Штормовая вода , также пишется как штормовая вода , это вода , которая возникает из осадков ( шторма ), включая сильный дождь и талую воду от града и снега . Штормовая вода может впитываться в почву ( просачиваться ) и становиться грунтовыми водами , храниться на пониженной поверхности земли в прудах и лужах , испаряться обратно в атмосферу или способствовать поверхностному стоку . Большая часть стока передается непосредственно в виде поверхностных вод в близлежащие ручьи , реки или другие крупные водоемы ( болотные угодья , озера и океаны ) без очистки.
В природных ландшафтах, таких как леса, почва поглощает большую часть ливневой воды. Растения также уменьшают ливневую воду, улучшая инфильтрацию, перехватывая осадки по мере их выпадения и впитывая воду корнями. В развитых средах, таких как города , неуправляемая ливневая вода может создать две основные проблемы: одна связана с объемом и временем стока ( наводнение ), а другая связана с потенциальными загрязняющими веществами, которые несет вода ( загрязнение воды ). В дополнение к загрязняющим веществам, переносимым ливневыми стоками, городские стоки признаются причиной загрязнения сами по себе
Ливневые воды также являются важным ресурсом, поскольку население и спрос на воду растут, особенно в засушливом и подверженном засухам климате. Методы сбора и очистки ливневых вод потенциально могут сделать некоторые городские среды самодостаточными с точки зрения воды.
С меньшим количеством растительности и более непроницаемыми поверхностями ( стоянки , дороги , здания , уплотненная почва ) развитые районы позволяют меньшему количеству осадков просачиваться в почву, и образуется больше стока, чем в неразвитых условиях. Кроме того, такие проходы, как канавы и ливневые коллекторы, быстро транспортируют сток из коммерческих и жилых районов в близлежащие водоемы. Это значительно увеличивает объем воды в водотоках и сброс этих водотоков, что приводит к эрозии и наводнениям. Поскольку вода вымывается из водораздела во время шторма, мало что просачивается в почву, пополняет грунтовые воды или обеспечивает базовый сток рек в сухую погоду. [1]
Первый смыв — это начальный сток ливневого дождя. Во время этой фазы загрязненная вода, поступающая в ливневые стоки в районах с высокой долей непроницаемых поверхностей, обычно более концентрирована по сравнению с остальной частью шторма. Следовательно, эти высокие концентрации городских стоков приводят к высоким уровням загрязняющих веществ, сбрасываемых из ливневой канализации в поверхностные воды . [2] [3] : 216
Ежедневная деятельность человека приводит к отложению загрязняющих веществ на дорогах , газонах , крышах , фермерских полях и других поверхностях земли. К таким загрязняющим веществам относятся мусор, осадок, питательные вещества, бактерии, пестициды, металлы и побочные продукты нефти. [4] Когда идет дождь или проводится орошение , вода стекает и в конечном итоге попадает в реку , озеро или океан . Хотя происходит некоторое ослабление этих загрязняющих веществ перед попаданием в принимающие воды, загрязненный сток приводит к образованию достаточно большого количества загрязняющих веществ, чтобы ухудшить принимающие воды. [5]
В дополнение к загрязняющим веществам, переносимым ливневыми стоками , городские стоки признаются причиной загрязнения сами по себе. В естественных водосборах ( водосборах ) поверхностный сток, попадающий в водные пути, является относительно редким событием, происходящим всего несколько раз в год и, как правило, после крупных штормов. До того, как началось развитие, большая часть осадков впитывалась в землю и способствовала пополнению запасов грунтовых вод или возвращалась в атмосферу растительностью через эвапотранспирацию .
Современные дренажные системы, собирающие стоки с непроницаемых поверхностей (например, крыш и дорог), обеспечивают эффективное перемещение воды в водные пути по сетям трубопроводов, а это означает, что даже небольшие штормы приводят к увеличению расхода воды в водных путях.
Помимо доставки большего количества загрязняющих веществ из городского водосбора, увеличение потока ливневых вод может привести к эрозии ручьев , способствовать вторжению сорняков и изменить естественные режимы потока. Местные виды часто полагаются на такие режимы потока для нереста, развития молоди и миграции. Было замечено, что ливневые стоки с дорог содержат много металлов, включая цинк (Zn), кадмий (Cd), медь (Cu), никель (Ni), свинец (Pb), хром (Cr), марганец (Mn), железо (Fe), ванадий (V), кобальт (Co) и алюминий (Al) (Sansalone и Buchberger, 1997; Westerlund и Viklander, 2006) [ необходима полная цитата ] и другие компоненты.
В некоторых районах, особенно вдоль побережья США, загрязненные стоки с дорог и автомагистралей могут быть крупнейшим источником загрязнения воды . Например, около 75 процентов токсичных химикатов, попадающих в Сиэтл , Вашингтон, Пьюджет-Саунд, переносятся ливневыми водами, которые стекают с асфальтированных дорог и подъездных путей, крыш, дворов и других застроенных территорий. [6]
Промышленные ливневые воды — это стоки от осадков, которые попадают на промышленные объекты (например, производственные предприятия, шахты, аэропорты). Эти стоки часто загрязняются материалами, которые обрабатываются или хранятся на объектах, и на объекты распространяются правила по контролю сбросов. [7] [8]
Сооружения по управлению ливневыми водами (SWMF) обычно проектируются с использованием закона Стокса , чтобы обеспечить элементарную очистку посредством осаждения твердых частиц размером более 40 микрон и задерживать воду для снижения затопления ниже по течению. Однако регулирование сточных вод из SWMF становится все более строгим. Воздействие питательного вещества, фосфора , растворенного из (удобрений) или связанного с частицами осадка из строительных или сельскохозяйственных стоков, вызывает цветение водорослей и токсичных цианобактерий (также известных как сине-зеленые водоросли ) в принимающих озерах. Цианотоксин вызывает особую озабоченность, поскольку многие очистные сооружения питьевой воды не могут эффективно устранить эту опасность для здоровья. В недавнем исследовании очистки муниципальных ливневых вод [9] передовая технология седиментации использовалась пассивно в ливневых магистралях большого диаметра выше по течению от SWMF для удаления в среднем 90% TSS и фосфора во время почти 50-летнего дождя, превращая очистное сооружение в пассивное очистное сооружение.
Химическая очистка ливневых вод для удаления загрязняющих веществ может быть выполнена без масштабных улучшений инфраструктуры. Технологии пассивной очистки используют энергию воды, текущей под действием силы тяжести через канавы, каналы, водопропускные трубы, трубы или другие построенные транспортные средства для обеспечения очистки. Самодозирующиеся продукты, такие как гелевые флокулянты, помещаются в текущую воду, где частицы осадка, коллоиды и энергия потока объединяются для высвобождения необходимой дозы, тем самым создавая тяжелые хлопья, которые затем можно легко отфильтровать или осадить. Натуральные тканые волокна, такие как джут, часто используются в днищах канав в качестве фильтрующей среды. Маты для удержания ила также могут быть размещены на месте для захвата флоккул. Седиментация в передовом заливе часто используется в качестве области осаждения для осветления воды и концентрации материала. Горнодобывающая промышленность, тяжелое строительство и другие отрасли промышленности используют пассивные системы более двадцати лет. Эти типы систем являются низкоуглеродными, поскольку не требуют внешнего источника энергии, не требуют особых навыков для эксплуатации, минимального обслуживания и эффективны для снижения общего содержания взвешенных твердых частиц , некоторых тяжелых металлов и биогенного фосфора .
Ливневые воды являются основной причиной городских наводнений . Городские наводнения — это затопление земли или имущества в застроенной местности, вызванное ливневыми водами, которые превышают пропускную способность дренажных систем , таких как ливневая канализация . Хотя городские наводнения вызваны единичными событиями, такими как внезапное наводнение или таяние снега , они представляют собой состояние, характеризующееся повторяющимися, дорогостоящими и системными последствиями для сообществ. В районах, подверженных городским наводнениям, для уменьшения потерь могут быть установлены обратные клапаны и другая инфраструктура.
Если дома построены с подвалами , городское наводнение является основной причиной засоров подвалов и канализации. Хотя число жертв городских наводнений обычно ограничено, экономические, социальные и экологические последствия могут быть значительными: в дополнение к прямому ущербу имуществу и инфраструктуре ( шоссе , коммунальные услуги и службы), хронически влажные дома связаны с ростом респираторных заболеваний и других заболеваний. [10] Засоры канализации часто возникают из-за системы бытовой канализации, которая принимает некоторое количество ливневой воды в результате инфильтрации/притока .
Примером обрушения ливневой канализации в городе является обрушение Dishman Lane 25 февраля 2002 года в Боулинг-Грин, штат Кентукки, где провал внезапно провалил дорогу под четырьмя проезжающими автомобилями. Девятимесячный ремонт обрушения Dishman Lane обошелся в миллион долларов, но остается потенциал для будущих проблем. [12]
В нетронутых районах с естественным подземным ( карстовым ) дренажем почва и обломки горных пород засоряют карстовые отверстия, тем самым являясь самоограничением для роста отверстий. [13] : 189–190, 196 Нетронутая карстовая дренажная система становится сбалансированной с климатом, поэтому она может отводить воду, производимую большинством штормов. Однако проблемы возникают, когда ландшафт изменяется в результате городского развития. [14] : 28 В городских районах с естественным подземным ( карстовым ) дренажем нет поверхностных потоков для стока увеличенного количества ливневой воды с непроницаемых поверхностей, таких как крыши, парковки и улицы. Вместо этого ливневая вода попадает в систему подземного дренажа, двигаясь вниз по земле. Когда поток подземных вод становится достаточно большим, чтобы переносить фрагменты почвы и горных пород, карстовые отверстия быстро растут. [13] : 190 Там, где карстовые полости покрыты поддерживающим ( компетентным ) известняком, часто нет никаких признаков того, что полость стала настолько большой, что внезапно и катастрофически обрушится. [13] : 198 Поэтому при планировании землепользования для нового строительства необходимо избегать карстовых территорий. [14] : 37–38 В конечном итоге налогоплательщики оплачивают расходы за неправильные решения по землепользованию.
Управление количеством и качеством ливневых вод называется «Управление ливневыми водами». [15] Термин «Лучшая практика управления» (BMP) или «Меры контроля ливневых вод» (SCM) часто используется для обозначения как структурных или инженерных контрольных устройств и систем (например, отстойников ) для очистки или хранения загрязненных ливневых вод, так и эксплуатационных или процедурных практик (например, подметание улиц). [16] Управление ливневыми водами включает как технические, так и институциональные аспекты. [17]
Интегрированное управление водными ресурсами (IWM) ливневых вод имеет потенциал для решения многих проблем, влияющих на здоровье водных путей и водоснабжения, с которыми сталкивается современный городской город. IWM часто ассоциируется с зеленой инфраструктурой , когда рассматривается в процессе проектирования. Профессионалы в своих областях, такие как городские планировщики , архитекторы , ландшафтные архитекторы , дизайнеры интерьеров и инженеры , часто рассматривают интегрированное управление водными ресурсами как основу процесса проектирования.
Также известное как развитие с низким воздействием (LID) [19] в Соединенных Штатах или проектирование городов с учетом водных ресурсов (WSUD) [20] в Австралии , IWM имеет потенциал для улучшения качества стока, снижения риска и последствий наводнений и предоставления дополнительных водных ресурсов для увеличения запасов питьевой воды.
Развитие современного города часто приводит к увеличению спроса на водоснабжение из-за роста населения, в то время как в то же время изменение стока, прогнозируемое изменением климата, может привести к увеличению объема ливневых вод, что может способствовать проблемам с дренажем и наводнениями. IWM предлагает несколько методов, включая сбор ливневых вод (для уменьшения количества воды, которое может вызвать наводнение), инфильтрацию (для восстановления естественного пополнения запасов грунтовых вод), биофильтрацию или биоудержание (например, дождевые сады ), для хранения и очистки стока и его выпуска с контролируемой скоростью для снижения воздействия на ручьи и обработку водно-болотных угодий (для хранения и контроля скорости стока и обеспечения среды обитания в городских районах).
Существует много способов достижения LID. Наиболее популярным является внедрение наземных решений для сокращения ливневого стока за счет использования удерживающих прудов, биоотстойников , инфильтрационных траншей, устойчивых покрытий (таких как проницаемое покрытие ) и других, указанных выше. LID также может быть достигнут путем использования спроектированных, изготовленных продуктов для достижения аналогичных или потенциально лучших результатов, как и наземные системы (подземные резервуары для хранения, системы очистки ливневых вод, биофильтры и т. д.). Правильное решение LID - это то, которое уравновешивает желаемые результаты (контроль стока и загрязнения) с сопутствующими затратами (потеря пригодной земли для наземных систем по сравнению с капитальными затратами на изготовленное решение). Зеленые (озелененные) крыши также являются еще одним недорогим решением.
Движение IWM можно считать находящимся в зачаточном состоянии и объединяющим элементы науки о дренаже, экологии и осознания того, что традиционные решения по дренажу переносят проблемы дальше вниз по течению, нанося ущерб окружающей среде и водным ресурсам.
В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды (EPA) отвечает за регулирование ливневых вод в соответствии с Законом о чистой воде (CWA). [21] Целью CWA является восстановление всех « вод Соединенных Штатов » до их «пригодных для ловли рыбы» и «плавания» условий. Сбросы из точечных источников, которые в основном происходят из муниципальных сточных вод ( канализации ) и промышленных сточных вод, регулируются с момента принятия CWA в 1972 году. Нагрузки загрязняющих веществ из этих источников строго контролируются посредством выдачи разрешений Национальной системы ликвидации сбросов загрязняющих веществ ( NPDES ). Однако, несмотря на эти меры контроля, тысячи водоемов в США по-прежнему классифицируются как «нарушенные», что означает, что они содержат загрязняющие вещества на уровнях, превышающих безопасные, по мнению EPA, для предполагаемого полезного использования воды. Большая часть этого ухудшения вызвана загрязненным стоком, как правило, в городских водоразделах (в других водоразделах США основным источником является сельскохозяйственное загрязнение ). [22] : 15
Для решения общенациональной проблемы загрязнения ливневых вод Конгресс расширил определение CWA «точечного источника» в 1987 году, включив в него промышленные ливневые сбросы и муниципальные раздельные системы ливневой канализации («MS4»). Эти объекты должны получать разрешения NPDES. [23] В 2017 году около 855 крупных муниципальных систем (обслуживающих население 100 000 человек и более) и 6 695 небольших систем регулировались системой разрешений. [24]
EPA уполномочило 47 штатов выдавать разрешения NPDES. [25] В дополнение к внедрению требований NPDES, многие штаты и местные органы власти приняли собственные законы и постановления по управлению ливневыми водами, а некоторые опубликовали руководства по проектированию систем очистки ливневых вод. [15] [26] Некоторые из этих государственных и местных требований вышли за рамки федеральных требований. Например, штат Мэриленд требует контроля эрозии и осадка на строительных площадках площадью 5000 кв. футов (460 м 2 ) или более. [27] Нередко государственные учреждения пересматривают свои требования и навязывают их округам и городам; например, за невыполнение местных требований по ливневым водам для строительных площадок могут быть наложены ежедневные штрафы в размере до 25 000 долларов США.
Сельскохозяйственные стоки (за исключением концентрированных операций по кормлению животных, или « CAFO ») классифицируются как неточечный источник загрязнения в соответствии с CWA. Они не включены в определение «точечного источника» CWA и, следовательно, не подлежат требованиям разрешения NPDES. Поправки к CWA 1987 года создали нерегулируемую программу в EPA для управления неточечным источником загрязнения, состоящую из исследовательских и демонстрационных проектов. [28] Сопутствующие программы, такие как Программа стимулирования качества окружающей среды, проводятся Службой охраны природных ресурсов (NRCS) в Министерстве сельского хозяйства США . [29]
Образование является ключевым компонентом управления ливневыми водами. Ряд агентств и организаций начали кампании по обучению общественности загрязнению ливневых вод и тому, как они могут способствовать решению этой проблемы. Тысячи местных органов власти в США разработали образовательные программы в соответствии с требованиями их разрешений на ливневые воды NPDES. [30]
Одним из примеров местной образовательной программы является программа Совета по охране окружающей среды Западного Мичигана (WMEAC), который ввел термин «Hydrofilth» для описания загрязнения ливневых вод [31] в рамках своей кампании «15 to the River». (Во время ливня загрязненный сток в Гранд-Рапидс, штат Мичиган, может достичь Гранд-Ривер всего за 15 минут .) [32] Его просветительская деятельность включает программу распространения дождевых бочек и материалов для домовладельцев по установке дождевых садов [33] .
Другие кампании по просвещению общественности подчеркивают важность зеленой инфраструктуры для замедления и очистки ливневых стоков. Управление ливневых стоков округа ДюПейдж запустило кампанию «Любите синее. Живите зеленым» на сайтах социальных сетей, чтобы информировать общественность о зеленой инфраструктуре и некоторых других передовых методах управления ливневыми стоками. [34] Статьи, веб-сайты, фотографии, видео и другие медиа распространяются среди общественности посредством этой кампании.
Инфраструктура ливневой канализации — это дорогостоящая долгосрочная инвестиция, которую трудно заменить, когда меняются основные обстоятельства. В результате система будет работать хуже или чаще выходить из строя с течением времени. Именно это и происходит в регионе вокруг Европы и Балтийского моря, где ускоряющиеся темпы изменения климата оказывают давление на системы, прогресс урбанизации и более строгие правила. Переосмысление методов управления ливневыми водами и инвестирование в инфраструктуру имеют важное значение для адаптации к этим быстро меняющимся обстоятельствам. [35] [36]
Ливневый сток стал проблемой с тех пор, как люди начали жить в концентрированных деревнях или городских поселениях. В бронзовом веке жилье приняло более концентрированную форму, и непроницаемые поверхности стали фактором в проектировании ранних человеческих поселений . Некоторые из ранних внедрений ливневой инженерии засвидетельствованы в Древней Греции . [37]
Конкретный пример ранней конструкции системы отвода ливневых вод обнаружен при археологических раскопках в минойском Фесте на Крите . [38]
