영향이 적은 설계: 센서로 캘리포니아 지하수 자원 관리 검증

Low impact design: Sensors validate California groundwater resource management

버클리 연구소의 연구 과학자 미셸 뉴커머 박사는 건조한 기후에서 저영향 설계가 빗물을 침투하고 저장하는 데 얼마나 효과적인지 알고 싶었습니다 , 이를 알아보기 위한 연구의 일환으로 캘리포니아 해안 웨스트사이드 분지 대수층 시스템 주변의 빗물 정원과 침투 트렌치에 METER 토양 수분 및 수전위 센서를 설치했습니다.

충격이 적은 설계 구조

도시와 해안 환경의 전 세계 지하수 자원은 인위적인 압력 증가와 기후 변동성에 매우 취약합니다. 건물, 도로, 주차장과 같은 불투수 표면은 침투를 막고, 지하 대수층으로의 재충전을 감소시키며, 지표 유출수의 오염 물질을 증가시켜 하수 시스템을 넘치게 하는 경우가 많습니다. 이러한 영향을 완화하기 위해 전 세계 도시에서는 빗물 유출을 줄이고, 여과하고, 늦추는 빗물 정원과 같은 자연 식생 시스템으로 유출을 유도하는 저영향 설계(LID) 접근 방식을 채택하고 있습니다. LID는 가상적으로 대수층으로의 침투 및 재충전 속도를 증가시킵니다.

침투 및 재충전

미셸과 샌프란시스코 주립대학교의 제이슨 거닥 박사의 자문을 받은 연구팀은 특히 엘니뇨 남방 진동(ENSO)의 연도 간 변동성에 따라 태평양 연안 도시의 강수량이 집중되는 시기에 LID가 재충전 속도와 수질에 미치는 영향이 알려지지 않았다는 사실을 깨달았습니다. METER 수위(토양 흡입)수분 함량 센서를 사용하여 캘리포니아 해안 웨스트사이드 분지 대수층 시스템에 대한 현재 및 예상 침투 및 재충전 속도를 정량화할 수 있었습니다. 연구팀은 빗물 정원으로 둘러싸인 LID 침투 트렌치와 샌프란시스코의 전통적인 잔디밭 환경을 비교했습니다.

"샌프란시스코와 같은 도시에서 이러한 LID 구조물을 도입하고 있는데, 저희는 이 구조물을 통과하는 물의 양을 테스트하고 싶었습니다. 특히 엘니뇨와 라니냐와 같은 다양한 기후 시나리오에 관심이 많았는데, 엘니뇨가 발생하는 해에는 비가 훨씬 더 많이 내리고 돌발 홍수나 지표 오염 물질 범람 문제가 발생할 수 있기 때문입니다."라고 설명합니다.

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

샌프란시스코 주립대(SFSU) 저영향개발(LID) 연구 네트워크의 (a) 침투 트렌치 부지와 (b) 관개 잔디 부지 아래 (a) 세로 단면 A-A'(삽입 참조)를 따라 계측 및 코어 위치의 도식화(축척되지 않음)입니다. Hydrus 2-D 모델 시뮬레이션에는 측면 단면 B-B'(삽입 참조)가 사용되었습니다.

 

센서가 알려주는 이야기

연구팀은 LID 구조물이 통과할 수 있는 물의 양에 차이가 있는지 살펴봤습니다. 미셸은 "수분 전위와 토양 수분 센서를 통해 LID 지역이 물을 포집하고 더 천천히 침투하며 본질적으로 대수층에 저장하는 데 효과적이라는 것을 입증하는 데이터를 얻었습니다."라고 말합니다. 연구팀은 저영향 개발 방식의 침투 트렌치와 관개식 잔디밭을 비교한 결과, 침투 트렌치의 재충전 효율이 58%~79%로 잔디밭의 8%~33%보다 훨씬 높다는 사실을 발견했습니다.

용도에 적합한 토양 수분 센서 찾기

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

침투 트렌치 현장의 자갈 아래에 있는 5미터 토양 수분 센서에서 측정한 강수량과 체적 수분 함량(m3m3)의 일일 시계열을 확인할 수 있습니다.

 

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

관개 잔디밭의 지표면 아래에 있는 5미터 토양 수분 센서에서 측정한 강수량과 체적 수분 함량(m3m3)의 일일 시계열을 확인할 수 있습니다.

 

강우량 게이지는 놀라움을 선사합니다

원래 계획에는 없었지만 연구진은 강우량계를 사용해 강수량을 측정했고, 그 결과 놀라운 데이터를 얻을 수 있었습니다.

Michelle은 "샌프란시스코 데이터베이스를 사용하려고 했지만 안개가 너무 심해서 강우량계를 사용해야 했습니다. 안개는 빗방울 형태가 아닌 많은 양의 강수량을 가져왔습니다. 나뭇잎에 응결되면서 예산의 상당 부분을 물로 공급해줬고, 이는 저에게도 놀라운 일이었습니다. 강우량계는 기기의 깔때기에 응축수를 포착했기 때문에 많은 연구에서 일반적으로 무시되는 일정량의 물이 들어오고 있다는 것을 확인할 수 있었습니다."

향후 엘니뇨 강수량

미셸은 엘니뇨와 라니냐에 관한 흥미로운 결과도 발견했습니다. "저는 엘니뇨와 라니냐 발생 기간 동안 강수량의 빈도, 강도, 기간에 대한 기준선을 설정하기 위해 과거 분석을 수행했습니다. 그런 다음 Hydrus-2D 모델을 통해 예측된 기후 데이터를 실행한 결과, 미래의 엘니뇨 강도에 따라 주어진 강수량에 대해 재충전률이 효과적으로 더 높아지는 것으로 나타났습니다. 이러한 현상이 발생하는 동안 일반적인 도시 환경에서는 물이 너무 빨리 흘러가서 빗물 정원과 트렌치만이 바다로 유실되는 비를 포집할 수 있습니다. 이는 라니냐 기후 시나리오에서 일반적으로 비가 덜 내리고 더 확산되는 것과는 대조적입니다. 건조한 해에는 결국 대부분의 비가 증발로 인해 손실될 수 있습니다. 따라서 센서와 2D 모델링을 사용하여 LID 구조물이 특히 폭풍우가 더 심한 엘니뇨 기간 동안 물을 저장하는 서비스를 제공한다는 가설을 검증했습니다."

Michelle의 연구는 온라인 언론에 소개되었으며, AGU EOS 에디터의 스포트라이트를 받기도 했습니다. 그녀의 연구 결과는 수자원 연구 저널에 게재되었습니다.

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

아이콘 각도 아이콘 바 icon-times