污水灌溉对土壤水力电导率的影响: 耦合场取样与饱和水力电导率的实验室测定

摘要

在这里, 我们提出了一个方法, 匹配的土壤样本大小和水力电导率测量装置, 以防止所谓的墙上流动沿土壤容器内被错误地包括在水流测量。它的使用表明, 从污水灌溉网站收集的样本。

摘要

自二十世纪六十年代代初以来, 宾夕法尼亚州立大学进行了一项替代性废水排放实践研究, 并对其影响进行了监测。污水被用于由大学管理的森林和耕地, 而不是将处理过的废水排放到溪流中, 从而直接影响水流质量。在考虑废水回用时, 与土壤水力电导率降低有关的问题。本手稿中描述的方法是, 将土壤样本大小与实验室的水力电导率测量仪的大小相匹配, 提供了相对快速的样品收集和控制的好处。实验室边界条件。结果表明, 污水回用对土壤在 depressional 地区深层输送水的能力有一定的影响。大部分的土壤水力电导率的下降似乎与收集样品的深度有关, 并通过推断, 与土壤结构和质地的差异有关。

引言

几十年来, 把处理过的废水从市镇排放到溪流是一种标准做法。这类废水主要用于减少由于废水排出而导致接收水域微生物的生物耗氧量的可能性。微生物的耗氧量会降低废水中的有机物, 从而减少水体排出的氧气量, 从而危害水生生物, 包括鱼类。

近几十年来, 人们对无机营养素、某些金属和废水中的其他化学物质产生了危害。由于 Kolpin 发表的一项研究 。¹, 对以前未考虑过的一系列化学品的更大关注已经演变。这项由美国地质学会出版的研究, 提高了人们对在美国由于污水处理设施排出的河流和溪流中各种个人护理产品和其他化学品的认识。

自二十世纪六十年代代初以来, 宾州州立大学的研究人员研究并开发了一种在潮湿地区具有独特性的替代污水排放实践。污水被用于由大学管理的森林和被裁剪的土地, 而不是将处理过的废水排放到溪流中, 从而直接影响水流质量。这个应用领域, 绰号 "生活过滤器", 当前接受所有从校园产生的废水并且一些从自治市。这减少了过量营养素进入切萨皮克湾的溪流的可能性, 保护当地冷水渔业免受对鱼类有害的温水废水的排放, 并防止其他化学品的运送。包含在直接接触水生生态系统的废水中。

然而, 行为变化的后果总是存在的, 而这种替代性使用设施对此并不免疫。关于废水的应用是否对土壤允许水渗入土壤表面^23、4、5以及造成更大的径流的能力产生了负面影响, 出现了一些问题,是否有可能污染当地的水井与化学品 (营养素, 抗生素或其他药物化合物, 个人护理产品) 所含的废水, 以及这些化学品是否正在创造负环境影响, 例如通过将化学物质吸收到植物中生长的⁶植株上, 或在现场⁷土壤生物中抗生素耐药性的发展。

由于其中的一些问题, 本研究旨在确定污水灌溉对土壤水力传导饱和度的影响。所采用的方法涉及从灌溉区内外的选定地点收集土壤, 并将土壤样品容器大小与实验室设置相匹配。土壤样品容器要适应实验室仪器和水的作用, 通过样品中的土壤基质从土壤和土壤样品容器中向下移动的水中分离出来。该协议描述了如何构造实验室设备以确保发生这种情况。

土壤样品收集使用一个液压核心取样器连接到拖拉机。土壤核心从起伏的景观中的选定区域收集, 并保留在安装在土芯取样器中的塑料套筒中。这些核心是收集从一个黑格斯敦淤泥沃土, 位于山顶景观位置或在 depressional 地区。六个代表首脑会议和六个 depressional 地点从灌溉区取样 (总共12个灌区取样地点)。此外, 还从毗邻的非灌溉区 (总共六个非灌溉场址) 取样了三个首脑会议和三个 depressional 场址。在每个地点收集最多六个核心的最大深度约为1200毫米, 每芯样品约150毫米长 (样品的100毫米被包含在塑料套筒和50毫米被包含在金属取样器的切削头中。).从金属取样器中取出后, 含有所收集的土芯的塑料套管装有端盖, 直立输送到实验室, 并存放在直立, 直到用于确定饱和水力电导率。同时, 在每个深度收集土壤样品, 以确定土壤和土壤溶液浓度的钙 (钙), 镁 (镁) 和钠 (Na) 使用 Mehlich 3 萃取估计土壤浓度⁸和去离子水1:2 土壤质量比的萃取物: 水质量。采用电感耦合等离子体原子发射光谱法 (AES) 对水提物进行了化学分析, 计算了钠吸附比 (SAR)。

对饱和水力电导率的测定主要采用恒定水头法⁹。一种含有钙和钠盐的溶液来模拟出水电导率 (EC) 和 SAR 的出水, 这样土壤就会暴露在水质变量中, 类似于在田间应用的废水。在这种情况下, 欧共体是 1.3 dS/米和 sar 是 3, 反映了欧共体和 sar 最近几年在样品期间之前。[技术上说, SAR 的单位是 (milliequivalents/公升)^½并且通常不被辨认在文学。

对克鲁特和埃弗里特·德克森⁹恒水头法的改造, 是通过沃克⁸的流动分离器的开发, 防止在土基质外发生的柱流被列入土液的估算中。电导 率。该流量分离器是使用聚氯乙烯 (PVC) 管材选择和加工, 以配合土壤样品大小。屏幕支持土壤样品, 并允许通过土壤基质的水流出样品的底部。第二个插座发出的水流出的塑料套管内, 从而消除所谓的 "壁流" 不正确地包括在估计的水量, 通过土壤基质。

研究方案

1. 选择土壤取样地点

1. 通过航空摄影和现场访问的地点进行识别, 这些地方已经接受了废水灌溉和那些没有的。
2. 选择几个代表性的站点, 从中取样, 密切注意可能的景观差异 (特别是景观的位置, 如山顶, 山坡, 脚趾坡, 和抑郁症), 水, 土壤和植物可能会相互作用不同。
3. 确定景观的一部分作为山顶, 侧面斜坡, 脚趾斜坡, 或抑郁症。根据其主要特征对代表性站点进行分类。
   注: 在本实验中, 遗址被确定为非灌溉峰会、灌溉峰会、非灌溉抑郁症或灌溉抑郁症。
4. 确定每个地点的位置和地点, 从每个独特的代表性站点抽取样本。
   注意: 通常, 与熟悉环境统计的统计员进行的讨论在这一点上将非常有用, 并可防止以后对统计分析的关注。
5. 在每个计划的样本位置放置一个标记标志, 并使用 GPS 坐标在地图上记录计划样本站点的位置。

2. 收集土壤样品

1. 确定将用于收集土壤样品的设备。
   注: 对于浅层 (例如, 不到300毫米深) 的土壤样品, 如果土壤足够软, 则该试验所用的圆柱形土取样器 (辅助图 1) 通常可以用落锤驱动到土壤中。在这里描述的实验中, 一个液压钻机被用来让样品从深度收集到1200毫米。

补充图 1: 用于取样的钻机。

2. 将钻机运到现场进行取样。
3. 在开始钻机之前, 戴上安全帽、手套和防护护目镜。
4. 在钻机上通电, 并使旋转头足够低, 以允许安装凯利棒。
   注: 钻杆是将钻机的驱动头连接到取样器的金属杆。
5. 将凯利酒吧插入旋转头。
6. 将塑料衬垫/取样管插入金属试样管中, 并将切削头附着在金属试样管的底部。在这里描述的应用, 使用150厘米长和90毫米外径 (OD) 塑料衬里安装成一个200毫米长和100毫米 OD/90 毫米内径 (ID) 金属样品管。
7. 将金属样品管连接到钻杆上, 使用装有两个驱动器头。
8. 操作钻机将样品管移动大约150毫米入土壤。
   注: 这将提供一个100毫米样品在塑料班轮和允许一个50毫米空间在样品的顶部举行水 ponded 在样品当饱和的水力电导率测量在实验室获得。这也将有助于避免压缩土壤样品在其收集。
9. 使用钻机液压系统从土壤中取出金属试样管。
10. 从驱动头上取出金属试样管。然后从金属试样管中取出所持土样的塑料试样管, 用小心不要从塑料试样管内流失土壤, 而不是压缩土或挤压塑料试样管的两侧。
11. 将端盖放在塑料样品管的每一端, 用红色的末端在土壤样品的顶端和黑色的土壤样品的底部。将端盖贴在套筒上, 以避免污染或样品中的水流失。
12. 将样品直立放置以供运输回实验室。
13. 继续取样到最深的兴趣深度, 重复步骤2.6–2.12。

3. 建立恒定水头、多柱、土壤水力电导率设置

注: 水力电导率实验室仪器根据工作由步行者¹⁰。它涉及到使用一个渗透仪, 它被构造成将样品的外边缘和包含环的圆柱体之间的流动分离到土壤基质中。下面提到的任何 PVC 管道的 ID 都不是严格的公差。有些可能很合身, 其他的可能需要一些工作 (光砂)。

1. 获得100毫米长, 96 毫米 ID/114 毫米 OD 附表 40 PVC 管。
2. 获得100毫米长, 73 毫米 ID/89 毫米 OD 附表 40 PVC 管和机器它有一个5毫米锥形切削刃。提供这与89毫米塑料衬垫, 以适应外径。
3. 切断步骤3.2 中提到的附表 40 PVC 管的底部20毫米, 并保留它供以后使用。
4. 从6毫米厚的灰色 PVC 板, 削减 155 x 155 毫米²。在正方形的中心, 机器正方形包含60–70毫米的圆的开头。
5. 切割6毫米厚片的73毫米 OD/63 mm ID 附表 40 PVC 管。
   注:73 毫米的淋浴排水管, 适合73毫米的 ID 附表 40 pvc 管可以切割和工作良好, 如果73毫米 OD 附表 40 pvc 管道不可用。
6. 使用 pvc 水泥, 将 6 mm 厚片73毫米外径 pvc (从步骤 3.5) 20 毫米低于顶部的 89 mm 外径 pvc (从步骤 3.2)。
7. 在步骤3.6 中使用的 pvc 水泥干燥后, 将两个 pvc 钢瓶中心放在6毫米板上, 然后使用 pvc 水泥将其连接到板材上。
8. 钻一个孔在外面 pvc 圆筒, 集中大约15毫米在灰色 PVC 正方形之上, 容纳14毫米 PVC 适配器以有刺的末端。
9. 使用 PVC 水泥将适配器水泥到位。
10. 将19毫米 OD/13 毫米 ID 塑料油管连接到适配器的有刺端。
11. 水泥 20 mm 的附表 40 PVC 提到的步骤3.4 到底部的灰色 PVC 广场, 以开放为中心。
12. 切出一个80–85毫米直径圆片6毫米 x 18 克丝网 (镀锌钢天沟守卫工作很好为此) 插入到89毫米 od pvc 从顶部, 以便它在73毫米 od pvc 的6毫米厚实的切片。
13. 选择 19 x 184 x 2438 毫米³板, 并将其切成两半, 将每个长度修剪到 1180 mm。
14. 切出的6–125毫米孔相隔70毫米的板。
15. 将金属丝网放在板孔下, 并将其附着在纸板上 (使用钉枪)。
16. 将140毫米 (顶部开口) x 19 毫米 (喷口 OD) 漏斗置于丝网下方, 并将其附着在板上;在漏斗的边缘放置粘合剂填塞, 以消除漏斗顶部与木材之间的空隙。
17. 建造一个750毫米高的木框架, 以保持板与6孔 (见步骤3.13 和 3.14) 约350毫米以上的框架底部。
    1. 准备这个框架的组成部分, 包括一个基地, 两个框架两端, 两个稳定的腿, 一个较低的加固基地, 稳定的基础, 中心稳定后板, 和顶部后板。
    2. 将板切成 19 x 184 x 1180 毫米³作为底座。
    3. 将两个板切割为 19 x 184 x 750 毫米³ , 每帧结束。
    4. 切割两个板, 以创建一个 19 x 184 x 600 毫米³稳定腿的每一端。
    5. 切割一个板到 19 x 184 x 1180 毫米³ , 作为一个较低的加固基地直接在板下与125毫米孔钻孔在它 (见步骤 3.14)。
    6. 将一个板子剪成 19 x 184 x 1219 毫米³ , 作为固定在两条稳定腿前方或后方的稳定基座。
    7. 将板切割成 19 x 184 x 1219 毫米³作为中心稳定后板。
    8. 切割一个板到 19 x 184 x 1219 毫米³作为一个顶部后板, 以增加额外的稳定性, 其中一个排水沟将附加。
       注: 顶部后板和附着的排水沟应在高度, 这样, 底部的排水沟是近似在同一海拔的土壤样品套管将是当样品到位。

补充图 2: 饱和液压电导装置的前视图.请单击此处查看此图的较大版本.

18. 准备补给和排水沟。
    注: 每个塑料天沟约120毫米横跨和1219毫米长, 并装有端盖。
    1. 在排水槽的一端盖上钻孔, 并在供应槽的一端, 在每个孔中容纳13毫米 HB x 可能尼龙刺头适配器。
    2. 在供应槽的另一端盖上钻孔, 以容纳25毫米的 PVC 管道, 以便排水回供应容器。
    3. 在需要的情况下, 将倾斜的 PVC 连接水泥, 以便将水排水回供应容器。
    4. 切割一个40毫米高天沟年底帽, 以适应在供应天沟约10厘米从 PVC 连接的插座。
    5. 在该端盖的顶部切下一个梯形凹槽, 大约20毫米深, 30 毫米宽在底部和50毫米宽在凹槽的顶端。
       注: 这将采取行动, 保持一个恒定的头在供应排水沟。
    6. 将排水槽放在漏斗下面, 使其停留在木框架的下部加固底座上。
    7. 使用乙烯槽衣架将供应槽连接到顶部后板。

补充图 3: 供水排水沟的末端视图.请单击此处查看此图的较大版本.

19. 准备水源。
    1. 将塑料管材连接到供应槽和排水槽中的尼龙带刺端适配器。
    2. 将一个大浴缸放在与导电装置相邻的地板上, 作为供应容器。
       注: 应选择浴缸, 以保持足够的水, 至少24小时的测量。
    3. 将一个小型潜水泵放入浴缸中, 通过塑料油管将其连接到供应槽的入口端。
    4. 将小塑料油管连接到壁流插座的带刺端适配器 (3.9), 并将油管的非连接端插入排水槽。
    5. 用水填满供应容器。
    6. 插入泵并运行它, 以填补供应排水沟。确保将水输送到供应槽的速度足以使供应槽几乎满溢而不溢出。
20. 准备一个 "实践土壤样本", 以确定所需的任何修改。
    1. 将 "练习" 土壤样品放入塑料取样套筒中, 在土壤顶部与塑料套筒顶部之间留出约50毫米的空间。
    2. 用双层的棉布盖住样品的下端和套筒。用足够大小的橡皮筋将棉布在取样套筒上。
    3. 将练习土壤样品和套筒放入一盆水中, 填充到袖子高度的1/3 左右, 棉布端在水中。
    4. 几个小时后, 把浴缸里的水提高到样品高度的大约2/3。在允许样品过夜后, 将浴缸填入土壤样品的顶端 (而不是袖子的顶端)。
21. 将土壤样品放在89毫米外径的 PVC 管上面, 轻轻地将其压在管子上, 使 pvc 管削尖的边缘压入土壤几毫米, 以允许土壤底部在屏幕上休息。
    注: 棉布将需要松动的橡皮筋, 以允许这一点。另外, 请注意, 试样套筒中的土壤顶部应与供应槽底部近似水平, 试样套筒的顶部应与供应槽顶部近似水平。
22. 在土壤样品的顶端提供水。
    1. 打开水泵, 填充供给槽。
    2. 确保引流管的末端放在排水槽内, 排水槽的出水口与塑料油管紧密连接, 并将其置于较低海拔的排水管或容器中。
    3. 使用6毫米油管, 创建一个虹吸从供应排水沟到土壤顶部。
23. 收集从漏斗排出的土壤核心的水样。
    注: 根据研究标准, 应收集样品以获得足够的水所需的时间长短, 以达到实验所需的精确度。
24. 检查是否有泄漏或未预料的问题。
25. 根据所需的时间, 确定需要多少时间来收集足够的水 (或由研究小组确定的其他容积), 以填补大约100毫升的烧杯。
26. 通过在塑料土样容器内插入一个小螺丝刀或另一种类似的执行器来创建模拟的 "壁流", 以确认此通道产生的多余流量通过引流管流向排水槽。
27. 根据本练习运行中发现的任何问题修改安装程序。

4. 获取土壤水力电导率值

1. 根据步骤3.20 中为练习运行提供的指示, 将从现场收集的土壤样品棉布, 覆盖在与橡胶带保持在一起的样品的底部。
2. 启动泵并允许供应槽填充。检查是否有泄漏。
3. 将样品放到液压电导装置上, 并进行实际运行。注意不要在搬运过程中压缩样品。
4. 设置虹吸管, 将水从补给槽中移到塑料套筒所含土壤的表面。
5. 最初, 开始收集水从漏斗每10–20分钟, 以获得一个想法, 需要多长时间取样和多频繁取样。记录时间和水质量/体积在每个样品时间为每个土壤样品。
6. 寻找顺序样品包含等量的水。3–5样品含有相同量的水后, 样品有可能达到稳定状态。
   注: 为确保已达到稳定状态, 可能需要另外安排1小时的额外样品。
7. 利用达西定律计算饱和水力电导率;
   
   地方
   K_sat = 饱和水力电导率 (升/吨)
   V = 流经核心的水的稳态容积 (L³)
   l = 样品长度 (l)
   A = 芯 (L²) 的剖面区域, 水流过。对于此设置,
   
   t = 时间 (t)
   (h2- h1) = 液压头差 (L);对于这个设置, 它是在土壤表面和土壤样品的底部的水 ponded 的顶部之间的距离。

结果

为了探讨污水在活滤网中的应用是否影响了土壤输送水的能力, 我们进行了试验, 以测量土壤的饱和水力电导率。我们比较了土壤的水力电导率与现场的非灌溉区的灌溉面积。废水对土壤水力电导率的影响是一个令人关注的问题, 因为有些报告指出, 在较潮湿的地区, 土壤输送水的能力减少 (例如) 土壤中钠的积聚或从表面生物外壳的发展。对于收集的用于水力电导率测量的?...

讨论

收集现场、未受干扰的土壤样品和获得其水力电导值的能力在获得现场数据代表方面具有重要意义。为了最好地代表田间条件, 重要的是使用土壤样本保持在物理状态代表他们的环境在田间。例如, 从现场收集的土壤样品, 然后由抽样或处理诱发压实, 将会遇到影响饱和水力传导性的结构变化。

在受控实验室设置中测量土壤水力电导率也很重要。然而, 使用实验室方法来计算饱?...

材料

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 2438 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
3000 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 1200 mm wire mesh cloth			4 Mesh works well
2 – 120 mm x 1219 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 gram
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