ペンシルベニア州ピッツバーグを拠点とする革新的な土壌科学者ジョン・バック氏は、雨水管理のための緑のインフラの有効性と最適なタイプを決定するために、土壌監視機器を使用してさまざまな都市でこの質問に定量的に答えようと努めてきました。

なぜ屋上緑化なのか？

古い都市では、雨水は通常、下水と合流し、晴天時や小雨時には下水処理場で処理されます。しかしながら、より激しい雨（時には数mm程度の雨量）の際には、合流した水は下水処理場の処理能力を超え、処理されずに「合流式下水越流水」（CSO）として表層水に排出されます。CSOを軽減する方法の一つは、雨水を捕捉・貯留し、合流式下水道に流入させないようにすることです。屋上緑化は、基本的に屋上の庭園ですが、土壌で植物を育てるのではなく、膨張頁岩、膨張粘土、砕石レンガ、またはその他の浸透率の高い多孔質で軽量な素材で作られた合成基質を使用します。雨天時には、基質内の空気を含んだ空隙に水が浸透し、スポンジのように雨水を吸収します。余分な水は地下排水層に流れ込み、既存の屋根排水管を通って屋上緑化から排出されます。雨水の大部分は基質に蓄えられるため、雨水量や CSO に寄与するのではなく、後で蒸発散によって消散する可能性があります。

答え探し

設計者や規制当局は、屋上緑化がどの程度うまく機能しているか、また過剰設計されていないかを知りたいと考えています。彼らが知りたいのは、「どのような種類の基質を使用すればよいか」「どのような種類の植物が屋上緑化の環境で生き残れるか」「植物に水をやるための嵐がないときに屋上緑化に灌漑する必要はあるか」「屋上緑化は、30分以上にわたって発生する1インチの嵐と5日間にわたって発生する5インチの嵐で同じように機能するか」などの質問への回答です。Buck氏は、土壌ライシメーターと改造した転倒枡雨量計を使用して、屋上緑化に出入りする水の量、強度、および水質を測定しています。また、気象パラメータを追跡し、景観の毎日の蒸発散量を計算しています。METER 土壌センサーを使用して、電気伝導率 (溶解塩類)、体積水分量、および温度を測定しています。彼は、GSM セルラー接続を介してデータを Web に送信する METER データロガーを設置し、関係者がリアルタイムでデータにアクセスできるようにしています。このデータ テレメトリにより、データのセキュリティが強化され、結果がすぐに更新され、システムの問題のフィードバックが即時に得られるほか、他のユーザーとデータを簡単に共有できるようになります。

屋上緑化の新たな挑戦

屋上緑化の結果は有望ですが、植物に十分な水が行き渡るようにするという新たな課題があります。課題の核心は、屋上緑化設計の標準である軽量の膨張した頁岩/粘土基質材料は水をうまく吸収するものの、一般的な土壌とは異なる特殊な特性を持っていることです。具体的には、膨張した頁岩と膨張した粘土の媒体は、マクロポアの割合が高い砂と細かい砂利サイズの粒子が大部分を占める傾向がありますが、大きな粒子の内部多孔性はミクロポアが大部分を占めています。この細孔サイズ分布から、研究者は 2 つの重要な疑問に至ります。植物の成長にすぐに利用できる水の量はどの程度か。また係数は、土壌全体から根に水が流れるようにすることで、高い蒸発需要の下で根が飢餓状態にならないようにするのに十分だろうか。これらは、屋上緑化技術が進化し続ける中で重要な疑問です。

屋上緑化の検証に必要な測定

それでも、バック氏は自身の研究から多くのことを学びました。夏の嵐の空間分布が激しいことを考慮すると、定量的な緑化屋根の性能調査には、降雨量をその地域で測定することが必要です。土壌水分含有量の測定値を、降雨量および土壌ライシメーターによる排水の測定と併せてモニタリングすることで、総飽和度と毛細管飽和度、排水速度、貯留可能な多孔度が明らかになります。地下排水層に溜まった水の毛細管境界内に設置された METER 土壌水ポテンシャル センサーは、排水層とその上にある土壌の乾燥度、および排水層内で利用可能な雨水貯留量に関する有用な情報を提供します。ライシメーターを使用した土壌排水の直接測定は、緑化屋根の性能定量化プロジェクトにおける重要な補足測定です。なぜなら、乾燥に強い高山性多肉植物 (通常はセダム属) を緑化屋根に使用する場合、測定されていない貯水量要素が存在するためです。セダムは、植物組織で最大 10 mm 相当の降雨量を吸収できます。

その他のプロジェクトと今後の計画

地上レベルでは、バック氏はレインガーデン、バイオリテンションエリア、またはより一般的には浸透ベースの雨水ベストマネジメントプラクティス（浸透ベースのBMP）として知られる集中的な雨水浸透エリアのパフォーマンスを定量化しています。浸透ベースの雨水BMPを監視する際、バック氏は屋上緑化で使用されるものと同様のツールを使用していますが、水位センサーとピエゾメーターを追加しています。バック氏は、水分含有量センサーでよく使用される電気伝導率の補助的な測定値と、表面水および間隙水のサンプリングを使用して、浸透システムで起こっている変化を記録できることを発見しました。これらの測定値を組み合わせることで、屋上緑化と浸透ベースのBMPが都市環境に確かに変化をもたらし、CSOに貢献していることがわかりました。現在の課題は、このテクノロジーをより広範囲に実装する方法です。しかし、検証が手元にあるため、その作業はかなり容易になるはずです。

METERデータロガー、土壌水分・水ポテンシャルセンサーを ご覧ください。

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