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排水溝は、水を流すために作られた土地の窪みです。排水溝は通常、水域に近い低地、道路脇、または畑の周りに形成されるか、植物灌漑のために遠くの水源から水を流すために作られます。2段階排水溝は、地下システムとは対照的に、 「表面」持続可能な排水システムに分類されます。2段階排水溝は、右の図に示すように、水系の流域の土地内に氾濫原として機能する草地の段丘を形成する土地の改変です。 [ 1 ]水域の両側に段丘を設けることで、表面流出のエネルギーが散逸し、水路の河川プロセスが維持され、既存の水路の水の安定性と水質が向上します。[ 2 ]
不十分な排水溝や水管理システムは、水質汚染の進行を加速させ、干ばつ期には土壌を過度に乾燥させ、適切な排水管理システムが実施されない場合、維持管理のための継続的な財政的負担となる。
右側の「従来型排水路」のような従来の排水溝やシステムは、ピーク流量時に既存の水路が大量の排水を処理できないために、侵食と不安定性の継続的な問題に悩まされてきました。その結果、表面流出によって引き起こされる周辺地の侵食は、水質の悪化と堆積、堤防と水路の拡大、水域に近い耕作地の劣化といった問題を引き起こします。その結果、これらの問題は悪化し、最終的には水路が通行不能になり、大規模で費用のかかる維持管理が必要になります。[ 3 ]
しかし、持続可能な排水路設計の実施、例えば適切に作られた2段階排水路は、特定の水域のより広い生態系の自然な地形学的平衡への影響を最小限に抑えながら、自己維持的な方法でそのような問題を軽減することができます。従来の排水路とは対照的に、2段階排水溝は、周囲の土地から水域への栄養分やその他の汚染物質の流れの速度とろ過をより適切に管理できるため、このような環境問題を解決できます（下記参照）。 [ 3 ]
こうした環境問題を認識し、2段階排水溝の主な目的は、最小限のメンテナンスで既存の水路の自然な河川プロセスを利用して堆積物やその他の汚染物質をより効果的に輸送し、同時に水域に近い土地での農業、灌漑、道路工事などの既存の活動を継続できるようにすることです。[ 2 ]したがって、2段階排水溝の全体的な利点は、水路とより広い生態系の安定性、高流量時の放流量の減少、水系への堆積物の流入の減少であり、既存の水路で発生している環境問題の多くを軽減するのに役立ちます。同時に、2段階排水溝は、掘削などの従来の戦略が引き起こす平衡を乱さない自然な地形管理戦略であるため、メンテナンスはほとんど、またはまったく必要ありません。さらに、隣接する草地ベンチを設置するために必要な土地（下記のデメリット分析を参照）と水路の自然な形状と蛇行を除いて、植生の大部分は2段階排水溝の形成中にほとんど変化しないため、他の排水管理システムとは異なり、システムの生態系が保護され、継続的な維持管理コストが大幅に削減されます。[ 2 ]
さらに、二段階排水路方式は、氾濫原や湿地と同様の機能を果たす水域上部の段丘における堆積物／土壌と水の相互作用を改善することで、栄養塩の同化を促進し、水質を向上させます。その結果、堆積物やその他の汚染物質はこれらの線状の段丘に沿って堆積し、周囲の流域から水路自体への堆積物の漏出効果を抑制します。
その結果、汚染物質（特に過剰施肥された土地からの）窒素とリンのレベルが低下し、水中の富栄養化のレベルが低下します。水中の富栄養化のレベルが制限されると、藻類の異常繁殖やアオウキクサの増殖が抑制され、水系内の無酸素状態が軽減されます。これにより、水生生物の生物多様性が失われ、用水路の農業機能が阻害されます。[ 4 ]
二段階排水溝を設置するのに最適な地域は、すでに自然に段丘が形成されている場所です。理由は2つあります。第一に、水路の底には細かい堆積物が豊富にあり、アクセスしやすいため、自然に段丘が形成されることが少ない流域で、段丘を人工的に作るために堆積物を掘削して移動させるコストを削減できます。第二に、水路に流入する水流の大部分は、堆積物が非常に少ない地下排水の形で流入するため、この流れは溝に入ると堆積物を拾い上げ、自然に段丘が形成されることは最小限です。したがって、堆積物の観点からも、また土地の掘削や堆積物の運搬といったコスト削減の観点からも、すでに自然に段丘が形成されている場所に二段階排水溝を設置する方が有利です。[ 2 ]
ミネソタ州の水路管理システムが直面している問題は、かつて源流だった川を直線化するために使われていた伝統的な排水路システムの導入であり、水文システムの河川プロセスを阻害している。実際、ミネソタ州、特に南東部のミシシッピ川上流域には、25,000マイルを超えるこうした伝統的な排水路が存在する。[ 7 ]ネイチャー・コンサーバンシーによるミネソタ地域に関する調査では、上記の伝統的な排水管理の限界が確認された。
これらの深くて幅の広い従来の溝は侵食や堆積に非常に弱く、溝の安定性を阻害し、河川では窒素とリンのレベルが過剰になり、富栄養化を引き起こし、洪水も増加することが判明した。[ 7 ]ビスケは、このような溝が一度水路化されて建設されると、水路を自然な河川プロセスと蛇行した性質に戻そうとすると、侵食と堆積物の堆積が悪化するというハンセンの見解を肯定した。
そのため、水質問題を修復・緩和するために、農業がミネソタ州最大の収入源であることから、ネイチャー・コンサーバンシーは過去10年間にこの地域で二段階排水システムの形成に関連する価値分析のテストを開始しました。2010年には、「アダムズ・バー」として知られる7,000フィートの二段階排水溝が建設されました（右の図を参照）。[ 7 ]
水路内の硝酸塩濃度を検査した日々の結果から、予備データでは、2010年時点では、導入された2段階排水路による環境上のメリットを完全に報告するにはデータが不十分であったものの、1日の総降水量に対する硝酸塩摂取量の減少は最小限であったことが示された。より長期にわたるデータがあれば、2段階排水路が水路内の硝酸塩濃度に及ぼすプラスの影響がさらに明らかになるだろう。
降水量。
最終的に、報告書が公表された時点では、このプログラムによる栄養塩低減効果を示すには時期尚早であった。しかし、初期の視覚的観察では、硝酸塩削減の初期結果から生息環境の改善と水生生物の改善がすでに始まっており、水路の富栄養化のプロセスが減速し始めていることが示された。[ 7 ]