Table of Contents
Искусственные водно-болотные угодья, также известные как построенные водно-болотные угодья, представляют собой одно из самых инновационных и эффективных решений на основе природы для решения сложных экологических проблем, стоящих перед современными городскими районами. Эти инженерные экосистемы предназначены для управления водой и загрязнением с помощью процессов, которые имитируют естественные водно-болотные угодья с использованием растений, почв и микробов для очистки сточных вод или стоков штормов. Поскольку города во всем мире борются с растущей урбанизацией, последствиями изменения климата и потерей природных экосистем, искусственные водно-болотные угодья стали многофункциональной зеленой инфраструктурой, которая обеспечивает экологические, социальные и экономические выгоды, одновременно повышая устойчивость и устойчивость городов.
Искусственные водно-болотные угодья: определение и цель
Построенные водно-болотные угодья представляют собой системы обработки, в которых используются природные процессы, включающие водно-болотную растительность, почвы и связанные с ними микробные сборки, для улучшения качества воды.В отличие от естественных водно-болотных угодий, которые образуются в результате геологических и гидрологических процессов на протяжении тысячелетий, искусственные водно-болотные угодья представляют собой целенаправленно спроектированные системы, созданные в конкретных местах для удовлетворения конкретных экологических потребностей.
Эти водно-болотные угодья целенаправленно строятся в нагорных районах для борьбы с загрязнением - местах, которые не имеют предшествующей истории водно-болотных угодий - и их успех зависит от того, чтобы быть спроектированными как гидравлические активы, а не остаточные особенности ландшафта. Это различие имеет решающее значение, поскольку оно подчеркивает, что построенные водно-болотные угодья должны быть спроектированы с той же строгостью и технической точностью, как традиционная серая инфраструктура, такая как трубы, резервуары и бассейны, чтобы обеспечить оптимальную производительность.
Технология заболоченных земель является устоявшимся экологическим многоцелевым вариантом для управления водными ресурсами и очистки сточных вод, с многочисленными эффективно проверенными приложениями по всему миру и многочисленными экологическими и экономическими преимуществами. Эти системы значительно развились из их раннего применения в сельских районах, чтобы стать сложными компонентами городской инфраструктуры, которые могут быть интегрированы в плотную столичную среду.
Эволюция построенных водно-болотных угодий в городском планировании
За последние десятилетия применение построенных водно-болотных угодий претерпело значительные изменения. До недавнего времени построенные водно-болотные угодья в основном использовались в сельских, отдаленных районах и небольших общинах для оказания услуг по очистке бытовых сточных вод. Однако последние технологические достижения позволили значительно сократить разрыв с обычными механическими технологиями в плане потребностей в земле. Это дает возможность интегрировать инженерные водно-болотные угодья в городских и пригородных районах для очистки сточных вод и контроля и управления стоком в городах, следуя децентрализованному подходу.
Растущее развитие городской инфраструктуры привело к значительной потере природных водно-болотных угодий и их экосистемных услуг. Развитие городов неизбежно привело к потере естественных водно-болотных угодий и продолжает это делать. Когда водно-болотные угодья подвергаются воздействию в целях городского развития, экосистемные услуги этих водно-болотных угодий утрачиваются. Эта потеря создала настоятельную необходимость восстановления этих важнейших функций с помощью инженерных решений, которые могут быть интегрированы в городскую ткань.
Эти системы могут функционировать в качестве водоочистных сооружений, мест для создания среды обитания, городских заповедников, рекреационных или образовательных учреждений, ландшафтных инженерных и экологических художественных районов. Эта многофункциональная способность делает построенные водно-болотные угодья особенно ценными в городских условиях, где пространство ограничено, а инфраструктура должна служить нескольким целям одновременно.
Комплексные принципы проектирования для искусственных водно-болотных угодий
Выбор и оценка сайта
Успех искусственного водно-болотного угодья начинается с тщательного выбора участка и тщательной оценки местных условий. Ландшафтные архитекторы интегрируют построенные водно-болотные угодья в городские, пригородные и сельские общины. При генеральном планировании они должны учитывать источники и поток воды в гидрологической системе, источники загрязнения и сточные воды, а затем соответствующим образом размещать построенные водно-болотные угодья для поглощения воды и борьбы с загрязнением.
Ограничения участка, которые могут ограничить пригодность построенных ливневых заболоченных территорий, включают неподходящие типы почвы, глубину до грунтовых вод, способствующую дренажной зоне и доступную площадь земли. Почвы, состоящие полностью из песков, не являются неуместными, если грунтовый стол не пересекает дно построенного водно-болотного угодья или построенное ливневое водно-болотное угодье не установлено над песком для удержания воды. Понимание этих ограничений на ранних этапах процесса планирования помогает проектировщикам разрабатывать соответствующие решения или выбирать альтернативные участки.
Еще одним важным фактором при выборе участка является наличие водно-болотных угодий, которые могут быть использованы для различных размеров водосборных бассейнов, причем некоторые конфигурации оптимизированы для небольших водосборных бассейнов, в то время как другие могут обрабатывать более крупные водосборные бассейны. Связь между площадью поверхности водно-болотных угодий и площадью водосборных бассейнов существенно влияет на эффективность обработки и гидравлические характеристики.
Ключевые элементы дизайна для оптимальной производительности
Представлены три основных элемента проектирования — микротопография, гидрологическая связь и разнообразие посадки, а также обсуждены их отношения к восстановлению экосистемных услуг городских водно-болотных угодий, в частности качество воды и среды обитания. Эти элементы проектирования могут быть легко приняты или включены в планирование, проектирование и этапы строительства городского развития.
Микротопография относится к тонким изменениям высоты в водно-болотных угодьях, которые создают различные зоны обитания и влияют на структуру потока воды. Включая различные глубины и контуры поверхности, дизайнеры могут создавать множество микрорайонов, которые поддерживают различные виды растений и экологические функции. Это разнообразие повышает способность водно-болотных угодий обрабатывать воду, поддерживать биоразнообразие и предоставлять устойчивые экосистемные услуги.
Гидрологическая связь обеспечивает надлежащее прохождение воды через систему, соединяя различные зоны и обеспечивая надлежащее время удержания. Они требуют четкого гидравлического намерения, контролируемых выходов, управляемых путей потока и определенных стратегий технического обслуживания. Правильная гидрологическая конструкция предотвращает короткое замыкание, когда вода обходит зоны обработки, и гарантирует, что водно-болотное угодье может обрабатывать как типичные потоки, так и экстремальные штормовые явления.
Планирование разнообразия имеет важное значение для создания прочных, многофункциональных водно-болотных угодий. Отбор видов растений, таких как хвощи, бульчи и другие возникающие макрофиты, играет решающую роль в этих системах, поскольку их корни и стебли помогают отфильтровать загрязняющие вещества и обеспечить среду обитания для полезных микробов. Различные виды растений имеют различные допуски к глубине воды, продолжительности затопления и воздействию загрязняющих веществ, что делает тщательный отбор видов критически важным для долгосрочного успеха.
Глубина зон и конфигурация водно-болотных угодий
Проектирование построенных ливневых заболоченных территорий с требуемой пропорцией «глубинных зон». Каждая из построенных заболоченных территорий, кроме гравийных заболоченных территорий, имеет выделения глубинных зон, которые даются в процентах от площади поверхности ливневых вод. Эти зоны обычно включают глубокие бассейны, мелководные болота и переходные районы, которые вместе создают разнообразную систему очистки.
Общие конфигурации водно-болотных угодий включают проекты мелководных болот, расширенные заболоченные угодья, системы прудов/водно-болотных угодий и карманные водно-болотные угодья. В системе прудов/водно-болотных угодий имеются две отдельные ячейки: влажный пруд и мелководное болото. Влажный пруд улавливает отложения и снижает скорости стока до входа в водно-болотные угодья, где ливневые потоки получают дополнительную обработку. Для системы прудов/водно-болотных угодий требуется меньше земли, чем для мелководных водно-болотных угодий или систем мелководных водно-болотных угодий с расширенным содержанием под стражей.
Методы строительства и их реализация
Раскопки и вырубка
Процесс строительства обычно начинается с тщательного выемки и сортировки для создания проектируемой топографии и зон глубины. Эта фаза требует точности, чтобы уровни воды, схемы потока и время удержания соответствовали спецификациям конструкции. Раскопки должны учитывать материалы подложки, установку лайнера, если это необходимо, и создание берм или насыпей для содержания воды на соответствующих высотах.
Для сохранения их эффективности MassDEP требует размещения осадка форебай в качестве предварительной обработки для всех построенных ливневых водно-болотных угодий.Осадок форебай является критическим компонентом, который захватывает грубые осадки и мусор до того, как вода попадает в основные районы обработки, защищая водно-болотные угодья от чрезмерного накопления осадков и поддерживая эффективность обработки.
Подстрастный выбор и установка
Субстрат или среда роста имеет основополагающее значение для функции водно-болотных угодий, обеспечивая поддержку растительности, размещение микробных сообществ и способствуя удалению загрязняющих веществ посредством адсорбции и химических реакций. Контейнеризованное водно-болотное угодье заполнено легкими субстратными материалами, такими как переработанный ПВПЭ, на вершине которого установлены местные растения водно-болотных угодий. Различные субстратные материалы предлагают различные преимущества, от традиционных почвенных сред до инженерных гравийных систем, предназначенных для конкретных целей обработки.
Гравийное водно-болотное угодье состоит из серии горизонтальных потоков через клетки обработки, которым предшествует осадок на предплечье. Обработка происходит в каждой клетке, поскольку ливневая вода проходит горизонтально через богатую микробами гравийную подложку. Водно-болотное угодье предназначено для непрерывного насыщения на глубине, которая начинается на четыре дюйма ниже поверхности обработки. Эта конструкция позволяет обрабатывать и расти растительности.
Структуры водного контроля
Надлежащие структуры управления водой необходимы для управления уровнями воды, расходами и сбросами из водно-болотных угодий. Эти структуры включают в себя конфигурации входов, которые равномерно распределяют поток, контроль выходов, которые поддерживают соответствующие уровни воды и регулируют скорости сброса, и системы переполнения, которые безопасно передают экстремальные потоки, не повреждая водно-болотные угодья.
Одна из предпочтительных установок для водно-болотных угодий заключается в том, чтобы объединить офлайновую конструкцию водно-болотных угодий для очистки стока с контролем количества стока в режиме онлайн, поскольку большие всплески воды могут повредить водно-болотные угодья. Построенные водно-болотные угодья также могут быть спроектированы как автономные системы с высокими потоками, направляемыми вокруг водно-болотных угодий. Этот подход защищает водно-болотную растительность и функции обработки от эрозивных сил во время крупных штормовых событий.
Создание растительности
Создание растений в ливневых водно-болотных угодьях является ключевым. Наиболее эффективные методы включают использование ясельного фонда в качестве спящих корневищ, живых горшечных растений и голого подвоя. Дизайнеры могут использовать почву «мульчи водно-болотных угодий» из естественного водно-болотного угодья или разработанную «смесь водно-болотных угодий» для дополнения водно-болотных угодий или установления водно-болотной растительности. Фаза создания имеет решающее значение и часто требует орошения, защиты от травоядных растений и мониторинга для обеспечения успешного роста растений.
Местная водно-болотная растительность обычно предпочтительнее, поскольку эти виды адаптированы к местным климатическим условиям, поддерживают местную дикую природу и обычно требуют меньшего обслуживания после установления.План посадки должен учитывать различные зоны в пределах водно-болотных угодий, причем виды выбираются на основе их толерантности к различным глубинам воды и частотам затопления.
Многофункциональные преимущества искусственных водно-болотных угодий
Управление штормовыми водами и смягчение последствий наводнений
Они помогают смягчить наводнения путем управления стоком ливневых вод. Эта функция становится все более важной, поскольку изменение климата усиливает характер осадков, а городское развитие увеличивает непроницаемые поверхности, которые генерируют быстрый стоок.
Построенные водно-болотные угодья в поймах вдоль водных путей используются в качестве временных водохранилищ для смягчения последствий наводнений путем поглощения избыточной воды и удержания или возвращения ее в водоносный горизонт. Засуха: построенные водно-болотные угодья могут хранить воду для создания буфера против засухи. Эта двойная способность управлять как избыточной водой, так и нехваткой воды делает построенные водно-болотные угодья ценной инфраструктурой для адаптации к климату.
За 10 лет мониторинга было установлено, что построенные водно-болотные угодья управляют 37% поступающего потока через перколяцию и испарение с большой приемной территории. Это существенное сокращение объема стока демонстрирует значительные гидрологические преимущества, которые могут обеспечить хорошо спроектированные водно-болотные угодья, уменьшая наводнения и эрозию вниз по течению при поддержке подпитки грунтовых вод.
Улучшение качества воды и удаление загрязняющих веществ
Загрязнители удаляются из стока ливневых вод в заболоченных районах путем поглощения водно-болотной растительностью и биотой (водоросли, бактерии), вегетативной фильтрации, адсорбции почвы и гравитационного оседания в медленном движении болотного потока. Также может происходить волатилизация и химическая активность, разрушая и усваивая ряд других загрязнителей ливневых вод, таких как углеводороды.
Действительно, построенные ливневые водно-болотные угодья являются одними из наиболее эффективных методов очистки. Обзор существующих данных об эффективности удаления построенных ливневых водно-болотных угодий значительно выше, чем эффективность удаления сухих расширенных хранилищ. Такая высокая эффективность делает построенные водно-болотные угодья особенно ценными для защиты принимающих вод от загрязнения городов.
Водно-болотные угодья эффективно удаляют твердые вещества и загрязняющие вещества, связанные с твердыми веществами. Они лишь умеренно эффективны при удалении азота и фосфора. Некоторые конструкции или плохо спроектированные и обслуживаемые водно-болотные угодья могут экспортировать фосфор. Понимание этих ограничений важно для установления реалистичных ожиданий и разработки систем, которые дополняют другие методы обработки, когда это необходимо.
Построенные водно-болотные угодья строятся для удаления из загрязненной воды осадочных пород и питательных веществ, в первую очередь фосфора и азота. Механизмы удаления включают биологическое поглощение растениями и микроорганизмами, химические превращения в почве, физическое осаждение твердых частиц и адсорбцию растворенных загрязняющих веществ на частицы почвы и органическое вещество.
Поддержка и создание биоразнообразия
Построенные водно-болотные угодья предназначены для воспроизведения естественных водно-болотных угодий, таких как луга, соленые болота, лесные водно-болотные угодья и болота.Водные или водно-болотные угодья используются в построенных водно-болотных угодьях не только для уменьшения количества загрязняющих веществ для качества ливневых вод, но и для обеспечения экологической среды обитания широкому кругу видов дикой природы.
Помимо функций управления ливневыми водами, построенные водно-болотные угодья также приносят пользу дикой природе, соединяя природные и урбанизированные ландшафты, окружающей среде в виде улавливания углерода и затухания загрязняющих веществ, а также людям в виде экосистемных услуг.Эти преимущества среды обитания особенно ценны в городских районах, где природные экосистемы были фрагментированы или ликвидированы в результате развития.
Утерянные услуги, в которых в настоящее время нуждаются многие города, включают смягчение последствий наводнений, улучшение качества воды, качество среды обитания для биоразнообразия и общественные удобства, такие как образование природы и эстетика. Построенные водно-болотные угодья могут помочь восстановить эти утраченные услуги, создавая ступеньки для движения дикой природы и обеспечивая рефугию для видов, которые в противном случае могли бы быть исключены из городской среды.
Водно-болотные угодья, используемые для борьбы с штормовыми водами, могут быть разработаны для обеспечения преимуществ городской дикой природы. Существуют различные мнения по поводу управления некоторыми типами дикой природы (например, насекомыми и мускратами), которые могут быть привлечены к этим местам, но работа с жителями и обмен информацией с ними могут помочь повысить признание всех присутствующих диких животных.
Климатическое регулирование и поглощение углерода
Они снижают эффект теплового острова в городских условиях за счет охлаждения путем испарения. Они помогают секвестрировать углерод посредством фотосинтеза и накопления органического вещества в анаэробных условиях почвы. Эти услуги по регулированию климата все чаще признаются ценными сопутствующими выгодами построенных водно-болотных угодий.
Исследования показали, что эта практика может регулировать температуру внутри здания, уменьшать воздействие городских тепловых островов и действовать как поглотитель углерода, предоставляя при этом ряд экологических услуг.Охлаждающий эффект происходит посредством испарения воды из почвы и поверхностей растений, поглощая тепловую энергию и понижая температуру окружающей среды.
Тем не менее, растет научный интерес к использованию искусственных или построенных водно-болотных угодий в качестве способа смягчения последствий глобального изменения климата, при этом основное внимание уделяется их использованию для управления водными ресурсами. Хотя потенциал поглощения углерода в построенных водно-болотных угодий все еще количественно оценивается, эти системы могут способствовать стратегиям смягчения последствий изменения климата при интеграции в более широкие инициативы по обеспечению устойчивости городов.
Социальные и рекреационные преимущества
Эстетическая ценность искусственных водно-болотных угодий заметно делает городскую среду более приятной и сообщества лучше места для жизни. Хорошо спроектированные водно-болотные угодья могут служить привлекательными ландшафтными особенностями, которые повышают ценности собственности и характер сообщества.
Буроводные водно-болотные угодья часто проектируются с пешеходными тропами и открытыми пространствами для отдыха, что приносит пользу жителям и способствует физической активности.Эти рекреационные возможности соединяют людей с природой, обеспечивают образовательные настройки для изучения экологии и управления водными ресурсами, а также создают пространства для сбора сообщества и социального взаимодействия.
Проектирование водно-болотных угодий для легкого доступа (например, расположение вблизи дороги, создание общественного доступа) Интеграция водно-болотных угодий в ландшафтный дизайн, включая создание среды обитания, путей, мест для пикника и т. Д. Продуманная интеграция функций и удобств доступа может максимизировать социальные выгоды при защите чувствительных экологических районов.
Экономические преимущества
Для инженеров-строителей и проектировщиков дренажа их ценность заключается не в эстетике, хотя иногда они могут быть и довольно красивыми, а в производительности: искусственные водно-болотные угодья обеспечивают хранение, регулируют разряд и улучшают качество стока, одновременно снижая зависимость от энергоемкой механической инфраструктуры.Это снижение потребности в энергии приводит к снижению эксплуатационных расходов в течение срока службы системы.
Хотя первоначальные затраты на строительство могут быть сопоставимы с некоторыми традиционными подходами или выше, долгосрочная экономия на эксплуатации и многочисленные сопутствующие выгоды часто делают построенные водно-болотные угодья экономически привлекательными.
Существуют затраты, связанные с резервированием земель для ливневых водно-болотных угодий. Однако потенциальный рост доходов от объектов, прилегающих к ливневым водно-болотным угодьям, может предложить некоторую финансовую компенсацию застройщикам. Исследования показали, что близость к привлекательным зеленым объектам инфраструктуры может увеличить стоимость недвижимости, компенсируя некоторые из затрат на землю.
Типы и конфигурации построенных водно-болотных угодий
Поверхностные потоки водно-болотных угодий
Поверхностные водно-болотные угодья, также называемые водно-болотными угодьями с свободной водой, поддерживают видимую воду над поверхностью субстрата. Эти системы очень похожи на естественные водно-болотные угодья по внешнему виду и функциям, с появляющейся растительностью, растущей через мелководье. Поверхностные водно-болотные угодья особенно эффективны для обработки ливневых вод и обеспечения среды обитания дикой природы, поскольку открытая вода и разнообразная структура растительности поддерживают различные виды.
Эти водно-болотные угодья обычно включают зоны различной глубины, от глубоких бассейнов, которые обеспечивают постоянное оседание воды и осадка до мелких болот, где плотная растительность обеспечивает обработку и среду обитания.Зримая водная поверхность также предлагает эстетические и образовательные преимущества, позволяя наблюдателям видеть экологические функции водно-болотных угодий.
Водно-болотные угодья подповерхностного течения
В настоящем докладе описываются проектирование, строительство и характеристики заболоченных земель, построенных в результате подземного потока, которые используются в Соединенных Штатах для очистки сточных вод. В системах подземных потоков вода течет горизонтально или вертикально через пористый субстрат, оставаясь ниже поверхности. Эта конфигурация минимизирует запахи, уменьшает среду обитания комаров и может быть более компактной, чем конструкции поверхностных потоков.
Водно-болотные угодья подповерхностного потока часто предпочитают для очистки сточных вод с высокими органическими нагрузками или там, где общественный доступ и эстетика являются проблемами. Подложка обеспечивает обширную площадь поверхности для роста микроорганизмов и адсорбции загрязняющих веществ, в то время как корни растений проникают в среду для обеспечения кислорода и дополнительной способности к обработке.
Плавающие водно-болотные угодья
Переплетенные с существующими структурами и развивающиеся благодаря взаимодействию с сообществами и сотрудничеству между различными дисциплинами, FTWs могут быть отличным вмешательством в качестве формы городского водно-болотного угодья для устойчивого управления городскими ливневыми водами. Такие модификации, как FTWs, изменяют существующие структуры через переходную структуру (например, плавающий коврик), которая добавляет или улучшает функции общей структуры ливневых вод простым, управляемым способом, который может предложить возможность для участия сообщества, одновременно продвигая связь сообщества с городской водой и осведомленность о ней.
Плавучие очистные водно-болотные угодья состоят из плавучих ковриков, поддерживающих водно-болотные угодья, корни которых простираются в водную колонну ниже. Эти инновационные системы могут быть установлены в существующих прудах, озерах или ливневых бассейнах без необходимости проведения раскопок или постоянных изменений инфраструктуры. Плавающая конфигурация позволяет водно-болотным угодьям подниматься и опускаться с изменением уровня воды при одновременном обеспечении преимуществ для обработки и среды обитания.
Карманные водно-болотные угодья
Рассмотрим карманные водно-болотные угодья, где площадь земель ограничена. Карманные водно-болотные угодья представляют собой небольшие системы, предназначенные для дренажных районов, как правило, площадью от 2 до 10 акров. Эти компактные водно-болотные угодья особенно полезны в плотных городских условиях, где пространство является премиальным, но необходима локализованная обработка.
Карманные водно-болотные угодья часто полагаются на грунтовые воды или постоянный источник воды для поддержания водно-болотных угодий. Они могут быть интегрированы в жилые комплексы, коммерческие объекты или вдоль дорог для обработки стоков из небольших водосборных бассейнов, обеспечивая при этом локализованные зеленые насаждения и среду обитания.
Интеграция с городским планированием и развитием
Зеленые инфраструктурные сети
В настоящее время лучше понять, что преимущества зеленой инфраструктуры включают в себя ряд экосистемных услуг, таких как охлаждение, хранение и управление водой, отдых и озеленение, среди прочего. Зеленые технологии все еще развиваются для обеспечения устойчивых решений проблем, с которыми сталкиваются современные города и пригородные районы с постоянно увеличивающейся скоростью и интенсивностью.
Распределение построенных водно-болотных угодий системно по всему водоразделу для увеличения потенциала для предоставления сетевых преимуществ. Вместо того, чтобы полагаться на единые крупномасштабные объекты, распределенная сеть небольших водно-болотных угодий может обеспечить более устойчивую и эффективную обработку при создании экологических коридоров, которые соединяют участки среды обитания по всему городскому ландшафту.
Они могут быть интегрированы в городское планирование и развитие для повышения устойчивости и устойчивости к воздействиям урбанизации. Эта интеграция требует сотрудничества между градостроителями, ландшафтными архитекторами, инженерами, экологами и заинтересованными сторонами сообщества для выявления возможностей и систем проектирования, которые служат нескольким целям.
Децентрализованные подходы
Это дает возможность интегрировать инженерные водно-болотные угодья в городских и пригородных районах для очистки сточных вод и контроля и управления стоком в городах, следуя децентрализованному подходу. Изменение климата, здоровье окружающей среды и нехватка ресурсов являются основными факторами для планирования и проектирования; поэтому CWs как многоцелевая ландшафтная инфраструктура может способствовать смягчению нынешних сложных экологических проблем.
Децентрализованные системы водно-болотных угодий обрабатывают воду вблизи ее источника, уменьшая потребность в обширных трубопроводных сетях и централизованных очистных сооружениях. Такой подход может быть более устойчивым к сбоям системы, обеспечивать избыточность обработки и создавать возможности для повторного использования воды в масштабе района или участка.
Участие и создание мест в сообществе
Необходим новый подход, который направлен на объединение городских водно-болотных угодий в сообщества, переосмысление и перепозиционирование искусственных городских водно-болотных угодий в качестве одного из компонентов социально-экологической экосистемы развития, чтобы способствовать достижению целей нулевого уровня выбросов углерода и других связанных с этим целей в области устойчивого развития.
Привлечение жителей в районную группу по управлению водно-болотными угодьями может помочь им получить возможность узнать о пространстве и взять его в собственность. Поддержание хорошей связи между муниципалитетом и жителями поможет землевладельцам лучше понять цель водно-болотных угодий и их многочисленные ценности. Участие общин в планировании, проектировании и управлении водно-болотными угодьями может создать поддержку, расширить возможности в области образования и создать чувство собственности, которое поддерживает долгосрочный успех.
Требования к техническому обслуживанию и передовая практика
Регулярный мониторинг и инспекция
Эффективное техническое обслуживание начинается с регулярного мониторинга для оценки эффективности системы и выявления возникающих проблем до того, как они станут серьезными проблемами. Мониторинг должен включать визуальные осмотры состояния растительности, уровня воды, структуры потока и структурных компонентов, а также периодические испытания качества воды для проверки эффективности обработки.
Измерения качества воды должны проводиться периодически, с тем чтобы вода, покидающая ливневые водно-болотные угодья, была достаточной по качеству для попадания в близлежащие реки или естественные водоемы без причинения вреда водным видам или другим пользователям, находящимся ниже по течению. Этот мониторинг помогает удостовериться в том, что водно-болотные угодья отвечают своим проектным целям и нормативным требованиям.
Внимание: Следующее обсуждение фокусируется на соображениях проектирования. Все преимущества, предоставляемые практикой, требуют соответствующего строительства, эксплуатации и обслуживания практики. соображения O&M должны быть включены во время этапа проектирования проекта. Планирование технического обслуживания на этапе проектирования обеспечивает необходимый доступ, оборудование и ресурсы, когда это необходимо.
Управление осадками
Поддержание накопления осадков часто необходимо в ситуациях, когда водно-болотные угодья получают много песка (например, от обслуживания зимних дорог) или эродированной почвы. Включение бетонного переднего залива в конструкцию (т.е. когда вода поступает в водно-болотные угодья) может помочь облегчить регулярное удаление осадков в этих случаях.
Накопление осадка является естественным процессом в заболоченных районах, но может уменьшить пропускную способность и изменить гидрологию, если оно чрезмерно. Отложения форебая захватывают большинство входящих осадков, концентрируя потребности в обслуживании в небольшой, доступной области, которую можно периодически очищать, не нарушая основное водно-болотное угодье. Удаление осадка из форебая должно происходить, когда накопление достигает проектных порогов, как правило, каждые несколько лет в зависимости от скорости загрузки осадка.
Управление растительностью
Управление растительностью предполагает поддержание желаемых растительных сообществ, контроль инвазивных видов и иногда сбор биомассы. Селективная уборка также может быть необходима для предотвращения повторного высвобождения хранящихся металлов и питательных веществ, поглощаемых растениями водно-болотных угодий. Когда растения умирают и разлагаются, некоторые загрязняющие вещества, которые они поглощают, могут высвобождаться обратно в воду, поэтому периодическая уборка может удалить эти материалы из системы.
Инвазивное управление видами имеет решающее значение для поддержания функции водно-болотных угодий и биоразнообразия. Инвазивные растения могут вытеснять местные виды, снижать качество среды обитания и изменять гидрологию. Раннее обнаружение и быстрое реагирование на инвазивные виды могут предотвратить дорогостоящие и сложные усилия по контролю в дальнейшем. Стратегии управления могут включать ручное удаление, целевое применение гербицидов или биологический контроль в зависимости от вида и условий участка.
Уровень воды и управление потоками
Поддержание надлежащего уровня воды имеет важное значение для поддержки процессов водно-болотной растительности и очистки. Структуры контроля воды требуют периодического осмотра и корректировки для обеспечения их надлежащего функционирования. Спусковые структуры могут забиваться мусором или растительностью, изменяя уровни воды и время удержания. Регулярная очистка и техническое обслуживание этих структур предотвращает эксплуатационные проблемы.
Сезонные колебания осадков и испарения могут влиять на уровень воды, что требует случайных корректировок для поддержания оптимальных условий.В течение продолжительных сухих периодов может потребоваться дополнительная вода для поддержания водно-болотной растительности, в то время как экстремальные влажные периоды могут потребовать временного отвода потока для предотвращения повреждения.
Сезонные соображения
Исследования показывают, что эффективность удаления построенных ливневых вод водно-болотных угодий снижается, когда они покрыты льдом или получают стоки, полученные от таяния снега. Производительность также снижается в течение нерастущего сезона и падения, когда растительность отмирает. Ожидайте более низкой эффективности удаления загрязняющих веществ до тех пор, пока растительность не будет восстановлена.
Штормовые заболоченные территории будут продолжать фильтровать воду, поступающую в систему в некоторой степени зимой, из-за бактериальной активности и физического оседания осадков из воды.В то время как способность к очистке снижается в холодные месяцы, водно-болотные угодья продолжают обеспечивать некоторые преимущества качества воды и затухание потока даже тогда, когда растительность находится в спящем состоянии или покрыта льдом.
Проблемы и ограничения
Земельные требования
Одной из основных проблем, связанных с осуществлением строительства водно-болотных угодий в городских районах, является необходимость в земельных участках. Построенные водно-болотные угодья широко применяются. Они могут иметь ограниченную применимость в условиях высокой урбанизации и засушливого климата, но они имеют несколько других ограничений. Хотя технологические достижения сократили площадь, необходимую для эффективного лечения, водно-болотные угодья по-прежнему, как правило, требуют больше места, чем обычная серая инфраструктура.
Требование к земле может быть решено с помощью творческих подходов к проектированию, таких как использование недостаточно используемых пространств, интеграция водно-болотных угодий в парки и сети открытого пространства или реализация компактных проектов, таких как системы подземных потоков.В некоторых случаях многочисленные преимущества, предоставляемые водно-болотными угодьями, оправдывают распределение земли, особенно когда рассматриваются рекреационные, эстетические и ценности среды обитания.
Производительность переменных
Однако в условиях возросшей урбанизации и усиления изменения климата необходимо обеспечить управление этими заболоченными территориями и контроль за их эффективностью обработки, особенно на этапе после строительства. Кроме того, для оптимизации их работы необходимо более глубокое понимание роли этих систем в урбанизированной среде и способов их очистки сточных вод. По мере разработки более совершенного компьютерного моделирования необходимо определить, какие параметры и как эти изменения требуются в сверхурочные сроки и какие навыки необходимы для обеспечения принятия заболоченных земель в будущем для планирования и управления.
Эффективность лечения может варьироваться в зависимости от факторов, включая концентрацию загрязняющих веществ, скорость гидравлической нагрузки, температуру, здоровье растительности и возраст системы. Понимание и управление этой изменчивостью требует постоянного мониторинга, адаптивного управления и реалистичных ожиданий в отношении возможностей и ограничений системы.
Инвазивные виды и экологический баланс
Поддержание экологического баланса в заболоченных районах может быть сложным, особенно в отношении инвазивных видов, которые могут колонизировать эти системы. Инвазивные растения могут поступать через семена в стоках ливневых вод, на оборудовании или через естественное рассеивание. После их установления их может быть трудно и дорого контролировать, потенциально снижая способность водно-болотных угодий к обработке и ценность среды обитания.
Управление дикой природой также может создавать проблемы. Хотя водно-болотные угодья предназначены для поддержки биоразнообразия, некоторые виды могут создавать конфликты. Бобры, например, могут строить плотины, которые изменяют гидрологию, как это документально подтверждено в исследованиях мониторинга. Комары могут размножаться в водно-болотных угодьях, хотя надлежащая конструкция с открытыми водными районами и популяциями рыб может минимизировать эту озабоченность. Канадские гуси и другие водоплавающие птицы могут собираться в больших количествах, потенциально создавая проблемы с неблагоприятными условиями или способствуя питательным нагрузкам через их отходы.
Воздействие изменения климата
Изменение климата открывает возможности и создает проблемы для застроенных водно-болотных угодий. Более интенсивные осадки могут перегружать водно-болотные угодья или вызывать эрозию, в то время как продолжительные засухи могут усиливать растительность и снижать способность к обработке. Изменение температурных режимов может влиять на циклы роста растений, микробную активность и скорость трансформации загрязняющих веществ.
Проектирование водно-болотных угодий с учетом устойчивости к изменению климата требует рассмотрения прогнозируемых изменений в моделях осадков, температурных диапазонах и экстремальных явлениях. Стратегии адаптивного управления, которые позволяют вносить изменения в систему по мере изменения условий, могут помочь поддерживать производительность в условиях меняющегося климата.
Регулятивные и политические барьеры
Мы считаем, что существует несколько препятствий для реализации искусственных городских водно-болотных угодий только для сокращения выбросов углерода, в частности в отношении ограничений на владение землей, неопределенности в эффективности захвата и количественной оценке захвата и права на рыночные схемы кредитования.
Не размещать построенные ливневые водно-болотные угодья в пределах естественных водно-болотных угодий. Эти спроектированные ливневые водно-болотные угодья отличаются от водно-болотных угодий, построенных для целей компенсационного хранения, и водно-болотных угодий, созданных для восстановления или репликации. Как правило, построенные ливневые водно-болотные угодья не будут иметь полного спектра экологических функций естественных водно-болотных угодий. Построенные ливневые водно-болотные угодья разработаны специально для улучшения качества воды. Понимание этих различий важно для соблюдения нормативных требований и установления соответствующих ожиданий.
Стратегии оптимизации производительности
Гидравлическая оптимизация дизайна
Отношение площади поверхности построенных ливневых заболоченных территорий к более длинным путям потока через построенные ливневые заболоченные территории к приносящей водоразделу области должно соответствовать критериям, указанным в Таблице CSW.1. Надежность удаления загрязняющих веществ имеет тенденцию к увеличению по мере увеличения соотношения построенных ливневых заболоченных территорий к водоразделу.
Оптимизация гидравлического проектирования предполагает создание путей потока, которые максимизируют время контакта между водой и очистными средами, предотвращая короткое замыкание. Стержни, бермы и размещение растительности могут направлять воду через систему, обеспечивая, чтобы все зоны способствовали обработке. Конфигурации входа и выхода должны равномерно распределять поток и предотвращать эрозию или канализацию.
Интегрированные лечебные поезда
Водно-болотные угодья, используемые в штормовых водах, следует использовать в сочетании с другими методами управления ливневыми водами, такими, как дождевые сады (ссылка), зоны биоинфильтрации и биосвалы (ссылка), проницаемые тротуары или сведенные к минимуму непроницаемые поверхности и улавливание и использование дождевой воды. Это обеспечивает более широкие возможности для проникновения воды в землю и для фильтрации загрязняющих веществ из воды до того, как она достигнет водных экосистем.
Интеграция построенных водно-болотных угодий в очистные поезда с другими методами зеленой инфраструктуры создает синергетические преимущества. Практика верхнего течения может снизить нагрузку на осадки и загрязнители, поступающие в водно-болотные угодья, продлевая его эффективную продолжительность жизни и улучшая производительность. Практика нижнего течения может обеспечить дополнительную способность к обработке или инфильтрации, создавая надежный, многобарьерный подход к защите качества воды.
Адаптивное управление
Адаптивное управление предполагает мониторинг эффективности системы, оценку результатов по сравнению с целями и внесение коррективов для улучшения результатов. Этот итеративный подход признает, что построенные водно-болотные угодья являются динамическими системами, которые развиваются с течением времени и могут потребовать изменений для поддержания оптимальной производительности.
Стратегии адаптивного управления могут включать корректировку уровня воды в пользу желаемых видов растений, изменение графиков технического обслуживания на основе наблюдаемых потребностей или осуществление целенаправленных улучшений для устранения ограничений производительности. Документация действий по управлению и их результатов формирует институциональные знания и информирует о будущих решениях.
Тематические исследования и реальные приложения
Городское управление Stormwater
Благодаря ряду методов регенеративного проектирования, в частности мер по замедлению потока ливневой воды, канализированная бетонная река и ухудшенный пригородный участок были преобразованы в национальный парк водно-болотных угодий, который функционирует как основная часть экологической инфраструктуры города, запланированной для предоставления многочисленных экосистемных услуг, включая управление ливневыми водами, очистку воды и восстановление местных мест обитания.
Эта трансформация демонстрирует, как построенные водно-болотные угодья могут реабилитировать деградировавшие городские водные пути, обеспечивая при этом множество преимуществ. Замедляя потоки ливневых вод, улучшая качество воды и создавая среду обитания, эти проекты способствуют достижению более широких целей в области устойчивости городов при одновременном удовлетворении конкретных потребностей в управлении водными ресурсами.
Образование и участие общин
В 2015 году был запущен «Проект дождя» для разработки инновационной междисциплинарной модели высшего образования и участия сообщества для устойчивого управления ливневыми водами. Целью проекта было повысить осведомленность о проблемах городских ливневых вод и продемонстрировать междисциплинарную, годичную (с осени 2014 года по осень 2015 года) совместную деятельность для сообщества кампуса. Более двух десятков студентов бакалавриата из различных дисциплин (например, искусство, биология, наука об окружающей среде, связь, гражданское строительство и / или СМИ) работали в команде по проектированию и внедрению плавучего водно-болотного угодья в качестве зеленой инфраструктуры для основного ливневого пруда в городском кампусе ГМУ. «плавучее водно-болотное угодье» (рисунок 2) было разработано для замедления потока поверхностных вод и улучшения качества воды в ливневом пруду путем удаления питательных веществ (например, азота и фосфора), чрезмерное количество которых часто приводит к цветению водорослей и ухудшению качества воды.
Этот проект иллюстрирует, как построенные водно-болотные угодья могут служить живыми лабораториями для образования и междисциплинарного сотрудничества. Привлекая студентов из различных областей, проект создал потенциал для будущей реализации зеленой инфраструктуры, одновременно удовлетворяя реальную потребность в управлении ливневыми водами в кампусе.
Промышленная и муниципальная очистка сточных вод
В 1995 году водоочистное сооружение Seadrift в Техасе искало решение, которое бы последовательно отвечало нормативным требованиям для сброса воды. Было установлено инновационное решение для зеленой инфраструктуры, состоящее из 110 акров построенных водно-болотных угодий, вместо промышленной установки по очистке сточных вод. Она успешно работала в течение последних 15 лет. Для водно-болотных угодий требовалось значительно большее количество площади — 110 акров, а не 4-5 акров для альтернативной серой инфраструктуры — и проект требовал 1-2-летнего пилотного периода, чтобы снизить риск технологии и найти оптимальную конструкцию.
Этот случай показывает, что построенные водно-болотные угодья могут успешно обрабатывать промышленные сточные воды при правильной проектировании и управлении. Хотя потребность в земле была значительно больше, чем обычная обработка, система обеспечила надежные показатели в течение многих лет с более низкими эксплуатационными расходами и потребностями в энергии.
Будущие направления и инновации
Продвинутый мониторинг и моделирование
Новые технологии мониторинга эффективности водно-болотных угодий включают дистанционное зондирование, автоматизированные датчики качества воды и передовые инструменты моделирования, которые могут предсказать поведение системы в различных условиях. Эти технологии позволяют более точно управлять и оптимизировать при одновременном сокращении рабочей силы, необходимой для ручного мониторинга.
Вычислительные модели, имитирующие гидрологию водно-болотных угодий, динамику растительности, судьбу загрязняющих веществ и транспорт, становятся все более изощренными. Эти инструменты могут поддерживать оптимизацию проектирования, прогнозировать долгосрочные показатели и оценивать сценарии управления до внедрения, уменьшая неопределенность и улучшая результаты.
Интеграция с принципами циркулярной экономики
Цель этой статьи заключается в том, чтобы подчеркнуть синергию между этой зеленой технологией и городскими районами в целях восстановления связи городов с природой, содействия круговороту в городском контексте. Построенные водно-болотные угодья могут способствовать достижению целей круговой экономики путем обработки и обеспечения возможности повторного использования воды, производства биомассы, которую можно собирать для получения энергии или материалов, и создания возможностей для восстановления питательных веществ.
Будущие проекты водно-болотных угодий могут все чаще включать функции восстановления ресурсов, такие как системы для захвата и повторного использования очищенной воды для орошения или промышленных процессов, сбора водно-болотных угодий для производства биоэнергии или извлечения ценных питательных веществ, таких как фосфор для производства удобрений.
Смягчение последствий изменения климата и адаптация
Благодаря инновационному использованию агротехнологий и улавливанию углерода водно-болотных угодий, которые будут использоваться наряду с производством возобновляемой энергии на месте, чему способствовало расширение развития общинных активов на участке для местного использования и образовательных целей, проект продемонстрировал, что он может способствовать достижению целей города, связанных с нулевым уровнем выбросов. Таким образом, этот более сложный, многофункциональный и многосторонний подход является более надежным и достижимым способом, с помощью которого искусственные водно-болотные угодья могут, хотя и более косвенно, стать путем к нулевому уровню выбросов.
По мере того, как города преследуют амбициозные цели в области климата, построенные водно-болотные угодья могут способствовать улавливанию углерода, снижению потребления энергии по сравнению с обычными методами лечения и повышению устойчивости к воздействию климата. Интеграция водно-болотных угодий в комплексные планы действий в области климата, которые одновременно решают несколько задач, может обеспечить большую поддержку и ресурсы для осуществления.
Структура природных решений
Сейчас, как никогда ранее, зеленая инфраструктура признана решением на основе природы (NBS), которое играет значительную роль в решении проблем устойчивости в городских районах. Построенные водно-болотные угодья (Cws) являются искусственными имитацией естественных водно-болотных угодий, одной из самых биологически разнообразных природных экосистем, и в дополнение к эстетике, она обеспечивает эффективную модель для устойчивых экологических инженерных решений в качестве недорогой и простой в эксплуатации альтернативы традиционным системам городского управления.
Растущее признание решений, основанных на природе, в рамках политики и планирования создает возможности для расширения внедрения водно-болотных угодий. По мере роста понимания многочисленных преимуществ и экономической эффективности этих систем они, вероятно, будут все более и более интегрироваться в стандартные процессы планирования и развития городской инфраструктуры.
Проектные ресурсы и технические руководства
Имеются многочисленные ресурсы для поддержки проектирования, строительства и управления искусственными водно-болотными угодьями.Правительственные учреждения, профессиональные организации и научно-исследовательские учреждения разработали всеобъемлющие руководящие документы, руководства по проектированию и сборники тематических исследований, которые предоставляют подробную техническую информацию.
Ландшафтные архитекторы работают с экологами и инженерами-экологами, чтобы определить соответствующие средства растительности и роста для построенных систем водно-болотных угодий. Особенно в более густонаселенных районах ландшафтные архитекторы обеспечивают выбор растений, формы дизайна и строительных материалов как для экологической функциональности, так и для социальной эстетики. Это междисциплинарное сотрудничество имеет важное значение для создания успешных проектов, которые отвечают нескольким целям.
Профессиональные возможности развития, включая семинары, конференции и программы сертификации, помогают практикующим специалистам оставаться в курсе последних достижений в области передовых практик и новых технологий. Создание потенциала среди дизайнеров, инженеров, планировщиков и обслуживающего персонала способствует широкому внедрению высококачественных построенных систем водно-болотных угодий.
Вывод: Путь вперед для городских водно-болотных угодий
Искусственные водно-болотные угодья представляют собой мощный инструмент для решения взаимосвязанных проблем управления водными ресурсами, изменения климата, утраты биоразнообразия и устойчивости городов. При рассмотрении их как инженерной инфраструктуры, а не декоративных особенностей, искусственные водно-болотные угодья обеспечивают практический, устойчивый и обороняемый подход к современному проектированию дренажа. Их способность обеспечивать одновременно несколько преимуществ делает их особенно ценными в условиях ограниченных ресурсов городских условий, где инфраструктура должна обслуживать разнообразные потребности.
Успешное осуществление построенных водно-болотных угодий требует тщательного внимания к принципам проектирования, соответствующему выбору участка, надлежащим методам строительства и текущему техническому обслуживанию.Хотя существуют проблемы, включая требования к земле, изменчивость характеристик и инвазивное управление видами, они могут быть решены путем продуманного планирования, адаптивного управления и интеграции с другими методами зеленой инфраструктуры.
Поскольку города во всем мире сталкиваются с растущим давлением окружающей среды и ищут пути к устойчивости, построенные водно-болотные угодья предлагают проверенный, основанный на природе подход, который работает с экологическими процессами, а не против них. Благодаря воссоединению городских районов с природными системами эти инженерные экосистемы могут помочь создать более устойчивые, пригодные для жизни и устойчивые города для нынешних и будущих поколений.
Продолжающаяся эволюция технологии водно-болотных угодий, подкрепленная расширением возможностей мониторинга, усовершенствованием инструментов моделирования и растущим практическим опытом, обещает еще большую производительность и более широкое применение в будущем.По мере того, как преимущества этих систем становятся все более широко признанными и ценными, искусственные водно-болотные угодья готовы играть все более центральную роль в стратегиях управления городскими водными ресурсами и устойчивости во всем мире.
Для получения дополнительной информации о практике устойчивого городского дизайна посетите веб-сайт EPA Green Infrastructure и Американского общества ландшафтных архитекторов . Дополнительные технические ресурсы можно найти через Межгосударственные технологии и рампы; Регулирующий совет , который предоставляет руководство по системам обработки водно-болотных угодий и другим экологическим технологиям.