Городской сток

Поверхностный сток воды, вызванный урбанизацией

Городские стоки стекают в ливневую канализацию

Городской сток – это поверхностный сток дождевой воды, орошения ландшафтов и мойки автомобилей ^[1], созданный урбанизацией . Непроницаемые поверхности ( дороги , парковки и тротуары ) сооружаются во время освоения земель . Во время дождя , урагана и других осадков эти поверхности (построенные из таких материалов, как асфальт и бетон ), а также крыши переносят загрязненные ливневые воды в ливневые стоки , вместо того, чтобы позволить воде просачиваться через почву . ^[2] Это приводит к понижению уровня грунтовых вод (поскольку пополнение грунтовых вод уменьшается) и наводнениям, поскольку количество воды, остающейся на поверхности, увеличивается. ^{[3] [4]} Большинство муниципальных систем ливневой канализации сбрасывают неочищенные ливневые воды в ручьи , реки и заливы . Эта избыточная вода также может проникать в дома людей через резервные копии подвалов и просачиваться через стены и полы зданий.

Городские стоки могут быть основным источником городских наводнений и загрязнения воды в городских сообществах по всему миру.

Загрязнители

Вода, стекающая с непроницаемых поверхностей в городских районах, имеет тенденцию собирать бензин , моторное масло , тяжелые металлы , мусор и другие загрязняющие вещества с дорог и парковок, а также удобрения и пестициды с газонов. Дороги и парковки являются основными источниками полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), которые образуются в качестве побочных продуктов сгорания бензина и других видов ископаемого топлива , а также тяжелых металлов никеля , меди , цинка , кадмия и свинца . Сток с крыши содержит большое количество синтетических органических соединений и цинка (из оцинкованных желобов). Использование удобрений на газонах жилых домов, в парках и полях для гольфа является измеримым источником нитратов и фосфора в городских стоках при неправильном внесении удобрений или чрезмерном удобрении газона. ^{[3] [5]}

Эрозия почв или плохое обслуживание строительных площадок часто могут привести к увеличению отложений в стоках. Отложения часто оседают на дно водоемов и могут напрямую влиять на качество воды. Чрезмерный уровень отложений в водоемах может увеличить риск инфекций и болезней из-за высокого уровня питательных веществ, присутствующих в почве. Эти высокие уровни питательных веществ могут уменьшить содержание кислорода и ускорить рост водорослей, одновременно ограничивая рост естественной растительности, что может разрушить водную экосистему . Чрезмерные уровни отложений и взвешенных твердых веществ могут также потенциально повредить существующую инфраструктуру. Отложения могут увеличить поверхностный сток из-за закупорки подземных систем нагнетания. Повышенный уровень седиментации также может уменьшить объемы хранения за резервуаром . Такое сокращение емкости водохранилищ может привести к увеличению расходов государственных земельных ведомств, а также повлиять на качество водных рекреационных зон. ^[6]

Сток также может вызывать биоаккумуляцию и биомагнификацию токсинов в океанской жизни. Небольшие количества тяжелых металлов переносятся со стоками в океаны и могут накапливаться в организме водных животных, вызывая отравление металлами . Это отравление тяжелыми металлами может также повлиять на людей, поскольку употребление в пищу отравленного животного увеличивает риск отравления тяжелыми металлами. ^{[7] [8]}

Поскольку ливневые воды направляются в ливневые стоки и поверхностные воды, естественная нагрузка наносов , сбрасываемых в принимающие воды, уменьшается, но поток и скорость воды увеличиваются. Фактически, непроницаемый покров типичного города создает в пять раз больший сток, чем типичный лесной массив того же размера. ^{[9] [ нужны разъяснения ]}

Последствия

Выбросы в сухую погоду

Чрезмерный полив из-за орошения спринклерами может привести к тому, что стоки попадут в водоприемники в условиях низкого расхода . ^[10] Сток переносит накопленные загрязняющие вещества в реки с необычно низким коэффициентом разбавления, что приводит к более высоким концентрациям загрязняющих веществ, чем можно было бы обнаружить во время региональных осадков. ^[11]

Городское наводнение

Затопленные улицы Нового Орлеана

Связь между непроницаемыми поверхностями и поверхностным стоком

Городские стоки являются основной причиной городских наводнений , затопления земель или собственности в застроенной среде, вызванного осадками, превышающими пропускную способность дренажных систем , таких как ливневая канализация . ^[12] Городские наводнения, вызванные такими событиями, как внезапные наводнения , штормовые нагоны , наводнения на берегу или таяние снега , характеризуются повторяющимися, дорогостоящими и системными воздействиями на сообщества, даже если они находятся за пределами пойм или водоемов. ^[13]

Существует несколько способов попадания ливневых вод в дома : через канализационные трубы, туалеты и сливы в здания; просачивание через стены и полы зданий; скопление воды на участке и на общественных полосах отчуждения; и разлив воды из водоемов, таких как реки и озера. Если недвижимость построена с подвалами, основной причиной затопления подвалов является городское наводнение. ^{[ нужна цитата ]}

Ручей Уизел в Пассаике, штат Нью-Джерси, был перекрыт бетонными стенами для борьбы с локальными наводнениями.

Загрязнение воды

Городские стоки способствуют возникновению проблем с качеством воды . В 2009 году Национальный исследовательский совет США опубликовал всеобъемлющий отчет о воздействии городских ливневых вод и заявил, что они продолжают оставаться основным источником загрязнения во многих водоразделах на всей территории Соединенных Штатов. ^{[14] : vii} В отчете поясняется, что «...дальнейшее снижение качества воды остается вероятным, если не будут устранены изменения в землепользовании, которые являются типичными для более рассредоточенных источников загрязнения... К ним относятся нарушающие земельные ресурсы сельскохозяйственные, лесохозяйственные, городские, промышленная и строительная деятельность, в результате которой во время дождливой погоды возникают трудно поддающиеся мониторингу загрязняющие вещества. Загрязнение этих ландшафтов почти повсеместно признано самой серьезной проблемой на пути восстановления водоемов и водных экосистем по всей стране». ^{[14] : 24}

Открытая система стока в Африке

Сток также повышает температуру в ручьях, нанося вред рыбам и другим организмам. (Внезапный поток стоков во время ливня может вызвать гибель рыбы из-за горячей воды.) Кроме того, дорожная соль , используемая для таяния снега на тротуарах и дорогах, может загрязнять ручьи и водоносные горизонты грунтовых вод . ^[15]

Одно из наиболее выраженных последствий городского стока приходится на водотоки, которые исторически содержали мало воды или вообще не содержали ее в периоды засушливой погоды (часто называемые эфемерными ручьями ). Когда территория вокруг такого ручья урбанизируется , образующийся сток создает неестественный круглогодичный поток , который наносит вред растительности, дикой природе и руслу реки. Городские стоки, содержащие мало наносов или вообще не содержащие их по сравнению с исторически сложившимся соотношением наносов и воды, устремляются вниз по руслу ручья, разрушая природные объекты, такие как меандры и песчаные косы , и вызывают сильную эрозию, увеличивая нагрузку наносов в устье и одновременно сильно разрезая русло реки вверх по течению. . Например, на многих пляжах Южной Калифорнии в устье водного пути городские стоки содержат мусор, загрязняющие вещества, чрезмерный ил и другие отходы и могут представлять умеренную или серьезную угрозу для здоровья.

Из-за удобрений и органических отходов, которые часто переносятся городскими стоками, в водных путях, на которые влияет этот тип стоков, часто происходит эвтрофикация . После проливных дождей содержание органических веществ в водном пути относительно высокое по сравнению с естественным уровнем, что стимулирует рост цветения водорослей , которые вскоре поглощают большую часть кислорода . Как только природный кислород в воде истощается, цветение водорослей погибает, а их разложение вызывает дальнейшую эвтрофикацию. Цветение водорослей в основном происходит в районах со стоячей водой, таких как водоемы ручьев и водоемы за плотинами , плотинами и некоторыми перепадными сооружениями . Эвтрофикация обычно приводит к смертельным последствиям для рыб и других водных организмов.

Нефтяное пятно, образовавшееся в результате стока нефти

Перколяционная траншея позволяет проникать ливневым водам через проницаемые почвы в водоносный горизонт грунтовых вод .

Маслоотделитель предназначен для улавливания осаждаемых твердых частиц, масел и жиров, мусора и плавучих материалов, стекающих с дорог и парковок.

Чрезмерная эрозия берегов ручьев может привести к наводнениям и материальному ущербу. В течение многих лет правительства часто реагировали на проблемы эрозии городских рек, изменяя ручьи путем строительства укрепленных насыпей и аналогичных контрольных сооружений с использованием бетонных и каменных материалов. Использование этих твердых материалов разрушает среду обитания рыб и других животных. ^[16] Такой проект может стабилизировать непосредственную зону, где произошел ущерб от наводнения, но часто он просто переносит проблему в верхний или нижний участок реки. ^[17] См. Речное проектирование .

Существует множество различных способов, которыми загрязненные городские стоки могут нанести вред людям, например, путем загрязнения питьевой воды, нарушения источников пищи и даже закрытия частей пляжей из-за риска заболеваний. После сильных дождей, вызывающих разлив ливневых вод, загрязненная вода может повлиять на водные пути, на которых люди отдыхают или ловят рыбу, что приводит к закрытию пляжей и мероприятий на воде. Это связано с тем, что сток, вероятно, вызвал резкий рост вредных бактерий или неорганическое химическое загрязнение воды. ^{[ нужна цитата ]} Загрязняющие вещества, которые мы часто считаем наиболее вредными, — это разливы бензина и нефти, но мы часто упускаем из виду влияние, которое оказывают удобрения и инсектициды. Когда растения поливают и орошают поля, химикаты, которыми обрабатывали газоны и посевы, могут смываться в грунтовые воды. Новая окружающая среда, в которую попадают эти химические вещества, страдает из-за их присутствия, поскольку они убивают местную растительность, беспозвоночных и позвоночных животных. ^{[ нужна цитата ]}

Предотвращение и смягчение последствий

Эффективный контроль городских стоков предполагает снижение скорости и потока ливневых вод, а также сокращение выбросов загрязняющих веществ. Местные органы власти используют различные методы управления ливневыми водами, чтобы уменьшить воздействие городских стоков. Эти методы, называемые в некоторых странах передовыми методами управления загрязнением воды (BMP), могут быть сосредоточены на контроле количества воды, в то время как другие сосредоточены на улучшении качества воды, а некоторые выполняют обе функции. ^[18]

Практика предотвращения загрязнения включает в себя застройку с низким уровнем воздействия (LID) или методы зеленой инфраструктуры , известные как устойчивые дренажные системы (SuDS) в Великобритании, и городское проектирование с учетом воды (WSUD) в Австралии и на Ближнем Востоке, такие как установка зеленых крыш. и улучшение обращения с химическими веществами (например, управление моторным топливом и маслом, удобрениями, пестицидами и противообледенительными средствами для дорог ). ^{[9] [19]} Системы уменьшения стока включают инфильтрационные бассейны , биоудерживающие системы, построенные водно-болотные угодья , удерживающие бассейны и подобные устройства. ^{[20] [21]}

Для обеспечения эффективных решений по городскому стоку часто требуются надлежащие городские программы, учитывающие потребности и различия населения. Такие факторы, как средняя температура в городе, уровень осадков, географическое положение и уровни загрязняющих веществ в воздухе, могут влиять на уровень загрязнения городских стоков и представлять уникальные проблемы для управления. Человеческие факторы, такие как темпы урбанизации, тенденции землепользования и выбранные строительные материалы для непроницаемых поверхностей, часто усугубляют эти проблемы.

Реализация общегородских стратегий технического обслуживания, таких как программы подметания улиц, также может быть эффективным методом улучшения качества городских стоков. Пылесосы для подметания улиц собирают частицы пыли и взвешенных твердых частиц, часто встречающиеся на общественных парковках и дорогах, которые часто попадают в стоки. ^[22]

Образовательные программы также могут стать эффективным инструментом управления городскими стоками. Местные предприятия и частные лица могут сыграть важную роль в сокращении загрязнения городских стоков просто благодаря своей практике, но часто не знают о нормативных актах. Создание продуктивной дискуссии о городских стоках и важности эффективной утилизации предметов домашнего обихода может помочь стимулировать экологически безопасные методы с меньшими затратами для города и местной экономики. ^[23]

Тепловое загрязнение стоков можно контролировать с помощью сооружений по управлению ливневыми водами, которые поглощают стоки или направляют их в грунтовые воды , например, биоудерживающие системы и инфильтрационные бассейны. Биоудерживающие бассейны, как правило, менее эффективны в снижении температуры, поскольку вода может нагреваться солнцем перед сбросом в принимающий ручей. ^{[18] : с. 5–58}

Сбор ливневых вод заключается в сборе стоков из ручьев, оврагов, временных ручьев и других наземных транспортных средств. Проекты по сбору ливневых вод часто преследуют несколько целей, таких как сокращение загрязненных стоков в уязвимые воды, содействие пополнению запасов грунтовых вод и непитьевые применения, такие как смыв туалетов и орошение . ^[24]

Смотрите также

• Очистка сельскохозяйственных сточных вод - Сток питательных веществ
• Первый смыв (начальный сток ливня)
• Национальная программа городского стока — исследовательский проект, проводимый Агентством по охране окружающей среды США.
• Неточечный источник загрязнения
• Сбор дождевой воды
• Поверхностный сток - Вопросы сельского хозяйства

Рекомендации

1. «Воздействие стока воды с улиц и дворов». Хайлендс-Ранч, Колорадо: Район метро Хайлендс-Ранч . Проверено 30 августа 2021 г.
2. «Сток (сток поверхностных вод)» . Школа водных наук Геологической службы США . Рестон, Вирджиния: Геологическая служба США (USGS). 06.06.2018.
3. Федерация водной среды, Александрия, Вирджиния; и Американское общество инженеров-строителей, Рестон, Вирджиния. «Управление качеством городских стоков». Практическое руководство ВЭФ № 23; Руководство ASCE и отчет по инженерной практике № 87. 1998. ISBN 1-57278-039-8 . Глава 1. 
4. Шуелер, Томас Р. (2000) [первоначальная публикация. 1995]. «Важность непроницаемости». В Шулере; Холланд, Хизер К. (ред.). Практика защиты водоразделов . Элликотт-Сити, Мэриленд: Центр защиты водоразделов. стр. 1–12. Архивировано из оригинала (pdf) 27 марта 2014 г. Проверено 24 декабря 2014 г.
5. Бертон, Дж. Аллен младший; Питт, Роберт (2001). «Глава 2: Получение данных об использовании воды, ее ухудшении и источниках загрязнения ливневыми водами». Справочник по воздействию ливневых вод: набор инструментов для менеджеров водоразделов, ученых и инженеров. Нью-Йорк: CRC/Lewis Publishers. ISBN 0-87371-924-7. Архивировано из оригинала 19 мая 2009 г. Проверено 16 января 2009 г.
6. «Глава 1. Воздействие городских ливневых стоков». Решения для ливневых вод: превращение дождя в Орегоне обратно в ресурс (PDF) (отчет). Портленд, Орегон: Экологический совет штата Орегон. Декабрь 2007.
7. Бортман, Марси (2011). "Загрязнение морской среды". Экологическая энциклопедия . 3 : 21–34.
8. Вайс, Кеннет Р. (2009). Океаны под угрозой исчезновения . Фармингтон-Хиллз, Мичиган: Glenhaven Press. стр. 39–45.
9. Защита качества воды от городских стоков (Отчет). Агентство по охране окружающей среды. Февраль 2003 г. EPA 841-F-03-003.
10. Штейн, Роберт; Эш, Том. «Использование интеллектуальных контроллеров для сокращения городского стока в городе Ньюпорт-Бич». Ньюпорт-Бич, Калифорния . Проверено 30 августа 2021 г.
11. «Чрезмерное орошение может вызвать загрязнение ливневых вод» . Эль-Кахон, Калифорния . Проверено 30 августа 2021 г.
12. «Поверхностный сток - круговорот воды». Школа водных наук Геологической службы США . Геологическая служба США. 08.06.2019.
13. Центр местных технологий, Чикаго, Иллинойс, «Распространенность и стоимость городских наводнений». Май 2013
14. Национальный исследовательский совет (США) (2009). Управление городскими ливневыми водами в США (Отчет). Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. дои : 10.17226/12465. ISBN 978-0-309-12539-0.
15. «Загрязнение городских водотоков быстро увеличивается из-за дорожной соли» . Геологическая служба США. 15 декабря 2014 г.
16. Лоус, Эдвард А.; Рот, Лорен (2004). «Влияние затвердевания ручья на качество воды и метаболические характеристики ручьев Вайманало и Канеохе, Оаху, Гавайские острова». Тихоокеанская наука . Гавайский университет Press. 58 (2): 261–280. дои : 10.1353/psc.2004.0019. hdl : 10125/2725 . ISSN  0030-8870. S2CID  19417682.
17. «Глава 3. Канализация и модификация канала» . Национальные меры управления по контролю загрязнения из неточечных источников в результате гидромодификации (Отчет). Агентство по охране окружающей среды. 2007. EPA 841-B-07-002.
18. «Глава 5: Описание и эффективность передовых методов управления ливневыми водами». Сводка предварительных данных о передовых методах управления городскими ливневыми водами (отчет). Вашингтон, округ Колумбия: Агентство по охране окружающей среды США (EPA). Август 1999 г. EPA-821-R-99-012.
19. «Развитие с низким уровнем воздействия и другие стратегии зеленого дизайна». Национальная система ликвидации выбросов загрязняющих веществ . Агентство по охране окружающей среды. 2014. Архивировано из оригинала 19 февраля 2015 г.
20. Калифорнийская ассоциация качества ливневых вод. Менло-Парк, Калифорния. «Справочники по передовой практике управления ливневыми водами (BMP)». 2003.
21. Департамент охраны окружающей среды Нью-Джерси. Трентон, Нью-Джерси. «Руководство по передовой практике управления ливневыми водами штата Нью-Джерси». Апрель 2004 года.
22. «Парковка и уборка улиц». Национальное меню лучших практик управления ливневыми водами . Агентство по охране окружающей среды. 6 августа 2014 г. Архивировано из оригинала 28 августа 2015 г. Проверено 24 декабря 2014 г.
23. Балло, Сиака; Лю, Мин; Хоу, Лицзюнь; Чанг, Цзин (10 июля 2009 г.). «Загрязнители в ливневых стоках в Шанхае (Китай): последствия для управления загрязнением городских стоков». Прогресс в естествознании . 19 (7): 873–880. дои : 10.1016/j.pnsc.2008.07.021 .
24. Проект управления ливневыми водами Monterey-Pacific Grove ASBS (PDF) (Отчет). Город Пасифик Гроув, Калифорния. Апрель 2014 г. Итоговый отчет о воздействии на окружающую среду. Архивировано из оригинала (PDF) 13 ноября 2020 г.

дальнейшее чтение

• Макгинн, Энн Платт (2004). Человеческая деятельность, угрожающая Мировому океану . Фармингтон-Хиллз, Мичиган: Glennhaven Press. стр. 144–157.
• Берланд, Адам; Шифлетт, Шери А.; Шустер, Уильям Д.; Гарместани, Аджонд С.; Годдард, Хейнс К.; Херрманн, Дастин Л.; Хоптон, Мэтью Э. (1 июня 2017 г.). «Роль деревьев в управлении городскими ливневыми водами». Ландшафт и городское планирование . 162 : 167–177. doi :10.1016/j.landurbplan.2017.02.017. ПМК  6134866 . ПМИД  30220756.
• Блэр, Стефани И.; Барлоу, Клайд Х.; Макинтайр, Дженифер К. (февраль 2021 г.). «Острые цереброваскулярные эффекты у молоди кижуча, подвергшейся воздействию стоков с проезжей части». Канадский журнал рыболовства и водных наук . 78 (2): 103–109. doi : 10.1139/cjfas-2020-0240 . S2CID  230581357.
• Тромп, Карин; Лима, Ана Т.; Барендрегт, Арьян; Верховен, Йос Т.А. (15 февраля 2012 г.). «Удержание тяжелых металлов и полиароматических углеводородов из дорожной воды на построенных водно-болотных угодьях и эффект от обледенения». Журнал опасных материалов . 203–204: 290–298. дои : 10.1016/j.jhazmat.2011.12.024. ПМИД  22226719.
• «Что вы можете сделать, чтобы уменьшить загрязнение городских стоков» Национальный морской заповедник Монтерей-Бэй, Национальная океаническая служба США, 9 декабря 2019 г.
• Пер, Венди Энн; Бакстер, Иван Р.; Ричардс, Элизабет Л.; Фриман, Джон Л.; Мерфи, Ангус С. (2005). «Фиторемедиация и растения-гипераккумуляторы». Молекулярная биология гомеостаза и детоксикации металлов . Темы современной генетики. Том. 14. С. 299–340. дои : 10.1007/4735_100. ISBN 978-3-540-22175-3.
• Розен, Джулия (26 октября 2015 г.). «Дорожный сток – нет-нет для Кижуча». Научный американец .
• Флетчер, Т.Д.; Андрие, Х.; Хамель, П. (1 января 2013 г.). «Понимание, управление и моделирование городской гидрологии и ее последствий для получения воды: современное состояние». Достижения в области водных ресурсов . 51 : 261–279. Бибкод : 2013AdWR...51..261F. doi :10.1016/j.advwatres.2012.09.001.
• Селбиг, Уильям Р.; Лохайд, Стивен П.; Шустер, Уильям; Шаренброх, Брайант К.; Ковилл, Роберт С.; Крюглер, Джеймс; Эйвери, Уильям; Хефнер, Ральф; Новак, Дэвид (1 февраля 2022 г.). «Количественная оценка преимуществ сокращения объема ливневых стоков за счет кроны городских улиц». Наука об общей окружающей среде . 806 (Часть 3): 151296. Бибкод : 2022ScTEn.806o1296S. doi : 10.1016/j.scitotenv.2021.151296. PMID  34736755. S2CID  240180212.
• Гарри С. Торно; Иржи Марсалек; Мишель Деборд, ред. (1986). Загрязнение городских стоков. Берлин: Springer-Verlag. ISBN 3-540-16090-6.