Оценка влияния разрастания городов на региональные циклы осадков и гидрологию

Введение: Гидрологический след расширения городов

Расширение городов — низкая плотность, автомобильная зависимость от расширения городов в ранее неразвитые земли — является одной из самых распространенных форм изменения растительного покрова на планете. По мере того, как столичные районы растут наружу, они заменяют леса, фермы и водно-болотные угодья зданиями, дорогами, парковками и газонами. Эта трансформация не просто изменяет ландшафт; она фундаментально нарушает естественные процессы, которые управляют региональным производством осадков и движением воды по поверхности земли. Понимание двустороннего взаимодействия между городским разрастанием и гидрологией имеет важное значение для планировщиков, инженеров и политиков, которые должны адаптироваться к все более непредсказуемым водным циклам в условиях меняющегося климата.

Связь между урбанизацией и осадками была задокументирована на протяжении десятилетий, но масштаб и интенсивность современного разрастания требуют новой оценки. В этой статье рассматривается, как разрастание развития изменяет региональные модели осадков через эффект городского теплового острова, изменяет естественные дренажные сети, изменяет скорость подпитки грунтовых вод и ухудшает качество воды. Затем в ней излагаются стратегии смягчения последствий, которые могут помочь примирить продолжающийся рост городов с сохранением здоровой гидрологической функции.

Изменение покрытия земли и эффект городского острова тепла

От растительности до непроницаемых поверхностей

Одним из наиболее непосредственных последствий разрастания городов является замена проницаемых, растительно окрашенных земель непроницаемыми поверхностями. Бетонные, асфальтовые и кровельные материалы поглощают и хранят больше солнечной энергии, чем естественный покров, создавая поверхности, которые могут быть на 10-15 ° C горячее, чем окружающие сельские районы в летние дни. Это локализованное отопление в сочетании с теплом, выделяемым зданиями, транспортными средствами и промышленными процессами, создает эффект городского острова тепла (UHI).

Значение UHI для осадков заключается в его способности изменять атмосферную стабильность и конвекцию. Более теплые температуры поверхности усиливают поток разумного тепла в пограничный слой, который может дестабилизировать нижнюю атмосферу и вызвать или усилить развитие грозы. Такие города, как Хьюстон, Атланта и Феникс, были предметом многочисленных исследований, показывающих, что городские районы могут увеличить количество осадков под ветром на целых 15-30% во время определенных метеорологических условий (Обсерватория Земли НАСА) .

Аэрозоли и облачная микрофизика

Городское разрастание также вносит большое количество аэрозолей — частиц из транспортных средств, промышленности и строительства — в атмосферу. Эти частицы служат ядрами облачной конденсации, увеличивая количество капель в облаке. Более многочисленные, но меньшие капли могут задерживать начало осадков, потенциально меняя структуру осадков как во времени, так и в месте. Чистый эффект сложен: регионы вниз по ветру расползающихся городов могут испытывать более тяжелые, более интенсивные события осадков, в то время как районы вверх по ветру или в пределах городского ядра могут видеть подавленные осадки.

Измененные модели осадков: наблюдения и механизмы

Изменения интенсивности и частоты осадков

Наблюдательные исследования последовательно связывают урбанизацию с изменениями в местной климатологии осадков. Используя спутниковые данные и долгосрочные данные о дождевых осадках, исследователи обнаружили, что города с обширным разрастанием часто показывают увеличение частоты сильных дождей в теплое время года. Например, исследование дельты Жемчужной реки в Китае, одном из самых быстро урбанизирующих регионов на Земле, задокументировало увеличение летних осадков по ветру городского коридора. Аналогичные закономерности наблюдались вокруг Индианаполиса, Индианы и Токио, Япония.

Механизм включает в себя комбинацию конвекции, вызванной UHI, и механического подъема воздуха шероховатостью зданий.По мере того, как над городом поднимается неустойчивый теплый воздух, он может вызвать конвективные штормы, которые затем адвекируются по ветру, где они могут застопориться или усилиться из-за сходимости пограничных ветров, направляемых городским ландшафтом.

Сезонные и дневные сдвиги

Городское разрастание также может изменить сроки осадков. Некоторые исследования показывают, что в городах с сильными эффектами UHI наблюдается большая доля осадков, выпадающих во второй половине дня и ранним вечером по сравнению с сельскими районами, где осадки более равномерно распределены в течение дня. Сезонно усиление осадков из-за урбанизации проявляется наиболее ярко весной и летом, когда наиболее распространены конвективные условия. Зимой, когда доминируют крупномасштабные погодные системы, городской сигнал слабее.

Более интенсивные, более короткие осадки увеличивают риск внезапного наводнения, особенно в водоразделах с высоким непроницаемым покровом, в то время как более длительные сухие периоды между штормами могут усилить растительность и увеличить спрос на ирригацию.

Гидрология и водные ресурсы: связь поверхностных вод

Увеличение стока и снижение инфильтрации

С гидрологической точки зрения наиболее заметным последствием разрастания городов является резкое увеличение поверхностного стока. Там, где когда-то осадки могли проникать в почву, перезаряжать подземные воды и медленно течь через подземные потоки, непроницаемые поверхности теперь быстро направляют воду в ливневые стоки и каналы. Доля осадков, которая становится стоком в естественном лесном водосборе, может составлять 10-15%; в высокоурбанизированном водоразделе с 50% непроницаемым покровом стоок может превышать 60% (Школа водных наук USGS) .

Изменение режима потока

Увеличение объема и скорости стока коренным образом меняет гидрологию принимающих потоков. Пиковые потоки во время штормов больше и прибывают быстрее - явление, известное как "вспышка". И наоборот, базовые потоки (подпитываемая грунтовыми водами часть потока в засушливые периоды) имеют тенденцию к снижению, потому что меньше воды просачивается к водному столу. Этот "синдром городского потока" характеризуется:

• Эрозия канала и расширение от более частых событий наводнений с высокой энергией
• Утрата сложности среды обитания , когда русло прочесывают и осадок оседает в другом месте
• Снижение биоразнообразия в водной среде , поскольку чувствительные виды заменяются устойчивыми к загрязнению

Чистый эффект — это поток, который больше не ведет себя как естественный интегратор гидрологии водораздела, а вместо этого функционирует как инженерный канал для ливневых вод. Эта деградация часто необратима без обширных усилий по восстановлению.

Подзарядка грунтовых вод и снижение базового потока

Городское разрастание снижает подпитку грунтовых вод двумя основными способами. Во-первых, непроницаемые поверхности предотвращают непосредственное проникновение. Во-вторых, удаление глубоко укоренившейся растительности (деревьев и местных трав) снижает способность почвы удерживать и передавать воду. Даже там, где газоны и сады заменяют местный покров, мелкие корневые системы turfgrass не способствуют такому же уровню инфильтрации, как зрелый лес. В разрастающихся населенных пунктах, где распространены септические системы, локализованная подпитка все еще может происходить, но часто сопровождается загрязнением от питательных веществ и патогенов.

Сокращение подпитки имеет долгосрочные последствия. Водоносные горизонты, которые поставляют питьевую воду многим пригородным общинам, могут испытывать устойчивое снижение уровня воды, увеличивая затраты на перекачку и рискуя вторжением соленой воды в прибрежные районы. В западных Соединенных Штатах, например, расширение пригородного развития в засушливых регионах создает дополнительную нагрузку на уже переполненные бассейны подземных вод. Изменение климата - с его прогнозируемым увеличением частоты засухи - усугубит это давление.

Деградация качества воды

Загрязнитель, поставляемый из городских земель

Гидрологические модификации, описанные выше, сопровождаются серьезным снижением качества воды. Поскольку ливневая вода проходит по крышам, проезжающим дорогам, газонам и дорогам, она подбирает коктейль из загрязняющих веществ: тяжелых металлов из тормозных колодок и шин, питательных веществ (азот и фосфор) из удобрений и отходов домашних животных, бактерий из протекающих канализационных линий и неисправных септических систем, а также набор органических химических веществ, включая масла, пестициды и полициклические ароматические углеводороды. Этот загрязненный сток поступает в ручьи и озера практически без обработки.

Во многих регионах ливневые стоки в настоящее время являются основной причиной ухудшения состояния городских водоемов. Исследование, проведенное Агентством по охране окружающей среды США (EPA), показало, что городские стоки ответственны за деградацию более 70% оцененных городских потоков в Соединенных Штатах [[EPA: Urban Runoff]] . Воздействие включает эвтрофикацию (цветение водорослей, питаемых питательными веществами), гибель рыбы, закрытие пляжей и загрязнение источников питьевой воды.

Термическое загрязнение

Еще одним менее ценным аспектом городской гидрологии является тепловое загрязнение. Тепловой сток от нагревания до солнца и крыш, который может быть на 2-5 ° C теплее, чем естественные температуры потока. Эта теплая вода снижает уровень растворенного кислорода и подчеркивает виды холодноводных рыб, такие как форель и лосось. В потоках, которые получают значительный городской сток, летние температурные всплески могут превышать критические пороги, что делает среду обитания непригодной для местной биоты.

Последствия для городского планирования и инфраструктуры

Проектирование для управления Stormwater

Двойные проблемы измененных осадков и деградировавшей гидрологии требуют нового подхода к управлению городскими водами. Традиционные системы ливневых вод с обузданием и водопроводом, трубами и прудами предназначены для максимально быстрого удаления стока - стратегия, которая усугубляет внезапные наводнения и загрязнение. Напротив, современные методы развития с низким воздействием (LID) и зеленая инфраструктура направлены на имитацию гидрологии до развития путем содействия инфильтрации, испарению и хранению на месте.

Зеленые инфраструктурные стратегии

Было показано, что для смягчения гидрологического воздействия разрастания городов используются следующие подходы:

• Прозрачные тротуары — пористый асфальт, бетон и переплетенные брусчатки, которые позволяют воде проникать непосредственно в субградус, уменьшая объем стока и фильтруя загрязняющие вещества.
• Дождевые сады и биосвалы — небольшие, растительностные впадины, которые собирают и обрабатывают сток с крыш, подъездных путей и дорог. Они могут уменьшить пиковые потоки на 40—60% и удалить до 90% взвешенных твердых веществ.
• Зеленые крыши — растительные кровельные системы, которые перехватывают осадки, обеспечивают испарительное охлаждение и уменьшают использование энергии в строительстве.В широком масштабе зеленые крыши могут снизить эффект городского теплового острова, потенциально уменьшая тепловой импульс для улучшенной конвекции.
• Уборка дождевой воды — корма и дождевые бочки, которые захватывают сток крыши для последующего использования в ирригации или в помещениях, не пригодных для использования. Это снижает спрос на муниципальные запасы воды и снижает объемы стока.
• Городской навес на деревьях — деревья перехватывают осадки (до 20-30% в год), способствуют проникновению через корневые каналы и обеспечивают тень, которая снижает температуру поверхности и эффект UHI.