Источники загрязнения отложений накопительных резервуаров и влияние типа осадков на величину нагрузки загрязнений

Dec 11, 2023

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 8884 (2023) Цитировать эту статью

162 доступа

Подробности о метриках

Плотность городов и городского населения способствует увеличению стока и взвешенных частиц, а также изменению городского водного цикла. В настоящее время сине-зеленая инфраструктура продвигается для повышения устойчивости города к наводнениям; однако системы отвода ливневых вод, поддерживаемые накопительными резервуарами, по-прежнему важны для защиты городских территорий от наводнений. Накопление отложений в инфраструктуре ливневой канализации связано с проблемой таких загрязнителей, как тяжелые металлы, питательные вещества и т. д. Исследования происхождения загрязняющих веществ, связанных со взвесью и, в конечном итоге, с отложениями, накапливающимися в сточных водах, могут дать новое представление о процессах в городских водосборных бассейнах. Это первое исследование, направленное на анализ стабильных изотопов углерода и азота в донных отложениях, собранных из муниципальных резервуаров-хранилищ, с целью проверки происхождения выпавших загрязняющих веществ сразу после плювиальных паводков. Исследование было дополнительно расширено анализом качества воды сразу после трех типов погоды: засушливый период, типичные осадки (< 30 мм) и проливные дожди (2 события с суточным количеством осадков более 30 мм, вызвавшие плювиальное затопление территории города). Анализы отложений показали, что основной источник углерода и азота на дне накопительных резервуаров был занесен ливневыми стоками с территории города. Органические азотные удобрения оказались основным источником азота, тогда как источники органического углерода были смешанными: наземные растения С3, древесина и нефть. Кроме того, было установлено, что проливные дожди вызвали 23-кратное увеличение концентрации N-NO3, семикратное увеличение концентрации P-PO4 и более чем пятикратное увеличение концентрации органического вещества по сравнению с типичными осадками.

Урбанизация способствует увеличению количества взвешенных веществ, попадающих в воды. Результатом является дополнительное поступление питательных веществ, органических веществ, пестицидов и других загрязнителей, что приводит к деградации систем пресной воды по всему миру. Приток взвешенных веществ также способствует повышению мутности, снижает проникновение света в более глубокие слои водотоков и водоемов, а также влияет на морфологию каналов и водной инфраструктуры. По мнению Уоллинга и Коллинза1, перенос питательных веществ с отложениями и загрязнение взвесями представляют наибольшую угрозу для пресной воды, поскольку она является переносчиком других загрязнителей (тяжелых металлов, микропластика, фармацевтических препаратов). Более того, большинство сценариев изменения климата прогнозируют необратимое усиление эрозии почвы, сопровождающееся соответствующим изменением характера осадков2.

Решения, защищающие городские территории от наводнений, делятся на удерживающие и инфильтрационные и называются «Зеленая инфраструктура»3. В настоящее время наиболее эффективным способом управления ливневыми водами и защиты города от паводков является многоуровневая защита. Первый уровень – это сине-зеленая инфраструктурная стратегия (например, дождевые сады, зеленые крыши и т. д.), способствующая ограничению стока и возможному накоплению воды в водосборе для облегчения инфильтрации или повторного использования ливневых вод в месте их происхождения. Согласно этой концепции, резервуары-удержания представляют собой второй уровень защиты. Помимо защиты от наводнений в случае кратковременных проливных дождей, они позволяют обеспечить альтернативный источник воды для повышения надежности и безопасности водоснабжения (в том числе процессов очистки)4,5, служат зонами отдыха; таким образом, они могут предоставлять различные экосистемные услуги в зависимости от их размера, местоположения и потребностей общества.

Ключевым ограничением накопительных резервуаров с точки зрения защиты от наводнений является тот факт, что они оказывают довольно ограниченное влияние на пиковые расходы во время продолжительных дождей. Это ограничение возникает, когда резервуары полностью заполняются во время дождя и не поглощают приток во время дальнейших дождей. В таких случаях они дополнительно подвержены сбоям, что приводит к неконтролируемому оттоку паводковых вод. Гидрологический анализ, направленный главным образом на расчет удерживающей способности резервуара и контроль наполнения, уже подробно описан в литературе. Эти работы основывались либо на одномерной модели SWMM6,7,8 и двумерной CADDIES9, либо на более обширной модели SWAT10, которые уже дали удовлетворительные результаты в прогнозировании угроз11,12. Однако большая часть исследований, посвященных водохранилищам, касается только удержания воды, забывая о загрязнителях, переносимых дождевой водой. Поступающая вода содержит взвешенные вещества, которые являются переносчиками, в частности, тяжелых металлов, соединений фосфора и ПАУ, которые оседают на дно резервуаров, вызывая скопление твердых частиц13,14. На границе отложений с водой происходят многочисленные процессы, включая седиментацию, повторное взвешивание и отложение донных отложений, которые подробно обсуждались Лу и др.15 и Наврот и др.16. В ряде исследований упоминался анализ качества отложений и/или воды городских водотоков и водохранилищ16,17,18,19. Хотя преобладающим процессом является седиментация (при нормальных условиях стока), даже в этом случае загрязняющие вещества, попадающие в отложения, могут представлять риск повторного загрязнения, когда происходит повторное взвешивание, например, во время наводнений20,21. Каждый из этих аспектов был описан отдельно; однако комплексные исследования, охватывающие все вышеперечисленные аспекты, отсутствуют. Амундсон и др.22 заметили, что изменения в землепользовании и антропогенном давлении способствуют усилению эрозионных процессов и, следовательно, увеличению нагрузки взвешенных твердых частиц. Поиск методов проверки источника загрязнений, накопленных в донных отложениях, проводился с использованием нескольких методов дактилоскопии. В течение многих лет широко использовались методы, связанные с геохимическими исследованиями или исследованием радионуклидов выпадений, и даже их сочетание. Однако эти методы не имеют привязки к анализируемой области. Напротив, изотопный анализ — полезный и точный инструмент, указывающий на происхождение выбранных элементов. При изотопном анализе характеристические значения относятся к растениям С3 и С4 (это группы растений, зависящие от хода фотосинтеза), а также к местным почвам. Значения, близкие к характеристическим, точно указывают на элементное происхождение.