Прикладная гидрология

Города должны стать комфортнее даже при изменении климата
08.07.2021
Энерговектор

Погодных аномалий становится всё больше. С 1980 года частота их проявления увеличилась более чем в три раза. Теперь реки разливаются и выходят из берегов не только весной, но и осенью. В городах сильные дожди приводят к переполнению водоёмов, перегрузке систем ливневой канализации и затоплению подвалов. Летом чаще случаются засухи, что выливается в нехватку воды со всеми негативными последствиями для сельского хозяйства и промышленности.

Пора готовить наши города к изменению климата. «Никогда не упускайте возможность воспользоваться серьёзной кризисной ситуацией», - говаривал Уинстон Черчилль. А нынешняя ситуация именно такова.

Цвета инфраструктуры

Институт системных исследований и инноваций Общества имени Фраунгофера (Fraunhofer ISI) занимается вопросами устойчивости городской инфраструктуры. Уже найдены действенные подходы к проблеме. «Когда мы фокусируемся на засухах и обильных дождях, встаёт вопрос о наилучшем устройстве городских гидрологических систем», - говорит Сюзанна Блекер, руководитель направления «Инновационные методы и системы городской трансформации».

Улицы немецких городов загромождены различными зданиями и сооружениями, так что дождевой воде с крыш, дорог и тротуаров просто некуда деться. Стоит отметить, что система хозяйственно-бытовой канализации требует определённого потока воды - её должно быть достаточно для смыва отходов. Проблема решается тем, что часть воды из дождевой канализации перенаправляется в канализацию хозяйственно-бытовую. Однако в сильный дождь обе сточные системы быстро переполняются, после чего дороги и некоторые подвалы оказываются залитыми.

В естественных условиях всё иначе. Например, в лесу половина дождевой воды просачивается в почву, другая половина стекает в реки и испаряется. На территориях же промышленных предприятий в почву уходит порядка 20% выпавших осадков, а 60% попадает в ливневую канализацию. Эту воду стоит рационально использовать для испарительного охлаждения зданий и решения других задач. Каким образом?

Участки растительности, зелёные крыши и фасады зданий (назовём всё это «зелёной инфраструктурой»), будучи покрыты мхами, полевыми травами и прочими растениями, способны удерживать от 30 до 70% осадков. На зелёных крышах, плотно засаженных деревьями и кустарниками, задерживается до 100% осадков.

Растительность на крышах задерживает осадки и охлаждает здания

Хороши также и элементы «синей инфраструктуры» - пруды, озёра, каналы. Заливные луга способны после сильного дождя удерживать слой воды высотой 20-30 сантиметров. Их удачно дополняют подземные цистерны, которые сохраняют дождевую воду во время продолжительных засух. В пустынных регионах подобные резервуары издавна используются как источники питьевой воды.

С чистого листа

Министерство образования и науки ФРГ запустило «Лейпцигский сине-зелёный проект», в рамках которого создаются элементы подобной инфраструктуры. На территории бывшей железнодорожной станции Ойтрич, где построено жильё на 2100 семей, школьный кампус и здание промышленного назначения, через несколько лет появятся крыши-сады, подземные цистерны и новые зелёные зоны.

Главная цель проекта - отработать управление новыми элементами инфраструктуры. «Наша интеллектуальная система обрабатывает информацию об уровнях наполнения цистерн, о качестве воды и даже о влажности почвы с учётом различных поступающих извне данных, включая метеопрогнозы», - рассказывает доктор Мариус Мор из Института интерфейсных систем и биотехнологии Общества имени Фраунгофера (Fraunhofer IGB). Если синоптики сообщают о приближении обильных дождей, цистерны высвобождают, чтобы они наполнились новой водой. На крышах-садах предусматриваются свои регулируемые дренажные системы, где также организовано удержание и хранение воды. Одна из подобных крыш построена с помощью компании OptiGrun на здании автостоянки в Центре экологических исследований института. Там система автоматического управления работает с марта 2021-го. Полученные с её помощью результаты будут применены в Ойтриче.

Оттенки серого

Учёные из института Fraunhofer ISI параллельно работают над концепцией i.WET (Integrated water energy transition), которая определяет место искусственных гидрологических циклов в переходе Германии на новую энергетическую систему. Проект разворачивается в городе Люнене (земля Северный Рейн - Вестфалия) на бывшей промышленной территории площадью 16 тысяч квадратных метров, где сейчас строятся новые жилые здания.

Концепция рационального использования воды,
разработанная в институте Fraunhofer ISI

Идея концепции в том, чтобы по отношению к воде перейти от грубого деления на «чёрное» и «белое» к рассмотрению промежуточных оттенков. Использованная вода делится на более грязную и менее грязную. Так, из умывальника, ванны и душевой кабины сливается «серая» вода, которая после теплообменника (отбора тепла) смешивается с дождевой и поступает в сливной бачок унитаза и, может быть, ещё в стиральную машину для повторного использования. Вода после туалета, посудомоечной и стиральной машин считается «чёрной», а потому сразу попадает в канализацию. Для организации подобного водяного цикла придётся серьёзно изменить привычную систему трубопроводов в каждом доме.

Задача учёных - наладить на городской территории гидрологический цикл, максимально приближённый к природному. Поэтому собранная с крыш дождевая вода используется для полива растительных зон. Сначала она проходит очистку в песчаном фильтре, затем попадает в почву. И даже во время обильных дождей потоки воды из ливневой канализации не попадут в бытовую.

Зелёная зона в здании

Зелёные зоны в зданиях расположены так, чтобы создавать приятную обстановку и летом охлаждать жилое пространство.

На водной подушке

Оптимизацией гидрологического цикла успешно занимается группа учёных из фраунгоферского Института промышленной техники (Fraunhofer IAO) совместно с коллегами из Института физики строительных материалов (Fraunhofer IBP) в рамках проекта «Дорога в будущее». В Людвигсбурге уже построена и введена в эксплуатацию пилотная система накопления воды под шоссе.

Вместо герметизации шоссейного полотна и окружающих его пешеходных дорожек учёные экспериментируют с гидроактивными поверхностями. «Созданная нами система не просто позволяет воде просачиваться сквозь дорожное полотно, - пояснил менеджер проекта Михаэль Вюрт. - Во время дождя заполняются буферные ёмкости, противодействуя затоплению шоссе. В последующий сухой период вода из них поднимается по гигроскопичным элементам на поверхность, где испаряется, охлаждая дорогу. В отличие от уже предлагаемой на рынке системы крупных баков, под которые нужно делать глубокие выемки грунта, мы решили применить плоские ёмкости, укладывающиеся в дорожное полотно без особых дополнительных затрат». Баки с удельной ёмкостью двести литров на квадратный метр послужат конструктивными элементами шоссе.

* * *

«Технологии для адаптации к климатическим изменениям по большому счёту готовы. Их только трудно внедрить, - резюмировала Сюзанна Блекер. - Необходимы немалые средства, но источники финансирования есть. Гораздо большим препятствием становятся наши укоренившиеся привычки и невежество. Например, бытует мнение, что зелёные крыши не сочетаются с солнечными панелями. Это полная чепуха. Наоборот, зелень охлаждает фотоэлектрические элементы, увеличивая их эффективность на величину от четырёх до пяти процентов».

Источник: По материалам Fraunhofer magazine

Читайте другие наши материалы