바이오리텐션(bioretention)은 공학적으로 처리된 토양(engineered soil), 식생 필터(vegetation filter), 그리고 빗물 유출수를 처리하는 선택적인 지하 하수도 배수 시스템으로 구성된 최적 관리 사례(best management practice, BMP)임. 오염 물질 제거 메카니즘은 물리적이고 화학적이며, 그리고 생물학적 활동을 포함함(Davis et al., 2001; Hunt, 2003). 간헐적인 강우가 내리는 동안 식물 흡수와 토양 미생물 활동은 영구적으로 포착된 오염물질이 제거됨(Davis et al., 2001; Henderson et al., 2007; Lucas and Greenway, 2008). 메릴랜드의 프린스 조지스 카운트(PGC)에서 1990년대 초에 발명된 이후(Prince George’s County, 2002), 바이오리텐션은 주거 정원(Dietz and Clausen, 2005), 주차장(Davis, 2007; Hunt et al., 2006; Passeport et al., 2009), 그리고 도시 거리와 고속도로(Hatt et al., 2009; Chapman and Horner, 2010; Li et al., 2011; Trowsdale and Simcock, 2011; Li et al., 2012)를 포함하여 다양한 환경에 적용하였음.

많은 연구에서 금속(Davis et al., 2003), 질소와 인(Davis et al., 2006), 기름과 윤활제(Hong et al., 2006), 다환 방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons (Diblasi et al., 2009)), 대장균(Zhang et al., 2010), 그리고 열 폐기물(Jones and Hunt, 2009)을 포함하여, 다양한 오염물질을 빗물 유출수에서 제거하기 위한 바이오리텐션 방법의 효과적인 성과를 보고하였음. 그러나, 오직 몇몇의 방법만 대규모 고속도로에 적용한 성과를 평가하였음.

고속도로는 비점오염원 오염물질의 주요 원인임. 지하수도 지역, 심지어 여러 다른 교통 시설(Li et al., 2008)에서 기여하는 다양하고 넓은 강우 유출수의 수질이라는 사실에 기초하여, 강우 유출수 처리에 바이오리텐션의 사용에 대한 측정은 필수적임(Li et al., 2011). 리(Li et al., 2008)의 논문에서는 바이오리텐션 시스템이 효과적으로 금속과, 총 부유 물질(total suspended solids), 그리고 대장균을 고속도로 유출수로부터 제거한다는 것을 증명하였음. 그리나 질소와 인의 제거 효과는 미미하였음. 질소와 인의 용출은 부영양화(eutrophication) 때문에 특히 관심대상임.

2003년에, 텍사스 환경 질 위원회(Texas Commission on Environmental Quality: TCEQ)는 건설 시설의 강우 유출량을 위한 승인 허가가 되고 텍사스 교통부(Texas Department of Transportation, TxDOT)가 토양의1 에이커 이상의 방해 건설 활동을 위한 강수 오염 방지 계획(Storm Water Pollution Prevention Plan: SWPPP)을 준비하는 의무가 있었음. 텍사스 오염물질 제거 시스템(Texas Pollutant Discharge Elimination System)은 텍사스 환경 품질 위원회에 의해 관리되는, 텍사스 교통부가 연방 청정수 법(Federal Clean Water Act)의 섹션 402에 규정된 의무에 적합한 수단이 됨. 지방자치제의 작은 강우 하수 시스템에 영향을 주는 장기  계획은TXR040000이라고 부름.

바이오리텐션은 상대적으로 긴 기간 동안 대안적인 유출수 관리를 할 수 있음. 그 이유는 식물이 지속적으로 토양으로부터 오염물질을 씻어내기 때문임. 바이오리텐션은 그 성능과 장기효과에도 불구하고 현재 텍사스 유출수 관리 지침에는 포함되어 있지 않음. 예를 들어, 건설활동을 위한 유출수 관리 지침(Stormwater Management Guidelines for Construction Activities (TxDOT, 2002)), 수압 설계 설명서(Hydraulic Design Manual (TxDOT, 2004)), 그리고 풍경과 미학 설계 설명서(Landscape and Aesthetics Design Manual (TxDOT, 2007a))와 같은 가이드라인은 텍사스 보고서에 포함되어 있으나 바이오리텐션은 포함하고 있지 않음.

기존의 바이오리텐션 매뉴얼을 직접적으로 텍사스의 교통 상황에 적용하는 것은 쉽지 않은 일이었음. 그 이유는 바이오리텐션 연구가 북부에 위치해 있는 주들을 중심으로 기반을 두고 있고, 북부 주들과 남부의 텍사스와는 그 기후차이가 극명하기 때문임(예, 프린스 조지스 카운티(2002); 위스콘신 천연자원부(2003); 푸젯 사운드 조치 팀(Puget Sound Action Team 2005). 따라서 텍사스의 고온 건조(hot and arid)/반 건조(semi-arid)기후를 고려하여 식물의 종류, 토양 필터 매체의 특성, 그리고 경영 계획과 같은 설계의 세밀한 부분은 반드시 수정되어야 함.

이 프로젝트는 텍사스 고속도로의 강우 유출수를 처리하기 위한 바이오리텐션 설계 안내서를 개발하는 것을 목표로 하고 있음. 이 프로젝트는 세 가지의 주요한 임무로 구성되어 있음: 기존의 문헌 검토, 시범 연구소 실험의 수행, 그리고 실제 TxDOT 고속도로 환경에서 현장의 바이오리텐션 시설을 건설하고 모니터링.
 

연구소 시범 박스 테스트에 의하면, IWS 층은 고속도로 유출수를 처리하는데 있어 바이오리텐션의 수리학적 성능과 수질을 개선함. 특히, IWS 층은 총 질소 제거량을 상당히 증진시킴. 시범 테스트에서 사용된 토양 여재는 높은 초기 질소 농도를 가졌음. IWS 층이 없는 설계에 대한 유출수 시험 동안 토양 여재로부터 상당한 양의 질소가 침출되는 것을 관측하였음. IWS 층은 질소의 침출을 감소시켰는데, 왜냐하면 혐기성 조건은 탈질소를 용이하게 할 수 있고 이는 토양 여재에서 질소 농도를 감소시킴.

시범 테스트에 의하면, IWS 층이 금속 제거에 상당한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌음. 혐기성 조건은 토양 여재에 대한 구리의 흡착을 증가시켰음. 구리와 달리, 아연과 납은 IWS 층이 없는 설계에서 효과적으로 제거되었는데, 이는 IWS 층이 아연과 납의 제거에 미치는 영향이 유의하지 않음을 설명하였음.

다섯 개의 박스(IWS 층이 있거나 없거나)는 최대 배출량을 상당히 감소시켰음. IWS 층은 모든 박스에서 초대 배출량을 더욱 감소시켰음. 연구진들의 평가에 의하면, IWS 층은 저수지 같은 역할을 하여, 유출수의 체류시간을 늘리고 최대 유량을 감소시켰음.

최대 배출량 감소와 수질 개선의 혜택에 더하여, IWS 층은 식생에 대한 가뭄 스트레스를 완화시킬 수 있음. 대부분의 설계 참고서는 필터 여재에 대한 사질토와 지하배수로의 사용을 제안하는데, 왜냐하면 효과적인 배수가 식생의 생존에 필수적이기 때문임. 그러나, 인공 배수시스템은 간헐적인 강우 동안에 IWS 기능이 없는 환경을 만들어냄. 자갈층이나 경관용 섬유(landscape fabric)는 일반적으로 토양 여재 아래에 설치되는데, 이는 뿌리가 더 깊은 토양층에 저장된 수분에 접근하는 것을 방해하고, 식생에 대한 가뭄 스트레스를 야기함. 이는 가뭄이 바이오리텐션 셀 설계에서 고려되어야 함을 제안함. 특히, 이는 뜨겁고 건조한 지역에서 더욱 그러함. IWS 층은 가뭄 스트레스를 완화시키는 대안적인 설계 요소가 될 수 있음.
 

시범 및 현장 테스트 수행으로부터, 연구진은 다음과 같은 결론을 도출하였음:

- 바이오리텐션은 최대 유량(peak flow)을 감소시키고 체류시간(detention time)을 증가시키기 위한 방법일 수 있음.
- 내부의 물 저장기능(internal water storage, IWS)이 없는 바이오리텐션 셀은 부유 고형물을 보통으로 제거하였음.
- IWS가 없는 바이오리텐션 셀은 구리와 아연을 다양한 정도로 제거하였고, 충분한 제거 성능을 보여주지 못했음.
- IWS가 없는 바이오리텐션 셀은 납 제거를 보여주지 않았는데, 이는 테스트에서 사용된 유입수에서의 낮은 농도 때문임.
- IWS가 없는 바이오리텐션 셀은 최소한의 전체 질소를 제거하였음.
- IWS가 없는 바이오리텐션 셀은 전체 인을 보통으로 제거하였음.
- IWS가 있는 바이오리텐션 셀은 거의 모든 부유 고형물을 제거하였음.
- IWS가 있는 바이오리텐션 셀은 구리, 아연, 납 제거를 향상시켰고, 성능은 적절하다고 평가됨.
- IWS 개조는 전체 질소 제거량을 크게 향상시켰고, 전체 인 제거량을 보통으로 향상시켰음.
- IWS 개조는 탈질소 구역(denitrification zone)을 만들고, 식물의 생기와 바이오매스를 증가시키는데 가용한 물 함량을 증진시키는 것으로 보였음.
- 사질토는 식생에서 질소와 인의 부족을 일으킬 수 있음.
- Leucophyllum frutescens(텍사스 고유의 들깨종)와 Cynodon dactylon(우산 잔디)은 텍사스의 반건조 준열대성 기후에서 잘 살아남지만, Cynodon dactylon은 셀의 기존 식생을 능가할 수 있음.
- 바이오리텐션이 구축되고 극한의 가뭄 동안에는 관개(irrigation)가 필요함.
- 셀의 유지관리는 관개가 없이는 최소한이었음.
- RIFA 제어는 이슈가 될 수 있지만, 현장의 바이오리텐션 셀에서는 문제가 아니었음.
- 침투의 목적과 관련된 지하수 이슈를 아는 것은 바이오리텐션 시스템을 설계하기 전에 필요함.
- 현장 특유의 유출수 특성을 이해하는 것은 바이오리텐션 시스템을 설계하기 전에 필요함.
- 기름과 윤활유 유입수와 유출수는 이 연구에서 측정되지 않았지만, 이 정보는 매우 적절할 것임.