Impactos de irrigação de efluentes na condutividade hidráulica do solo: acoplado a amostragem de campo e laboratório determinação da condutividade hidráulica saturada

Summary

Aqui apresentamos uma metodologia que corresponde a um tamanho de amostra de solo e um dispositivo de medição de condutividade hidráulica para impedir o fluxo de chamadas de parede ao longo dentro do contêiner de solo sendo erroneamente incluídos nas medições de fluxo de água. Seu uso é demonstrado com amostras coletadas de um site de irrigação de efluentes.

Abstract

Desde o início dos anos 1960, uma prática de descarga de águas residuais alternativo na The Pennsylvania State University foi pesquisada e seus impactos monitorados. Ao invés de descarregamento tratados de águas residuais para um fluxo e desse modo diretamente impactar a qualidade do fluxo, o efluente é aplicado para florestas e terra recortada gerenciado pela Universidade. Preocupações relacionadas com reduções na condutividade hidráulica do solo ocorrem quando considerando a reutilização de águas residuais. A metodologia descrita neste manuscrito, correspondência de tamanho de amostra de solo com o tamanho do aparato de medição de condutividade hidráulica de base laboratorial, oferece os benefícios de uma coleção relativamente rápida de amostras com os benefícios da controlada condições de contorno do laboratório. Os resultados sugerem que pode ter havido algum impacto de reutilização de águas residuais na capacidade do solo para transmitir água em profundidades mais profundas nas áreas do site depressional. A maioria das reduções da condutividade hidráulica do solo nas depressões parece estar relacionada com a profundidade da qual a amostra foi coletada e por inferência, associados com as diferenças estruturais e texturais de solo.

Introduction

Descarga de águas residuais tratadas de municípios em fluxos tem sido uma prática comum há décadas. Essas águas residuais é tratada principalmente com a finalidade de reduzir o potencial de consumo de oxigênio biológica por microorganismos nas águas receptoras, como resultado de efluentes de águas residuais descarregadas. Consumo de oxigênio por microrganismos degrada materiais orgânicos em águas residuais reduzindo os níveis de oxigênio no corpo da água em que o efluente é descarregado e, assim, prejudicar os organismos aquáticos, incluindo peixes.

Em décadas recentes preocupações desenvolveram relacionados com nutrientes inorgânicos, alguns metais e outros produtos químicos dentro de águas residuais que criar o mal. Devido a um estudo publicado por Kolpin et al ¹, um foco maior em uma gama de produtos químicos não previamente considerado evoluiu. Este estudo, publicado pela Sociedade Geológica de Estados Unidos, elevado conscientização a respeito da ampla gama de produtos de cuidados pessoais e outros produtos químicos em rios e córregos através dos E.U. devido à descarga de instalações de tratamento de águas residuais.

Desde o início dos anos 1960, pesquisadores da Penn State University tem investigado e desenvolveu uma prática única de descarga alternativo de águas residuais em uma região húmida. Ao invés de descarregamento Tratado de águas residuais para um fluxo e impactante assim diretamente a qualidade do fluxo, o efluente é aplicada para as florestas e a terra recortada, gerido pela Universidade. Esta área de aplicação, apelidada de “The Living filtro”, atualmente aceita todos os efluentes de águas residuais gerados a partir do campus mais alguns do município. Isto reduz a probabilidade de excesso de nutrientes entrar fluxos que entregam água da Baía de Chesapeake, protege a local da pesca de água fria de descargas de águas residuais quentes que é prejudicial aos peixes e impede a entrega de outros produtos químicos contidos nas águas residuais de contatar diretamente os ecossistemas aquáticos.

No entanto, há sempre consequências de alterações de comportamento, e esta facilidade de uso alternativo não é imune a tal. Perguntas surgiram sobre se a aplicação dos efluentes de águas residuais impactou negativamente a capacidade do solo para permitir que a água se infiltrar o solo superfície^2,3,4,5 e causou maior escoamento superficial, se há uma possível contaminação dos poços locais com produtos químicos (nutrientes, antibióticos ou outros compostos farmacêuticos, produtos de cuidados pessoais) contidos nos efluentes de águas residuais, e se os produtos químicos estão criando negativos impactos ambientais, tais como através da captação de produtos químicos em plantas⁶ crescido no site, ou o desenvolvimento de resistência antibiótica em organismos⁷ no site do solo.

Como resultado de algumas destas preocupações, este estudo é realizado para determinar os impactos da irrigação de efluentes de águas residuais na condutividade hidráulica do solo na saturação. A abordagem utilizada envolve a coleta de solos de sites selecionados dentro ou fora da área irrigada e o tamanho de recipiente de amostra de solo com a configuração do laboratório de correspondência. É importante para o recipiente de amostras de solo caber dentro do aparelho de laboratório e para a água que se move para baixo através da matriz da amostra de solo a ser separados da água que se move para baixo entre o solo e o recipiente de amostras de solo. O protocolo descreve como os aparelhos de laboratório é construído para garantir que isso ocorreu.

São coletadas amostras de solo usando um amostrador hidráulico do núcleo ligado a um trator. Amostras de solo são coletadas de áreas selecionadas na paisagem ondulante e mantido em uma luva plástica cabida em amostras de núcleo do solo. Estes núcleos são coletados de um barro de silte Hagerstown, localizado em uma posição de paisagem cimeira ou em uma área de depressional. Seis cúpulas representativas e seis sites depressional são amostrados da área irrigada (um total de 12 locais de amostragem da área irrigada). Além disso, três cimeiras e três sites depressional são amostrados de uma área adjacente, sequeiro (um total de seis sites de sequeiro). Um máximo de seis núcleos é coletado em cada local para uma profundidade máxima de cerca de 1.200 mm, com cada amostra de núcleo, sendo cerca de 150 mm (100 mm da amostra sendo constante da luva de plástico e 50 mm, sendo constantes a cabeça de corte de amostras do metal ). Após a retirada de amostras do metal, as mangas de plástico contendo as amostras de solo coletadas são equipadas com tampas, transportados na vertical para o laboratório e armazenado na vertical, até que eles são usados para determinar a condutividade hidráulica saturada. Simultaneamente, amostras de solo são coletadas em cada profundidade para a determinação do solo e concentrações de solução de cálcio (Ca), magnésio (Mg) e sódio (Na) usando uma extração de Mehlich 3 para estimativas de água desionizada e concentrações de solo⁸ extrai-se a uma proporção de 1:2 de massa de solo: água em massa. As análises químicas dos extratos de água foram obtidas indutivamente acoplado Plasma emissão espectroscopia atômica (ICP-AES) e foram usadas para calcular a relação de adsorção de sódio (SAR).

A determinação da condutividade hidráulica saturada é efectuada principalmente usando um método de cabeça constante,⁹. Sais de uma solução contendo Ca e at para imitar a efluente condutividade elétrica (CE) e SAR do efluente é criado então o solo estará exposto à água variáveis de qualidade semelhantes à aplicada no campo de águas residuais. Neste caso, o CE é 1,3 dS/m e o SAR é 3, refletindo o CE e SAR do efluente nos últimos anos antes do período de amostra. [Tecnicamente, as unidades de SAR são (miliequivalentes/litro)^½ e geralmente não são identificadas na literatura].

A modificação do método de cabeça constante de Klute e Dirksen⁹ é o desenvolvimento de um separador de fluxo por Walker⁸ para evitar o fluxo através da coluna que ocorreu fora da matriz de solo sejam incluídos na estimativa do solo hidráulico condutividade. O separador de fluxo é construído usando tubos de policloreto de vinila (PVC) selecionado e usinadas para coincidir com o tamanho da amostra de solo. Uma tela suporta a amostra de solo e permite que a água que foi movido pela matrix solo a fluir para fora a parte inferior da amostra. Uma segunda tomada emite a água que fluiu para baixo dentro da manga de plástico, eliminando assim chamados “fluxo de parede” incorretamente sejam incluídos na estimativa da quantidade de água que se move através da matriz do solo.

Protocol

1. seleção de locais de amostragem de solo Identificar através de fotografia aérea e local visit(s) locais que receberam irrigação por águas residuais e os que não. Selecione vários sites representativos da qual a amostra, prestando atenção às diferenças de paisagem possível (particularmente local de paisagem, como a cimeira, inclinação lateral, inclinação do dedo do pé e depressão) em que a água, solo e plantas podem interagir de forma diferente. Identifica porções da…

Representative Results

Para investigar a questão de se a aplicação de efluentes de águas residuais no local do filtro vivendo tem impactado a capacidade do solo de transmitir água, realizamos experimentos para medir a condutividade hidráulica saturada dos solos. Comparamos a condutividade hidráulica de solos de áreas irrigadas do site com aqueles em áreas de sequeiro do site. O impacto dos efluentes de águas residuais sobre a condutividade hidráulica do solo é uma questão de preocupação, como tem…

Discussion

A capacidade de coletar amostras de solo imperturbado, baseada em campo e obter seus valores de condutividade hidráulica é importante na obtenção de dados representativos de um site. Para melhor representar as condições de campo, é importante o uso de amostras de solo que permanecem em um representante do estado físico do seu ambiente no campo. Amostras de solo coletadas de um site de campo, que em seguida são perturbados por subamostragem ou manipulando compactação induzida, por exemplo, irá experimentar mud…

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