Дождевые сады , также называемые биоудерживающими сооружениями , являются одним из множества методов, предназначенных для увеличения реабсорбции дождевых стоков почвой. Их также можно использовать для очистки загрязненных ливневых стоков . Дождевые сады — это спроектированные ландшафтные объекты, которые уменьшают скорость потока, общее количество и загрязняющую нагрузку стоков 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 ливневых вод и увеличения времени задержки инфильтрации , одновременно устраняя и фильтруя загрязняющие вещества , переносимые городскими стоками. Дождевые сады позволяют повторно использовать и оптимизировать любой выпавший дождь, уменьшая или избегая необходимости дополнительного орошения . Преимуществом посадки дождевых садов является последующее снижение температуры окружающего воздуха и воды, что особенно эффективно в городских районах, где имеется множество непроницаемых поверхностей, поглощающих тепло в результате явления, известного как эффект острова тепла . [2]
Посадки дождевых садов обычно включают растительность по краям водно-болотных угодий , такую как полевые цветы , осоки , камыши , папоротники , кустарники и небольшие деревья . Эти растения поглощают питательные вещества и воду, которые попадают 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 (в том числе некоторые загрязняющие вещества) и удалять азот.
Дождевые сады полезны по многим причинам; они улучшают качество воды путем фильтрации стоков, обеспечивают локальную борьбу с наводнениями , создают эстетичные ландшафтные объекты и предоставляют разнообразные возможности для посадки растений. Они также поощряют дикую природу и биоразнообразие , объединяют 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 снижают потребление энергии за счет снижения нагрузки на традиционную инфраструктуру ливневой канализации.
Первые дождевые сады были созданы, чтобы имитировать естественные водоудерживающие зоны, возникшие до того, как произошла урбанизация. Дождевые сады для жилых помещений были созданы в 1990 году в округе Принс-Джордж, штат Мэриленд , когда Дик Бринкер, застройщик, строящий новый жилой район , придумал заменить традиционный пруд, основанный на лучших практиках управления (BMP), зоной биоудержания . С этой идеей он обратился к Ларри Коффману, инженеру-экологу и заместителю директора по программам и планированию Департамента экологических ресурсов округа. [6] Результатом стало широкое использование дождевых садов в Сомерсете, жилом районе, который имеет дождевой сад площадью 300–400 кв. футов (28–37 м 2 ) на участке каждого дома. [7] Эта система оказалась очень рентабельной. Вместо системы бордюров , тротуаров и желобов , установка которой стоила бы почти 400 000 долларов, установка дренажных канав обошлась в 100 000 долларов. [6] Это также было гораздо более рентабельно, чем строительство прудов BMP, которые могли бы выдерживать 2-, 10- и 100-летние штормы. [6] Мониторинг стока, проведенный в последующие годы, показал, что дождевые сады привели к сокращению стока ливневых вод на 75–80% во время регулярных дождей. [7]
Некоторые де-факто дождевые сады появились еще до того, как профессионалы признали их важным инструментом LID ( развития с низким уровнем воздействия ). Любое неглубокое углубление в саду, созданное для сбора и фильтрации дождевой воды внутри сада, чтобы избежать слива воды за пределы участка, на стадии зачатия представляет собой дождевой сад, особенно если растительность высажена и поддерживается с учетом ее роли в этой функции. Придорожные канавы , поросшие растительностью , теперь называемые « биологическими канавами », остаются традиционной системой отвода сточных вод во многих частях мира задолго до того, как обширные сети бетонных канализационных труб стали обычной инженерной практикой в промышленно развитых странах. Что нового в таких технологиях, так это растущая строгость количественного понимания того, как такие инструменты могут сделать возможным устойчивое развитие . Это справедливо как для развитых сообществ, модернизирующих биоудержание в существующей инфраструктуре управления ливневыми водами, так и для развивающихся сообществ, стремящихся к более быстрому и устойчивому пути развития. [ нужна цитата ]
В развитых городских районах естественные впадины , в которых скапливаются ливневые воды , обычно покрываются непроницаемыми поверхностями, такими как асфальт , тротуар или бетон, и выравниваются для использования на автомобилях. Ливневые воды направляются в ливневые стоки , что может вызвать переливы комбинированных канализационных систем или загрязнение, эрозию или затопление водотоков, куда попадают ливневые стоки. [8] [9] [10] Перенаправленные ливневые воды часто теплее, чем грунтовые воды , обычно питающие ручей, и это связано с нарушениями в некоторых водных экосистемах, главным образом, из-за снижения растворенного кислорода (РК). Ливневые стоки также являются источником широкого спектра загрязняющих веществ, смываемых с твердых или уплотненных поверхностей во время дождя. Эти загрязнители могут включать летучие органические соединения , пестициды , гербициды , углеводороды и следы металлов . [11]
Управление ливневыми водами происходит в масштабе водораздела, чтобы предотвратить воздействие на качество городской воды ниже по течению. [12] Водораздел поддерживается за счет циклического накопления, хранения и потока грунтовых вод . [2] Естественные водоразделы повреждаются, когда они закрываются непроницаемой поверхностью, которая отводит ливневые стоки, несущие загрязняющие вещества, в ручьи. Городские водосборы подвергаются воздействию большего количества загрязняющих веществ из-за последствий антропогенной деятельности в городской среде. [13] Осадки на непроницаемых поверхностях накапливают поверхностные стоки, содержащие нефть, бактерии и отложения, которые в конечном итоге попадают в ручьи и грунтовые воды. [2] Стратегии контроля ливневых вод, такие как инфильтрационные сады, очищают загрязненные поверхностные стоки и возвращают обработанную воду в нижележащую почву, помогая восстановить систему водораздела. Эффективность систем контроля ливневых вод измеряется уменьшением количества осадков, которые становятся стоком ( удержанием ), а также временем задержки (скоростью истощения) стока. [14] Даже дождевые сады с небольшой пропускной способностью для ежедневной инфильтрации могут оказать положительное кумулятивное воздействие на смягчение городских стоков. Увеличение количества проницаемых поверхностей за счет проектирования дождевых садов уменьшает количество загрязненных ливневых вод, которые достигают естественных водоемов и быстрее пополняют грунтовые воды. [15] Кроме того, добавление дождевого сада на участок, где наблюдается чрезмерный сток дождевой воды, снижает нагрузку на общественные системы ливневой канализации. [ нужна цитата ]
Биоудерживающий подход к очистке воды и, в частности, к дождевым садам в этом контексте, имеет двоякое значение: использовать естественные процессы в ландшафтах и почвах для транспортировки, хранения и фильтрации ливневых вод до того, как они станут стоками, и уменьшить общее количество непроницаемых осадков. поверхность, покрывающая землю, что позволяет загрязнять городские стоки. [16] Дождевые сады работают наиболее эффективно, когда они взаимодействуют с более широкой системой контроля ливневых вод. Этот комплексный подход к очистке воды называется «цепочкой ливневых стоков», которая состоит из всех связанных методов предотвращения поверхностного стока, удержания стока для инфильтрации или испарения, задержания стока и его выпуска с заранее определенной скоростью, а также транспортировки осадки из места, где они выпадают, в места задержания или содержания под стражей. [16] Дождевые сады оказывают множество негативных последствий на большую гидрологическую систему. В системе биоудержания, такой как дождевой сад, вода фильтруется через слои почвы и растительной среды, которые очищают воду перед ее попаданием в систему грунтовых вод или подземный дренаж. Любой оставшийся сток из дождевого сада будет иметь более низкую температуру, чем сток с непроницаемой поверхности, что снижает термический шок на принимающих водоемах. Кроме того, увеличение количества проницаемых поверхностей за счет проектирования городских дождевых садов уменьшает количество загрязненных ливневых вод, которые достигают естественных водоемов и быстрее пополняют грунтовые воды. [17]
Концепция LID (проект с низким уровнем воздействия) для управления ливневыми водами основана на биоудержании : практике проектирования ландшафта и воды, которая использует химические, биологические и физические свойства почвы, микроорганизмов и растений для контроля качества и количества потока воды. внутри сайта. [16] Установки биоудержания в первую очередь предназначены для управления водными ресурсами и могут очищать городские стоки, ливневые, грунтовые воды и, в особых случаях, сточные воды . Тщательно спроектированные водно-болотные угодья необходимы для биоудержания сточных вод или серой воды , которые оказывают большее воздействие на здоровье человека, чем последствия очистки городских сточных вод и осадков. Экологические преимущества участков биоудержания включают увеличение разнообразия дикой природы и создания среды обитания, а также минимизацию использования энергии и загрязнения. Приоритет управления водными ресурсами через естественные биоудерживающие объекты исключает возможность покрытия земли непроницаемыми поверхностями. [18]
Биоудержание контролирует количество ливневых вод посредством перехвата, инфильтрации, испарения и транспирации. [16] Во-первых, осадки улавливаются тканями растений (листьями и стеблями) и микропорами почвы . Затем вода осуществляет инфильтрацию – движение воды вниз через почву – и сохраняется в почве до тех пор, пока субстрат не достигнет своей влагоемкости, когда она начнет скапливаться в верхней части функции биоудержания. Объединенная вода и вода с поверхности растений и почвы затем испаряются в атмосферу. Оптимальная конструкция мест биоудержания направлена на то, чтобы неглубокие скопления воды обеспечивали более высокую скорость испарения. Вода также испаряется через листья растений и возвращается обратно в атмосферу, этот процесс известен как эвапотранспирация . [19]
Качество ливневых вод можно контролировать путем биоудержания путем осаждения, 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, когда она движется вниз через почву и корни растений. Растения поглощают часть питательных веществ для использования в процессах роста или для хранения минералов. Растворенные в воде химические вещества также связываются с поверхностью 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 вещества почвы. [20]
Несмотря на то, что естественная очистка воды основана на дизайне посевных площадей, ключевыми компонентами биоремедиации являются качество почвы и активность микроорганизмов . Эти функции поддерживаются растениями, которые создают вторичное поровое пространство для увеличения проницаемости почвы, предотвращения уплотнения почвы за счет роста сложной корневой структуры, обеспечивают среду обитания для микроорганизмов на поверхности их корней и транспортируют кислород в почву. [20]
Дизайн сада с ливневой водой включает в себя широкий спектр функций, основанных на принципах биоудержания. Эти объекты затем организуются в последовательность и включаются в ландшафт в том порядке, в котором осадки переходят от зданий и проницаемых поверхностей к садам и, в конечном итоге, к водоемам. Дождевому саду необходима территория, где вода может собираться и проникать , а растения могут поддерживать скорость инфильтрации, разнообразные сообщества микроорганизмов и емкость для хранения воды. Поскольку инфильтрационные системы управляют количеством ливневых вод за счет уменьшения объемов ливневого стока и пиковых расходов, проектирование дождевого сада должно начинаться с анализа участка и оценки дождевой нагрузки на предлагаемую систему биоудержания. [13] Это приведет к разным знаниям о каждом участке, что повлияет на выбор насаждений и систем субстрата. Как минимум, дождевые сады должны быть спроектированы с учетом максимальной скорости стока во время самого сильного ожидаемого шторма. Тогда нагрузка, приложенная к системе, будет определять оптимальную расчетную скорость потока. [15]
Существующие сады можно адаптировать так, чтобы они работали как дождевые сады, изменив ландшафт так, чтобы водосточные трубы и мощеные поверхности стекали в существующие посадки. Несмотря на то, что существующие сады имеют рыхлую почву и хорошо прижившиеся растения, возможно, их потребуется увеличить в размерах и/или добавить дополнительные разнообразные насаждения, чтобы обеспечить более высокую инфильтрационную способность. Кроме того, многие растения долго не переносят насыщение корней и не смогут справиться с повышенным потоком воды. Виды растений дождевого сада следует выбирать в соответствии с условиями участка после определения необходимого местоположения и емкости биоудерживающей зоны. Помимо уменьшения городских стоков, дождевой сад может способствовать созданию городской среды обитания для местных бабочек , птиц и полезных насекомых . [21]
Дождевые сады иногда путают с биологическими болотами . Болоты спускаются к месту назначения, а дождевые сады ровные; однако биосвалка может заканчиваться дождевым садом как часть более крупной системы управления ливневыми водами. С дренажными канавами можно обращаться как с биологическими болотами, и даже включать в себя последовательные дождевые сады, что экономит время и деньги на техническое обслуживание. Часть сада, в которой почти всегда есть стоячая вода, представляет собой водный сад , заболоченное место или пруд, а не дождевой сад. Дождевые сады также отличаются от водохранилищ , где вода проникает в землю гораздо медленнее, в течение дня или двух. [22]
Собранная вода фильтруется через слои почвы или технической растущей почвы, называемые субстратом. После того, как почва достигает предела насыщения, избыток воды скапливается на поверхности почвы и в конечном итоге проникает в естественную почву внизу. Почвенная смесь для биоудержания обычно должна содержать 60% песка , 20% компоста и 20% верхнего слоя почвы . Почвы с более высокой концентрацией компоста показали улучшенное воздействие на фильтрацию грунтовых и дождевых вод. [23] Непроницаемый грунт необходимо периодически удалять и заменять для достижения максимальной производительности и эффективности при использовании в системе биоудержания. Согласно исследованию 1983 года, песчаную почву (биоудерживающую смесь) нельзя сочетать с окружающей почвой с меньшим содержанием песка, поскольку частицы глины оседают между частицами песка и образуют бетоноподобное вещество, которое не способствует проникновению. . [24] Компактная газонная почва не может содержать грунтовые воды почти так же хорошо, как песчаные почвы, потому что микропоры в почве недостаточны для удержания значительного уровня стока. [16]
Если почвы на участке недостаточно проницаемы , чтобы вода могла стекать и фильтроваться с соответствующей скоростью, почву следует заменить и установить дренаж. Иногда сухой колодец с несколькими слоями гравия возле самого нижнего места дождевого сада помогает облегчить просачивание и избежать засорения отстойника. [13] Однако сухой колодец, расположенный в самом низком месте, может преждевременно засориться илом, превратив сад в инфильтрационный бассейн и лишив его функции биоудерживающей системы. Чем более загрязнены сточные воды, тем дольше их необходимо удерживать в почве для очистки. Способность к более длительному периоду очистки часто достигается путем установки нескольких меньших по размеру бассейнов для дождевых садов с глубиной почвы, превышающей уровень сезонного высокого уровня грунтовых вод . В некоторых случаях биоудерживающие клетки с подкладкой и подземным дренажем используются для удержания меньшего количества воды и фильтрации большего количества, не позволяя воде просачиваться так быстро. Пятилетнее исследование Геологической службы США показывает, что дождевые сады на городских глинистых почвах могут быть эффективными без использования подземных дренажей или замены естественных почв биоудерживающей смесью. Тем не менее, это также указывает на то, что скорость проникновения перед установкой должна составлять не менее 0,25 дюймов в час. Почвы типа D потребуют нижнего дренажа в сочетании с песчаной почвенной смесью для правильного дренажа. [25]
Дождевые сады часто располагаются возле водосточной трубы на крыше здания (с резервуарами для дождевой воды или без них ). Большинство дождевых садов спроектированы как конечная точка дренажной системы здания или городского участка, способная просачивать всю поступающую воду через ряд слоев почвы или гравия под поверхностными насаждениями. Французский дренаж можно использовать для направления части дождевой воды в место перелива в случае более сильных дождей. Если место биоудержания имеет 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 верхний слой почвы, чтобы справиться с возросшей инфильтрационной нагрузкой. [2] Если изначально проект не предусматривал наличие дождевого сада на территории, водосточные трубы с крыши можно отсоединить и отвести в дождевой сад для модернизации системы управления ливневыми водами. Это снижает объем водной нагрузки на традиционную дренажную систему и вместо этого направляет воду на инфильтрацию и очистку с помощью функций биоудержания. Уменьшая пиковый сброс ливневых вод, дождевые сады увеличивают время гидравлической задержки и в некоторой степени имитируют естественный круговорот воды , вытесняемый городской застройкой , и позволяют пополнять запасы грунтовых вод . Хотя дождевые сады всегда позволяют восстановить пополнение грунтовых вод и уменьшить объемы ливневых вод, они не могут уменьшить загрязнение , если в конструкцию фильтрующих слоев не включены восстановительные материалы. [26]
Типичными растениями дождевого сада являются травянистые многолетники и травы, которые выбираются из-за пористой структуры корней и высокой скорости роста. [16] Деревья и кустарники также можно посадить, чтобы покрыть большие площади на участке биоудержания. Хотя определенные растения выбираются и разрабатываются для соответствующих почв и климата, [27] для дождевого сада обычно используются растения, которые могут переносить как насыщенную, так и сухую почву. Их необходимо поддерживать в целях обеспечения максимальной эффективности и совместимости с прилегающими землепользованиями. 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 улучшения инфильтрации воды и устойчивости к засухе; повысить ценность среды обитания, разнообразие местных экологических сообществ и общую устойчивость после создания. Растительность с плотной и равномерной глубиной корневой системы помогает поддерживать постоянную инфильтрацию во всей системе биоудержания. [28] Могут быть компромиссы, связанные с использованием местных растений, включая отсутствие доступности некоторых видов, поздние весенние всходы, короткий сезон цветения и относительно медленное приживление.
Важно сажать самые разнообразные виды растений, чтобы дождевой сад функционировал в любых климатических условиях. Вполне вероятно, что в течение всего срока службы сада будет наблюдаться градиент уровня влажности, поэтому желательны некоторые засухоустойчивые насаждения. Существует четыре категории влагоустойчивости вегетативных видов, которые можно учитывать при выборе растений для дождевого сада. Влажная почва постоянно полна воды с длительными периодами скопления поверхностных вод; к этой категории относятся болотистые и болотистые участки. Влажная почва всегда слегка влажная, и растения, которые хорошо растут в этой категории, могут переносить более длительные периоды затопления. Мезиновая почва не является ни очень влажной, ни очень сухой; растения, предпочитающие эту категорию, могут переносить кратковременные периоды затопления. [16] Сухая почва идеально подходит для растений, способных выдерживать длительные засушливые периоды. Посадки, выбранные для дождевых садов, должны быть способны процветать как в экстремально влажные, так и в засушливые периоды, поскольку дождевые сады периодически колеблются между этими двумя состояниями. Дождевой сад в умеренном климате вряд ли полностью высохнет, но садам в сухом климате необходимо будет поддерживать низкий уровень влажности почвы в периоды засухи. С другой стороны, дождевые сады вряд ли пострадают от интенсивного переувлажнения, поскольку функция дождевого сада заключается в отводе лишней воды с участка. Растения, обычно встречающиеся в дождевых садах, способны впитывать большое количество осадков в течение года в качестве промежуточной стратегии в засушливый сезон. [16] Транспирация растущих растений ускоряет высыхание почвы между ураганами. Дождевые сады лучше всего работают с растениями, которые растут на регулярно влажных почвах, потому что эти растения обычно могут выжить в более сухих и относительно плодородных почвах (содержащих много питательных веществ).
Выбранная растительность должна учитывать ограничения и ограничения участка и особенно не должна препятствовать основной функции биоудержания. Деревья под линиями электропередач или которые поднимают тротуары, когда почва становится влажной, или чьи корни ищут и засоряют дренажные плитки, могут нанести дорогостоящий ущерб. Деревья, как правило, в наибольшей степени способствуют биоудержанию, когда они расположены достаточно близко, чтобы собирать влагу из углубления дождевого сада, но при этом не затеняют сад слишком сильно и не допускают испарения. При этом затенение открытых поверхностных вод может снизить чрезмерный нагрев растительных местообитаний. Растения переносят затопление теплой водой меньше времени, чем холодную воду, поскольку тепло вытесняет растворенный кислород , поэтому растение, устойчивое к затоплению ранней весной, может не пережить летнее затопление. [16]
Дождевые сады предназначены для улавливания первоначального потока ливневых вод и уменьшения накопления токсинов, попадающих непосредственно в естественные водные пути посредством фильтрации через грунт. Естественная очистка загрязненных ливневых вод — эффективный и бесплатный процесс очистки. Направление воды через почву и растительность позволяет улавливать частицы загрязняющих веществ, в то время как атмосферные загрязнители улавливаются мембранами растений, а затем задерживаются в почве, где большинство из них начинает разрушаться. Эти подходы помогают рассеивать стоки, что позволяет загрязняющим веществам распределяться по участку, а не концентрироваться. [29] Национальный научный фонд , Агентство по охране окружающей среды США и ряд исследовательских институтов в настоящее время изучают влияние дополнения дождевых садов материалами, способными улавливать или химически восстанавливать загрязняющие вещества до безопасных соединений.
Основной задачей проектирования дождевого сада является прогнозирование типов загрязняющих веществ и допустимого количества загрязняющих веществ, которые система фильтрации дождевого сада может обрабатывать во время сильных ураганов. Загрязняющие вещества могут включать органические материалы, такие как отходы животноводства и разливы нефти, а также неорганические материалы, такие как тяжелые металлы и питательные вещества удобрений . Известно, что эти загрязняющие вещества вызывают вредное чрезмерное стимулирование роста растений и водорослей, если они просачиваются в ручьи и реки. Проблема прогнозирования нагрузки загрязняющих веществ становится особенно острой, когда дождь происходит после длительного засушливого периода. Первоначальные ливневые воды часто сильно загрязнены загрязнителями, накопившимися в засушливые периоды. Проектировщики дождевых садов раньше фокусировались на поиске устойчивых местных растений и поощрении адекватной биофильтрации, но недавно начали дополнять фильтрующие слои средами, специально подходящими для химического снижения окислительно- восстановительного потенциала входящих потоков загрязнителей. Некоторые виды растений очень эффективны для хранения минеральных питательных веществ, 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 загрязнения. Этот процесс очистки загрязненных почв и ливневых вод называется фиторемедиацией . [16]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)