Impacts d’Irrigation des eaux usées sur la conductivité hydraulique du sol : échantillonnage sur le terrain et laboratoire de détermination de la conductivité hydraulique saturée couplées

Summary

Nous présentons ici une méthode qui correspond à une taille d’échantillon de sol et un dispositif de mesure de conductivité hydraulique pour empêcher l’acheminement de ce que l’on appelle mur le long de l’intérieur du conteneur du sol soient inclus par erreur dans les mesures de débit de l’eau. Son utilisation est démontrée avec les échantillons prélevés dans un site d’irrigation des eaux usées.

Abstract

Depuis le début des années 1960, une pratique de décharge des eaux usées alternative à la Pennsylvania State University a été étudiée et ses effets étudiés. Plutôt que de décharger les eaux usées traitées dans un flux de données et ainsi directement ayant une incidence sur la qualité du flux, l’effluent est appliqué à boisées et terres cultivées géré par l’Université. Préoccupations liées à des réductions dans la conductivité hydraulique du sol se produisent lors de l’examen de réutilisation des eaux usées. La méthode décrite dans ce manuscrit, correspondance taille de l’échantillon de sol avec la taille de l’appareil de mesure de conductivité hydraulique en laboratoire, offre les avantages d’une collection relativement rapide des échantillons avec les avantages de contrôlée laboratoire des conditions aux limites. Les résultats suggèrent qu’il peut y avoir eu une incidence de réutilisation des eaux usées sur la capacité du sol à transmettre à l’eau à plus grandes profondeurs dans les zones dépressionnaires du site. La plupart des réductions dans la conductivité hydraulique du sol dans les dépressions semble être reliées à la profondeur de laquelle l’échantillon a été prélevé et par conséquent, associée à des différences structurales et texturales de sol.

Introduction

Évacuation des eaux usées traitées des municipalités dans les cours d’eau a été une pratique courante depuis des décennies. Ces eaux usées sont traitée principalement dans le but de réduire le risque de consommation d’oxygène biologique par des microorganismes dans les eaux réceptrices, à la suite les effluents d’eaux usées déchargée. La consommation d’oxygène par les microorganismes dégrade les matières organiques dans les eaux usées, réduire les niveaux d’oxygène dans le corps de l’eau dans laquelle les effluents sont rejetés et, par conséquent mal les organismes aquatiques, y compris les poissons.

Dans les dernières décennies préoccupations ont mis au point aux nutriments inorganiques, certains métaux et autres produits chimiques dans les eaux usées qui créent un préjudice. En raison d’une étude publiée par Kolpin et al. ¹, davantage l’accent sur une gamme de produits chimiques n’a pas été considéré comme a évolué. Cette étude, publiée par l’United States Geological Society, sensibilisé au sujet de la vaste gamme de produits de soins personnels et autres produits chimiques dans les rivières et les ruisseaux à travers les États-Unis due à s’acquitter des installations de traitement des eaux usées.

Depuis le début des années 1960, des chercheurs de la Penn State University ont étudié et mis au point une pratique de décharge des eaux usées alternative assez unique dans une région humide. Plutôt que de décharger les eaux usées traitées dans un flux et Théia ainsi directement la qualité du flux, l’effluent est appliquée à la forêt et les terres cultivées, géré par l’Université. Ce domaine d’application, surnommé « Du filtre vivant », accepte actuellement tous les effluents d’eaux usées produit du campus plus certains de la municipalité. Cela réduit le risque d’excès de nutriments entrer dans les cours d’eau qui fournissent l’eau à la baie de Chesapeake, protège la pêche locale d’eau froide de rejets d’eaux usées chaudes, qui est nocif pour les poissons et empêche la livraison d’autres produits chimiques contenues dans les eaux usées de contacter directement les écosystèmes aquatiques.

Cependant, il y a toujours des conséquences des changements de comportement et cette facilité d’utilisation alternative n’est pas immunisé contre tel. Questions ont été soulevées quant à savoir si l’application des effluents des eaux usées a négativement la capacité du sol à permettre à l’eau de s’infiltrer dans le sol de surface^{2, 3,4,5} et causé le plus grand ruissellement, s’il y a une possibilité de contamination des puits les avec des produits chimiques (les nutriments, les antibiotiques ou les autres composés pharmaceutiques, produits de soins personnels) contenues dans les effluents d’eaux usées, et si ces produits chimiques sont création négatives impacts environnementaux, tels que grâce à l’absorption de produits chimiques dans les usines⁶ cultivé sur le site, ou le développement de la résistance aux antibiotique dans les organismes⁷ sur le site du sol.

À la suite de certaines de ces préoccupations, cette étude est menée pour déterminer les effets de l’irrigation des effluents d’eaux usées sur la conductivité hydraulique à saturation. L’approche utilisée consiste à collecter les sols provenant de certains sites à l’intérieur ou à l’extérieur de la superficie irriguée et correspondant à la taille de conteneur de l’échantillon de sol avec l’installation du laboratoire. Il est important que le contenant d’échantillon de sol pour s’insérer dans les appareils de laboratoire et l’eau qui se déplace vers le bas dans la matrice du sol dans l’échantillon d’être séparé de l’eau qui se déplace vers le bas entre le sol et le contenant d’échantillon de sol. Le protocole décrit comment l’appareil de laboratoire est construit pour s’assurer que cela se produisait.

Échantillons de sol sont prélevés à l’aide d’un échantillonneur de base hydraulique attaché à un tracteur. Carottes de sol collectés proviennent des zones sélectionnées dans le paysage vallonné et conservée dans un manchon en plastique inséré dans le sampler de noyau de sol. Ces carottes sont prélevées dans un loam limoneux de Hagerstown, situé dans une position de paysage du sommet ou dans une zone dépressionnaires. Six sommets représentatifs et six sites dépressionnaires sont prélevées de la superficie irriguée (un total de 12 sites d’échantillonnage de superficie irriguée). En outre, trois sommets et trois sites dépressionnaires sont échantillonnés dans une zone adjacente, non irrigués (un total de six sites non irriguées). Un maximum de six cœurs est collecté à chaque site jusqu’à une profondeur d’environ 1 200 mm, avec chaque échantillon de base étant d’environ 150 mm de long (100 mm de l’échantillon figurant dans la pochette plastique et 50 mm étant contenue dans la tête de la coupe de l’échantillonneur de métal ). Après le retrait de l’échantillonneur de métal, les manchons en plastique contenant les carottes de sol collectés sont équipés d’embouts, transporté debout au laboratoire et stockées debout jusqu’à ce qu’ils servent à déterminer la conductivité hydraulique saturée. Simultanément, les échantillons de sol sont prélevés à chaque profondeur pour la détermination du sol et les concentrations dans le sol solution de Calcium (Ca), magnésium (Mg) et Sodium (Na) en utilisant une extraction Mehlich 3 pour les estimations de l’eau déionisée et sol concentrations⁸ des extraits à un ratio de 1:2 de masse : l’eau du sol massive. Les analyses chimiques de l’eau extraits provenaient d’inductivement couplé Plasma Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES) et ont servi à calculer le Ratio d’Adsorption Sodium (SAR).

La détermination de la conductivité hydraulique saturée est effectuée principalement à l’aide d’une méthode de siège constant⁹. Une solution contenant Ca et Na sels pour imiter l’effluent conductivité électrique (EC) et SAR de l’effluent est créé de sorte que le sol sera exposé à variables similaires pour la traitement des eaux usées appliquées dans le domaine de la qualité de l’eau. Dans ce cas, la Commission européenne est 1,3 dS/m et le SAR est 3, ce qui reflète la Communauté européenne et la SAR de l’effluent dans ces dernières années avant la période d’échantillonnage. [Sur le plan technique, les unités SAR sont (milliéquivalents par litre)^½ et ne sont pas habituellement identifiées dans la littérature.]

La modification à la méthode de tête constante de Klute et Dirksen⁹ est le développement d’un séparateur de débit par Walker⁸ pour empêcher le flux à travers la colonne qui a eu lieu en dehors de la matrice du sol soient inclus dans l’estimation du sol hydraulique conductivité. Le séparateur de flux est construit à l’aide de chlorure de polyvinyle (PVC) tubes sélectionnés et usinés pour correspondre à la taille de l’échantillon de sol. Un écran prend en charge l’échantillon de sol et permet à l’eau qui a traversé la matrice du sol s’écoule de la partie inférieure de l’échantillon. Une seconde prise émet l’eau qui a coulé à l’intérieur de l’enveloppe en plastique, éliminant ainsi ce qu’on appelle « débit de mur » soient incorrectement inclus dans l’estimation de la quantité d’eau qui se déplace à travers la matrice du sol.

Protocol

1. sélection des sites d’échantillonnage du sol Identifier par le biais de la photographie aérienne et site (s) les lieux qui ont reçu l’irrigation par des eaux usées et celles qui ne l’ont pas. Sélectionnez plusieurs sites représentatifs permettant d’effectuer un échantillonnage, accordant une attention particulière aux différences de paysage possible (particulièrement lieu de paysage, tels que le sommet, côté pente, pente de l’orteil et dépression) sur lequel l’eau, le sol …

Representative Results

Afin d’étudier la question de savoir si l’application d’effluents d’eaux usées sur le site de filtre vivant a un impact sur la capacité du sol à transmettre à l’eau, nous avons mené des expériences pour mesurer la conductivité hydraulique saturée des sols. Nous avons comparé la conductivité hydraulique des sols des périmètres irrigués du site avec les zones non irriguées du site. L’impact des effluents d’eaux usées sur la conductivité hydraulique du sol est …

Discussion

La capacité de recueillir des échantillons de sol non perturbé, sur le terrain et d’obtenir leurs valeurs de conductivité hydraulique est importante dans l’obtention des données représentatives d’un site. Afin de mieux représenter des conditions sur le terrain, il est important d’utiliser des échantillons de sol qui restent dans un représentant de l’état physique de leur environnement dans le domaine. Échantillons de sol prélevés à partir d’un site de champ qui sont alors perturbés par sous-éc…

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