Использование систем инфильтрации для снижения нагрузки на обычные канализационные системы во время сильных осадков

Растущая проблема управления городскими штормовыми водами

Сильные дождевые осадки становятся все более частыми и интенсивными из-за изменения климата, что создает беспрецедентную нагрузку на обычные канализационные системы. Эти системы - часто комбинированные канализационные системы, которые обрабатывают как ливневые, так и санитарные отходы - могут быстро достигать мощности во время ливня. Когда перегруженные, необработанные сточные воды и ливневые воды могут переполняться на улицы, подвалы и местные водные пути, создавая опасности для общественного здравоохранения и экологический ущерб. Муниципалитеты во всем мире ищут устойчивые, экономически эффективные стратегии для снижения гидравлической нагрузки на стареющую канализационную инфраструктуру. Среди наиболее перспективных решений - системы инфильтрации, которые имитируют естественные гидрологические процессы для захвата и поглощения ливневых вод, где они падают.

В отличие от традиционной серой инфраструктуры, которая быстро уводит стоки, системы инфильтрации поощряют проникновение воды в подстилающую почву. Такой подход не только облегчает нагрузку на трубы и очистные сооружения, но и пополняет подземные воды, улучшает качество воды и снижает риск внезапных наводнений. Интегрируя эти системы в городские ландшафты, города могут повысить устойчивость к экстремальным погодным условиям, одновременно увеличивая зеленые насаждения и удобства сообщества.

Понимание влияния сильного дождя на канализационные системы

Когда дождь попадает на непроницаемые поверхности, такие как дороги, крыши и парковки, он не может впитываться в землю. Вместо этого он быстро убегает, перевозя загрязняющие вещества и мусор в желоба, ливневые стоки и комбинированные канализации. В типичной комбинированной канализационной системе ливневые воды текут в те же трубы, которые переносят сточные воды из домов и предприятий. Во время сухой погоды эти трубы имеют достаточную пропускную способность. Но во время сильных штормов приток может превышать пропускную способность труб, что приводит к комбинированным переливам канализационных систем (CSO) - основной источник загрязнения воды во многих старых городах.

Даже в отдельных санитарно-штормовых канализационных системах большие объемы ливневой воды могут перегружать трубы, предназначенные для снижения скорости потока, вызывая локализованные наводнения и эрозию.Огромный объем стока от одного интенсивного шторма может равняться или превышать весь суточный сухой поток очистной станции. Поэтому критически важно сокращение пикового потока, поступающего в канализационные системы. Системы инфильтрации решают эту проблему, перехватывая стоки у его источника и позволяя ему проникать в землю, тем самым уменьшая объем и скорость поступления воды в канализационную сеть.

Как работают системы инфильтрации

Системы инфильтрации полагаются на естественную способность почвы поглощать и фильтровать воду. Штормовая вода временно хранится в углублении, гравийном слое или пористой поверхности, а затем позволяет просачиваться вниз. Скорость инфильтрации зависит от проницаемости почвы, которая варьируется в зависимости от текстуры, уплотнения и содержания влаги. Правильно разработанные системы обеспечивают, чтобы вода хранилась достаточно долго, чтобы полностью проникнуть, как правило, в течение 24-72 часов, чтобы предотвратить размножение комаров и восстановить емкость для хранения следующего шторма.

Эти системы также обеспечивают обработку по мере того, как вода перемещается через корни почвы и растений. Приостановленные твердые вещества, питательные вещества, тяжелые металлы и патогены удаляются путем фильтрации, адсорбции и биологического поглощения. Эта естественная обработка снижает нагрузку на загрязняющие вещества при приеме воды и помогает соответствовать нормативным требованиям к качеству ливневых вод. Системы инфильтрации могут быть частью более крупной стратегии зеленой инфраструктуры , которая включает в себя дождевые сады, биосвалы и построенные водно-болотные угодья.

Виды инфильтрационных систем

Инфильтрационные бассейны

Бассейны инфильтрации являются мелкими, растительной впадинами, предназначенными для захвата и задержания ливневых вод, в то время как они медленно просачиваются в землю. Они часто используются в открытых пространствах, парках или крупных коммерческих местах, где земля доступна. Бассейны могут обрабатывать стоки с нескольких акров непроницаемой поверхности и обеспечивать дополнительные преимущества, такие как среда обитания дикой природы и рекреационные зеленые насаждения. Ключевые факторы дизайна включают наклон дна, глубину (обычно 6-18 дюймов) и использование слоя песка или гравия для усиления дренажа.

Прозрачные мосты

Проницательные тротуары позволяют воде проходить через поверхность в подстилающий каменный резервуар, где она проникает в недра. Общие типы включают пористый асфальт, прочный бетон и переплетенные бетонные брусчатки с широкими суставами. Эти поверхности идеально подходят для парковок, дорог с низким трафиком, тротуаров и площадей. Они уменьшают пиковый поток объема стока и улучшают качество воды. Однако они требуют специализированной конструкции и обслуживания, такие как вакуумная прочистка, чтобы предотвратить засорение отложений. При правильном обслуживании проницаемые тротуары могут длиться 20–30 лет и эффективно управлять штормами высокой интенсивности.

Проникновение в траншеи

Проникновение траншей — это линейные раскопки, заполненные гравием или камнем, часто выложенные геотекстильной тканью. Штормовая вода поступает в траншею через трубу, заболоченную или поверхностные впадины, а затем просачивается через камень и в окружающую почву. Траншеи обычно используются вдоль дорог, парковок и строительных фундаментов для обработки и проникновения стоков из относительно небольших дренажных районов. Они эффективны в почвах с умеренной до высокой скоростью инфильтрации. Для предотвращения преждевременного отказа предварительная обработка (например, осадочный отстой или полоса фильтра травы) помогает захватывать грубые частицы, прежде чем они закупорят траншею.

Дождевые сады и биоудерживающие клетки

Дождевые сады — это мелкие, посаженные впадины, которые собирают стоки с крыш, подъездных путей и газонов. Биоретенциальные клетки — это более крупные, спроектированные версии с системой нижнего дренажа для обработки перелива. Оба полагаются на растительность, мульчу и измененную почву для содействия инфильтрации и удалению загрязняющих веществ. Они эстетически приятны и могут быть интегрированы в жилые дворы, общественные парки и коммерческое озеленение. Дождевые сады обычно обрабатывают стоки из небольших дренажных районов (до 1 акра) и предназначены для дренажа в течение 48 часов. Они обеспечивают среду обитания опылителей и могут уменьшить воздействие городских тепловых островов.

Сухой Уэллс

Сухие скважины представляют собой подземные сооружения - часто предварительно излитые бетонные цилиндры или перфорированные трубные камеры - которые хранят и проникают в ливневые воды. Они обычно используются для управления стоком крыши из отдельных зданий. Вода из водосбросов отводится в сухую скважину, где она просачивается в окружающую почву. Сухие скважины компактны и подходят для плотных городских участков, но они требуют тщательного сидения, чтобы избежать загрязнения грунтовых вод и должны быть защищены от мусора и осадка.

Преимущества помимо снижения нагрузки

Основная цель систем инфильтрации заключается в уменьшении объема и пикового потока ливневых вод, поступающих в канализационные системы, но сопутствующие выгоды одинаково ценны.

Подзарядка грунтовых вод

Во многих городских районах непроницаемые поверхности препятствуют восполнению водоносных горизонтов дождевой водой, что приводит к снижению уровня грунтовых вод и снижению базового стока в ручьях. Системы инфильтрации восстанавливают эту естественную подпитку, поддерживая водоснабжение и поддерживая экосистемы потока в засушливые периоды. Геологическая служба США документально подтвердила , что увеличение инфильтрации может значительно смягчить истощение подземных вод в городских водоразделах.

Улучшение качества воды

Сток ливневой воды улавливает загрязняющие вещества с дорог, парковок, газонов и крыш. Инфильтрация через корни почвы и растений эффективно удаляет многие из этих загрязняющих веществ. Фильтрация, адсорбция к частицам почвы и биологическое поглощение растениями могут удалять до 90% взвешенных твердых веществ, 60-80% фосфора и 80-90% азота в некоторых системах. Это снижает нагрузку на загрязняющие вещества на водоемах ниже по течению и помогает удовлетворить требования к максимальной суточной нагрузке (TMDL).

Уменьшение наводнений и устойчивость сообщества

Замедляя и сохраняя стоки, системы инфильтрации уменьшают объем воды, достигающей канализации и ручьев во время штормов. Это может снизить уличное наводнение и ущерб имуществу в уязвимых районах. В некоторых городах было показано, что широкое развертывание зеленой инфраструктуры снижает пиковые потоки на 20-40% для небольших, частых штормов. Для более крупных штормов системы инфильтрации все еще уменьшают общий объем стока, уменьшая нагрузку на структуры контроля за наводнениями.

Экономия энергии и затрат

Когда инфильтрация уменьшает поток на очистные сооружения, она может снизить потребление энергии для перекачки и очистки. Комбинированные резервуары для хранения и туннели для переполнения канализационных систем дороги в строительстве и обслуживании; инфильтрация обеспечивает децентрализованную, более дешевую альтернативу. Многие муниципалитеты предлагают скидки или стимулы для установки дождевых садов, проницаемых брусчаток или сухих скважин, признавая долгосрочную экономию на инфраструктуре и очистных расходах.

Городские тепловые острова смягчение и эстетика

Зеленые насаждения на основе инфильтрации охлаждают окружающий воздух посредством испарения, смягчая эффект городского теплового острова. Растительные системы, такие как клетки биоудержания и дождевые сады, добавляют зелень в плотные городские районы, улучшая ценности собственности и качество жизни. Они также создают коридоры обитания для птиц, бабочек и полезных насекомых.

Соображения в отношении проектирования и осуществления

Успешные системы инфильтрации требуют тщательного планирования, проектирования и строительства.

пригодность почвы

Наиболее важным параметром является скорость инфильтрации. Почвы с высоким содержанием глины или уплотнением могут иметь низкую проницаемость и требовать внесения поправок, осадков или альтернативных подходов. На местах необходимо проводить испытания почвы (например, испытания на инфильтрометре с двойным кольцом). Для очень узких почв могут использоваться неглубокие системы с расширенным хранением или система может быть предназначена для медленного проникновения в течение нескольких дней с переливной розеткой.

Глубина грунтовых вод и водного стола

Вводимая вода не должна поднимать уровень грунтовых вод слишком высоко или загрязнять грунтовые воды. Как правило, требуется минимальное разделение 2-4 футов между дном системы инфильтрации и сезонно высоким уровнем грунтовых вод. В районах с мелководными грунтовыми водами или коренной породой системы могут быть более мелкими или полностью выровненными с выгрузкой нижнего дренажа в ливневую канализацию.

Предварительная обработка и обслуживание

Для предотвращения засорения ливневые воды должны быть предварительно обработаны для удаления грубых осадков и мусора перед входом в систему инфильтрации. Распространены полосы фильтров травы, осадочные бассейны или собственные гидродинамические сепараторы. Техническое обслуживание включает удаление накопленных осадков, проверку стоячей воды за пределами запланированного времени слива (обычно 48 часов) и пересадку растительности. План технического обслуживания с регулярными проверками (по крайней мере два раза в год и после крупных штормов) имеет решающее значение для долгосрочных характеристик.

Местный климат и модели осадков

Системы должны быть рассчитаны на местные 1-летние, 10-летние или 100-летние штормы в зависимости от нормативных требований. В регионах с длительными сухими периодами, сопровождаемыми интенсивными дождями, емкость хранилища может потребоваться больше для размещения первого смыва. Холодный климат требует рассмотрения циклов замерзания-оттаивания, хранения снега и воздействия солей. Прозрачные тротуары в снежных районах должны быть спроектированы с адекватным дренажом основания и могут потребовать специализированных процедур вспашки снега.

Соблюдение нормативных требований

Во многих юрисдикциях требуются разрешения на управление ливневыми водами, которые определяют цели сокращения стока, стандарты качества воды и меры защиты грунтовых вод. Системы инфильтрации должны быть размещены вдали от известных загрязненных районов, подземных резервуаров для хранения и коммунальных линий. Оценка воздействия на окружающую среду может потребоваться для более крупных систем. Партнерство с профессиональным инженером, имеющим опыт в проектировании управления сточными водами , целесообразно.

Тематические исследования: города, ведущие

Несколько городов успешно внедрили системы инфильтрации в масштабе. Программа «Зеленый город» в Филадельфии, «Чистые воды», запущенная в 2011 году, использует тысячи дождевых садов, прочных тротуаров и инфильтрационных траншей для захвата стока с более чем 10 000 акров непроницаемого покрытия. Город сообщил о сокращении объема ОГО и видел увеличение стоимости недвижимости вблизи проектов зеленой инфраструктуры. Аналогичным образом, Портленд, штат Орегон, включил биосвалы и инфильтрационные плантаторы в уличные редизайны, уменьшив стоки до 70% от целевых районов. Эти примеры демонстрируют, что системы инфильтрации могут быть конкурентоспособными по стоимости с обычной серой инфраструктурой, когда учитываются затраты на жизненный цикл и сопутствующие выгоды.

В Дании город Копенгаген превратил общественные пространства в «климатически адаптированные» зоны с бассейнами инфильтрации и террасными садами, которые удерживают ливневую воду, обеспечивая при этом развлекательные удобства. После крупного облачного взрыва в 2011 году, вызвавшего обширные наводнения, город принял план управления облачным взрывом, который отдавал приоритет инфильтрации и удержанию по расширению труб. Результатом стал более устойчивый городской ландшафт, который также улучшает биоразнообразие и благосостояние граждан.

Техническое обслуживание и долгосрочная производительность

Системы инфильтрации требуют постоянного внимания к функционированию в соответствии с их проектированием. Общие режимы отказа включают засорение поверхности из мелкого осадка, зарастание растительности и структурные повреждения от тяжелой техники или загрузки транспортного средства. Типичный график технического обслуживания включает:

• Четвертый осмотр: Проверка на наличие прудов, эрозии, повреждений и накопления мусора. Удалите мусор и инвазивные растения.
• Ежегодная очистка: Для проницаемых тротуаров, вакуумной промывки или промывки под давлением для восстановления пористости. Для бассейнов и дождевых садов удалите накопленные осадки и мульчу и пересадите по мере необходимости.
• Проверка после шторма: После крупных штормов (например, >1-дюймовые осадки) проверьте, что системы сливаются в течение 48 часов. Расширенное обдумывание указывает на засорение или недостаточный размер.

При надлежащем обслуживании системы инфильтрации могут эффективно функционировать в течение 20–50 лет. Многие муниципалитеты имеют специальные команды или контракты с фирмами по озеленению для обеспечения постоянного ухода. Государственное образование, такое как вывески, объясняющие цель дождевых садов, может уменьшить вандализм и поощрять управление сообществом.

Интеграция с другими зелеными инфраструктурами

Системы инфильтрации лучше всего работают в рамках более широкой сети зеленой инфраструктуры, которая включает сбор дождевой воды, зеленые крыши, сохранение земель и восстановление потоков. Обрабатывая ливневую воду в нескольких точках пути стока, города могут добиться еще большего сокращения загрузки канализационных стоков и риска наводнений. Например, комбинируя бассейны инфильтрации с цистернами, можно захватывать и повторно использовать некоторые ливневые воды для орошения, что еще больше уменьшает объем. Зеленые крыши поглощают осадки непосредственно на крышах, уменьшая стоки до того, как они достигнут систем инфильтрации.

Кроме того, модернизация существующих населенных пунктов с помощью методов инфильтрации, таких как преобразование недостаточно используемых дорожных медианов в биоудерживающие свалки или добавление проницаемых брусьев на парковках, может постепенно снизить нагрузку на канализацию без проведения крупных раскопок. Веб-сайт Зелёной инфраструктуры EPA предлагает технические ресурсы и возможности финансирования для сообществ, заинтересованных в этих подходах.