Инструменты управления водными стоками: как победить городские лужи и озеленить город

Города по мере развития и роста все сильнее страдают от луж размером с океан. В период сильных осадков улицы становятся реками: они не соединяют точки притяжения, а наоборот, разделяют их. В результате горожане не могут полноценно пользоваться городским пространством. Для маленьких детей, пожилых и маломобильных это особенно критично. В данной статье разберемся в причинах происходящего, как и какие экологичные инструменты помогут решить проблему подтопления городских пространств.

Причины подтопления: изменение климата и запечатанные поверхности

В последнее время в городах и во всем мире заметно меняется климат (Рамочная конвенция ООН об изменении климата, РКИК, 1994 г.). Ввиду глобальных климатических процессов и усиливающегося городского теплового острова, осадки становятся обильнее, продолжительнее и превышают в разы мощности городской ливневой канализации. В городе температура воздуха выше, чем в природных зонах за счет повышенного выброса тепловой энергии от производств, процесса строительства, движения транспорта. Выбросы тепла и загрязняющих частиц застаиваются в воздухе и вызывают дополнительные сильные ливни; в некоторых городах количество осадком может увеличиваться до 50%[1].

Эффект городского теплового острова усиливают непроницаемые поверхности, которые нагреваются на солнце и отдают тепловую энергию обратно в атмосферу, а также не впитывают водный сток.

Городская среда по большей степени состоит из непроницаемых поверхностей: асфальтового покрытия улиц и дорог, металлических кровель крыш домов, каменного мощения на площадях, каменных набережных рек. На таких поверхностях вода не впитывается, и чем больше становится непроницаемых покрытий, тем сильнее нагрузка на участки газонов и ливневую канализацию. В основном лужи образуются из-за того, что система городской ливневой канализации не справляется с объемом водного стока, часто засоряется и не работает. Во многих городах России «ливневка» в принципе отсутствует, и сток сильно загрязняет землю водой, наполненной нефтепродуктами, частицами металлов и другими тяжелыми веществами. В результате ухудшается состояние городских почв, их плодородие и способность впитывать воду. В результате меньше растений приживаются в «бедной земле», и больше затрат уходит на озеленение города. Зачастую траты объясняют нежелание девелоперов и городских властей заниматься озеленением.

Ввиду усиливающихся объемов осадков, в городах необходимо улучшить существующую инфраструктуру сбора поверхностного стока. Однако, важно не просто увеличивать емкость дождеприемных колодцев, лотков и труб, а развивать инженерную инфраструктуру комплексно и внедрять в нее озеленение и природные элементы, для улучшения адаптивности городской среды к изменениям климата.

Решение: система управления водными стоками

Проблемы загрязнение грунта и вод поверхностным стоком, подтопление и «перегрев» городских открытых пространств можно минимизировать внедрением инфраструктуры управления водными стоками. Это комплекс экологичных инженерных решений для сбора и очистки сточной воды. Открытый грунт и растения не только быстро впитывают поверхностный сток, но и минимизируют городской остров тепла. Растения испаряют воду и таким образом забирают часть тепловой энергии в атмосфере. Дополнительно открытые участки воды охлаждают воздух.

Ведь зачастую во время сильных осадков ливневая канализация не справляется и улицы выглядят вот так:

Открытые канавы с травами и камушками или дождевые сады с цветами – все это природа в городе, которая делает его более комфортным для жизни человека и животного.

Природные инженерные решения по сбору дождевой воды – это эффективное озеленение улиц, так как они выполняют больше функций, чем обычное озеленение, и может работать в комплексе с «серой» системой сбора дождевого стока.

Как правильно внедрить систему управления водным стоком?

Для того, чтобы внедрить эту систему, городское пространство нужно рассматривать как систему ярусов-водосборов. Все уровни взаимосвязаны и кросс-масштабны. Масштаб зависит от площади проектной или рассматриваемой территории. Например, в масштабе города, верхним уровнем будут вершины за городом, с которых течет вода в город. В масштабе здания - крыша дома.

Водный сток в городе делится на три уровня:

Падая с неба, вода с верхнего уровня течет в средний, а потом в нижний. На нижнем и среднем уровне образуются поверхностные подтопления, если на предыдущих вода не впитывается и быстро течет вниз. Нижний водосбор в наибольшей опасности загрязнения, ведь на него стекает вода с верхнего и среднего уровней, падает с неба, а также на поверхность могут выйти грунтовые воды.

Инструменты управления водными стоками применяются на каждом уровне и призваны решить задачу каждого уровня.

С этим справятся цветники, система сбора водных стоков с крыш, дождевые сады и понижения в рельефе.

Система сбора водных стоков с крыш

Воду с крыш можно собирать в баки и дальше использовать для полива и других технических нужд. Эта утилитарная функция может быть интересно и функционально обыграна в ландшафте. Например, как скульптура или фонтан.

Понижения в рельефе

Это временные хранилища для воды в период сильных осадков и штормов. После шторма вода постепенно впитывается в грунт, а может дальше попадать в канализацию. Такие «временные озера» – простой и эстетичный способов контролировать и удерживать сток.

Контейнеры с растительностью

Они отлично впитывают воду и превращают крышу дома в террасу для отдыха.

Дождевые сады

Это углубление в рельефе в виде клумбы с влаголюбивыми растениями и камнями. Дождевой сад - это не просто цветник, а инженерная конструкция с пирогом из дренажа, грунта, геотекстиля и перфорированной трубы. Вода постепенно очищается, просачиваясь через все слои пирога, и попадает в перфорированную трубу. Из трубы очищенная вода вытекает в реку или на нижний водосбор. Дождевые сады часто используются на улицах и могут иметь вид цветника или каменного сада.

За счет растений вода успевает впитаться в грунт, а скорость стока замедляется. В противном случае вода быстро стекает в нижний уровень и загрязняет его. Основной инструмент на среднем водосборе – система удерживающих болот. Дополнительно можно использовать открытые каналы с удерживающими дамбочками или петляющим руслом, а также дренажные фильтры.

Открытые каналы

Каналы с гравием или травой транспортируют воду в дождевой сад или ливневую канализацию, задерживая крупный мусор. Каналы могут иметь петляющий характер или дамбочки для снижения скорости стока.

Дренажные фильтры

Фильтры первично очищают воду от крупных загрязнителей и впитывают ее. Обычно фильтры нужны в местах, где достаточное количество проницаемых поверхностей для впитывания воды, и нужна только первичная очистка. Такие конструкции стоит располагать вдоль асфальтированных дорожек в парках. В рекреационных пространствах дренажные фильтры могут быть частью игровой зоны.

Инструменты зависят от типа водосбора и степени загрязненности пространства. Это могут быть водные растения, растительные плавающие фильтры или система фильтрационных болот.

Водная растительность

Предположим, что водосбор – это река, а вода течет с пешеходной набережной, где источников сильного загрязнения нет: автомобильных парковок, магистральных улиц, производств. В таком случае в точках выпуска воды со среднего водосбора нужно только высаживать водную растительность. Растения дополнительно очищают сток перед попаданием его в реку, а также становятся домом для птиц и рыб.

Система био-болот

Во втором случае представим, что водосбор – нижняя точка рельефа, а вода течет в плотно застроенной среде по автомобильным парковкам и асфальту. В данной ситуации воду нельзя уводить в естественный водоток, так как она слишком сильно загрязнена. Ее стоит перенаправлять в ливневые очистные сооружения или в нижнем водосборе делать каскадную систему био-болот. В болотах вода постепенно очищается и только потом течет в реку. Принципиальная схема работы болот показана ниже.

Дождевые сады

Помимо болот, можно использовать дождевые сады. Например, один сад уже 5 лет функционирует в Перми. Сад – часть будущей системы дождевых садов в рамках проекта «Зеленое кольцо». За счет них планируется снизить нагрузку на ливневую канализацию и улучшить качество воды в реках и других водных объектах. Растения в дождевом саду очищают поверхностный сток, который поступает с парковки, от тяжелых металлов и нефтепродуктов. Очищенная вода дальше течет в реку. Конструкцию первого сада разработал доцент кафедры водоотведения ПНИПУ Игорь Щукин.

Опыт Перми показывает, что традиционная система сбора дождевой воды может быть успешна дополнена зелеными инструментами управления водным поверхностным стоком, адаптированными под местные климатические условия. Более того, эти решения не требуют больших средств для реализации. Дождевой сад в Перми стоил 110 000 рублей.

Все три уровня работают сообща и не могут функционировать по отдельности. Природные инженерные решения – это такая же большая система, как и ливневая канализация.

Обе системы должны работать взаимосвязано и кросс масштабно: не только на уровне земельного участка или района, а в масштабах города и даже региона. Дополнение «серой» городской инфраструктуры «зеленой» улучшает городские микроклимат и природу, позволяет минимизировать загрязнение естественных водотоков и подтопление городских пространств.

Автор статьи:

Марианна Федотова, городской планировщик МЛА+

Источники:

1. Andrew C. Chui, Alexei Gittelson, Elizabeth Sebastian, Natasha Stamler, Stuart R. Gaffin (2018) Urban heat islands and cooler infrastructure – Measuring near-surface temperatures with hand-held infrared cameras
2. CIRIA report (2015) The SuDS manual”, London
3. Conservation Advisory Council City of Newburgh (2015) Green Infrastructure Guide, New York
4. Karen Duhring – Virginia Institute of Marine Science Center for Coastal Resources Management (2012) Floating Wetlands Pilot Project: Investigating the Potential for a New Stormwater BMP
5. МЛА+ (2020) Нераскрытый зеленый Петербург