Ontwerp en constructie van een Urban Runoff Research Facility
Summary
Dit document beschrijft het ontwerp, de bouw en functie van een 1.000 m 2-faciliteit met 24 individuele 33,6 m 2 proefvelden ingericht voor het meten van de totale afvoer volumes met de tijd en de collectie van runoff submonsters op geselecteerde intervallen voor de kwantificering van de chemische bestanddelen in de afvoer van water uit gesimuleerde huis gazons.
Abstract
Als de stedelijke bevolking toeneemt, neemt ook de oppervlakte van de geïrrigeerde stedelijk landschap. Zomer watergebruik in stedelijke gebieden kan 2-3x winter basislijn het gebruik van water als gevolg van de toegenomen vraag naar landschap irrigatie. Oneigenlijk irrigatie praktijken en grote regenval kan leiden tot afvoer van stedelijke landschappen die potentieel hebben om voedingsstoffen en sedimenten te dragen in de lokale beken en meren, waar ze kunnen bijdragen tot eutrofiëring heeft. Een 1.000 m 2 faciliteit werd gebouwd, die bestaat uit 24 individuele 33,6 m 2 proefvelden, elk uitgerust voor het meten van de totale afvoer volumes met de tijd en de collectie van runoff submonsters op geselecteerde intervallen voor de kwantificering van chemische bestanddelen in de afvoer van water uit gesimuleerde stedelijke landschappen. Afvoer volumes uit de eerste en tweede onderzoeken hadden variatiecoëfficiënt (CV) waarden van 38,2 en 28,7%, respectievelijk. CV waarden voor de afvoer pH, EC, en Na-concentratie voor beide studies waren allemaal onder de 10%. Concentrations van DOC, TDN, DON, PO 4 P, K +, Mg2 + en Ca2 + hadden CV-waarden lager dan 50% in beide studies. Over het algemeen zijn de resultaten van de tests die werden uitgevoerd na de zode de installatie bij de faciliteit aangegeven goede uniformiteit tussen de percelen voor de afvoer volumes en chemische bestanddelen. Het grote perceel voldoende groot is om een groot deel van de natuurlijke variabiliteit op te nemen en biedt daarom een betere simulatie van het stedelijk landschap ecosystemen.
Introduction
Vier van de meest snel groeiende, dichtbevolkte stedelijke gebieden bevinden zich in het zuiden van de VS in subtropische klimaten 1. Bovendien, de grootste procentuele verandering in stedelijke land tussen 1982 en 1997 zich in zuidelijke USA 1. Met de toegenomen stedelijke gebieden komt er een bijkomende vraag naar drinkbaar water, waarvan een groot deel wordt gebruikt voor buiten gebruik tijdens de zomermaanden 2. Met nieuwbouw, zijn programmeerbaar in de grond irrigatiesystemen vaak geïnstalleerd. Helaas zijn deze systemen vaak geprogrammeerd om irrigatie vaker en / of in volumes die verdamping eisen van het landschap 2 overschrijden leveren aan stedelijke groenvoorzieningen. Dit resulteert in een aanzienlijk volume van afvoer van de stedelijke groenvoorziening in de ontvangende wateren, wat bijdraagt aan wat genoemd stedelijke stroom syndroom 3. Symptomen van de stedelijke stroom syndroom omvatten een toename van de frequentie van de oppervlakkige afstroming en erosieve watertoevoer, verhoogde nitrogen (N), fosfor (P), toxische stoffen, en de temperatuur in aanvulling op veranderingen in kanaal morfologie, zoetwater biologie, en ecosysteem processen 3.
Verliezen van N en P uit agrarische ecosystemen zijn uitgebreid bestudeerd en vond vooral afhankelijk van vier factoren zijn: de bron van voedingsstoffen, verbruik en toepassing timing, en voedingsstoffen plaatsing 4. Terwijl minder gepubliceerde gegevens die momenteel bestaan op buiten het terrein verplaatsing van nutriënten uit stedelijke landschappen, kunnen deze opdrachtgevers direct worden toegepast op de grasmat cultuur, zowel in huis gazons, zode boerderijen, parken of andere groene ruimten. Daarnaast kunnen onjuiste irrigatie praktijken die leiden tot afvoer van het landschap van deze verliezen verergeren.
Nutriëntenverliezen kan verder worden aangepast door de kwaliteit irrigatiewater. Gebieden in het zuidwesten VS gebruiken vaak meer zout of sodic water voor irrigatie van thuis gazons en stedelijke landschappen 5,6. De chemische samenstelling vanhet gietwater aanzienlijk veranderen bodemmateriaal veroorzaakt het vrijkomen van koolstof, stikstof, calcium, en andere kationen runoff water. Recent werk toonde aan dat verhoogde natrium absorptie ratio (SAR) van de winning van water de hoeveelheden koolstof (C) en stikstof (N) uitgeloogd uit St. Augustinegrass knipsels, raaigras knipsels en andere organische materialen 7 aanzienlijk toegenomen. Bovendien werden water extraheerbare bodem C, N, en P verliezen recreatieve turfgrass bodems significant gecorreleerd met irrigatiewater chemische bestanddelen 6.
Washbusch et al. studeerde stedelijke afvoer in Madison en vond dat gazons waren de grootste bijdrage van de totale fosfor 8. Daarnaast vonden ze ook dat 25% van de totale P in "straatvuil" is ontstaan uit de bladeren en grasresten. In een typisch landelijke omgeving, bladafval valt op de grond en vervolgens ontleedt langzaam vrijgeven van voedingsstoffen naar de solie milieu. Echter, in een stedelijke omgeving, die aanzienlijke hoeveelheden voedselrijke bladeren en maaisel kan op vallen of zich te wassen of geblazen hardscapes zoals opritten, voetpaden en wegen, vervolgens het maken van hun weg in de straten waar ze bijdragen aan "straatvuil" , waarvan een groot deel wordt direct gewassen in ontvangende wateren.
Stedelijk landschap bodems zijn vaak verstoord en zeer verdicht tijdens de bouw, die ook hoeveelheden afvalmateriaal kan toenemen als gevolg van verminderde infiltratie tarieven 9. Kelling en Peterson gemeld dat zowel de totale afvoer volume en de concentraties voedingsstoffen in de afvoer vanuit huis gazons worden verhoogd van gazons die verdicht zijn of ernstig verstoorde bodemprofielen als gevolg van eerdere bouwactiviteiten 10. Edmondson et al. Aan de andere kant, vond dat de stedelijke gronden waren minder verdicht in vergelijking met omliggende landbouwgronden in de stedelijke en voorstedelijke regio Leicester, UK 11. Ze schreef dit toe aan de zware landbouwmachine gebruikt, maar ze merkte ook op dat gazons had een grotere bodem bulk dichtheid dan de bodem onder bomen en struiken, die werd toegeschreven aan het gras maaien en grotere menselijke vertrappen.
Het lijkt erop dat in veel situaties, stedelijke en voorstedelijke stroom syndromen worden aanzienlijk beïnvloed door de afvoer en point-source ontlaadt 3,12. Terwijl de point-bronnen kunnen worden gemanipuleerd door middel van vergunningen en recycling, is aanvullend onderzoek nodig om te ontwikkelen en te testen beste beheer van de procedures voor het gazon thuis oprichting en het beheer van de afvoer van nutriënten naar afvoer minimaliseren. Verleden onderzoek inspanningen op dit gebied zijn vaak gecentreerd langs de kustgebieden waar er een hoog gehalte bodem zand, als gevolg van bezorgdheid over de effecten van uitspoeling en afspoeling verliezen van voedingsstoffen naar de kustwateren. Echter, bij het werken met zeer zandgronden, moet men hebben steile hellingen en hoge regenval tarieven te kunnen generaTè iedere lozing 13,14. Daarentegen veel bodems in de centrale Verenigde Staten fijne structuur en lage Infiltratie die resulteren in significante hoeveelheden afvoer van zelfs kleine regenval. Derhalve was het gewenst te ontwerpen en bouwen van een afvoer voorziening op inheemse bodem en helling typerend voor Kan in woonlandschappen.
Dit document beschrijft het ontwerp, de bouw en de functie van een 1.000 m 2-faciliteit met 24 individuele 33,6 m 2 proefvelden voor het meten van de totale afvoer volumes bij relatief kleine temporele resolutie en gelijktijdige inzameling van afvoer water submonsters op geselecteerde volumetrische of temporele interval voor de meting en kwantificering van de chemische bestanddelen van de afvoer water.
Protocol
Representative Results
Discussion
Water stroomt over, in en door de bodem wordt sterk beïnvloed door de topografie, vegetatieve bedekking, en de bodem fysische eigenschappen. Overmatig verdichte bodems en bodems met een hoog gehalte klei verminderde infiltratie en toegenomen hoeveelheden runoff vertonen. Daarom is bij de bouw van een faciliteit van deze aard, alles in het werk moet worden gesteld om inheemse gronden met uniforme hellingen te gebruiken en zoveel mogelijk te beperken verdichting van alle soorten verkeer op de experimentele gebieden tijde…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs zeer erkentelijk voor de financiële ondersteuning van de Scotts Miracle-Gro Company voor deze faciliteit. We zijn ook dankbaar voor de Toro Co voor hulp bij het verstrekken van de irrigatie controller. De visie en planning door wijlen Dr Chris Steigler in de vroege stadia van dit project is ook dankbaar erkend. De auteurs willen ook graag mevrouw N. Stanley bedanken voor haar technische bijstand met het monster voorbereiding en analyse.
Materials
| 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 |
| Pre-sloped 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 |
| Spray nozzles | RainBird | HE-Van 12 | Sprays irrigation water in predetermined pattern and rate |
| Irrigation heads | Hunter | Pro Spray 4 | 4 inch pop up spray heads |
| 6 inch slotted drain pipe | Advanced Drainage Systems | 6410100 | single wall corregated HDPE – slotted |
| 6 inch plain drain pipe | Advanced Drainage Systems | 6400100 | single wall corregated HDPE – plain |
| Filter Paper | Whatman GF/F | 1825-047 | 47mm 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 measurment |
| 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 |
Riferimenti
- Fulton, W., Pendall, R., Nguyen, M., Harrison, A. Who sprawls most? How growth patterns differ across the U.S. The Brookings Institution Survey Series. http://www.brookings.edu/~/media/research/files/reports/2001/7/metropolitanpolicy%20fulton/fulton. , (2001).
- White, R. H., et al. How much water is ‘enough’? Using PET to develop water budgets for residential landscapes. Proc. Texas Sec. Amer. Water Works Assoc. 7, 7 (2004).
- Walsh, C. J., Roy, A. H., Feminella, J. W., Cottingham, P. D., Groffman, P. M., Morgan, R. P. The urban stream syndrome: current knowledge and the search for a cure. J. North Am. Benthol. Soc. 24, 706-723 (2005).
- . 4R Plant Nutrition: A Manual for Improving the Management of Plant Nutrition. International Plant Nutrition Institute. , (2012).
- Miyomoto, S., Chacon, A. Soil salinity of urban turf area irrigated with saline water II. Soil factors. Landsc. Urban Plan. 77, 28-38 (2006).
- Steele, M. K., Aitkenhead-Peterson, J. A. Urban soils of Texas: Relating irrigation sodicity to water-extractable carbon and nutrients. Soil Sci. Soc. Am. J. 76, 972-982 (2012).
- Steele, M. K., Aitkenhead-Peterson, J. A. Salt impacts on organic carbon and nitrogen leaching from senesced vegetation. Biogeochem. 112, 245-259 (2013).
- Washbusch, R. J., Selbig, W. R., Bannerman, R. T. Sources of phosphorus in stormwater and street dirt from two urban residential basins. National Conference on Tools for Urban Water Resource Management and Protection Proceedings. , (2000).
- Pitt, R., Chen, S., Clark, S. E., Swenson, J., Ong, C. K. Compaction’s impacts on urban storm-water infiltration. J. Irrigation Drainage Eng. 134, 652-658 (2008).
- Kelling, K. A., Peterson, A. E. Urban lawn infiltration rates and fertilizer runoff losses under simulated rainfall. Soil Sci. Soc. Am. J. 39, 349-352 (1975).
- Edmondson, J. L., Davies, Z. G., McCormack, S. A., Gaston, K. J., Leake, J. R. Are soils in urban ecosystems compacted? A citywide analysis. Biol. Lett. 7, 771-774 (2011).
- Cunningham, M. A., et al. The suburban stream syndrome: Evaluating land use and stream impairments in the suburbs. Phys. Geogr. 30, 269-284 (2009).
- Erickson, J. E., Cisar, J. L., Volin, J. C., Snyder, G. H. Comparing nitrogen runoff and leaching between newly established St. Augustinegrass turf and an alternative residential landscape. Crop Sci. 41, 1889-1895 (2001).
- Morton, T. G., Gold, A. J., Sullivan, W. M. Influence of overwatering and fertilization on nitrogen losses from home lawns. J. Environ. Qual. 17, 124-130 (1988).
- O’Dell, J. W. Method 415.1 Organic carbon, total (combustion or oxidation). Methods for Chemical Analysis of Water and Wastes. , 415.1-415.3 (1983).
- O’Dell, J. W. Determination of phosphorus by semi automated colorimetry. Environmental monitoring systems laboratory, Office of research and development. U.S. Environmental Protection Agency. , (1993).
- O’Dell, J. W. Determination of nitrate nitrogen by semi automated colorimetry. Revision 2.0 Edited by JW O’Dell, Environmental monitoring systems laboratory. Office of research and development, U.S. Environmental Protection Agency. , (1993).
- O’Dell, J. W. Determination of ammonia nitrogen by semi automated colorimetry. Revision 2.0 Edited by JW O’Dell, Environmental monitoring systems laboratory. Office of research and development, U.S. Environmental Protection Agency. , (1993).
- Gobel, P., Dierkes, C., Coldewey, W. G. Storm water runoff concentration matrix for urban areas. J. Contam. Hydrol. 91, 26-42 (2007).
- Vietor, D. M., Provin, T. L., White, R. H., Munster, C. L. Runoff losses of phosphorus and nitrogen imported in sod or composted manure for turf establishment. J. Env. Qual. 33, 358-366 (2004).
