서 상자에 구멍에서 세척에서 토양을 유지합니다.
  3. 체질, 건조 정도 및 균질을 퍼서 첫 번째 토양 상자를 포장(약 3.5 cm) 매끄럽게 때 절반 깊이를 채우기 위해 상자에 흙을 제작되었다. 균등하게 흙을 확산하고 평평한 벽돌로 포장한다. 참고 : 토양은 그래서 벽돌의 압력으로 압축하지 않습니다 충분히 건조해야한다.
  4. 토양의 또 다른 2cm 추가 5 cm의 여백 (그림 2)에 유출 상자의 입술의 높이의 포장 깊이에 수평 계기로 평평.
  5. 처음 포장 된 상자에 추가 된 토양의 양을 무게, 그리고 나머지 상자에 토양의 같은 무게를 추가합니다. 5cm 균일 한 부피 밀도의 토양 깊이를 달성하기 위해 각 상자를 포장합니다.
  6. 포장 과정에서 도랑으로 누출 된 모든 토양을 제거하는 토양 상자의 제본 용 진공 청소기를 이용하여 청소합니다.

3. 강우 시뮬레이터 토양 박스 장착

  1. 강우 시뮬레이터의 중앙에 압력 처리 목재에서 X 6 개 만점에 구성된 프레임을 위치하는시 토양 상자에는병이 배치 될 수있다. 참고 : 프레임 강성을 제공하기 위해 중간에 크로스 부재를 가져야한다. 밑 프레임에 흙 상자를 배치하면, 그렇지 않으면 즉시 토양 상자 아래 견고한 플랫폼에서 발생할 수있는 시작을 최소​​화하고 상자의 바닥에있는 구멍에서 무료로 배수를 할 수 있습니다.
  2. 수집 병의 배치를 허용하고 플랫폼에 장착 된 토양 상자의 전면에 수집 홈통의 주둥이 아래에 깔때기 높이에 시멘트 블록에 프레임을 배치합니다.
  3. 또한 플랫폼에 배치 토양 상자의 배면 3 % 경사의 결과로, 상자의 앞면보다 3cm 이상이되도록 벽돌, 목재 및 시임을 사용하여 플랫폼 위로 상승. 플랫폼에 흙 상자의 뒷면에 보드 (> 100cm의 길이)를 탑재 배치하여 기울기를 측정합니다. 목수의 수준을 사용하여 보드 레벨을 보유하고 플랫폼의 위로 상자의 전면 3 센티미터 보드 레벨 이하가되도록 (그림 3을 마련
  4. 직접 오버 헤드 노즐 아래 지점을 찾아 흙 상자에 떨어지는에서 레인 폴 이벤트의 시작 또는 끝 부분에 노즐로부터 큰 방울을 방지하기 위해 해당 위치에 상자를 배치하지 않도록하고 균등하게 플랫폼에 간격이 다섯이나 여섯 상자를 배치 . 상자의 위치를​​ 표시하고 항상이 같은 위치에 상자를 배치합니다.

4. 관개 물 소스 선택

  1. 모든 요소 및 화합물 연구에 관심 특히 상대적으로 무료 관개 용수 소스를 선택합니다. 물 순도를 결정하기 위해 연구에 앞서 물 소스를 분석. 주 : 필요한 경우, 교환 수지는 물을 원하는 순도를 달성하기 위해 사용되어야한다.
  2. 13 PSI의 압력 및 5 GPM의 유량을 초과하는 강우 시뮬레이터에 메인 물 소스를 제공한다. 참고 : 정상시 소스는 이러한 최소한의 요구 초과사항. 물 탱크 및 펌프를 사용하는 경우, 펌프의 최소 압력을 초과하는 물 공급을 제공 할 수 있고 유량 확실.

5. 사용하는 노즐 크기를 선택

  1. 강우 시뮬레이션에 사용되는 4 개의 표준 노즐 크기 중 하나를 선택합니다. 참고 : 각 노즐은 적절한 방울의 크기와 강도 (표 1)를 달성하기 위해 최적의 성능 압력과 흐름을 가지고 있습니다. 특정 연구에서 사용하기위한 노즐 사이즈 선택을 나타낼 수 자연 강우 이벤트의 강도 (cm / 시간) 관계로 결정된다.

6. 강우 시뮬레이터 가동

  1. 관에서 90도 각도로 폐쇄 위치, 레버 (1) 단 하나 레버 볼 밸브 (그림 4)를 놓고 (시 또는 펌프) 주요 물 소스를 켭니다.
  2. R에 (3) 압력 조절 밸브 (그림 4) 시계 반대 방향으로의 상단에 사각형 고정 나사를 돌려압력을 끌어 내고 완전히 다음 라인 (4) 라인 유량 제어 밸브를 연다.
  3. (1) 단 하나 레버 볼 밸브를 완전히 (그림 4)를 열고 강우 시뮬레이터의 상단에 위치한 (6) 압력 게이지 약 8 PSI를 달성하기 위해 고정 나사를 시계 방향으로 돌려 (3) 압력 조절 밸브를 조정합니다. 주 : (3)의 압력 조절 밸브가 약간 원하는 노즐 압력을 초과하도록 설정되면, 그것은 메인 상수원 압력 변화하지 않는 강우 시뮬레이터의 동작 중에 조절 될 필요가 없습니다.
  4. 부분적 부근 (5) 유동 미터까지 (4) 라인 유량 제어 밸브 (도 4)는 유체 유동 사용 노즐 분당 갤런의 비율 및 (6)의 압력 게이지에 대한 대략적인 PSI를 판독을 판독 사용 노즐 (표 1).
  5. 변경하지 않고 흐름을 중지 (1) 단 하나 레버 볼 밸브 (그림 4)를 닫습니다속도 및 압력 설정을 흐른다.

7. 노즐 교정 및 강우 균일

  1. 상자 밖으로 유출되는 물을 방지하고 (단계 3.4 참조) 나무 프레임에 표시된 위치에 배치하는 덕트 테이프와 5 또는 6 빈 토양 상자의 바닥에있는 구멍을 커버.
  2. 위치 및 노즐을 통해 끝에 부착 45도 팔꿈치와 2 인치 PVC 파이프의 10 피트 길이를 길게 (1) 단 하나 레버 볼 밸브를 엽니 다.
  3. 10 초 동안 큰 눈금 실린더에 PVC 파이프에서 배출를 수집합니다.
  4. (4) 인라인 유량 제어 밸브를 약간 조정하고 10 초 유량 될 때까지 10 초 컬렉션을 반복 사용 (표 1)에서 노즐에 해당하는 값과 일치합니다. 정확한 유량이 달성되면, 인해 가능한 압력의 변동에 따라 흐름의 모니터링 변화 수단으로 유량계에 대한 값을 사용한다. 참고 : 제대로 노즐, 일을 교정하기위한E 10 초 유량은 유량계에서 읽는 것보다 더 정확한 척도이다.
  5. 강우량은 상자 영역을 적시고 강우 개시시주의 할 수 있도록 PVC 파이프의 10 피트 길이를 제거합니다.
  6. 정확히 10 분 갑자기 흐름을 전환하고, (1) 단일 레버 볼 밸브를 닫습니다 노즐을 통해 10 피트 PVC 파이프를 배치하여 강우량을 중단 한 후.
  7. 눈금 실린더에 부어서 각 상자에 수집 물의 부피 (ml)로 측정하고, 상자의 바닥 면적 (2천센티미터 2)에 의해 볼륨을 분할함으로써 강수량 깊이를 계산한다.
  8. 강우 깊이의 변동 계수를 계산합니다. 주 : 5 ~ 6 상자 강우 깊이 변화 <0.05의 계수를 가질 때처럼 쏟아지는 균일 성이 달성된다. 여기서, CV = 표준 편차 / 평균.
  9. CV는 0.05 이상인 경우, ¼ 노즐 차례 타이트 켜고 교정 과정을 반복한다. 참고 : 노즐은 여러 번 설정해야 할 수도 있습니다0.05 미만의 CV를 달성했다.
  10. 0.05의 CV가 달성되면, 실행을 통해 그 강우 강도가 일관성을 보장하기 위해 교정을 여러 번 반복합니다.

8. 강우 시뮬레이션을 실시

  1. 교정 후, (단계 3.4 참조) 나무 프레임에 표시된 위치에 포장 토양 상자를 배치합니다.
  2. 위치 결선 수집 병 및 드레인 주둥이 아래의 유입 경로와는 시궁창에 방패 (그림 5)를 연결하는 종이 클립을 사용하여 직접 도랑에 빠지지에서 강우량을 방지합니다.
  3. 반복 직전 강우 시뮬레이션 이벤트에 노즐 유량을 재조정 및 레인 폴을 시작 7.2-7.5 단계를 반복합니다.
  4. 드레인 주둥이에서 물을 배수 연속 스트림에 느린 물방울에서 회전 할 때 각 상자에 유출 개시의 시간을 기록합니다.
  5. 수집 병을 전환하여 이벤트 동안이나에서 소정 시간 간격으로 유출 샘플을 모아서소정 기간의 이벤트의 단부.
  6. 레인 폴 이벤트를 종료하려면 갑자기 흐름을 전환하고, (1) 단일 레버 볼 밸브를 닫습니다 노즐을 통해 10 피트 PVC 파이프를 배치하여 강우량을 중지합니다.
  7. 물이 1g / ㎠의 무게 가정 눈금 실린더 또는 질량을 사용하여 유출 샘플 및 녹음 볼륨을 수집합니다.
  8. 모든 침전물이 정지에 다음 실험실 분석을위한 표본을 수 있도록 철저하게 샘플을 혼합.

Representative Results

현재 실험을 수행하기위한 하나의 이유는 결선에있는 요소의 손실이 요소를 포함 된 비료와 퇴비의 여러 형태를 통해 비교되는 한 이전 실험에서 가난한 결과에 기여 할 수있는 요소를 탐구하는 것이었다. 모든 처리는 포화 및 필드 용량 드레인 수 있었다 토양에 적용 하였다. 요소 프릴 치료의 다섯 반복 실험에 대한 결과는 결선에서 1-12 ㎎ / L 우레아-N의 농도에서였다. 복제물 간의 진폭 변동이 순서는 제어 된 조건 하에서 용인이고 실험의 결과를 혼동. 유출수의 총 유출의 볼륨 및 요소-N 농도와 강한 긍정적 인 관계는 포장 또는 다른 배수 및 건조 조건에 따른 변수 선행 수분 상태와 같은 물리적 조건, 원인이되는 요인 이었다는 것을 제안했다.

UR 그러한 극단적 인 변화에 대한 원인을 조사하기 위해,유출량 개 농도는 현재 실험에서 모든 상자는 신중하게 물리적 조건의 변화를 최소화하기 위해 그림 1과 2에 도시 된 바와 같이 균일하게 혼합 미사 질 양토 토양의 동일한 무게와 포장되었다. 달성하기 위해 50, 60, 70, 80, 그 다음 오븐 체질 토양의 소량을 건조, 습윤에 의해 결정된 바와 같이 대략 필드 용량의 90 및 100 %, (14)의 선행 토양 습기 대응하는 토양 습윤에 필요한 물의 중량 , 17, 19, 22, 25, 그리고 27 %는, 계산 된 박스에 첨가하여 O / N.를 평형화시켰다 강우 시뮬레이션은 정확한 프로토콜은 상기와도 3 내지도 5에 도시 하였다. 17 WSQ 전체 제트 3 / 8 HH 노즐 (표 1)은 일반적으로 동쪽 해안에 매년 발생하는 자연 침전 이벤트에 해당하는 40 분 동안 3.2 cm / hr의 강우 강도를 전달하는 데 사용되었다 메릴랜드의 체사 피크 만의.

표 2에 요약되어있다. 총 유출 규모와 선행 수분 상태 (그림 6) 사이에 유의 한 관계가 있었다. 습한 토양은 물을 저장하고 적은 용량과 더 큰 유출 볼륨의 결과로 낮은 침투 속도를했다. 유출 및 선행 수분 상태로 시간 사이에 상당한 부정적인 관계 (그림 7)이 있었다. 그들은 표면 근처 습윤되기 전에 유출 물이 발생하는 원인이 더 오랜 시간 동안 더 건조 토양에 침투. 당연히 유출 및 총 유출 체적의 전체 부하 요소-N 사이의 긍정적 인 관계 (그림 8)가 있었다. 그것은 잘 볼륨은 일반적으로 전체 부하의 강한 예측이다 흐름 문학 연구에 공지되어있다. 농도가 결선 투표 이벤트에 대한 응답으로 동작하는 방법을 예측하기입니다. 가중 concentratio 흐름N은 각각 2 분의 유출 컬렉션에 대한 부하를 합산, 총 유출 체적으로 나누어 계산 하였다. 그것은 40 분 강우 기간의 끝에서 흐르는 빗물의 단일 컬렉션의 농도에 해당합니다. 본 연구에서는 유출 및 선행 수분 조건에서의 유량 가중 농도의 유의 한 관계 (그림 9)가 있었다. 유출 규모와 선행 토양 수분의 양의 선형 관계를 감안할 때 가중 농도와 선행 수분 상태, 전체 부하 요소-N과 선행 수분 상태가 예상 사이에 상당한 긍정적 인 관계를 흐른다. 그러나이 중요한 관계가 가장 좋은 지수 식 (그림 10)에 의해 설명되었다.

각 선행 수분 디트을 나타내는 토양 상자 중 하나 복제에 시간이 지남에 따라 유출량 요소-N 손실, 개인 2 분의 농도와 누적 부하를 시각화하기 위해이온은 40 분 강우 시간 간격 (그림 11)에 그려졌다. 유출수의 농도 (90 % 수분의 경우 예) 시간이 지남에 따라 다소 불규칙하게 변화 할 수 있지만, 농도는 일반적으로 높은 시작하고 시간이 지남에 따라 감소한다. 시간이 지남에 따라 누적 부하 매끄럽게하는 함수이며, 그들은 앞서 논의한 중요한 관계를 예시한다. 결선에 시간 유출량 요소-N 농도가 낮은, 누적 부하가 건조 토양에 적게, 더 이상이다. 요소는 토양에서 빠르게 가수 분해 있지만 강우량 표면 응용 프로그램의 시간 이내에 발생하면, N의 대부분은 여전히​​ 요소의 형태로 존재하고 결선에서 손실 될 수 있습니다. 우레아는 중성 분자이며 강력 토양 입자의 표면에 흡착되지 않는다. 물이 강우 이벤트의 초기 부분에서 건조한 토양 침투로 아래로 땅에 떨어져 surficial 유출 지역에서 용존 요소를 전달합니다. 유출이 시작 않는 경우, 적은 요소의 홍보가ESENT 및 유출수의 농도는 낮다. 농장 장비 분야의 능력에있다 토양을 통과 할 수 없습니다와 같은 실제적인 의미에서, 요소는 거의 항상 건조 조건에서 적용될 수있다.

그림 1
그림 1. 포장 된 토양 유출 상자의 개략도. 앞으로 끝에 5cm 입술을 가진 금속 상자 (100cm X 20cm X 7.5 cm)는 5cm 깊이까지 흙으로 포장된다. 5cm의 입술을 통해 유출 유출은 여백에 직접 떨어지는 강우를 차단하는 첨부 시궁창에 수집됩니다. 아홉 5mm 직경 구멍을 바꾸부터 흘려 연못으로 방지 토양 침투 물을 허용한다. 시궁창의 바닥의 앞쪽 가장자리 근처에 부착 된 유두 유출 물이 유입 경로 및 수집 병 positi의로 배출 할 수 있습니다젖꼭지 아래에 oned.

그림 2
그림 2. 상자 포장 재료. 상자의 바닥에 투박한 무명의 약 4 층 토양 손실을 방지하지만, 물이 자유롭게 배출 할 수 있습니다. 두 나무 판 사이에 끼워 아크릴 유리로 구성된 수평 게이지 상자 (20cm)와 깊은 (2.5 cm) 상자의 측면의 차이로 (7.5 cm)와 여백의 상단 (5만큼 넓다 cm). 상자의 입술에 보드를 휴식으로 아크릴 유리 도랑의 깊이 수준의 토양에 사용됩니다.

그림 3
그림 3. 포포장 토양 상자 위치에있을 때, 모두 동일한 기울기를 가질 수 있도록 플랫폼을 sitioning 것은. 플랫폼을 배치합니다. 본 연구의 경우, 원하는 기울기는 3 %였다. 보드 레벨을 누른 상태에서 아래로 경사 상자의 여백 끝이 3cm 상향 기울기의 끝 아​​래에 있도록 플랫폼을 배치합니다. 이 플랫폼은 크로스 경사 방향의 수준이어야한다.

그림 4
그림 4. 수원에서 시작하여 노즐에 배관 시스템을 통해 진행 쏟아지는 시뮬레이터 컨트롤 (1) 단 하나 레버 볼 밸브 :.이 빠른 차단 밸브입니다. 파이프 라인에있는 레버입니다; 관에서 90도 각도로 레버가 꺼져 있습니다. 압력 제어 밸브를 방해하지 않고 켜고 흐름을 켜고 유량이 밸브를 사용합니다. 완전히 열고 완전히 닫습니다. 디O 유량을 제어하기 위해 밸브를 사용하는 것을 시도하지. (2) 침전물 필터를 주기적으로 필터를 확인하고 침전와 막힘 방지하기 위해 필요한 요소를 교체합니다. (3) 압력 조절 밸브이 밸브는이 시점에서 라인의 압력을 제어합니다. 너무 많은 압력 파이프, 호스 또는 연결이 중단 될 수 있습니다. (4) 인 - 라인 유량 제어 밸브 (게이트 밸브)이 밸브는 미세 조정 원하는 유량 및 노즐 압력을 달성하기 위해 노즐의 흐름에 사용된다. 측정 유체 유동 비율 : (5) 유량계. (6) 압력 게이지 : 노즐에서 측정 대략적인 압력.

그림 5
그림 5. 강우 시뮬레이션 플랫폼에 위치를 바꾸거나. 각 강우 시뮬레이션 이벤트에 대한 표시 위치에 5 ~ 6 상자를 놓습니다. 상자를 설치하지 마세요직접 노즐 아래의 상자 표면에 직접 떨어지는 것을 방지합니다.

그림 6
그림 6. 전체 유출 체적 적극적 선행 토양 수분 함량 (R 2 = 0.64)과 상관된다.

그림 7
그림 7. 유출수 행 타임에 부정적인 선행 토양 수분 함량 (R 2 = 0.48)과 상관된다. 젖은 흙의 표면은 빨리 포화. 포화 토양의 수리 전도도를 초과하는 강우 유출수를 생성합니다.

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그림 8. 전체 부하 요소-N은 긍정적으로 유출 볼륨 (R 2 = 0.81)와 높은 상관 관계를 보인다. 유출 볼륨의 차이는 유출량 요소-N의 농도의 차이를 압도.

그림 9
그림 9. 우레아 N 흐름 가중 농도 적극적 선행 토양 수분 함량 (R 2 = 0.66)과 상관된다. 건조한 토양은 토양에 요소-N을 용출 떨어져 토양 표면으로부터 침투를 할 수 있습니다. 유출이 발생하면, 적은 요소-N은 결선에서 이동을 위해 표면에 사용할 수 있습니다.

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그림 10. 전체 부하 우레아 N는 적극적 선행 토양 수분 함량 (R 2 = 0.74)과 상관된다. 총 유출 규모와 선행 토양 수분 함량 및 요소-N의 유량 가중 농도와 선행 수분 함량 사이의 긍정적 인 관계는 지수의 관계 (Y = 0.2043 전자 0.0405x) 결과 결합.

그림 11
그림 11. 우레아-N 농도와 각 선행 토양 수분 conten 티셔츠 중 하나 복제에 시간이 지남에 따라 누적 부하의 관계. 요소-​​N 농도가 시간을 통해 항상 부드러운 기능은 아니지만, 중요한 관계 이전 LY 시각화 할 수 있습니다 논의했다.

: 173px; "> 24 WSQ 전체 제트 3 / 8 HH
노즐 크기 강렬 최적의 압력 흐름 10 초 흐름
CM / 시간 PSI GPM ML
17 WSQ 전체 제트 3 / 8 HH 3.2 6.0 1.5 (940)
3.3 6.0 1.8 1,140
30w 전체 제트 1 / 2 HH 6.0 5.0 2.2 1,250
50w 풀 제트 1 / 2 HH 7.0 4.1 3.7 2,300

표 1. 이 강우 시뮬레이터 및 관련 강우 강도, 압력 및 흐름 매개 변수를 사용하기 위해 확인 된 노즐의 크기 도표. 노즐의 크기가 표시됩니다. 노즐 크기의 선택은 원하는에 따라 달라집니다강우 강도. 강우 강도와 지속 시간은 지정된 연구 위치에 대한 특정 반환 기간의 강수량 이벤트에 해당합니다. 노즐 크기 17 WSQ는 본 연구에 사용 하였다. 3.2 cm / 시간의 강도에서 40 분의 시간의 강우량은 일반적으로 메릴랜드의 체사 피크 만의 동쪽 해안에 매년 발생하는 자연 침전 이벤트에 해당합니다.

PX; "> 2.33 H : 129px; "> 1.69
토양 수분 총 유출 유량 가중 전체 부하
% 부피 (L) 집중 (MG 요소 -N)
(MG의 L -1 요소-N)
27 2.96 4.99 13.66
27 2.87 4.37 12.55
25 2.52 3.57 8.62
25 1.81 4.21
22 2.52 2.18 5.50
22 2.47 1.54 3.81
19 1.99 1.72 3.41
19 2.35 3.70 8.68
17 1.91 3.22
17 1.66 0.90 1.50
14 1.51 0.78 1.18
중복 번호는 각 습기 수준에 대한 두 개의 복제를 나타냅니다

표 2. 선행사 토양 수분 함량, 총 유출 양, 흐름 강우 시뮬레이션 후 요소-N 농도와 총 요소-N 부하 가중. 중복 된 숫자는 각 습기 수준에 대한 두 개의 복제를 나타냅니다

Discussion

유출은 주로 두 가지 메커니즘, 침투 과잉 유출 및 포화 초과 유출 (18)에 의해 생성되고, 토양 특성, 선행 토양 수분, 지형, 강우 강도에 의해 영향을 받는다. 강우 시뮬레이션은 강우 강도 변수를 수정하고 나머지 변수 중 하나 이상을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 강우 강도 및 지속 시간은 또한 노즐의 크기를 변경하여 연구를 위해 제한된 범위에서 제어 할 수있다. 포장 토양 상자에 강우 시뮬레이션 연구를 수행하기위한 가장 중요한 단계는 다음과 같다 : 1) 토양 상자의 균일 한 포장을 보장; 2) 선행 토양 수분 함량을 제어하는​​ 단계; 3) 노즐 선택에 대한 유량을 교정 그래서 방울의 크기와 속도는 자연 강우에 근접; 4) 모든 토양 상자에 걸쳐 균일 한 강수량을 보장하기 위해 노즐의 위치를​​ 조정.

교정 과정의 끝에서, 0.05 미만의 일단 CV 모두 토양 걸쳐 강우 균일 성 달성상자, ​​10 분의 보정이 실행에 걸쳐 그 강우 강도를 확인하기 위해 여러 번 반복해야이 일치합니다. CV는 실행에 걸쳐 균일 계산 될 수있다. 실행에 걸쳐 균일 CV가 모든 상자에 걸쳐 강수량의 균일 성보다 작은 경우, 치료에서 변화를 최소화하기 위해 개별 실행 내에서 복제 치료를 그룹화하는 것이 좋습니다. 그렇지 않으면 한 번 이상 위치에서 치료를 배치 제한하는 조치를 취하고, 상자의 위치에 따라, 상자의 위치와 관련된 오류를 줄일 수 및 실행에 걸쳐 모두 치료를 랜덤 및 복제합니다.

이 강우 시뮬레이터 설계 및 제대로 시뮬레이터를 교정하기위한 표준 프로토콜을 사용하여 다른 연구자에 의해 수행 연구에서 결과의 비교를 향상시킬 것입니다. 이 방법으로 파생 된 데이터는 자연 강우에 따라 발생하는 예측하는 데 더 나은 프로세스와 아무에서 환경에 손실을 제어하는​​ 요인을 이해 할 수있다오염 물질의 nPoint 소스. 이러한 연구는 자연 강우 조건에서 결선에 침전물과 화학 오염 물질의 거동 및 이동을 예측하기위한 모델 개발에 사용하기 위해 중요한 데이터를 얻을 수 있습니다.

Disclosures

저자는 더 경쟁 재정적 이익을 선언하지 않습니다.

Acknowledgments

이 작품은 건물의 그랜트 식량 농업의 국립 연구소에 의해 메릴랜드 이스턴 쇼어 대학 (UMES)에게 수여 용량에 의해 부분적으로 투자되었다. 저자는 강우 시뮬레이터를 설정하는 레인 폴 시뮬레이션을 수행 그의 도움을 돈 마한 (UMES)에 감사의 말씀을 전합니다. 감사는 실험실 분석 및 시료의 강우 시뮬레이션 실험 및 처리를 수행하는 데 도움을 준 학생들 (UMES를) 대학생 수행 제니스의 D​​onohoe (UMES)로 확장된다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Rainfall Simulator Joern's Inc. TLALOC 3000 Size 1.5 m x 2.0 m (size optional)
Rainfall Simulator Joern's Inc. TLALOC 4000 Size 2.0 m x 2.0 m (size optional)
Rainfall Nozzle Spraying Systems Inc. 3/8HH-SS17WSQ Size 17 nozzle
Rainfall Nozzle Spraying Systems Inc. 3/8HH-SS24WSQ Size 24 nozzle
Rainfall Nozzle Spraying Systems Inc. 1/2HH-SS30WSQ Size 30 nozzle
Rainfall Nozzle Spraying Systems Inc. 3/8HH-SS50WSQ Size 50 nozzle

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References

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