Наводнения, усиливающиеся из-за изменения климата, могут разрушить городские районы и привести к длительному и дорогостоящему ремонту. Города остро нуждаются в новых стратегиях управления ливневыми водами. Междисциплинарная команда инженеров и градостроителей Массачусетского технологического института разработала решение: многофункциональные городские водно-болотные угодья и пруды, которые легко интегрируют контроль и очистку ливневых вод с экологическими и рекреационными преимуществами.

Затопление ливневыми водами в городах усугубляется городской инфраструктурой, поскольку многие естественные экосистемы, поглощающие ливневые дожди, были заменены тротуаром, что значительно ограничивает инфильтрационную способность района. Это удерживает ливневые воды на поверхности, где они собирают все виды загрязнителей – мусор, тяжелые металлы, промышленные химикаты – которые в конечном итоге переносятся в близлежащие водоемы, часто включая местное водоснабжение.

Во многих городах нет адекватных систем для обработки ливневого стока, который является самой крупной причиной ухудшения водотока в городских районах. Установки очистки ливневых вод – это крупные инвестиции, которые необходимо интегрировать в существующие системы дренажа и очистки воды. Без пространств или процессов, которые могут изолировать и очистить загрязненную воду до того, как она снова попадет в циркуляцию или в природную среду, городские центры теряют пресную воду, которая могла бы использоваться для пополнения питьевой и подземной воды, среди других потребностей экосистемы.

Системы управления естественными ливневыми водами – инженерные зеленые насаждения – становятся все более популярными вариантами для городов. Команда MIT спроектировала водно-болотные угодья, чтобы они были намного более эффективными, чем существующие конструкции, такие как простые бассейны и серпантины, в контроле циркуляции воды и очистке ливневых вод, а также обеспечивали экосистемные и рекреационные преимущества.

Команда Массачусетского технологического института опубликовала подробности своего исследования в свободно доступном отчете «Рекомендации по проектированию городских водно-болотных угодий» в надежде, что города воспримут этот подход. Отчет основан на двухлетних исследованиях, финансируемых за счет посевного гранта Всемирной лаборатории водной и продовольственной безопасности (J-WAFS) Массачусетского технологического института. Эти рекомендации основаны на физических экспериментах, проведенных в лаборатории механики жидкостей в окружающей среде MIT Nepf и недавно опубликованных в журнале Ecological Engineering .

«Цель нашего исследования – помочь городам смягчить свои собственные проблемы перед лицом быстро меняющегося климата, сильных штормов и отсутствия экономически обоснованных решений», – говорят соавторы Алан М. Бергер, Норман Б. Мюриэль Левенталь, профессоры передового урбанизма и содиректора LCAU. Бергер и его соавторы приглашают заинтересованных представителей города связаться с ними, чтобы обсудить, как реализовать их проекты. В мае группа провела информационно-пропагандистскую кампанию, чтобы гарантировать, что эти проекты с открытым исходным кодом достигнут городских заинтересованных сторон, таких как правительственные чиновники и региональные планировщики по всей территории США.

Руководящие принципы объединяют опыт инженерии, городского планирования и ландшафтной архитектуры для проектирования универсальных зеленых насаждений. Помимо управления ливневыми водами, водно-болотные угодья или пруд создают зелень для города, рекреационное пространство для сообщества и ценные среды обитания диких животных.

Проекты, состоящие из серии сгруппированных островов, являются модульными и масштабируемыми, поэтому их можно адаптировать к потребностям и ресурсам различных городских условий. Работа была разработана с двумя конкретными тематическими исследованиями, в Хьюстоне и Лос-Анджелесе, чтобы помочь обеспечить адаптируемость руководящих принципов к различным местам.

«Мы выбрали Лос-Анджелес и Хьюстон, потому что это большие города с теплым климатом, быстрорастущие, в основном пригородные, с хорошими перспективами для зеленых насаждений», – говорит ведущий исследователь и ведущий автор Селина Балдерас Гусман. «Кроме того, один очень сухой, а другой очень влажный. Мы хотели показать адаптируемость нашего дизайна к различным условиям». Бальдерас Гусман, в то время член LCAU, а сейчас работающая в Калифорнийском университете в Беркли, является выпускницей Школы архитектуры и планирования Массачусетского технологического института, где она разработала магистерскую диссертацию по ливневым водно-болотным угодьям, которая в конечном итоге привела к этому совместному междисциплинарному проекту.

Рекомендации еще предстоит применить на практике. Однако в настоящее время команда контактирует с руководителями городов в нескольких местах по поводу перспективы создания пилотных систем водно-болотных угодий. Неаффилированные члены исследовательского сообщества положительно отзываются о достоинствах руководства.  

«Насколько я знаю, для практического сообщества нет ничего, что могло бы так четко воплотить результаты исследований инженеров и ландшафтных архитекторов в реальность», – говорит Дэвид Л. Седлак, профессор экологической инженерии Калифорнийского университета в Беркли и содиректор Берклинского Водного центра.

Для разработки руководящих принципов исследователи из Лаборатории механики жидкостей в окружающей среде под руководством Хайди Непф (Heidi Nepf), профессора гражданского строительства и инженерного дела Марты Харлеман из Массачусетского технологического института, протестировали более 30 различных конструкций систем водно-болотных угодий. Они контролировали циркуляцию воды с помощью скульптурных моделей, чтобы определить, какая топография наиболее эффективно замедляет ливневую воду и равномерно распределяет ее поток, чтобы наилучшим образом задействовать естественные процессы, очищающие воду от загрязняющих веществ. Эта комплексная стратегия тестирования привела к разработке проектов, основанных на кластерах обтекаемых островов, расположенных близко друг к другу возле входов в водно-болотные угодья.

Контроль движения воды, чтобы она задерживалась на заболоченных территориях, имеет решающее значение для того, чтобы дать экосистеме время для улучшения качества воды. Водно-болотные угодья очищают воду с помощью комбинации биологических и химических процессов, в том числе давая загрязнителям время осесть из воды. Еще одним хорошим фильтром является растительность водно-болотных угодий, так как поверхности растений и поддерживаемые ими биопленки очень эффективно улавливают загрязнители и избыточные питательные вещества.

Определение наиболее эффективной конструкции для очистки ливневых стоков было ключевым аспектом проекта, но команда подчеркивает, что ценность их системы водно-болотных угодий больше, чем ее функциональность по управлению водными ресурсами. Сотрудничество между инженерами и городскими планировщиками привело к созданию дизайна, который максимально повысил эффективность без ущерба для эстетики, экологии или качества отдыха.

«Инструкции по управлению ливневыми водами обычно пишутся инженерами и носят очень строгий характер. Они традиционно не предназначены для пропаганды экологии или облегчения отдыха», – говорит Балдерас Гусман.

Команда смогла создать многогранный дизайн систем водно-болотных угодий благодаря ее уникальной междисциплинарной структуре. Nepf, соавтор исследования, говорит, что инженеры внесли инновации в гидравлические функции, в то время как ландшафтные архитекторы представили, как сделать водно-болотные угодья ценной частью городской ткани.

Стимулирование междисциплинарного сотрудничества является целью начальных грантов J-WAFS, и Непф считает, что J-WAFS помогает инженерам и городским планировщикам работать вместе, объединяя их различные процессы проектирования и «разные языки».

«J-WAFS предоставил место, где мы могли научиться разговаривать друг с другом», – говорит Хайди Непф.

Благодаря этому уникальному сотрудничеству руководство предлагает широкий спектр преимуществ. Они включают в себя прогулочные тропы, которые соединяют группы островов и соединяют городские улицы с уютными зелеными насаждениями. На крупнейших островах можно проводить мероприятия для общественных программ, а поймы рядом с водно-болотными угодьями можно использовать в качестве площадок для релакса, отдыха, пикников или игровых площадок. Острова представляют собой множество экологических зон обитания, от сухих возвышенностей до мелководья, а затем и более глубоких вод. Эта среда обитания может быть особенно ценной для видов водно-болотных угодий, поскольку естественные водно-болотные угодья исчезают.

Многофункциональные конструкции также имеют политическое преимущество. Они могут помочь городам получить одобрение общественности на создание ливневых водно-болотных угодий, которые часто оказывались сложными проектами, требующими поддержки от местных жителей. Сообщества, не знающие, в какой степени ливневые воды загрязняют их водоснабжение, могут не поддержать использование пространства, которое могло бы быть парком или игровой площадкой для такого проекта. 

«Я надеюсь, что эти руководящие принципы откроют людям глаза на то, как они могут использовать землю в городских районах», – говорит Непф. «Я надеюсь, что мы заставим их подумать:« Хорошо, мне нужно что-то, чтобы справиться со стоком ливневых вод, так как мне нужно сделать что-то, что также могло бы принести пользу окружающей среде и благоустройству города».