低インパクト設計：センサーがカリフォルニア州の地下水資源管理を検証

低インパクト設計構造

都市部や沿岸地域における世界の地下水資源は、人為的圧力の増大と気候変動の影響を非常に受けやすくなっています。建物、道路、駐車場などの不浸透面は、地下水への浸透を阻害し、地下帯水層への涵養を減少させ、下水道への溢水を引き起こす表面流出水に含まれる汚染物質を増加させます。こうした影響を軽減するため、世界中の都市では、雨水ガーデンなどの自然植生システムに流出水を誘導する低インパクト設計（LID）アプローチを採用しています。LIDは、雨水流出を抑制、ろ過、減速させる効果があります。LIDは、帯水層への浸透と涵養率を高めるとされています。

浸透と涵養

ミシェルとサンフランシスコ州立大学のチームは、ジェイソン・ガーダック博士の指導の下、LIDが地下水涵養率と水質に与える影響が未解明であることに気付きました。特に、エルニーニョ南方振動（ENSO）の年々変動に伴う太平洋沿岸の都市での豪雨発生時には、その影響は顕著でした。ミシェルは、METERの水ポテンシャル（土壌吸引力）と含水量センサーを使用して、カリフォルニア州沿岸西側盆地帯水層システムへの浸透と涵養の現状と予測速度を定量化することに成功しました。チームは、サンフランシスコにおいて、レインガーデンに囲まれたLID浸透トレンチと、従来の芝生の配置を比較しました。

彼女はこう語ります。「サンフランシスコのような都市ではLID構造が導入されており、私たちはそこを通過する水の量を調べたいと考えました。特にエルニーニョとラニーニャといった異なる気候シナリオに興味がありました。エルニーニョの年には降雨がはるかに激しくなり、鉄砲水や地表汚染物質の流出問題を引き起こす可能性があるからです。」

センサーが物語る

研究チームは、LID（低インパクト開発）構造体が透過させる水量の違いを調査しました。ミシェルは次のように述べています。「水ポテンシャルおよび土壌水分センサーから得られたデータにより、LIDエリアは水を捕捉し、ゆっくりと浸透させ、実質的に帯水層へ貯留する上で効果的であることが実証されました。」同チームは、LID方式の浸透トレンチと散水を行う芝生とを比較する試験を行い、浸透トレンチの涵養（かんよう）効率が58%～79%であったのに対し、芝生は8%～33%にとどまり、浸透トレンチの方がはるかに高い効率を示したことを明らかにしました。

お客様のアプリケーションに最適な土壌水分センサーをお選びください。

雨量計が驚きをもたらす

研究者たちの当初の計画にはありませんでしたが、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ました。

ミシェルは次のように述べています。「当初は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、霧の影響で雨量計も使用する必要が出てきました。霧は、通常の雨粒という形ではないものの、多量の水分をもたらしていたのです。霧が葉の表面で凝結して水となり、それが水収支におけるかなりの割合を占めていたことには驚かされました。雨量計は装置の漏斗（ろうと）部分に生じた凝結水も捉えていたため、多くの研究では通常見落とされがちな量の水が供給されていることを確認できたのです。」

エルニーニョによる今後の降水量

「エルニーニョ年およびラニーニャ年における降雨イベントの頻度、強度、持続時間の基準値を設定するため、過去のデータを分析しました。続いて、将来の気候予測データをHydrus-2Dモデルに入力して解析を行ったところ、将来予想される強度のエルニーニョ条件下では、同程度の降雨イベントであっても地下への水供給（涵養）率が実質的に高くなることが示されました。一般的な都市環境では、こうした降雨時の流出速度が非常に速いため、本来なら海へ流出してしまう雨水を捕捉できるのは、レインガーデン（雨水浸透庭園）やトレンチ（浸透溝）といった施設だけです。これは、降雨量が比較的少なく、雨が分散して降る傾向にあるラニーニャの気候シナリオとは対照的です。ラニーニャのような乾燥した年には、降雨の大部分が最終的に蒸発によって失われてしまう可能性があります。つまり、センサーと2次元モデリングを用いた検証により、LID構造物が水を貯留する機能を果たしているという仮説が裏付けられたのです。特に、激しい豪雨を伴うエルニーニョ年において、その効果は顕著です。」

ミシェルの研究はオンラインのメディアで取り上げられたほか、AGU（米国地球物理学連合）の『Eos』誌における「Editor’s Spotlight（編集者注目の記事）でも紹介されました。研究成果はWater Resources Research誌に掲載されています。

「研究者対象 水ポテンシャル完全ガイド」をダウンロード