Ливневые воды , также называемые ливневыми водами , — это вода , возникающая в результате осадков ( ливней ), включая проливные дожди и талую воду от града и снега . Ливневые воды могут впитываться в почву ( инфильтрироваться ) и становиться грунтовыми водами , накапливаться на пониженной поверхности земли в прудах и лужах , испаряться обратно в атмосферу или способствовать поверхностному стоку . Большая часть стоков переносится 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 ливневых вод. Растения также уменьшают количество ливневых стоков, улучшая инфильтрацию, перехватывая выпадающие осадки и поглощая воду своими корнями. В развитых средах, таких как города , неуправляемые ливневые воды могут создать две основные проблемы: одна связана с объемом и временем стока ( наводнение ), а другая связана с потенциальными загрязнителями, которые несет вода ( загрязнение воды ). Помимо загрязняющих веществ, переносимых ливневыми стоками, городские стоки сами по себе признаются причиной загрязнения.
Ливневая вода также является важным ресурсом, поскольку численность населения и спрос на воду растут, особенно в засушливом и склонном к засухе климате. Методы сбора и очистки ливневых вод потенциально могут сделать некоторые городские среды самодостаточными с точки зрения воды.
Благодаря меньшему количеству растительности и более непроницаемым поверхностям ( стоянки , дороги , здания , уплотненная почва ) застроенные территории позволяют меньшему количеству дождя проникать в землю, и образуется больше стоков, чем в незастроенных условиях. Кроме того, такие каналы, как канавы и ливневая канализация, быстро переносят стоки из коммерческих и жилых районов в близлежащие водоемы. Это значительно увеличивает объем воды в водных путях и расход этих водных путей, что приводит к эрозии и наводнениям. Поскольку вода вымывается из водораздела во время ливня, она мало проникает в почву, пополняет грунтовые воды или обеспечивает основной сток ручья в сухую погоду. [1]
Первый прилив — это начальный сток ливня. На этом этапе загрязненная вода, попадающая в ливневые стоки в районах с высокой долей непроницаемых поверхностей, обычно более концентрирована по сравнению с остальной частью ливневой канализации. Следовательно, такие высокие концентрации городских стоков приводят к высокому уровню загрязняющих веществ, сбрасываемых из ливневой канализации в поверхностные воды . [2] [3] : 216
Ежедневная деятельность человека приводит к осаждению загрязняющих веществ на дорогах , газонах , крышах , сельскохозяйственных полях и других поверхностях земли. К таким загрязнителям относятся мусор, отложения, питательные вещества, бактерии, пестициды, металлы и побочные продукты нефти. [4] Когда идет дождь или происходит орошение , вода стекает и в конечном итоге попадает в реку , озеро или океан . Несмотря на то, что перед попаданием в принимающие воды происходит некоторое ослабление этих загрязняющих веществ, загрязненный сток приводит к образованию достаточно больших количеств загрязняющих веществ, которые ухудшают качество принимающих вод. [5]
Помимо загрязняющих веществ, переносимых ливневыми стоками , городские стоки сами по себе признаются причиной загрязнения. В естественных водосборах ( водоразделах ) поверхностный сток, попадающий в водные пути, является относительно редким явлением, происходящим лишь несколько раз в год и обычно после более сильных штормов. До того, как началось развитие, большая часть осадков впитывалась в почву и способствовала пополнению запасов грунтовых вод или перерабатывалась в атмосферу растительностью посредством эвапотранспирации .
Современные дренажные системы, которые собирают стоки с непроницаемых поверхностей (например, крыш и дорог), обеспечивают эффективное перемещение воды в водные пути через сети трубопроводов, а это означает, что даже небольшие штормы приводят к увеличению стока водных путей.
Помимо поступления большего количества загрязняющих веществ из городского водосбора, увеличение стока ливневых вод может привести к эрозии ручьев , стимулировать зарастание сорняками и изменить естественный режим стока. Местные виды часто полагаются на такие режимы стока 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 and Buchberger, 1997; Westerlund and Viklander, 2006) [ нужна полная ссылка ] 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 и вашингтонский Пьюджет-Саунд , переносятся ливневыми водами, которые стекают с мощеных дорог и подъездных дорожек, крыш, дворов и других застроенных территорий. [6]
Промышленные ливневые воды – это стоки 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 контроля за сбросами. [7] [8]
Ливневые воды являются основной причиной городских наводнений . Городское наводнение — это затопление земель или собственности в застроенной среде, вызванное ливневыми водами, превышающими пропускную способность дренажных систем , таких как ливневая канализация . Хотя городские наводнения вызваны единичными событиями, такими как внезапные наводнения или таяние снега , они представляют собой состояние, характеризующееся повторяющимися, дорогостоящими и системными воздействиями на сообщества. В районах, подверженных городским наводнениям, для уменьшения потерь могут быть установлены обратные клапаны и другая инфраструктура.
Если недвижимость построена с подвалами , городские наводнения являются основной причиной образования подвалов и канализационных труб. Хотя число жертв от наводнений в городах обычно ограничено, экономические, социальные и экологические последствия могут быть значительными: помимо прямого ущерба имуществу и инфраструктуре ( автомагистрали , коммунальные услуги и услуги), хронически мокрые дома связаны с увеличением респираторных заболеваний. проблемы и другие болезни. [9] Резервная канализация часто происходит из бытовой канализационной системы, которая принимает некоторое количество ливневых вод в результате инфильтрации/притока .
Примером того, как городские ливневые воды создали провал воронки, является обрушение Дишман-лейн 25 февраля 2002 года в Боулинг-Грин, штат Кентукки, когда воронка внезапно провалила дорогу под четыре едущих автомобиля. Девятимесячный ремонт обрушившейся дороги на Дишман-лейн обошелся в миллион долларов, но вероятность будущих проблем остается. [11]
На ненарушенных территориях с естественным подпочвенным ( карстовым ) дренажем обломки почвы и горных пород забивают карстовые отверстия, тем самым ограничивая их рост. [12] : 189–190, 196 Ненарушенная карстовая дренажная система становится сбалансированной с климатом и может отводить воду, образующуюся в результате большинства ураганов. Однако проблемы возникают, когда ландшафт изменяется в результате городского развития. [13] : 28 В городских районах с естественным подпочвенным ( карстовым ) дренажем нет поверхностных стоков, в которые мог бы стекать ливневая вода с непроницаемых поверхностей, таких как крыши, парковки и улицы. Вместо этого ливневая вода попадает в систему подземного дренажа, спускаясь через землю. Когда поток подземных вод становится достаточно большим, чтобы переносить обломки почвы и горных пород, карстовые отверстия быстро растут. [12] : 190 Там, где карстовые отверстия покрыты поддерживающим ( компетентным ) известняком, на поверхности часто нет предупреждения о том, что отверстие стало настолько большим, что внезапно обрушится катастрофически. [12] : 198 Таким образом, при планировании землепользования под новую застройку необходимо избегать карстовых зон. [13] : 37–38 В конечном итоге налогоплательщики платят за неправильные решения по землепользованию.
Управление количеством и качеством ливневых вод называется «Управление ливневыми водами». [14] Термин «Лучшая практика управления» (BMP) или «меры контроля ливневых вод» (SCM) часто используется для обозначения как структурных, так и инженерно-технических устройств и систем контроля (например, прудов-отстойников ) для очистки или хранения загрязненных ливневых вод, а также эксплуатационных или процедурных мер. практики (например, подметание улиц). [15] Управление ливневыми водами включает в себя как технические, так и институциональные аспекты. [16]
Комплексное управление водными ресурсами (IWM) ливневых вод потенциально может решить многие проблемы, влияющие на состояние водных путей и проблемы водоснабжения, с которыми сталкиваются современные городские города. IWM часто ассоциируется с «зеленой» инфраструктурой , если учитывать ее в процессе проектирования. Профессионалы в своих областях, такие как градостроители , архитекторы , ландшафтные архитекторы , дизайнеры интерьеров и инженеры , часто рассматривают интегрированное управление водными ресурсами как основу процесса проектирования.
IWM , также известный как развитие с низким уровнем воздействия (LID) [18] в США или водочувствительное городское проектирование (WSUD) [19] в Австралии , имеет потенциал для улучшения качества стока, снижения риска и воздействия наводнений и обеспечения дополнительные водные ресурсы для увеличения снабжения питьевой водой.
Развитие современного города часто приводит к увеличению потребностей в водоснабжении из-за роста населения, в то время как изменение стока, прогнозируемое изменением климата, может привести к увеличению объема ливневых вод, что может способствовать проблемам дренажа и наводнений. IWM предлагает несколько методов, включая сбор ливневых вод (чтобы уменьшить количество воды, которая может вызвать наводнение), инфильтрацию (для восстановления естественного пополнения грунтовых вод), биофильтрацию или биоудержание (например, дождевые сады ), для хранения и очистки сточных вод и их сброса. с контролируемой скоростью, чтобы уменьшить воздействие на ручьи и обработки водно-болотных угодий (для накопления и контроля скорости стока и обеспечения среды обитания в городских районах).
Существует много способов достижения LID. Наиболее популярным является внедрение наземных решений для уменьшения стока ливневых вод за счет использования прудов-отстойников, биоотстойников , инфильтрационных траншей, устойчивых тротуаров (таких как проницаемое покрытие ) и других, упомянутых выше. LID также может быть достигнут за счет использования спроектированных, произведенных продуктов для достижения аналогичных или потенциально лучших результатов, что и наземные системы (подземные резервуары для хранения, системы очистки ливневых вод, биофильтры и т. д.). Правильное решение LID – это решение, которое уравновешивает желаемые результаты (контроль стока и загрязнения) с соответствующими затратами (потеря пригодной для использования земли для наземных систем по сравнению с капитальными затратами на изготовленное решение). Зеленые (растительные) крыши также являются еще одним недорогим решением.
IWM как движение можно рассматривать как находящееся в зачаточном состоянии и объединяющее элементы дренажной науки, экологии и осознание того, что традиционные дренажные решения переносят проблемы вниз по течению, нанося ущерб окружающей среде и водным ресурсам.
В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды (EPA) отвечает за регулирование ливневых стоков в соответствии с Законом о чистой воде (CWA). [20] Целью CWA является восстановление всех «вод Соединённых Штатов» до состояния, пригодного для рыбной ловли и купания. Сбросы из точечных источников, которые происходят в основном из городских сточных вод ( канализации ) и сбросов промышленных сточных вод, регулируются с момента принятия CWA в 1972 году. Загрузка загрязняющих веществ из этих источников строго контролируется путем выдачи разрешений Национальной системы ликвидации сбросов загрязнений ( NPDES ). . Однако, несмотря на этот контроль, тысячи водоемов в США по-прежнему классифицируются как «нарушенные», что означает, что они содержат загрязняющие вещества на уровнях выше, чем Агентство по охране окружающей среды считает безопасным для предполагаемого полезного использования воды. Большая часть этих ухудшений происходит из-за загрязненных стоков, как правило, в урбанизированных водосборах (в других водоразделах США основным источником является сельскохозяйственное загрязнение ). [21] : 15
Чтобы решить общенациональную проблему загрязнения ливневых вод, Конгресс в 1987 году расширил определение CWA «точечного источника», включив в него промышленные сбросы ливневых вод и муниципальные отдельные ливневые канализационные системы («MS4»). Эти объекты необходимы для получения разрешений NPDES. [22] В 2017 году около 855 крупных муниципальных систем (обслуживающих население 100 000 и более человек) и 6695 малых систем регулировались системой разрешений. [23]
Агентство по охране окружающей среды разрешило 47 штатам выдавать разрешения NPDES. [24] Помимо выполнения требований NPDES, многие штаты и местные органы власти приняли свои собственные законы и постановления об управлении ливневыми водами, а некоторые опубликовали руководства по проектированию очистки ливневых вод. [14] [25] Некоторые из этих государственных и местных требований расширили сферу действия за пределы федеральных требований. Например, штат Мэриленд требует контроля эрозии и отложений на строительных площадках площадью 5000 кв. футов (460 м 2 ) и более. [26] Государственные органы нередко пересматривают свои требования и навязывают их округам и городам; Например, за невнесение изменений в местные разрешения на ливневые стоки для строительных площадок могут быть наложены ежедневные штрафы в размере до 25 000 долларов США.
Сельскохозяйственные стоки (за исключением операций по концентрированному кормлению животных или « CAFO ») классифицируются как загрязнение из неточечных источников в соответствии с CWA. Он не включен в определение CWA «точечного источника» и, следовательно, не подлежит требованиям разрешения NPDES. Поправки к CWA 1987 года установили нерегулируемую программу Агентства по охране окружающей среды по управлению загрязнением из неточечных источников, состоящую из исследовательских и демонстрационных проектов. [27] Сопутствующие программы, такие как Программа стимулирования качества окружающей среды, проводятся Службой охраны природных ресурсов (NRCS) Министерства сельского хозяйства США . [28]
Образование является ключевым компонентом управления ливневыми водами. Ряд агентств и организаций начали кампании по информированию общественности о загрязнении ливневых вод и о том, как они могут способствовать решению этой проблемы. Тысячи местных органов власти в США разработали образовательные программы в соответствии с требованиями их разрешений NPDES на ливневые стоки. [29]
Одним из примеров местной образовательной программы является программа Совета действий по охране окружающей среды Западного Мичигана (WMEAC), который ввел термин « гидрофильт» для описания загрязнения ливневых вод [30] в рамках своей кампании «15 к реке». (Во время ливня загрязненным стокам в Гранд-Рапидсе, штат Мичиган, может потребоваться всего 15 минут , чтобы достичь Гранд-Ривер .) [31] Его информационно-просветительская деятельность включает программу раздачи дождевых бочек и материалы для домовладельцев по установке дождевых садов . [32]
Другие кампании по просвещению общественности подчеркивают важность зеленой инфраструктуры в замедлении и очистке ливневых стоков. Управление ливневыми водами округа Дюпейдж запустило программу «Love Blue. Live Green». информационно-просветительская кампания в социальных сетях с целью просвещения общественности о зеленой инфраструктуре и некоторых других передовых методах управления ливневыми стоками. [33] Благодаря этой кампании статьи, веб-сайты, фотографии, видео и другие медиа-материалы распространяются среди общественности.
Инфраструктура ливневой канализации — это дорогостоящая долгосрочная инвестиция, которую трудно заменить, когда основные обстоятельства меняются. В результате система со временем будет работать хуже или чаще давать сбои. Именно это происходит в регионе, окружающем Европу и Балтийское море, где системы испытывают стресс из-за ускоряющихся темпов изменения климата, развития урбанизации и ужесточения регулирования. Переосмысление методов управления ливневыми водами и увеличение инвестиций в инфраструктуру ливневых вод имеют важное значение для адаптации к этим быстро меняющимся обстоятельствам. [34] [35]
С тех пор, как люди начали жить в концентрированных деревнях или городах, ливневые стоки стали проблемой. В эпоху бронзы жилье приняло более концентрированную форму, и непроницаемые поверхности стали фактором проектирования ранних человеческих поселений . Некоторые из ранних внедрений ливневой канализации наблюдаются в Древней Греции . [36]
Конкретный пример ранней конструкции системы ливневого стока можно найти во время археологических раскопок в Минойском Фесте на Крите . [37]
