Forscher betonen die Bedeutung der Regenwasserforschung

24. Januar 2017

von Scott Huler, Duke University

Ein Kormoran planscht im Duke Stormwater Reclamation Pond, während Megan Fork, die mit ihrer Kollegin Chelsea Clifford im Schatten unter dem Schutzdach am Ende des Piers sitzt, eine Pause vom Schreiben ihrer Doktorarbeit einlegt. Dissertation: „Regenwasser und organische Materie im städtischen Stromkontinuum“. Fork erzählt Geschichten über Regenwasseruntersuchungen, die manchmal etwas abwegig sein können.

„Ein großer Teil meiner Arbeit besteht darin, den Stürmen nachzujagen, wenn sie kommen“, sagt Fork, der in seiner Dissertation Unternehmungen verlangt, wie zum Beispiel herauszufinden, was aus den Dachrinnen der Menschen kommt, direkt nachdem es geregnet hat. „Auf der Suche nach dem First Flush, wie wir es nennen“ – dem Abfluss der ersten Minuten eines Regensturms, Wasser, das mit allem beladen ist, was seit dem letzten Regen in Feuchtigkeit getaucht ist. Das bedeutet, dass sie über ein Netzwerk von Leuten verfügt, die bereit sind, von ihren Sofas zu springen und davonzulaufen, wenn sie ihnen mitteilt, dass es regnet, um sich die Gefäße zu schnappen, die sie in den Höfen williger Hausbesitzer in der Umgebung von Durham aufgestellt hat, um den First Flush einzufangen, damit sie davon probieren kann. In dem plötzlichen Durcheinander geht manchmal die Klarheit über so grundlegende Dinge wie das Ziel verloren. Gelegentlich befanden sich Assistenten auf den falschen Höfen und suchten nach Eimern, die dort nicht vorhanden waren. Unbekannte Personen, die bei Regenschauern nachts mit Stirnlampen auf den Höfen der Unangemeldeten herumstolpern, können Alarm auslösen. Es wurde sogar die Polizei gerufen.

Es ist nicht gerade Tony Starks Labor aus Iron Man, aber die Wissenschaft geht dorthin, wo sie hin muss, und wenn Sie der aufkommenden Wissenschaft des Regenwassers nachjagen, ist das ein Eimer im Hinterhof von jemandem in einem mitternächtlichen Regensturm. Regenwasser umfasst natürlich alles, vom sanftesten Herbstnebel bis hin zu den vielen Zentimetern, die ein Hurrikan an einem Tag abwerfen kann. Der sanfte Nebel ist normalerweise kein Problem, aber denken Sie an Hurrikan Matthew, der mehr als zehn Zentimeter Regen auf das etwa 300 Quadratmeilen große Gebiet von Durham County fallen ließ. Das gab Durham genug Regenwasser, um die Niagarafälle fast acht Stunden lang am Laufen zu halten. Allein die erosive Kraft des Wassers in den Schluchten von Durham ist eine Überlegung wert. Aber bedenken Sie dann, was es mit sich bringt: Motoröl und Bremsstaub sowie abgelagerte Abgaspartikel von Autos; Düngemittel und Pestizide aus Rasen; plus Tierkot, Müll und alles andere. Alles bahnt sich seinen Weg durch unsere Straßen, Schluchten und Rohre in unsere Flüsse, vom Rinnsal dieses nebligen Morgens bis zum Sturzbach des Hurrikans. Und bis vor wenigen Jahren betrachteten die meisten Ingenieure es als ein Problem, das es zu beseitigen galt, und die meisten Wissenschaftler dachten überhaupt nicht daran.

Das ändert sich. Forks Forschung zur Untersuchung organischer Stoffe im städtischen Flusskontinuum bedeutet beispielsweise herauszufinden, was beispielsweise mit den Blättern passiert, die in Ihrer Dachrinne landen. Sie sitzen dort, „durchziehen wie Tee“, wie Fork sagt, mit Mikroorganismen, die darauf kauen und das Wasser mit gelöster organischer Substanz braun färben, vor allem Kohlenstoff, aber auch Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor, Schadstoffe für alle Arten städtischer Bäche. „An diesen Orten können mit Bakterien alle möglichen biologischen Prozesse ablaufen“, sagt sie. „Jeder dieser Orte entfernt möglicherweise etwas oder fügt etwas hinzu, sodass Sie das kombinierte Signal erhalten, wenn Sie zum Bach gelangen“, wo Wissenschaftler traditionell mit ihren Messungen begonnen haben. „Viele meiner Arbeiten beschäftigen sich mit gebauter Infrastruktur und fragen: ‚Was können wir lernen, wenn wir ökologische Methoden und konzeptionelle Modelle anwenden?‘ Es bedeutet, es anzusehen und zu fragen: „Was passiert an diesem Ort?“ "

Fork nimmt Messungen in den Dachrinnen der Menschen vor und steht hüfthoch in Auffangbecken in Vorstadtstraßen. Die Ansammlung feuchter Blätter in den Auffangbecken sorgt für sauerstoffarme Bedingungen, „also denke ich, dass wir dort unten eine Menge wirklich cooler Biogeochemie erleben könnten.“ Sie geht dorthin, wo das Regenwasser zuerst hinfließt, nicht nur dorthin, wo es landet, und herauszufinden, was wo passiert.

Jim Heffernan, Assistenzprofessor für Ökosystemökologie und Ökohydrologie, Forks Dissertationsberater, stimmt zu. „Das ist im Wesentlichen ein Beispiel dafür, wie wir an dem Punkt angelangt sind, an dem wir in den Städten grundlegende Ökologie betreiben müssen“, sagt er. Sein Labor, eines von vier Laboren, aus denen das Duke River Center besteht, untersucht alle Arten von Problemen, die Flüsse betreffen, darunter „Prozesse, die Regenwasser in der Stadtlandschaft erzeugen und deren chemische Zusammensetzung beeinflussen, und wir untersuchen auch die Folgen davon flussabwärts.“

Obwohl Wissenschaftler die Ökologie von Orten wie Vorgärten und Dachrinnen traditionell außer Acht gelassen haben, haben sie in den letzten Jahren die bebaute Umwelt als Untersuchungsgegenstand entdeckt – und nicht nur, um zu sehen, wie sie der Umwelt schadet. „Wir versuchen nicht nur zu verstehen, wie wir Städte so gestalten, dass sie weniger Umweltverschmutzung verursachen“, sagt er, „sondern auch, was die Ökologie von Städten ist? Erst letztes Jahr hielt die Ecological Society of America ihr hundertjähriges Treffen ab, und Stadtökologie war alles.“ überall." Zu seinen jüngsten Veröffentlichungsbeiträgen gehören Arbeiten zur städtischen Rasenpflege (Arbeiten zur Nachhaltigkeit müssen unterschiedliche Ansätze verfolgen, da jeder unterschiedliche Vorstellungen von Düngung und Bewässerung hat) und zu den Werten, die Stadtbewohner von den sie umgebenden Ökosystemen wahrnehmen. (Menschen im Süden schätzen die kühlende Wirkung und Ästhetik ihrer Rasenflächen mehr als diejenigen im Norden, wo die Menschen Rasen bevorzugen, die nicht viel Arbeit erfordern.)

Die Unterscheidung zwischen Rasen und Feldern, zwischen Dachrinnen und Flüssen zu verwischen, sei nur sinnvoll, sagt er. „Es gibt wirklich nicht mehr so ​​viel Landschaft, über die wir keine Kontrolle haben.“ Das Anthropozän, von dem wir alle gehört haben, die Ära, in der menschliche Aktivitäten den dominierenden Einfluss auf Klima und Umwelt hatten? Es ist überall und wenn es regnet, landen Regentropfen in einer von Menschen beeinflussten Umgebung. Regen ist die Quelle des Lebens: Er lädt Grundwasserleiter auf und füllt Flüsse und Seen, trägt aber auch alles mit sich, was ihm unterwegs begegnet. Regenwasser ist letztendlich das, was wir trinken, und wir müssen es verstehen. Und Heffernan und seine Doktoranden sind nicht die einzigen Leute bei Duke, die sich mit dem Fall befassen.

„Es ist nicht wirklich Regenwasser“, sagt Curt Richardson, Professor für Ressourcenökologie, Gründer und Direktor des Duke University Wetland Center an der Nicholas School of the Environment. „Es ist Regenwasser. Der Grund, warum wir es Regenwasser nennen, ist, dass Ingenieure es erfasst und in Rohre geleitet haben.“ Regenwasser klingt wie Abwasser, das aus den Abflüssen Ihres Hauses austritt und eine Kläranlage benötigt, bevor es sicher in die Umwelt gelangen kann. Sturm ... ähm, Regenwasser kommt vom Himmel und ist in der Umwelt, wenn wir es einholen. „Sie müssen Regenwasser nicht wie Abwasser behandeln“, sagt Richardson.

Aber Sie müssen darüber nachdenken. Erstens bringt Regenwasser all das in die Flüsse, was es unterwegs vorfindet: chemische Schadstoffe wie zum Beispiel die Düngemittel, Unkrautvernichter und Antimykotika, die man auf diesen Rasenflächen ausbringt. Und noch viel mehr: Bremsstaub, Tierkot und Luftschadstoffe, die sich auf dem Boden abgelagert haben, Nanopartikel, die über Fahrzeugabgase in die Umwelt gelangen, und weggeworfene Bonbonpapiere und Bud-Light-Dosen, die am Ende vom Regen mitgespült werden. All diese Müllflecken in den Ozeanen? Die meisten dieser Kunststoffe wurden nicht von Übeltätern von Schiffen und Ölplattformen abgeladen; Sie wurden einfach von unseren Höfen und Straßen in die Ozeane gespült.

Wenn Richardson also sagt, dass man Regenwasser nicht aufbereiten muss (wir nennen es weiterhin Regenwasser, weil fast jeder außer Richardson das tut), hat er recht, aber er weiß besser als jeder andere, dass man das wirklich tun muss, so wie er es getan hat . Er schuf den SWAMP – den Stream & Wetland Assessment Management Park, eine 14 Hektar große Sanierung des Sandy Creek-Wassereinzugsgebiets, das Dukes West Campus und 1.200 Hektar umliegendes Land entwässert. Das fünfphasige SWAMP-Projekt begann im Jahr 2004 und wurde 2012 abgeschlossen und folgte Richardsons Arbeit in Feuchtgebieten in China und den Everglades in Florida.

Das SWAMP fungiert mittlerweile als eine Art Freiluftlabor, in dem jedes Jahr Dutzende Forschungsprojekte stattfinden. Jede Ausgabe des „Wetland Wire“, eines Newsletters, der mehrmals im Jahr vom Wetlands Center herausgegeben wird, enthält eine Auflistung der von Forschern und Partnern des Zentrums veröffentlichten Artikel, von denen sich viele auf SWAMP-basierte Forschung konzentrieren. Im Jahr 2015 veröffentlichten Richardson und Mitarbeiter beispielsweise einen Artikel darüber, wie sich die Lebensraumunterschiede zwischen wiederhergestellten und nicht wiederhergestellten Bächen auf die Schildkrötenpopulationen auswirkten (die Schildkröten scheinen die wiederhergestellten zu mögen) und auf die Quelle der Quecksilberverschmutzung im SUMPF (wahrscheinlich einmal Sickerwasser aus Antimykotika). auf vorgelagerte Sportplätze gesprüht).

Richardson schätzt, dass jedes Jahr zwischen 500 und 800 Duke-Studenten, sowohl Bachelor- als auch Masterstudenten, irgendeiner Art von Arbeit im SWAMP nachgehen, und sie kommen nicht nur aus wissenschaftlichen Labors; Englisch- und Kunstunterricht nutzen den SWAMP sowie Ökologie- und Biologieunterricht. Auch Busladungen von Durham-Schulkindern besuchen jedes Jahr den SWAMP.

Darüber hinaus funktioniert es. Laut einer von Richardson veröffentlichten Studie reduziert der SWAMP die Stickstoffbelastung in Sandy Creek um 64 Prozent und die Gesamtphosphorbelastung um 28 Prozent. Anstatt dass schnell fließendes Wasser immer tiefere Gräben für den Bach gräbt und Schlick in den unruhigen Jordansee transportiert, unterstützt der SWAMP genau das Gegenteil: Er ermöglicht, dass sich jedes Jahr 488 Tonnen Sediment absetzen, anstatt in den Jordansee zu fließen. Etwa 113 Arten, die sich im Vergleich zu früher verdreifacht haben, kommen jetzt häufig im Sumpf vor, darunter auch die Amerikanische Rohrdommel, von der Richardson nicht sicher ist, ob sie jemals im Bach vor der Sanierung aufgetaucht ist. Auch die Zahl der Makrowirbellosen – Fliegenlarven, Libellen und dergleichen – hat sich verdreifacht, und im Sandy gibt es mittlerweile zehn Fischarten, doppelt so viele wie im Jahr 2004 im Bach.

„Wasserqualität, Artenvielfalt, Bildung, Forschung“, sagt er. „Wir haben viel Nutzen daraus.“

Während Megan Fork über ihre Arbeit als Regenwasserjägerin spricht, sitzt sie auf einem Pier über dem Duke Reclamation Pond, einem fünf Hektar großen Regenwasserteich auf einem 12,5 Hektar großen Gelände, das wie der SWAMP letztendlich Studenten, Forschern und dem Bach zugute gekommen ist , und die Gemeinschaft. Der Teich funktioniert ähnlich wie der SUMPF: Er verlangsamt das Wasser, um Zeit für die Beruhigung und natürliche Prozesse zu haben.

Doch der Teich war ursprünglich nur ein teures Problem. In den Jahren 2007 und 2008 führte eine extreme Dürre zu einem Absinken der Stauseen und brachte Duke in die Situation, dass das Unternehmen mit der Möglichkeit einer Einschränkung seiner Kühlkapazität für seine Gebäude rechnen musste. Duke kühlt seine Gebäude mit Kühlanlagen, die riesigen Klimaanlagen ähneln, die Wasser kühlen und es durch Rohre zu Gebäuden auf dem gesamten Campus leiten. Die Verwendung eines schrumpfenden Trinkwasservorrats für die Klimatisierung würde auf lange Sicht nicht funktionieren, sagt James Caldwell, stellvertretender Direktor für Wasserressourcen und Infrastruktur bei der John R. McAdams Company, dem Ingenieurbüro, das große Regenwasserstudien durchführt die Universität. „Ursprünglich war es so konzipiert, dass aufgefangenes Regenwasser als direkte Kapazitätsfrage bereitgestellt werden sollte“, sagt Caldwell. Das heißt, durch das Aufstauen des Nebenflusses, der 22 Prozent des Westcampus entwässerte, würde ein Teich entstehen, der Dukes Kühlanlage Nr. 2 versorgen könnte, die mit 200 Millionen Gallonen Wasser pro Jahr der größte Wasserverbraucher in Durham ist. Es ergab nur Sinn.

„Dann wurde uns klar, dass wir es zur Beibehaltung des Spitzenflusses und zur Nährstoffentfernung nutzen können.“ Das heißt, Duke ist verpflichtet, sein Regenwasser für jedes neue Projekt zu verwalten, das es erstellt. Im Fall des Teichs ermöglicht die Verlangsamung des Durchflusses und die Ermöglichung der Nährstoffentfernung Duke, die Nährstoffentfernung für andere Projekte zu „speichern“, wodurch die Kosten für die Entwicklung von Regenwassermanagementanlagen für zukünftige Entwicklungen eingespart werden und eine Quelle für kostenloses Wasser bereitgestellt wird. Fügen Sie den Teich als neue Möglichkeit für Forschung und Erholung hinzu, mit einem Wanderweg um ihn herum und Sitzgelegenheiten wie dem Pier, und Sie beginnen, Regenwasser als Chance und nicht als Problem zu betrachten.

Auch dies entspricht nicht der Tradition in Bezug auf Regenwasser, wie einige ältere Elemente des Duke-Campus zeigen. Edens Quad, eine Gruppe von Wohnheimen auf dem West Campus, die 1966 in einem Überschwemmungsgebiet errichtet wurden, beherbergten den kleinen Nebenfluss, auf dem sie errichtet wurden, indem sie einfach den Lauf des Baches mit Duke-Steinen auskleideten. Regenwasser voller Schadstoffe würde auf seinem Weg zum Jordansee durch den Kanal strömen, aber zumindest war es verschwunden. Der verhärtete Bach, der manchmal als Dukes Version des LA River bezeichnet wird, kann nicht das tun, was der Bach tut, wenn er durch den SUMPF fließt: Er schwillt mit Regenwasser an, verteilt das Wasser entlang seiner Überschwemmungsebene, verlangsamt es und fördert die Absorption.

Werfen Sie jetzt einen Blick auf den verfestigten Bach und Sie sehen, dass die Natur zurückgedrängt hat; Kahle Zypressen haben neben dem Bach Wurzeln geschlagen, Zypressenkniespitzen drängen sich durch Stein und Erde in den Kanal. Die Knie bleiben an vorbeifliegenden Blättern, Tannennadeln und Müll hängen, manchmal sogar an Ästen; Dadurch entstehen kleine Dämme und letztendlich Teiche. Kleine Fische huschen im Wasser nahe der Stelle, an der der Kanal direkt unter den Gebäuden verläuft. Der Steinboden lässt kein Wasser in die Erde versickern und der nächste große Regen wird alle Schadstoffe stromabwärts ausspülen: keine Nährstoffaufnahme durch Pflanzen, keine Schlammrückhaltung, keine Anreicherung des Grundwassers. Aber es ist aufschlussreich zu sehen, wie hart die Natur arbeitet, um aus diesem verhärteten Kanal etwas Nützliches zu machen, etwas, das sie als Strom erkennt.

Die Erkundung von Orten, an denen die Natur versucht, selbst nützliche Arbeit zu leisten, ist die Aufgabe von Chelsea Clifford, einer weiteren Doktorandin von Jim Heffernan. Wenn Forks Interesse an Dachrinnen die Grenzen der Wissenschaft zu sprengen schien, was sollte man dann von Cliffords Fokus auf den alltäglichen Straßengraben halten? „Ich versuche herauszufinden, unter welchen Bedingungen Gräben wie natürliche Ökosysteme funktionieren können, wie Feuchtgebiete oder Bäche“, sagt sie. Sie probiert, was sie in Straßengräben in Autobahn-, Landwirtschafts- und Waldgebieten findet. „Sie sind nicht so gut wie natürliche Feuchtgebiete“, sagt sie, „aber sie sind ein echtes Ökosystem.“

Wenn Sie eine Landstraße entlanggehen, sehen Sie häufig, dass sich dort, wo sich Wasser in der Nähe der Rohre, die unter Einfahrten verlaufen, ablagert, sonnige kleine sumpfige Ökosysteme rund um Regenwasser bilden. Da Straßengräben gemäht werden, bleiben sie laut Clifford „in dieser frühen, baumlosen Sukzessionsphase“. Sie sieht Gräser wie Ginster-Segge und Nadelbinse, die frühe Gräbenverschönerer sind. Sobald die Gräser vorhanden sind, bieten die Gräben Frösche, Makrowirbellose und sogar Reptilien Unterschlupf. Und angesichts des komplexen Zusammenspiels der Arten leisten sie auch Ökosystemarbeit.

Regenwasser, das aus Dachrinnen kommt, weist laut Fork Konzentrationen gelöster organischer Substanz auf, die sie mit dem wissenschaftlichen Begriff „verrückte Bananen“ beschreibt – fünf- oder sechsmal so viel wie in Schwarzwasserflüssen Floridas, was dem Goldstandard für hohe Konzentrationen gelöster organischer Stoffe entspricht Gegenstand. Ein Kollege von Clifford, der die Denitrifikation in Gräben untersuchte, stellte fest, dass Gräben erhebliche Mengen an Stickstoff und Phosphor entfernten. „In Gräben und an anderen Stellen, an denen organisches Substrat vorhanden ist“, sagt Clifford, „gibt es also eine tatsächliche Schadstoffreduzierung.“

Die Natur nimmt unsere gebaute Umwelt und manipuliert sie für ihre eigenen Zwecke. Will Wilson, außerordentlicher Professor für Biologie, dessen ursprüngliche Forschung sich auf mathematische Evolutionsökologie konzentrierte, hat in den letzten Jahren seine Aufmerksamkeit auf Regenwasser und die bebaute Umwelt gerichtet, einen Kurs rund um sein Werk „Constructed Climates: A Primer on Urban Environments“ entwickelt und erst in diesem Jahr „Stormwater“ veröffentlicht : Eine Ressource für Wissenschaftler, Ingenieure und politische Entscheidungsträger. Wie Richardson lehnt er die Perspektive von Regenwasser als etwas ab, das man in Rohre oder Teiche leiten muss. Er zieht es vor, Regenwasser an seinen vielen Quellen zu behandeln, bevor es zu Bächen wird, deren Volumen groß genug ist, um Rohre zu benötigen. Umweltfreundliche Bautechniken – Gründächer, Regentonnen, Zisternen – werden helfen. „Jeder Hektar Land muss sagen: ‚Ich werde kein zusätzliches Regenwasser exportieren.‘ Aber Städte sind genau das Gegenteil davon.

Er stellt fest, dass selbst das am besten angelegte Feuchtgebiet von mehr als einem Zentimeter Regen überschwemmt wird. Hurrikan Matthew war gerade durchgezogen und hatte mehr als zehn Zentimeter Regen über Durham niedergehen lassen. Wilson zuckte mit den Schultern. „Es ist Niederschlag. Man muss es an der Quelle tun. Denn sobald man Wasser sammelt, hat man ein Problem.“

Wilson betrachtet Regenwasser als eine der oben genannten Situationen. Grüne Dächer, um es aufzufangen, Regentonnen, um es zu speichern, Feuchtgebiete, um es zu bremsen, aber Regenwasserleitungen, Zisternen und Rückhaltebecken für den Fall, dass es einfach zu viel davon gibt. Und dahinter steht eine Armee von Studenten und Wissenschaftlern, die bereit sind, es zu analysieren. Manchmal mit der Natur arbeiten, mit Unternehmungen wie dem SUMPF oder dem neuen Teich. Manchmal arbeitet es fast gegen die Natur, an Stellen wie Dachrinnen und Straßengräben und sogar im verhärteten, steinernen Kanal des Baches unterhalb von Edens Quad.

„Wir denken, weil wir sie gebaut haben, dass sie nur für nützliche Zwecke da sind“, sagt Fork und spricht nicht nur von ihren Dachrinnen und Cliffords Gräben, sondern auch vom SUMPF und dem Teich und allen möglichen gebauten Umgebungen.

„Aber es ist eine Menge los.“

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