Phys.org: прибрежные города США будут затоплены канализационными стоками

По мнению исследователей Университета Дрекселя, города с комбинированными сточными системами (например, Камден в Нью-Джерси) сталкиваются с дополнительной угрозой при любом наводнении, а их последствия вскоре могут усугубиться из-за изменения климата и повышения уровня моря.

Старым прибрежным городам, таким как Филадельфия, Нью-Йорк и Бостон, во время наводнений грозит риск затопления неочищенными сточными водами. Из-за изменения климата проливные осадки участились. Поэтому таким городам грозит эпидемиологический кризис: отчасти из-за конструкции комбинированных канализационных систем, а отчасти из-за повышения уровня моря, предупредили ученые из Университета Дрекселя, которые изучают управление городскими ливневыми стоками.

Группа недавно опубликовала исследование, в котором смоделировала потенциальный масштаб проблемы на примере одного из районов прибрежного города Камден в штате Нью-Джерси, а также эффективность предложенных мер для защиты пострадавших районов.

Начиная с 1855 года, во многих прибрежных городах и населенных пунктах Америки проектируется сточная система. В ней ливневая и канализационная вода выводится по одним и тем же трубам. Первоначально они отводили воду прямо в ручьи и реки, позднее — на очистные сооружения.

Но трубы рассчитаны лишь на поток определенной силы. В дождливую погоду, чтобы не допустить затопления, некоторая часть стока все же сливается в естественные водоемы в обход очистных сооружений — это называется комбинированной канализацией или смесью городских и ливневых сточных вод.

Федеральный закон о предупреждении загрязнения воды подтолкнул города к модернизации инфраструктуры и принятию мер по борьбе с комбинированными сбросами, а изменение климата вывело проблему соблюдения нормативных требований на новый уровень.

Когда уровень воды в принимающем водоеме высок, клапанные затворы, которые обычно предотвращают переполнение канализационных труб речной водой, могут открыться не полностью. Если это происходит, образующаяся в непогоду смесь сточных вод может накапливаться в системе или даже выливаться на улицу и затапливать подвалы жилых домов.

Поскольку с изменением климата проливные дожди участились, а уровень рек повысился, проблема усугубляется, и ее невозможно решить традиционными мерами управления ливневыми водами.

“Изменение климата осложнило без того трудную проблему, — сказал доктор наук, профессор Инженерного колледжа и руководитель исследования Франко Монтальто (Franco Montalto). — Сочетание повышения уровня моря и интенсивных осадков — дополнительная головная боль для коммунальных служб и ливневой канализации, поскольку это означает, что комбинированная сточная система оказывается под давлением с обеих сторон. Во многих случаях воде попросту некуда идти, кроме как вверх и наружу — на улицу. Это создает риски для окружающей среды и здоровья”.

Команда Монтальто тесно сотрудничала с Управлением муниципальных коммунальных предприятий округа Камден в разработке потенциальных решений.

В своем исследовании, недавно опубликованном в Журнале моделирования управления водными ресурсами, группа сообщила о результатах подробных гидрологических и гидравлических моделей наводнений и переливов комбинированных сточных коллекторов в районе Крамер-Хилл в Камдене. Эта особенно подверженная наводнениям часть города расположена близко к крупнейшей точке аварийного сброса городских и ливневых сточных вод из общесплавной канализации в реку Делавэр, минуя станцию очистки сточных вод.

Откалибровав модели с учетом исторических условий, ученые попытались смоделировать, как размах наводнения и масштаб сброса неочищенных вод будут меняться в дальнейшем по мере изменения климата. Эти же модели используются и для оценки потенциальной эффективности различных решений.

“Управление муниципальных коммунальных предприятий округа Камден уже много лет усердно борется с сокращением экологической несправедливости, — сказал Монтальто. — Ведомство борется с неприятным запахом на станциях очистки сточных вод, а также работает над сокращением частоты и уменьшением загрязнений, сопряженных с аварийными сливами. Сейчас с ним интересно разрабатывать решения, которые также уменьшат риск наводнений и сделают районы Камдена более стойкими к изменению климата. Наше моделирование послужит управлению подспорьем в разработке стратегий многофункциональной инфраструктуры”.

Модель Университета Дрекселя уникальна, поскольку объединила в себе множество различных наборов геопространственных данных с подходом “все трубы сразу”. Это позволяет команде смоделировать потоки ливневых вод практически через любую поверхность, водосборник и трубу района.

Чтобы проверить точность программы моделирования, исследователи сравнили прогноз модели годового совокупного объема сброса переполнения канализации с реальными записями Управления муниципальных коммунальных предприятий округа Камден. Кроме того, данные модели сравнивались с фотографиями реальных наводнений, сделанными исследовательской группой в время ураганов летом 2021 года.

“Было важно устроить тщательную проверку, потому что мы будем использовать эту модель для проработки будущего климата и условий инфраструктуры, — сказал Монтальто. — Не каждый муниципалитет записывает все необходимые данные для построения полной модели, поэтому в ходе исследования мы установили, что разработанный нами специальный процесс может достоверно подтвердить нашу модель даже без части необходимых данных”.

Команда Монтальто воспользовалась испытанной моделью и проверила, что будет, если количество осадков увеличится на 30%, а уровень моря поднимется на 1,8 метра. Они смоделировали эти климатические изменения независимо друг от друга и одновременно.

Модель спрогнозировала, что рост количества осадков приведет к экстренным сбросам сверх текущего годового объема от 21 до 66%. И хотя каждый из сценариев повышения уровня моря привел к сокращению случаев разлива и ежегодных сбросов, продолжительность наводнений с каждым усугубляющим фактором лишь увеличивалась.

Одна из ключевых стратегий, которую рассматривает Камден для решения проблем управления водными ресурсами в Крамер-Хилле, предполагает отвод вышерасположенных ливневых вод от канализационной системы. Благодаря программе моделирования Университета Дрекселя муниципалитет наконец-то смог проверить эту идею.

Предложение, получившее название “отвод Пеннсаукена”, состоит в том, чтобы увести ливневые воды, образующиеся в городе Пеннсаукен, штат Нью-Джерси, к северо-востоку от Камдена от единой канализационной системы Крамер-Хилла через промежуточную насосную станцию.

Команда обнаружила, что отвод поможет при любых климатических сценариях. Однако даже несмотря на это, последствия перемены климата и повышение уровня моря по-прежнему увеличат не только количество наводнений, но и их продолжительность.

В целом результаты показали, что из-за увеличения количества осадков вследствие изменения климата аварийные сбросы комбинированных сточных вод участятся. А повышение уровня моря затруднит сброс воды из этих систем в близлежащие водоемы. На сегодняшний день около 40 миллионов человек проживает в регионах с комбинированными сточными системами, и потому это актуальная проблема может коснуться множества жителей по всей стране.

Команда Монтальто намерена совершенствовать свою модель Крамер-Хилл, собирая информацию о потоках через канализационную сеть муниципалитета и поверхностном затоплении. Они также будут моделировать другие инфраструктурные меры по управлению ливневыми водами.

Материал подготовлен Университетом Дрекселя.