샌디에이고 카운티는 실시간에 가까운 데이터를 사용하여 건조한 날씨 흐름을 줄입니다.

SAN DIEGO COUNTY USES NEAR-REAL-TIME DATA TO REDUCE DRY WEATHER FLOWS

캘리포니아 수역을 보호하기 위해 샌디에이고 카운티는 다음과 같은 엔지니어링 및 컨설팅 회사와 파트너십을 맺었습니다. 우드 환경 및 인프라, Inc. 와 같은 엔지니어링 및 컨설팅 회사와 협력하여 일시적인 고유량 이벤트를 식별하고 매년 건기 유량 감소를 추적하는 유량 모니터링 프로그램을 실행하고 있습니다.

캘리포니아에서 두 번째로 인구가 많은 샌디에이고 카운티는 70마일이 넘는 해안선과 미국에서 가장 아름다운 수중 레크리에이션 장소로 둘러싸여 있습니다. 샌디에이고 카운티는 우수 배수망을 통해 유입되는 비우수 또는 "건조한 날씨"의 영향을 받을 수 있는 해안선의 수질 보호를 담당하는 여러 샌디에이고 지역 지자체 분리형 우수 하수도 시스템(MS4) 허가* 공동위원회 중 하나입니다. 이러한 수역을 보호하기 위해 샌디에이고 카운티는 Wood Environment and Infrastructure, Inc.(Wood)와 같은 엔지니어링 및 컨설팅 회사와 협력하여 일시적인 고유량 이벤트를 식별하고 해마다 건기 유량 감소를 추적하는 유량 모니터링 프로그램을 실행하고 있습니다. 2017년부터 Wood는 프로그램의 요구 사항을 충족하는 고품질 유량 데이터를 제공하기 위해 METER 데이터 로거와 수위 센서를 사용해 왔습니다.

 

A photo of a HYDROS 21 conductivity, temperature, and depth sensor
그림 1. METER HYDROS 21 수위 센서는 전기 전도도, 온도 및 수심을 측정합니다.
실시간에 가까운 흐름 데이터

건기 흐름 또는 "비우수 흐름"은 강수량이 없는 일반적인 날에 MS4로 유입되는 모든 물입니다**. 건기 흐름은 박테리아 및 기타 오염 물질을 운반할 수 있으며 과도한 관개, 수영장 배수, 세차 및 불법 하수 투기와 같은 일시적인 원인뿐만 아니라 지하수 침투 및 지하 파이프 파손과 같은 지속적으로 흐르는 원인으로 인해 발생합니다. 샌디에이고 카운티의 토지 사용/환경 계획가인 닐 시어링은 "우리의 주요 목표 중 하나는 MS4 허가를 통해 비우수 유입을 줄여 오염 물질을 줄이는 것입니다. 이러한 목표를 측정해야 하며, 이를 위해 모니터링 프로그램을 도입했습니다. 우리의 전략이 성공적인지 확인하기 위해 유량 감소를 정량화할 수 있는 방법이 필요합니다."

샌디에이고 카운티는 매년 5월부터 10월까지 약 80~90개의 MS4 배수구를 모니터링하여 건기 유량을 측정합니다. 대부분의 현장에서 사용되는 주요 접근 방식은 v-노치 위어, METER의 HYDROS 21 센서(수위, 온도 및 전기 전도도), cloud-연결된 데이터 로거를 결합하는 것입니다. 이 로거는 사용자가 거의 실시간으로 원격으로 데이터를 볼 수 있도록 ZENTRA Cloud 이라는 데이터 관리 소프트웨어로 정보를 전달합니다.

 

A photograph of a front view of a ZL6 data logger
그림 2. METER cloud-연결된 데이터 로거 (ZL6)

비정상적이거나 높은 유량이 확인되면 샌디에이고 카운티와 우드 담당자는 이러한 유량을 줄이기 위해 홍보 및 교육을 실시합니다. 거의 실시간으로 데이터를 확인하면 유량 감지, 신속한 의사 결정, 데이터 기반 관리가 가능합니다. 제레미 번즈와 알렉스 메시나는 Wood의 환경 과학자로서 유량 모니터링 프로그램의 기술 및 데이터 분석 측면을 이끌고 있습니다. Burns는 "샌디에이고의 수질 개선 계획 (WQIP)은 NPDES 허가를 준수하기 위한 다양한 규제 목표를 달성하기 위해 노력하고 있습니다. 이러한 목표 중 하나는 시간 경과에 따른 건기 유량 감소율입니다 . 그들은 관리 조치가 효과적인지 확인하기 위해 여러 현장에서 건조한 날씨의 흐름을 추적하고 있습니다. 그리고 수집한 유량 데이터를 사용하여 잠재적인 문제를 발견합니다. 예를 들어, 유량이 급증하는 기간이 반복되면 샌디에이고 카운티는 현장에 나가서 관찰합니다. 우수관으로 유입되는 고장난 스프링클러를 발견하고 주민들에게 수리를 요청할 수도 있습니다."

 

HYDROS 21 / CTD-10 water level data
그림 3: HYDROS 21(이전 명칭: CTD-10) 유량이 정기적으로 높은 사이트의 수위 데이터

그림 3은 야간에 과도한 관개로 인해 정기적으로 높은 유량이 발생하는 사이트의 예입니다. 매일 밤 자정 무렵에 높은 흐름이 관찰됩니다. ZENTRA Cloud 의 "목표 범위" 기능을 사용하면 높은 유량에 대해 쉽게 볼 수 있는 임계값을 설정할 수 있습니다. 회색은 수위가 둑의 브이 노치 아래(물이 흐르지 않음), 녹색은 브이 노치를 통과하는 물, 노란색은 둑의 직사각형 부분에 물이 흐르는 물, 빨간색은 둑이 완전히 잠긴 것을 나타냅니다. 배터리 잔량도 표시됩니다.

V-노치 위어는 얼마나 민감하고 정확한가요?

메시나는 V-노치 위어 설정은 스프링클러가 잘못 작동하더라도 흐름의 변화에 매우 민감하다고 말합니다. 그는 "일반적으로 데이터에서 스파이크를 쉽게 확인할 수 있습니다. V-노치 위어는 위어 뒤에 얼마나 많은 물이 있는지에 따라 다르지만 아주 작은 유량 변화에도 민감합니다. 들어오는 파이프가 평평한 일부 지역에서는 위어 뒤에 50갤런의 물이 고여 있을 수 있습니다. 흐름이 작은 물방울이라면 위어 연못이 가득 차는 데 시간이 걸립니다. 하지만 일단 연못이 가득 차면 바로 흘러내립니다 . 어떤 경우에는 인프라의 한계가 있습니다. 둑을 설치하면 물이 역류하여 파이프의 균열을 통해 물이 스며들게 됩니다. 하지만 다른 지역에서는 데이터가 5분 동안 급증했다가 다시 감소하는 곳에서 스프링클러 한 대가 작동하는 것을 감지할 수 있습니다."

자연 하천 수로의 유량 측정과 비교할 때, 브이 노치 위어를 사용하면 매우 높은 정확도와 낮은 불확실성을 얻을 수 있습니다. 해마다 비교하려면 유량의 작은 변화도 감지할 수 있도록 데이터 정확도가 매우 높아야 하며, 위어의 데이터 품질은 수위 센서의 정확도와 신뢰도에 직접적으로 좌우됩니다. HYDROS 21과 같은 환기식 수위 센서를 사용하면 비환기식 압력 트랜스듀서에 필요한 기압 보정 수행의 불확실성을 제거하고 데이터 처리 단계를 제거하여 분석가 비용을 절감할 수 있습니다. 샌디에이고 카운티와 Wood는 실험실과 현장에서 다양한 압력 트랜스듀서를 비교 연구한 결과, METER HYDROS 21(이전 명칭: CTD) 센서가 +/-0.1인치 정확도의 실제 성능을 제공한다는 사실을 발견했습니다(Burns, 2019).

여러 데이터 소스 결합

여러 해에 걸쳐 수집된 유량 데이터는 많은 MS4 유출구에서 다양한 수준의 일정한 기저유량을 보여주었습니다. 기저유량의 증가는 겨울철 강우량이 많아져 수위가 상승하고 MS4로 침투했기 때문이라는 가설이 제기되었습니다. 샌디에이고 카운티와 우드는 총 유량에 대한 수돗물과 지하수의 기여도를 파악하기 위해 건기 유량원 추적 연구를 실시했습니다.

Diagram of a 90 degree v-notch weir setup used for high-accuracy flow measurement. Water level data recorded by METER HYDROS 21 (formerly named CTD) (in white PVC housing) connected to METER telemetry-enabled data logger (in custom stainless steel enclosure box).
그림 4. 고정밀 유량 측정에 사용되는 90도 V-노치 위어 설정의 다이어그램. METER 원격 측정이 가능한 데이터 로거(맞춤형 스테인리스 스틸 인클로저 박스)에 연결된 METER HYDROS 21(이전 명칭: CTD)(흰색 PVC 하우징)에서 기록한 수위 데이터.

메시나는 여러 데이터 소스를 통해 건기 흐름의 다양한 원인을 파악하여 샌디에이고 카운티가 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있다고 말합니다. "우리는 흐름 역학, 지구화학, 안정 동위 원소를 살펴보고 물의 출처를 특성화할 수 있는지 확인합니다. 안정 동위원소 비율은 물이 유역을 통과하면서 변하지 않고 원래의 수원(수돗물 또는 지하수)의 특징을 유지하므로 좋은 참고 데이터가 됩니다. 그런 다음 흐름 역학을 안정적인 동위원소 데이터와 결합할 수 있습니다. 예를 들어, 유량이 일정하고 동위 원소 데이터가 수돗물을 나타내는 경우 누수가 있는 파이프일 가능성이 높습니다. 동위원소가 수돗물이 아닌 것으로 나타나면 일정한 수원은 지하수일 가능성이 높습니다. 또한 지구화학을 사용하여 관개에 사용되는 재생수와 같은 특정 수돗물 공급원을 감지하는 데 도움을 줍니다. 계면활성제(MBAS)와 같은 다른 지표도 사용합니다. 예를 들어 계면활성제를 감지하면 세차장에서 표면 유출이 발생했음을 알 수 있습니다."

번스는 HYDROS 21 센서의 전기 전도도 데이터도 유용하다고 말합니다. 그는 "예전에는 수위만 측정했었습니다. 하지만 경제성과 실시간에 가까운 원격 측정 외에도
HYDROS 21 센서의 장점 중 하나는 실시간에 가까운 원격 측정 외에도 전도도 측정이 가능하다는 점입니다. 이제 분석하는 데이터의 새로운 측면이 추가되었습니다. 특히 프로브가 건조한 경우(물이 전혀 없는 경우) 또는 강우량계가 감지하지 못하는 드물고 국지적인 비로 인해 높은 유량으로 전도도 변화가 나타나는지 확인하는 데 유용합니다. 이는 빗물 배수구로 유입되는 물이 지하수인지 수돗물인지 파악하는 데 도움이 되는 또 다른 데이터 포인트입니다."

배운 교훈

메시나는 프로젝트를 진행하면서 빗물 배수구의 유량을 측정하는 것이 처음에 생각했던 것보다 더 복잡하다는 것을 알게 되었다고 말합니다. 그는 "이 프로젝트가 '저유량' 프로젝트이긴 하지만 일부 빗물 배수로는 유량이 전혀 없는 곳도 있습니다. 소화전이 고장 나거나 누군가 웅덩이에 물을 빼면 유량에 큰 변화가 생깁니다. 배수구에는 권장 유량 목표 범위가 있기 때문에 어떤 배수구는 저유량용으로, 어떤 배수구는 고유량용으로 설계되어 있기 때문에 이러한 광범위한 유량 범위는 문제가 됩니다. HYDROS 21 레벨 센서는 둑 뒤에서 측정하는 넓은 범위의 수위를 수용할 수 있습니다. 또한 모든 사람들은 우리가 밀폐된 시스템에서 유량을 측정하고 있다고 생각합니다. 하지만 물이 들어오고 나가는 파이프에는 균열이 많은 것으로 밝혀졌습니다. 그리고 어떤 경우에는 기존 지도에 표시되지 않는 인프라가 구축되어 유량 측정이 복잡해지기도 합니다. 주택 프로젝트의 경우, 자연 개울을 빗물받이로 연결하여 개발 지역으로 흐르는 물을 관리하기 가장 쉬운 장소로 만들 수 있습니다. 따라서 우리는 자연과 인간이 만든 시스템을 혼합하여 측정하고 있으며, 이는 처음에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡합니다."

메시나는 흐름 데이터와 건조한 날씨의 흐름 원인을 이해하는 것은 복잡할 수 있다고 덧붙입니다. 그는 "혼란스러운 요소가 있습니다. 예를 들어, 일 년에 비가 더 많이 내리거나 적게 내리면 지하수위가 우리가 보고 있는 유량에 영향을 미칠까요? 또한 절대적인 차이가 작으면 상대적인 차이(또는 백분율 차이)가 매우 클 수 있으며, 이는 정보가 되지 않을 수 있습니다. 예를 들어 한 사이트에서 유량이 하루에 0.1갤런에서 0.2갤런으로 변했다면 100% 차이가 나는 것입니다. 겉으로 보기에 큰 변화가 있다고 해서 샌디에이고 카운티에서 자원을 투입하여 해결해야 할 사안이 아닐 수도 있습니다."

프로그램 성공 사례

샌디에이고 카운티의 수질 개선 프로그램 전반의 성공에 대해 번스는 "우리가 그들이 다루고 있는 문제의 복잡성을 잘 설명했다고 생각합니다. 그리고 그것이 도움이 되었다고 생각합니다." 유량 데이터는 과도한 관개를 제어하기 위해 식생 완충지대를 추가하고 가뭄에 강한 조경으로 전환하는 등의 모범 관리 관행을 도입하도록 이해 관계자들을 설득하는 데 사용되었습니다. 이듬해 수집된 유량 데이터는 이러한 노력이 하류 빗물 배수구의 유량을 성공적으로 감소시켰음을 보여주었습니다(Wisniewska와 메시나, 2019).

프로젝트의 미래

MS4 허가의 비빗물 저감 요건에 따라 지역 공동 허가권자는 계속해서 교육 및 홍보 활동에 참여하고 WQIP 목표 달성을 평가하기 위해 MS4 유량을 모니터링해야 합니다. 지역 당사자들이 유량 모니터링에 대해 유사한 접근 방식을 따르는 것이 유익하겠지만, 다양한 방법을 사용할 수 있습니다. 이 백서에서는 저유량 모니터링에 대한 여러 가지 도전 과제와 맞춤형 위어( HYDROS 21 센서 및 cloud-연결된 데이터 로거)를 사용한 정확한 접근 방식에 대해 간략하게 설명합니다. 실시간에 가까운 데이터의 주요 이점 중 하나는 데이터 이상을 확인하고 신속하게 대응할 수 있다는 점입니다.

METER에서는 ZENTRA Cloud 의 기능을 샌디에이고 카운티 및 Wood와 같은 그룹과의 실제 프로젝트 협업을 통해 지속적으로 개선하고 있습니다. 향후 개선 사항으로는 레벨뿐만 아니라 실시간 유량 값을 볼 수 있는 기본 유량 장치 프로그래밍, 다양한 매개변수 또는 조합을 처리하는 다중 알람 임계값, 그룹 또는 개인에 대한 SMS 및 이메일 알림 등이 있습니다. 알림을 통해 팀은 환경 조건에 신속하게 대응할 수 있으며, 이상적으로는 유량원을 관찰하고 적시에 문제를 해결할 수 있는 능력을 향상시킬 수 있습니다. 기관들이 까다롭고 종종 일시적인 흐름 소스를 계속 추적하는 가운데, 신뢰할 수 있는 데이터에 민첩하고 저렴하며 사용자 친화적인 방식으로 액세스하는 것은 흐름 감소 목표를 달성하는 데 있어 핵심적인 지원입니다.

참조:

번즈, 제레미. 2019. "내 유량 데이터는 얼마나 정확합니까? 규정 준수 평가의 신뢰도를 평가하기 위한 수위 센서 평가" 캘리포니아 우수 수질 협회(CASQA) 연례 컨퍼런스. 10월 2019. (프레젠테이션 링크)

비스니에브스카, 조안나, 메시나, 알렉스. 2019 "흐름 소스 포렌식: 여러 증거 라인을 사용하여 건기 유량원을 식별하고 정량화하기". CASQA) 연례 컨퍼런스. 10월 2019. (프레젠테이션 링크)

참고:

*명령 번호 R9-2013-0001, 명령 번호 R9-2015-0001 및 R9-2015- 0100에 의해 개정됨. 샌디에이고 지역 내 유역을 배수하는 시립 분리형 우수 하수도 시스템(MS4)의 배출물에 대한 국가 오염물질 배출 제거 시스템(NPDES) 허가 및 폐기물 배출 요건.

**MS4 허가 시 건조한 날씨의 정의는 "이전 72시간 동안 측정 가능한 강수량(0.1인치 이상)이 없는 경우 건조한 날씨로 간주합니다."입니다.

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