Преимущества использования зеленой инфраструктуры в комбинированном смягчении перетока канализационных систем

Введение: растущая проблема переполнения комбинированной канализации

Комбинированные канализационные системы, разработанные в конце 19-го и начале 20-го веков, собирают стоки ливневых вод, бытовые сточные воды и промышленные сточные воды в одной трубе. Во время сухой погоды весь поток поступает на очистную станцию. Но когда сильный дождь или снегопад перегружают систему, неочищенная смесь сбрасывается непосредственно в близлежащие реки, озера и прибрежные воды. Эти события называются комбинированными канализационными стоками (CSOs). Более 700 городов США полагаются на комбинированные канализационные системы, и каждый год десятки миллиардов галлонов неочищенных сточных вод попадают в окружающую среду. CSOs представляют серьезную угрозу для общественного здравоохранения, водных экосистем и качества воды для отдыха.

Обычные решения, такие как увеличение пропускной способности труб или строительство массивных туннелей хранения (серая инфраструктура), дороги и часто разрушительны. За последние два десятилетия дополнительный подход набрал обороты: зеленая инфраструктура . Используя естественные процессы для управления ливневыми водами в своем источнике, зеленая инфраструктура уменьшает объем и скорость поступления стока в канализационные системы, делая ОГО менее частыми и менее серьезными. В этой статье исследуется, как работает зеленая инфраструктура, ее преимущества за пределами смягчения ОГО и практические соображения для широкого распространения.

Что такое зеленая инфраструктура?

Зеленая инфраструктура относится к сети децентрализованных, растительных систем, которые имитируют естественную гидрологию. Вместо того, чтобы как можно быстрее передавать ливневую воду, эти функции захватывают, поглощают, фильтруют и медленно выпускают воду обратно в землю или атмосферу. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) определяет зеленую инфраструктуру как «экономичный, устойчивый подход к управлению воздействиями влажной погоды». Узнайте больше о программе EPA по зеленой инфраструктуре. Ключевые типы включают:

Зеленые крыши

Зеленые крыши — это растительные слои на крышах зданий, которые сохраняют осадки, обеспечивают изоляцию и уменьшают стоки ливневых вод. Они могут быть обширными (мелкая почва, малообслуживаемые растения) или интенсивными (более глубокая почва, более разнообразная растительность). При умеренном шторме зеленая крыша может удерживать 50-80% осадков.

Дождевые сады и биоудерживающие клетки

Дождевые сады — мелководные, посаженные впадины, предназначенные для улавливания стока с крыш, подъездных путей и улиц. Вода проникает в почву, где растения и микроорганизмы удаляют загрязняющие вещества. Биоретентификационные клетки — это инженерные версии с нижними дренажами и специализированными почвенными смесями.

Прозрачные мосты

Эти поверхности позволяют воде проходить через бетон, асфальт или брусчатку в подстилающий каменный резервуар, они используются для парковок, дорожек и дорог с низким трафиком, резко сокращая стоки и подзаряжая грунтовые воды.

Городской навес на деревьях и зеленые пространства

Зрелые деревья перехватывают осадки, уменьшают эрозию и способствуют инфильтрации. Парки и природные зоны обеспечивают дополнительную емкость для хранения и обработки. Расширение навеса деревьев является одной из наиболее экономически эффективных стратегий зеленой инфраструктуры.

Системы сбора дождевой воды

Бочки, цистерны и резервуары захватывают сток крыши для последующего использования в ирригационных или непотопляемых приложениях, что напрямую уменьшает объем поступающей в канализацию.

Построенные водно-болотные угодья

Инженерные системы водно-болотных угодий имитируют природные болота, обрабатывая ливневые воды путем осадка, поглощения растений и микробной активности. Они могут быть интегрированы в городской ландшафт или расположены на краях дренажных районов.

Как зеленая инфраструктура смягчает комбинированный отток канализационных стоков

Основной механизм прост: управление ресурсами Вместо того, чтобы позволить ливневой воде устремиться в комбинированные канализации, зеленая инфраструктура сдерживает ее. Косвенные преимущества множатся по всему водоразделу. Вот подробный разбивка:

Сокращение объема стока

Перехватывая осадки на крышах, тротуарах и газонах, зеленая инфраструктура сохраняет воду, которая в противном случае шла бы непосредственно к стокам. Для типичного 1-дюймового события дождя хорошо спроектированная зеленая крыша может удерживать более 0,6 дюйма воды. Проницательные тротуары полностью устраняют стоки с этой поверхности. Совокупный эффект на сотни или тысячи установок существенно снижает пиковые потоки.

Замедление потока (задержание)

Даже когда вода в конечном итоге оставляет функцию зеленой инфраструктуры, она высвобождается гораздо медленнее, чем с твердой поверхности. Это длительное задержание снижает гидравлическую нагрузку на канализационные трубы и позволяет очистным сооружениям идти в ногу. Во многих системах разница между событием переполнения и отсутствием переполнения составляет всего несколько часов пикового сокращения потока.

Усиление инфильтрации и подпитки грунтовых вод

Дождевые сады, биосмолы и проницаемые тротуары позволяют воде просачиваться в почву. Это не только выводит её из канализационной сети, но и пополняет водоносные горизонты, смягчая сокращения подтока, вызванные городским развитием. Инфильтрация также поддерживает влажность почвы для городских деревьев и растительности.

Удаление загрязняющих веществ

Зеленая инфраструктура естественным образом очищает ливневые воды. Растения усваивают питательные вещества, почва фильтрует отложения и тяжелые металлы, а микробы разрушают органические загрязнители. Это преимущество качества воды снижает нагрузку на загрязняющие вещества, которые в противном случае были бы выброшены во время события ОГО. Даже при переполнении, чем меньше загрязнена вода, тем меньше вреда для получения воды.

Адаптация к изменению климата

Городские районы уже сталкиваются с усилением наводнений из-за непроницаемых поверхностей и интенсивных штормов. Поскольку изменение климата приносит более экстремальные осадки, зеленая инфраструктура обеспечивает масштабируемое решение, которое можно постепенно модернизировать. Расширение серой инфраструктуры блокирует города на фиксированную мощность, но распределенная сеть зеленых активов может быть расширена по мере необходимости.

Примеры случаев

Такие города, как Филадельфия, , , Нью-Йорк, Вашингтон, округ Колумбия, взяли на себя обязательства по крупномасштабным программам зеленой инфраструктуры. План «Зеленый город» Филадельфии, «Чистые воды» направлен на захват 1,5 млрд галлонов ливневой воды в год с использованием зеленых инструментов, избегая, по оценкам, 4,6 млрд долларов в затратах на серую инфраструктуру. В Нью-Йорке Департамент охраны окружающей среды установил тысячи дождевых садов и пористых брусчаток по всему Статен-Айленду, Бруклину и Куинсу.См. дополнительные тематические исследования EPA.

За пределами смягчения КСО: полный спектр преимуществ

Хотя основной движущей силой развития зеленой инфраструктуры в комбинированных канализационных районах является сокращение переливов, сопутствующие выгоды в равной степени убедительны. Они охватывают экологические, экономические, социальные и медицинские области.

Экологические преимущества

• Улучшенное качество воды: фильтруя загрязняющие вещества до того, как они достигают ручьев, зеленая инфраструктура уменьшает цветение водорослей, убивает рыбу и бактериальное загрязнение.
• Восстановление природных гидрологических циклов: Инфильтрация уменьшает эрозию, вызванную высокоскоростным стоком, и помогает поддерживать потоки в течение сухих периодов.
• Биоразнообразие и среда обитания: Зеленые крыши и городские дождевые сады создают коридоры для опылителей и птиц. Коренные насаждения поддерживают местную экологию.
• Уровень смягчения воздействия на городские тепловые острова: Растительные поверхности и проницаемые материалы снижают температуру окружающей среды, снижая потребность в энергии и повышая комфорт.
• Углеродная секвестрация: Деревья и почва в зеленой инфраструктуре хранят углерод, способствуя смягчению последствий изменения климата.

Экономические преимущества

• Сокращение затрат на серую инфраструктуру: Исследование 2015 года, проведенное Фондом исследований в области водной среды, показало, что зеленая инфраструктура может обеспечить эквивалентный или лучший контроль ОГО при 20-50% более низких капитальных затратах по сравнению с хранением в туннелях.
• Низкие счета за электроэнергию: Зеленые крыши и тени деревьев уменьшают нагрузку на отопление и охлаждение зданий.
• Повышение стоимости недвижимости: Близость к зеленым насаждениям и функциям управления ливневыми водами может повысить стоимость недвижимости на 3-15%.
• Создание рабочих мест: Строительство и техническое обслуживание зеленой инфраструктуры требуют квалифицированной местной рабочей силы, создания рабочих мест в области ландшафтного дизайна, инженерии и мониторинга окружающей среды.
• Избегание ущерба от наводнений: Каждый кубический фут воды, сохраненный, снижает риск затопления подвала и повреждения имущества.

Социальные и общественные последствия для здоровья

• Доступное зеленое пространство: Дождевые сады и парки предоставляют возможности для отдыха и преимущества для психического здоровья в плотных городских районах.
• Улучшенное качество воздуха: Фильтры для растительного происхождения, содержащие твердые частицы, озон и диоксид азота.
• Улицы Сафера: Проницательные тротуары снижают обледенение и образование льда, снижая риск несчастных случаев.
• Участие сообщества: Программы по посадке и обслуживанию добровольцев способствуют управлению и гордости района.
• Справедливость: Целевая зеленая инфраструктура в районах с недостаточным уровнем обслуживания может уменьшить исторические различия в риске наводнений и воздействии тепла.

Устойчивость к изменению климата

Зеленая инфраструктура по своей природе адаптивна. По мере увеличения интенсивности штормов распределенная сеть может продолжать поглощать и хранить воду. В отличие от серых труб, которые становятся негабаритными, растительные системы могут стать более эффективными с течением времени, поскольку растения созревают и структура почвы улучшается. Эта устойчивость имеет важное значение для городов, сталкивающихся с более частыми 100-летними штормами. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) и FEMA признало зеленую инфраструктуру в качестве ключевой естественной защиты. FEMA Направление природных решений.

Проблемы и практические соображения

Зеленая инфраструктура не является серебряной пулей. Успешная реализация требует тщательного планирования, обслуживания и участия сообщества.

Требования к техническому обслуживанию

В отличие от закопанных труб, зеленая инфраструктура нуждается в регулярном обслуживании: прополке, мульчировании, замене растений, удалении мусора и очистке отложений. Без технического обслуживания биоудерживающие клетки могут засоряться, зеленые крыши могут погибнуть и проницаемость уменьшается. Города должны бюджетировать текущие операции, часто 2-5% от начальных затрат на строительство ежегодно. Некоторые муниципалитеты сотрудничают с общинными группами или используют плату за коммунальные услуги для финансирования обслуживания.

Доступность и ограничения земли

В плотных городских ядрах ограничено пространство для дождевых садов или больших биоудерживаний. Решения включают использование уличных пейзажей (навесные выбоины), парковочных полос и пустых участков. Зеленые крыши требуют структурных переоборудований на старых зданиях. Проходимые тротуары не подходят для районов с высоким трафиком или большой нагрузкой без специализированного дизайна.

Дизайн для разных климатов

В холодном климате циклы замораживания-оттаивания влияют на скорость инфильтрации. В засушливых регионах сохранение воды противоречит потребностям в ирригации. Стандарты проектирования должны учитывать региональную гидрологию, типы почв и зоны выносливости растений. Американское общество гражданских инженеров (ASCE) публикует руководство по стандартам проектирования ливневых вод.

Расходы и финансирование

Авансовые расходы могут быть выше на единицу объема, чем трубопроводные решения, особенно в городах с существующей серой инфраструктурой. Однако анализ стоимости жизненного цикла часто благоприятствует зеленой инфраструктуре, когда все выгоды монетизируются. Многие города используют сборы за ливневые воды, зеленые облигации и федеральные гранты (например, Государственный возобновляемый фонд чистой воды EPA) для финансирования проектов.

Общественное восприятие и образование

Жители могут рассматривать сады дождя как неприглядные или беспокоиться о комарах. Правильный дизайн с дренажем в течение 48 часов предотвращает размножение комаров. Образовательные вывески и общественные туры помогают изменить восприятие. Участие сообщества на ранней стадии проектирования увеличивает принятие. Программа «Сады на окраине» Нью-Йорка включает семинары и дни посадки в окрестностях.

Регулятивные и политические проблемы

Многие муниципальные кодексы по-прежнему препятствуют развитию зеленой инфраструктуры. Минимальные требования к откату, непроницаемые ограничения на покрытие и минимальные парковочные ограничения могут быть барьерами. Обновление зонирования и указов о подразделениях, позволяющих или требующих создания зеленой инфраструктуры, имеет решающее значение. Некоторые городские советы приняли «Зеленые строительные указы», которые предписывают улавливать дождевую воду для новых разработок.

Путь вперед: интеграция зеленой инфраструктуры в управление городскими водными ресурсами

Наиболее эффективные стратегии смягчения последствий ОГО используют гибридный подход , который сочетает в себе зеленую инфраструктуру с целевыми улучшениями серой инфраструктуры. Зеленая инфраструктура обрабатывает частые, малые и средние дожди, в то время как туннели и резервуары обеспечивают пропускную способность для экстремальных штормов. Эта синергия максимизирует экономическую эффективность и устойчивость системы.