Влияние событий сильного осадка на производительность канализационной системы

Подавляющая проблема: как экстремальные осадки влияют на производительность канализационных труб

Городские канализационные системы являются критически важной инфраструктурой, предназначенной для защиты общественного здравоохранения путем безопасной передачи сточных вод и ливневых вод из населенных районов. Однако эти системы спроектированы для обработки определенного диапазона интенсивности осадков - обычно на основе исторических данных о частоте и продолжительности штормов. Когда тяжелые осадки превышают эти параметры проектирования, производительность канализационных сетей может быстро ухудшаться, что приводит к каскаду проблем, начиная от неприятного уличного наводнения до катастрофических переливов сточных вод. Увеличение частоты экстремальных погодных явлений, вызванных изменением климата, сделало понимание этих воздействий и изучение уязвимостей системы более актуальным, чем когда-либо прежде.

В этой статье рассматриваются инженерные, эксплуатационные и экологические последствия сильных осадков для канализационных систем. Она посвящена механике сбоев системы, исследуется дифференцированное воздействие на комбинированные и отдельные канализационные системы, рассматриваются эффективные стратегии смягчения последствий и рассматриваются передовые адаптивные технологии и методы, применяемые для повышения устойчивости.

Понимание анатомии городских канализационных систем

Чтобы понять, как сильные осадки нарушают работу канализации, необходимо сначала понять фундаментальную конструкцию и работу двух основных типов городских дренажных систем: комбинированных канализационных систем (CSS) и отдельных канализационных систем (SSS).

Комбинированные канализационные системы

Комбинированные канализационные системы являются наследием городской инженерии 19-го и начала 20-го века. В CSS единая сеть труб собирает и транспортирует как бытовые, так и промышленные сточные воды (санитарные стоки), а также стоки ливневых вод с крыш, улиц и парковок. Весь поток направлен на очистную станцию (WWTP). При сухих погодных условиях и во время наиболее распространенных осадков мощность комбинированных труб достаточна для передачи всего потока на очистку. Однако в периоды тяжелых или устойчивых осадков общий поток может быстро превышать пропускную способность труб или самой очистной станции. Когда это происходит, комбинированные переливные стоки (CSO) активируются. Эти спроектированные переливные точки позволяют смеси ливневых и необработанных стоков сбрасывать непосредственно в приемные воды - реки, озера или прибрежные заливы - для предотвращения жилых и уличных резервов. В то время как CSO являются плановым механизмом помощи, их экологические и последствия для здоровья населения являются серьезными. По данным Агентства по охране окружающей среды США (EPA), CSSs обслуживают приблизительно 40 миллионов

Отдельные канализационные системы

Современные городские разработки обычно используют отдельные канализационные системы, которые состоят из двух отдельных трубопроводных сетей: санитарная канализационная система, которая передает сточные воды исключительно на очистные сооружения, и ливневая дренажная система, предназначенная для доставки дождевой воды непосредственно в близлежащие поверхностные воды без обработки. Поскольку санитарная система не предназначена для обработки больших объемов ливневых вод, она должна, теоретически, быть менее уязвимой для вызванных осадками переливов. Тем не менее, на практике отдельные системы сталкиваются с собственными проблемами. Инфильтрация и приток (I / I) могут проникать в санитарные трубы через трещины, неисправные соединения, незаконные соединения и крышки люков. Во время сильных осадков приток чистой воды может перегружать санитарные канализационные системы (SSO) - сбросы частично обработанных или необработанных сточных вод. EPA оценивает, что до 75 000 SSO происходят каждый год в Соединенных Штатах, многие из которых связаны с влажной погодой. По мере того, как штормы усиливаются, даже хорошо поддерживаемые отдельные системы могут страдать

Основные уязвимости, присущие обеим системам

Независимо от типа системы, сильные осадки выявляют общие слабые стороны:

Документированные последствия экстремальных осадков

Когда проектные пороги нарушаются, последствия являются немедленными и далеко идущими. Четыре основные категории воздействия - перетоки, резервные копии, загрязнение окружающей среды и ущерб инфраструктуре - взаимосвязаны и часто множатся.

Совокупный и санитарный отток канализационных стоков

Переливы являются наиболее прямым показателем сбоя системы. ОГО выпускают токсичный коктейль из сырых сточных вод, питательных веществ, патогенов, тяжелых металлов и плавучих отходов в городские водные пути. Один большой шторм может вызвать миллионы галлонов переполнения в течение нескольких часов. Например, в 2019 году сильные ливни в Верхнем Среднем Западе вызвали выброс более 11 миллиардов галлонов разбавленных сточных вод из объединенных канализационных систем в озеро Мичиган, основной источник питьевой воды в регионе. Аналогичным образом, отдельные санитарные системы испытывают SSO, которые могут затопить подвалы, загрязнить городские потоки и заставить закрыть пляжи. Помимо непосредственных рисков для здоровья от контакта с патогенами, такими как E. coli, Cryptosporidium и Giardia, хронические переливы ухудшают водные экосистемы, вызывают цветение водорослей из-за избытка питательных веществ и налагают тяжелые экономические издержки на общины посредством очистки, консультаций по вопросам здравоохранения и штрафов.

Подвал и уличные резервные копии

Когда трубы накладывают дополнительную плату, вода ищет путь наименьшего сопротивления - часто путем строительства боковых соединений более низкой высоты. Результат: необработанные сточные воды, бурлящие в подвалах, разрушающие готовое жилое пространство, повреждающие личную собственность и создающие опасность для общественного здравоохранения внутри домов. Уличные наводнения из перегруженных бассейнов уловов могут затопить транспортные средства, нарушить работу аварийных служб и вызвать широкомасштабные экономические нарушения. Во многих муниципалитетах резервная ответственность является спорным вопросом политики; домовладельцы часто полагаются на страхование и муниципальную компенсацию, которая может быть неадекватной. Американское общество гражданских инженеров (ASCE) дало инфраструктуре сточных вод «D +» класс, ссылаясь на то, что многие коммунальные службы сталкиваются с миллиардами долларов в отложенном обслуживании и модернизации мощностей.

Загрязнение окружающей среды и вред экосистем

Экологические потери от сбросов сточных вод влажной погоды глубоки. Загружаемость питательных веществ из необработанных отходов жизнедеятельности человека (азот и фосфор) способствует вредному цветению водорослей, которые производят токсины, истощают кислород и создают мертвые зоны в прибрежных и пресноводных системах. Осадки и загрязняющие вещества задушают бентосные среды обитания. Высокие бактериальные показатели заставляют закрывать пляжи для купания и районы сбора моллюсков в течение нескольких дней или недель после штормов. В водоразделе Чесапикского залива, например, стоки ливневых вод и SSO являются ведущими источниками загрязнения, что усложняет усилия по восстановлению. Дикая природа также страдает: рыба убивает, загрязненные водные пищевые сети и разрушение нерестилищ все чаще связаны с экстремальными событиями осадков.

Ущерб инфраструктуре и финансовые нагрузки

Устойчивое насыщение во время проливных дождей может подорвать канализационную инфраструктуру. Эрозия почв вокруг труб создает пустоты, приводя к провалам и обрушению труб. Гидравлический рост ускоряет износ трубных накладок, клапанов и механического оборудования. Перелив также ускоряет коррозию в бетонных трубах из-за сероводородного газа. Финансовое бремя ремонта или замены поврежденной инфраструктуры огромно. В докладе EPA за 2021 год говорится, что канализационные системы страны нуждаются в инвестициях в размере 271 млрд долларов в течение следующих 20 лет для достижения целей Закона о чистой воде, причем значительная часть связана с управлением влажной погодой. Для городов, финансово ограниченных, стоимость бездействия - с точки зрения имущественного ущерба, расходов на здравоохранение и юридических расчетов - может быть еще выше.

Изменение климата и новые крайности осадков

Производительность канализационных систем все чаще проверяется меняющимся климатом. Исторически инженеры проектировали инфраструктуру, основанную на предположении о стационарном климате — то есть статистическое распределение экстремальных осадков будет оставаться постоянным в течение срока службы актива (обычно от 50 до 100 лет). Это предположение больше не актуально. Научные данные Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) и Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) показывают, что более теплая атмосфера содержит больше влаги — примерно на 7% больше на градус Цельсия потепления — приводит к более интенсивным и более частым экстремальным осадкам. Тяжелые ливни, которые когда-то происходили с 1% годовой вероятностью (так называемый «100-летний шторм») становятся все более распространенными во многих регионах, резко увеличивая частоту перегрузок системы.

Такие города, как Хьюстон, Нью-Йорк и Майами, пережили события осадков, которые побили рекорды, подавив даже недавно модернизированные системы. Штамм не ограничивается прибрежными городами; внутренние сообщества также сталкиваются с внезапными наводнениями от конвективных штормов и застопорившихся погодных фронтов. Следствием является растущий разрыв между возможностями существующей канализационной инфраструктуры и фактическими осадками, с которыми она должна справиться. Без изменения парадигмы в стандартах проектирования и инвестиций цикл отказов и повреждений, вероятно, усилится. Многие инженерные организации теперь выступают за использование «нестационарности» в гидравлическом моделировании - прогнозирование будущих экстремальных осадков для повышения устойчивости к климату 2050 года и далее.

Стандарты штормового дизайна и их ограничения

Большинство муниципальных канализационных систем предназначены для передачи определенной величины осадков, обычно выражаемой в терминах интервала повторения (например, 10-летний, 25-летний или 100-летний шторм). Выбранный стандарт балансирует стоимость с приемлемым риском. Однако эти стандарты были установлены десятилетия назад на основе исторических данных осадков. С изменением климата, меняющим шансы, шторм с маркировкой «100-летний» теперь может иметь гораздо более короткий период возврата во многих местах. Более того, старая парадигма проектирования не учитывала эффекты урбанизации, такие как увеличение непроницаемых поверхностей, которые ускоряют стоки и уменьшают инфильтрацию. Следовательно, даже умеренные осадки могут теперь превышать гидравлическую мощность ливневых стоков и комбинированных систем, которые были разработаны для другого климата.

Оценка эффективности: мониторинг и моделирование

Чтобы эффективно реагировать на проблему сильных осадков, водоканалы должны понимать, как их системы на самом деле работают в условиях стресса. Это включает в себя два взаимодополняющих подхода: мониторинг в реальном времени и передовое вычислительное моделирование.

Мониторинг в реальном времени и системы SCADA

Системы надзорного контроля и сбора данных (SCADA) предоставляют операторам данные о потоках, уровнях, состоянии насоса и параметрах качества воды во всей системе сбора. Во время сильного дождя данные SCADA позволяют на ранней стадии обнаруживать условия заряжания и помогают операторам принимать решения в доли секунды, такие как отвод потока в резервуары для хранения или настройка параметров затвора. Многие коммунальные службы теперь развертывают дополнительные датчики - доплеровские счетчики потока, дождевые датчики и регистраторы уровня воды - для сбора данных высокого разрешения во время штормовых событий. Эта информация имеет решающее значение для проверки моделей и выявления конкретных сегментов труб, которые являются узкими местами.

Гидравлическое и гидрологическое моделирование

Сложные компьютерные модели, такие как модель управления штормовыми водами EPA (SWMM) или коммерческие инструменты, позволяют инженерам моделировать реакцию канализационных систем на входное количество осадков при различных интенсивностях и продолжительности. Эти модели включают геометрию труб, наклон, шероховатость, емкость хранилища, кривые насоса и логику управления. Запустив модель с историческими и проектными штормами, инженеры могут точно определить слабые места системы, оценить эффективность предлагаемых обновлений и будущие характеристики проекта в сценариях изменения климата. Интеграция данных о осадках на основе радара (например, NEXRAD) с моделями улучшила пространственную точность моделирования, обеспечивая целенаправленные улучшения, а не общие подходы.

Оригинальное название: The Thames Tideway Tunnel

Ярким примером моделирования является лондонский тоннель Thames Tideway, строящийся в настоящее время 25-километровый (16-мильный) суперканализатор для захвата и хранения почти всех лондонских ОГО. Десятилетия комбинированных переливов канализационных стоков в реку Темзу во время проливных дождей превратили приливную реку в экологическую ответственность. Проект, который, как ожидается, будет функционировать к 2025 году, использует обширное моделирование моделей осадков, роста населения и мощности обработки для определения диаметра туннеля и маршрутизации. Он иллюстрирует, что крупные капитальные работы, в то время как дорогие (4,2 млрд фунтов стерлингов), могут резко сократить загрязнение влажной погоды в сочетании с мерами контроля над источниками.

Стратегии смягчения последствий и адаптация инфраструктуры

Для решения проблемы воздействия сильных осадков на эффективность канализации требуется многоплановый подход, который включает в себя традиционные модернизации серой инфраструктуры, инновационную зеленую инфраструктуру и усовершенствованную оперативную практику. Одного решения недостаточно; устойчивая стратегия городского дренажа объединяет несколько элементов.

Серая инфраструктура модернизируется

Серая инфраструктура относится к обычным инженерным сооружениям - трубам, насосам, резервуарам для хранения и очистным сооружениям, которые управляют потоками воды. Ключевые обновления для улучшения производительности влажной погоды включают:

  • Расширенная канализационная мощность: Замена малогабаритных труб с каналами большего диаметра для обработки больших потоков. Это часто является самым дорогим, но наиболее прямым решением для конкретных узких мест.
  • Глубокие туннели и хранилища: Большие подземные хранилища, такие как Глубокий тоннель в Чикаго (Туннель и План водохранилища или TARP), захватывают комбинированные всплески и удерживают их до тех пор, пока не будет доступна мощность обработки. TARP предотвратил миллиарды галлонов ОГО с момента его создания.
  • Регулирование хранения и потока в магистрали: Установка затворных клапанов, дроссельных труб и негабаритных канализационных труб, которые временно хранят воду в системе и медленно выпускают ее вниз по течению, чтобы соответствовать мощности очистной станции.
  • Модернизированные насосные станции: Добавление резервных насосов, аварийных генераторов питания и увеличение мощности разряда для обработки более высоких потоков в летнее время.
  • Способность к лечению растений влажной погоды: Расширение гидравлических установок для очистки для принятия более высоких мгновенных потоков, часто с использованием высокоточных технологий уточнения (например, балластная флоккуляция), которые могут обрабатывать ливневые воды и канализационные смеси в течение более короткого времени содержания.

Зеленая инфраструктура: сдвиг парадигмы

Зеленая инфраструктура (GI) представляет собой фундаментальное переосмысление управления городскими ливневыми водами: вместо того, чтобы быстро передавать сток, GI стремится имитировать естественную гидрологию, перехватывая, инфильтрационно, эвапотранспируя и сохраняя дождевую воду у ее источника. Путем сокращения объема и скорости поступления стока в канализационные системы, GI эффективно снимает давление как на комбинированные, так и на отдельные системы. Общие методы GI включают:

  • Дождевые сады и биоудерживающие клетки: Депрессивные ландшафтные зоны, предназначенные для временного прудирования, фильтрации и проникновения в сток из небольших дренажных зон.
  • Зеленые крыши: Растительные слои крыши, которые поглощают осадки и медленно выделяют их при испарении.
  • Прозрачные покрытия: Пористый асфальт, бетон или переплетенные брусчатки, которые позволяют воде стекать в слой подземного хранения.
  • Дождевая вода: Цистерны и бочки, которые захватывают сток крыши для последующего непотенциального использования.
  • Отключение от выпадения: Перенаправляя лидеров крыши из ливневых стоков на газоны или дождевые сады.

Исследования показывают, что широкое внедрение ГИ может сократить объем ОГО на 25-80% в зависимости от плотности и стандартов проектирования. Программа города Филадельфии «Зеленый город, чистые воды» стоимостью 25 лет, стоимостью 2,4 млрд долларов, направлена на управление 85% ливневых вод с использованием ГИ, тем самым избегая более 1 млрд долларов расходов на туннели. Зеленая инфраструктура также обеспечивает сопутствующие выгоды: улучшение качества воздуха, снижение эффекта городского теплового острова, увеличение среды обитания и повышение эстетики сообщества.

Улучшение эксплуатации и технического обслуживания

Даже самая лучшая система не работает без тщательной эксплуатации и обслуживания. Коммунальные службы инвестируют в:

  • Проактивная очистка: Систематическое струйное и промывное смывание областей с высоким уровнем накопления (например, пятна с низким потоком, впадины) для предотвращения завалов, которые усугубляют заряжание во время штормов.
  • Корневой контроль и реабилитация труб: Химическая обработка корня, резка и выверенная на месте труба (CIPP) для уменьшения I/I и предотвращения структурных отказов.
  • Маншрутизация и впускные модернизации: Уплотнение крышек люков, установка водонепроницаемых прокладок и модернизация вставок в бассейне улова для уменьшения песчинки и мусора, попадающих в систему.
  • Технология Smart Sewer: Использование датчиков и управления в реальном времени (RTC) для динамического управления маршрутизацией потока в сети. Например, автоматизированные клапаны могут захватывать и сохранять поток в определенных ветвях, когда пропускная способность ниже по течению ограничена, а затем выпускать его позже.

Системы раннего предупреждения и готовность сообщества

Хотя жесткая инфраструктура может снизить серьезность воздействий, не все события могут быть полностью сдержаны. Системы раннего предупреждения, которые объединяют прогнозы метеорологических радаров с мониторингом канализации в реальном времени, могут обеспечить часы времени для активации процедур на случай непредвиденных обстоятельств, таких как:

  • Упреждающее снижение уровня резервуаров и предварительное дренирование резервуаров для хранения влажной погоды.
  • Развертывание мобильных барьеров наводнений вокруг критических насосных станций.
  • Публичные консультации по предотвращению затопления районов и потенциального загрязнения сточных вод.
  • Координация действий с аварийными службами по эвакуации уязвимых групп населения.

Устойчивость сообщества также зависит от четкой коммуникации: коммунальные службы должны информировать жителей о рисках резервного копирования канализационных систем, важности запорных клапанов и правильной утилизации отходов (чтобы избежать блокировок). Создание культуры готовности снижает человеческие потери, когда экстремальные дожди перегружают даже самые адаптированные системы.

Политика, финансирование и будущие направления

Решение многогранной проблемы обильных осадков на канализационные системы требует не только инженерной изобретательности, но и политической воли, участия общественности и адекватного финансирования. Расходы на бездействие растут, и многие общины изучают инновационные модели управления и финансов.

Водители: Закон о чистой воде и декреты о согласии

В Соединенных Штатах федеральные правила в соответствии с Законом о чистой воде требуют, чтобы муниципалитеты контролировали ОГО и ОГО. Многие города находятся под федеральными постановлениями о согласии - юридически обеспеченные соглашения с EPA - для достижения конкретных вех сокращения загрязнения. Например, город Портленд, штат Орегон, инвестировал 1,4 миллиарда долларов США, чтобы сократить ОГО на 99%, используя комбинацию больших туннелей хранения, ГИ и разделения канализации. Эти нормативные требования, хотя и обременительные, ускорили инвестиции в инфраструктуру и заставили коммунальные службы принять комплексные планы управления влажной погодой.

Инновационные механизмы финансирования

Огромные инвестиции, необходимые — более 270 миллиардов долларов только для канализационной инфраструктуры в США — не могут быть оплачены только плательщиками ставок.

  • Сборы за буровые воды: Многие коммунальные службы теперь взимают с владельцев недвижимости плату за непроницаемую поверхность на их земле, создавая экономический стимул для сокращения стока и финансирования программ ГИ.
  • Государственные возобновляемые фонды (ГРФ): Кредиты под низкие проценты, предоставляемые EPA и государственными агентствами для проектов в области водной инфраструктуры.Закон о двухпартийной инфраструктуре 2021 года выделил 55 миллиардов долларов на инфраструктуру водоснабжения, включая проекты по канализации и ливневым водам.
  • Государственно-частное партнерство (P3s): Частные инвестиции в крупные капитальные проекты (такие как туннели и модернизация обработки) в обмен на долгосрочный операционный доход.
  • Грантовые программы: Федеральные и государственные гранты на инновационные проекты в области ГИ, устойчивости к наводнениям и адаптации к изменению климата.

Роль планирования зонирования и землепользования

Одна из наиболее эффективных долгосрочных стратегий заключается в предотвращении эскалации проблемы с помощью политики разумного землепользования. Распоряжения о зонировании, ограничивающие непроницаемый покров, сохраняющие естественные дренажные коридоры, предписывающие задержание ливневых вод на месте для новых разработок и защищающие водно-болотные угодья и поймы, снижают нагрузку на канализационные системы, расположенные ниже по течению. Сообщества, которые интегрируют водочувствительный городской дизайн в свои генеральные планы, повышают устойчивость с нуля.

Технологии будущего: цифровые близнецы и адаптивное управление

Следующим рубежом в управлении производительностью канализации является цифровой двойник: высокоточная виртуальная копия всей системы сбора в реальном времени, которая объединяет данные датчиков, гидравлические модели, прогнозы погоды и записи управления активами. Операторы могут использовать цифровые двойники для запуска симуляций «что-если» во время приближающихся штормов, оптимизации настроек ворот, графиков насосов и операций хранения для минимизации переливов. В сочетании с машинным обучением эти системы могут прогнозировать и предупреждать сбои до того, как они произойдут.

Адаптивное управление идет еще дальше: вместо того, чтобы полагаться исключительно на стандарты проектирования прошлого, коммунальные службы могут непрерывно учиться на последних событиях, обновлять модели, корректировать операции и перераспределять капитальные инвестиции. Этот итеративный процесс позволяет постепенно улучшаться без необходимости массивных одноразовых перестроек.

Заключение

Сильные дождевые осадки накладывают глубокую нагрузку на городские канализационные системы, обнажая границы устаревшей инфраструктуры и угрожая общественному здоровью и окружающей среде. Проблема усиливается, поскольку изменение климата усиливает частоту и тяжесть экстремальных осадков. Но, как описано в этой статье, эта проблема далека от непреодолимой. Комплексный подход - сочетание целенаправленного обновления серой инфраструктуры, широкого внедрения зеленой инфраструктуры, расширенного мониторинга и моделирования в режиме реального времени, активного обслуживания и перспективного землепользования и финансовой политики - может значительно улучшить производительность канализационной системы во время влажной погоды. Коммунальные службы и сообщества, которые инвестируют сегодня в устойчивость, будут не только уменьшать воздействие завтрашних штормов, но и создавать более здоровые, более пригодные для жизни городские ландшафты. Задача монументальна, но инструменты, знания и воля к действию находятся в пределах досягаемости. Вопрос в том, решит ли общество инвестировать необходимые ресурсы до следующего сильного дождя, наконец, доказывает, что старой системы больше не достаточно.

Внешние ресурсы:

  • Узнайте больше о комбинированных переполнениях канализации со страницы U.S. EPA CSO .
  • Исследуйте последние данные о климате и осадках в Национальных центрах экологической информации NOAA .
  • Обзор Американского общества инженеров-строителей (ASCE) 2021 Карта отчета об инфраструктуре сточных вод .
  • О программе «зеленая инфраструктура» в Филадельфии читайте в Green City, Clean Waters [1].
  • Понять влияние экстремальных осадков на городские наводнения в Шестом оценочном докладе МГЭИК .

— Конец статьи —