Неорганизованный сток является причиной множества проблем в городах. Атмосферные осадки нередко приводят к затоплению территорий, а вместе с тем к неудобству использования пешеходной и транспортной инфраструктуры, перебоям в работе предприятий и затоплению нижних этажей зданий. Ливневая канализация, предназначенная для отвода поверхностных дождевых и талых вод с кровель зданий, автомобильных дорог, пешеходных тротуаров и различных площадок, не всегда справляется, и сток загрязняет поверхностные воды, такие как реки, озера, водохранилища, болота и т.п. Вместе с тем происходит обеднение грунтовых вод, которые не получают достаточного водного питания из-за отвода воды ливневыми канализациями. Технологии зелёной инфраструктуры во многом способствуют решению проблем, связанных с водоотведением в городах.
Термин «зелёная инфраструктура» появился в середине 1980-х годах в США и был признан основной стратегией борьбы с изменением климата. Этот термин определяется как введение и организация новых технологий, имитирующих природные процессы, для решения экологических задач (в городах) [1]. Агентство окружающей среды США трактует термин «зелёная инфраструктура» в более узком смысле и определяет его, как технологии и способы управления поверхностными водами, обычно основанные на использовании растительности [2].
По всему миру использование технологий зелёной инфраструктуры являются частью экологического развития городов. В Великобритании, США и Австралии, например, существуют государственные программы, связанные с применением систем регулирования поверхностного стока. Программы направлены на организацию поверхностного стока, где технологии зелёной инфраструктуры являются ключевыми компонентами этих систем.
Классификация и описание технологий зелёной инфраструктуры
Технологии зелёной инфраструктуры обладают определённым набором функций и действуют по-разному. Так, например, дождевой сад фильтрует воду, дренирует её в нижние почвенные горизонты; растения в процессе транспирации испаряют воду. Но основное назначение сада – сбор (накопление) воды с водонепроницаемых поверхностей. А биофильтрационные полосы, к примеру, при большой скорости поверхностного стока обладают водопроводящей функцией, а при более малых скоростях – инфильтрующей (скорость стока снижается, инфильтрация увеличивается). Но основное назначение их – первичная очистка и фильтрация воды с помощью растений. Поэтому предложенная классификация базируется на основной функции технологии зелёной инфраструктуры.
В ходе работы были выявлены основные функции технологий: биологическая фильтрация (Ф), накопление (Н), инфильтрация (И), транспорт (Т) и эвапотранспирация (Э).
Технологии с основной функцией биологической фильтрации (Ф)
1. Биофильтрационные канавы – это линейные понижения в рельефе, предназначенные для очистки поверхностного стока воды с высоким уровнем загрязнения с помощью растений и нескольких фильтрующих слоёв. Они состоит из нескольких слоёв. Поверхностный растительный слой на песчаной основе фильтрует загрязнения и контролирует скорость прохождения воды в нижние слои. Переходный слой, представленный геотекстилем, предотвращает вымывание мелких частиц из поверхностного растительного слоя. Дренажный слой, в основном состоящий из гравия или щебня, позволяет воде дренировать в почву. Очищенные излишки воды, дренировавшей по слоям, направляются в водосточные трубы, ведущие в ливневую канализацию [3 с. 339]. Таким образом, компоненты дренажной канавы очищают воду, удаляют из нее взвешенные частицы, биогенные элементы и другие поллютанты за счет фильтрации через слои щебня и почвенного субстрата с высаженными на нем растениями. В каждой системе предусмотрено дополнительное устройство для отвода жидкости на случай, если почва не успеет впитать её. Как правило, оно находится на высоте нескольких сантиметров над уровнем почвы и через него излишки воды удаляются в ливневую канализацию.
2. Искусственные болота – неглубокое искусственно созданное понижение в рельефе с постоянно стоячей водой, эквивалентной болотам. Основное назначение – фильтрация воды с помощью растений и накопление стока. Возможен высокий уровень разнообразия растений, которые способствуют биологической очистке, эвапотранспирации, фильтрации и инфильтрации воды. Обычно создаются в местах высокого уровня грунтовых вод либо с использованием водонепроницаемой мембраны в основании [3 с. 485].
3. Биофильтрационные полосы – участки земли, покрытые газоном или другой растительностью, предназначенные для фильтрации, седиментации и инфильтрации стока с соседних участков с водонепроницаемым покрытием. Биофильтрационные полосы часто используются в качестве компонента предварительной очистки воды. Полосы имею продольный уклон от 2 до 5 % [3 с. 291 – 292].
4. Плавучие острова – устройства, предназначенные для очистки воды от различных загрязнений во время вегетационного сезона. Органические загрязнители в результате деятельности плавучих островов разлагаются, а загрязнения с соединениями азота превращается в газ и удаляется. Неорганические загрязнители остаются прикреплёнными к корням плавающих растений и к субстрату [4 с. 242 – 244].
Если по данным лабораторных исследований плавучие острова не будут слишком токсичными, то, после их эксплуатации и накопления вредных веществ, острова могут быть закомпостированы.
В России искусственные острова ещё не заслужили широкого применения. Но существуют пример плавучего острова в Москве, на территории национального парка «Лосиный остров» (рис. 1).
| Рис. 1. Плавучий остров в национальном парке «Лосиный остров» в Москве |
В основе механизма действия систем с биологической фильтрацией лежат методы фиторемедиации – комплекс методов очистки сточных вод и грунтов с использованием растений. А основным механизмом таких систем является ризофильтрация – метод фиторемедиации, при котором вода фильтруется через корневые системы растений [5]. Корни растений выводят поллютанты из поверхностного стока воды, насыщая её кислородом и разлагая органические вещеста, которые приносятся со стоком. Так, например, нефтяные продукты, пестициды и хлористые соединения деградируются, неорганические вещества (металлы и фосфорные соединения) задерживаются в корневых системах растений, а соединения азота (нитраты, нитриты) с помощью бактерий трансформируются в атмосферный азот [4 с. 235 – 237].
Технологии с основной функцией накопления стока (Н)
1. Дождевые сады – небольшие по площади понижения в рельефе (глубиной около 15 см), предназначенные для сбора, дальнейшей фильтрации и инфильтрации дождевой воды с кровли зданий, дорог и других участков с водонепроницаемым покрытием. Дождевые сады, как правило, представляют собой небольшие сооружения, которые обслуживают часть одного объекта (например, принимают дождевой сток воды с кровли здания). В дождевых садах, в отличие от биофильтрационных канав, поверхностный растительный и дренажный слои, как правило, заменяются небольшим (всего 200–500 мм) слоем песчаных почв или специальных лёгких почво-смесей [3 с. 335]. Ассортимент дождевого сада должен быть представлен местными видами с широкой экологической амплитудой по отношению к водному режиму, устойчивым к временному затоплению и способным переносить пересыхание.
2. Зелёные кровли – озеленённые пространства, которые создаются при помощи дополнительных слоев грунта и растений поверх традиционной кровли. Зелёные кровли поглощают дождевую воду (80 – 90 % от годового количества осадков), обеспечивают защиту от городского шума, а также защищают здания от холода и перегрева [4 c. 210]. Кроме того, зелёные крыши служат украшением городов и средой обитания городской фауны. Различают экстенсивную (неэксплуатируемая) и интенсивную зелёные кровли. В некоторых странах Европы и США экстенсивная зелёная кровля является обязательным условием застройки на законодательном уровне [6]. А кровли с интенсивным озеленением – это своеобразные сады на крыше, которые эксплуатируются человеком. Кровельный пирог, необходимый для их создания, отличается большей толщиной и весом, чем при использовании экстенсивного озеленения. Такие крыши нуждаются в систематическом техническом обслуживании. В зависимости от того, насколько глубоким будет слой грунта, можно высадить газоны, многолетние растения, кустарники и деревья [7].
3. Растительные боксы – системы, построенные на поверхности земли по типу интенсивной зелёной кровли. Предназначены для сбора и удержания дождевой воды с кровли здания. В растительные боксы высаживаются многолетние травянистые растения, кустарники и небольшие деревья. В нижнем слое устраивается отводящая перфорированная труба, в верхнем слое – переливное отверстие для удаления излишков воды. Технология особо полезна в условиях города [3 с. 337].
4. Пруды отстойники с растительностью и без растительности. Искусственно созданные пруды, предназначенные для постоянного хранения воды. Основная функция – накопление поверхностного стока и отстаивание воды. Дождевая вода поступает равномерно со всех поверхностей: через биофильтрационные полосы, лотки, канавы и т.д. [3 с. 485 – 488]. Осадок постепенно отстаивается в воде в течение следующих 24 – 72 часов.
Дополнительно в пруд могут быть высажены растения. Растения выставляются в контейнерах, либо в подготовленный субстрат. Обычно такие пруды сочетают в себе несколько зон: зона сырого берега, зона болотца и зона основного водоёма, благодаря чему увеличивается разнообразие применяемых растений. По сравнению с искусственными болотами, пруды являются более глубокими и менее озеленёнными.
5. Резервуары для накопления воды. Резервуары могут быть надземные и подземные. В надземных накопителях дождевая вода с кровель зданий через желоба и водосточные трубы собирается в специальные резервуары, и в дальнейшем может использоваться для полива или технических нужд зданий. Резервуары могут быть встроенными в здания и быть объектом дизайна.
Подземные накопители широко распространены за рубежом. В России же, такие системы пока не получили всеобщего признания. Но в Ботаническом саду МГУ им. М. В. Ломоносова «Аптекарский огород» в 2018 году в саду была представлена первая в России система по сбору дождевой воды. Система собирает не весь поверхностный сток, а только «чистую» вода с кровли оранжерей. Сбор дождевой воды позволил сэкономить около 20 процентов ресурсов воды для полива растений из городского водопровода [8].
6. Дождевые бочки – это резервуары для хранения воды. Они накапливают дождевую воду, стекающую с крыши здания. Таким образом, дождевая вода накапливается, отстаивается в бочках и используется для личных целей. Такие технологии используются на частных резиденциях.
Технологии с основной функцией инфильтрации (И)
1. Водопроницаемые покрытия – это покрытия, позволяющие проникать воде через поверхность в нижележащие слои. Примерами проницаемых покрытий могут быть твёрдые модульные покрытия со швами, пористый асфальт, газонные решётки, гравийные покрытия, пористый бетон, травянистые покрытия и т.д. [3 с. 387 – 393].
2. Закрытые дренажные системы. Представляют собой траншеи, по всей глубине которых находится смесь хорошо фильтрующего материала (крупнозернистый песок, щебень и др.) Для дополнительного дренажа на дно укладывается перфорированная труба [9 с. 32]. Такие системы могут быть озеленёнными: верхний слой такой дренажной системы представлен хорошо дренирующим растительным субстратом.
Существуют закрытые дренажные системы в виде ям и лощин, которые получили название инфильтрационных бассейнов.
3. Открытая дренажная канава с травянистым покрытием – открытые дренажные системы, укреплённые засевом трав. Каналы, как правило, имеют трапециидальное сечение. Основная функция заключается в инфильтрации, транспортировке поверхностного стока с осушаемой поверхности и в биологической очистке воды [9 с. 30 – 31]. Для очистки воды максимальная скорость стока по канавам не должна превышать 0,3 м/с [3 с. 318].
4. Подземные инфильтрационные кассеты – используются для контроля и управления поверхностными водами, и вода в них хранится временно. Они состоят из отдельных пластиковых модулей, которые используют при создании подземной структуры для хранения воды. Структура подземного хранилища формируется путём сборки необходимого количества отдельных узлов и оборачивания их в геотекстиль (или в геомембрану). Модули совмещаются между собой по принципу сообщающихся сосудов [3 c. 437 – 438].
Технологии с основной функцией транспорта стока (Т)
1. Каналы с водонепроницаемым основанием – открытые дренажные системы, желоба. Служат связующим элементом между остальными технологиями зелёной инфраструктуры, транспортируя воду. При протекании по неровной поверхности желоба, вода аэрируется, насыщаясь кислородом.
2. Водосток в открытую сеть. Водосток отделяется от системы ливневой канализации и перенаправляется на проницаемые покрытия, чаще всего на газон. Дождевой сток с поверхности зданий также могут принимать дождевые сады, дренажные канавы, растительные боксы и другие устройства.
Технология с основной функцией эвапотранспирации (Э)
Гидролесомелиорация (фитогидравлика) – система мероприятий по регулированию водного режима земель лесного фонда, направленная на улучшение их состояния [10 с. 39]. Использование видов растений, способных поглощать максимальное количество воды из почвы и испарять её в атмосферу путём транспирации (берёза, тополь, ива). Кроме того, подземные части растений улучшают и инфильтрацию воды.
Зарубежный опыт
Вышеперечисленные технологии зелёной инфраструктуры активно и успешно применяются в зарубежных странах, таких как США, Канада, Германия, Франция, Великобритания, Швеция, Китай, Австралия и др. А одним из первых городов, взявших курс на использование технологий зелёной инфраструктуры, стал город Филадельфия.
Изношенная канализация Филадельфии не справлялась с ливнями, поэтому город часто страдал от затоплений и подтоплений. Важно сказать, что в естественных природных сообществах приблизительно половина осадков, выпадающих во время дождя, проникает в землю, а остальные 40 – 50 % испаряются с поверхности земли. В Филадельфии, где около 70 % – 90 % процентов площади города было представлено участками с непроницаемой поверхностью, только 15 % воды проникало в землю, 30 % испарялось, а оставшиеся 55 % попадало на непроницаемые поверхности. Это неочищенная вода, стекающая с кровель зданий, автомобильных дорог и парковок, попадала в канализацию. Канализация не справлялась с объёмом поверхностного стока, и неочищенная вода загрязняла ручьи и реки [11 с. 68 – 75].
Тогда в 2006 году была развернута программа «Greenworks Philadelphia», одной из задач которой было не допустить дождевую воду в подземные коллекторы [11 с. 68 – 75]. В том же году Департаментом водоснабжения Филадельфии была разработана 25-летняя программа «Зелёный город, чистые воды», согласно которой на законодательном уровне любые строительные объекты, имеющие площадь более чем 1500 м2 должны иметь зелёные зоны, способные поглощать осадки [12]. И начиная с 2006 года, город начал «обрастать» дождевыми садами, зелёными кровлями, биодренажными канавами и другими сооружениями, направленными на уменьшение стока.
Чтобы отследить эффективность программы, была принята единица измерения – «зелёный акр», что соответствует около 0,4 га. Каждый акр ежегодно получает около 1 миллиона галлонов дождевых осадков в год. По состоянию на 2018 год, Департамент водных ресурсов Филадельфии построил более 1000 зеленых акров и планирует добавить еще 1300 в течение следующих трех лет. Технологии зеленой инфраструктуры оказались в три раза эффективнее, чем планировалось изначально: технологии снизили нагрузку на канализационную систему почти на 30% и позволили сократить объём ливневого стока на 1,7 миллиарда галлонов [13]. К тому же, изменился и внешний облик; город за последние 15 лет преобразился из «серого» в «зелёный».
Таким образом, основываясь на опыте зарубежных стран, методы организации поверхностного стока, представленные рядом технологий зелёной инфраструктуры, действительно работают, и основаны они на естественных биологических процессах, а также на сборе дождевой воды и последующем её использовании. Чтобы улучшить работу ливневых канализаций и избежать подтоплений и затоплений, технологии необходимо интегрировать в уже существующую серую инфраструктуру.
Список литературы
1. Green infrastructure. – Electronic text data. – Mode of access: https://en.wikipedia.org/wiki/Green_infrastructure#cite_note-Urban_green-blue_grids-1 (date of accessed 26.09.2019). – Title from screen
2. What is Green Infrastructure; U.S. EPA: Washington, DC, USA. – Electronic text data. – Mode of access: https://www.epa.gov/green-infrastructure/what-green-infrastructure (date of accessed 26.09.2019). – Title from screen
3. The SuDS Manual / T. Woods Ballard, S. Wilson, H. Udale-Clarke and other. – London.: CIRIA, 2015. – 937 P.
4. Kennen K., Kirkwood, N. Phyto: Principles and Resources for Site Remediation and Landscape Design / K. Kennen, N. Kirkwood, 2015. – 378 P.
5. Phytoremediation. – Electronic text data. – Mode of access: https://en.wikipedia.org/wiki/Phytoremediation (date of accessed 27.09.2019). – Title from screen
6. Экстенсивное озеленение кровли. – Электрон. текстовые дан. – Режим доступа: https://www.zinco.ru/systems/ehkstensivnoe-ozelenenie/sedumnyj-kover/ (дата обращения 27.09.2019). – Загл. с экрана
7. Интенсивное озеленение кровли. – Электрон. текстовые дан. – Режим доступа: https://www.zinco.ru/systems/intensivnoe-ozelenenie/ (дата обращения 27.09.2019). – Загл. с экрана
8. Первая в России система сбора дождевой воды / Официальный сайт Аптекарского огорода. – Электрон. текстовые дан. – Режим доступа: https://hortus.ru/news/pervaja-v-rossii-sistema-sbora-dozhdevo.html (дата обращения 26.09.2019). – Загл. с экрана
9. Криулин, К.Н. Дренажные системы в ландшафтном и коттеджном строительстве / К.Н. Криулин. СПб.: ООО «Студия НП-Принт», 2014. – 120 с.
10. Гидролесомелиорация избыточно увлажненных земель. Термины, понятия и определения: учеб. пособие / С.В. Залесов, А.В. Тукачева. − Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2018. − 67 с.
11. David C. Rouse, AICP, and Ignacio F. Bunster-Ossa, Green Infrastructure: A Landscape Approach, – 2013 . – 144 P.
12. SuDS Storage Survey. – Electronic text data. – Mode of access: https://www.hydro-int.com/en/resources/suds-storage-survey (date of accessed 27.09.2019). – Title from screen.
13. With a Green Makeover, Philadelphia Is Tackling Its Stormwater Problem. – Electronic text data. – Mode of access: https://e360.yale.edu/features/with-a-green-makeover-philadelphia-tackles-its-stormwater-problem (date of accessed 01.10.2019). – Title from screen