Введение

Сбор дождевой воды для повторного использования

Сбор дождевой воды (RWH) – это сбор и хранение дождевой воды, а не ее сток. Дождевая вода собирается с поверхностей, подобных крышам, и направляется в резервуар, цистерну, глубокую яму (колодец, шахту или скважину), водоносный горизонт или водоем с просачиванием, чтобы она проникала в почву и пополняла запасы подземных вод. Росу и туман также можно собирать с помощью сетей или других приспособлений. Сбор дождевой воды отличается от сбора ливневых вод тем, что сток обычно собирается с крыш и других площадей для хранения и последующего повторного использования. Области применения включают полив садов, поение скота, орошение, бытовое использование после соответствующей очистки и отопление помещений. Собранная вода также может быть направлена на долгосрочное хранение или пополнение запасов подземных вод. Сбор дождевой воды – один из самых простых и древних способов обеспечения водой для домохозяйств, который используется в Южной Азии и других странах на протяжении многих тысяч лет. Установки могут быть спроектированы для различных масштабов, включая отдельные дома, районы и населенные пункты, а также для обслуживания учреждений, таких как школы, больницы и другие общественные объекты.

Домашнее использование

Сбор дождевой воды с крыш используется для обеспечения питьевой водой, водой для бытовых нужд, водой для скота, для небольшого орошения и для пополнения запасов подземных вод.

Сельское хозяйство

Что касается городского сельского хозяйства, сбор дождевой воды в городских районах снижает воздействие стока и наводнений. Сочетание городских "зеленых" крыш с системами сбора дождевой воды позволяет снизить температуру зданий более чем на 1,3 градуса Цельсия. Сбор дождевой воды в сочетании с городским сельским хозяйством является эффективным способом достижения Целей устойчивого развития Организации Объединенных Наций, касающихся чистых и устойчивых городов, здоровья и благополучия, а также продовольственной и водной безопасности (Цель устойчивого развития № 6). Технология доступна, однако ее необходимо усовершенствовать для более эффективного использования воды, особенно в городских условиях. В Кении уже успешно собирают дождевую воду для использования в туалетах, для стирки и орошения. С момента принятия в стране Закона о воде в 2016 году, Кения уделяет приоритетное внимание регулированию своей сельскохозяйственной отрасли. Кроме того, в некоторых регионах Австралии дождевую воду используют для приготовления пищи и питья. Многие страны, особенно в засушливых регионах, используют сбор дождевой воды как дешевый и надежный источник чистой воды. Для повышения эффективности орошения в засушливых условиях строят земляные валы для улавливания и удержания дождевой воды, предотвращая ее стекание с холмов и склонов. Даже в периоды небольшого количества осадков собирается достаточно воды для выращивания сельскохозяйственных культур. Воду можно собирать с крыш, а также строить плотины и пруды для хранения больших объемов дождевой воды, чтобы даже в дни с небольшим количеством осадков или их отсутствием хватало воды для орошения.

Промышленность

В аэропорту Франкфурта установлена самая большая в Германии система сбора дождевой воды. Эта система позволяет экономить около 1 миллиона кубических метров воды в год. Стоимость системы в 1993 году составила 1,5 миллиона немецких марок (63 000 долларов США). Система собирает воду с крыш нового терминала площадью 26 800 квадратных метров. Вода накапливается в подвале аэропорта в шести резервуарах общей емкостью 600 кубических метров (по 100 кубических метров каждый). В основном вода используется для смыва в туалетах, полива растений и очистки системы кондиционирования воздуха. Технология сбора дождевой воды была внедрена на Велодроме Олимпийского парка в Лондоне с целью повышения экологической устойчивости объекта. По оценкам, потребность парка в питьевой воде снизилась на 73%. Однако было признано, что использование сбора дождевой воды для повышения устойчивости менее эффективно с финансовой точки зрения, чем программа рециркуляции сточных вод парка.

Технологии

Традиционно управление ливневыми стоками с использованием накопительных бассейнов преследовало единственную цель. Однако оптимизированное управление в режиме реального времени позволяет этой инфраструктуре выполнять функцию сбора дождевой воды, не снижая при этом существующей емкости для удержания. Это было применено в штаб-квартире EPA для откачки накопленной воды перед началом штормовых явлений, что позволяет снизить объем стоков во время дождливой погоды и одновременно обеспечить наличие воды для последующего повторного использования. Это способствует улучшению качества сбрасываемой воды и уменьшению объема стоков во время событий переполнения комбинированной канализации. Как правило, для повышения инфильтрации поверхностных вод в подпочвенные слои через ручьи возводятся поперечные запруды. Интенсивность инфильтрации воды в зоне затопления запруды можно искусственно многократно увеличить, рыхля подпочвенные слои и используя взрывчатые вещества ANFO, применяемые в открытых горных работах. Таким образом, местные водоносные горизонты могут быть быстро пополнены за счет использования доступных поверхностных вод для нужд сухого сезона.

Настройка системы

Системы сбора дождевой воды могут различаться по сложности – от систем, которые можно установить, обладая минимальными навыками, до автоматизированных систем, требующих продвинутой настройки и монтажа. Базовая система сбора дождевой воды представляет собой скорее сантехническую работу, чем техническую, поскольку все водостоки с террасы здания соединяются трубой с подземным резервуаром для хранения воды. В таких системах обычно устанавливаются общие компоненты, такие как предварительные фильтры (например, вихревой фильтр), водосточные желоба, емкости для хранения, а также, в зависимости от того, является ли система напорной, насосы и устройства для обработки воды, такие как ультрафиолетовые лампы, хлораторы и оборудование для последующей фильтрации. Размер систем должен быть оптимальным для удовлетворения потребности в воде на протяжении сухого сезона, поскольку резервуар должен быть достаточно вместительным для обеспечения ежедневного потребления. В частности, площадь сбора дождевой воды, например крыша здания, должна быть достаточно большой для поддержания адекватного потока воды. Объем резервуара для хранения воды должен быть достаточным для вмещения собранной воды. Для простых систем используются различные низкотехнологичные методы сбора дождевой воды: системы сбора с крыш, сбор поверхностных вод, а также перекачивание дождевой воды, которая уже впиталась в землю или собрана в водоемах, и хранение ее в резервуарах (цистернах).

Сбор дождевой воды в пресноводных лесах

Сбор дождевой воды возможен благодаря созданию пресноводных затопляемых лесов, не приводящему к потере дохода от используемых затопленных земель. Основная цель сбора дождевой воды – использование местных ресурсов дождевой воды для обеспечения водоснабжения круглый год без значительных капитальных вложений. Это обеспечит доступность чистой воды для бытовых, промышленных и сельскохозяйственных нужд.

Сбор дождевой воды с помощью солнечных панелей

Хороший водный ресурс, расположенный вблизи населенных пунктов, становится дефицитным и дорогостоящим для потребителей. Наряду с солнечной и ветровой энергией, дождевая вода является основным возобновляемым ресурсом на любой территории. Ежегодно во всех частях мира огромные площади покрываются солнечными фотоэлектрическими панелями. Эти панели также могут использоваться для сбора большей части дождевой воды, а благодаря низкой солености дождевой воды, простая фильтрация и дезинфекция позволяют получать питьевую воду, свободную от бактерий и взвешенных частиц. Использование дождевой воды для производства продукции с добавленной стоимостью, например, бутилированной питьевой воды, делает солнечные электростанции прибыльными даже в регионах с высокой влажностью и облачностью, за счет дополнительного дохода от производства питьевой воды. Недавно было установлено, что экономически эффективный сбор дождевой воды в существующих колодцах значительно повышает уровень грунтовых вод в Индии.

Другие инновации

Вместо использования крыши для сбора воды, RainSaucer, выглядящий как перевернутый зонт, собирает дождевую воду непосредственно из атмосферы. Это снижает риск загрязнения и делает RainSaucer перспективным решением для получения питьевой воды в развивающихся странах. Другие области применения этого автономного метода сбора дождевой воды включают устойчивое садоводство и выращивание на небольших участках. Также полезным для выращивания деревьев, используя собранную и сохраненную росу и дождевую воду, является голландское изобретение под названием Groasis Waterboxx.

Преимущества

Сбор дождевой воды обеспечивает независимое водоснабжение во время региональных ограничений на водопользование, а в развитых странах часто используется для дополнения основного водоснабжения. Он предоставляет воду в периоды засухи, может способствовать смягчению подтоплений низменных территорий и снижает нагрузку на скважины, что может помочь поддерживать уровень грунтовых вод. Сбор дождевой воды повышает доступность воды в засушливые сезоны, восполняя уровень пересохших скважин и колодцев. Поверхностные воды становятся более доступными для различных нужд, что уменьшает зависимость от подземных вод. Он улучшает качество почвы, снижая её засоленность. Это экологически чистое решение, не вызывающее загрязнения. Оно экономически выгодно и доступно по цене. Также способствует обеспечению питьевой водой, поскольку дождевая вода практически не содержит солей и других минеральных веществ. Применение систем сбора дождевой воды в городской инфраструктуре приносит значительную пользу как системам водоснабжения, так и системам канализации, уменьшая потребность в чистой воде в водораспределительных сетях, сокращая объем ливневых стоков в канализационных системах и снижая загрязнение водоемов поверхностным стоком. Значительный объем исследований посвящен разработке оценки жизненного цикла и методик ее расчета для определения уровня воздействия на окружающую среду и экономической выгоды от внедрения систем сбора дождевой воды.

Дополнительная помощь в засушливые времена

Когда наступает засуха, можно использовать дождевую воду, собранную в предыдущие месяцы. Если дожди редки и при этом непредсказуемы, использование системы сбора дождевой воды может оказаться жизненно важным для улавливания осадков, когда они все же выпадают. Многие страны с засушливым климатом используют сбор дождевой воды как дешевый и надежный источник чистой воды. Для повышения эффективности орошения в засушливых районах создают земляные валы, чтобы удерживать дождевую воду и предотвращать ее стекание по склонам. Даже в периоды небольшого количества осадков собирается достаточно воды для выращивания сельскохозяйственных культур. Воду можно собирать с крыш, а для хранения больших объемов дождевой воды можно строить резервуары. Кроме того, сбор дождевой воды снижает потребность в воде из скважин, способствуя поддержанию, а не истощению уровня грунтовых вод.

Оценка жизненного цикла

Оценка жизненного цикла – это методология, используемая для оценки воздействия системы на окружающую среду на протяжении всего её жизненного цикла, от производства до утилизации. Devkota et al. разработали такую методологию для сбора дождевой воды и обнаружили, что конструкция здания (например, размеры) и его назначение (например, образовательное, жилое и т.д.) играют критически важную роль в экологической эффективности системы. Для учета функциональных параметров систем сбора дождевой воды был разработан новый показатель – отношение потребности к обеспечению (D/S), который определяет оптимальную конструкцию здания (обеспечение) и назначение (потребность) с точки зрения экологической эффективности сбора дождевой воды для смыва туалетов. Исходя из того, что использование дождевой воды позволяет не только экономить питьевую воду, но и сократить объем дождевых стоков, поступающих в комбинированную канализационную сеть (и, следовательно, требующих очистки), сокращение выбросов в окружающую среду было более значительным для зданий, подключенных к комбинированной канализационной сети, по сравнению с раздельной. Ряд исследований показывают, что сбор дождевой воды является широко применимым решением для преодоления дефицита воды и других целей, благодаря своей экономичности и экологичности. Строительство новых крупных централизованных систем водоснабжения, таких как плотины, может нанести ущерб местным экосистемам, повлечь за собой внешние социальные издержки и иметь ограниченное применение, особенно в развивающихся странах или малообеспеченных сообществах. С другой стороны, установка систем сбора дождевой воды, согласно ряду исследований, обеспечивает местные сообщества устойчивым источником воды, а также предоставляет другие преимущества, включая защиту от наводнений и контроль поверхностного стока, даже в бедных регионах. Системы сбора дождевой воды, не требующие масштабного строительства или регулярного обслуживания специалистами извне, более экологичны и с большей вероятностью принесут пользу местному населению в долгосрочной перспективе.

Ограничения

Сбор дождевой воды – широко распространенный метод хранения дождевой воды в странах, подверженных засухам. Ряд исследований разработал различные критерии и методы для выбора подходящих мест для сбора дождевой воды. Некоторые исследования выявили и выбрали подходящие участки для потенциального строительства плотин, а также создали конструктор моделей в ArcMap 10.4.1. Эта модель объединяла несколько параметров, таких как уклон, потенциал поверхностного стока, тип землепользования, порядок водотоков, качество почвы и гидрологические характеристики для определения пригодности участка для сбора дождевой воды. Количество воды, собираемой системами сбора дождевой воды, может быть незначительным при осадках ниже среднего в засушливых городских регионах, таких как Ближний Восток. Сбор дождевой воды полезен для развивающихся регионов, так как позволяет собирать воду для орошения и бытовых нужд. Однако собранную воду необходимо тщательно фильтровать для обеспечения безопасности питья.

Качество воды

Дождевую воду необходимо надлежащим образом анализировать и использовать с учетом ее безопасности. Например, в провинции Ганьсу применяется солнечная дезинфекция воды путем кипячения собранной дождевой воды в параболических солнечных концентраторах перед использованием для питья. Эти так называемые "подходящие технологии" обеспечивают недорогие варианты дезинфекции для очистки дождевой воды, предназначенной для питья. Хотя сама дождевая вода является чистым источником воды, часто более чистым, чем подземные воды или вода из рек и озер, процесс сбора и хранения часто приводит к загрязнению воды и делает ее непригодной для питья. Дождевая вода, собираемая с крыш, может содержать фекалии людей, животных и птиц, мхи и лишайники, пыль, переносимую ветром, частицы городского загрязнения, пестициды и неорганические ионы из моря (Ca, Mg, Na, K, Cl, SO4), а также растворенные газы (CO2, NOx, SOx). В дождевой воде в Европе обнаружены высокие уровни пестицидов, при этом максимальная концентрация приходится на первый дождь после засушливого периода; концентрация этих и других загрязняющих веществ значительно снижается путем отвода первоначального потока стока в отходы. Улучшение качества воды также можно получить, используя плавающий заборный механизм (вместо забора с дна резервуара) и систему последовательных резервуаров, забирая воду из последнего в цепочке. Предварительная фильтрация является распространенной практикой в отрасли для поддержания работоспособности системы и обеспечения поступления в резервуар воды, свободной от крупных взвешенных частиц. Институтом сельскохозяйственных исследований Нимбкар разработана концепция сбора дождевой воды и ее очистки с использованием солнечной энергии для питьевых нужд сельских домохозяйств. В идеале, система водоснабжения должна соответствовать качеству воды потребностям конечного пользователя. Однако в большинстве развитых стран высококачественная питьевая вода используется для всех нужд. Такой подход приводит к пустой трате денег и энергии и оказывает ненужное воздействие на окружающую среду. Подача дождевой воды, прошедшей предварительную фильтрацию, для непитьевых нужд, таких как смыв туалетов, орошение и стирка, может быть важной частью стратегии устойчивого управления водными ресурсами. Резервуары для сбора дождевой воды также могут служить средой обитания для комаров, переносящих патогены. Поэтому необходимо принять меры для предотвращения доступа самок комаров к резервуару для откладывания яиц. В резервуар можно добавить рыбу, поедающую личинок, или провести химическую обработку.

Исследования

Южноафриканская комиссия по водным исследованиям поддерживает исследования в области сбора дождевой воды. Исследования, проведенные в засушливых, полузасушливых и влажных регионах, подтвердили эффективность таких методов, как мульчирование, создание углублений, формирование гребней и модификация водосборных участков для мелкомасштабного производства сельскохозяйственных культур. Гидроразрыв пласта регулярно используется для повышения эффективности водяных скважин. С 1990 по 1992 год гидроразрывом было обработано 170 скважин.

Индия

Водоснабжение и санитария в Индии#Сбор дождевой водыХотя сбор дождевой воды в городских условиях стал набирать популярность в последние годы, имеются свидетельства того, что сбор дождевой воды в сельской Индии практиковался с древнейших времен.

Другие страны

Уганда: Сбор дождевой воды в Уганде используется для повышения водообеспеченности домохозяйств и населенных пунктов на протяжении многих лет. Регулярное техническое обслуживание существующих установок остается постоянной проблемой, и существует множество примеров установок, вышедших из строя из-за недостаточного ухода. Исследования также показали, что осведомленность о сборе дождевой воды и доступ к необходимым ресурсам для его реализации различается в угандийском обществе. В 1980-х годах правительство активно продвигало сбор дождевой воды. В 1990-х годах, после прекращения государственного финансирования резервуаров, частный сектор включился в процесс и предоставил несколько миллионов резервуаров частным домохозяйствам, многие из которых до сих пор используются. Это один из самых масштабных примеров самостоятельного водоснабжения в мире. На Бермудских островах закон требует, чтобы при новом строительстве предусматривался сбор дождевой воды в количестве, достаточном для обеспечения нужд жителей. В Новой Зеландии на западе и юге страны выпадает много осадков, и сбор дождевой воды является обычной практикой во многих сельских районах: вода с крыш направляется по водостокам в закрытые резервуары емкостью 1000 литров, что поощряется большинством местных советов. На Шри-Ланке сбор дождевой воды – популярный метод получения воды для сельского хозяйства и питья в сельских домах. Законодательство, направленное на стимулирование сбора дождевой воды, было принято в соответствии с Законом о городском развитии (поправка) № 36 от 2007 года. Ланкийский форум по сбору дождевой воды координирует эту инициативу на Шри-Ланке. См. также: Каскадная система резервуаров.

История

Строительство и использование цистерн для хранения дождевой воды можно проследить до эпохи неолита, когда водонепроницаемые цистерны из известковой штукатурки строили на полу домов в поселениях Леванта – обширной области в Юго-Западной Азии, к югу от гор Тавра, ограниченной Средиземным морем на западе, Аравийской пустыней на юге и Месопотамией на востоке. К концу 4000 г. до н.э. цистерны стали важным элементом развивающихся методов управления водными ресурсами, используемых в земледелии на сухих землях. Многие древние цистерны были обнаружены в некоторых районах Иерусалима и на территории современной Израиля и Палестины. На месте, которое некоторые считают библейским городом Ай (Хирбет-эт-Телль), была обнаружена большая цистерна, датируемая примерно 2500 г. до н.э., вместимостью около [укажите вместимость, если она есть в оригинале]. Она была вырезана в цельной скале, облицована большими камнями и запечатана глиной для предотвращения утечек. Сбор дождевой воды практиковали и цари Чола. Дождевая вода из храма Брихадеесвара (расположенного в Балаганапати Нагар, Танджавур, Индия) собиралась в резервуаре Шиваганга. В поздний период правления Чола в районе Куддалор в Тамилнаде был построен резервуар Виранама (1011–1037 гг. н.э.) для хранения воды для питья и орошения. Виранама – это резервуар длиной 16 км с объемом хранения [укажите объем, если он есть в оригинале]. Сбор дождевой воды был распространен и в Римской империи. Хотя римские акведуки хорошо известны, римские цистерны также широко использовались, и их строительство расширялось вместе с Империей. Эта традиция продолжилась в Византийской империи, например, цистерна Базилика в Стамбуле. Мало кто знает, но на протяжении веков город Венеция зависел от сбора дождевой воды. Лагуна, окружающая Венецию, содержит солоноватую воду, непригодную для питья. Древние жители Венеции создали систему сбора дождевой воды, основанную на искусственных изолированных сборных колодцах. Вода просачивалась через специально разработанное каменное покрытие, фильтровалась слоем песка и затем собиралась на дне колодца. Позже, когда Венеция приобрела территории на материке, она начала импортировать воду по рекам на лодках, но колодцы продолжали использоваться и были особенно важны во время войны, когда доступ к воде с материка мог быть перекрыт противником.