Impactos de riego de aguas residuales en la conductividad hidráulica del suelo: unida los muestreo de campo y laboratorio determinación de la conductividad hidráulica saturada
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.
Protocol
Representative Results
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, ex…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
References
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