Из-за того, что города растут, а климат меняется, с дождевой водой в городах становится всё больше проблем: она загрязняется, случаются локальные наводнения. Помочь могут так называемые зелёные канавы — их прокладывают вдоль дорог. Они работают как природные фильтры и накопители. Задерживают грязь, лишний азот и фосфор, которые смываются с улиц, уменьшают потоки воды во время ливней и даже помогают экономить городские запасы воды.

Биоканава — это многослойный инженерный пирог. Выкапывают неглубокий лоток, обычно шириной от полуметра до двух и глубиной около 30 сантиметров. На дно насыпают щебень или гравий, сверху — слой песка, потом плодородную землю, а на поверхности высаживают специально подобранные растения, которые не боятся, что их то зальёт водой, а то одолеет зной. Когда идёт дождь, вода стекает с дороги в эту канаву. Грязь и песок оседают на растениях и в верхнем слое почвы. Часть воды впитывается в землю, а часть — медленно просачивается через гравийный слой и попадает в обычные трубы или прямо в грунт. Но главное отличие биоканавы от простой травяной канавы в том, что в ней живут полезные микроорганизмы, и корни растений перерабатывают азот и фосфор — те самые вещества, из-за которых цветут пруды. Биоканава, если её правильно спроектировать, может удалить до половины этих загрязнений.

Особенно широко такие канавы стали применять в Китае, когда в 2015 году запустили программу «городов-губок». Но оказалось, что даже при такой популярности специалисты не до конца разобрались, какие виды канав бывают, как их правильно строить и что мешает их развитию в будущем.

Учёные из Института городской среды Китайской академии наук и Университета Нинбо провели большой обзор и выпустили работу «Развитие придорожных зелёных канав в китайской программе „город-губка“: проблемы и возможности». Они проанализировали, что делается в мире по этой теме. Оказалось, что дольше всех и глубже всех канавами занимаются США, Британия и Австралия. Китай начал активно подтягиваться только в последние десять лет — как раз из-за массовой застройки городов и благодаря программе „город-губка“.

Подробности опубликованы в издании Frontiers of Engineering Management.

Мировые исследования прошли три этапа.

• Сначала, с 1996 по 2005 год, учёные в основном смотрели, как канавы переносят питательные вещества и борются с размывом грунта.
• Потом, до 2015 года, их начали связывать с системами устойчивого городского дренажа.
• А с 2016 по 2021 год на первый план вышли биоканавы — более сложные конструкции с растениями и особым слоем почвы, которые помогают справляться с последствиями климатических изменений.

Для расчётов чаще всего используют компьютерную модель управления ливневыми водами. Исследования подтвердили: зелёные канавы обходятся дешевле, чем специальные биодренажные зоны или проницаемое покрытие дорог.

Теперь о том, как устроены такие канавы. В китайских руководствах до сих пор нет чёткого определения, что считать зелёной канавой, и даже не упоминаются биоканавы. Поэтому учёные предложили свою систему для Китая, разделив все зелёные канавы на четыре типа: травяные (просто заросшие травой углубления), пропитывающие (где вода уходит в землю), биоканавы (с особым грунтом и растениями) и мокрые (в которых вода задерживается надолго). Для каждого типа описали, как он чистит воду и где его лучше применять.

Что касается растений, в мирой практике в такие канавы чаще всего высаживают многолетние травы, которые выдерживают и засуху, и переувлажнение. В Китае в биоканавах можно встретить бирючину блестящую и японский офиопогон — они выносят холод и засуху, но вот к засолению или длительному затоплению устойчивы не все. По форме канавы чаще делают трапециевидными — они лучше задерживают взвешенные частицы, чем треугольные. Длина канавы, её уклон и площадь сильно влияют на очистку. Уклон больше трёх процентов не советуют: вода пролетает слишком быстро, не успевая отфильтроваться.

Измерения на реальных китайских объектах показали, что канавы работают по-разному. Пик потока воды после дождя они снижают на 17–79 процентов, а общий объём стока — на 9–74 процента. Причём со временем, когда канавы «созревают», эффективность растёт. В очистке воды главный успех — задержание взвешенных частиц. Канавы улавливают от 48 до 98 процентов грязи, в то время как нормативы программы „город-губка“ требуют всего 40 процентов. А вот с азотом и фосфором сложнее. Азот удаляется нестабильно: от минус 10 процентов (то есть его может стать даже больше) до плюс 57 процентов. Фосфора задерживается от 13 до 77 процентов, и результат сильно зависит от сезона и того, сколько органики попало в канаву.

Главные проблемы, с которыми сталкиваются зелёные канавы в Китае

Проблема первая: канавы плохо вписывают в дорожное планирование. Для них нет строительных норм в проектах дорог, неясно, кто их финансирует, и нет чётких показателей, насколько они должны снижать загрязнение.

Проблема вторая: условия для канав подходят не везде. Их не стоит делать в местах с высоким загрязнением тяжёлыми металлами, где грунтовые воды подходят близко к поверхности или уклон больше 15 процентов. Кроме того, непонятно, как поведут себя канавы при совсем уж экстремальных ливнях.

Проблема третья: нужны деньги на постоянный уход. Сами по себе канавы дёшевы, но правительства привыкли тратить деньги на стройку новых объектов, а не на уход за старыми. Нет механизмов, которые привлекали бы частные инвестиции или помогали бы собирать средства с местных жителей.

Что предлагают учёные в ответ на эти трудности

• Выбирать местные выносливые растения, которые не боятся ни засухи, ни временного подтопления. Добавлять на входе в канаву отстойники или маленькие плотины-перегородки, чтобы вода не забивала канаву грязью сразу.

• Учитывать эффект «первого смыва» — в самом начале дождя вода уносит больше всего грязи. Бороться с этим можно, объединяя зелёные канавы с обычными серыми трубами и коллекторами.

• Подбирать тип канавы под местные условия. Например, для стоянок с небольшим загрязнением подойдут простые травяные канавы, а для оживлённых улиц и площадей — биоканавы или мокрые канавы.

• Обеспечивать уход за счёт разных источников денег: привлекать бизнес по схеме частно-государственного партнёрства, подключать местных жителей к финансированию, проводить регулярные осмотры и точечный ремонт.

Краткий анализ стоимости: насколько это доступно

Строительство зелёных канав обходится очень дёшево — меньше 20 центов за квадратный метр. Это в разы дешевле установки подземных очистных сооружений или замены асфальта на проницаемое покрытие. Обслуживание в годовом исчислении стоит всего 6 процентов от начальной цены, то есть копейки. Основные затраты — это ручная уборка мусора и прополка. Для любого городского бюджета, даже небогатого, такие расходы неощутимы. Дороже обходится не сама технология, а бездействие: если не чистить канавы, они заиливаются и перестают работать, и тогда приходится тратиться на ремонт или замену.

Как было раньше

До этой работы в Китае существовали разрозненные локальные рекомендации — например, для Нинбо или Шэньчжэня. Но не было единого обзора, который собрал бы воедино мировой опыт и чётко назвал бы слабые места именно китайской программы «город-губка». Предыдущие статьи в основном хвалили технологию. Эта работа — не прорыв, а скорее трезвый пересчёт. Она впервые открыто говорит о том, что канавы могут плохо удалять азот и фосфор, что их нельзя ставить где попало и что уход за ними в Китае финансируется из рук вон плохо. Это важный шажок вперёд, потому что теперь проектировщики не смогут делать вид, что проблем не существует.

Стоит отметить, что если неопытные проектировщики будут учитывать только преимущества канав и пропустят ограничения, то они начнут строить на крутых склонах или в местах с высокими грунтовыми водами. В первом случае вода будет просто стекать, не очищаясь, и размывать грунт. Во втором канавы превратятся в вечные зловонные лужи, где будут размножаться комары. Ещё один риск: акцент на дешевизне может подтолкнуть чиновников к массовой установке канав без нормального ухода, и через пару лет эти объекты превратятся в заросшие и замусоренные траншеи.

Саму технологию уже можно увидеть во многих китайских городах, например в Нинбо, Сямэне или Шэньчжэне. Если вы прогуляетесь по новому жилому району или по широкой улице с газоном, который заметно ниже уровня тротуара, — вы увидите зелёную канаву. Чтобы оценить результаты именно этого исследования, придется подождать пару лет: когда местные власти перепишут свои строительные нормы с учётом этих рекомендаций. Тогда появятся таблички или информационные стенды у канав, где будет написано, как они работают и кто за ними ухаживает. Каждый пешеход сможет пройтись после сильного дождя и увидеть, что дороги сухие, а рядом с канавой нет луж.

Сравнение с аналогами

В Европе и США вместо простых канав всё чаще ставят так называемые биополосы — те же канавы, но с инженерно подобранным фильтрующим слоем и обязательным дренажем. Они работают надёжнее, но и стоят дороже. Китайский подход дешевле, но и более рискованный.

Подвох, как уже отмечалось выше, в том, что зелёные канавы хорошо задерживают грязь, но плохо и непредсказуемо справляются с азотом и фосфором. А именно эти вещества вызывают цветение водоёмов и гибель рыбы. Вода после канавы может стать чище по взвесям, но по биогенам — останется почти такой же грязной, а иногда даже грязнее (вероятен прирост азота до 10 процентов). Китайские нормативы «города-губки» требуют задержания взвешенных частиц на 40 процентов — канавы этот показатель перевыполняют. Но нет жёстких требований к азоту и фосфору, поэтому проектировщики могут отчитаться об успехе, хотя настоящей экологической проблемы они не решат. Исследование эту слабость называет, но не даёт простого инженерного решения.

Ранее ученые разработали установку для очистки септиков без химии.