廃水はアラブ首長国連邦の地下水を救えるか？
極度の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ます。
涵養量は非常に少なく、地下水使用量の75%は灌漑用水に充てられているため、この地域の天然水資源は急速に消滅しつつあります。
ワファ・アル・ヤマニ博士は、アブダビ環境庁に勤務していました。同庁はニュージーランドの植物食品研究所と契約し、処理済みの下水処理水と地下水を使用して高速道路沿いの砂漠の森林に灌漑する研究を行っていました。
砂漠の森
UAEは都市部の水道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下水は、砂漠の森林の灌漑用水として地下水の一部を代替する有効な資源となり得ます。これらの森林は、UAE全土の高速道路沿いの砂の安定化から、多様な生物の生息地に至るまで、幅広い生態系サービスを果たしています。また、森林には文化的なつながりもあります。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」プログラムに着手しました。そのため、人々は砂漠の森林を建国者の遺産と見なしています。
水使用量の測定
アル・ヤマニ博士と博士課程の指導教官であるブレント・クロシエ博士は、UAEで最も重要な砂漠林業樹種5種の灌漑ニーズを定量化することで、地下水使用量を最小限に抑え、価値を最大化することを目標としていました。また、処理済み下水処理水が森林の成長と健全性に与える影響も明らかにしたいと考えていました。彼らは、点滴灌漑システムの仕組みを調査するために、METERミニディスク浸透計を使用しました。クロシエ博士は次のように述べています。「これらの土壌の透水係数は1時間あたり2～5メートルです。これは透水性に優れた砂漠の砂です。浸透計を用いて土壌の水理特性を調べることで、バルブ（灌漑ドリッパーの下の濡れた部分）の幅と水の移動深を知ることができます。」
クロシア博士は、水の動きを放射状、深さ、点滴灌漑システムの稼働時間に応じて予測するソフトウェアも開発しました。「現在、樹木1本につき点滴灌漑システムを2つ設置しており、今後はこれを用いて、樹木が根圏からどのように水を吸収しているかをモデル化する予定です。」とクロシア博士は述べています。
研究者たちは、熱パルス法を用いて樹液流と蒸発要求量（ETo）を比較することで樹木の水分利用量を測定しました。また、時間領域反射率測定法（TDR）を用いて土壌水分（水分含有量）を測定しています。さらには、光センサーを用いて樹木の影の部分を検知することで樹木の葉面積を測定する「ライトスティック」を開発し。EToから樹木の水分利用量を予測できる作物係数を予測することに成功しました。
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、ミニディスク浸透計を用いた現場評価に「アンケニー・ツインヘッド法」と呼ばれる手法を用い、この手法でドリッパーの挙動を予測することに成功しました。まず水頭を-60mmに設定し、一連の測定を行って定常浸透を測定し、次に-5mmで同じ手順を繰り返します。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つの未知数を持つウッディングス方程式を解きます。
クロシエ博士は次のように述べています。「2つの灌漑ヘッドで実験を行い、ウッディングの式を用いて指数伝導率曲線の傾きを求めることができます。そのため、時間の経過とともに、湿潤面がドリッパーからどのように移動するかを予測できます。これは、どの程度の土壌を湿潤させているかを計算するのに非常に役立ちました。これにより、ドリッパーを1つ設置すべきか2つ設置すべきかが分かります。この森林では、2つのドリッパーが適切だと考えています。2時間灌漑すれば、湿潤面の半径は20cm、深さは約40cmになり、樹木の根に十分な水量となるからです。」クロシエ博士によると、疎水性や不均一な砂の場合に備えて、ドリッパーの周囲に小さな土手を作り、滴下ゾーン内に水を閉じ込められるようにしたとのことです。
処理された排水が塩分問題を解決
UAEは歴史的に、下水をアラビア湾に排出してきましたが、近年、下水を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して捉える方向に変化しています。クロシア博士は次のように述べています。「研究結果が出始めると、灌漑に使用していた地下水の塩分濃度は約10 dS/mと高く、下水処理水はわずか0.5 dS/mであることがわかりました。これは重要な発見でした。なぜなら、塩分濃度の高い地下水では、塩分浸出率を維持するために過剰灌漑を行わなければならないからです。しかし、下水処理水を散布すると、塩分負荷が20分の1にまで減少するため、樹木にすぐに反応が見られるのです。」
クロシア博士は、樹木が下水処理水に非常によく反応していることに一つ問題があると指摘しました。処理済み下水処理水は樹木をより高く、より速く成長させるため、砂漠の森林に期待する生態系における樹木の高さが4～6メートルだとすると、問題となります。しかし、博士はこう答えます。「これはむしろプラスの問題です。なぜなら、灌漑不足を誘発することで、より多くの処理済み下水処理水資源を創出し、より多くの森林に灌漑を行うことができるからです。」
未来はどうなる？
クロシア博士によると、2014年にUAEでパイロットスタディを開始し、これが大成功を収めたため、最終的に2つの4年間のプロジェクト（処理済み下水処理水に関するプロジェクトとナツメヤシの灌漑に関するプロジェクト）が全額資金提供を受けて実現したとのことです。博士によると、これらのプロジェクトはUAEでさらに3年半続く予定で、最終的には森林灌漑と土壌塩分管理のモデルを開発し、持続可能な森林管理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が目標だとのこと。博士らは最近、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ために、灌漑のためのコンピューター化された意思決定支援ツールのプロトタイプを開発しました。この支援ツールは塩分浸出の維持管理の必要性を考慮しており、実際の灌漑記録を入力してリアルタイムで使用できるようにしています。
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