Введение

Вода, образующаяся в результате осадков и таяния снега/льда.

Ливневая вода – это вода, образующаяся от осадков (дождя, в том числе сильного), а также от талой воды града и снега. Ливневая вода может просачиваться в почву (инфильтрироваться) и становиться грунтовыми водами, накапливаться на пониженных участках местности в прудах и лужах, испаряться обратно в атмосферу или приводить к поверхностному стоку. Большая часть стока напрямую поступает в близлежащие ручьи, реки или другие крупные водоемы (болота, озера и океаны) без очистки. В естественных ландшафтах, таких как леса, почва поглощает значительную часть ливневой воды. Растения также уменьшают объем ливневой воды, улучшая инфильтрацию, задерживая осадки и поглощая воду корнями. В застроенных районах, таких как города, нерегулируемая ливневая вода может создавать две основные проблемы: одна связана с объемом и временем стока (наводнения), а другая – с потенциальными загрязняющими веществами, которые она переносит (загрязнение воды). Помимо загрязняющих веществ, содержащихся в ливневом стоке, городской сток сам по себе признается источником загрязнения.

Ливневая вода также является важным ресурсом, особенно в условиях роста населения и спроса на воду, в частности в засушливых и подверженных засухе регионах. Методы сбора и очистки ливневой воды потенциально могут обеспечить самообеспечение некоторых городских территорий водой.

Загрязнение ливневых вод

В развитых районах, где меньше растительности и больше непроницаемых поверхностей (парковки, дороги, здания, уплотненная почва), меньше дождевой воды просачивается в грунт, и образуется больший сток, чем на незастроенных территориях. Кроме того, такие сооружения, как канавы и ливневые канализации, быстро отводят сток из коммерческих и жилых зон в близлежащие водоемы. Это значительно увеличивает объем воды в водотоках и интенсивность их сброса, что приводит к эрозии и наводнениям. Поскольку вода быстро покидает водосбор во время дождя, малое ее количество просачивается в почву, пополняя запасы грунтовых вод или поддерживая минимальный уровень воды в ручьях в сухую погоду. "Первый пролив" – это начальный сток ливневых осадков. В этот период загрязненная вода, попадающая в ливневые стоки в районах с высокой долей непроницаемых поверхностей, обычно имеет более высокую концентрацию, чем в остальное время шторма. Следовательно, высокая концентрация городского стока приводит к повышенному уровню загрязняющих веществ, сбрасываемых из ливневых канализаций в поверхностные воды. Повседневная деятельность человека приводит к накоплению загрязняющих веществ на дорогах, газонах, крышах, сельскохозяйственных полях и других наземных поверхностях. Эти загрязнители включают мусор, осадок, питательные вещества, бактерии, пестициды, металлы и нефтепродукты. Когда идет дождь или производится полив, вода стекает и в конечном итоге попадает в реки, озера или океан. Хотя некоторое ослабление этих загрязнителей происходит до попадания в водоемы-приемники, загрязненный сток содержит достаточное количество загрязняющих веществ, чтобы ухудшить качество воды в этих водоемах.

Источник загрязнения - сток ливневой воды

В дополнение к загрязняющим веществам, переносимым ливневым стоком, городской сток сам по себе признается причиной загрязнения. В естественных водосборных бассейнах поверхностный сток, поступающий в водные объекты, является относительно редким явлением, происходящим лишь несколько раз в год, как правило, после сильных дождей. До начала застройки большая часть осадков просачивалась в почву, пополняя запасы подземных вод или возвращаясь в атмосферу посредством испаропотока растительностью. Современные дренажные системы, собирающие сток с непроницаемых поверхностей (например, крыш и дорог), обеспечивают эффективный отвод воды в водные объекты по трубопроводным сетям, что означает, что даже небольшие дожди приводят к увеличению расхода воды в ручьях и реках. Помимо увеличения концентрации загрязняющих веществ из городской территории, усиленный ливневый сток может вызывать эрозию берегов, способствовать распространению сорняков и изменять естественные гидрологические режимы. Местные виды часто зависят от этих режимов для нереста, развития молоди и миграции. В ливневом стоке с дорог обнаружено наличие множества 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 и Buchberger, 1997; Westerlund и Viklander, 2006), а также других компонентов. В некоторых регионах, особенно вдоль побережья США, загрязненный сток с дорог и автомагистралей может быть основным источником загрязнения воды. Например, около 75 процентов токсичных химических веществ, попадающих в залив Пьюджет-Саунд в Сиэтле, штат Вашингтон, переносятся ливневыми водами, стекающими с асфальтированных дорог и подъездных путей, крыш, дворов и других застроенных территорий. Промышленные ливневые стоки – это сток от осадков, выпадающих на промышленных площадках (например, производственных предприятиях, шахтах, аэропортах). Этот сток часто загрязнен материалами, которые обрабатываются или хранятся на этих площадках, и деятельность предприятий регулируется для контроля сбросов.

Наводнение городов

Штормовые воды являются основной причиной городских наводнений. Городское наводнение – это затопление земли или имущества в застроенной местности, вызванное переполнением дренажных систем, таких как ливневая канализация, из-за обильных штормовых вод. Хотя городские наводнения часто вызываются отдельными событиями, такими как внезапные паводки или таяние снега, это скорее состояние, характеризующееся повторяющимися, дорогостоящими и масштабными последствиями для населения. В районах, подверженных городским наводнениям, для снижения ущерба могут устанавливаться обратные клапаны и другая инфраструктура. Если здания имеют подвалы, городское наводнение является основной причиной затопления подвалов и обратного потока в канализации. Несмотря на то, что число жертв городских наводнений обычно невелико, экономические, социальные и экологические последствия могут быть значительными: помимо прямого ущерба имуществу и инфраструктуре (дорогам, коммунальным сетям и службам), в хронически влажных домах наблюдается рост респираторных заболеваний и других болезней. Заторы в канализации часто происходят из-за санитарной канализационной системы, которая принимает часть дождевой воды из-за инфильтрации и притока.

Снижение потока из-за штормовой воды

Примером обрушения, вызванного воздействием городских ливневых стоков, является обрушение 25 февраля 2002 года на Дишман-Лейн в Боулинг-Грин, штат Кентукки, где провал грунта внезапно обрушил дорогу под четырьмя проезжающими автомобилями. Девятимесячный ремонт обрушения на Дишман-Лейн стоил миллион долларов, но сохраняется потенциал для будущих проблем. В нетронутых районах с естественным подземным (карстовым) дренажем, почва и обломки горных пород забивают карстовые полости, тем самым самоограничивая их рост. Ненарушенная карстовая дренажная система сбалансирована с климатом и способна отводить воду, образующуюся в результате большинства штормов. Однако проблемы возникают, когда ландшафт изменяется в результате городской застройки. В городских районах с естественным подземным (карстовым) дренажем отсутствуют поверхностные водотоки для стока увеличенного объема ливневых стоков с непроницаемых поверхностей, таких как крыши, парковки и улицы. Вместо этого ливневые стоки проникают в подземную дренажную систему, просачиваясь сквозь грунт. Когда подземный поток воды становится достаточно сильным, чтобы переносить почву и обломки горных пород, карстовые полости быстро увеличиваются в размерах. Термин "лучшие управленческие практики" (BMP) или "мероприятия по управлению ливневыми стоками" (SCM) часто используется для обозначения как конструктивных или инженерных средств и систем управления (например, водоудерживающих прудов) для очистки или хранения загрязненных ливневых стоков, так и оперативных или процедурных методов (например, подметания улиц). Управление ливневыми стоками включает в себя как технические, так и институциональные аспекты.

Интегрированное управление водными ресурсами

Интегрированное управление водными ресурсами (IWM) обладает потенциалом для решения многих проблем, влияющих на здоровье водных объектов и вызывающих трудности с водоснабжением в современных городах. IWM часто ассоциируется с зеленой инфраструктурой при рассмотрении в процессе проектирования. Специалисты в различных областях, такие как градостроители, архитекторы, ландшафтные архитекторы, дизайнеры интерьеров и инженеры, часто рассматривают интегрированное управление водными ресурсами как основу проектного процесса. Также известное как низковоздействующее развитие (LID) в Соединенных Штатах или Водочувствительное городское планирование (WSUD) в Австралии, IWM способно улучшить качество стока, снизить риск и последствия наводнений, а также предоставить дополнительный водный ресурс для увеличения запасов питьевой воды. Развитие современного города часто приводит к увеличению спроса на водоснабжение из-за роста населения, в то время как изменение климата и прогнозируемые изменения в характере стока могут увеличить объем ливневых вод, способствуя проблемам с дренажом и наводнениями. IWM предлагает ряд методов, включая сбор дождевой воды (для уменьшения объема воды, способной вызвать наводнение), инфильтрацию (для восстановления естественного пополнения подземных вод), биофильтрацию или биоретенцию (например, дождевые сады) для хранения и очистки стока с последующим контролируемым выпуском, чтобы снизить воздействие на ручьи, а также очистку водно-болотных угодий (для хранения и регулирования стока и обеспечения среды обитания в городских районах). Существует множество способов реализации LID. Наиболее распространенным является использование наземных решений для уменьшения стока ливневых вод посредством применения водоемов-накопителей, биодрен, инфильтрационных траншей, устойчивых покрытий (таких как проницаемое покрытие) и других, упомянутых выше. LID также может быть достигнуто за счет использования инженерных, промышленных изделий для получения аналогичных или потенциально лучших результатов по сравнению с наземными системами (подземные резервуары, системы очистки ливневых вод, биофильтры и т.д.). Оптимальное решение LID – это баланс между желаемыми результатами (контроль стока и загрязнения) и сопутствующими затратами (потеря полезной площади для наземных систем против капитальных затрат на промышленные решения). Зеленые (озелененные) крыши также являются экономичным решением. IWM как направление можно считать находящимся на ранней стадии развития и объединяющим элементы гидрологии, экологии и понимание того, что традиционные дренажные решения лишь переносят проблемы вниз по течению, нанося ущерб окружающей среде и водным ресурсам.

Федеральные требования

В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды (EPA) уполномочено регулировать ливневые стоки в соответствии с Законом о чистой воде (CWA). Целью CWA является восстановление всех "вод Соединенных Штатов" до состояния, пригодного для "рыболовства" и "купания". Сбросы из точечных источников, которые в основном поступают от муниципальных (бытовых) сточных вод и промышленных сточных вод, регулируются с момента принятия CWA в 1972 году. Нагрузки загрязняющих веществ из этих источников строго контролируются посредством выдачи разрешений Национальной системы предотвращения загрязнения (NPDES). Однако, несмотря на эти меры контроля, тысячи водоемов в США остаются классифицированными как "несоответствующие стандартам", что означает, что они содержат загрязняющие вещества на уровнях, превышающих безопасные, по мнению EPA, для предполагаемого использования воды. Значительная часть этого несоответствия вызвана загрязненным стоком, особенно в урбанизированных водосборных бассейнах (в других водосборных бассейнах США основным источником загрязнения является сельское хозяйство). Для решения общенациональной проблемы загрязнения ливневыми стоками Конгресс расширил определение CWA "точечного источника" в 1987 году, включив в него промышленные сбросы ливневых вод и муниципальные раздельные ливневые канализационные системы ("MS4"). Эти объекты обязаны получать разрешения NPDES. По состоянию на 2017 год системой разрешений регулировалось около 855 крупных муниципальных систем (обслуживающих население в 100 000 человек и более) и 6695 малых систем.

Государственные и местные требования

Агентство по охране окружающей среды уполномочило 47 штатов выдавать разрешения NPDES. Помимо реализации требований NPDES, многие штаты и местные органы власти приняли собственные законы и нормативные акты по управлению ливневыми стоками, а некоторые опубликовали руководства по проектированию систем очистки ливневых вод. Некоторые из этих требований штатов и местных органов власти расширили сферу охвата по сравнению с федеральными требованиями. Например, штат Мэриленд требует мер по контролю эрозии и отложений на строительных площадках площадью 5 000 квадратных футов (460 м²) и более. Не редкость, когда государственные органы пересматривают свои требования и возлагают их на округа и города; за неспособность изменить местные разрешения на ливневые стоки для строительных площадок, например, могут быть наложены ежедневные штрафы в размере до 25 000 долларов США.

Управление загрязнением от неточечных источников

Сельскохозяйственные стоки (за исключением крупных животноводческих комплексов, или "CAFO") классифицируются как загрязнение от рассеянных источников в соответствии с Законом о чистой воде (CWA). Они не включены в определение "точечного источника" в рамках CWA и, следовательно, не подлежат требованиям получения разрешения NPDES. Поправки к Закону о чистой воде 1987 года учредили ненормативную программу в Агентстве по охране окружающей среды (EPA) для управления загрязнением от рассеянных источников, состоящую из научно-исследовательских и демонстрационных проектов. Связанные программы, такие как Программа стимулирования экологического качества, реализуются Службой охраны природных ресурсов (NRCS) при Министерстве сельского хозяйства США.

Общественные просветительские кампании

Образование является ключевым компонентом управления ливневыми водами. Многие агентства и организации запустили кампании по обучению населения о загрязнении ливневыми стоками и о том, как каждый может внести свой вклад в решение этой проблемы. Тысячи местных органов власти в США разработали образовательные программы в соответствии с требованиями их разрешений NPDES на управление ливневыми водами. Одним из примеров местной образовательной программы является программа Совета по экологическим действиям Западного Мичигана (WMEAC), который в рамках своей кампании "15 до реки" ввел термин "Гидрогрязь" для обозначения загрязнения ливневыми стоками. (Во время дождя загрязненный сток из Гранд-Рапидса, штат Мичиган, может достичь реки Гранд всего за 15 минут.) В рамках этой деятельности осуществляется распространение дождевых бочек и предоставление материалов для домовладельцев по установке дождевых садов. Другие кампании по информированию общественности подчеркивают важность зеленой инфраструктуры для замедления и очистки ливневого стока. Управление по управлению штормовыми водами округа Дупейдж запустило информационную кампанию "Люби синий. Живи зеленым" в социальных сетях, чтобы рассказать населению о зеленой инфраструктуре и других передовых методах управления ливневым стоком. Статьи, веб-сайты, фотографии, видео и другие медиаматериалы распространяются среди населения в рамках этой кампании.

История

Инфраструктура для ливневых вод – это дорогостоящие долгосрочные инвестиции, которые сложно заменить при изменении исходных условий. В результате система со временем будет работать менее эффективно или чаще выходить из строя. Именно это происходит в регионе вокруг Европы и Балтийского моря, где системы испытывают возрастающую нагрузку из-за ускорения изменения климата, развития урбанизации и ужесточения нормативных требований. Пересмотр подходов к управлению ливневыми водами и увеличение инвестиций в соответствующую инфраструктуру необходимы для адаптации к этим быстро меняющимся обстоятельствам. Проблема ливневого стока существует с тех пор, как люди начали жить в поселениях и городах. В бронзовом веке жилые постройки стали более компактными, и непроницаемые поверхности начали учитываться при проектировании первых человеческих поселений. Одни из первых примеров инженерных решений в области управления ливневыми водами можно увидеть в Древней Греции. Конкретный пример ранней системы ливневого стока был обнаружен при археологических раскопках в минойском Фестосе на Крите.