Powodzie miejskie: wyzwania związane z połączonymi systemami kanalizacyjnymi w miastach nadmorskich stojących w obliczu zmian klimatycznych i wzrostu poziomu morza

Starsze miasta nadbrzeżne, takie jak Filadelfia, Nowy Jork i Boston, stoją przed ryzykiem zalania przez nieoczyszczone ścieki podczas powodzi. Ze względu na konstrukcję ich łączonych systemów kanalizacyjnych i rosnący poziom mórz, te miasta mogą stanąć w obliczu narastającego kryzysu zdrowia publicznego, ponieważ zmiany klimatyczne prowadzą również do bardziej ekstremalnych opadów deszczu, zgodnie z badaczami z Drexel University, którzy badają miejskie systemy odwadniające. Grupa niedawno opublikowała badania modelujące potencjalny zakres problemu w części nadbrzeżnego miasta Camden w New Jersey oraz skuteczność jednego z proponowanych rozwiązań mających na celu ochronę tych społeczności.

Złożony problem
Od 1855 roku wiele amerykańskich społeczności nadbrzeżnych zostało zaprojektowanych z połączonymi systemami kanalizacyjnymi. W tych systemach woda deszczowa i ścieki są zbierane za pomocą tych samych rur. Początkowo te rury odprowadzały wodę do strumieni i rzek; później skierowano je do oczyszczalni ścieków. Jednak rury mogą przenosić tylko określony przepływ. Podczas deszczowych zdarzeń pogodowych, aby uniknąć przeciążenia oczyszczalni ścieków, część przepływu wciąż przelewa się do naturalnych zbiorników wodnych poprzez funkcje znane jako przelewy kanalizacji łączonej (CSO).

Podczas gdy Ustawa o kontroli zanieczyszczeń i Ustawa o czystej wodzie skłoniły społeczności do modernizacji infrastruktury i podjęcia kroków w celu zmniejszenia CSO, zmiany klimatyczne wprowadzają zupełnie nowy wymiar do tego wyzwania zgodności z przepisami.

Kiedy poziom wody w odbiorczym zbiorniku wodnym jest wysoki, klapy CSO, które normalnie zapobiegają cofaniu się wody rzecznej do rur kanalizacyjnych, nie mogą się łatwo otworzyć. Bez tych zaworów całkowicie otwartych, połączone ścieki powstałe podczas deszczowej pogody mogą cofnąć się do systemu, a nawet wylać na ulice lub do piwnic ludzi.

W miarę jak zmiany klimatyczne przynoszą bardziej intensywne deszcze i wyższe poziomy rzek, problem się nasila i nie może być złagodzony konwencjonalnymi podejściami do zarządzania wodami deszczowymi.

Zespół Montalto ściśle współpracuje z Camden County Municipal Utilities Authority (CCMUA), aby zbadać potencjalne rozwiązania tego problemu.

Poszukiwanie lepszej odpowiedzi
W swoich badaniach, niedawno opublikowanych w Journal of Water Management Modeling, grupa przedstawiła wyniki swoich szczegółowych modeli hydrologicznych i hydraulicznych powodzi oraz przelewów kanalizacji łączonej w części Camden zwanej Cramer Hill. Ten obszar miasta podatny na powodzie znajduje się bardzo blisko największego punktu CSO po wschodniej stronie rzeki Delaware.

Po skalibrowaniu swoich modeli do warunków historycznych, użyli ich do symulacji, jak powodzie i CSO będą się zmieniać w przyszłości, wraz ze zmianą klimatu. Te same modele są również używane do oceny potencjalnej skuteczności różnych koncepcyjnych rozwiązań.

"CCMUA od lat pracuje nad zmniejszeniem niesprawiedliwości środowiskowej w Camden", powiedział Montalto. "Pracowali nad redukcją zapachów z ich oczyszczalni ścieków i zmniejszeniem częstotliwości i zanieczyszczeń związanych z CSO. To ekscytujące pracować z nimi teraz nad opracowywaniem rozwiązań, które mogą również zmniejszyć powodzie i uczynić sąsiedztwa Camden bardziej odpornymi na zmiany klimatyczne. Nasze modelowanie będzie wspierać CCMUA w opracowywaniu wielofunkcyjnych strategii infrastrukturalnych."

Model Drexela jest unikalny, ponieważ jest to model "wszystkich rur" zbudowany przez połączenie wielu różnych zestawów danych geoprzestrzennych w jeden model komputerowy. To pozwala zespołowi symulować przepływy wód deszczowych przez niemal każdą powierzchnię, zbiornik wód deszczowych i rurę w tym obszarze.

Aby sprawdzić dokładność programu modelowania, badacze porównali przewidywaną roczną objętość zrzutów przelewów kanalizacji łączonej z zapisami CCMUA. Symulowane wzorce powodzi zostały porównane ze zdjęciami rzeczywistych powodzi wykonanymi przez zespół badawczy podczas burz latem 2021 roku. "Ważne było przeprowadzenie dokładnego procesu walidacji, ponieważ będziemy polegać na tym modelu do symulacji przyszłych warunków klimatycznych i infrastrukturalnych", powiedział Montalto. "Nie każda gmina rejestruje wszystkie niezbędne dane do stworzenia pełnego modelu, więc częścią tych badań jest pokazanie, że proces ad-hoc, który opracowaliśmy, może wiarygodnie zwalidować nasz model bez niektórych danych, które byłyby inaczej potrzebne."

Projektowanie przyszłych wyzwań
Zespół Montalto użył zwalidowanego modelu do symulacji, co by się stało, gdyby opady deszczu wzrosły o do 30% i gdyby poziom morza podniósł się o do 1,8 metra. Symulowali każdą z tych zmian klimatycznych osobno i razem.

Model przewidział, że zwiększone opady deszczu spowodują zrzuty przelewów 21-66% powyżej obecnej rocznej objętości zrzutów. I choć każdy ze scenariuszy podniesienia poziomu morza skutkował zmniejszeniem liczby przelewów i rocznej objętości zrzutów, czas trwania powodzi zwiększał się z każdym złożonym czynnikiem.

Testowanie teorii
Jedna kluczowa strategia, którą Camden rozważa w związku z wyzwaniami zarządzania wodami w Cramer Hill, polega na przekierowaniu wód deszczowych z północnej części swojego systemu kanalizacyjnego. Dzięki programowi modelowania Drexela, gmina wreszcie mogła przetestować ten pomysł.

Propozycja nazwana "Pennsauken disconnection" polega na przekierowaniu wód deszczowych generowanych w mieście Pennsauken w New Jersey, które znajduje się bezpośrednio na północny wschód od Camden, z dala od połączonego systemu kanalizacyjnego Cramer Hill za pomocą pośredniej stacji pomp.

Zespół odkrył, że przekierowanie pomoże we wszystkich przyszłych scenariuszach klimatycznych. Jednak nawet przy przekierowaniu, skutki zmian klimatycznych i podnoszenia się poziomu morza nadal skutkowały wzrostem liczby zdarzeń powodziowych i znacznym wydłużeniem czasu trwania powodzi w warunkach podnoszenia się poziomu morza.

Wyznaczanie nowego kierunku
Ogólne wyniki sugerują, że zwiększone opady deszczu spowodowane zmianami klimatycznymi będą powodować więcej przelewów kanalizacji łączonej. A podnoszenie się poziomu morza utrudni tym systemom zrzut do pobliskich zbiorników wodnych. Około 40 milionów ludzi obecnie mieszka na obszarach obsługiwanych przez połączone systemy kanalizacyjne, więc jest to pilna kwestia, która może wpłynąć na znaczną liczbę osób w całym kraju.

Grupa Montalto planuje kontynuować udoskonalanie swojego modelu Cramer Hill, zbierając informacje o przepływie wody przez sieć kanalizacyjną i powierzchniowych powodziach. Będą także modelować inne interwencje w infrastrukturę zarządzania wodami deszczowymi.

Źródło: Drexel University