インパクトの少ないデザインセンサーがカリフォルニアの地下水資源管理を検証する

Low impact design: Sensors validate California groundwater resource management

バークリー研究所の研究科学者であるミシェル・ニューカマー博士は、乾燥した気候の中で雨水を浸透させ、貯留するローインパクト・デザインの効果を知りたいと考えた 、 そこで彼女は、それを調べる研究の一環として、カリフォルニア沿岸ウエストサイド盆地の帯水層システム周辺のレインガーデンと浸透トレンチにMETERの土壌水分および水ポテンシャルセンサーを設置した。

低インパクト設計構造

都市部や沿岸地域の地下水資源は、人的圧力の増大や気候変動に対して非常に脆弱である。建物、道路、駐車場などの不浸透性地表面は、浸透を妨げ、帯水層への涵養を減少させ、地表流出水中の汚染物質を増加させ、下水システムをオーバーフローさせることが多い。このような影響を緩和するため、世界中の都市では、雨水の流出を減らし、ろ過し、緩やかにするレインガーデンなどの自然の植生システムに流出水を誘導する低影響設計(LID)アプローチを採用している。LIDは、帯水層への浸透と涵養率を仮想的に増加させる。

浸透と涵養

ジェイソン・ガーダック博士の助言を受けたサンフランシスコ州立大学のミシェルとチームは、特にエルニーニョ南方振動(ENSO)の経年変動に対応して太平洋沿岸の都市で激しい降水が発生した場合に、涵養率と水質に対するLIDの効果が不明であることに気づいた。METERの水ポテンシャルと 含水量センサーを使用して、カリフォルニア沿岸ウェストサイド盆地の帯水層系への浸透と涵養の現在と予測率を定量化することができた。研究チームは、レインガーデンに囲まれたLID浸透トレンチと、サンフランシスコの伝統的な芝生を比較した。

サンフランシスコのような都市では、このようなLID構造を導入しており、そこを通過する水の量をテストしたかったのです」と彼女は言う。エルニーニョとラニーニャのような異なる気候シナリオに特に興味がありました。

schematic depiction of the instrumentation used to measure infiltration in trench and lawn sites

サンフランシスコ州立大学(SFSU)の低インパクト開発(LID)研究ネットワークにある浸透トレンチサイトの(a)縦断面A-A'(挿入図参照)と(b)灌漑芝生サイトの下に沿った計測器とコアの位置の概略図(縮尺は描かれていない)。側方断面B-B'(挿入図参照)は、Hydrus 2-Dモデルのシミュレーションに使用された。

 

センサーが物語る

研究チームは、LID構造物が通過させることができる水の量の違いを調べた。水ポテンシャルと土壌水分センサーから、LIDエリアが水を捕捉し、よりゆっくりと浸透させ、帯水層に本質的に貯留させるのに効果的であることを証明するデータが得られました」とミシェルは言う。研究チームは、低負荷開発スタイルの浸透トレンチと灌漑された芝生との比較をテストし、浸透トレンチの涵養効率が58%から79%と、芝生の8%から33%よりもはるかに高いことを発見した。

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graph showing a daily time series of precipitation and volumetric water content measurements at the study trench site

浸透トレンチサイトの砂利下の5つのMETER土壌水分センサーによる降水量と体積水分量(m3m3)の日次時系列データ

 

graph showing a daily time series of precipitation and volumetric water content measurements at the study irrigated lawn site

灌漑芝生の地表下に設置された5つのMETER土壌水分センサーによる降水量と体積水分量(m3m3)の日次時系列データ

 

雨量計が驚きをもたらす

研究者たちの当初の計画にはなかったが、雨量計を使って降水量を測定したところ、驚くべきデータが得られた。

サンフランシスコのデータベースだけを使うつもりでしたが、霧が発生したため、雨量計を使う必要が出てきました。霧は、雨粒の形ではない多くの降水をもたらした。それが葉に結露し、予算のかなりの部分を占めていた。雨量計は結露した水を漏斗の上で捕らえるので、通常多くの研究では無視されるような量の水が流入していることを確認できた。

エルニーニョによる今後の降水量

ミシェルはエルニーニョとラニーニャに関しても興味深い結果を見つけた。エルニーニョとラニーニャの年における降水イベントの頻度、強度、期間のベースラインを確立するために過去の分析を行いました。そして、予測された気候データをHydrus-2Dモデルにかけたところ、将来のエルニーニョの強さによって、ある降水現象に対する涵養率が実質的に高くなることがわかりました。このような現象が発生した場合、典型的な都市環境では水が急速に流出するため、雨水貯水池や雨水溝だけが、そうでなければ海に流出してしまう雨を汲み上げることができる。これはラニーニャ気候のシナリオとは対照的で、一般的に雨量は少なく、拡散しやすい。雨のほとんどは、乾季には蒸発によって失われる。そこで、センサーと2次元モデリングを使って、特にエルニーニョの年には激しい暴風雨があるため、LID構造が水を貯める役割を果たすという仮説を検証した。

ミシェルの研究はオンラインでも報道され、AGUEOSのEditor's spotlightでも紹介された。彼女の研究成果はWater Resources Research誌に掲載された。

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