廃水はアラブ首長国連邦の地下水を救えるか?

Can wastewater save the United Arab Emirates’ groundwater?

超乾燥地帯であるアラブ首長国連邦(UAE)では、地下水の供給量が急速に減少しており、その塩分濃度が高まっている。 涵養がほとんどなく、地下水利用の75%を灌漑が占めているため、この地域の天然水資源は急速に失われつつある。

ワファ・アル・ヤマニ博士はアブダビ環境庁に勤務していたが、同庁はニュージーランドのプラント・アンド・フード・リサーチ社と契約し、高速道路沿いの砂漠の森林の灌漑に下水処理水と地下水を利用することを調査した。

砂漠の森

UAEは都市に供給する水をすべて淡水化しているため、これらの都市から排出される三次処理された下水排水は、砂漠の森林の灌漑用地下水の一部を代替する有効な資源となりうる。これらの森林は、アラブ首長国連邦の高速道路沿いの砂の安定化から、多くの生物多様性の保護まで、幅広い生態系サービスを提供している。森林には文化的な関連性もある。UAEの初代統治者であるシェイク・ザイードは、1970年代に「砂漠の緑化」計画に着手した。

水使用量の測定

アル・ヤマニ博士と彼女の博士号指導教官であるブレント・クロティエ博士は、UAEで最も重要な5つの砂漠林種の灌漑ニーズを定量化することで、地下水の利用を最小限に抑え、価値を最大化することを目標としていた。また、下水処理排水が森林の成長と健康に与える影響も調べたいと考えていた。彼らはMETER社のMini Disk Infiltrometerを使って、点滴灌漑システムがどのように機能するかを調べた。これらの土壌の透水係数は、1時間に2メートルから5メートルです。透水性の高い砂漠の砂です。浸透流計を使って土壌の透水特性を調べることで、バルブ(灌漑用ドリッパーの下の濡れた部分)の幅と水の深さを知ることができます」。

METER フィールド油圧伝導率計についてさらに詳しく

Clothier博士はまた、放射状、深さ、ドリッパーの作動時間による水の動きを予測するソフトウェアも開発した。現在、樹木1本につき2つのドリッパーをセットアップしており、将来的には、樹木が根域からどのように水を取り込んでいるかをモデル化するために使用する予定です」。

科学者たちは、樹液流量と蒸発要求量(ETo)を比較することで、樹木の水使用量を測定するヒートパルス法を用いた。また、土壌水分(含水量)を測定するためにTDR(Time Domain Reflectometry)を使用し、ETOoから樹木の水使用量を予測することを可能にするクロップファクターを予測するために、樹木の葉面積を測定するために樹木の影領域を検出する光センサーを使用した「ライトスティック」を開発した。

A photo of a mini disk infiltrometer

インフィルトメーターがドリッパーの挙動を予測

アル・ヤマニ博士と彼女のチームは、ミニ・ディスク・インフィルトロメーターを使った現場評価で「アンケニー・ツインヘッド法」と呼ぶ方法を使い、ドリッパーの挙動を予測することに成功した。ヘッドを-60mmの位置から始め、定常浸透を測定するために一連の測定を行い、-5mmの位置でそのプロセスを繰り返します。これらの測定値を用いて、飽和透水係数と毛細管現象という2つの未知数を持つWoodings方程式を解く。

 

クロティエ博士によれば、「2つのヘッドで実験しましたが、ウッディングス方程式を使って指数関数的な導電率曲線の傾きを解くことができます。ですから、ドリッパーから離れる湿潤前線の動きを時間と共に予測することができます。このことは、湿潤している土の量を計算するのに非常に役立っている。ドリッパーを1台にすべきか2台にすべきかがわかる。この森では、ドリッパーを2つにしても大丈夫だと思います。2時間灌水すれば、湿潤前線の半径は20cm、深さは約40cmになり、木の根にとっては十分な水量になるからです」。Clothier博士によれば、ドリッパーの周囲には小さな堤防を築き、疎水性や砂の凸凹がある場合にドリップゾーン内に水を溜められるようにした。

処理された排水が塩分問題を解決

歴史的には、アラブ首長国連邦は下水排水をアラビア湾に汲み上げていたが、最近では、砂漠の森林だけでなく、果樹やナツメヤシの灌漑用水としても貴重な水資源と見なすようになった。Clothier博士は言う。「結果が出始めてから、私たちは塩分濃度が約10dS/mと高い地下水で灌漑していることがわかり、下水処理排水の塩分濃度はわずか0.5dS/mであることがわかりました。塩分濃度が高い地下水では、塩分溶出率を維持するために過剰灌漑をしなければならないからだ。しかし、下水処理水を散布すると、塩分負荷が20分の1になるため、すぐに樹木の反応が見られたのです」。

クロティエ博士は、樹木が下水処理水にうまく反応することには問題があると指摘した。処理された下水は樹木をより高く、より早く成長させるため、砂漠の森に求める生態系サービスが樹木の高さ4~6メートルであるならば、それは問題となる。というのも、赤字灌漑を導入することで、より多くの森林を灌漑するために、下水処理水をより大きな資源として活用することができるからだ。

未来はどうなる?

クロティエ博士によれば、2014年にアラブ首長国連邦(UAE)で試験的な研究を開始し、非常に成功したため、2つの全額資金提供による4年間のプロジェクト(1つは下水処理排水に関するもの、もう1つはナツメヤシの灌漑を調査するもの)を立ち上げることになった。最終的な目標は、林業の灌漑と土壌の塩分管理のモデルを開発し、持続可能な林業への灌漑の影響を測定・モデル化する能力を開発することだという。彼らは最近、水利用を最適化するための持続可能な灌漑アドバイスを提供する、コンピューターによる灌漑の意思決定支援ツールのプロトタイプを開発した。この支援ツールは、塩分溶出を維持する必要性を考慮したもので、実際の灌漑記録を入力することで、リアルタイムの利用が可能になる。

を発見するMini Disk Infiltrometer

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