设计一个城市径流研究设施的建设

摘要

本文介绍了一个1000 ^平方米的设施包括配备从测量总径流量随着时间的推移和收藏径流子样本的选取时间间隔为化学成分的定量分析在径流水24个人33.6米²场图的设计，建设和功能模拟家庭草坪。

摘要

随着城市人口的增加，所以确实灌溉城市园林绿化的面积。在市区夏季用水可以2-3倍的冬季底线用水由于对园林灌溉需求增加。不当的灌溉方法，大降水事件可能造成的城市景观具有潜力进行营养物和沉积物进入当地溪流和湖泊，他们可能会导致水体富营养化径流。 1000 ^平方米设施构建了由24个独立33.6米²场图，每个配备用于测量总径流量随着时间的推移和收藏径流子样本的选取时间间隔从模拟城市景观的径流水化学成分的定量分析。从所述第一和第二试验的径流体积过的变异性（CV）的系数为38.2和28.7％的值，分别为。均小于10％，径流pH值，EC和两个试验钠浓度的CV值。 Concentratio商务部的NS，TDN，唐_，PO4-P，K ^{+，Mg 2 +的} ，和^钙有CV值小于这两项试验的50％。总体而言，在该设施草皮安装之后进行测试的结果表明：重复对径流体积和化学成分之间的良好的均匀性。大地块大小足以包含许多自然变化，因此提供了更好的模拟城市景观生态系统。

引言

四个最快速增长，人口密集的都会区都位于美国南部的亚热带气候^1。此外，在1982年至1997年间城市化土地的最大百分比变化发生在美国南部^1。随着增加市区自带饮用水，其中大部分在夏季²用于户外使用的伴随需求。随着新的建筑，可编程的地面灌溉系统通常安装。不幸的是，这些系统往往编程更加频繁和/或体积超过景观²蒸散量的需求提供灌溉城市园林绿化。这导致显著量由城市园林绿化径流对受纳水体，这有助于内被称为城市流综合征^3。城市流综合征的症状包括增加地表径流和侵蚀流动频率，增加nitrogeN（N），磷（P），毒物，和温度除了改变信道的形态，淡水生物和生态系统的处理^3。

的氮和磷从农业生态系统中的损失进行了广泛研究，发现为主要依赖于四个因素：营养源，应用速率，施加定时和养分放置^4。而较少公布的数据从城市景观的营养场外运动目前存在的，这些校长可直接应用于草坪文化，无论是在家里的草坪，草皮农场，公园或其他绿地。此外，从景观造成径流灌溉不当做法会加剧这些损失。

营养损失可以通过灌溉水质量得到进一步改变。在美国西南部地区往往更多地利用盐水或苏打水为家的草坪和城市景观^5,6灌溉。的化学组成灌溉水可显著改变土壤化学引起的碳，氮，钙，和其它阳离子的释放到径流水。最近的工作表明，在提取的水的增加的吸收钠比（SAR）的碳（C）和氮（N），从圣Augustinegrass剪辑，黑麦草草屑和其它有机材料⁷浸出的量显著增加。此外，从休闲草坪土壤中提取水的土壤碳，氮，磷损失显著与灌溉水的化学成分⁶相关。

Washbusch 等 。研究城市径流的麦迪逊，威斯康星，发现草坪是总磷⁸的最大贡献者。此外，他们还发现，在“土街”的总磷的25％来源于树叶和草屑。在典型的农村环境，叶屑落到地上，然后慢慢分解释放营养物质返回到S油的环境。然而，在城市环境中，显著大量营养丰富的树叶和草屑的可能下降或要洗手或吹向hardscapes，如车道，人行道和车行道，然后使他们的方式走上街头，他们贡献“街头污垢” ，其中大部分被直接冲成接收水道。

城市景观的土壤往往是不安和建设，这也可以提高径流量减少导致入渗率⁹时非常密实。克林和彼得森报道，双方的总径流量和家庭草坪径流营养盐的浓度从草坪是压实，或有严重由于以前施工活动¹⁰扰动土壤剖面增加。埃德蒙森等 。另一方面，发现，相对于周围农业土壤中Leic的都市和郊区区域城市土壤较少压实酯，英国^11。他们将此归因于用于重型农业机械，但他们也指出，草坪产生了较大的土壤容重比下的树木和灌木的土壤这是由于草刈割和更大的人践踏。

这样看来，在很多情况下，城市和郊区流综合征是显著通过径流和点源排放^3,12影响。而点源可以通过许可证和回收进行操作，需要更多的研究，开发和测试的最佳管理方法用于家庭草坪的建立和管理，以减少营养损失径流。在这方面，过去的研究工作往往被沿海地区，那里有高含砂量的土壤中，由于涉及到淋溶和径流营养物质损失沿海水域的影响的关注中心。然而，很沙质土壤中工作时，必须有陡坡和高降雨率，能够属忒任何径流^13,14。与此相反，许多在美国中部的土壤是织纹细腻，并有导致从哪怕是很小的降雨事件显著金额径流低渗透率。因此，它被期望的设计和建造上的原生土壤和坡度典型的住宅景观中可能出现的的径流设施。

本文介绍了一个1000 ^平方米的设施包括24个独立33.6米²场地块为在比较小的时间分辨率，并同时收集径流水子样本在选择的体积或时间间隔测量和定量测量总径流量的设计，结构和功能的径流水的化学成分。

研究方案

1，选址

1. 找到具有均匀3-4％的坡度原状土的适宜尺寸的区域。
2. 进行地形测量，并划定一个区域，其平均3.7±0.5％坡度约10米×百米。
3. 除以10米x百米面积为三部分，每个大约为10米×33.3米（ 图1）。
4. 细分每个块到8场图，宽各4.1米8.2米长。
5. 识别和记录土系目前在研究领域。注：此位置有博纳维尔系列精细的沙壤土，但其他土系和纹理都可以使用。

2，挡土墙施工

1. 在该地块的低端切30厘米，宽30厘米深的沟。
2. 剪下20厘米，宽1.2米深的沟10 cm的情节边缘提供了延伸到粘土地基顺利垂直边缘。
3. 建造和安装临时的木制形式在沟内s到保持打开。
4. 移除土壤相邻的形式下坡一侧76厘米土壤表面以下的深度，在该地块的低端。保证的0.5％的最小斜率离曲线的距离的约30μm，以提供足够的排水。
5. 删除临时表和建立一个钢筋混凝土挡土墙。
   1. 构造木形式的壁的外侧，并使用下面的绘图区域的原状土的内壁。
   2. 确保墙面延伸到原状土层，以帮助防止未来的运动。
   3. 组装沟道排水两部分的每个情节与端盖在每一端和低端底部放漏。轴封采用硅胶所有关节，然后拧紧接头一起按照制造商的建议。
   4. 胶水和螺丝有10厘米直径的PVC 90°侧房和排出管60厘米长的口。放置在组装漏具体的形式，并将其固定，使顶部边缘是在两个方向上和1.27厘米土壤表面以下，在情节的低端（ 图2）的水平。盖上临时塑料盖排水，保持了湿混凝土。
   5. 倒4000英镑测试预拌混凝土为使用振动适量去除空洞的形式。
      1. 当表格满，镘刀的上表面，形成一个光滑的表面和圆的边缘。临时塑料盖的排水渠应该被删除，让最后面的准备。
      2. 确保成品混凝土表面与在该图底部的土壤表面的水平，并且具有1.27厘米坡到漏极。
      3. 确保，在漏极的下坡一侧，具体有1.27厘米坡离排水，以防止水回流到下水道。
6. 形式倒钢筋混凝土垫块（1.2米宽，1.8米长，15厘米厚）乙elow每个漏流出。垫必须具有0.5％坡度远离墙壁和衬垫的顶部必须30厘米排水口的底部之下。
7. 提供挡土墙每片上面的侧防风雨的电源插座（110/120五）准备仪器。

3，安装仪表

1. 削减排放管与混凝土墙齐平。
2. 安装一个长1.2米ħ水槽立刻漏流出下方。
   1. 固定水槽使用相应的具体锚和螺丝是肯定的水槽是从侧面平到另一边的墙上。
   2. 支持水槽带有一个可调节的不锈钢支架前，使用调整级单位均向两边和从前向后。密封的水槽和混凝土浴缸和瓷砖密封胶之间的关节。
3. 安装在每个垫流量计。定位附近的水槽的末端，以减少流量计管子的长度需要。
4. 安装在便携式采样器在每个垫。根据需要，以减少管的所需量，以达到取样管定位的采样器。注意：可能需要将采样放在底座上，以防止凹部可保持水在取样管上。
5. 设计，制作，安装不锈钢覆盖了墙壁和水槽，以防止沉淀的进入沟槽排水渠或水槽。

4，绘图区准备

1. 填充和夯实任何微小的空隙上使用原生表土从邻近场区围墙的上坡侧。
2. 用小手扶开沟机切10厘米，宽30厘米深的沟上的所有地块的其余三面。
   1. 将40厘米0.10毫米厚的透明塑料宽的长条垂直的沟，以防止地块之间的水横向移动。
   2. 安装灌溉管和头上。在4.1米²安装六个头间距为每个情节。
   3. 回填，并用手轻轻夯实所有壕沟。丘土成5厘米高30厘米宽的小平台在沟槽区域，以防止地块之间的地表水的横向运动。
   4. 调整灌溉头在护堤地区的土壤高度的顶部。
3. 构建一个导流沟，防止上坡水才能上图
   1. 使用一个盒子刀片切割的V形通道约20厘米深的中心为2米的对面。注：通道的中心应该是在绘图区的高侧约125米以上，并应在所有地块的上侧延伸。
   2. 切斜沟在通道的底部。注意：为了确保良好的排水性，沟槽底部应为30厘米沟道底部下面的高点在每块上面的中心点和具有0.5％将各块的每个端部的最小斜率。海沟底部必须用手平滑和调查的必要以保证均匀的斜坡。
   3. 添加5厘米洗涤6-9毫米豆形砾石的到沟槽的底部。
   4. 广场上的砾石表面有15厘米直径的开槽排水管线，并填写与更多6-9毫米碎石沟槽。
   5. 根据需要在两端和情节的路由排水块之间排出下方挡土墙的位置切沟。用直径15厘米的普通波纹排水管线和回填这些壕沟挖出的泥土。覆盖着一层大5-15厘米直径的牛市岩沟和通道区。

5，种植和初始径流事件

1. 手耙地块，以确保在准备草皮安装苗床平整均匀坡度。
2. 衡量并采取高度测量在距离文档中使用标准的测量设备各小区的斜率为0，1.5，3.0，4.6，6.1，和7.6米的墙​​沿中线每个情节。
3. 测量DEP日表土在每个小区4单元通过插入直径为2.54cm土壤探头插入土壤中，直到粘土地基纹理遇到的。
4. 植物SOD生长在一个类似质地的土壤。注：在本机构，成熟的“罗利”圣Augustinegrass（ 钝secundatum [沃特] Kuntze）使用。然而，基于位置，天气，和实验设计的考虑，可以使用其他草。所有地块可能会在同一时间被sodded或在目前的情况下，12个地块（图4中的每个块）种植于2012年8月8日，其余12个地块种植在2012年9月12日。
5. 创建径流事件
   1. 以水表初始读数和测量所有地块的土壤水分含量。
      1. 从位于每个小区的开头的阀门盒中取出盖子和记录初始水表读数为每个24地块。
      2. 使用便携式手持湿度探头，测量和记录土壤MO每个小区的isture内容。注：对于初步鉴定，4测量每块地采取（1测量每个小区的每个象限）用长7.5厘米的探针。然而，测量用仪器的数量，探针的长度和类型也可以根据具体的研究目的而变化。
   2. 计划流量计和采样器来测量流量，并根据需要采集样本。注意：收集750毫升样品后，每20升流，但其他的样品量和间隔可以适当地使用。
   3. 操作的灌溉系统，用于在预定的时间，以施加足够的水以使径流。注：20-21毫米适用于4.04厘米的速度沉淀/小时，足以支持这个机制，但是，这一数额可能会根据现场的具体情况而有所不同。
   4. 录制结束水表读数为每个24地块。操作过程中收集的喷头灌溉水样。标签和运输径流样品送到实验室进行分析。

6，样品分析

1. 通过直接浸入探针进入样品测量水样品的电导率和pH值。然后筛选50毫升的每个子样本水样，通过在准备化学分析0.7微米的玻璃微纤维过滤器。
2. 测量采用美国环保局方法415.1 ¹⁵溶解有机碳（DOC）和总溶解氮（TDN）。
   1. 使1000 mg / L标准溶液中加入2.125克干邻苯二甲酸氢钾（1-KOCOC ₆ H ₄ -2-COOH），以1升容量瓶中。加入约500ml蒸馏水，漩涡以溶解的化学和带来体积的蒸馏水。在冷藏条件下于棕色瓶中商店解决方案。
   2. 使1000 mg / L标准溶液中加入6.0677克干硝酸钠到1L容量瓶中。加入约500ml蒸馏水，SWIRL以溶解化学，并带来对体积的蒸馏水。
   3. 使中间体C和了包含浓度的试样中的预期范围，以通过从步骤稀释标准溶液的子样本6.3.1-6.3.2运行Ñ标准。
   4. 倒入约16毫升的水样进行分析，到24毫升的样品小瓶和一个隔垫和盖覆盖每个。
   5. 将填充瓶自动进样器托盘保持的是什么位置什么的样品记录。注：在质量保证的目的是一片空白，这两个标准和两个认证的参考标准应每12 ^个不明后运行。
   6. 放置在机器的自动进样器托盘和操作自动分析仪下制造商的说明。
3. 采用美国环保局方法365.1，353.2和350.1，分别在48小时样品采集^16-18衡量磷，硝酸盐和氨。
   1. 使下列试剂和标准磷分析：
      1. 使5 N硫酸原液通过缓慢加入70毫升浓硫酸至400 ml，在500毫升的容量瓶中，用蒸馏水。冷却该溶液至室温，用蒸馏水稀释至刻度。
      2. 使0.3％的钾antimonyltartrate原液。称取0.5克酒石酸锑钾，三水C ₈ H ₄ K ₂ O ₁₂的Sb _{2•3H 2} O和溶解在50毫升左右的100毫升容量瓶蒸馏水。将其溶解后，稀释至一定体积的蒸馏水，并储存在4℃下于棕色，玻璃塞瓶中。
      3. 使钼酸铵的4％溶液溶解4克钼酸铵四水合物，（NH _4）6钼₇ O _{24•4H 2} O，在100毫升试剂水。商店中的酸，在4℃洗涤塑料瓶。
      4. 使15％w / w的十二烷基硫酸钠（SDS）的原液。溶解将15克的SDS CH _{3（CH 2）11} OSO ₃钠85毫升蒸馏水。注意：这可能需要轻微搅拌并加热至完全溶解。
      5. 通过加入2ml的15％SDS的储备溶液至98毫升蒸馏水水作稀释SDS溶液（试剂1）。盖瓶和组合颠倒5-6x。
      6. 100毫升色试剂（试剂2）的通过混合上述试剂如下：在20ml的蒸馏水中添加5 NH ₂ 50毫升SO ₄并混合。加入5毫升0.3％酒石酸锑钾溶液，混匀。加入15毫升4％的钼酸铵溶液混匀。加入10毫升15％w / w的SDS溶液，并混合。注意：此溶液可以储存在酸洗涤瓶中，在室温下不超过一个星期。
      7. 通过溶解0.88克抗坏血酸C ₆ H _{8 O}使抗坏血酸溶液（试剂3）₆在50毫升的蒸馏水中。加入0.5毫升15％的SDS和漩涡平缓。注意：此解决方案必须每天准备新鲜。
      8. 做一个100毫克的P / L的标准溶液中加入0.4393克干燥的KH ₂ PO ₄到1升容量瓶中。加入约500ml蒸馏水，漩涡以溶解的化学和带来体积的蒸馏水。
   2. 进行以下的试剂和标准硝酸盐分析
      1. 加25毫升浓磷酸（H ₃ PO _4）至150 ml，在250毫升的容量瓶中蒸馏水。冷却至室温，并添加10.0克磺胺（4-NH ₂ C ₆ H ₄ SO ₂ NH _2）和溶解。加入0.5克N-（1 -萘基）乙二胺二盐酸盐（C ₁₀ H ₇ NHCH ₂ CH ₂ NH _2•2HCl的），并溶解。加入2毫升浓冲洗液（由仪器厂家专业urer），用蒸馏水稀释至刻度。注意：溶液可以贮存于棕色瓶中长达数周。
      2. 溶解85克的氯化铵（NH ₄ Cl）的和0.1克乙二胺四乙酸二钠（C ₁₀ H ₁₄ N ₂的Na ₂ O _{8•2H 2} O）在约蒸馏水900毫升在1L容量瓶中。通过加入浓氢氧化铵（NH ₄ OH）将pH调节至8.5并定容至体积的蒸馏水。
      3. 把200毫升从6.4.2.2溶液在1L体积并稀释至刻度，用蒸馏水。通过加入浓氢氧化铵（NH ₄ OH）将pH调节至8.5。
      4. 溶解7.218克硝酸钾（KNO _3）在蒸馏水中并稀释至1升加入1 ml的氯仿（CHCl ₃中）作为防腐剂。
   3. 进行以下的试剂和标准氨analys是：
      1. 溶解8克氢氧化钠（NaOH）在125毫升蒸馏水中的250毫升容量瓶中。冷却至室温，加20.75克苯酚（C ₆ H ₅ OH）和溶解。稀释至刻度，用蒸馏水和存储多达2周棕色瓶在黑暗中。
      2. 加25毫升含5.25％次氯酸钠溶液加0.5毫升浓探针冲洗​​液为50毫升的容量瓶中的漂白粉溶液。稀释至一定体积的蒸馏水，并混合。
      3. 在约450毫升500毫升容量瓶中，用蒸馏水溶解25克乙二胺四乙酸二钠盐二水合物（C ₁₀ H ₁₄ N ₂的Na ₂ O _{8•2H 2} O）和2.75克氢氧化钠（NaOH）钠。加入3毫升浓探针冲洗​​液，混匀，并带来体积的蒸馏水。
      4. 溶解0.075克硝普钠二水合物（ _硫酸钠的Fe（CN）5NO•2H ₂ O）溶于100ml蒸馏水中。一DD0.5毫升集中探头清洗液，混匀并储存于棕色瓶中长达1周。
      5. 使1000 mg / L的氨原液溶解3.819克干燥无水氯化铵（NH ₄ Cl）的在500毫升蒸馏水中，稀释至1 L。
   4. 在4毫升样品瓶的地方样本，覆盖每一个隔垫和瓶盖。
   5. 将充满小瓶的分析保持的是什么位置什么的样品记录。注：为保证质量目的的认证参考标准应每12 ^个未知之后运行。
   6. 操作如下供选择的分析制造商的说明分析仪。
4. 用离子色谱法测量阳离子（钠，钙，镁，钾）。
   1. 制备的Na 1,000 mg / L的储备溶液加入2.542克NaCl至1升容量瓶中，并带来对体积的蒸馏水。
   2. 准备1000 mg / L的储备液钾加入1.9070克氯化钾到1升容量瓶中，并带来对体积的蒸馏水。
   3. 制备的Mg 1,000 mg / L的储备溶液加入8.3608克的MgCl _{2•6H 2 O}至1升容量瓶中，并带来对体积的蒸馏水。
   4. 制备的Ca 1,000 mg / L的储备溶液加入3.6674克氯化钙•2H _{2 O}至1升容量瓶中，并带来对体积的蒸馏水。
   5. 制备350 mg / L的工作钠溶液中加入35毫升储备溶液至100ml的容量瓶中，并把与体积的蒸馏水。
   6. 制备的K为25 mg / L的工作溶液，加入2.5毫升储备溶液至100ml的容量瓶中，定容，用蒸馏水。
   7. 制备的Mg的25 mg / L的工作溶液，加入2.5毫升储备溶液至100ml的容量瓶中，定容，用蒸馏水。
   8. 通过准备钙75 mg / L的工作液加入7.5毫升原液到100ml容量瓶中，定容，用蒸馏水。
   9. 重新过滤径流水样通过0.2微米的玻璃微纤维过滤器。
   10. 填写样品瓶，以填补样品或标准线和密封用隔垫和瓶盖。
   11. 将样品瓶中的样品位置的分析跟踪。注：质量保证目的的空白和认证的参考标准应每12 ^个未知之后运行。
   12. 操作自动分析仪下制造商的说明。

结果

情节特点
在所有24个地块的平均坡度为3.7％，并从小区17低3.2％至4.1％，为2地块（ 表1）高。平均耕层厚度为36公分，从25.0公分，24地块的低范围到51.5厘米积10（ 表1）高。

径流量
从2012年8月9日一审径流量的均值为213.5 L和从95.6升的低到高的391Ł不等，变异系数为38.2％（简历）（ 表2）。但是应当指出的是，以该死的前，这些图已?...

讨论

水流过，成，并通过土壤影响很大地形，植被，土壤的物理性质。过分压实土壤和土壤具有较高的粘土含量将展出减渗率和径流增加量。因此，建立这种性质的设施时，应尽一切努力作出使用均匀斜坡原生的土壤，并从所有类型的流量在施工期间，实验区减少压实。另外，从交建筑维护活动压实应最小。这些因素还需要解释从一个给定的实验中的数据，并将它们进行比较，以从其他网站的内容时?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Flow Meter	Teledyne Isco	Model 4230	Bubbling flow meter that measures and records water flow through flume
Portable Sampler	Teledyne Isco	Model 6712	Works in conjunction with the flow meter to collect water samples at predetermined intervals.
Flow Link Software to collect data	Teledyne Isco	Ver 5.0	Allows communication between flow meter and computer
Presloped trench drain	Zurn Industries, LLC	Z-886
Irrigation Controller	Toro Company	VP Satellite	Controls irrigation to each plot individually
Electric Valves	Hunter	2.5 cm PGV	Opens or closes water flow to individual plots based on signal from irrigation controller
Irrigation heads	Hunter	Pro Spray 4	4 in pop up spray heads
6 in Slotted Drain Pipe	Advanced Drainage Systems	6410100	Single wall corrugated HDPE - slotted
6 in Plain Drain Pipe	Advanced Drainage Systems	6400100	Single wall corrugated HDPE - plain
Filter Paper	Whatman GF/F	1825-047	47 mm diameter, binder-free, glass microfiber filter
pH Meter	Fisher	Accumet XL20
Combination pH Probe	Fisher	13-620-130
Automatic Temperature Compensating Probe	Fisher	13-602-19
Electrical Conductivity Probe	Fisher	13-620-100	Cell constant of 1.0
TOC-VCSH with total nitrogen unit TMN-1	Shimadzu Corp	TOC-VCSH with TMN-1	Dissolved C and N analyzer
Smartchem 200	Unity Scientific	200	Discrete Analyzer for P measurement
ICS 1000	Dionex	ICS 1000	Ion Chromatography for Ca, Mg, K, and Na measurement
Portable Soil Moisture Meter	Spectrum	FieldScout TDR 300	7.5 cm long probes
Totallizing Water Meters	Badger	3/4 inch water meters	Standard homeowner water meters