低影响设计:传感器验证加州地下水资源管理

Low impact design: Sensors validate California groundwater resource management

伯克利实验室研究科学家 Michelle Newcomer 博士想知道低影响设计在干燥气候下渗透和储存雨水的效果如何 、 因此,她在加利福尼亚沿海西侧盆地含水层系统周围的雨水花园和渗透沟中安装了 METER 土壤湿度和水势传感器,作为研究的一部分,以找出答案。

低影响设计结构

城市和沿海环境中的全球地下水资源极易受到人类压力增加和气候多变性的影响。建筑物、道路和停车场等不透水表面阻碍了渗透,减少了对地下蓄水层的补给,并增加了地表径流中的污染物,这些污染物经常溢出污水处理系统。为了减轻这些影响,世界各地的城市都在采用低影响设计(LID)方法,将径流引入雨水花园等天然植被系统,以减少、过滤和减缓雨水径流。低影响设计可以提高渗透率和含水层的补给率。

渗透和补给

在 Jason Gurdak 博士的指导下,米歇尔和旧金山州立大学的团队意识到,LID 对补给率和质量的影响尚不可知,尤其是在太平洋沿岸城市因厄尔尼诺南方涛动(ENSO)的年际变化而出现强降水时。利用 METER水势含水量传感器,她能够量化加利福尼亚沿海西侧盆地含水层系统当前和预计的渗透和补给率。该团队比较了旧金山一个雨水花园环绕的 LID 渗沟和一个传统的草坪环境。

她说:"旧金山等城市正在实施这些低能耗建筑,我们想测试流经这些建筑的水量。我们对不同的气候情景特别感兴趣,比如厄尔尼诺现象和拉尼娜现象,因为厄尔尼诺年的降雨强度更大,可能会造成山洪暴发或地表污染物溢流问题。

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

旧金山州立大学 (SFSU) 低影响开发 (LID) 研究网络 (a) 渗沟场地纵向横截面 A-A'(见插图)和 (b) 灌溉草坪场地下方的仪器和岩心位置示意图(未按比例绘制)。B-B' 侧截面(见插图)用于 Hydrus 2-D 模型模拟。

 

传感器讲述故事

研究小组研究了 LID 结构允许通过的水量差异。米歇尔说:"水势和土壤湿度传感器得出的数据证明,低影响开发区域能够有效地捕捉水,更缓慢地渗入地下,并从根本上将其储存在含水层中。研究小组测试了低影响开发式渗透沟与灌溉草坪的比较,发现渗透沟的补给效率(58% 到 79%)远高于草坪的补给效率(8% 到 33%)。

了解哪种土壤水分传感器适合您的应用

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

渗透沟现场砾石下的五个 METER 土壤水分传感器的日降水量和体积含水量(立方米)时间序列图

 

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

来自灌溉草坪地表下五个 METER 土壤水分传感器的降水量和体积含水量(立方米)的日时间序列

 

雨量计带来惊喜

尽管这并不是研究人员最初计划的一部分,但他们还是使用雨量计来测量降水量,从而获得了一些令人惊讶的数据。

米歇尔评论说:"我们本来只打算使用旧金山的数据库,但由于大雾,我们不得不使用雨量计。雾带来了很多降水,但不是以雨滴的形式出现。当它在树叶上凝结时,就提供了预算中的大部分水量,这让我感到非常惊讶。雨量计捕捉到了仪器漏斗上的冷凝水,因此我们能够看到有一定量的水流入,而这在许多研究中通常是被忽视的。

未来的厄尔尼诺降水量

米歇尔还发现了一些关于厄尔尼诺和拉尼娜现象的非常有趣的结果。她说:"我做了一项历史分析,以确定厄尔尼诺和拉尼娜年降水事件的频率、强度和持续时间基线。然后,我通过水文-2D 模型运行了预测的气候数据,模型显示,随着未来厄尔尼诺现象的加剧,特定降水事件的补给率实际上会更高。在这些降水事件中,在典型的城市环境中,水会快速流走,只有这些雨水花园和沟渠能够收集雨水,否则这些雨水就会流失到海洋中。这与拉尼娜气候形成鲜明对比,在拉尼娜气候下,降雨量通常较少,而且更加分散。在干旱年份,大部分雨水最终会被蒸发掉。因此,利用传感器和二维建模,我们验证了一个假设,即 LID 结构可提供蓄水服务,特别是在厄尔尼诺年,暴雨会更加猛烈。

米歇尔的研究在网上得到了一些媒体的报道,还被 AGUEOS 编辑聚焦报道。她的研究成果发表在《水资源研究》杂志上。

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