Экологическое воздействие осадка в управлении городскими штормовыми водами

Введение

Управление городскими ливневыми водами является одной из самых насущных экологических проблем, стоящих перед городами во всем мире. Поскольку водоразделы все чаще покрываются непроницаемыми поверхностями, такими как дороги, парковки и крыши, естественная инфильтрация осадков сильно уменьшается. Вместо этого ливневая вода быстро утекает, неся с собой тяжелый груз загрязняющих веществ, включая осадочные породы. Осадок, процесс, посредством которого почва и другие частицы транспортируются и оседают проточной водой, является повсеместной проблемой, которая подрывает качество воды, ухудшает водные среды обитания и деформирует системы инфраструктуры. По данным Агентства по охране окружающей среды США, осадочные породы являются одним из наиболее распространенных загрязнителей в нарушенных водоемах по всей стране, способствуя миллиардам долларов экономических потерь в управлении городскими ливневыми водами, исследуя его воздействие на инфраструктуру и экосистемы и намечая эффективные стратегии смягчения последствий, которые объединяют инженерные, плановые и эксплуатационные практики.

Понимание осаждения имеет решающее значение, поскольку оно действует не в одиночку. Частицы осадка часто служат носителями других загрязнителей, таких как фосфор, азот, тяжелые металлы и патогены. Поэтому контроль осаждения является основополагающим шагом в обеспечении качества городской воды и создании устойчивых сообществ. Этот расширенный обзор обеспечит всеобъемлющий взгляд на источники, воздействия и решения, связанные с осаждением в контексте городских ливневых вод.

Что такое осадок?

Осадок — естественный процесс, посредством которого взвешенные частицы в воде вытекают из потока под действием силы тяжести.В городских ливневых системах термин обычно относится к накоплению почвы, грязи, песка, ила, глины и органических обломков, которые эродируются с поверхности земли во время осадков. Скорость и величина осадка зависят от нескольких факторов: землепользования, типа почвы, склона, интенсивности осадков и эффективности контроля эрозии.

Основные источники городского осадка

В отличие от сельских или лесных районов, городские ландшафты имеют много нарушенных и открытых поверхностей, которые являются очень эродируемыми.

• Строительные площадки: Грустная почва, запасы и земляные работы порождают огромные нагрузки на осадочные породы.По оценкам EPA, темпы эрозии строительных площадок могут быть в 10-20 раз выше, чем сельскохозяйственные угодья, и в 1000 раз выше, чем лесные районы.
• Немощеные дороги и парковочные места: Гравийные дороги, грунтовые аллеи и немощеные плечи вносят мелкие частицы, которые легко смываются в ливневые стоки.
• Размывание потоковых банков и каналов: Урбанизация часто увеличивает скорость потока потока, вызывая расширение банковских лугов и каналов, что высвобождает накопленные осадочные породы.
• Береговые и голые почвы: Жилые дворы, парки и пустыри без растительного покрова подвержены эрозии листа и риля во время штормов.
• Незаконные сбросы и разливы: Песок, гравий и другие материалы промышленной или коммерческой деятельности могут попадать непосредственно в системы ливневых вод.

После мобилизации осадка транспортируется через ливневую сеть — комплекс желобов, водосборных бассейнов, труб, канав и каналов — пока он либо не оседает в удерживающих бассейнах, прудах для содержания или естественных водоемах, либо не сбрасывается непосредственно в приемные воды.

Экологические последствия оседания

Экологические последствия осадка далеко идущие и часто взаимосвязаны. Осадок не просто облако воды; он изменяет физическую, химическую и биологическую целостность водных экосистем. Ниже приведены ключевые области воздействия.

Деградация качества воды

Высокие нагрузки на осадки ухудшают качество воды несколькими способами. Приостановленные твердые вещества повышают мутность, снижая проникновение света и нарушая эстетическую и рекреационную ценность водных объектов. Более критически, осадок часто несет в себе коктейль из загрязняющих веществ. Питательные вещества, такие как фосфор и азот, прикрепляются к частицам почвы; когда они оседают в озерах или водохранилищах, они питают эвтрофикацию — чрезмерный рост водорослей, которые могут производить вредные цветения водорослей, истощать кислород и создавать мертвые зоны. Тяжелые металлы, такие как свинец, цинк и медь из городского стока, связываются с мелкими фракциями осадков, накапливаясь в осадочных породах и попадая в пищевую цепь. Пестициды, гербициды и углеводороды также сцепляют скачки на частицах осадка. Геологическая служба США документально подтвердила, что загрязняющие вещества, связанные с осадками, могут сохраняться в водных осадках в течение десятилетий, создавая долгосрочные риски для источников

Вред водным экосистемам

Осадок является основным стрессором для рыб, макроинверт-позвонков и водных растений. Мелкие осадочные породы могут задушить гравийные пласты, являющиеся важными местами нереста лососевых и других рыб. Яйца и личинки многих видов требуют чистых, насыщенных кислородом межпозвоночных пространств; когда осадок заполняет эти поры, показатели выживаемости яиц резко падают. Чрезмерная мутность снижает способность визуальных хищников, таких как форель и окунь, находить пищу, изменяя трофическую динамику. Погружённая водная растительность страдает от снижения освещения, что приводит к снижению растительного покрова и связанной с ним сложности среды обитания. Исследование, опубликованное в журнале Биология фреш-воды ], показало, что даже низкие уровни осаждённых осадков (менее 2 мм в глубину) значительно снижают обилие и разнообразие речных беспозвоночных. Эти воздействия каскадируют вверх: меньше насекомых означает меньше пищи для рыбы, а меньше

Влияние на эффект острова тепла в городе

Осадок может косвенно усугубить эффект городского острова тепла. Когда осадок накапливается в ливневых прудах, водно-болотных угодьях и каналах, он темнеет на поверхности воды и уменьшает альбедо. Темные поверхности поглощают больше солнечного излучения, повышая температуру воды. Повышенные температуры воды, в свою очередь, снижают уровень растворенного кислорода и повышают токсичность некоторых загрязнителей. Более теплые сбросы ливневых вод также могут нанести вред рыболовству и чувствительным видам, создавая дополнительный стресс в уже скомпрометированных городских потоках.

Последствия для общественного здравоохранения

Связь между осадочными работами и общественным здравоохранением часто упускается из виду. В мутных водах могут содержаться болезнетворные патогены, такие как E. coli, Cryptosporidium, которые прикрепляются к частицам осадка и дольше выживают в окружающей среде. Когда эти воды используются для отдыха или в качестве источников питьевой воды, существует повышенный риск желудочно-кишечного стока. Нагруженный осадками стоки также усугубляют наводнения, что может привести к переполнению сточных вод и загрязнению жилых районов. Экономическое бремя значительно: сообщества должны больше инвестировать в очистку воды для устранения мутности и связанных с ней загрязнений, а владельцы недвижимости сталкиваются с более высокими затратами от повреждения от наводнений и ремонта инфраструктуры.

Влияние на городскую инфраструктуру

За пределами окружающей среды осадочные породы наносят ущерб инженерным системам, предназначенным для управления ливневыми водами.Кумулятивные эффекты являются дорогостоящими и часто невидимыми до тех пор, пока системы не выходят из строя.

Засорение систем доставки Stormwater

Осадок накапливается в водосборных бассейнах, трубах, водопроводах и открытых каналах, снижая гидравлическую мощность и увеличивая риск засорения.В крайних случаях засоренный осадком ливневый сток может вызвать локализованные наводнения при даже умеренных дождях.Город Лос-Анджелес, например, ежегодно тратит миллионы на удаление осадка из своей обширной сети водосборных бассейнов и мусорных бассейнов.Осадок также ускоряет износ насосных станций, клапанов и очистного оборудования, вынуждая чаще проводить ремонт и замену.

Ущерб, причиненный в местах содержания под стражей и удержания

Меры по контролю за ливневыми водами (СКМ), такие как пруды для содержания под стражей, бассейны для удержания и построенные водно-болотные угодья, предназначены для улавливания стока и оседания осадочных пород. Со временем эти бассейны заполняются осадочными породами, что уменьшает объем их хранения и эффективность удаления загрязняющих веществ. Когда бассейн становится слишком полным, его необходимо выкачивать, что является дорогостоящим, разрушительным и может создать проблемы с удалением, если осадок загрязнен. Средняя продолжительность жизни хорошо обслуживаемого осадочного бассейна составляет от 20 до 30 лет, но тяжелые нагрузки на осадочные породы могут сократить этот срок службы вдвое.

Ускоренный Streambank и эрозия каналов

В то время как осаждение обычно относится к осаждению, процесс тесно связан с эрозией. Городские ливневые воды, концентрированные и быстрые, часто вызывают вырубку и эрозию банков вниз по течению от выпадений. Эта эрозия мобилизует еще больше осадков, приводя к порочному циклу. Возникающая нестабильность канала подрывает мосты, водовороты и прилегающую инфраструктуру, создавая риски безопасности и требуя дорогостоящих проектов стабилизации. Исследование Центра защиты водосборных бассейнов подсчитало, что годовая стоимость ремонта разрушенных городских потоков в Соединенных Штатах превышает 500 миллионов долларов.

Бремя на бюджеты на содержание

Регулярная уборка улиц, очистка бассейна и промывка труб необходимы, но часто недофинансируются. Согласно карте отчета Американского общества инженеров-строителей по инфраструктуре, инфраструктура ливневых вод в США получает оценку D, и отсроченное техническое обслуживание является основной причиной. Инвестирование в упреждающее управление осадками может снизить долгосрочные затраты, предотвращая сбои системы и продлевая срок службы активов, но это требует специального финансирования и политической воли.

Нормативно-правовые рамки и стандарты

Осадок в городских ливневых водах регулируется в первую очередь Законом о чистой воде, который реализуется EPA и государственными органами. Национальная система ликвидации сбросов загрязняющих веществ (NPDES) программа разрешения регулирует сбросы из муниципальных отдельных систем ливневой канализации (MS4s) и строительных площадок. Разрешения NPDES для строительной деятельности требуют от операторов разработки и реализации планов предотвращения загрязнения ливневых вод (SWPPPs), которые включают в себя эрозию и контроль за осадками. Общие максимальные ежедневные нагрузки (TMDL) для осадков и илатации были установлены для многих нарушенных водных путей, устанавливая ограничения на допустимые нагрузки на осадки. Эти правила приводят к принятию лучших методов управления (BMPs) и вынуждают муниципалитеты контролировать и сообщать о прогрессе. Однако проблемы остаются: ресурсы правоприменения ограничены, и многие меньшие юрисдикции не имеют технической возможности полностью удовлетворить требования к разрешениям.

В дополнение к федеральным правилам, многие штаты имеют свои собственные стандарты управления ливневыми водами и контроля эрозии. Например, Калифорнийские региональные советы по контролю качества воды выдают разрешения, которые требуют от строительных площадок введения строгих мер контроля за осадками, таких как ограждение илами, осадочные бассейны и стабилизированные входы в строительство. Развивающийся нормативный ландшафт все больше подчеркивает зеленую инфраструктуру и развитие с низким воздействием в качестве долгосрочных решений для контроля осадков. Более подробную информацию см. в Национальной программе EPA по ликвидации выбросов загрязняющих веществ Stormwater Program .

EPA опубликовало обширные рекомендации по внедрению GI, включая ресурсы программы «Зеленая инфраструктура» , которые подчеркивают тематические исследования и критерии проектирования. Хотя первоначальные затраты на GI могут быть выше, чем обычная серая инфраструктура, анализ жизненного цикла показывает чистую экономию при учете снижения затопления, более низких затрат на очистку воды и увеличения стоимости недвижимости.