Непроницаемая поверхность

Непроницаемые поверхности представляют собой в основном искусственные конструкции, такие как тротуары ( дороги , тротуары , подъездные пути и парковки , а также промышленные зоны, такие как аэропорты , порты , логистические и распределительные центры , все из которых используют значительные площади с твердым покрытием), которые покрыты водой . устойчивые материалы, такие как асфальт , бетон , кирпич , камень и крыши . Почвы, уплотненные в результате городской застройки , также обладают высокой непроницаемостью.
Воздействие на окружающую среду
[ редактировать ]Непроницаемые поверхности представляют собой экологическую проблему, поскольку их строительство запускает цепочку событий, которые изменяют городской воздух и водные ресурсы:
- Материалы дорожного покрытия изолируют поверхность почвы , исключая проникновение дождевой воды и естественное пополнение грунтовых вод . Это может вызвать наводнение в городах . В статье в «Сиэтл Таймс» говорится, что «хотя городские территории занимают лишь 3 процента территории США, по оценкам, их стоки являются основным источником загрязнения 13 процентов рек, 18 процентов озер и 32 процентов эстуариев». [1]
- Некоторые из этих загрязнителей включают избыток питательных веществ из удобрений ; патогены ; отходы домашних животных; бензин , моторное масло и тяжелые металлы от транспортных средств; высокие нагрузки наносов от эрозии русла рек и строительных площадок; и такие отходы , как окурки, держатели для шести пачек и пластиковые пакеты, переносимые потоками ливневых вод . В некоторых городах паводковые воды попадают в комбинированную канализацию , вызывая их переполнение, смывая неочищенные сточные воды в ручьи. Загрязненные стоки могут иметь множество негативных последствий для рыб, животных, растений и людей.
- Непроницаемые поверхности собирают солнечное тепло в свою плотную массу. Когда выделяется тепло, оно повышает температуру воздуха, создавая городские «острова тепла» и увеличивая потребление энергии в зданиях. Теплый сток с непроницаемых поверхностей снижает содержание растворенного кислорода в речной воде, что затрудняет жизнь в водных экосистемах .
- Непроницаемые тротуары лишают корни деревьев аэрации, устраняя «городской лес» и тень крон, которые в противном случае могли бы смягчить городской климат. Поскольку непроницаемые поверхности вытесняют живую растительность, они снижают экологическую продуктивность и прерывают круговорот углерода в атмосфере .

Общий охват непроницаемыми поверхностями на территории, такой как муниципалитет или водораздел , обычно выражается в процентах от общей площади земли. Охват увеличивается с ростом урбанизации . В сельской местности непроницаемое покрытие может составлять всего один-два процента. с низкой плотностью В жилых районах охват увеличивается примерно с 10 процентов в населенных пунктах застройки до более 50 процентов в многоквартирных поселениях. В промышленных и коммерческих районах охват превышает 70 процентов. В региональных торговых центрах и густонаселенных городских районах он составляет более 90 процентов. В смежных 48 штатах США общая площадь городского непроницаемого покрытия составляет 43 000 квадратных миль (110 000 км2). 2 ). Застройка добавляет 390 квадратных миль (1000 км²). 2 ) ежегодно. Обычно две трети покрытия составляют тротуары, а одну треть — крыши зданий. [2]
Смягчение воздействия на окружающую среду
[ редактировать ]
Непроницаемое покрытие поверхности можно ограничить, ограничив плотность землепользования (например, количество домов на акр в подразделении), но этот подход приводит к освоению земель в другом месте (за пределами подразделения) для размещения растущего населения. (См. «Разрастание городов » . ) Альтернативно, городские постройки можно строить по-другому, чтобы они функционировали больше как естественные проницаемые почвы; примерами таких альтернативных структур являются пористые тротуары , зеленые крыши и инфильтрационные бассейны .
Дождевую воду с непроницаемых поверхностей можно собирать в резервуары для дождевой воды и использовать вместо основной воды. На острове Каталина, расположенном к западу от порта Лонг-Бич, были предприняты значительные усилия по улавливанию осадков, чтобы минимизировать затраты на транспортировку с материка.
Частично в ответ на недавнюю критику со стороны муниципалитетов ряд производителей бетона, такие как CEMEX и Quikrete, начали производить проницаемые материалы, которые частично смягчают воздействие обычного непроницаемого бетона на окружающую среду. Эти новые материалы состоят из различных комбинаций твердых тел природного происхождения , включая мелкие и крупнозернистые породы и минералы , органические вещества (включая живые организмы ), лед , выветрившиеся породы и осадки , жидкости (в основном водные растворы ) и газы . [3] Пандемия COVID-19 породила предложения о радикальных изменениях в организации города. [4] заключающееся в резком уменьшении наличия непроницаемых поверхностей и восстановлении проницаемости почвы по одному из элементов.
Процент непроницаемости
[ редактировать ]
Процент непроницаемости, обычно называемый в расчетах PIMP, является важным фактором при рассмотрении дренажа воды. Он рассчитывается путем измерения процента водосборной площади, состоящей из непроницаемых поверхностей, таких как дороги, крыши и другие мощеные поверхности. Оценка PIMP дается как PIMP = 6,4J^0,5, где J — количество жилищ на гектар (Батлер и Дэвис, 2000). Например, лесной массив имеет значение PIMP, равное 10 %, тогда как густые коммерческие районы имеют значение PIMP, равное 100 %. Эта переменная используется в Справочнике по оценке наводнений .

Гомер и другие (2007) указывают, что около 76 процентов территории Соединенных Штатов классифицируются как имеющие менее 1 процента непроницаемого покрытия, 11 процентов с непроницаемым покрытием от 1 до 10 процентов, 4 процента с предполагаемым непроницаемым покрытием от 11 до 20 процентов. , 4,4 процента при расчетном непроницаемом покрытии от 21 до 40 процентов и около 4,4 процента при расчетном непроницаемом покрытии более 40 процентов. [5] [6]
Общая непроницаемая площадь
[ редактировать ]Общая непроницаемая площадь (TIA), обычно называемая в расчетах непроницаемым покрытием (IC), может быть выражена в виде дроби (от нуля до единицы) или процента. Существует множество методов оценки TIA, включая использование Национального набора данных о земельном покрове (NLCD). [7] с географической информационной системой (ГИС), категориями землепользования с категориальными оценками TIA, обобщенным процентом освоенной площади и взаимосвязью между плотностью населения и TIA. [6]
Набор данных о непроницаемой поверхности NLCD США может предоставить высококачественный, согласованный на национальном уровне набор данных о растительном покрове в формате, готовом для ГИС, который можно использовать для оценки значения TIA. [6] NLCD последовательно определяет процент антропогенного TIA для NLCD с разрешением пикселей 30 метров (900 м2) по всей стране. В наборе данных каждый пиксель количественно определяется как имеющий значение TIA в диапазоне от 0 до 100 процентов. Оценки TIA, полученные с использованием набора данных о водонепроницаемой поверхности NLCD, представляют собой совокупное значение TIA для каждого пикселя, а не значение TIA для отдельного непроницаемого элемента. Например, двухполосная дорога в травянистом поле имеет значение TIA, равное 100 процентам, но пиксель, содержащий дорогу, будет иметь значение TIA, равное 26 процентам. Если дорога (в равной степени) пересекает границу двух пикселей, каждый пиксель будет иметь значение TIA, равное 13 процентам. Анализ качества данных набора данных NLCD 2001 с вручную разграниченными выборочными областями TIA показывает, что средняя ошибка прогнозируемого и фактического TIA может варьироваться от 8,8 до 11,4 процента. [5]
Оценки TIA на основе землепользования производятся путем определения категорий землепользования для крупных участков земли, суммирования общей площади каждой категории и умножения каждой площади на характерный коэффициент TIA. [6] Категории землепользования обычно используются для оценки TIA, поскольку территории с общим землепользованием можно определить на основе полевых исследований, карт, информации о планировании и зонировании, а также на основе удаленных изображений. Обычно используются методы коэффициентов землепользования, поскольку карты планирования и зонирования, которые определяют схожие территории, все чаще доступны в форматах ГИС. Кроме того, методы землепользования выбираются для оценки потенциального воздействия будущего развития на TIA с помощью карт планирования, которые количественно определяют прогнозируемые изменения в землепользовании. [8] Существуют существенные различия в фактических и расчетных оценках TIA в различных исследованиях, опубликованных в литературе. Такие термины, как низкая плотность и высокая плотность, могут различаться в разных регионах. [9] Плотность застройки в полакра на дом можно классифицировать как высокую плотность в сельской местности, среднюю плотность в пригороде и низкую плотность в городской местности. Гранато (2010) [6] предоставляет таблицу со значениями TIA для различных категорий землепользования из 30 исследований, опубликованных в литературе.
Процент освоенной территории (PDA) обычно используется для оценки TIA вручную с использованием карт. [6] Консорциум по характеристикам земли с несколькими разрешениями (MRLCC) определяет застроенную территорию как покрытую не менее 30 процентами строительных материалов. [10] ). Саутард (1986) [11] неосвоенные территории определены как естественная, сельскохозяйственная или разбросанная жилая застройка . Он разработал уравнение регрессии для прогнозирования TIA, используя процент освоенной площади (таблица 6-1). Он разработал свое уравнение, используя логарифмическую степенную функцию с данными из 23 бассейнов штата Миссури . Он отметил, что этот метод имеет преимущества, поскольку можно быстро очертить крупные бассейны и оценить TIA вручную по имеющимся картам. Гранато (2010) [6] разработал уравнение регрессии, используя данные из 262 бассейнов рек в 10 мегаполисах сопредельных Соединенных Штатов с площадью водосбора от 0,35 до 216 квадратных миль и значениями PDA от 0,16 до 99,06 процента.
TIA также оценивается на основе данных о плотности населения путем оценки численности населения в интересующей области и использования уравнений регрессии для расчета соответствующего TIA. [6] Данные о плотности населения используются, поскольку согласованные на национальном уровне данные переписных блоков доступны в форматах ГИС для всей территории Соединенных Штатов. Методы определения плотности населения также можно использовать для прогнозирования потенциальных последствий будущего развития. Хотя в отношениях между плотностью населения и TIA могут быть существенные различия, точность таких оценок имеет тенденцию улучшаться с увеличением площади водосбора, поскольку местные различия усредняются. [12] Гранат (2010) [6] предоставляет таблицу с 8 соотношениями плотности населения из литературы и новым уравнением, разработанным с использованием данных из 6255 бассейнов рек в наборе данных Геологической службы США GAGESII. [13] Гранат (2010) [6] также предоставляет четыре уравнения для оценки TIA на основе плотности жилья , которая связана с плотностью населения.
TIA также оценивается на основе точных карт, полученных с помощью дистанционного зондирования . Дистанционное зондирование широко используется для обнаружения непроницаемых поверхностей. [14] [15] Обнаружение непроницаемых зон с использованием глубокого обучения в сочетании со спутниковыми изображениями стало революционным методом в дистанционном зондировании и мониторинге окружающей среды . Алгоритмы глубокого обучения, в частности сверточные нейронные сети (CNN), произвели революцию в нашей способности идентифицировать и количественно оценивать непроницаемые поверхности по спутниковым изображениям высокого разрешения. Эти модели могут автоматически извлекать сложные пространственные и спектральные характеристики, что позволяет им различать непроницаемые и непроницаемые поверхности с исключительной точностью. [16] [17] [18]
Естественная непроницаемая зона
[ редактировать ]Естественные непроницаемые территории определяются здесь как земные покровы , которые могут способствовать значительному количеству ливневых потоков во время небольших и крупных ливней, но обычно классифицируются как проницаемые территории. [6] Эти районы обычно не рассматриваются в качестве важного источника ливневых потоков в большинстве исследований качества шоссейных и городских стоков , но могут вызывать значительное количество ливневых потоков. Эти естественные непроницаемые территории могут включать открытую воду, водно-болотные угодья , обнажения горных пород, бесплодную почву (естественные почвы с низкой водонепроницаемостью) и участки уплотненных почв . Естественные непроницаемые территории, в зависимости от их характера и предшествующих условий, могут вызывать ливневые потоки в результате инфильтрационного избыточного сухопутного стока, насыщенного сухопутного стока или прямых осадков. Ожидается, что влияние естественных непроницаемых территорий на образование стока будет более важным в районах с низким TIA , чем в высокоразвитых районах.
НЖКД [19] предоставляет статистические данные о растительном покрове, которые можно использовать в качестве качественной меры распространенности различных земельных покровов, которые могут действовать как естественные непроницаемые территории. Открытая вода может выступать в качестве естественной непроницаемой зоны, если прямые осадки направляются через сеть каналов и попадают в виде ливневых потоков на интересующий участок. Водно-болотные угодья могут выступать в качестве естественной непроницаемой зоны во время ливней, когда разгрузка грунтовых вод и насыщающий наземный поток составляют значительную часть ливневых стоков. Бесплодная почва в прибрежных районах может выступать в качестве естественной непроницаемой зоны во время ураганов, поскольку эти территории являются источником инфильтрации избыточных сухопутных потоков. На первый взгляд уязвимые районы, пострадавшие от деятельности в области развития, могут действовать какнепроницаемые территории и создают инфильтрационные избыточные наземные потоки. Эти ливневые потоки могут возникать даже во время ливней, которые не соответствуют критериям объема или интенсивности осадков, чтобы обеспечить сток на основе номинальной скорости инфильтрации.
Застроенные проницаемые территории могут вести себя как непроницаемые, поскольку застройка и последующее использование имеют тенденцию уплотнять почву и снижать скорость инфильтрации. Например, Фелтон и Лулл (1963). [20] Измеренные скорости инфильтрации лесных почв и газонов показали потенциальное снижение инфильтрации на 80 процентов в результате деятельности по развитию. Точно так же Тейлор (1982) [21] провели инфильтрометрические испытания на территориях до и после застройки пригородов и отметили, что изменение и уплотнение верхнего слоя почвы в результате строительных работ снизили уровень инфильтрации более чем на 77 процентов.
См. также
[ редактировать ]- Биосвале
- Хардскейп
- Гидравлическая проводимость
- Гидрофобный грунт
- Проницаемость (жидкость)
- Почвенная корка
- Уплотнение почвы
- Устойчивые городские дренажные системы
- Городское наводнение
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Каппиелло, Дина. «Отчет: Агентству по охране окружающей среды не удалось остановить разрастание стока». Сиэтл Таймс, 16 октября 2008 г.
- ^ Шулер, Томас Р. «Важность непроницаемости». Архивировано 27 февраля 2009 г. в Wayback Machine . Перепечатано в журнале «Практика защиты водоразделов». Архивировано 23 декабря 2008 г. в Wayback Machine 2000. Центр защиты водоразделов. Элликотт-Сити, Мэриленд.
- ^ Розенберг, Картер, 2006, Антинепроницаемые поверхности: экологическое воздействие альтернатив бетону , Трой, Нью-Йорк: Luminopf Press.
- ^ Паолини, Массимо (20 апреля 2020 г.). «Манифест по реорганизации города после COVID19» . Проверено 1 мая 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Гомер К., Девиц Дж., Фрай Дж., Коан М., Хоссейн Н., Ларсон К., Херольд Н., МакКерроу А., ВанДриел Дж.Н. и Уикхем Дж., 2007 г., Завершение создания Национальной базы данных земельного покрова на территории Соединенных Штатов за 2001 г.: Фотограмметрическая инженерия и дистанционное зондирование, т. 73, вып. 4, с. 337-341.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л Гранато, GE, 2010 г., Обзор методов, используемых для оценки водонепроницаемости дренажного бассейна. Приложение 6 « Методы разработки оценок ливневых потоков на уровне планирования на неконтролируемых участках на территории США : Федеральное управление шоссейных дорог», FHWA-HEP-09-005 «Доступно онлайн». Архивировано 6 сентября 2015 г. в Wayback Machine.
- ^ Национальный набор данных о земельном покрове (NLCD)
- ^ Каппиелла К. и Браун К., 2001, Землепользование и непроницаемый покров в районе Чесапикского залива: Методы защиты водораздела, т. 3, вып. 4, с. 835-840.
- ^ Хитт, К.Дж., 1994, Уточнение данных о землепользовании 1970-х годов с данными о населении 1990 года для указания на новую жилую застройку: Отчет об исследованиях водных ресурсов Геологической службы США 94-4250, 15 стр.
- ^ Агентство по охране окружающей среды США, 2009 г., Схемы классификации национальных данных о земельном покрове (NLCD) «Доступно в Интернете»
- ^ Саутард, RE, 1986, Альтернативная характеристика бассейна для использования при оценке непроницаемой площади в городских бассейнах штата Миссури: Отчет об исследованиях водных ресурсов Геологической службы США 86-4362, 21 стр.
- ^ Район канализации и дренажа Большого Ванкувера, 1999, Оценка текущих и будущих условий водораздела и водосбора территории GVS&DD - Бернаби, Ванкувер, Британская Колумбия, Канада, Район канализации и дренажа Большого Ванкувера, 53 стр. доступно по адресу: «Доступно онлайн»
- ^ Фальконе, Джеймс, Стюарт, Дж., Собещик, С., Дюпри, Дж., МакМэхон, Г. и Бьюэлл, Г., 2007, Сравнение природных и городских характеристик и развитие индексов интенсивности городского развития в шести географических регионах. настройки: Отчет о научных исследованиях Геологической службы США, 2007-5123, 43 стр.
- ^ Слонекер, Э. Терренс; Дженнингс, Дэвид Б.; Гарофало, Дональд (август 2001 г.). «Дистанционное зондирование непроницаемых поверхностей: обзор» . Обзоры дистанционного зондирования . 20 (3): 227–255. дои : 10.1080/02757250109532436 . ISSN 0275-7257 . S2CID 129163574 .
- ^ Ван, Юлян; Ли, Минши (сентябрь 2019 г.). «Обнаружение городских непроницаемых поверхностей по изображениям дистанционного зондирования: обзор методов и проблем» . Журнал IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию . 7 (3): 64–93. Бибкод : 2019IGRSM...7c..64W . дои : 10.1109/MGRS.2019.2927260 . ISSN 2168-6831 . S2CID 202729909 .
- ^ Джакко, Джованни; Марроне, Стефано; Ланджелла, Джулиано; Сансоне, Карло (2022). «ReFuse: создание карт непроницаемости на основе мультиспектральных спутниковых изображений Sentinel-2» . Будущий Интернет . 14 (10): 278. дои : 10.3390/fi14100278 . ISSN 1999-5903 .
- ^ Хуан, Фэнхуа; Ю, Ин; Фэн, Тинхао (01 января 2019 г.). «Автоматическое извлечение непроницаемых поверхностей из изображений дистанционного зондирования высокого разрешения на основе глубокого обучения» . Журнал визуальных коммуникаций и представления изображений . 58 : 453–461. дои : 10.1016/j.jvcir.2018.11.041 . ISSN 1047-3203 . S2CID 67752320 .
- ^ Хуан, Фэнхуа; Ю, Ин; Фэн, Тинхао (01 апреля 2019 г.). «Автоматическое извлечение городских непроницаемых поверхностей на основе глубокого обучения и данных дистанционного зондирования из нескольких источников» . Журнал визуальных коммуникаций и представления изображений . 60 : 16–27. дои : 10.1016/j.jvcir.2018.12.051 . ISSN 1047-3203 . S2CID 127292328 .
- ^ Геологическая служба США, 2007 г., База данных статистики земельного покрова NLCD Института земельного покрова Геологической службы США - Посмотреть базу данных статистики земельного покрова NLCD «Доступно в Интернете»
- ^ Фелтон, П.М., и Лулл, Х.В., 1963, Пригородная гидрология может улучшить условия водораздела: Журнал общественных работ, т. 94, стр. 93-94.
- ^ Тейлор, CH 1982, Влияние на реакцию ливневого стока сезонных колебаний в способствующих зонах в небольшихводоразделы (Онтарио): Nordic Hydrology, т. 13, вып. 3, с. 165-182.
Библиография
[ редактировать ]- Батлер Д. и Дэвис Дж. У., 2000, Городской дренаж , Лондон: Spon.
- Фергюсон, Брюс К. , 2005, Пористые тротуары , Бока-Ратон: CRC Press.
- Фрейзер, Лэнс, 2005, Мощение рая: опасность непроницаемых поверхностей, Перспективы гигиены окружающей среды , Vol. 113, № 7, с. А457-А462.
- Агентство по охране окружающей среды США. Вашингтон, округ Колумбия. «После бури». Документ № EPA 833-B-03-002. Январь 2003 года.
Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов Геологической службы США и Федерального управления шоссейных дорог .