Непроницаемая поверхность - Impervious surface

Парковки очень непроницаемые.

Непроницаемые поверхности , в основном , искусственные сооружения, такие как бордюрный ( дороги , тротуары , подъездные пути и стоянки автомобилей , а также промышленных областях , таких как аэропорты , порты и логистики и распределительных центров , все из которых используют значительные проложенные участки), которые охвачены воды- устойчивые материалы, такие как асфальт , бетон , кирпич , камень и крыши . Почвы уплотнены городской застройкой также очень непроницаемы.

Воздействие на окружающую среду

Непроницаемые поверхности представляют собой проблему для окружающей среды, потому что их конструкция инициирует цепочку событий, которые изменяют городской воздух и водные ресурсы:

Некоторые из этих загрязнителей включают избыток питательных веществ из удобрений ; возбудители ; отходы домашних животных; бензин , моторное масло и тяжелые металлы из транспортных средств; высокие нагрузки наносов от эрозии русла ручьев и строительных площадок; и отходы, такие как окурки, держатели для 6 пачек и пластиковые пакеты, унесенные ливневыми водами . В некоторых городах паводковые воды попадают в комбинированные коллекторы , вызывая их переполнение, смывая неочищенные сточные воды в ручьи. Загрязненные стоки могут иметь множество негативных последствий для рыб, животных, растений и людей.
  • Непроницаемые поверхности собирают солнечное тепло своей плотной массой. Когда тепло выделяется, оно повышает температуру воздуха, создавая городские «тепловые острова» и увеличивая потребление энергии в зданиях. Теплый сток с непроницаемых поверхностей снижает содержание растворенного кислорода в воде ручья, что затрудняет жизнь в водных экосистемах .
  • Непромокаемые тротуары лишают корни деревьев вентиляции, устраняя «городской лес» и тень под навесом, которые в противном случае могли бы смягчить городской климат. Поскольку водонепроницаемые поверхности вытесняют живую растительность, они снижают экологическую продуктивность и нарушают круговорот углерода в атмосфере .
Большинство городских крыш полностью непроницаемы.

Общее покрытие водонепроницаемыми поверхностями на территории, такой как муниципалитет или водораздел , обычно выражается в процентах от общей площади суши. Охват увеличивается с ростом урбанизации . В сельской местности непроницаемое покрытие может составлять всего один-два процента. В жилых районах, увеличивается охват примерно от 10 процентов в низкой плотности подразделениях до более 50 процентов в многоквартирных общинах. В промышленных и коммерческих областях охват превышает 70 процентов. В региональных торговых центрах и густонаселенных районах этот показатель превышает 90 процентов. В 48 смежных штатах США городское непроницаемое покрытие составляет в сумме 43 000 квадратных миль (110 000 км 2 ). Развитие добавляет 390 квадратных миль (1000 км 2 ) ежегодно. Обычно две трети покрытия составляют тротуары, а одна треть - крыши зданий.

Снижение воздействия на окружающую среду

Зеленый трамвайный путь в Белграде, Сербия
Зеленый трамвайный путь в Белграде, Сербия

Непроницаемое покрытие поверхности может быть ограничено путем ограничения плотности землепользования (например, количества домов на акр в подразделении), но этот подход приводит к застройке земель в другом месте (за пределами подразделения) для размещения растущего населения. (См. Разрастание городов . ) В качестве альтернативы, городские сооружения можно строить иначе, чтобы они функционировали как естественно проницаемые почвы; примерами таких альтернативных конструкций являются пористые покрытия , зеленые крыши и водосборные бассейны .

Дождевая вода с непроницаемых поверхностей может собираться в резервуары для дождевой воды и использоваться вместо основной воды. На острове Каталина, расположенном к западу от порта Лонг-Бич, были приложены значительные усилия для сбора осадков, чтобы минимизировать расходы на транспортировку с материка.

Частично в ответ на недавнюю критику со стороны муниципалитетов ряд производителей бетона, таких как CEMEX и Quikrete, начали производить проницаемые материалы, которые частично смягчают воздействие обычного непроницаемого бетона на окружающую среду. Эти новые материалы состоят из различных комбинаций твердых веществ естественного происхождения, включая мелкозернистые и крупнозернистые породы и минералы , органическое вещество (включая живые организмы ), лед , выветрившиеся породы и осадки , жидкости (в основном водные растворы ) и газы . Пандемия COVID-19 породила предложения по радикальному изменению организации города, заключающемуся в резком сокращении наличия непроницаемых поверхностей и восстановлении проницаемости почвы как одного из элементов.

Процент непроницаемости

Процент непроницаемой поверхности в разных городах

Процент непроницаемости, обычно обозначаемый в расчетах как PIMP, является важным фактором при рассмотрении дренажа воды. Он рассчитывается путем измерения процента площади водосбора, состоящей из непроницаемых поверхностей, таких как дороги, крыши и другие поверхности с твердым покрытием. Оценка PIMP дается как PIMP = 6,4J ^ 0,5, где J - количество жилищ на гектар (Butler and Davies 2000). Например, для лесных угодий значение PIMP составляет 10%, в то время как в плотных коммерческих районах значение PIMP равно 100%. Эта переменная используется в Справочнике по оценке наводнений .

График покрытия непроницаемой поверхности в США.

Гомер и другие (2007) указывают, что около 76 процентов территории Соединенных Штатов классифицируются как имеющие менее 1 процента непроницаемого покрытия, 11 процентов с непроницаемым покрытием от 1 до 10 процентов, 4 процента с оцененным непроницаемым покрытием от 11 до 20 процентов. , 4,4 процента с расчетным непроницаемым покрытием от 21 до 40 процентов и около 4,4 процента с расчетным непроницаемым покрытием более 40 процентов.

Общая непроницаемая зона

Общая непроницаемая площадь (TIA), обычно называемая непроницаемым покрытием (IC) в расчетах, может быть выражена в виде дроби (от нуля до единицы) или процента. Существует множество методов оценки TIA, включая использование Национального набора данных о земном покрове (NLCD) с географической информационной системой (GIS), категорий землепользования с категориальными оценками TIA, обобщенного процента освоенной площади и взаимосвязей между плотностью населения. и TIA.

Набор данных о непроницаемой поверхности NLCD в США может предоставить высококачественный, согласованный на национальном уровне набор данных о земном покрове в формате, готовом для ГИС, который можно использовать для оценки значения TIA. NLCD последовательно определяет процент антропогенного TIA для NLCD с разрешением пикселей 30 метров (900 м2) по всей стране. В наборе данных каждый пиксель количественно определяется как имеющий значение TIA в диапазоне от 0 до 100 процентов. Оценки TIA, сделанные с помощью набора данных о непроницаемой поверхности NLCD, представляют собой агрегированное значение TIA для каждого пикселя, а не значение TIA для отдельного непроницаемого элемента. Например, двухполосная дорога на травянистом поле имеет значение TIA, равное 100 процентам, но пиксель, содержащий дорогу, будет иметь значение TIA, равное 26 процентам. Если дорога (одинаково) пересекает границу двух пикселей, каждый пиксель будет иметь значение TIA 13 процентов. Анализ качества данных набора данных NLCD 2001 с вручную разделенными областями выборки TIA показывает, что средняя ошибка прогнозируемого по сравнению с фактическим TIA может варьироваться от 8,8 до 11,4 процента.

Оценки TIA по землепользованию производятся путем определения категорий землепользования для больших участков земли, суммирования общей площади каждой категории и умножения каждой площади на характерный коэффициент TIA. Категории землепользования обычно используются для оценки TIA, потому что области с общим землепользованием могут быть идентифицированы на основе полевых исследований, карт, информации о планировании и зонировании, а также удаленных изображений. Обычно используются методы коэффициентов землепользования, поскольку карты планирования и зонирования, которые определяют аналогичные территории, все чаще доступны в форматах ГИС. Кроме того, методы землепользования выбираются для оценки потенциального воздействия будущего развития на TIA с помощью карт планирования, которые количественно определяют прогнозируемые изменения в землепользовании. Существуют существенные различия в фактических и расчетных оценках TIA из различных исследований в литературе. Такие термины, как низкая плотность и высокая плотность, могут отличаться в разных областях. Плотность жилья в половину акра на дом может быть классифицирована как высокая плотность в сельской местности, средняя плотность в пригородной зоне и низкая плотность в городской зоне. Гранато (2010) предоставляет таблицу со значениями TIA для различных категорий землепользования на основе 30 исследований в литературе.

Процент развитой площади (PDA) обычно используется для оценки TIA вручную с помощью карт. Консорциум Multi-Resolution Land Characteristics Consortium (MRLCC) определяет развитую территорию как покрытую не менее 30% строительных материалов). Саутхард (1986) определил неосвоенные районы как естественные, сельскохозяйственные или рассредоточенные жилые застройки . Он разработал уравнение регрессии для прогнозирования TIA с использованием процента развитой площади (таблица 6-1). Он разработал свое уравнение, используя логарифмическую степенную функцию с данными из 23 бассейнов в штате Миссури . Он отметил, что этот метод был выгоден, поскольку большие бассейны можно было быстро очертить, а TIA оценить вручную по имеющимся картам. Гранато (2010) разработал уравнение регрессии, используя данные из 262 бассейнов рек в 10 городских районах на границе Соединенных Штатов с площадью водосбора от 0,35 до 216 квадратных миль и значениями PDA от 0,16 до 99,06 процента.

TIA также оценивается на основе данных о плотности населения путем оценки населения в интересующей области и использования уравнений регрессии для вычисления соответствующего TIA. Данные о плотности населения используются потому, что согласованные на национальном уровне данные по блокам переписи доступны в форматах ГИС для всех Соединенных Штатов. Методы плотности населения также могут использоваться для прогнозирования потенциальных последствий будущего развития. Хотя могут быть существенные различия в отношениях между плотностью населения и TIA, точность таких оценок имеет тенденцию улучшаться с увеличением площади водосбора, поскольку местные вариации усредняются. Гранато (2010) предоставляет таблицу с 8 зависимостями плотности населения из литературы и новое уравнение, разработанное с использованием данных из 6255 речных бассейнов в наборе данных USGS GAGESII. Гранато (2010) также предлагает четыре уравнения для оценки TIA на основе плотности жилья , которая связана с плотностью населения.

Естественная непроницаемая зона

Естественные водонепроницаемые области определяются здесь как земные покровы, которые могут способствовать значительному количеству ливневых потоков во время небольших и больших штормов, но обычно классифицируются как проницаемые области. Эти районы обычно не рассматриваются в качестве важных источников ливневых потоков в большинстве исследований качества сточных вод на автомагистралях и в городах , но могут вызывать значительные ливневые потоки. Эти естественные водонепроницаемые участки могут включать открытую воду, заболоченные земли, обнажения горных пород, бесплодную почву (естественные почвы с низкой водонепроницаемостью) и участки уплотненных почв . Естественные водонепроницаемые районы, в зависимости от их природы и предшествующих условий, могут вызывать ливневые потоки из-за инфильтрации избыточного наземного стока, насыщения наземного потока или прямых осадков. Ожидается, что влияние естественных водонепроницаемых территорий на образование стока будет более значительным в районах с низким TIA, чем в высокоразвитых районах.

NLCD предоставляет статистику земного покрова , которые могут быть использованы в качестве качественного показателя распространенности различных земельных покрытий , которые могут выступать в качестве природных непроницаемых областей. Открытая вода может выступать в качестве естественной непроницаемой зоны, если прямые осадки проходят через сеть каналов и прибывают в виде ливневого потока на интересующее место. Водно-болотные угодья могут действовать как естественная непроницаемая территория во время штормов, когда сброс грунтовых вод и насыщение наземного стока составляют значительную долю штормового стока. Бесплодная земля в прибрежных зонах может действовать как естественная непроницаемая зона во время штормов, потому что эти районы являются источником инфильтрации избыточных наземных потоков. На первый взгляд проницаемые участки, которые были затронуты разработкой, могут действовать как непроницаемые участки и создавать инфильтрационные избыточные наземные потоки. Эти ливневые потоки могут возникать даже во время штормов, которые не соответствуют критериям объема или интенсивности осадков, чтобы вызвать сток, основанный на номинальной скорости инфильтрации.

Развитые проницаемые участки могут вести себя как непроницаемые участки, потому что разработка и последующее использование имеют тенденцию уплотнять почвы и снижать скорость инфильтрации. Например, Фелтон и Лулл (1963) измерили скорость инфильтрации лесных почв и газонов, чтобы указать на возможное снижение инфильтрации на 80 процентов в результате деятельности по развитию. Точно так же Тейлор (1982) провел тесты на инфильтрометре в районах до и после застройки пригородов и отметил, что изменение и уплотнение верхнего слоя почвы в результате строительных работ снизило скорость инфильтрации более чем на 77 процентов.

Смотрите также

Рекомендации

Библиография

  • Батлер Д. и Дэвис Дж. У., 2000, Городской дренаж , Лондон: Spon.
  • Фергюсон, Брюс К. , 2005, Пористые тротуары , Бока-Ратон: CRC Press.
  • Фрейзер, Лэнс, 2005 г., « Рай для мощения: опасность непроницаемых поверхностей», «Перспективы гигиены окружающей среды» , Vol. 113, № 7, стр. A457-A462.
  • Агентство по охране окружающей среды США. Вашингтон. "После шторма." Документ № EPA 833-B-03-002. Январь 2003 г.

В эту статью включены материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайтов или документы Геологической службы США и Федерального управления шоссейных дорог .

Внешние ссылки