Введение
Метод ландшафтного проектирования для снижения стока
Дождевые сады, также называемые биоретенционными сооружениями, являются одним из множества методов, предназначенных для увеличения поглощения дождевой воды почвой. Они также могут использоваться для очистки загрязненного ливневого стока. Дождевые сады – это специально спроектированные участки ландшафта, которые уменьшают скорость потока, общий объем и концентрацию загрязняющих веществ в стоке с непроницаемых городских территорий, таких как крыши, подъездные пути, тротуары, парковки и уплотненные газоны. Дождевые сады используют растения и естественную или искусственно созданную почвенную среду для удержания ливневых вод и увеличения времени задержки инфильтрации, одновременно очищая и фильтруя загрязнители, переносимые городским стоком. Дождевые сады предоставляют возможность повторного использования и оптимизации дождевой воды, снижая или устраняя необходимость в дополнительном поливе. Одним из преимуществ создания дождевых садов является сопутствующее снижение температуры воздуха и воды, что особенно эффективно в городских районах с обилием непроницаемых поверхностей, поглощающих тепло и создающих эффект теплового острова. Типичные растения для дождевых садов включают в себя прибрежную растительность водно-болотных угодий, такую как дикорастущие цветы, осоки, камыши, папоротники, кустарники и небольшие деревья. Эти растения поглощают питательные вещества и воду, поступающие в дождевой сад, и возвращают водяной пар в атмосферу посредством транспирации. Глубокие корни растений также создают дополнительные каналы для фильтрации ливневой воды в почву. Корневые системы усиливают инфильтрацию, поддерживают или даже увеличивают проницаемость почвы, обеспечивают перераспределение влаги и поддерживают разнообразие микробных популяций, участвующих в биофильтрации. Микробы помогают разлагать органические соединения (включая некоторые загрязнители) и удалять азот. Дождевые сады полезны по многим причинам: они улучшают качество воды за счет фильтрации стока, обеспечивают локальный контроль над паводками, создают эстетически привлекательные ландшафты и предоставляют возможности для разнообразной посадки. Они также способствуют сохранению дикой природы и биоразнообразия, интегрируют здания с окружающей средой экологически выгодным способом. Дождевые сады могут улучшить качество воды в близлежащих водоемах и пополнить истощенные запасы грунтовых вод. Они также уменьшают количество загрязненного стока, попадающего в ливневую канализацию, которая сбрасывается непосредственно в поверхностные воды, вызывая эрозию, загрязнение воды и наводнения. Дождевые сады также снижают потребление энергии за счет уменьшения нагрузки на традиционную инфраструктуру ливневых вод.
История
Первые дождевые сады были созданы для имитации естественных участков удержания воды, которые формировались до наступления урбанизации. Дождевые сады для частного использования были разработаны в 1990 году в округе Принц-Джордж, штат Мэриленд, когда застройщик Дик Бринкер, возводивший новый жилой комплекс, предложил заменить традиционные пруды для наилучших практик управления (BMP) зоной биоретенции. Он обратился с этой идеей к Ларри Коффману, инженеру-экологу и заместителю директора округа по программам и планированию в Департаменте природных ресурсов. Результатом стало широкое применение дождевых садов в Сомерсете – жилом комплексе, где на территории каждого дома расположен дождевой сад. Эта система оказалась весьма экономичной. Вместо системы бордюров, тротуаров и водостоков, которая обошлась бы почти в 400 000 долларов, установка посадочных дренажных канав стоила 100 000 долларов. Перенаправленная ливневая вода часто теплее, чем грунтовые воды, обычно питающие ручей, и её связывают с нарушением равновесия в некоторых водных экосистемах, главным образом из-за снижения содержания растворенного кислорода (DO). Ливневой сток также является источником широкого спектра загрязняющих веществ, смываемых с твердых или уплотненных поверхностей во время дождей. К этим загрязнителям могут относиться летучие органические соединения, пестициды, гербициды, углеводороды и микроэлементы.
Системы управления ливневыми водами
Управление ливневыми водами осуществляется в масштабе водосборных бассейнов для предотвращения негативного воздействия на качество воды в городских районах. Водосборный бассейн поддерживается за счет циклического накопления, хранения и движения грунтовых вод. Дождь, выпадающий на непроницаемые поверхности, формирует поверхностный сток, содержащий масла, бактерии и осадочные вещества, которые в конечном итоге попадают в ручьи и грунтовые воды. Даже дождевые сады с небольшой суточной способностью к инфильтрации могут оказывать положительное кумулятивное воздействие на снижение объемов городского стока. Увеличение количества проницаемых поверхностей за счет проектирования дождевых садов уменьшает объем загрязненных ливневых вод, поступающих в природные водоемы, и способствует более быстрой подпитке грунтовых вод. Кроме того, установка дождевого сада на участке с избыточным поверхностным стоком снижает нагрузку на городские системы ливневой канализации. Биоретенционный подход к очистке воды, и в частности дождевые сады в данном контексте, преследует две цели: использовать естественные процессы, происходящие в ландшафтах и почвах, для транспортировки, хранения и фильтрации ливневых вод до того, как они превратятся в сток, а также уменьшить общую площадь непроницаемых поверхностей, позволяющих формироваться загрязненному городскому стоку. Дождевые сады наиболее эффективны при взаимодействии с общей системой управления ливневыми водами. Этот комплексный подход к очистке воды называется "цепочкой управления ливневыми водами" и включает в себя все связанные методы предотвращения поверхностного стока, удержания стока для инфильтрации или испарения, временного задержания стока с последующим контролируемым выпуском, а также отвода дождевой воды от места падения к сооружениям для задержания или удержания.
Биоретензия
Концепция LID (дизайн с низким уровнем воздействия) для управления ливневыми водами основана на биоретенции: практике ландшафтного и водного проектирования, использующей химические, биологические и физические свойства почв, микроорганизмов и растений для регулирования качества и количества стока воды на территории участка.
Процесс очистки воды
Биоретенция регулирует количество ливневых вод посредством перехвата, инфильтрации, испарения и транспирации. Качество ливневых вод может контролироваться биоретенцией за счет осаждения, фильтрации, ассимиляции, адсорбции, деградации и разложения. Хотя естественная очистка воды основана на проектировании засаженных участков, ключевыми компонентами биоремедиации являются качество почвы и активность микроорганизмов. Растения поддерживают эти особенности, создавая вторичную пористость для повышения проницаемости почвы, предотвращая уплотнение почвы благодаря сложной корневой системе, обеспечивая среду обитания для микроорганизмов на поверхности корней и транспортируя кислород в почву. Дождевые сады иногда путают с биодренажами. Биодренажи имеют уклон к определенному месту, в то время как дождевые сады располагаются на ровной поверхности; однако биодренаж может заканчиваться дождевым садом как частью более крупной системы управления ливневыми водами. Дренажные канавы можно использовать как биодренажи и даже включать в них последовательность дождевых садов, что позволяет сэкономить время и средства на обслуживание. Участок сада, где почти всегда стоит вода, – это водный сад, водно-болотные угодья или пруд, а не дождевой сад. Дождевые сады также отличаются от накопительных бассейнов, где вода просачивается в грунт гораздо медленнее, в течение одного-двух дней.
Почва и дренаж
Собранная вода фильтруется через слои почвы или специально подготовленную почву, называемую субстратом. Когда почва достигает предела насыщения, избыток воды скапливается на поверхности и в конечном итоге просачивается в естественную почву ниже. Биоретенционная почвенная смесь обычно состоит из 60% песка, 20% компоста и 20% верхнего слоя почвы. Почвы с более высоким содержанием компоста демонстрируют улучшенные показатели фильтрации грунтовых и дождевых вод. Непроницаемую почву необходимо периодически удалять и заменять для обеспечения максимальной производительности и эффективности системы биоретенции. Согласно исследованию 1983 года, песчаную почву (биоретенционную смесь) нельзя смешивать с окружающей почвой, содержащей меньше песка, так как частицы глины оседают между песчинками и образуют вещество, похожее на бетон, препятствующее инфильтрации. Уплотненная дерновая почва удерживает грунтовые воды значительно хуже, чем песчаная, поскольку микропор в ней недостаточно для удержания значительного объема стока. Дождевые сады часто располагают рядом с водосточной трубой здания (с или без резервуаров для дождевой воды). Большинство дождевых садов спроектированы как конечная точка дренажной системы здания или городского участка, способная просачивать всю поступающую воду через серию слоев почвы или гравия под поверхностными посадками. Французский дренаж может использоваться для отвода части дождевой воды в место перелива во время сильных дождей. Если на участке биоретенции дополнительный сток поступает из водосточных труб крыши здания, или если существующая почва имеет скорость фильтрации более 5 дюймов в час, субстрат дождевого сада должен включать слой гравия или песка под верхним слоем почвы для компенсации возросшей инфильтрационной нагрузки.
Растительность
Типичными растениями для дождевого сада являются травянистые многолетники и злаки, которые выбираются благодаря своей пористой корневой структуре и высокой скорости роста. Обычно для дождевого сада используются растения, способные переносить как переувлажненную, так и сухую почву. Для обеспечения максимальной эффективности их необходимо поддерживать, а также учитывать совместимость с прилегающими землями. Местные и адаптированные растения часто выбирают для дождевых садов, поскольку они более устойчивы к местному климату, почве и водным условиям, имеют глубокие и разветвленные корневые системы для улучшения инфильтрации воды и засухоустойчивости, повышают ценность среды обитания, разнообразие местных экологических сообществ и общую устойчивость после приживания. Растительность с плотной и однородной глубиной корневой системы способствует поддержанию стабильной инфильтрации во всей системе биоретенции. Использование местных растений может иметь свои недостатки, включая ограниченную доступность некоторых видов, позднее начало вегетации весной, короткий период цветения и относительно медленное укоренение. Важно высаживать широкий спектр видов, чтобы дождевой сад был функционален при любых климатических условиях. В течение всего периода функционирования сада вероятно возникновение градиента влажности, поэтому желательно наличие засухоустойчивых растений. При выборе растений для дождевого сада следует учитывать четыре категории влагоустойчивости вегетативных видов. Почва, постоянно насыщенная водой с длительными периодами застоя, относится к категории болот и низин. Влажная почва всегда слегка влажная, и растения, процветающие в этой категории, могут переносить продолжительные периоды затопления. Мезическая почва не слишком влажная и не слишком сухая, растения, предпочитающие эту категорию, могут переносить кратковременные затопления. Национальный научный фонд, Агентство по охране окружающей среды США и ряд исследовательских институтов в настоящее время изучают влияние обогащения дождевых садов материалами, способными улавливать или химически преобразовывать загрязняющие вещества в безвредные соединения. Основная задача при проектировании дождевых садов – прогнозирование типов загрязняющих веществ и допустимых нагрузок, которые фильтрационная система дождевого сада может обработать во время сильных ливневых событий. Загрязнители могут включать органические вещества, такие как животные отходы и разливы нефти, а также неорганические вещества, такие как тяжелые металлы и питательные вещества из удобрений. Известно, что эти загрязнители вызывают чрезмерный рост растений и водорослей при попадании в ручьи и реки. Прогнозирование нагрузки загрязняющих веществ особенно сложно, когда ливень следует за длительным периодом засухи. Первичные ливневые стоки часто сильно загрязнены накопленными загрязнителями за период засухи. Ранее проектировщики дождевых садов уделяли внимание поиску устойчивых местных растений и обеспечению адекватной биофильтрации, но в последнее время стали добавлять в фильтрующие слои среды, специально предназначенные для химического восстановления окислительно-восстановительного потенциала поступающих потоков загрязняющих веществ. Некоторые виды растений очень эффективно накапливают минеральные питательные вещества, которые высвобождаются только после отмирания и разложения растения. Другие виды способны поглощать загрязнители тяжелыми металлами. Удаление этих растений вместе с обрезками в конце вегетационного периода полностью устраняет эти загрязнители. Этот процесс очистки загрязненных почв и ливневых вод называется фиторемедиацией. База данных Melbourne Water содержит информацию о проектах "Умный городской дизайн", включая 57 тематических исследований, касающихся дождевых садов и систем биоретенции. Melbourne Water – это государственное агентство штата Виктория, ответственное за управление водосборными бассейнами Мельбурна. Water By Design – это программа по развитию потенциала, поддерживающая внедрение принципов "Умного городского дизайна", включая дождевые сады, в Юго-Восточном Квинсленде. Она была создана Партнерством по охране водных ресурсов Юго-Восточного Квинсленда в 2005 году как неотъемлемая часть стратегии по охране водных ресурсов SEQ.
Соединенные Штаты
Кампания «12 000 дождевых садов для Пьюджет-Саунд» координирует усилия по созданию 12 000 дождевых садов в бассейне Пьюджет-Саунд в Западном Вашингтоне к 2016 году. На веб-сайте «12 000 дождевых садов» представлена информация и ресурсы для широкой общественности, специалистов по ландшафтному дизайну, сотрудников муниципалитетов и лиц, принимающих решения. Предоставляя доступ к лучшим современным рекомендациям, удобным материалам и сети обученных «Наставников дождевых садов» – специалистов по садоводству, эта кампания стремится улавливать и очищать более 200 миллионов галлонов загрязненного стока ежегодно, тем самым значительно улучшая качество воды Пьюджет-Саунд. В Мейплвуде, штат Миннесота, внедрена политика, поощряющая жителей устанавливать дождевые сады. Во многих районах к каждому участку были добавлены дренажные канавы, но установка сада в канаве была добровольной. Проект осуществлялся в партнерстве между городом Мейплвуд, кафедрой ландшафтной архитектуры Университета Миннесоты и окружным водохозяйственным управлением Рамси-Вашингтон-Метро. Была проведена фокус-группа с жителями, результаты которой были опубликованы, чтобы другие сообщества могли использовать их в качестве ресурса при планировании собственных проектов по созданию дождевых садов. Некоторые местные органы власти предлагают гранты жителям на установку дождевых садов. В округе Дакота, штат Миннесота, окружной отдел по охране почв и водных ресурсов предлагает гранты в размере 250 долларов и техническую помощь в рамках своей программы «Ландшафтный дизайн для чистой воды», чтобы стимулировать жителей к установке дождевых садов на своих участках. В Сиэтле в 2003 году был построен прототипный проект, использованный для разработки плана для всего города. Проект, названный SEA Street (Street Edge Alternatives), представлял собой радикальную реконструкцию жилой улицы. Улица была изменена с типичной прямой трассы на плавную кривую, ее ширина была уменьшена, а вдоль большей части ее длины были размещены большие дождевые сады. Площадь непроницаемых поверхностей на этой улице на 11% меньше, чем на обычной улице. На этом участке дороги протяженностью в три квартала растет 100 вечнозеленых деревьев и 1100 кустарников, и двухлетнее исследование показало, что объем ливневых вод, покидающих улицу, сократился на 99%. «10 000 дождевых садов» – это общественная инициатива в районе Канзас-Сити, штат Миссури. Владельцам недвижимости предлагается создавать дождевые сады с конечной целью – 10 000 индивидуальных садов. West Michigan Environmental Action Council создала Rain Gardens of West Michigan как программу по охране качества воды в Гранд-Рапидс, штат Мичиган. Также в Мичигане, Southeastern Oakland County Water Authority опубликовала брошюру, чтобы побудить жителей добавить дождевые сады в свои ландшафты для улучшения качества воды в бассейне реки Руж. В округе Уоштенау домовладельцы могут стать волонтерами в программе «Дождевые сады» Комиссара по водным ресурсам, в рамках которой волонтеры ежегодно отбираются для бесплатного профессионального ландшафтного проектирования. Домовладельцы сами строят сады и оплачивают материалы для озеленения. Фотографии садов, а также проектная документация и расчеты дренажа доступны в Интернете. Офис Комиссара по водным ресурсам округа Уоштенау также ежегодно проводит очные и онлайн-курсы для «Мастеров дождевых садов», чтобы помочь заинтересованным лицам в проектировании, строительстве и уходе за дождевыми садами. В Портленде, штат Орегон, была создана программа «Вознаграждение за чистую реку», чтобы побудить жителей отключать водосточные трубы от городской системы комбинированной канализации и создавать дождевые сады. Предлагаются семинары, скидки на оплату ливневых стоков и веб-ресурсы. В штате Делавэр несколько дождевых садов было создано благодаря работе Агентства водных ресурсов Университета Делавэра и экологических организаций, таких как Appoquinimink River Association. В Нью-Джерси программа расширения водных ресурсов Ратгерс установила более 125 демонстрационных дождевых садов в пригородных и городских районах. Программа водных ресурсов начала уделять особое внимание использованию дождевых садов в качестве зеленой инфраструктуры в городских районах, таких как Камден и Ньюарк, чтобы помочь предотвратить локальные наводнения, переполнение комбинированной канализации и улучшить качество воды. Программа водных ресурсов также пересмотрела и выпустила руководство по созданию дождевых садов в сотрудничестве с Native Plant Society of New Jersey. По данным Департамента охраны окружающей среды штата Массачусетс, дождевые сады могут удалять 90% взвешенных твердых частиц, 50% азота и 90% фосфора. Большая часть стока с территории кампуса Университета Мэриленда, являющегося членом партнерства по восстановлению бассейна реки Анакостия, попадает в реку Анакостия, впадающую в Чесапикский залив. Исследования показывают, что дождевые сады являются очень эффективным методом улавливания и фильтрации воды, что побуждает другие сообщества в бассейне Чесапикского залива внедрять дождевые сады. Исследования Дэвиса показали, что дождевые сады способствуют улавливанию и биодеградации загрязняющих веществ, таких как взвешенные твердые частицы, бактерии, металлы, масло и жир. Анализ качества воды, проведенный в Университете Мэриленда, показал значительное повышение прозрачности воды после фильтрации через дождевые сады. В Центре для маленьких детей (CYC) при Университете Мэриленда есть дождевой сад, спроектированный студентами кафедры растениеводства и ландшафтной архитектуры. Этот дождевой сад позволяет преподавателям CYC обучать будущих студентов принципам устойчивого развития.
Китай
В Технологическом университете Сианя (Китай) был построен дождевой сад для наблюдения и изучения в течение четырех лет. Это исследование показало, что за четыре года в Сиане произошло 28 сильных ливневых событий. В ходе этих 28 ливней дождевой сад смог удержать осадки от большинства из них. Только 5 ливней вызвали переполнение дождевого сада. Дождевые сады в этом умеренно влажном лессовом регионе Сианя (Китай) относятся к технологиям управления ливневыми водами с минимальным воздействием (LID).