하와이 해안지역은 휴양지로 아주 중요할 뿐만 아니라 해양 환경의 건강으로도 중요함. 고속도로의 운영과 구조물로부터의 유출은 해수 연안을 오염시키는 원인이 될 수 있음. 미국의 각 주(state)는 지표수를 보호하기 위한 규제 프로그램을 만들었음. 해안에서 가까운 해수를 보호하는 것은 하와이에 있어서는 특히 더 중요함. 그 이유는 하와이는 여행객을 기반으로 한 경제 활동이 하와이 경제 전체에서 차지하는 비율이 아주 높고 이러한 여행객 기반에서는 해안의 환경이 더욱 중요해지기 때문임.

 폭풍으로 인한 오염의 확산은 지표수의 수질에 큰 영향을 미친다는 것이 발견되었음(Novotny, 1999; Kim et al., 2005). 주와 연방 규제 기관은 비점원 오염(non-point source pollution: 오염원이 특정장소에 한정되어 있지 않고 분산되어 나타나는 경우의 오염)의 양을 조절하고 통제하고자 노력하였음. 폭풍으로 유출된 하와이 고속도로 H-3의 구조와 운영되는 과정에서 배출되는 오염물질에 대한 수질 모니터링 데이터에는 한계가 있기는 하나 사용 가능함(Wong, 2005; Presley, 2001; Presley 2002; Young and Ball, 2004; Young and Ball, 2005).

비록 하와이 복지부(Hawaii Department of Health, HDOH)와 청정수 지류( Clean Water Branch)에서는 다양한 흐름을 위한 일일 전체 최대부하(Total Maximum Daily Load, TMDL)을 개발하고 노력하고 있으나, 이러한 데이터는 모든 주의 모든 지역에 넓게 사용 가능하지는 않음. 현재의 연구는 폭풍으로 인한 유출이 수질에 영향을 미치는 추가적인 데이터를 얻기 위해 실행되었음.

하와이 교통부(Hawaii Department of Transportation, HDOT)는 폭풍우를 통한 유출로 인한 오염을 줄이기 위한 최적의 관리 사례(Best Management Practice: BMP)와 같은 침투 트렌치(infiltration trenches)를 포함하였음. 하와이 교통부의 지침은 최적의 관리 사례(BMP)를 수행하는 것이 침전물을 줄이는데 필요하고 해양과 지류와 관련한 오염 부하와 관련되었다고 언급하였음(State of Hawaii, 2007a, 2007b). 표준 트렌치 설계에서, 고속도로에서 유출된 오염 물질은 먼저 습지대를 통과하거나 또는 가장 굵고 엉성한 물질로 된 띠를 통과함으로써 일부 오염물질이 제거됨. 다음으로 트렌치로 들어가고 트렌치 바닥과 옆면으로 침투하여, 주변 지반으로 스며듦. 트렌치를 둘러싼 토양(soil)을 통과하면서 퇴적물과 다른 오염물질(중금속, 기름, 박테리아, 영양분 등)이 제거됨.

이 프로젝트는 오아후 섬(island of Oahu)에 폭풍우 침투 트렌치(stormwater infiltration trenches)의 건설을 위한 잠재적인 위치를 파악하려는 시도를 하였음. 오아후 주위의 토양은 고속도로의 유출물로부터 흡수된 오염물질을 분해하였고, 연안 오염을 줄이는 BMP로써 침투 트렌치(infiltration trench)를 최적의 위치에 설치하도록 돕기 위해 실험실에서 컬럼 연구(column studies)를 수행하였음.
 

1. 실험실, 현장 그리고 모델 연구를 결정하기 위한 실행:
ㅇ 오아후에서 선택된 토양의 고속도로에서 유출된 오염물질의 침투와 오염물질의 흡수 능력
ㅇ 고속도로에서 유출된 물의 오염을 제거할 수 있는 천연 토양의 흡착 수용력(adsorption capacities)
ㅇ 주어진 물의 부피를 배수할 크기의 트렌치가 물을 배출 시키는데 걸리는 시간

2. 지리 정보 시스템 (Geographic Information System: GIS)의 프레임워크를 이용하여 상대적으로 더 많은 침투(infiltration) 지역을 파악하여 적절한 위치(site)를 위한 기준을 개발함.
 

1. 천연 토양이 우수(stormwater)를 침투시키는 수용력과 도로로부터 강우 유출수로 인한 오염 물질의 흡수 수용력
ㅇ 여러 토양의 침투 수용력을 토양 수분 보존 곡선(retention curve)을 이용해 측정함. 오아후 섬의 14개의 다른 지역의 토양에 대해서 범위가 26-485 mm/h의 범위를 가지고 있는 수리 전도도(hydraulic conductivity)를 현장에서 측정 하였음. 수분 함량(26-58%)와 부피 밀도(bulk density : 0.91-1.5 g/cm3 )는 약간의 원상토(undisturbed soil) 샘플을 통해 측정하였음. 
ㅇ 16개 지역에서부터 얻은 토양은 중금속 농도를 조사하였음. 결과는 모든 토양에서 비소, 코발트, 크롬, 그리고 셀레늄에서 검출되는 농도의 양을 포함하고 있는 것으로 나타났음. 
ㅇ 계산된 탈착 계수(desorption coefficient) 값은 샌디 해변 공원(Sandy Beach Park)과H1？Kalaeloa Boulevard IC 지역에서 수집된 토양에서 카드뮴을 제외한 모든 토양/금속 결합체가 20보다 더 큰 것으로 나타났음. 이것은 오아후의 고속도로에 속해 있는 대다수의 토양의 흡수 능력이 우수 유출 수에 중금속이 유지되기에 충분하다는 것을 나타냄.

 
2. 고속도로에서 유출된 우수 유출 
ㅇ 수집된 유출수는, 금속-군(metal-spiked) 물은 고속도로 오염물질에 대한 흡착 수용력을 알아보는 컬럼 실험(column experiment)에 이용하였음.
ㅇ 고속도로 H3에서 흘러나온 우수에서는 구리와 아연을 제외한 모든 중금속들이 지하수 환경 처리 수준(Environmental Action Levels, HDOH, 2008)을 초과한 것으로 나타났음. 흥미로운 점은, 구리나 아연은 H3 드레인 출구 주위의 토양에서 가장 높은 농도를 가지고 있는 것으로 나타났음.

3. GIS를 이용한 위치 적합성 지수(Site Suitability Index)
ㅇ 위치 적합성 인덱스 지도는 침투 트렌치를 설치할만한 적당한 위치를 찾기 위해 다중의 GIS층으로 이용한 공간 분석 기술을 적용하여 개발하였음. 
ㅇ GIS 중첩 분석(overlay analysis)은 위치 적합성 지도를 개발하기 위한 효과적인 도구를 찾는 것임. 오아후 섬의 일부 지역에서는 침투 트렌치를 실시하기에 매우 적합한 것으로 밝혀졌음.
ㅇ 다른 분석 기술(즉, 가중 방식(weighting scheme)과 중첩분석)은 위치 적합성 지도에 상당한 영향을 미치게 되고, 따라서 다양한 접근방식들은 중첩 분석의 정확성을 향상시키기 위해 비교 분석됨. 
ㅇ 이 연구에서 GIS 중첩 분석은 지리적 맥락의 관점에서 위치 적합성을 설명함.
ㅇ 이러한 중첩 분석은 다른 일반적인 수질 모델, 예를 들어 수질 모델(수문[Hydrological] 시뮬레이션 프로그램 ？ 포트란, HSPF, 또는 도시 강우 처리와 통합 분석을 위한 시스템[System for Urban Stormwater Treatment and Analysis Integration: SUSTAIN])과 같은 모델과 같이 평가되어야 함. 앞으로의 연구는 하류 수질에 침투 트렌치가 긍정적인 역할을 미친다는 것을 증명하는 일이 될 것임. 이 부분은 이 연구의 범위에서 넘어섬.

4. 연구실 실험
ㅇ 일차원으로 진행된 실험은 침투 트렌치를 통한 물의 흐름을 모방하여 4가지의 토양 샘플을 이동시키는 것임. 다른 실험 절차에는 장기간 포화된 침투도 포함 시켰음. 그리고 흐름 사이클/비 흐름 사이클을 포화된 수리 전도도(saturated hydraulic conductivity)를 측정하기 위해 적용하였음. 이 실험에서는 실제의 고속도로에서 유출된 우수를 사용하였음. 
ㅇ 비포장 표면 위에는 케이크 층(cake layer)이 형성되었는데, 그 이유는 흐름 속도가 감소한 결과로 토양의 핵심부(core)가 꼭대기에 위치하게 되었기 때문임. 
ㅇ 수리 전도도의 감소는 흐름 사이클/ 비흐름 사이클과 장기간에 걸친 실험 기간 동안 관찰되었음. 
ㅇ 비포장은 전체 부유 물질과 혼탁도 측정에 대한 분석에 의해 증명된 토양 잔해물의 제거하거나 유지하는 큰 잠재력을 가지고 있음. 
ㅇ 모든 토양은 흐름/비흐름(no flow) 순환 동안 철(Fe)을 제거하기 위해 많은 용량이 필요함을 보여줬음.

5. 모델링
ㅇ 리차드(Richard)의 방정식을 기초로 한 이차원의 HYDRUS와  S2 D 모델은 침투 트렌치의  현장에 작용하는 다른 체계(regime)와 조건에 대한 영향을 증명하는데 사용하였음. 토양 유압 기능(function)- 토양 수분 보존 곡선(retention curve)와 수리 전도도-은 수정된 van Genuchten 모델을 이용하여 설명하였음. 
ㅇ 여러 다른 사례 연구를 통해 다른 시작과 경계 조건을 조사하였음. 
ㅇ 시나리오를 위해서 토양 표면 근처의 지하 수면(water table)의 위치에 따라 정상 상태 조건은 상대적으로 재빠르게 도달함(초기의 배수시작부터 0.1일 안에). 또는 침투 트렌치에 지속적으로 물을 공급하는는 침투 트렌치의 바닥(bottom) 밑으로 가정하였을 때 역시 정상상태 조건에 상대적으로 빠르게 도달할 수 있음. 
ㅇ 지하 수면(water table)이 침투 트렌치의 바닥에 위치해 있거나 배수 기간 동안 트렌치 바닥으로 2미터 아래에 지속적으로 공급되는 물이 없다면 침투 트레인을 시뮬레이터하게 되면 이틀 이내에 배수를 할 수 있을 것임. 토양과 침투 트렌치 모두로부터 배수하는 것은 성공적으로 실험 하였음.

이 연구에서 이용한 이차원 모델은 침투 동안 막힘이 없다는 가정하에 침투 트렌치의 수계(water regime)를 예측하는 것이 가능하다는 것을 알아냈음. 이러한 모델은 동적 막힘(dynamic clogging)에 대한 시뮬레이션을 할 수 있는 능력은 없음. 따라서 시간에 따른 수리 전도도의 감소 가능성에 대해서는 모의 실험을 하지 않았음.