Очищенная вода против пожаров в зоне соприкосновения леса и населённых пунктов: проект UIA-GUARDIAN в Рибарроха-де-Турия и Патерне

Javier Anguiano Aranzubia

Hidraqua

Jose Morales

Городской совет Рибарроха-де-Турия (Ayuntamiento de Riba-roja de Túria)

Ferrán Dalmau Rovira

Medi XXI

Lydia Puchol Rodríguez

Medi XXI

Francesc Hernández Sancho

Университет Валенсии (Universidad de Valencia)

Carlos Echevarria Diez-Canedo

Cetaqua

АННОТАЦИЯ

Лесные пожары в так называемой зоне соприкосновения леса и населённых пунктов (Wildland Urban Interface, WUI) превратились для таких территорий в нарастающую угрозу, что недавно показали, в частности, события с большим числом жертв в 2018 году в Греции и Калифорнии и в 2017 году в Португалии и Испании (Галисия).

Применение инновационных технологий и стратегий, успешно использовавшихся в последние годы и основанных на увеличении запаса структурной воды в зелёных противопожарных полосах, а также на профилактическом поливе и поливе для подавления огня, упирается в проблему наличия необходимых водных ресурсов. Этот барьер особенно значим в районах, где водный стресс, связанный с изменением климата, одновременно повышает пожарную опасность.

Проект GUARDIAN, реализуемый в валенсийских муниципалитетах Рибарроха-де-Турия (Riba-roja de Túria) и Патерна (Paterna) при поддержке Европейского союза в рамках программы «Инновационные городские инициативы» (Urban Innovative Actions), призван решить эту задачу за счёт использования очищенной (регенерированной) воды, интегрированного во внедрение упомянутых решений. Кроме того, в проекте GUARDIAN будут применены передовые методы очистки, позволяющие использовать для этой цели стоки, загрязнённые в результате применения пестицидов в сельском хозяйстве, с соблюдением критериев эффективности и устойчивости.

1. ПРЕДЫСТОРИЯ

2018 год стал печальным напоминанием о том, какой разрушительной силой могут обладать лесные пожары, когда они доходят до населённых мест. В Греции (область Аттика) в июле 2018 года относительно небольшой по площади и продолжительности пожар стал самым смертоносным в стране с 2007 года. Пожар, унёсший жизни 76 человек, ранивший 187 (164 взрослых и 23 ребёнка) и вынудивший эвакуировать более 700 человек, начался с нескольких очагов в лесном массиве в 50 километрах к юго-западу от Афин.

Осенью того же года лесные пожары в Калифорнии (США) были признаны самыми разрушительными за всю историю наблюдений в этом штате. По данным Департамента лесного хозяйства и противопожарной защиты Калифорнии и Национального межведомственного пожарного центра на 11 ноября, в 2018 году в общей сложности 7579 пожаров охватили площадь 6749,57 км² — наибольшую площадь, выгоревшую за один пожароопасный сезон в Калифорнии за всю историю наблюдений. Ущерб от пожаров превысил 3,5 млрд долларов США (в ценах 2018 года). Предварительное число погибших составило 94 человека, при этом сообщалось о 1011 пропавших без вести. Только в одном пожаре (Camp, ноябрь 2018 года) погибли 86 человек.

1.1. Воздействие лесных пожаров на застроенные территории

Городские территории Европы, соприкасающиеся с лесными массивами или расположенные рядом с ними, — в так называемой зоне соприкосновения леса и населённых пунктов (WUI, по английской аббревиатуре) — всё чаще сталкиваются со всё более частыми и интенсивными лесными пожарами, которые затрагивают население, инфраструктуру, имущество, услуги и бизнес.

WUI — простой, но однозначный термин для сложной реальности, особенно в тех сценариях, когда пламя, дым и кромка приближающегося лесного пожара настигают людей в любое время и в любом месте. Вот некоторые особенности, которые делают эти зоны особенно опасными:

• Высокая вероятность лесных пожаров, которые могут прийти в зону соприкосновения извне, но могут возникнуть и внутри самой WUI (непреднамеренные возгорания по вине человека — от мангалов, сжигания растительных остатков и т. п.).
• Образование токсичного дыма.
• Трудности с доступом к территории и к отдельным домам.
• Возможность множественных чрезвычайных ситуаций и эффекта домино (взрывы газа, токсичные газы, отравление жителей и пожарных, дорожно-транспортные происшествия при одновременной эвакуации жителей и прибытии пожарных расчётов).
• Присутствие маломобильных жителей и туристов, не имеющих знаний и подготовки на случай лесного пожара (что должно быть отражено в местном плане действий в чрезвычайных ситуациях).
• Перегрузка сил пожаротушения, которые очень часто не могут одновременно защитить все дома, к которым подошёл фронт пожара; возможная перегрузка сил тушения может потребовать заблаговременной сортировки на основе реальной защищённости каждого дома, что должно быть отражено в местном плане действий в чрезвычайных ситуациях.
• Укрытие на месте или эвакуация населения — разные варианты, которые необходимо готовить заранее и о которых должны знать пожарные.
• Вероятная невозможность применять методы «борьбы с огнём огнём» (встречный пал, предписанное и тактическое выжигание).
• Ограничения по габаритам пожарных автомобилей и по использованию крупных самолётов для сброса воды с воздуха.
• Трудности координации расчётов, которые часто относятся к разным ведомствам (лесная служба, пожарные, добровольцы гражданской защиты и т. д.), в том числе потому, что здесь нельзя напрямую применять ни тактику тушения чисто структурных пожаров, ни тактику тушения чисто природных пожаров (WUI требуют специальной подготовки).

Исследования пожаров показывают, что населённые территории страдают в зоне непосредственного контакта с пламенем, но также и в более широкой зоне влияния, где в изобилии присутствуют и активно действуют дым и горящие головни.

1.2. Природный парк Турия в муниципалитетах Рибарроха и Патерна

Городские территории Рибарроха и Патерны граничат с охраняемой природной зоной Ла-Вальеса (La Vallesa), входящей в природный парк Турия (Parque Natural del Turia), который расположен в сильно урбанизированной среде. Зона соприкосновения этого парка с названными городами подвержена растущему риску лесных пожаров, усиливающемуся под влиянием изменения климата. Эта опасность достигает максимума из-за высокой степени антропогенной нагрузки (включённости в городскую территорию) и определённой деградации (заброшенность сельскохозяйственных земель, недостаточный уход за лесами). В 2000–2016 годах в Рибарроха произошло 40 лесных пожаров, а в Патерне — 19. В последние годы такие пожары случаются всё чаще, а из-за стремительного роста застройки становятся потенциально всё более разрушительными.

Следует учитывать, что потенциальное воздействие пожаров на прилегающие городские территории Рибарроха и Патерны не ограничивается прямым ущербом (гибелью людей и материальными потерями), а распространяется на вспомогательную инфраструктуру (например, существующие линии электропередачи), качество воздуха, эрозию почв и в целом негативно сказывается на местной экономике (например, на туризме).

Дополнительная сложность состоит в том, что изменение климата повлияет и на наличие водных ресурсов, которые могут потребоваться для снижения пожарных рисков: прогнозы для Средиземноморского региона показывают сокращение годового количества осадков при одновременном росте потребности в воде для сельского хозяйства. Этот эффект усугубляется растущим водопотреблением одного из самых густонаселённых районов Испании.

В муниципалитете Рибарроха городская территория расширяется за счёт 12 жилых посёлков и ряда разрозненных поселений. В городе Патерна наблюдается похожая картина — 6 отдельных населённых пунктов. Расширение обоих городов на окружающие территории, ныне входящие в природный парк Турия, было постоянной чертой городского развития в XX веке: так возникли жилые районы, врезанные в существующие леса. Одновременное сокращение сельского хозяйства в этой местности способствовало формированию её нынешнего облика.

В ближайших окрестностях Валенсии растущая агломерация небольших городов и жилых посёлков расползается и перемешивается с лесными угодьями и смешанными лесокустарниковыми землями. Такое соседство создаёт потенциальную угрозу для домов, людей и имущества — возникновение, развитие и распространение лесных пожаров с тяжелейшими последствиями, что неоднократно наблюдалось во время реальных пожаров вблизи столицы региона. Сегодня эти муниципалитеты не справляются с ситуацией: летом, как раз в разгар пожароопасного сезона, население заметно возрастает; его окружают всё менее ухоженные леса и множество заброшенных сельскохозяйственных угодий, а водоснабжение остаётся ненадёжным. Организация самозащиты — трудная задача для муниципалитетов с ограниченными возможностями для развития инфраструктуры и доступа к воде в целях профилактики и защиты. Хотя нормы пожарной профилактики, пусть и явно недостаточные, существуют и действуют, лишь немногие сообщества, живущие в этих районах, осознают опасность и необходимость самозащиты.

1.3. Вызовы изменения климата

1.3.1. Изменение климата и пожарная опасность

Новые факторы медленно, но неуклонно складываются в сложные сценарии: более продолжительные пожароопасные сезоны, более глубокие и затяжные засухи и более экстремальная погода с бурями и сильными ветрами, что создаёт серьёзные трудности для пожарных и других защитных служб, а нередко и выводит их из строя. Очевидно, что мы сталкиваемся с новыми вызовами, с пожарами нового масштаба, и, похоже, это только начало. То, что мы наблюдали в последние годы в США и Канаде, постепенно и неуклонно происходит и в Европе. Португалия, Испания, Франция, Хорватия, Италия и Греция пострадали от большого числа пожаров; часть из них переросла в крупные пожары, угрожавшие населённым пунктам и инфраструктуре, в том числе ряду туристических объектов.

Европейское партнёрство по адаптации к изменению климата отнесло так называемые пожары в зоне соприкосновения леса и населённых пунктов к числу главных угроз для городских территорий своих членов (Городская повестка ЕС по адаптации к изменению климата, 8-е заседание Сообщества пользователей по безопасным, защищённым и устойчивым обществам). Согласно МГЭИК (Изменение климата 2014: воздействия, адаптация и уязвимость, с. 19), рост пожарной опасности имеет наивысший уровень достоверности среди будущих сценариев изменения климата. Европейское агентство по окружающей среде заявило: «В более тёплом климате по всей Европе прогнозируются более суровые пожароопасные погодные условия и, как следствие, расширение зоны, подверженной пожарам, и более продолжительные пожароопасные сезоны. Воздействие пожаров особенно сильно на юге Европы» (European Environment Agency, Key Messages for Forest Fires Indicator Assessment)

1.3.2. Изменение климата и водные ресурсы

Различные стратегии предупреждения или смягчения последствий пожаров предполагают профилактический полив или полив для подавления огня, как будет подробно описано ниже. Однако этот подход наталкивается на серьёзное препятствие, связанное с наличием водных ресурсов.

Дефицит воды, то есть дисбаланс между доступными водными ресурсами и существующим спросом, в настоящее время затрагивает многие европейские страны. От дефицита воды страдают не менее 11 % населения и 17 % территории Европы (Европейская комиссия. 2010. Сельское хозяйство в ЕС, статистическая и экономическая информация 2009, Генеральный директорат по сельскому хозяйству и развитию сельских районов). Число людей, живущих в речных бассейнах с дефицитом воды, будет расти, особенно на Пиренейском полуострове, в Италии и в сравнительно обширных частях Центральной Европы (Европейское агентство по окружающей среде, 2010. Окружающая среда Европы: состояние и перспективы 2010, Копенгаген, Дания: Адаптация к изменению климата).

В рабочем документе CEPS «Будущие последствия изменения климата в Европе» (№ 324 / февраль 2010 г.) утверждается, что Средиземноморье столкнётся с проблемами дефицита воды в большей степени, чем любой другой регион Европы. Изменение климата может привести к сокращению доступных водных ресурсов, которое будет наибольшим в Средиземноморье и на юге Европы (Европейская комиссия, 2009a; MICE, 2005). Доступность воды может снизиться на 20–30 % при сценарии +2 °C и на 40–50 % при сценарии +4 °C. Летний сток может сократиться до 80 %, а среднегодовой сток в Центральной и Восточной Европе и в Средиземноморье уменьшится на 0–23 % к 2020-м годам и на 6–36 % к 2070-м годам (IPCC, 2007b). Этот прогноз совпадает с прогнозом Европейского агентства по окружающей среде: в частности, для сценария с высоким уровнем выбросов (RCP8.5) модели (среднее по ансамблю) прогнозируют статистически значимое увеличение годового количества осадков в значительной части Центральной и Северной Европы (примерно до 30 %) и его снижение на юге Европы (до 40 %) с 1971–2000 по 2071–2100 годы.

Рисунок 2. Прогнозируемое изменение годового и летнего количества осадков. Источник: Европейское агентство по окружающей среде, оценка индикатора «Среднее количество осадков».

Таким образом, как и следовало ожидать, экстремально засушливые сезоны создают условия для высокой пожарной опасности (высокая температура, низкая влажность почвы), но одновременно сокращают запасы водных ресурсов, необходимых для защиты от пожаров в зоне соприкосновения леса и населённых пунктов. Модели показывают, что на юге Европы такая ситуация будет возникать всё чаще.

Валенсийский регион расположен в бассейне западного Средиземноморья (восточное побережье Пиренейского полуострова, Испания) и занимает территорию между 38 и 40° с. ш. (24 000 км²). Хотя нехватка воды исторически была постоянной чертой этого региона, недавние засухи демонстрируют закономерность, которую можно связать с последствиями изменения климата. Средиземноморское побережье и юго-восток страны в наибольшей степени страдают от нехватки воды и засух с вытекающими из этого социально-экономическими и экологическими последствиями.

По данным Европейской обсерватории засухи (EDO) Объединённого исследовательского центра (JRC), анализ долгосрочных индикаторов осадков (SPI-6 и SPI-9), доступных в EDO, указывает на долгосрочный дефицит на юге Испании с потенциальными последствиями для водохранилищ и рек. Наиболее пострадавшие районы — Валенсия, Мурсия и провинция Альмерия. Например, в 2014 году EDO JRC сообщила: «Почти вся территория провинций Валенсия, Кастельон и Аликанте в течение шести месяцев подряд, с ноября 2013 по апрель 2014 года, находилась в условиях экстремальной засушливости».

Вследствие этого дефицита осадков влагосодержание почвы резко снизилось. Данные модели влажности почвы явно указывают на районы, страдающие от недостатка осадков, и подтверждают исключительные условия, сложившиеся с октября 2013 года, с устойчиво отрицательными значениями в регионах Валенсия и Мурсия, а также в Альмерии.

К 2030 году ожидается сокращение водных ресурсов в бассейнах рек Сегура и Хукар на 12–15 % с серьёзными последствиями для почв и ухудшением состояния лесных массивов, неустойчивостью склонов, лесными пожарами, а также ростом площади посевов и их потребности в воде. В Валенсийском сообществе Рибарроха и Патерна находятся в районах с отрицательным водным балансом между наличием воды и спросом на неё.

2. ЗОНИРОВАНИЕ ГРАНИЦЫ ЛЕСА И НАСЕЛЁННЫХ ПУНКТОВ

В последние годы, в частности в рамках европейского проекта WUIWATCH, при оценке риска лесных пожаров и планировании пожарной профилактики в зоне соприкосновения леса и населённых пунктов рассматривались три масштаба работы: макромасштаб, или масштаб ландшафта; мезомасштаб, соответствующий размерам населённых пунктов; и микромасштаб — детальный масштаб дома и окружающего его участка.

2.1.1. Мезомасштаб и переходная зона

Из трёх масштабов ключевым для выявления рисков и проектирования защищаемых пространств признан мезомасштаб: на нём значимые факторы, определяющие ожидаемое поведение огня, — такие как запас и непрерывность горючего материала, влагосодержание живых горючих материалов и другие, — преобразуются так, чтобы получить среду с контролируемым риском и расширенные защищаемые территории. На мезомасштабе выделены три области: внешний мезомасштаб (рассматриваемый также как переходная зона), периметр с первым рядом домов и внутренний мезомасштаб.

С учётом накопленного опыта для адаптации переходной зоны используются различные подходы, в том числе преобразование и поддержание структуры и влажности почвы, подбор растений и уход за ними, выпас скота, предписанные контролируемые выжигания и программируемый профилактический полив. Для периметра особо выделяется ряд подходов и передовых практик, включая проектирование полос с низкой горимостью, удаление легковоспламеняющихся живых изгородей и проектирование автоматических дождевальных систем. Для внутреннего мезомасштаба на основе наблюдений за реальными пожарами даются рекомендации по снижению активности огня, например уход за незастроенными участками, разрыв непрерывности живых изгородей и контроль за другими, нерастительными материалами, которые в итоге могут увеличивать пожарную нагрузку.

3. ПРОЕКТ UIA-GUARDIAN

С учётом описанной предыстории проект GUARDIAN предлагает стратегию снижения пожарного риска, которая будет испытана в районе Ла-Вальеса, в зоне соприкосновения городских территорий Рибарроха и Патерны с природным парком Турия. Благодаря поддержке программы Европейского союза «Инновационные городские инициативы» будет внедрено решение, объединяющее результаты предыдущих европейских проектов в области пожарной профилактики и передовых методов повторного использования воды.

Проект предлагает комбинированную стратегию, основанную на использовании рециклированной воды для предупреждения пожаров и защиты от них, с автоматически программируемыми режимами профилактического полива/увлажнения, полива для подавления огня и тушения: GUARDIAN создаст гидротехническую инфраструктуру для подачи рециклированной воды в зону соприкосновения леса и населённых пунктов Ла-Вальеса, а также элементы (оросительные башни и дождеватели), образующие защитный барьер. Установка, размещённая вдоль линии пожара, объединит дождеватели с гидрантными пушками высокого давления, покрывающими периметр, на основе системы WUI-PROTECT.

Кроме того, будут проведены работы с почвой и растительностью (снижение густоты древостоя, в особенности угнетённых или ослабленных деревьев, удаление «лестничных» горючих материалов, обрезка ветвей, разреживание кустарника, уменьшение количества древесных и растительных остатков и т. д.)

Использование рециклированной воды для обеспечения водными ресурсами противопожарной инфраструктуры, как предлагает GUARDIAN, не имеет известных прецедентов и значительно расширяет возможности её применения. Повторно используемая вода в определённой мере уже применяется при традиционном тушении пожаров, и это регулируется испанским законодательством (RD 1620/2007). Проект также будет способствовать устойчивости водно-болотного угодья Ла-Вальеса благодаря его восстановлению и замене поступающих в него некачественных вод.

3.1. Предварительные исследования

Комплекс предварительных исследований и полевое обследование заложат основу для анализа рисков и последующего проектирования решения. Прежде всего будет выполнена детальная характеристика структуры растительности путём полевого обследования и анализа данных LIDAR. Это позволит охарактеризовать и картировать запас лесных горючих материалов (кг/м²), их непрерывность и вертикальную структуру.

Будут проанализированы исторические данные ближайших метеостанций и сопоставлены с соответствующими индексами пожарной опасности (например, канадским FWI). Будет учтена ожидаемая эволюция климата, особенно в части описания засушливых периодов, экстремальной погоды (ветров), а также эпизодов высокой температуры и низкой влажности. Наконец, будет проведено обследование территории для составления карты существующих уязвимых объектов (домов, критической инфраструктуры, предприятий, служб и т. д.)

Рисунок 3. Схема решения. Светло- и тёмно-зелёным показаны участки, предлагаемые для преобразования структуры растительности. Гидротехническая инфраструктура показана синим и жёлтым. Источник: собственная разработка

На следующем этапе на основе исторических данных, метеорологических закономерностей и ожидаемой эволюции климатических сценариев будут определены возможное развитие лесных пожаров, а также интенсивность и масштаб их воздействия на уязвимые объекты. Для этого будут использованы экспертные модели оценки и моделирования, позволяющие рассчитать тепловыделение, интенсивность кромки пожара, излучаемую энергию, скорость распространения и возможные пути распространения огня. Полученные результаты будут совмещены с данными об уязвимости и подверженности (расстояниях), чтобы с помощью функций риска получить вероятность нежелательных последствий, которая в итоге будет отражена на карте риска.

3.2. Снижение риска

Основная часть мер по снижению пожарного риска сосредоточена главным образом, но не исключительно, на преобразовании структуры растительности. Работы с растительностью преследуют двоякую цель: ограничить и контролировать непрерывность горючего материала и, с другой стороны, защитить структуру почвы и сохранить запасы воды. Это означает прежде всего определить масштаб и интенсивность работ на землях вокруг населённого пункта (переходная зона) с помощью специального алгоритма, основанного на ожидаемом выделении лучистого тепла. Предлагаемые меры будут направлены на защиту почвы от интенсивной эвапотранспирации за счёт достаточной сомкнутости полога и одновременно на предотвращение непрерывности горючего материала. Кроме того, защита почвы будет включать её обработку (например, внесение органических удобрений) и покрытие защитной растительностью. Специальные меры на периметре населённого пункта будут рассчитаны и спроектированы так, чтобы обеспечить среду с контролируемой интенсивностью огня (ниже 3000 кВт/м). Это предполагает не только сокращение запаса горючего материала, но и обеспечение манёвренности для операций по тушению. Наконец, проектирование мер распространится на внутренние участки, сады и общие зелёные зоны.

Рисунок 4. Система защиты от лесных пожаров WUIPROTECT® (Wildfire Defence System), установленная на периметре зоны соприкосновения леса и населённого пункта. Источник: Medi XXI GSA

3.3. Управление системой

Автоматизированное управление системой будет основано на специально разработанных индексах для дополнительного мониторинга влагосодержания живой растительности, влагосодержания мелких мёртвых горючих материалов, а также составляющих поведения огня и показателей тепловыделения (вероятность воспламенения, интенсивность кромки, скорость распространения, излучение лучистого тепла и т. д.). Все они будут рассчитываться по данным мониторинга и прогнозов, как описано выше, в частности по состоянию атмосферы (температура, относительная влажность, осадки), прогнозу погоды и состоянию живой растительности. Полученные индексы определяют конкретные векторы управления водой и её распределения: профилактический полив (по индексу живой растительности), полив для подавления огня (по индексу влажности мелких мёртвых горючих материалов) и полив для тушения (по индексам поведения огня).

Мониторинг ведётся на месте и дополняет общие данные и прогнозы состояния атмосферы (предоставляемые официальными источниками, такими как Государственное метеорологическое агентство AEMeT или региональные метеослужбы). Мониторинг включает показания почвенных датчиков (температура и влажность почвы на глубине 0, 10 и 20 см), состояние растительности (определяемое колориметрическим анализом изображений с наземных мультиспектральных камер и спутниковых снимков) и состояние мёртвых горючих материалов среднего размера (10-часовых) с помощью специальных датчиков. Кроме того, информация с местных автоматических метеостанций (AWS) будет собираться и передаваться (регистратором данных по GSM) в центр управления (CCS) для обработки и использования при расчёте индексов.

Рисунок 5. Защитный периметр. На переднем плане видна нетронутая растительность (зелёная полоса) в радиусе действия пушек WUIPROTECT®. Источник: Medi XXI GSA – проект WUIWatch.

Суть инновационности предлагаемого решения заключается в разработке и интеграции системы командного управления (CCS) и набора алгоритмов, которые сначала собирают данные мониторинга и прогнозов, рассчитывают текущие и будущие индексы, применяют правила логического вывода для принятия решений и, наконец, формируют график различных упомянутых выше режимов полива. В частности, GUARDIAN CCS на основе прогнозируемого индекса засухи (DC) рассчитает объём и пространственное распределение полива, необходимые для компенсации дефицита влаги в почве и корректировки этого DC, и автоматически выполнит его. Кроме того, при высокой или очень высокой пожарной опасности либо при приближении пожара GUARDIAN CCS на основе ожидаемой динамики влажности мелких горючих материалов оценит объём, время и пространственное распределение полива для подавления огня, необходимые для снижения вероятности возникновения очагов от разлетающихся искр и развития пожара, и автоматически выполнит его. Наконец, GUARDIAN CCS будет вести учёт запаса воды, доступной для подавления огня, и в соответствии с расчётом ожидаемого поведения пожара и тепловыделения автоматически предлагать выработку дополнительного объёма очищенной воды для операций по тушению с её последующим хранением.

3.4. Органические микрозагрязнители как барьер для повторного использования

За последние десятилетия развитие аналитических методов (прежде всего жидкостной хроматографии (LC) в сочетании с масс-спектрометрией (MS)) позволило обнаруживать органические соединения антропогенного происхождения, присутствие которых прежде оставалось неизвестным из-за их относительно низких концентраций (мкг/л – нг/л) (Omil et al. 2010). Эти соединения обычно называют органическими микрозагрязнителями (OMP, по английской аббревиатуре), загрязнителями, вызывающими новую озабоченность (CEC), или следовыми органическими загрязнителями (TrOCs), а их воздействие на окружающую среду и здоровье человека остаётся неясным. Именно так обстоит дело на станции очистки сточных вод (EDAR) Camp del Turia II, очищенный сток которой предполагается использовать как ресурс для описанной выше системы предупреждения и смягчения последствий пожаров. В частности, наиболее значимым OMP на этой станции является хлорпирифос — фосфорорганический пестицид, широко применяемый в быту и в сельском хозяйстве.

Повторное использование воды представляет собой устойчивую альтернативу использованию традиционных водных ресурсов или опреснению морской воды и в последние десятилетия активно рассматривается в рамках подходов экономики замкнутого цикла. Однако присутствие органических микрозагрязнителей в стоках станций очистки сточных вод (WWTP) и станций регенерации воды (WRP) вызвало во всём мире обеспокоенность воздействием этих OMP при различных видах использования.

Присутствие OMP в схемах прямого и непрямого повторного использования представляет неопределённый риск для здоровья человека, когда население может контактировать с такой водой или прямо либо косвенно употреблять её. В сельском хозяйстве полив также может представлять риск, поскольку эти соединения могут поглощаться почвой и культурами. С другой стороны, использование регенерированной воды в экологических целях (например, в системах противопожарной защиты и для поддержания речного стока) может представлять риск для почвы, водной среды, растений и животных.

3.5. Предыдущий опыт: результаты LIFE Aware

С 2013 по 2016 год CETAQUA, Центр водных технологий, координировал проект LIFE AWARE. Общий бюджет составил 2,6 млн евро; проект софинансировался программой LIFE+, а партнёрами выступали Aigües de Barcelona (Испания) и LNEC (Португалия).

В проекте AWARE оценивалась инновационная гибридная схема регенерации воды для удаления OMP, которая сравнивалась с самыми современными системами. Для этого сравнения в течение 18 месяцев на станции регенерации (WRP) Эль-Байш-Льобрегат (El Baix Llobregat) эксплуатировались два прототипа:

• Прототип 1: мембранный биореактор с дозированием отработанного порошкообразного активированного угля (PAC)
• Прототип 2: капиллярная нанофильтрация с дозированием свежего порошкообразного активированного угля (PAC)

На рисунке 2 показана схема эксплуатируемых прототипов. Как видно, PAC, дозируемый в контактный резервуар прототипа 2, фильтровался через капиллярную NF, а концентрат, содержащий сгущённый PAC, возвращался в биологические резервуары прототипа 1.

Рисунок 6. Схема прототипов, эксплуатировавшихся в проекте LIFE aWARE

Базовая WRP Байш-Льобрегат, в свою очередь, состоит из CAS с последующими коагуляцией-флокуляцией, тонкослойным отстаиванием, микрофильтрацией и УФ-дезинфекцией. Основными направлениями повторного использования были городские нужды (полив, уборка улиц), сельское хозяйство и экологические цели.

В таблице 1 для различных схем оценены удаление трудноразлагаемых OMP (таких как карбамазепин и диурон), удаление биоразлагаемых OMP (таких как ибупрофен, ацетаминофен, сульфаметоксазол и кодеин), разница в стоимости по сравнению с базовой WRP и экологический след.

Таблица 1. Эффективность удаления, разница в стоимости и экологический след для различных схем очистки. Источник: проект LIFE aWARE

Схема	Удаление трудноразлагаемых OMP, %	Удаление биоразлагаемых OMP, %	Разница в стоимости с базовой WRP	Разница в экологическом следе с базовой WRP
Базовая WRP	12	60	–	–
MBR	15	70	+30 %	−50 %
Базовая WRP, модернизированная O3	80	95	+19 %	+15 %
PAC-MBR (25 мг/л свежего PAC)	60	75	+60 %	−50 %

Как видно, на базовой WRP удаление трудноразлагаемых OMP низкое (12 %). Мембранные биореакторы благодаря большему SRT и HRT повышают удаление трудноразлагаемых OMP до 15 % при росте затрат на 30 %. Модернизация базовой WRP с применением озона позволяет удалять 80 % трудноразлагаемых OMP при росте затрат на 19 % и увеличении экологического следа на 15 %, тогда как гибридная система (PAC-MBR) позволяет удалять 60 % трудноразлагаемых OMP при росте затрат на 60 % и сокращении экологического следа на 50 %.

3.6. Применение в проекте GUARDIAN

На EDAR Camp de Turia II (Рибарроха, Испания) требуется удалять ряд трудноразлагаемых OMP, прежде всего фосфорорганические пестициды, такие как хлорпирифос. С учётом возможного повторного использования этой воды в системах противопожарной защиты и сорбционных свойств целевого пестицида применение PAC-MBR даёт существенные преимущества с точки зрения качества регенерированной воды, эффективности удаления OMP и связанного с этим экологического следа. Однако связанные с такими системами затраты и экологический след высоки. Чтобы максимально повысить удаление OMP и снизить дозу PAC (которая увеличивает затраты и углеродный след), предлагается гибридная система PAC-O₃-MBR.

Ниже обобщены ожидаемые преимущества системы PAC-O₃-MBR по сравнению с самыми современными системами и с системами PAC-MBR:

• Более высокая общая степень удаления всех OMP (> 85 %) благодаря совокупному эффекту биотрансформации-окисления и адсорбции, а также удалению образующихся при окислении метаболитов путём адсорбции. – Меньшая доза PAC благодаря более медленному насыщению адсорбента
• Меньшее образование осадка и более эффективная дезинфекция.
• Улучшение фильтруемости осадка позволяет применять более высокие потоки фильтрации на мембранах UF и тем самым снизить соответствующие капитальные и эксплуатационные затраты.

На EDAR Camp de Turia II будет спроектирован и размещён прототип с общей производительностью 10 м³/ч регенерированной воды, чтобы получать безопасную (с экологической и санитарной точки зрения) воду для систем противопожарной защиты и для экологических целей, включая восстановление качества воды в водно-болотном угодье Ла-Вальеса. Как видно на рисунке 3, предлагается биологическая очистка (анаэробная, аноксидная и аэробная) с дозированием PAC и вводом O₃ в сочетании с ультрафильтрационной мембраной.

Рисунок 7. Схема прототипа PAC-O₃–MBR. Источник: проект LIFE Aware

При проектировании будут рассмотрены различные варианты мембраны: – Вариант 1: внешняя UF после аэробного резервуара (фильтрация иловой смеси)

• Вариант 2: UF, погружённая в аэробный резервуар (фильтрация иловой смеси)
• Вариант 3: UF, погружённая во вторичный отстойник (фильтрация осветлённого вторичного стока), что означало бы, что вместо MBR система будет представлять собой CAS + PAC + O₃ с последующей мембраной UF.

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОЕКТА

Подход экономики замкнутого цикла зарекомендовал себя как подходящий вариант для эффективного, справедливого и устойчивого управления водными ресурсами. Кроме того, методы оптимизации — полезный инструмент поддержки принятия решений о распределении воды. Оптимизационная модель представляет собой новый подход, учитывающий эффективность распределения воды и физические связи между источниками водоснабжения и точками водопотребления.

В этом проекте мы предлагаем разработать и применить модель оптимизации водопользования, учитывающую наличие очищенной воды и её социальную и экологическую пользу. Учёт будущего изменения климата, роста населения и анализа рисков позволит нам предложить путь сбалансированного освоения водных ресурсов, доступных на конкретной территории.

Выбор лучших практик и стратегий для повышения эффективности управления водными ресурсами требует одновременного учёта множества целей и критериев (например, экономических, экологических, технических и социальных) и сложных взаимодействий между ними. Кроме того, надёжный анализ управления водными ресурсами предполагает выявление сильных и слабых сторон различных операционных стратегий и учёт неопределённости и риска в процессе оценки, чтобы понять, как они влияют на принятие решений. Эта сложность делает необходимым строгий и систематический многокритериальный анализ решений, который помогает лицам, формирующим политику, надлежащим образом оценивать и сравнивать альтернативы в рамках подхода «цена бездействия против цены действия» (CNA-CA).

В контексте анализа водной политики мы также предлагаем оценить воздействие этих мер с точки зрения экономической эффективности и устойчивости водопользования в городских районах.

Социально-экономическая оценка предлагаемых мер будет проводиться с помощью математического программирования и эконометрических моделей, направленных на поиск оптимальных решений. Оценка функций затрат для конкретных видов деятельности, процессов или технологий позволит выявить поведение статей затрат, а также определяющие их факторы. Эффективность различных предлагаемых мер будет изучаться с помощью моделей анализа среды функционирования (DEA).

Для анализа жизнеспособности различных мер количественная оценка социальных и экологических выгод от предлагаемых мер будет проводиться по новой методике, основанной на расчёте теневых цен.

Затраты и выгоды будут анализироваться в динамике с учётом различных сценариев в условиях неопределённости.

Для количественной оценки снижения риска лесных пожаров благодаря реализации предлагаемого проекта будут также использованы некоторые методы (моделирование методом Монте-Карло, статистические допуски и нечёткая модель).

5. ВЫВОДЫ

Изменение климата, по всей вероятности, повысит частоту и тяжесть лесных пожаров в ближайшие десятилетия и одновременно сократит запасы водных ресурсов, которые являются ключевым средством защиты от них.

Проект UIA-GUARDIAN даёт уникальную возможность в ближайшие годы испытать комбинированные и эффективные стратегии снижения пожарного риска в наиболее уязвимых зонах (на границе леса и населённых пунктов) с использованием альтернативных водных ресурсов. Кроме того, он позволяет использовать результаты предыдущих проектов в самых разных областях и одновременно затрагивает несколько аспектов изменения климата.

GUARDIAN демонстрирует неисследованный потенциал и важность повторного использования воды в условиях растущего дефицита водных ресурсов. Кроме того, принципиально важен его вклад в изучение экономической жизнеспособности передовых методов очистки для повторного использования в реальных условиях применения.

Руководит проектом GUARDIAN городской совет Рибарроха-де-Турия; в нём также участвуют Hidraqua, Medi XXI, Политехнический университет Валенсии (IIAMA), Группа экономики водных ресурсов Университета Валенсии, городской совет Патерны и природный парк Турия (Generalitat Valenciana).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

AEMA (2012) Los impactos del cambio climático en Europa: evaluación basada en indicadores. Informe conjunto de la AEMA, CCI y OMS. Oficina de Publicaciones de la CE y Ministerio de Medio Ambiente, Medio Rural y Marino, Madrid, 240 p.

BEHRENS, A. et al. (2010) Future Impacts of Climate Change across Europe. CEPS Working Document No. 324. http://www.ceps.eu

CALKIN, D. et al. (2014) How risk management can prevent future wildfire disasters in the wildland-urban interface. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA.

DICUS, C. (2016) Changing WUI fire risk in dissimilar communities of Southern California, USA. Proceedings of the International Conference on Forest Fires and WUI Fires. Aix-en-Provence, France. California Polytechnic State University.

FUENTES, R. et al. (2017): Productivity of wastewater treatment plants in the Valencia Region of Spain, Utilities Policy, 46, pp 58-70

HERNÁNDEZ-SANCHO, F et al. (2015): Economic Valuation of Wastewater – The cost of action and the cost of no action. United Nations Environment Programme. ISBN: 97892-807-3474-4

HERNÁNDEZ-SANCHO ET AL. (2015): Pricing for Reclaimed Water in Valencia, Spain: Externalities and Cost Recovery, in Dinar, A., Pochat, V., Albiac, J. (Eds.): Water Pricing Experiences and Innovations, Springer International Publishing, pp. 431-443, ISBN: 2211-0631

MADRIGAL OLMO et al. (2013) Characterization of wildland-urban interfaces for fire prevention in the province of Valencia (Spain) Forest Systems Vol 22, No 2. Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria

MODUGNO, S. et al. (2016) Mapping regional patterns of large forest fires in WildlandUrban Interface areas in Europe. Elsevier.

OMIL, F. et al. (2013) Removal of Pharmaceuticals by Membrane Bioreactor (MBR) Technology Comprehensive Analytical Chemistry 287-317, Vol.62, Chapter 9. Elsevier

PRATS, D. и MELGAREJO, J. (2006) Desalación y reutilización de aguas. Situación en la provincia de Alicante, pp 139-144. COEPA- Instituto Universitario del Agua y Ciencias Ambientales.

КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ (2016) LIFE aWARE: Innovative Hybrid MBR Systems to promote Water Reuse – Lyman’s Report. http://www.life-aware.eu