폐수가 아랍에미리트의 지하수를 구할 수 있을까요?

Can wastewater save the United Arab Emirates’ groundwater?

극도로 건조한 아랍에미리트(UAE)는 지하수 공급이 급격히 줄어들고 있으며, 그 물은 점점 더 염분화되고 있습니다. 지하수 사용량의 75%를 차지하는 재충전 및 관개가 거의 이루어지지 않아 이 지역의 천연 수자원이 빠르게 사라지고 있습니다.

와파 알 야마니 박사는 아부다비 환경청에서 근무하며 뉴질랜드의 식물 및 식품 연구소와 계약을 맺고 하수 폐수와 지하수를 처리하여 고속도로를 따라 사막 숲에 관개하는 방법을 연구했습니다.

사막의 숲

UAE는 도시의 모든 물을 담수화하기 때문에, 이 도시에서 나오는 3차 처리 하수 폐수는 사막 숲의 관개용 지하수를 대체할 수 있는 유용한 자원이 될 수 있습니다. 이 숲은 모든 아랍에미리트 고속도로의 모래 안정화부터 다양한 생물 다양성의 보금자리까지 광범위한 생태계 서비스를 제공합니다. 숲과 문화적인 연관성도 있습니다. UAE의 초대 통치자였던 셰이크 자이드는 1970년대에 '사막 녹화' 프로그램을 시작했기 때문에 국민들은 사막 숲을 건국자의 유산으로 여깁니다.

물 사용량 측정

알 야마니 박사와 그녀의 박사 지도교수인 브렌트 클로티에 박사는 UAE의 가장 중요한 5가지 사막 임업 종의 관개 수요를 정량화하여 지하수 사용을 최소화하고 가치를 극대화하는 것을 목표로 삼았습니다. 또한 처리된 하수 폐수가 숲의 성장과 건강에 미치는 영향도 파악하고자 했습니다. 연구팀은 점적 관개 시스템이 어떻게 작동하는지 조사하기 위해 METER 미니 디스크 인필트로미터를 사용했습니다. 클로티에 박사는 "이 토양은 시간당 2~5미터의 유압 전도도를 가지고 있습니다. 투과성이 높은 사막 모래입니다. 침투계로 토양의 수력학적 특성을 살펴봄으로써 전구(관개 점적기 아래의 젖은 부분)의 넓이와 물이 얼마나 깊이 이동하는지 알 수 있습니다."라고 말합니다.

METER 필드 유압 전도도 계기에 대해 자세히 알아보기

클로티에 박사는 또한 점적기가 켜져 있는 시간과 깊이에 따라 물의 이동을 방사형으로 예측하는 소프트웨어도 개발했습니다. 그는 "이제 나무 한 그루당 두 개의 점적기를 설치했으며, 앞으로 나무가 뿌리 영역에서 물을 흡수하는 방식을 모델링하는 데 사용할 것입니다."라고 말합니다.

과학자들은 열 펄스 방법을 사용하여 수액 흐름과 증발 수요(ETo)를 비교하여 나무의 물 사용량을 측정했습니다. 이들은 시간 영역 반사 측정법(TDR)을 사용하여 토양 수분 (수분 함량)을 측정하고, 빛 센서를 사용하여 나무의 그림자 영역을 감지하는 '라이트 스틱'을 개발하여 나무의 잎 면적을 측정하여 ETo로부터 나무의 물 사용량을 예측할 수 있는 작물 인자를 예측했습니다.

A photo of a mini disk infiltrometer

인필트로미터로 드리퍼 동작 예측

알 야마니 박사와 그녀의 팀은 미니 디스크 인필트로미터로 현장 평가를 위해 "Ankeny 트윈 헤드 방법"이라고 부르는 방법을 사용했으며, 이를 통해 드리퍼 동작을 예측할 수 있었습니다. 이들은 -60mm의 헤드에서 시작하여 일련의 측정을 수행하여 지속적인 침투를 측정한 다음 -5mm에서 이 과정을 반복합니다. 이러한 측정값을 사용하여 포화 유압 전도도와 모세관 현상이라는 두 가지 미지수가 있는 우딩 방정식을 풀었습니다.

 

클로티에 박사는 "우리는 두 개의 헤드에서 이 작업을 수행했으며 우딩스 방정식을 사용하여 지수 전도도 곡선의 기울기를 풀 수 있습니다. 따라서 시간이 지남에 따라 드리퍼에서 멀어지는 습윤 전선의 움직임을 예측할 수 있습니다. 이는 우리가 적시는 토양의 양을 계산하는 데 매우 유용했습니다. 드리퍼를 한 개 또는 두 개를 사용해야 하는지 알려줍니다. 이 숲에서는 두 개의 드리퍼로 2시간 동안 관개하면 습윤 전선의 반경이 20cm, 깊이가 약 40cm가 되어 나무 뿌리에 충분한 양의 물을 공급할 수 있기 때문에 두 개의 드리퍼로도 충분하다고 생각합니다." 클로티에 박사는 또한 점적기 주변에 작은 제방을 만들어 소수성이나 고르지 않은 모래가 있을 경우 점적기 내부에 물을 가둘 수 있도록 했다고 말합니다.

폐수 처리로 염분 문제 해결

역사적으로 UAE는 하수 폐수를 아라비아만으로 펌핑했지만, 최근에는 사막의 숲뿐만 아니라 과일 작물과 대추야자의 관개를 위한 귀중한 수자원으로 인식하는 방향으로 전환하고 있습니다. 클로티에 박사는 "결과를 얻기 시작하자 염도가 약 10dS/m로 높은 지하수로 관개하고 있고, 처리된 하수 유출수는 0.5dS/m에 불과하다는 사실을 깨달았습니다. 염분이 높은 지하수를 사용하면 염분 침출 비율을 유지하기 위해 과도하게 관개해야 하기 때문에 이것은 중요한 발견이었습니다. 하지만 처리된 하수 유출수를 적용하자 염분 부하가 20분의 1에 불과해 나무에 즉각적인 반응이 나타났습니다."

클로티에 박사는 나무들이 하수 폐수에 너무 잘 반응하는 데 한 가지 문제가 있다고 지적했습니다. 처리된 하수 폐수는 나무를 더 크고 빠르게 자라게 하기 때문에 사막 숲에서 원하는 생태계 서비스가 나무의 높이가 4~6미터인 것이라면 문제가 될 수 있습니다. 그는 "이는 사실 긍정적인 문제입니다. 이제 우리는 적자 관개를 유도하여 더 많은 숲에 관개하기 위해 처리된 하수 폐수의 더 큰 자원을 만들 수 있기 때문입니다."라고 덧붙입니다.

미래는 어떻게 될까요?

클로티에 박사는 2014년에 UAE에서 파일럿 연구를 시작했는데, 그 결과가 매우 성공적이어서 하수 폐수 처리와 대추야자 관개에 관한 연구로 4년 동안 전액 지원되는 두 개의 프로젝트를 진행하게 되었다고 말합니다. 그는 앞으로 3년 반 동안 아랍에미리트에서 이 프로젝트에 대한 연구를 더 진행할 예정이며, 최종적으로는 임업 관개 및 토양 염분 관리 모델을 개발하고 지속 가능한 임업에 대한 관개 영향의 측정 및 모델링 역량을 개발하는 것이 목표라고 말합니다. 최근에는 물 사용을 최적화하기 위한 지속 가능한 관개 조언을 제공하는 관개용 컴퓨터 의사결정 지원 도구의 프로토타입을 개발했습니다. 이 지원 도구는 염분 침출을 유지해야 할 필요성을 고려하고 실제 관개 기록을 입력하여 실시간으로 사용할 수 있습니다.

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