Дождевые сады , также называемые биоудерживающими сооружениями , являются одним из множества методов, предназначенных для увеличения реабсорбции дождевого стока почвой. Их также можно использовать для очистки загрязненных ливневых стоков . Дождевые сады — это спроектированные ландшафтные площадки, которые снижают скорость потока, общее количество и загрязняющую нагрузку стока с непроницаемых городских территорий, таких как крыши, подъездные пути , пешеходные дорожки, парковки и уплотненные газоны. [1] Дождевые сады полагаются на растения и естественную или искусственную почвенную среду для удержания ливневой воды и увеличения времени задержки инфильтрации , одновременно очищая и фильтруя загрязняющие вещества, переносимые городским стоком. Дождевые сады предоставляют метод повторного использования и оптимизации любого выпадающего дождя, уменьшая или исключая необходимость в дополнительном орошении . Преимуществом посадки дождевых садов является последующее снижение температуры окружающего воздуха и воды, смягчение, которое особенно эффективно в городских районах, содержащих обилие непроницаемых поверхностей, которые поглощают тепло в явлении, известном как эффект теплового острова . [2]
Насаждения дождевого сада обычно включают растительность по краям водно-болотных угодий , такую как полевые цветы , осоки , тростники , папоротники , кустарники и небольшие деревья . Эти растения поглощают питательные вещества и воду, которые поступают в дождевой сад, и выделяют водяной пар обратно в атмосферу в процессе транспирации . [3] Глубокие корни растений также создают дополнительные каналы для фильтрации ливневой воды в землю. Корневые системы усиливают инфильтрацию , поддерживают или даже увеличивают проницаемость почвы, обеспечивают перераспределение влаги и поддерживают разнообразные микробные популяции, участвующие в биофильтрации . [4] Микробы помогают расщеплять органические соединения (включая некоторые загрязняющие вещества) и удалять азот.
Дождевые сады полезны по многим причинам; они улучшают качество воды, фильтруя стоки, обеспечивают локализованную защиту от наводнений , создают эстетичные ландшафтные площадки и предоставляют разнообразные возможности для посадки растений. Они также поощряют дикую природу и биоразнообразие , связывают здания и окружающую их среду интегрированными и экологически выгодными способами. Дождевые сады могут улучшить качество воды в близлежащих водоемах и пополнить истощенные запасы грунтовых вод . Дождевые сады также уменьшают количество загрязненных стоков, которые попадают в систему ливневой канализации , которая сбрасывается непосредственно в поверхностные воды и вызывает эрозию , загрязнение воды и наводнения . [5] Дождевые сады также сокращают потребление энергии, уменьшая нагрузку на обычную инфраструктуру ливневой канализации.
Первые дождевые сады были созданы для имитации естественных водоудерживающих зон, которые возникли до урбанизации. Дождевые сады для жилых помещений были созданы в 1990 году в округе Принс-Джорджес, штат Мэриленд , когда Дик Бринкер, застройщик, строящий новый жилой район , задумал заменить традиционный пруд с лучшими методами управления (BMP) зоной биологического удержания . Он обратился к Ларри Коффману, инженеру-экологу и заместителю директора округа по программам и планированию в Департаменте экологических ресурсов, с этой идеей. [6] Результатом стало широкое использование дождевых садов в Сомерсете, жилом районе, где на территории каждого дома есть дождевой сад площадью 300–400 кв. футов (28–37 м 2 ). [7] Эта система оказалась весьма рентабельной. Вместо системы бордюров , тротуаров и водостоков , которые обошлись бы почти в 400 000 долларов, установка дренажных канавок обошлась в 100 000 долларов. [6] Это также было намного более экономически выгодно, чем строительство прудов BMP, которые могли бы выдерживать 2-, 10- и 100-летние штормы. [6] Мониторинг потока, проведенный в последующие годы, показал, что дождевые сады привели к сокращению ливневого стока на 75–80 % во время регулярных осадков. [7]
Некоторые фактические дождевые сады появились раньше, чем их признали профессионалы в качестве важного инструмента LID ( Low Impact Development ). Любое мелкое углубление в саду, выполненное для сбора и фильтрации дождевой воды в саду, чтобы избежать слива воды за пределы участка, изначально является дождевым садом, особенно если растительность высажена и поддерживается с учетом ее роли в этой функции. Растительные придорожные канавы , которые теперь рекламируются как « биоканавы », остаются обычной системой дренажа стоков во многих частях мира задолго до того, как обширные сети бетонных канализаций стали обычной инженерной практикой в индустриальном мире. Новым в такой технологии является возникающая строгость все более количественного понимания того, как такие инструменты могут сделать возможным устойчивое развитие . Это справедливо как для развитых сообществ, модернизирующих биологическое удержание в существующей инфраструктуре управления ливневыми водами, так и для развивающихся сообществ, ищущих более быстрый и устойчивый путь развития. [ необходима ссылка ]
В развитых городских районах естественные углубления , где собирается ливневая вода , обычно покрыты непроницаемыми поверхностями, такими как асфальт , тротуар или бетон, и выравниваются для использования автомобилями. Ливневая вода направляется в ливневые стоки , что может привести к переполнению комбинированных канализационных систем или загрязнению, эрозии или затоплению водных путей, принимающих ливневый сток. [8] [9] [10] Перенаправленная ливневая вода часто теплее грунтовых вод, обычно питающих ручей, и связана с расстройством некоторых водных экосистем, в первую очередь за счет снижения растворенного кислорода (РК). Ливневый сток также является источником широкого спектра загрязняющих веществ, смываемых с твердых или уплотненных поверхностей во время дождей. Эти загрязняющие вещества могут включать летучие органические соединения , пестициды , гербициды , углеводороды и следы металлов . [11]
Управление ливневыми водами происходит в масштабе водораздела для предотвращения воздействия на качество городской воды ниже по течению. [12] Водораздел поддерживается посредством циклического накопления, хранения и потока грунтовых вод . [2] Естественные водоразделы повреждаются, когда они запечатаны непроницаемой поверхностью, которая отводит ливневые стоки, переносящие загрязняющие вещества, в ручьи. Городские водоразделы страдают от большего количества загрязняющих веществ из-за последствий антропогенной деятельности в городской среде. [13] Осадки на непроницаемых поверхностях накапливают поверхностный сток, содержащий нефть, бактерии и осадок, который в конечном итоге попадает в ручьи и грунтовые воды. [2] Стратегии контроля ливневых вод, такие как инфильтрационные сады, обрабатывают загрязненный поверхностный сток и возвращают обработанную воду в лежащую под ними почву, помогая восстановить систему водораздела. Эффективность систем контроля ливневых вод измеряется по сокращению количества осадков, которые становятся стоком ( удержание ), и времени задержки (скорости истощения) стока. [14] Даже дождевые сады с небольшой производительностью для ежедневной инфильтрации могут создать положительное кумулятивное воздействие на смягчение городского стока. Увеличение количества проницаемых поверхностей путем проектирования дождевых садов уменьшает количество загрязненных ливневых вод, которые достигают естественных водоемов и пополняют грунтовые воды с большей скоростью. [15] Кроме того, добавление дождевого сада к месту, которое испытывает чрезмерный сток дождевой воды, смягчает нагрузку на общественные системы ливневой канализации. [ необходима цитата ]
Биоудерживающий подход к очистке воды, и в частности дождевые сады в этом контексте, имеет два аспекта: использовать естественные процессы в ландшафтах и почвах для транспортировки, хранения и фильтрации ливневой воды до того, как она станет стоком, и уменьшить общее количество непроницаемой поверхности, покрывающей землю, которая допускает загрязненный городской сток. [16] Дождевые сады работают наиболее эффективно, когда они взаимодействуют с более крупной системой контроля ливневых вод. Этот комплексный подход к очистке воды называется «цепочкой ливневых вод», которая состоит из всех связанных методов для предотвращения поверхностного стока, удержания стока для инфильтрации или испарения, задержки стока и его выпуска с заданной скоростью и передачи осадков от места их попадания к местам задержания или удержания. [16] Дождевые сады оказывают множество отражающихся эффектов на более крупную гидрологическую систему. В биоудерживающей системе, такой как дождевой сад, вода фильтруется через слои почвы и растительных сред, которые очищают воду до того, как она попадет в систему грунтовых вод или в дренаж. Любой оставшийся сток из дождевого сада будет иметь более низкую температуру, чем сток с непроницаемой поверхности, что снижает тепловой шок на принимающих водоемах. Кроме того, увеличение количества проницаемых поверхностей путем проектирования городских дождевых садов уменьшает количество загрязненных ливневых вод, которые достигают естественных водоемов и пополняют грунтовые воды с большей скоростью. [17]
Концепция LID (низкоэффективное проектирование) для управления ливневыми водами основана на биоудержании : практике ландшафтного и водного проектирования, которая использует химические, биологические и физические свойства почв, микроорганизмов и растений для контроля качества и количества потока воды на участке. [16] Биоудерживающие сооружения в первую очередь предназначены для управления водными ресурсами и могут очищать городские стоки, ливневые воды, грунтовые воды и, в особых случаях, сточные воды . Тщательно спроектированные сконструированные водно-болотные угодья необходимы для биоудержания сточных вод или серой воды , которые оказывают большее влияние на здоровье человека, чем последствия очистки городских стоков и осадков. Экологические преимущества биоудерживающих площадок включают увеличение разнообразия диких животных и создание среды обитания, а также минимизацию потребления энергии и загрязнения. Приоритетное управление водными ресурсами с помощью естественных биоудерживающих площадок исключает возможность покрытия земли непроницаемыми поверхностями. [18]
Биоудержание контролирует количество ливневой воды посредством перехвата, инфильтрации, испарения и транспирации. [16] Во-первых, осадки улавливаются растительной тканью (листьями и стеблями) и в микропорах почвы . Затем вода выполняет инфильтрацию — нисходящее движение воды через почву — и хранится в почве до тех пор, пока субстрат не достигнет своей влагоемкости, когда он начнет скапливаться в верхней части биоудерживающего элемента. Собранная вода и вода с поверхности растений и почвы затем испаряются в атмосферу. Оптимальная конструкция участков биоудержания направлена на то, чтобы неглубокая скопившаяся вода достигала более высокой скорости испарения. Вода также испаряется через листья растений в элементе и обратно в атмосферу, что является процессом, известным как эвапотранспирация . [19]
Качество ливневой воды можно контролировать с помощью биоудержания посредством отстаивания, фильтрации, ассимиляции, адсорбции , деградации и разложения. [16] Когда вода скапливается на поверхности биоудерживающего элемента, взвешенные твердые частицы и крупные частицы оседают. Частицы пыли, частицы почвы и другой мелкий мусор отфильтровываются из воды по мере ее движения вниз через почву и вкрапления корней растений. Растения поглощают часть питательных веществ для использования в процессах роста или для хранения минералов. Растворенные химические вещества из воды также связываются с поверхностями корней растений, частицами почвы и другими органическими веществами в субстрате и становятся неэффективными. Почвенные микроорганизмы расщепляют оставшиеся химические вещества и мелкие органические вещества и эффективно разлагают загрязняющие вещества до насыщенного почвенного вещества. [20]
Хотя естественная очистка воды основана на дизайне засаженных территорий, ключевыми компонентами биоремедиации являются качество почвы и активность микроорганизмов . Эти особенности поддерживаются растениями, которые создают вторичное поровое пространство для повышения проницаемости почвы, предотвращают уплотнение почвы за счет роста сложной корневой структуры, обеспечивают среду обитания для микроорганизмов на поверхности их корней и транспортируют кислород в почву. [20]
Проектирование сада ливневой воды охватывает широкий спектр функций, основанных на принципах биоудержания. Затем эти сооружения организуются в последовательность и включаются в ландшафт в том порядке, в котором осадки перемещаются от зданий и проницаемых поверхностей к садам и, в конечном итоге, к водоемам. Для дождевого сада требуется область, где вода может собираться и просачиваться , а растения могут поддерживать скорость инфильтрации, разнообразные сообщества микроорганизмов и емкость для хранения воды. Поскольку системы инфильтрации управляют количеством ливневой воды за счет снижения объемов стока ливневой воды и пиковых расходов, проектирование дождевого сада должно начинаться с анализа участка и оценки нагрузки осадков на предлагаемую систему биоудержания. [13] Это приведет к различным знаниям о каждом участке, что повлияет на выбор насаждений и систем субстратов. Как минимум, дождевые сады должны быть спроектированы с учетом пиковой скорости стока во время самого сильного ожидаемого шторма. Нагрузка, приложенная к системе, затем определит оптимальную расчетную скорость потока. [15]
Существующие сады можно адаптировать для работы в качестве дождевых садов, изменив ландшафт таким образом, чтобы водосточные трубы и мощеные поверхности стекали в существующие зоны посадки. Даже если существующие сады имеют рыхлую почву и хорошо укоренившиеся растения, их может потребоваться увеличить в размерах и/или с помощью дополнительных разнообразных посадок для поддержки более высокой инфильтрационной способности. Кроме того, многие растения не переносят насыщенные корни в течение длительного времени и не смогут справиться с увеличенным потоком воды. Виды растений для дождевого сада следует выбирать в соответствии с условиями участка после определения необходимого местоположения и емкости хранения зоны биоудержания. Помимо смягчения городского стока, дождевой сад может способствовать созданию городской среды обитания для местных бабочек , птиц и полезных насекомых . [21]
Дождевые сады иногда путают с биодождями . Дожди имеют уклон к месту назначения, в то время как дождевые сады ровные; однако биодождь может заканчиваться дождевым садом как частью более крупной системы управления ливневыми водами. Дренажные канавы могут обрабатываться как биодожди и даже включать дождевые сады в серию, экономя время и деньги на обслуживание. Часть сада, в которой почти всегда есть стоячая вода, является водным садом , водно-болотным угодьем или прудом, а не дождевым садом. Дождевые сады также отличаются от удерживающих бассейнов , где вода будет просачиваться в землю гораздо медленнее, в течение дня или двух. [22]
Собранная вода фильтруется через слои почвы или инженерной почвы для выращивания, называемой субстратом. После того, как почва достигает предела насыщения, избыток воды скапливается на поверхности почвы и в конечном итоге просачивается в естественную почву ниже. Биоудерживающая почвенная смесь обычно должна содержать 60% песка , 20% компоста и 20% верхнего слоя почвы . Почвы с более высокой концентрацией компоста показали улучшенные эффекты фильтрации грунтовых и дождевых вод. [23] Непроницаемую почву необходимо периодически удалять и заменять, чтобы обеспечить максимальную производительность и эффективность при использовании в системе биоудержания. Песчаную почву (биоудерживающая смесь) нельзя комбинировать с окружающей почвой с более низким содержанием песка, поскольку частицы глины будут оседать между частицами песка и образовывать вещество, похожее на бетон, которое не способствует инфильтрации, согласно исследованию 1983 года. [24] Компактная почва газона не может удерживать грунтовые воды почти так же хорошо, как песчаные почвы, поскольку микропоры внутри почвы недостаточны для удержания значительных уровней стока. [16]
Если почвы в районе недостаточно проницаемы для стока и фильтрации воды с соответствующей скоростью, почву следует заменить и установить подземный дренаж. Иногда сухой колодец с серией слоев гравия около самой низкой точки в дождевом саду поможет облегчить просачивание и избежать засорения в отстойнике. [13] Однако сухой колодец, размещенный в самой низкой точке, может преждевременно засориться илом, превратив сад в инфильтрационный бассейн и сведя на нет его предназначение как системы биологического удержания. Чем более загрязнена сточная вода, тем дольше ее нужно удерживать в почве для очистки. Мощность для более длительного периода очистки часто достигается путем установки нескольких меньших дождевых садовых бассейнов с почвой глубже, чем сезонный высокий уровень грунтовых вод . В некоторых случаях выровненные биоудерживающие ячейки с подповерхностным дренажем используются для удержания меньших объемов воды и фильтрации больших объемов, не позволяя воде просачиваться так быстро. Пятилетнее исследование Геологической службы США показывает, что дождевые сады в городских глинистых почвах могут быть эффективными без использования нижних дренажей или замены местных почв биоретенционной смесью. Тем не менее, оно также показывает, что скорость инфильтрации до установки должна быть не менее 0,25 дюйма/час. Почвы типа D потребуют нижнего дренажа в паре с песчаной почвенной смесью для надлежащего дренажа. [25]
Дождевые сады часто располагаются рядом с водосточной трубой на крыше здания (с резервуарами для дождевой воды или без них ). Большинство дождевых садов спроектированы как конечная точка дренажной системы здания или городского участка с возможностью просачивания всей поступающей воды через ряд слоев почвы или гравия под поверхностными насаждениями. Французский дренаж может использоваться для направления части дождевой воды в место перелива в случае более сильных дождей. Если на участке биоудержания есть дополнительный сток, направленный из водосточных труб, ведущих с крыши здания, или если существующая почва имеет скорость фильтрации более 5 дюймов в час, субстрат дождевого сада должен включать слой гравия или песка под верхним слоем почвы, чтобы выдержать эту повышенную инфильтрационную нагрузку. [2] Если изначально не было предусмотрено наличие дождевого сада на месте, водосточные трубы с крыши можно отсоединить и перенаправить в дождевой сад для модернизации управления ливневыми водами. Это снижает объем водной нагрузки на обычную дренажную систему и вместо этого направляет воду для инфильтрации и очистки с помощью функций биоудержания. Уменьшая пиковый сброс ливневых вод, дождевые сады увеличивают время гидравлической задержки и в некоторой степени имитируют естественный водный цикл , вытесненный городским развитием , и позволяют подпитывать грунтовые воды . Хотя дождевые сады всегда позволяют восстановить подпитку грунтовых вод и сократить объемы ливневых вод, они не могут улучшить загрязнение, если в конструкцию фильтрующих слоев не включены восстановительные материалы. [26]
Типичные растения для дождевых садов — это травянистые многолетники и злаки, которые выбираются из-за их пористой корневой структуры и высокой скорости роста. [16] Деревья и кустарники также можно высаживать для покрытия больших площадей на участке биоудержания. Хотя определенные растения выбираются и проектируются для соответствующих почв и климата, [27] для дождевого сада обычно используют растения, которые могут переносить как насыщенную, так и сухую почву. Их необходимо поддерживать для максимальной эффективности и они должны быть совместимы с соседними видами землепользования. Для дождевых садов обычно выбирают местные и адаптированные растения, поскольку они более терпимы к местному климату, почве и водным условиям; имеют глубокую и изменчивую корневую систему для улучшенной инфильтрации воды и устойчивости к засухе; повышают ценность среды обитания, разнообразие для местных экологических сообществ и общую устойчивость после укоренения. Растительность с плотной и однородной глубиной корневой структуры помогает поддерживать постоянную инфильтрацию по всей системе биоудержания. [28] Могут быть компромиссы, связанные с использованием местных растений, включая нехватку некоторых видов, позднее весеннее появление всходов, короткий сезон цветения и относительно медленное укоренение.
Важно высаживать самые разные виды растений, чтобы дождевой сад функционировал при любых климатических условиях. Вероятно, что сад будет испытывать градиент уровней влажности в течение своего функционального срока службы, поэтому желательны некоторые засухоустойчивые посадки. Существует четыре категории влагоустойчивости вегетативных видов, которые можно учитывать при выборе растений для дождевого сада. Влажная почва постоянно полна воды с длительными периодами скопления поверхностной воды; эта категория включает болота и топи. Влажная почва всегда слегка влажная, и растения, которые процветают в этой категории, могут переносить более длительные периоды затопления. Мезогенная почва не является ни очень влажной, ни очень сухой; растения, которые предпочитают эту категорию, могут переносить кратковременные периоды затопления. [16] Сухая почва идеально подходит для растений, которые могут переносить длительные засушливые периоды. Посадки, выбранные для дождевых садов, должны быть способны процветать как во время экстремально влажных, так и засушливых периодов, поскольку дождевые сады периодически колеблются между этими двумя состояниями. Дождевой сад в умеренном климате вряд ли полностью высохнет, но сады в сухом климате должны поддерживать низкий уровень влажности почвы в периоды засухи. С другой стороны, дождевые сады вряд ли пострадают от интенсивного заболачивания, поскольку функция дождевого сада заключается в отводе излишков воды с участка. Растения, обычно встречающиеся в дождевых садах, способны впитывать большое количество осадков в течение года в качестве промежуточной стратегии в сухой сезон. [16] Транспирация при выращивании растений ускоряет высыхание почвы между штормами. Дождевые сады лучше всего работают с растениями, которые растут на регулярно влажных почвах, потому что эти растения обычно могут выживать в более сухих почвах, которые относительно плодородны (содержат много питательных веществ).
Выбранная растительность должна соответствовать ограничениям и ограничениям участка и, в частности, не должна препятствовать основной функции биоудержания. Деревья под линиями электропередач или те, которые поднимают тротуары, когда почва становится влажной, или чьи корни ищут и засоряют дренажные плитки, могут нанести дорогостоящий ущерб. Деревья, как правило, вносят наибольший вклад в биоудержание участков, когда они расположены достаточно близко, чтобы извлекать влагу из углубления дождевого сада, но при этом не чрезмерно затеняют сад и не допускают испарения. При этом затенение открытых поверхностных вод может снизить чрезмерное нагревание растительных местообитаний. Растения переносят затопление теплой водой в течение меньшего времени, чем холодной водой, потому что тепло вытесняет растворенный кислород , поэтому растение, устойчивое к раннему весеннему наводнению, может не пережить летнее наводнение. [16]
Дождевые сады предназначены для захвата начального потока ливневой воды и уменьшения накопления токсинов , поступающих непосредственно в естественные водные пути через фильтрацию грунта. Естественная очистка загрязненной ливневой воды является эффективным и бесплатным процессом очистки. Направление потока воды через почву и растительность обеспечивает улавливание частиц загрязняющих веществ, в то время как атмосферные загрязняющие вещества улавливаются мембранами растений, а затем задерживаются в почве, где большинство из них начинает разлагаться. Эти подходы помогают рассеивать сток, что позволяет загрязняющим веществам распределяться по участку вместо того, чтобы концентрироваться. [29] Национальный научный фонд , Агентство по охране окружающей среды США и ряд научно-исследовательских институтов в настоящее время изучают влияние увеличения дождевых садов материалами, способными улавливать или химически восстанавливать загрязняющие вещества до безопасных соединений.
Основная задача проектирования дождевого сада — прогнозирование типов загрязняющих веществ и допустимых нагрузок загрязняющих веществ, которые система фильтрации дождевого сада может обработать во время сильных штормовых событий. Загрязняющие вещества могут включать органические материалы, такие как отходы животных и разливы нефти, а также неорганические материалы, такие как тяжелые металлы и удобрения . Известно, что эти загрязняющие вещества вызывают вредное чрезмерное развитие растений и водорослей, если они просачиваются в ручьи и реки. Задача прогнозирования нагрузок загрязняющих веществ особенно актуальна, когда дождевое событие происходит после длительного засушливого периода. Первоначальная ливневая вода часто сильно загрязнена накопленными загрязняющими веществами засушливых периодов. Проектировщики дождевого сада ранее сосредоточились на поиске крепких местных растений и поощрении адекватной биофильтрации, но недавно начали дополнять фильтрационные слои средами, специально подходящими для химического снижения окислительно-восстановительного потенциала входящих потоков загрязняющих веществ. Некоторые виды растений очень эффективно хранят минеральные питательные вещества, которые высвобождаются только после того, как растение умирает и разлагается. Другие виды могут поглощать загрязняющие вещества тяжелых металлов. Сокращение и полное удаление этих растений в конце цикла роста полностью удаляет эти загрязнители. Этот процесс очистки загрязненных почв и ливневых вод называется фиторемедиацией . [16]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)