Design och konstruktion av en Urban Runoff Research Facility
Summary
Detta dokument beskriver utformning, konstruktion och funktion av en 1.000 m 2 anläggning innehåller 24 individuella 33,6 m 2 fält tomter utrustade för att mäta total avrinning volymer med tid och insamling av avrinnings delprov vid valda intervall för kvantifiering av kemiska beståndsdelar i avrinningsvattnet från simulerade hem gräsmattor.
Abstract
Eftersom den urbana befolkningen ökar, så ökar ytan för konstbevattnade urbana landskapet. Sommar vattenanvändning i tätorter kan vara 2-3x vinter baslinjen vattenanvändning på grund av ökad efterfrågan på liggande bevattning. Felaktig bevattningsmetoder och stora regnhändelser kan resultera i avrinning från urbana landskap som har potential att bära näringsämnen och sediment i lokala vattendrag och sjöar där de kan bidra till övergödning. En 1.000 m 2 anläggning byggdes som består av 24 individuella 33,6 m 2 fält tomter, alla utrustade för att mäta total avrinning volymer med tid och insamling av avrinnings delprov vid valda intervall för kvantifiering av kemiska beståndsdelar i avrinningsvattnet från simulerade urbana landskap. Avrinningsvolymerna från de första och andra studier hade koefficient variabilitet (CV) värden på 38,2 och 28,7%, respektive. CV-värden för avrinning pH, EG, och Na-koncentrationen för båda studierna var alla under 10%. Koncentrations av DOC, TDN, DON, PO 4-P, K +, Mg2 + och Ca2 + hade CV-värden mindre än 50% i båda studierna. Totalt sett resultaten av tester utföras efter torv installation vid anläggningen indikerade god enhetlighet mellan tomter för avrinningsvolymer och kemiska beståndsdelar. Den stora tomten storlek är tillräcklig för att omfatta en stor del av den naturliga variationen och ger därför bättre simulering av urbana landskaps ekosystem.
Introduction
Fyra av de snabbast växande, mycket befolkade storstadsområdena är belägna i södra USA i subtropiska klimat 1. Dessutom, den största procentuella förändringen i urbaniserade land mellan 1982 och 1997 inträffade i södra USA 1. Med ökade stadsområden kommer en samtidig efterfrågan på dricksvatten, som till stor del används för utomhusbruk under sommarmånaderna 2. Med nybyggnation, är programmerbara i mark bevattningssystem installeras ofta. Tyvärr är dessa system ofta programmeras för att leverera bevattning för urban landskaps oftare och / eller i volymer som överstiger avdunstning krav landskapet 2. Detta resulterar i en betydande del av avrinning från urban landskaps till recipienten, vilket bidrar till det som har kallats stads stream syndrom 3. Symtom på den urbana strömmen syndrom är ökad frekvens av land flöde och erosiv flöde, ökad nitrogen (N), fosfor (P), gifter, och temperatur förutom förändringar i kanal morfologi, sötvattensbiologi och ekosystemprocesser 3.
Förluster av kväve och fosfor från jordbruket ekosystem har studerats och befunnits vara i första hand beroende av fyra faktorer: näringskälla, dosering, ansökan timing och närings placering 4. Medan färre publicerade uppgifter finns nu på off site förflyttning av näringsämnen från urbana landskap, kan dessa principer appliceras direkt på turfgrass kultur, vare sig i hemmet gräsmattor, sod gårdar, parker eller andra grönområden. Dessutom kan felaktig bevattningsmetoder som resulterar i avrinning från landskapet förvärra dessa förluster.
Näringsförluster kan ytterligare förändras genom bevattning vattenkvalitet. Områden i sydvästra USA använder ofta mer saltlösning eller med natrium vatten för bevattning av hem gräsmattor och urbana landskap 5,6. Den kemiska sammansättningen avbevattningsvattnet kan påtagligt förändra markkemi orsakar en frisättning av kol, kväve, kalcium och andra katjoner med avrinningsvattnet. Senaste arbete visade att ökad natrium absorption ratio (SAR) hos utvinna vatten ökat markant de mängder kol (C) och kväve (N) lakas från St Augustinegrass urklipp, rajgräs urklipp och andra organiska material 7. Dessutom vatten extraherbart jord C, N och P förluster från fritids turfgrass jordar var signifikant korrelerad med bevattning kemiska 6 beståndsdelar.
Washbusch et al. studerade urban avrinning i Madison, WI och fann att gräsmattor var de största bidragsgivarna av totalfosfor 8. Dessutom fann de också att 25% av den totala P i "Street Dirt" härstammar från löv och gräsklipp. I en typisk lantlig miljö, faller löv på marken och sedan bryts ned långsamt frigör näringsämnen tillbaka till soljemiljö. Men i stadsmiljö, kan betydande mängder näringsrika blad och gräsklipp faller på eller få tvättade eller blåst på hardscapes såsom uppfarter, trottoarer och vägar, därefter gör sin väg ut på gatorna, där de bidrar till "street dirt" , som till stor del får tvättas direkt i mottagande vattendrag.
Stadsbilden jordar är ofta störd och Komprimerat under byggtiden, vilket också kan öka mängden avrinning på grund av minskade infiltrationshastigheter 9. Kelling och Peterson rapporterade att både den totala avrinningen volymen och näringshalter i avrinningen från hemmet gräsmattor ökat från gräsmattor som är packad eller har allvarligt störda markprofiler på grund av tidigare byggverksamhet 10. Edmondson et al. Å andra sidan, fann att stads jordar var mindre packad än omgivande jordbruksmark i städer och förorter regionen nolsyraester, UK 11. De tillskrev detta till tunga jordbruksmaskiner som används, men de noterade också att gräsmattor hade större jord skrymdensitet än marken under träd och buskar, som tillskrevs gräsklippning och ökad mänsklig tramp.
Det verkar som i många situationer, är städer och förorter stream syndrom kraftigt påverkad av avrinning och punktkälleutsläpp 3,12. Medan punktkällor kan manipuleras genom tillstånd och återvinning, behövs ytterligare forskning för att utveckla och testa de bästa rutiner för hemmet gräsmatta etablering och förvaltning förvaltning för att minimera näringsförluster till avrinning. Tidigare forskningsinsatser på detta område har ofta centrerad längs kustområden där det finns hög sand innehåll jordar, på grund av oro i samband med effekterna av utlakning och avrinning förluster av näringsämnen till kustvatten. Men när man arbetar med mycket sandjordar måste man ha branta sluttningar och höga regnpriser för att kunna generate någon avrinning 13,14. Däremot många av marken i centrala USA är bra strukturerad och har låga infiltrationshastigheter som resulterar i betydande mängder avrinning från även små regnhändelser. Således var det önskvärt att utforma och bygga en avrinning anläggning på befintliga jorden och lutning typiska för de som kan uppstå på bostads landskap.
Denna uppsats beskriver design, konstruktion och funktion av en 1.000 m 2 anläggning innehåller 24 individuella 33,6 m 2 fält tomter för att mäta den totala avrinningsvolymer vid relativt små tids resolutioner och samtidig insamling av avrinningsvatten delprov på utvalda volymetriska eller tidsmässiga intervall för mätning och kvantifiering av kemiska beståndsdelar i avrinningsvattnet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vatten flödar över, i och genom jordar påverkas i hög grad av topografi, vegetationstäcke, och markens fysikaliska egenskaper. Alltför packad jord och mark med höga lera innehåll kommer att uppvisa lägre infiltrationshastigheter och ökade mängder av avrinning. Därför när man bygger en anläggning av detta slag, alla ansträngningar bör göras för att använda befintlig jord med enhetliga sluttningar och minimera packning från alla typer av trafik på de försöksområden under konstruktion. Dessutom bö…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner tacksamt stöd från The Scotts Miracle-Gro Företag för denna möjlighet. Vi är också tacksamma för Toro Co för hjälp med att tillhandahålla bevattning controller. Visionen och planering av den framlidne Dr Chris Steigler i ett tidigt skede av projektet är också tacksamt. Författarna vill också tacka Ms N. Stanley för henne tekniskt bistånd med beredning och analys prov.
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).
