Design og konstruktion af en Urban Afstrømning Research Facility
Summary
Dette papir beskriver design, konstruktion og funktion af en 1.000 m 2 anlæg, der indeholder 24 individuelle 33,6 m 2 parceller, der er udstyret til måling af den samlede afstrømning mængder med tiden og indsamling af afstrømning delprøver med valgte intervaller til kvantificering af kemiske bestanddele i afstrømningen af vand fra simulerede hjem græsplæner.
Abstract
Som bybefolkningen stiger, så gør området kunstvandes urbane landskab. Sommer vandforbruget i byområder kan være 2-3 x vinter basislinie vandforbrug på grund af øget efterspørgsel efter vanding. Forkert vandingspraksis og store regnskyl kan resultere i afstrømning fra urbane landskaber, der har potentiale til at bære næringsstoffer og sedimenter i lokale vandløb og søer, hvor de kan bidrage til eutrofiering. En 1.000 m 2 anlæg blev konstrueret som består af 24 individuelle 33,6 m 2 parceller, hver udstyret til måling af den samlede afstrømning mængder med tiden og indsamling af afstrømning delprøver med valgte intervaller til kvantificering af kemiske bestanddele i afstrømningen af vand fra simulerede urbane landskaber. Afstrømning mængder fra den første og anden forsøg havde koefficient på variation (CV) værdier på 38,2 og 28,7%, hhv. CV værdier for afstrømning pH, EF, og Na-koncentrationen for begge forsøg var alle under 10%. Concentrations af DOC, TDN, DON, PO 4-P, K +, Mg2 +, og Ca2 + havde CV-værdier mindre end 50% i begge forsøg. Samlet set resultaterne af en undersøgelse udført efter spadestik installation på anlægget angivne god ensartethed mellem grunde til afstrømning mængder og kemiske bestanddele. Den store plot størrelse er tilstrækkelig til at omfatte meget af den naturlige variation, og dermed bedre simulering af Urbane landskab økosystemer.
Introduction
Fire af de hurtigst voksende, meget befolkede storbyområder ligger i det sydlige USA i subtropisk klima 1. Desuden forekom den største procentvise ændring i urbaniserede land mellem 1982 og 1997 i det sydlige USA 1. Med øget byområder kommer en samtidig behov for drikkevand, hvoraf meget er brugt til udendørs brug i sommermånederne 2. Med ny konstruktion, er programmerbare i jorden vandingssystemer ofte installeret. Desværre er disse systemer ofte programmeret til at levere vanding til byerne landskabspleje oftere og / eller i mængder, der overstiger evapotranspiration krav landskabet 2. Dette resulterer i en betydelig mængde afstrømning fra byområder landskabspleje til recipienterne, hvilket bidrager til, hvad der er blevet betegnet urban stream syndrom 3. Symptomer på den urbane strøm syndrom omfatter øget hyppighed af overland flow og eroderende flow, øget nitrogen (N), fosfor (P), giftstoffer og temperatur i tillæg til ændringer i kanal morfologi, ferskvand biologi og økosystem processer 3.
Tab af N og P fra landbruget økosystemer er blevet grundigt undersøgt og fundet at være primært afhængig af fire faktorer: næringskilde, anvendelsen rente ansøgning timing, og næringsstof arbejdsformidling 4. Mens færre offentliggjorte data i øjeblikket findes på off site flytning af næringsstoffer fra urbane landskaber, kan disse principper anvendes direkte til plænegræs kultur, både i hjemmet græsplæner, spadestik gårde, parker eller andre grønne områder. Derudover kan upassende vandingspraksis der resulterer i afstrømningen fra landskabet forværre disse tab.
Tab af næringsstoffer kan yderligere ændres ved kunstvanding vandkvalitet. Områder i det sydvestlige USA ofte anvender mere saltvand eller sodisk vand til vanding af hjem græsplæner og urbane landskaber 5,6. Den kemiske sammensætning afvandingsvandet kan i væsentlig grad ændre jordkemi forårsager en frigivelse af kulstof, kvælstof, calcium og andre kationer til overfladevand. Nyligt arbejde viste, at øget natrium absorption ratio (SAR) i udvinding vandet steg mængden af kulstof (C) og kvælstof (N) udvasket fra St. Augustinegrass udklip, rajgræs udklip og andre organiske materialer 7 betydeligt. Endvidere blev vandekstraherbare jord C, N og P tab fra rekreative baneforhold jord signifikant korreleret med vandingsvand kemiske bestanddele 6.
Washbusch et al. studerede urban afstrømning i Madison, WI og fandt, at græsplæner var de største bidragydere af total fosfor 8. Desuden fandt de også, at 25% af den samlede P i "Street Dirt" stammer fra blade og græs. I en typisk landlige omgivelser, nedfaldne blade falder ned på jorden og derefter nedbrydes langsomt frigiver næringsstoffer tilbage til soliemiljø. Men i bymiljøer, kan betydelige mængder næringsrige blade og græs falder på eller få vasket eller blæst på hardscapes såsom indkørsler, fortove og veje, som senere gør deres vej ind i gaden, hvor de bidrager til "street snavs" , hvoraf meget bliver skyllet direkte ind i modtager vandveje.
Urbane landskab jord er ofte forstyrret og stærkt komprimeret under konstruktion, hvilket også kan øge mængden af afstrømning på grund af reduceret infiltration satser 9. Kelling og Peterson rapporterede, at både den samlede afstrømning volumen og koncentrationer af næringsstoffer i afstrømningen fra hjemmet græsplæner er steget fra græsplæner, der er komprimeret eller har alvorligt forstyrrede jordprofiler grundet tidligere byggeaktiviteter 10. Edmondson et al. på den anden side, fandt, at byområder jord var mindre sammenpresset i forhold til omkringliggende landbrugsjord i byer og forstæder region Leicester 11 Storbritannien. De tilskrives dette til de tunge landbrugsmaskiner brugt, men de bemærkede også, at græsplæner havde større jord rumvægt end jord under træer og buske, som blev tilskrevet græsslåning og større menneskelig tramper.
Det ser ud til, at det i mange situationer er byer og forstæder stream syndromer væsentligt påvirket af afstrømning og punktkilde udledninger 3,12. Mens punktkilder kan manipuleres gennem tilladelser og genbrug, er der behov for yderligere forskning for at udvikle og teste de bedste procedurer for hjemmet græsplæne etablering og drift ledelse for at minimere tab af næringsstoffer til afstrømning. Tidligere forskningsindsats på dette område har ofte været centreret langs kystområder, hvor der er høje sandindhold jord, på grund af betænkeligheder med hensyn til virkningerne af udvaskningen tab af næringsstoffer til kystvande. Men når man arbejder med meget sandjord, skal man have stejle skråninger og store regnmængder, så de kunne slægterægte v enhver afstrømning 13,14. I modsætning hertil mange af jord i det centrale USA er flot struktureret og har lave infiltration satser, der resulterer i betydelige mængder af afstrømningen fra selv små regnskyl. Det blev således ønsket at designe og konstruere en afstrømning facilitet på indfødte jord og hældning typisk for dem, der kan forekomme på boligområder landskaber.
Dette papir beskriver design, konstruktion og funktion af en 1.000 m 2 anlæg, der indeholder 24 individuelle 33,6 m 2 parceller til måling af den samlede afstrømning mængder ved relativt små tidsmæssige resolutioner og samtidig indsamling af overfladevand delprøver på udvalgte volumetrisk eller tidsmæssige intervaller for måling og kvantificering af kemiske bestanddele af overfladevand.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vand flyde over, ind i og gennem jord er stærkt påvirket af topografien, vegetative dække, og jordens fysiske egenskaber. Udpræget sammenpressede jord og jord med et højt indhold af ler vil udvise reduceret infiltration satser og øgede mængder af afstrømning. Derfor, når bygge et anlæg af denne art, bør der gøres en indsats for at bruge indfødte jord med ensartede skråninger og minimere komprimering fra alle typer af trafik på de eksperimentelle områder under opførelsen. Desuden bør komprimering fra po…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker for finansiel støtte fra The Scotts Miracle-Gro Company til denne facilitet. Vi er også taknemmelige for Toro Co for hjælp med at give kunstvanding controller. Visionen og planlægning af den afdøde Dr. Chris Steigler i de tidlige stadier af dette projekt også taknemmeligt anerkendt. Forfatterne vil også gerne takke Ms N. Stanley for hendes teknisk bistand med forberedelse og analyse prøve.
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 |
References
- 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).
