펜실베이니아주 피츠버그에 거주하는 혁신적인 토양 과학자 존 벅은 빗물 관리를 위한 최적의 그린 인프라 유형과 효율성을 결정하기 위해 토양 모니터링 장비를 사용하여 여러 도시에서 이 질문에 정량적으로 답하고자 노력해 왔습니다.

왜 친환경 지붕인가?

오래된 도시에서는 일반적으로 빗물 유출수가 하수 흐름과 결합되며, 이러한 결합된 물은 건조한 날씨와 가벼운 비가 내리는 동안 하수 처리장에서 처리됩니다. 하지만 안타깝게도 폭풍이 심할 때(때로는 단 몇 mm의 비가 내릴 때도 있음)에는 하수 처리장의 처리 능력을 초과하여 "하수 범람"(CSO)으로 처리되지 않고 지표수로 방류됩니다. CSO를 완화하는 방법 중 하나는 빗물을 포집하고 저장하여 합류식 하수도에 유입되지 않도록 하는 것입니다. 그린 루프는 기본적으로 지붕 위의 정원이지만, 설치자는 토양에서 식물을 재배하는 대신 팽창 셰일, 팽창 점토, 파쇄 벽돌 또는 기타 침투율이 높은 다공성 경량 재료로 만든 합성 기질을 사용합니다. 폭풍우가 발생하면 물이 공기로 채워진 기공 공간으로 스며들어 스폰지처럼 비를 흡수하는 역할을 합니다. 과도한 물은 지하 배수층으로 흘러들어가 기존 지붕 배수구를 통해 옥상 정원을 빠져나가게 됩니다. 빗물의 상당 부분이 기질에 저장되기 때문에 나중에 빗물 양과 CSO에 기여하는 대신 증발산을 통해 소멸될 수 있습니다.

답변 찾기

설계자와 규제 당국은 친환경 지붕이 얼마나 잘 작동하는지, 과도하게 설계되지는 않았는지 알고 싶어 합니다. 그들은 다음과 같은 질문에 대한 답을 원합니다: "어떤 종류의 기질을 사용해야 하는가? 어떤 종류의 식물이 녹색 지붕 조건에서 살아남을 수 있는가? 폭풍이 없을 때 식물에 물을 주기 위해 녹색 지붕에 관개를 해야 하는가?", "녹색 지붕은 30분 동안 발생하는 1인치 폭풍과 5일 동안 발생하는 5인치 폭풍에도 잘 작동할 수 있는가?" 등의 질문에 대한 답을 원합니다. ZL6 데이터 로거인 Buck은 토양 라이시미터와 개조된 티핑 버킷 강우량계를 사용하여 녹색 지붕에 들어오고 나가는 물의 양, 강도, 수질을 측정합니다. 또한 날씨 매개변수를 추적하고 조경의 일일 증발산량을 계산합니다. 그는 METER 토양 센서를 사용하여 전기 전도도(용존 염분), 체적 수분 함량 및 온도를 측정합니다. 그는 GSM 셀룰러 연결을 통해 웹으로 데이터를 전송하는 METER 데이터 로거를 설치하여 이해관계자들이 실시간으로 데이터에 액세스할 수 있도록 했습니다. 이 데이터 원격 측정은 추가적인 데이터 보안, 즉각적인 결과 업데이트, 시스템 문제에 대한 즉각적인 피드백, 다른 사람들과 데이터를 쉽게 공유할 수 있는 방법을 제공합니다.

친환경 지붕을 위한 새로운 도전

녹색 지붕의 결과는 유망하지만 식물에 충분한 물을 공급해야 한다는 새로운 과제가 있습니다. 이 과제의 핵심은 녹색 지붕 설계의 표준인 경량 팽창 셰일/점토 기질 재료가 물을 잘 흡수하지만 일반적인 토양과는 다른 몇 가지 특이한 특성을 가지고 있다는 것입니다. 특히 팽창 셰일과 팽창 점토 기질은 모래와 미세 자갈 크기의 입자에 의해 지배되는 경향이 있어 거대 기공의 비율이 높지만, 큰 입자의 내부 기공은 미세 기공이 지배적입니다. 이러한 기공 크기 분포는 연구자들에게 두 가지 중요한 질문, 즉 식물 성장에 얼마나 많은 물을 쉽게 사용할 수 있을까요? 그리고 불포화 수력 전도도가 높은 증발 수요에서 물이 벌크 토양에서 뿌리로 흐르도록 하여 뿌리가 굶주리는 것을 피하기에 적절한가? 이러한 질문은 친환경 지붕 기술이 계속 발전함에 따라 중요한 질문입니다.

친환경 지붕 검증에 필요한 측정

하지만 벅은 이 연구를 통해 많은 것을 배웠습니다. 여름철 폭풍의 거친 공간 분포를 고려할 때 정량적인 녹색 지붕 성능 연구를 위해서는 강우량을 국지적으로 측정해야 합니다. 강우량과 함께 토양 수분 함량 측정을 모니터링하고 배수에 대한 토양 lysimeter 측정을 통해 총 및 모세관 포화도, 배수 속도 및 저장 가능한 다공성 정도를 파악할 수 있습니다. 지하 배수층에 고여 있는 물의 모세관 테두리 내에 배치된 METER 토양 수분 전위 센서는 배수층 및 상부 토양의 건조도와 배수층 내 빗물의 저장 가능량에 대한 유용한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 가뭄에 강한 고산 다육식물(일반적으로 돌나물 종)이 녹색 지붕에 사용되는 경우 측정되지 않은 물 저장 요소가 있기 때문에 라이시미터를 사용하여 토양 배수를 직접 측정하는 것은 녹색 지붕 성능 정량화 프로젝트에서 중요한 보완 측정입니다. 돌나물 식물은 식물 조직에서 최대 10mm의 강우량을 흡수할 수 있습니다.

기타 프로젝트 및 향후 계획

지상에서 Buck은 빗물 정원, 생물 저류지 또는 더 일반적으로 침투 기반 우수 관리 모범 사례(침투 기반 BMP)로 알려진 집중적인 빗물 침투 지역의 성능을 정량화하고 있습니다. 침투 기반 빗물 BMP를 모니터링할 때 Buck은 녹색 지붕에 사용되는 것과 유사한 도구를 사용했지만 수위 센서와 피에조 미터를 추가했습니다. 벅은 표면 및 기공수 샘플링과 함께 수분 함량 센서에서 흔히 사용할 수 있는 전기 전도도의 보조 측정을 통해 침투 시스템에서 일어나는 변화를 문서화하는 데 사용할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이러한 측정값을 종합하면 녹색 지붕과 침투 기반 BMP가 실제로 도시 환경에 변화를 가져오고 CSO에 기여하고 있음을 알 수 있습니다. 이제 과제는 이 기술을 더 널리 구현하는 방법입니다. 하지만 이제 검증이 완료되었으므로 그 작업은 훨씬 쉬워질 것입니다.

METER 데이터 로거, 토양 수분 및 수분 전위 센서 알아보기

"연구자를 위한 수자원 잠재력에 대한 전체 가이드"를 다운로드하세요.