Экспериментальная цель: проверить, как добавление микропластика влияет на фильтрационную способность почвы (насыщенная и/или ненасыщенная проницаемость, инфильтрация).
1) Общая схема эксперимента
- Использовать лабораторные колонны (рекомендуемо: диаметр 5–10 см, длина 20–30 см) или лоток/симулятор дождя для ненасыщенной инфильтрации.
- Подготовить однородные образцы почвы (типы: песок и суглинок — разные текстуры отдельно).
- Ввести микропластик в три варианта формы/размера (волокна, фрагменты, порошок) и в несколько концентраций по массе сухой почвы: например $0\%,0.1\%,1\%,5\%$.
- Для каждого сочетания: минимум репликатов $n=5$ (рекомендуемо $n\ge 5$).
2) Контрольные группы
- Отрицательный контроль: та же почва без микропластика ($0\%$).
- Процедурный контроль: добавление инертных частиц схожего размера и плотности (напр., стеклянные шарики или кварцевый песок) в той же массовой доле, чтобы отделить чисто механический эффект заполнения пор.
- Биологический контроль (опционально): стерилизованная почва с и без микропластика, чтобы отделить влияние биообрастания/биотической активности.
- Положительный контроль (опционально): образец с известным агентом, снижающим проницаемость (например, коллоид) для проверки чувствительности метода.
3) Измеряемые параметры и методы расчёта
- Пропускная способность / насыщенная гидравлическая проводимость $K_s$:
- При постоянном напоре (constant-head): $K=\frac{QL}{A\Delta h}$, где $Q$ — расход, $L$ — длина образца, $A$ — поперечная площадь, $\Delta h$ — напор.
- При убывающем напоре (falling-head): $K=\frac{aL}{At}\ln \frac{h_0}{h_t}$, где $a$ — площадь резервуара, $h_0,h_t$ — начальный и текущий напор, $t$ — время.
- Инфильтрационная способность на поверхности: кумулятивная инфильтрация и скорость инфильтрации при симуляции дождя; доля поверхностного стока.
- Пористость $n$ и массовая плотность:
- Пористость: $n=1-\frac{{\rho }_b}{{\rho }_s}$ (где ${\rho }_b$ — плотность породы, ${\rho }_s$ ≈ $2.65{\text{g/cm}}^3$ для минералов).
- Водоудерживающая способность / кривые влагосодержания (опционально).
- Размерный состав и распределение пор (мерой — медиана пор, пористая плотность) — анализ изображений или MIP.
- Показатели засорения: изменение $K$ во времени, индекс засорения $\%\Delta K=100\%\frac{K_{\text{t}}-K_{\text{ctrl}}}{K_{\text{ctrl}}}$.
- Характеристики микропластика: форма, средний размер частиц, плотность, гидрофобность (для интерпретации).
4) Протокол измерений и временная шкала
- Уплотнить почву до заданной плотности (фиксировать ${\rho }_b$).
- Добавить микропластик равномерно при упаковке.
- Сатурация и стабилизация; затем проводить измерения начального $K_s$.
- Повторять измерения через интервалы (напр., 1 сутки, 1 неделя, 1 месяц) чтобы отследить динамику (оседание частиц, биообрастание, закупорка).
- Для ненасыщенной системы — симуляция осадков и измерение накопленной инфильтрации и стока.
5) Статистическая обработка
- Проверить нормальность/гомоскедастичность; при необходимости лог‑преобразование данных.
- Однофакторный/многофакторный ANOVA (факторы: концентрация, форма, тип почвы) с последующим пост‑hoc (Tukey) сравнением.
- Регрессионный анализ зависимости $K$ от концентрации микропластика; оценка порога значимого эффекта.
6) Возможные источники систематической ошибки и способы снижения
- Неоднородная упаковка почвы (влияние на пористость): уменьшить вариабельность стандартизированной процедурой уплотнения и контролем ${\rho }_b$.
- Неровное распределение микропластика (локальные скопления): тщательное смешивание, контроль посредством срезов/визуализации.
- Канализация потока по стенкам колонны: использовать обшивку/низкофрикционные вкладыши или корректировать монтаж, проверять равномерность потока.
- Испарение и изменение водного баланса в ходе эксперимента: проводить при контролируемой влажности/температуре или компенсировать измерениями массы.
- Потеря микропластика при оттоке (частицы выносятся): собирать и анализировать коллекторный материал, корректировать массу/концентрацию.
- Влияние биомассы/биопленок: отдельные стерильные и нестерильные пробы; регулярная микробиологическая оценка.
- Неправильная калибровка приборов (расходомеры, датчики уровня): регулярная калибровка и калибровочные проверки.
- Влияние электростатических или гидрофобных свойств микропластика (привязка к частицам почвы): учитывать характеристики материала и, при возможности, использовать несколько типов полимеров.
- Эффект времени (старение, агломерация): проводить длительные серии измерений и документировать изменение свойств частиц.
Краткое резюме параметров для запуска (пример)
- Почва: песок и суглинок.
- Концентции: $0,0.1\%,1\%,5\%$ (по массе).
- Формы: волокна / фрагменты / порошок.
- Репликаты: $n=5$.
- Ключевые выходы: $K_s$, кумулятивная инфильтрация, пористость $n$, динамика изменения $K$.
- Анализ: ANOVA + регрессия; учёт систематических ошибок, контрольные группы как описано выше.
При необходимости могу дать шаблон протокола пошагово (оборудование, точные размеры колонн, инструкции по упаковке и измерению).