Table of Contents

Понимание стока питательных веществ из городских ландшафтов

Расширение городских районов превращает природные ландшафты в непроницаемые поверхности, такие как дороги, парковки и крыши. Дождевая вода, которая когда-то проникала в почву, теперь быстро утекает, собирая загрязняющие вещества с газонов, садов и улиц. Среди наиболее разрушительных загрязняющих веществ азот и фосфор, два питательных вещества, которые питают эвтрофикацию в водоемах ниже по течению. Эвтрофикация вызывает вредное цветение водорослей, истощает растворенный кислород, убивает рыбу и ухудшает источники питьевой воды. Агентство по охране окружающей среды США определяет загрязнение питательными веществами как одну из самых распространенных проблем качества воды в стране [EPA Nutrient Pollution] .

Городские ландшафты вносят значительный вклад в питательные нагрузки благодаря применению удобрений, отходов домашних животных, подстилки листьев и мусора газонов. Даже небольшие жилые участки, когда они собираются через водораздел, могут производить значительные стоки. Традиционная инфраструктура ливневых вод - трубы, бордюры, задерживающие бассейны - была разработана в первую очередь для борьбы с наводнениями и мало что делает для удаления растворенных питательных веществ. Этот разрыв побудил инженеров и планировщиков принять методы зеленой инфраструктуры, которые обрабатывают воду у источника. Среди них построенные водно-болотные угодья стали особенно эффективным и экологически ценным инструментом.

Что такое построенные водно-болотные угодья?

Построенные водно-болотные угодья представляют собой инженерные системы, которые воспроизводят физические, химические и биологические процессы естественных водно-болотных угодий для очистки стоков ливневых вод, сточных вод или сельскохозяйственного дренажа. В отличие от естественных водно-болотных угодий, на развитие которых уходят столетия, построенные водно-болотные угодья специально спроектированы и построены для оптимизации удаления загрязняющих веществ в пределах компактного следа. Они состоят из мелких, растительно-растительных бассейнов, которые удерживают воду в течение контролируемого периода, позволяя осадкам селиться и растительным микроскопическим сообществам трансформировать питательные вещества.

В управлении городскими ливневыми водами используются два основных типа:

  • Поверхностный поток (поверхность свободной воды) водно-болотных угодий: Вода течет над землей через появляющуюся растительность. Эти имитируют естественные болота и обычно используются там, где земля доступна и визуальная эстетика важна. Они обеспечивают отличную среду обитания дикой природы, но могут иметь более низкую гидравлическую эффективность в очень холодном климате.
  • Водно-болотные угодья подповерхностного течения:] Вода перемещается горизонтально или вертикально через пористую среду (например, гравий, песок), засаженную водно-болотной растительностью. Уровень воды остается ниже поверхности, уменьшая размножение комаров и запах. Они более эффективны в пространстве и работают последовательно в течение сезонов, но имеют более высокую стоимость строительства и менее видимую ценность среды обитания.

Оба типа могут быть интегрированы в городские ливневые сети в качестве очистных поездов, часто расположенных на выпадениях перед сбросом в ручьи или водохранилища.

Как построенные водно-болотные угодья уменьшают стоки питательных веществ

Построенные водно-болотные угодья удаляют азот и фосфор посредством комбинации физических, химических и биологических механизмов.Понимание этих процессов помогает проектировщикам максимизировать производительность.

Поглощение и хранение растений

Растения водно-болотных угодий поглощают растворенный азот (как нитрат и аммоний) и фосфор (как ортофосфат) непосредственно из водной колонны и осадочных пор воды. Эти питательные вещества включаются в растительные ткани — корень, стебли, листья. В течение вегетационного периода поглощение растений может составлять 10-30% от общего удаления азота и аналогичную долю удаления фосфора. Эффект наиболее сильный весной и летом, когда рост быстрый. В конце сезона сбор надземной растительности постоянно экспортирует питательные вещества из системы, предотвращая высвобождение через разложение. Такие виды, как Фрагмиты australis (обычный тростник), Тифа spp. (хвосты) и Scirpus spp. (булруша) обычно используются для их высокой биомассы и толерантности к питательным веществам.

Микробные трансформации

Микроорганизмы, живущие в почве водно-болотных угодий, на корнях растений и в водной колонне, приводят к критическим превращениям азота. Нитрификации — окислению аммония до нитрата аэробными бактериями — происходят в богатых кислородом зонах вблизи поверхности воды или вокруг корней растений. Нитрат затем перемещается в аноксичные зоны глубже в осадке, где денитрификации бактерии преобразуют его в газ азота (N2), который безвредно убегает в атмосферу. Этот микробный путь является доминирующим долгосрочным механизмом удаления азота в построенных водно-болотных угодьях, часто составляющим 50-80% общего сокращения азота. Скорость денитрификации зависит от наличия углерода (поставляемого распадающимся растительным веществом), температуры и времени пребывания в гидравлическом состоянии.

Осадок и физическая фильтрация

По мере поступления ливневой воды в водно-болотные угодья скорость течения резко снижается, позволяя оседлым частицам осадка оседать. Питательные вещества, связанные с осадком, особенно фосфор, прикрепленный к глине или органическим частицам, удаляются вместе с твердыми веществами. Растительность дополнительно усиливает оседание за счет замедления воды и улавливания частиц. Физическая фильтрация через корневую массу и почвенную матрицу также захватывает коллоиды и мелкие частицы. Накопление осадка является основным механизмом удаления фосфора во многих системах, но может стать источником, если осадки позже повторно приостанавливаются или становятся насыщенными. Может потребоваться периодическое выемка дно или удаление осадка.

Адсорбция и химические осадки

Фосфор также может быть удален путем адсорбции на частицы почвы, покрытия из железа или алюминия и органическое вещество. В некоторых инженерных водно-болотных угодьях субстраты с высокой мощностью фосфорсорбции, такие как богатые железом пески, известняк или специально изготовленные среды, преднамеренно используются для усиления химического удаления. Осадки фосфата кальцием или алюминием в щелочных условиях могут дополнительно снизить концентрации. В отличие от биологического поглощения, адсорбция обеспечивает долгосрочное хранение, но емкость конечна; в течение многих лет может произойти насыщение субстрата, требующее замены или регенерации.

Преимущества помимо снижения питательных веществ

В то время как удаление питательных веществ является основным фактором, построенные водно-болотные угодья обеспечивают множество сопутствующих преимуществ, которые делают их привлекательными для городских условий.

  • Затухание наводнений:] Водно-болотные угодья временно хранят ливневые воды, уменьшая пиковые потоки и эрозию ниже по течению. Они могут быть спроектированы с расширенным задержанием для управления стоком от 1-летнего или 2-летнего проектного шторма.
  • Создание среды обитания: Появляющаяся растительность, открытая вода и мелководные зоны поддерживают амфибий, водоплавающих птиц, беспозвоночных и опылителей.В густонаселенных районах водно-болотные угодья могут стать важными коридорами дикой природы.
  • Секвестрация углерода: Анаэробные условия в водно-болотных угодьях замедляют разложение органического вещества, позволяя накапливаться углероду.В то время как эффект скромный на единицу площади, городские водно-болотные угодья могут способствовать смягчению последствий изменения климата.
  • Улучшенная эстетика и отдых: Хорошо спроектированные водно-болотные угодья добавляют визуальный интерес, зеленые насаждения и образовательные возможности. Они могут быть интегрированы в парки, школы и зеленые дороги, способствуя взаимодействию сообщества с качеством воды.
  • Охлаждение микроклимата:] Эвапотранспирация из водно-болотной растительности и открытой воды снижает местные температуры воздуха, смягчая эффект городского острова тепла.

Соображения в отношении проектирования и осуществления

Эффективное построенное водно-болотное угодье требует тщательного проектирования конкретного участка. Плохо спланированные системы могут привести к короткому замыканию, низкой эффективности удаления или разведению вредных организмов. Ключевые параметры проектирования включают:

Выбор и размер сайта

Водно-болотные угодья должны быть расположены там, где они могут перехватить стоки из района способствующего дренажа, в идеале в низкой точке ландшафта. Должна быть оценена проницаемость почвы, глубина до подземных вод и близость к коммунальным услугам. Площадь поверхности обычно измеряется с использованием соотношения площади водно-болотных угодий к району водораздела. Общие руководящие принципы рекомендуют 1-5% непроницаемой площади для очистки воды. Дизайнеры также указывают объем обработки - обычно стоки от 1-дюймового или 1,5-дюймового осадка - и гидравлическое время пребывания от 24 до 72 часов для эффективного удаления питательных веществ.

Гидрология и глубина воды

Водный баланс должен учитывать прямые осадки, стоки, испарение и инфильтрацию. Входы и выходы предназначены для равномерного распределения потока и поддержания стабильной глубины воды, как правило, 1-3 фута в глубоких зонах и 0-6 дюймов в неглубоких растительных зонах. Регулируемые розеточные структуры позволяют операторам контролировать уровень воды в сухие периоды или после сильных штормов. Обходные каналы часто включаются для передачи экстремальных наводнений без повреждения водно-болотных угодий.

Выбор растений

Предпочтительны местные водно-болотные угодья, которые переносят диапазон глубин воды и продолжительности наводнений. Сочетание возникающих, подводных и плавающих видов увеличивает биоразнообразие и устойчивость. Растения должны быть выбраны для высокого поглощения питательных веществ, плотных корневых систем и простоты создания. В более холодных регионах важны выносливые виды, которые умирают зимой, но энергично восстанавливаются весной. Ранние колонизирующие виды могут нуждаться в дополнении после первого вегетационного сезона.

Климат и сезонность

Холодный климат создает проблемы: образование льда снижает микробную активность и может повредить растительность. Водно-болотные угодья подповерхностного течения лучше работают зимой, потому что почвенная матрица изолирует от замерзания. В засушливых регионах поддержание водного бюджета, достаточного для поддержания растений в сухие месяцы, может потребовать дополнительной воды или хранения от сезонных дождей.

Тематические исследования и данные о производительности

Полевые исследования демонстрируют эффективность построенных водно-болотных угодий для удаления питательных веществ в городских условиях. Долгосрочный проект мониторинга на Буря в озере Штормвотер Ветланд в пригороде Мэриленда (США) показал среднее общее удаление азота 45% и полное удаление фосфора 50% в течение шестилетнего периода. Система, размером в 2% от ее 40-акрового водораздела, обрабатывает стоки с жилых газонов и дорог (Stormwater Magazine, 2020) .

В Дании Bredmose Wetland обрабатывает сельскохозяйственный дренаж, но адаптирован для городских периферийных применений. Он достигает 90% сокращения нитратов с использованием конструкции подземного потока с железосодержащим песком для фосфорной сорбции. Проект информировал руководство датского EPA для построенных водно-болотных угодий в пригородных районах .

Производительность варьируется в зависимости от скорости загрузки, сезона и возраста системы. Мета-анализ более 100 построенных водно-болотных угодий в Соединенных Штатах показал среднюю эффективность удаления 40-60% для общего азота и 40-70% для общего фосфора. Системы с более длительным временем содержания и плотной растительностью последовательно превосходили более простые конструкции. Регулярное обслуживание, особенно удаление осадков и сбор урожая растений, снижает снижение производительности с течением времени.

Сравнение с другими методами управления штормовыми водами

Построенные водно-болотные угодья являются частью более широкого набора методов зеленой инфраструктуры, каждая из которых имеет различные сильные стороны.

  • Дождевые сады (биоретенционные клетки): Лучше всего для небольших дренажных участков, дождевые сады обеспечивают высокие показатели удаления металлов и питательных веществ посредством фильтрации и поглощения растений. Однако они имеют ограниченное затухание паводка и не могут обрабатывать большие объемы непрерывного потока, не становясь насыщенными.
  • Биосвалье: Линейные растительные каналы обрабатывают стоки при транспортировке. Они являются эффективными для использования в качестве пространства для уличных пейзажей, но часто не имеют продолжительного времени содержания под стражей, необходимого для полной денитрификации.
  • Удерживающие пруды (мокрые пруды): Постоянные бассейны позволяют осаждение и некоторое биологическое поглощение. Они требуют глубоких раскопок и могут стать термически стратифицированными, снижая производительность. Удаление питательных веществ обычно составляет 30-50% для фосфора, но ниже для азота.
  • Построенные водно-болотные угодья:] Предлагают наибольшее разнообразие механизмов удаления, особенно азота. Им требуется больше земли, чем дождевые сады, но меньше, чем удержания прудов для эквивалентной обработки. Их мелководье и густая растительность создают благоприятные условия для денитрификации и поглощения растений, которые другие методы не могут соответствовать.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Для поддержания эффективности сокращения питательных веществ построенные водно-болотные угодья нуждаются в периодическом содержании.

  • Управление залеганием: Накопленные осадки должны удаляться каждые 5-10 лет или когда глубина воды в глубоких зонах уменьшается более чем на треть. Утилизация должна соответствовать местным правилам, особенно если осадки содержат тяжелые металлы.
  • Управление растительностью: Ежегодный сбор наземной биомассы удаляет накопленные питательные вещества и предотвращает накопление мертвого растительного материала, который может выделять фосфор. Инвазивные виды, такие как фиолетовый рыхлый или тростниковая канарейка, должны контролироваться на ранней стадии.
  • Москитный контроль: Поддержание круглогодичного движения воды и местных хищных насекомых (драконьи, рыбы) обычно подавляет размножение комаров. Поверхностные водно-болотные угодья должны избегать больших площадей застойной воды глубже двух футов.
  • Проверка розетки и входа: Проверка закупорки, эрозии или повреждения после крупных штормов. Замените или очистите розетки, если это необходимо для поддержания уровня воды в пределах проектного диапазона.

Муниципальные программы по ливневым водам часто возлагают ответственность за техническое обслуживание на владельца недвижимости или ассоциацию домовладельцев. План технического обслуживания, написанный на этапе проектирования, обеспечивает долгосрочную ответственность.

Политика и стимулы для усыновления

Многие местные органы власти теперь требуют очистки ливневых вод для новой разработки, и построенные водно-болотные угодья являются принятой лучшей практикой управления (BMP) в рамках Национальной системы ликвидации выбросов загрязняющих веществ EPA (NPDES). Такие города, как Портленд, Орегон и Филадельфия, стимулировали строительство водно-болотных угодий с помощью скидок на ливневые воды и грантовых программ. В водоразделе Чесапикского залива программы торговли сельскохозяйственными питательными веществами позволяют разработчикам зарабатывать кредиты, создавая водно-болотные угодья, которые уменьшают нагрузку на азот. Федеральное финансирование из Государственного фонда по возобновляемым водам и Программы по стимулированию качества окружающей среды Министерства сельского хозяйства США (EQIP) может использоваться для городских проектов водно-болотных угодий.

Будущие направления

Продолжаются инновации в технологии водно-болотных угодий. Исследователи тестируют субстраты с биоугольным покрытием для улучшенной адсорбции фосфора, гибридные системы, которые объединяют водно-болотные угодья с анаэробными дайджестерами, и автоматизированные системы управления уровнем воды, которые оптимизируют денитрификацию в режиме реального времени. Адаптация к климату также приводит к изменениям: водно-болотные угодья, предназначенные для более интенсивных осадков и засухоустойчивых палитр растений, разрабатываются. По мере роста городского населения интеграция водно-болотных угодий в сети зеленой инфраструктуры, которые также включают зеленые крыши, проницаемое тротуар и городские леса, будет иметь важное значение для достижения целей сокращения питательных веществ. При надлежащем проектировании, обслуживании и поддержке сообщества, построенные водно-болотные угодья могут стать постоянным, самоподдерживающимся компонентом здоровых городских водосборных бассейнов.

Заключение

Построенные водно-болотные угодья предлагают мощный, основанный на природе метод перехвата сточных вод питательных веществ из городских ландшафтов до того, как они достигнут чувствительных вод. Объединив физическую фильтрацию, микробную активность и поглощение растений, эти системы могут снизить нагрузку на азот и фосфор на 40-70% в типичных условиях. Их сопутствующие выгоды - контроль над наводнением, среда обитания, хранение углерода и облагораживание - делают их разумными инвестициями для городов, стремящихся достичь целей качества воды, одновременно повышая пригодность для жизни. Для наземных объектов проекты подземных потоков обеспечивают компактную альтернативу, в то время как водно-болотные угодья создают ценные экологические удобства. По мере ужесточения правил ливневых вод и повышения давления климата, построенные водно-болотные угодья будут играть все большую роль в переходе к устойчивой, зеленой городской инфраструктуре.