Городские тепловые острова (UHI) являются растущей проблемой для городских районов во всем мире, где плотная инфраструктура, деятельность человека и ограниченная растительность объединяются, чтобы создать температуры значительно выше, чем те из окружающих сельских зон. Это явление не только повышает потребление энергии для охлаждения, но и создает серьезные риски для общественного здравоохранения, особенно для уязвимых групп населения, таких как пожилые люди и те, у которых уже есть условия. Подходы к водной политике предлагают мощный и часто недостаточно используемый набор инструментов для смягчения последствий UHI. Интегрируя устойчивое управление водными ресурсами со стратегической зеленой инфраструктурой и расширением городских водоемов, города могут охладить свою окружающую среду, улучшить контроль ливневых вод и построить большую устойчивость к изменению климата. В этой статье рассматриваются механизмы, лежащие в основе UHI, излагаются действенные стратегии политики в области водных ресурсов, рассматриваются успешные тематические исследования и обсуждаются проблемы реализации - все с целью оснащения городских планировщиков, политиков и лидеров сообщества знаниями для создания более прохладных, здоровых городов.

Понимание городских тепловых островов: причины и последствия

Эффект городского теплового острова возникает, когда естественный земельный покров, такой как деревья, трава и почва, заменяется непроницаемыми, поглощающими тепло поверхностями, такими как асфальт, бетон и темные кровельные материалы. Эти поверхности поглощают солнечное излучение в течение дня и переиздают его в виде тепла ночью, заставляя городские районы нагреваться быстрее и охлаждаться медленнее, чем сельская среда. Кроме того, отработанное тепло от транспортных средств, кондиционеров и промышленных процессов добавляет к тепловой нагрузке. Результат: городские центры могут быть на 1-7 ° F (0,6-4 ° C) теплее, чем прилегающие сельские районы в течение дня, и до 22 ° F (12 ° C) теплее ночью в экстремальных случаях.

Последствия УВЗ выходят далеко за рамки простого дискомфорта. Повышенные температуры усугубляют загрязнение воздуха за счет ускорения образования озона на уровне земли, ключевого компонента смога. Болезни и смерти, связанные с жарой, резко возрастают во время длительных тепловых волн, причем районы с низким уровнем дохода часто несут непропорциональное бремя из-за ограниченного зеленого пространства и более старого, плохо изолированного жилья. Более высокий спрос на кондиционеры напрягает электрические сети и увеличивает выбросы парниковых газов, создавая петлю обратной связи, которая усугубляет саму проблему, частью которой являются УВЗ. Системы водоснабжения также страдают: повышенное испарение из водохранилищ и более высокий спрос на воду для орошения и охлаждения могут напрягать и без того дефицитные водные ресурсы.

Как водная политика может охладить городскую среду

Подходы к смягчению последствий УВИ в области водной политики строятся вокруг трех взаимосвязанных принципов: увеличение испарения (эвапотранспирация), повышение альбедо поверхности (отражательной способности) с помощью водоудерживающих материалов и использование тепловой массы водоемов. При согласовании управления водными ресурсами с городским дизайном города могут создавать более прохладные микроклиматы. Ниже приведены основные стратегии, которые должны учитывать политики.

1. Инвестирование в зеленую инфраструктуру

Зеленая инфраструктура использует растительность, почвы и природные процессы для управления водой там, где она падает.

  • Зеленые крыши — слои растительности на крышах, которые поглощают дождевую воду, обеспечивают изоляцию и охлаждают оболочку здания.Зеленые крыши могут снизить температуру поверхности крыши на 30–60 ° F (17–33 ° C) по сравнению с обычными темными крышами.
  • Дождевые сады и клетки биоудержания — мелководные, посаженные углубления, которые собирают стоки ливневой воды, позволяя ей проникать и поглощаться растениями. Эвапотранспирация от этих особенностей снижает температуру окружающей среды.
  • Прозрачные тротуары — Поверхности, которые позволяют воде проходить, уменьшая стоки и сохраняя воду под землей.По мере испарения воды с тротуара и подбазы она охлаждает поверхность.
  • Городские деревья и уличные деревья — Деревья обеспечивают тень и проточной водяной пар. Стратегическая посадка вдоль улиц и на парковках может снизить местные температуры на 2–9 °F (1–5 °C).
  • Построенные водно-болотные угодья и удерживающие пруды — Эти водоудерживающие элементы не только управляют ливневыми водами, но и обеспечивают охлаждение за счет испарения и радиационного теплообмена.

Политика, которая предписывает или стимулирует зеленую инфраструктуру для новых разработок, парковок и общественных зданий, имеет решающее значение. Многие города теперь требуют, чтобы определенный процент непроницаемой площади был компенсирован зеленым покрытием крыши или дождевыми садами. Скидки, бонусы за плотность и кредиты на сбор за штормовые воды могут побудить владельцев частной собственности принять эти меры.

2.Расширение городских водоемов

Вода обладает высокой удельной теплоемкостью, то есть может поглощать большое количество тепла без значительного повышения температуры. Днем водоемы выступают в роли теплоотводов; ночью они постепенно выделяют накопленное тепло, смягчая температурные провалы. Каналы, озера, пруды, фонтаны и даже отражающие водные объекты могут значительно снизить эффект UHI в их окрестностях.

К политическим подходам к расширению городских водоемов относятся:

  • Восстановление естественных водных путей[1] — многие города зарыли или направили потоки; дневной свет на них (раскрытие и восстановление) может создать линейные охлаждающие коридоры.
  • Создание городских озер и удержания бассейнов — Они служат двойным целям для борьбы с наводнениями и охлаждения. Например, Бишань-Анг Мо Кио Парк в Сингапуре превратил бетонный дренажный канал в натурализованную реку, уменьшив окружающие температуры на несколько градусов.
  • Установка декоративных фонтанов и систем тумана — На общественных площадях эти функции обеспечивают немедленное испарительное охлаждение.
  • Защита и расширение водно-болотных угодий — Водно-болотные угодья обеспечивают идеальный баланс водной поверхности и растительности, предлагая высокие показатели эвапотранспирации.

Важно отметить, что водоемы должны поддерживаться во избежание роста водорослей и проблем с комарами. Политика должна сочетаться с постоянным мониторингом и участием общественности.

3. Водно-эффективный ландшафтный дизайн и ксериспейпинг

Традиционные газоны требуют большого количества орошения и обеспечивают относительно небольшую пользу для охлаждения по сравнению с различными, водосберегающими ландшафтами. Ксерискейпинг - с использованием засухоустойчивых местных растений наряду с эффективным орошением - снижает спрос на воду, все еще обеспечивая охлаждение эвапотраспирации. В полузасушливых и засушливых городах, таких как Феникс и Лас-Вегас , политика, которая ограничивает деревца и стимулирует адаптированные к пустыне растения, как было показано, снижает температуру окружающей среды на 2-5 ° F (1-3 ° C).

Водные инженерные службы могут играть ключевую роль, предлагая многоуровневые цены на воду, скидки на замену газона и техническую помощь в ландшафтном дизайне.Кроме того, местные постановления могут потребовать, чтобы новые разработки включали минимальный процент ксерического озеленения, особенно в районах с повышенной теплоуязвимостью.

4. Интегрированные сети управления водными ресурсами и охлаждения

Помимо индивидуальных особенностей, города могут внедрять решения районного масштаба. Системы охлаждения в районах , которые используют переработанную воду или стоки сточных вод в качестве охлаждающей жидкости для зданий, могут уменьшить количество отработанного тепла, выделяемого в городскую атмосферу. аквиферное хранение тепловой энергии (ATES) использует подземные воды для хранения и высвобождения тепловой энергии, обеспечивая эффективное отопление и охлаждение. Политика, которая поддерживает права на воду для геотермального обмена и переработанную воду для градирней, может умножить преимущества.

Комплексное управление водными ресурсами также означает согласование сбора ливневых вод с смягчением жары. Сбор дождевой воды в цистернах, если они используются для орошения или смачивания поверхности, повышает местную влажность и охлаждение. Системы серы могут поставлять воду для зеленой инфраструктуры в сухие периоды, обеспечивая сохранение растений и почвы влажными, а испарительное охлаждение продолжается даже без осадков.

Механизмы осуществления политики и финансирования

Для воплощения идей водной политики в реальность требуется политическая воля, общественная поддержка и устойчивое финансирование. Эффективные подходы включают:

  • Сборы за коммунальные услуги в буровых водоемах с кредитами — Многие города взимают плату за недвижимость на основе непроницаемой площади. Предоставление кредитов для установок зеленой инфраструктуры обеспечивает прямой финансовый стимул. Например, Филадельфия взимает плату за ливневую воду и позволяет кредиты для зеленых крыш, дождевых садов и проницаемого тротуара, генерируя более 40 миллионов долларов в год для зеленых инвестиций.
  • Зелёные строительные нормы и наложения зонирования — Обязательство на использование зеленых крыш или водных объектов в новых крупномасштабных разработках может стать стандартной практикой.
  • Государственно-частное партнерство (ГЧП) — Разработчики могут компенсировать расходы на управление ливневыми водами, создавая общественные водные объекты или зеленые насаждения в обмен на бонусы за плотность.
  • Муниципальные облигации и облигации воздействия на окружающую среду[1] — Города могут выпускать облигации специально для проектов «зеленой» инфраструктуры, с доходностью, связанной с измеримыми результатами, такими как снижение температуры или объем стока.
  • Федеральные и государственные гранты (FLT: 1) — Программы, такие как План действий Агентства по охране окружающей среды США (FLT: 2) Водная инфраструктура и устойчивость (FLT: 3) и Стратегия адаптации к климату Европейского Союза (FLT: 4) обеспечивают финансирование природных решений.
  • Участие сообщества и сопутствующие выгоды — Политика, которая отдает приоритет инвестициям в малообеспеченные и уязвимые к жаре районы, может обеспечить справедливость при охлаждении города. Программы обучения работе для установки и обслуживания зеленой крыши добавляют экономическую ценность.

Тематические исследования: города, ведущие

Лос-Анджелес, Калифорния

Лос-Анджелес пережил экстремальную жару и засуху, подталкивая город принять амбициозный план охлаждения , который объединяет управление водными ресурсами. , который включает в себя все новые здания, включая прохладные крыши (белые или отражающие) и предлагает скидки для посадки деревьев и дождевых садов. Проект по оживлению реки направлен на восстановление 51 мили реки с натурализованными берегами и прибрежными средами обитания, создавая охлаждающий коридор, который также управляет ливневыми водами. Ранние результаты показывают снижение температуры на 2-3 ° F вдоль восстановленных сегментов. Кроме того, городская программа эффективности воды преобразовала более 1500 акров дерна в засухоустойчивый ландшафтный дизайн, экономя 1,2 миллиарда галлонов воды ежегодно при снижении местных температур.

Сингапур

Сингапур часто упоминается как модель для интеграции управления водой и теплом. Его Активные, красивые, чистые воды (ABC Waters) программа превращает бетонные стоки в натурализованные ручьи и пруды. Сады залива использует опреснительные установки морской воды и регенерированную воду для орошения своих супердеревьев и консерваторий, создавая прохладный микроклимат даже в тропических условиях. Город-государство также предписывает зеленые крыши на новых общественных жилых объектах и установило более 100 гектаров зеленых крыш по всему городу. Исследования показывают, что парки и водные объекты в Сингапуре на 2-5 ° C прохладнее, чем прилегающие застроенные районы.

Мельбурн, Австралия

Мельбурнская стратегия городского леса и Комплексный план управления водными ресурсами нацелены на охлаждение города на 4 °C к 2040 году. Город посадил более 70 000 деревьев и использует очищенную ливневую воду для орошения их в сухое лето. Также требуется, чтобы все новые разработки достигли оценки водочувствительного городского дизайна (WSUD), включающей дождевые сады, проницаемые тротуары и сбор воды.Королевские парковые водно-болотные угодья естественным образом обрабатывают стоки, обеспечивая при этом охлаждающую выгоду на 3 °C для окружающего района.

Копенгаген, Дания

После крупного взрыва облаков в 2011 году Копенгаген переработал свою систему ливневых вод с учетом смягчения жары. План управления облачными бурями превращает улицы, площади и парки во временные водоудерживающие бассейны, которые также служат общественными оазисами охлаждения. Парки, такие как Enghaveparken хранят до 18 000 кубических метров дождевой воды, в то время как поверхность воды и прилегающая зелень снижают местные температуры на 1-2 ° C во время тепловых волн. Город использует комбинацию зеленых крыш, проницаемых тротуаров и новых озер по всему его районам.

Проблемы и соображения

Хотя подходы к смягчению последствий УВИ в области водной политики являются многообещающими, необходимо решить ряд проблем:

  • Нехватка воды — В засушливых регионах использование воды для охлаждения должно быть сбалансировано с сохранением. Политика должна уделять приоритетное внимание непотопляемым источникам воды, таким как очищенные ливневые воды, серые воды и регенерированные сточные воды.
  • Обязательство по техническому обслуживанию — Зеленая инфраструктура и водные объекты требуют постоянного обслуживания. Без выделенного финансирования и муниципального потенциала системы могут выйти из строя, что приведет к вспышкам комаров или наводнениям.
  • Климатическая изменчивость — Экстремальная засуха или сильные дожди могут создавать стресс как для естественных, так и для инженерных систем.
  • Проблемы с акциями — Преимущества охлаждения часто нарастают в более богатых районах в первую очередь. Политика должна целенаправленно ориентироваться на инвестиции в уязвимые к жаре сообщества, чтобы избежать расширения существующих диспропорций.
  • Регулятивные и институциональные барьеры — Права на воду, сотрудничество между департаментами (например, водоснабжение, департаменты парков, агентства по планированию) и устаревшие кодексы могут замедлить реализацию.

Будущие направления

По мере усиления изменения климата потребность в эффективном смягчении последствий УВИ будет только расти.

  • Планирование на основе данных — Использование спутниковых тепловых изображений, датчиков IoT и климатических моделей для выявления горячих точек и целевых вмешательств. Такие города, как округ Майами-Дейд, теперь используют индексы уязвимости к воздействию тепла для направления финансирования.
  • Сети сине-зеленой инфраструктуры — Соединение зеленых крыш, парков, водно-болотных угодий и водных объектов в непрерывные коридоры максимизирует охлаждающие эффекты и обеспечивает связь с средой обитания.
  • Адаптивное управление — рассмотрение политики в области водных ресурсов в качестве итеративных экспериментов с мониторингом и корректировкой на основе наблюдаемых результатов.
  • Сопроектирование сообщества — Вовлечение жителей в проектирование водных объектов и зеленых насаждений обеспечивает культурную актуальность и долгосрочное управление.
  • Интеграция с планами действий в области теплоснабжения – Политика в области водоснабжения должна координироваться с предупреждениями общественного здравоохранения, центрами охлаждения и информационно-пропагандистской деятельностью среди групп риска во время тепловых волн.

Заключение

Городские тепловые острова являются насущной проблемой для окружающей среды и общественного здравоохранения, но водная политика предлагает набор эффективных, основанных на природе решений. Путем продвижения зеленой инфраструктуры, расширения городских водоемов, поощрения водосберегающих ландшафтов и интеграции управления водными ресурсами в системы охлаждения и ливневых вод, города могут значительно снизить температуры, а также улучшить водную безопасность, качество воздуха и качество жизни. Тематические исследования Лос-Анджелеса, Сингапура, Мельбурна и Копенгагена демонстрируют, что эти подходы не только осуществимы, но и экономически эффективны, когда учитываются долгосрочные выгоды. Политики и градостроители должны предпринять смелые совместные действия сейчас - инвестиции в водочувствительный дизайн, устранение нормативных барьеров и определение приоритетов справедливости - для создания более холодных, более устойчивых к воздействию воды городов на будущее. Вода, которой мы управляем сегодня, является климатическим страхованием завтрашнего дня. Для дальнейшего чтения, обратитесь к странице Агентства по охране окружающей среды Эффект теплового острова и ресурсы Всемирного банка Вода и устойчивость к изменению климата .