Design og bygging av en Urban Avrenning Research Facility
Summary
Dette paperet design, konstruksjon og funksjon av en 1000 m 2 anlegget inneholder 24 individuelle 33,6 m 2 felt tomter utstyrt for måling av total avrenning volumer med tid og innsamling av avrenning underutvalg på utvalgte intervaller for kvantifisering av kjemiske bestanddeler i overvann fra simulerte hjem plener.
Abstract
Som den urbane befolkningen øker, øker også arealet av vanningsanlegg urbane landskapet. Summer bruk av vann i urbane områder kan være 2-3 x vinter grunnlinjen vann bruk på grunn av økt etterspørsel etter landskapet vanning. Uriktig vanningspraksis og store nedbørshendelser kan føre til avrenning fra urbane landskaper som har potensial til å bære næringsstoffer og sedimenter i lokale bekker og innsjøer der de kan bidra til overgjødsling. En 1000 m 2 anlegget ble bygget som består av 24 individuelle 33,6 m 2 felt tomter, hver utstyrt for måling av total avrenning volumer med tid og innsamling av avrenning underutvalg på utvalgte intervaller for kvantifisering av kjemiske bestanddeler i overvann fra simulerte urbane landskap. Avrenning mengdene fra de første og andre forsøk hadde koeffisient av variabilitet (CV) verdier på 38,2 og 28,7%, respektivt. CV verdier for avrenning pH, EC, og Na konsentrasjon for begge studiene var alle under 10%. -Konsentrasjonenns av DOC, TDN, DON, PO 4 -P, K +, Mg 2 +, og Ca 2 + hadde CV verdier som er mindre enn 50% i begge studiene. Totalt sett resultatene av testingen utført etter torv installasjon på anlegget indikerte god ensartethet mellom tomter for avrenning volumer og kjemiske bestanddeler. Den store tomten størrelse er tilstrekkelig til å inkludere mye av det naturlige variabilitet og gir derfor bedre simulering av urbane landskap økosystemer.
Introduction
Fire av de raskest voksende, tett befolkede byområder er lokalisert i den sørlige USA i subtropiske klima en. I tillegg oppstod det største prosentvise endring i urbaniserte land mellom 1982 og 1997 i det sørlige USA 1. Med økt byområder kommer en samtidig behov for drikkevann, hvorav mye er brukt for utendørs bruk i sommermånedene to. Med nye bygg, er programmerbare i bakken vanningsanlegg ofte installert. Dessverre er disse systemene ofte programmert til å levere vanning til urban landskaps oftere og / eller i volumer som overstiger evapotranspirasjon krav landskapet to. Dette resulterer i et betydelig volum av avrenning fra urban landskaps til resipienten, noe som bidrar til det som har blitt betegnet urban strømmen syndrom 3. Symptomer på urban stream syndrom inkluderer økt hyppighet av overland flyt og erosiv flyt, økt nitrogen-n (N), fosfor (P), giftstoffer, og temperaturen i tillegg til endringer i kanal morfologi, ferskvannsbiologi, og økosystemprosesser 3.
Tap av N og P fra landbruket økosystemer har blitt grundig studert og funnet å være først og fremst avhengig av fire faktorer: næringskilde, søknad rente, applikasjons timing, og næringsplassering fire. Mens færre publiserte data finnes i dag på off site bevegelse av næringsstoffer fra urbane landskap, kan disse prinsippene bli brukt direkte til turfgrass kultur, enten i hjemmet plener, torv gårder, parker, eller andre grøntområder. I tillegg kan feilaktig vanningspraksis som resulterer i avrenning fra landskapet forverre disse tapene.
Næringstap kan bli ytterligere endret av vanning vannkvalitet. Områdene i sørvest USA ofte bruke mer saltvann eller soda vann til vanning av hjemme plener og urbane landskap 5,6. Den kjemiske sammensetningvanningsvannet kan vesentlig endre jordkjemi forårsaker en frigjøring av karbon, nitrogen, kalsium, og andre kationer til overvann. Nyere arbeider har vist at økte natrium absorpsjonsforhold (SAR) av ekstrahere vann økte mengdene av karbon (C) og nitrogen (N) utlutet fra St. Augustinegrass utklipp, raigress avklippet gress og annet organisk materiale 7 i betydelig grad. Videre ble vannekstraherbare jord C, N og P tap fra fritids turfgrass jord signifikant korrelert med vanning vann kjemiske bestanddeler seks.
Washbusch et al. studert urban avrenning i Madison, WI og fant at plener var de største bidragsyterne av total fosfor åtte. I tillegg har de også funnet ut at 25% av den totale P i «Street Dirt" stammer fra blader og gresset. I en typisk landlige omgivelser, faller blad søppel på bakken og deretter brytes sakte frigjør næringsstoffer tilbake til solje-miljø. Men i urbane miljøer, kan betydelige mengder næringsrike blader og gress utklipp falle på eller få vasket eller blåst inn hardscapes som oppkjørsler, fortau og veier, deretter på vei ut i gatene der de bidrar til "street skitt" , mye av dette blir vasket direkte inn mottar vassdrag.
Urbane landskap jord er ofte forstyrret og svært komprimert under bygging, som også kan øke mengder avrenning som følge av reduserte infiltrasjons priser ni. Kelling og Peterson rapportert at både total avrenning volum og nærings konsentrasjoner i avrenning fra hjemme plener er økt fra plener som er komprimert eller har alvorlige forstyrrelser i jordprofiler på grunn av tidligere anleggsvirksomhet 10. Edmondson et al. på den annen side funnet at tett jordsmonn var mindre komprimert i forhold til omgivende landbruksjord i by-og forstads regionen Leicester, UK 11. De tilskrives dette tunge landbruks brukt, men de har også bemerket at plener hadde et større jord bulk tetthet enn jorden under trær og busker som ble tilskrevet gress klipping og større menneskelig tråkk.
Det kan virke som i mange situasjoner, er urbane og forstads stream syndromer betydelig påvirket av avrenning og punkt-kilde utslipp 3,12. Mens punkt-kilder kan manipuleres gjennom tillatelser og gjenvinning, er ytterligere forskning er nødvendig for å utvikle og teste beste forvaltningsprosedyrer for hjem plen etablering og styring for å redusere næringstap til avrenning. Tidligere forskningsinnsatsen på dette området har ofte vært sentrert langs kystområdene der det stilles høye sandinnhold jord, på grunn av bekymringer knyttet til effektene av utlekking og avrenning tap av næringsstoffer til kystnære farvann. Men når du arbeider med svært sandholdig jord, må man ha bratte bakker og høye regn priser for å være i stand til å generate noen avrenning 13,14. I kontrast til mange av jordsmonn i det sentrale USA er fin strukturert og har lave infiltrasjons priser som resulterer i betydelige mengder avrenning fra selv små nedbørshendelser. Dermed ble det ønsket å designe og konstruere en avrenning anlegget på stedlige masser og skråningen typisk for de som kan oppstå på bolig landskap.
Dette paperet design, konstruksjon og funksjon av en 1000 m 2 anlegget inneholder 24 individuelle 33.6 m 2 felt tomter for måling av total avrenning volumer ved relativt små timelige resolusjoner og samtidig samling av overvann underutvalg på utvalgte volumet eller tidsmessige intervaller for måling og kvantifisering av kjemiske bestanddeler av overvann.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vann flyte over, inn, og gjennom jord er sterkt påvirket av topografien, vegetative cover, og jorda fysiske egenskaper. Overdrevet komprimerte jord og jord med høyt innhold av leire vil vise reduserte infiltrasjonsrater og økte mengder avrenning. Derfor, når du bygger et anlegg av denne art, alle anstrengelser bør gjøres for å bruke stedlige masser med ensartede bakker og minimere komprimering fra alle typer trafikk på de eksperimentelle områder under bygging. I tillegg bør komprimering fra innlegget byggevedl…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å takke for økonomisk støtte fra Scotts Miracle-Gro selskapet for dette anlegget. Vi er også takknemlige til Toro Co for å få hjelp med å gi vanning kontrolleren. Visjonen og planlegging av den avdøde Dr. Chris Steigler i den tidlige fasen av dette prosjektet er også takknemlig erkjent. Forfatterne vil også gjerne takke Ms N. Stanley for hennes hjelp i forbindelse med prøveopparbeidelse og 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 |
Referências
- 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).
