Forskere understreger betydningen af ​​stormvandforskning

En skarv plasker rundt i Duke Stormwater Reclamation Pond, mens Megan Fork, sidder i skyggen under læ for enden af ​​molen med kollega Chelsea Clifford, tager en pause fra at skrive sin ph.d. afhandling, "Stormvand og organisk stof i det urbane strømkontinuum." Fork fortæller historier om stormvandsundersøgelse, hvilket til tider kan gå noget useriøst.

"Meget af mit arbejde involverer at jagte stormene, når de kommer, " siger Fork, hvis afhandling kræver foretagender som at finde ud af, hvad der kommer ud af folks tagrender lige efter det regner. "Jeg leder efter den første flush, som vi kalder det " - afstrømningen fra de første minutter af et regnvejr, vand, der er fyldt med alt, der har været gennemsyret af fugt siden sidste regn. Hvilket betyder, at hun har et netværk af mennesker forberedt, hvis hun lader dem vide, at det regner, at springe fra deres sofaer og skynde sig af sted for at få fat i beholdere, hun har placeret i gårdene hos villige husejere omkring Durham for at fange den første flush, så hun kan prøve dem. Fortabt i den pludselige kamp, lejlighedsvis, er klarhed i tingene lige så grundlæggende som destination. Assistenter har lejlighedsvis befundet sig i de forkerte værfter, leder efter spande, der ikke er der. Ukendte personer støder rundt om værfterne for de ikke-anmeldte om natten, bære pandelamper i regnvejr, kan forårsage alarm. Politiet er endda blevet tilkaldt.

Det er ikke ligefrem Tony Starks laboratorium fra Iron Man, men videnskaben går, hvor den skal, og hvis du jagter den nye videnskab om regnvand, det er en spand i en andens baghave i en midnatsregn. regnvand, selvfølgelig, omfatter alt fra den blideste faldtåge til de mange centimeter en orkan kan falde på en dag. Den blide tåge er normalt ikke et problem, men tænk på orkanen Matthew, der faldt mere end fire centimeter regn på Durham County's cirka 300 kvadratkilometer. Det gav Durham nok regnvand til at holde Niagara Falls i gang i næsten otte timer. Den eroderende kraft af det vand alene i Durhams kløfter gør det værd at tænke over. Men overvej så, hvad det fører med sig:motorolie og bremsestøv og bundfældede emissionspartikler fra biler; gødning og pesticider fra græsplæner; plus kæledyrsaffald, affald, og alt det andet. Alle gør sin vej gennem vores gader, kløfter, og rører ind i vores floder i alt fra rislen fra den tågede morgen til strømmen fra orkanen. Og indtil de seneste år, de fleste ingeniører behandlede det som et problem at slippe af med, og de fleste forskere tænkte slet ikke på det.

Det er ved at ændre sig. Forks forskning undersøger organisk stof i bystrømmen, for eksempel, betyder at finde ud af, hvad der sker med, sige, bladene, der ender i din tagrende. De sidder der, "bærer som te, " som Fork siger, med mikroorganismer, der tygger på dem og gør vandet brunt med opløst organisk materiale, primært kulstof, men også næringsstoffer som nitrogen og fosfor, forurenende stoffer til alle former for bystrømme. "Alle slags biologiske processer kan ske med bakterier på disse steder, " siger hun. "Hvert af disse steder fjerner potentielt noget eller tilføjer noget, så du får det kombinerede signal, når du kommer til streamen, "hvor forskere traditionelt har påbegyndt deres målinger." Meget af mit arbejde tager bygget infrastruktur og siger, 'Hvad kan vi lære, hvis vi anvender økologiske metoder og konceptuelle modeller?' Den kigger på den og siger, "Hvad sker der på dette sted?" "

Fork tager mål i folks tagrender, stående talje dybt i fangstbassiner på forstædernes gader. Opbygningen af ​​fugtige blade i fangstbassiner sørger for lavt iltindhold, "Så jeg tror, ​​vi kunne få en masse rigtig cool biogeokemi i gang dernede." Hun går, hvor regnvandet først går, ikke bare hvor det ender, driller hvad der sker hvor.

Adjunkt i økosystemøkologi og økohydrologi Jim Heffernan, Forks specialerådgiver, godkender. "Det er et eksempel på, i det væsentlige, [hvordan] vi er på det punkt, hvor vi skal lave grundlæggende økologi i byerne, " siger han. Hans laboratorium, en af ​​fire, der udgør Duke River Center, undersøger alle slags problemer, der påvirker floder, herunder "processer, der genererer regnvand i bylandskabet og påvirker dets kemiske sammensætning, og vi undersøger også konsekvenserne af det nedstrøms. "

Selvom videnskabsmænd traditionelt har set bort fra økologien ved steder som forreste græsplæner og tagrender, de er i de senere år vågnet op til det byggede miljø som et studiefag - og ikke kun for at se, hvordan det skader miljøet. "Vi forsøger ikke kun at forstå, hvordan vi designer byer til at forårsage mindre forurening, " han siger, "men hvad er økologien i byer? Bare sidste år havde Ecological Society of America sit hundredeårsmøde, og byøkologi var overalt." Hans seneste publikationsbidrag omfatter arbejde med pleje af byplæner (arbejdet hen imod bæredygtighed skal tage forskellige greb, da alle har forskellige ideer om gødskning og kunstvanding) og om de værdier, byboere opfatter, at de får. fra økosystemerne omkring dem. (Folk i syd værdsætter deres græsplæners kølende effekt og æstetik mere end dem i nord, hvor folk favoriserer græsplæner, der ikke har brug for meget arbejde.)

Udvisker skelnen mellem græsplæner og marker, mellem tagrender og floder giver kun mening, han siger. "Der er virkelig ikke så meget landskab længere, som vi ikke udviser nogen kontrol over." Den antropocæn, vi alle har hørt om, den æra, hvor menneskelig aktivitet har været den dominerende indflydelse på klima og miljø? Det er overalt, og når regnen falder, regndråber lander på et miljø påvirket af mennesker. Regn er kilden til liv:Det lader vandførende lag og fylder floder og søer, selvom den også bærer med sig alt, hvad den finder på vejen. Regnvand er det, vi drikker, til sidst, og vi skal forstå det. Og Heffernan og hans kandidatstuderende er ikke de eneste på Duke i sagen.

"Det er ikke rigtig regnvand, " siger professor i ressourceøkologi Curt Richardson, grundlægger og direktør for Duke University Wetland Center i Nicholas School of the Environment. "Det er regnvand. Grunden til, at vi kalder det regnvand, er, fordi ingeniører har fået fat i det og lagt det i rør." Regnvand får det til at lyde som spildevand, som kommer ud af afløbene i dit hus og har brug for et rensningsanlæg, før det sikkert kan komme ind i miljøet. Storm... Arr, regnvand kommer fra himlen og er i miljøet, når vi indhenter det. "Du behøver ikke at behandle regnvand, som du behandler spildevand, " siger Richardson.

Men du skal tænke over det. I første omgang, regnvand bringer til floder alt det, det finder undervejs:kemiske forurenende stoffer som gødning og ukrudtsmidler og svampedræbende midler, folk lægger på de græsplæner, for eksempel. Og meget mere:bremsestøv og kæledyrsaffald og luftforurenende stoffer, der har sat sig på jorden, nanopartikler, der kommer ind i miljøet fra køretøjers udstødning, og kasserede slikindpakninger og Bud Light -dåser, der ender med at blive vasket med af regnen. Alle de affaldspletter i havene? Det meste af disse plastik blev ikke dumpet af ondsindede fra skibe og olieplatforme; de er lige skyllet ud i havene fra vores værfter og gader.

Så når Richardson siger, at du ikke behøver at behandle regnvand (vi bliver ved med at kalde det regnvand, fordi stort set alle undtagen Richardson gør det), han har ret, men han ved bedre end nogen anden, at du virkelig er nødt til det som han har. Han skabte SWAMP-the Stream &Wetland Assessment Management Park, en fjorten hektar stor restaurering af Sandy Creek-vandskellet, der dræner Duke's West Campus og 1, 200 omkringliggende hektar. Det femfasede SWAMP-projekt startede i 2004 og blev afsluttet i 2012 og fulgte Richardsons arbejde i vådområder i Kina og Florida Everglades.

SWAMP fungerer nu som en slags udendørs laboratorium, vært for snesevis af forskningsprojekter hvert år. Hvert nummer af "Wetland Wire, "et nyhedsbrev udsendt et par gange om året af Wetlands Center, indeholder en liste over artikler udgivet af centerforskere og tilknyttede selskaber, hvoraf mange fokuserer på SWAMP-baseret forskning. I 2015 for eksempel, Richardson og medarbejdere udgav et stykke om, hvordan habitatforskellene mellem restaurerede og urestaurerede vandløb påvirkede skildpaddepopulationer (skildpadderne synes at kunne lide de restaurerede) og kilden til kviksølvforurening i SWAMP (sandsynligvis perkolat fra svampedræbende midler, der engang blev sprøjtet på opstrøms atletikbaner) .

Richardson anslår mellem 500 og 800 Duke-studerende, bachelor og kandidat, lave en eller anden form for arbejde i SWAMPEN hvert år, og de er ikke kun fra videnskabelige laboratorier; Engelsk- og kunstklasser bruger SWAMP samt økologi- og biologiklasser. Buslæs af Durham skolebørn besøger SWAMP hvert år, også.

Hvad mere er, det virker. Ifølge forskning har Richardson offentliggjort, SWAMP reducerer nitrogenbelastningen i Sandy Creek med 64 procent og den samlede fosfor med 28 procent. I stedet for hurtigt bevægende vand udskærer dybere og dybere skyttegrave til åen og transporterer silt ind i den urolige Jordan-sø, SWAMP'en understøtter lige det modsatte:Den tillader 488 tons sediment hvert år at bundfælde sig, i stedet for at strømme ind i Jordan-søen. Omkring 113 arter, tredoblet fra før, hyppige nu SUMPEN, inklusive American Bittern, som Richardson ikke er sikker på nogensinde har besøgt åen, før den blev renset op. Makroinvertebrater - fluelarver, guldsmede, og lignende - er tredoblet, også, og du kan finde ti arter af fisk i Sandy nu, det dobbelte af, hvad åen støttede i 2004.

"Vandkvalitet, biodiversitet, uddannelse, forskning, " siger han. "Vi får meget brug ud af det."

Mens Megan Fork diskuterer sit arbejde som stormvandsjæger, hun sidder på en mole over Duke Reclamation Pond, en fem hektar storvandsvand på en 12,5 hektar stor grund, der, ligesom SUMPE, er endt med at gavne studerende, forskere, åen, og samfundet. Dammen fungerer på samme måde som SUMPEN:Den sænker vandet for at give tid til bundfældning og naturlige processer.

Men dammen har sin begyndelse som intet andet end et dyrt problem. I 2007-08, en ekstrem tørke sænkede reservoirer og satte Duke i den situation, hvor den måtte se ned ad vejen på muligheden for at begrænse sin kapacitet til at køle sine bygninger. Duke køler sine bygninger med køleanlæg, som er meget som enorme klimaanlæg, der køler vand og fører det gennem rør til bygninger over hele campus. At bruge et krympende lager af drikkevand til klimaanlæg ville ikke fungere på lang sigt, siger James Caldwell, assisterende direktør for vandressourcer og infrastruktur hos John R. McAdams Company, ingeniørfirmaet, der laver store regnvandsstudier for universitetet. "Det var oprindeligt tænkt til at levere opsamlet regnvand som et problem med kapaciteten, "Siger Caldwell. Det vil sige, opdæmning af åens biflod, der drænede 22 procent af West Campus, ville skabe en dam, der kunne forsyne Dukes køleanlæg nummer 2, hvilken, bruger 200 millioner gallons vand om året, er den største bruger af vand i Durham. Det gav kun mening.

"Så indså vi, at vi kunne bruge det til peak flow retention og fjernelse af næringsstoffer." Det er, Duke har forpligtelser til at styre sit regnvand for hvert nyt projekt, det opretter. I tilfældet med dammen, bremse strømmen og muliggøre fjernelse af næringsstoffer giver Duke mulighed for at "bank" næringsfjernelse til andre projekter, spare omkostninger til udvikling af regnvandshåndteringsfaciliteter til fremtidig udvikling samt tilvejebringelse af en kilde til gratis vand. Tilføj i dammen som en ny mulighed for forskning og rekreation, med et spor rundt om det og steder at sidde som molen, og du begynder at se regnvand som en mulighed, ikke problem.

Igen, det er ikke traditionen med regnvand, som vist af nogle ældre elementer af Dukes campus. Edens Quad, en gruppe af West Campus sovesale bygget i en flodslette i 1966, rummede den lille biflod på toppen, som de er bygget ved blot at beklæde åens løb med Duke-sten. regnvand, fuld af forurenende stoffer, ville race gennem kanalen på vej til Jordan Lake, men det var i hvert fald væk. Nogle gange kaldet Dukes version af L.A.-floden, den hærdede å kan ikke gøre, hvad åen gør, når den passerer gennem SOPPEN - svulmer op af regnvand, sprede vand for at sætte sig langs dens flodslette, bremse det, fremme absorption.

Tag et kig på den hærdede å nu, og du ser, at naturen har trængt tilbage; skaldede cypresser har sat rødder ved siden af ​​åen, cypresknæ, der skubber op gennem sten og jord ind i kanalen. Knæene hænger forbi blade, grannåle, og skrald, undertiden endda grene; der skaber små dæmninger og i sidste ende puljer. Små fisk piler i vandet nær hvor kanalen passerer direkte under bygningerne. Stenbunden tillader ikke vand at trænge ned i jorden, og den næste store regn vil vaske alle forurenende stoffer nedstrøms:ingen næringsstofoptagelse af planter, ingen siltretention, ingen opladning af grundvandet. Men det er lærerigt at se, hvor hårdt naturen arbejder for at gøre denne hærdede kanal til noget nyttigt, noget, den genkender som en strøm.

At udforske steder, hvor naturen forsøger at udføre nyttigt arbejde på egen hånd, er Chelsea Cliffords opgave. en anden af ​​Jim Heffernans kandidatstuderende. Hvis Forks interesse for tagrender syntes at strække videnskabens grænser, hvad skal man sige om Cliffords fokus på grøften ved vejkanten? "Jeg forsøger at finde ud af, under hvilke forhold grøfter kan fungere som naturlige økosystemer, som vådområder eller vandløb, " siger hun. Hun prøver, hvad hun finder i grøfter i vejkanten på motorvejen, landbrugs, og skovområder. "De er ikke så gode som naturlige vådområder, " hun siger, "men de er et rigtigt økosystem."

Gå langs en landevej, og du ser almindeligvis, hvor vandet sætter sig nær rørene, der løber under indkørsler, solrige små sumpede økosystemer, der vokser op omkring regnvand. Fordi grøfter ved vejsiden er slået, Clifford siger, de "opbevares i denne tidlige succession, træløs fase." Hun ser græsser som gyvel og nålerush, som er tidlige grøft gentrifiers. Når først græsset er der, grøfter støtter frøer, makroinvertebrater, og endda krybdyr. Og i betragtning af artens komplekse samspil, de laver økosystemarbejde, også.

Kommer ud af tagrender, Fork siger, regnvand har koncentrationer af opløst organisk stof, hun beskriver ved hjælp af det videnskabelige udtryk "skøre bananer" - fem eller seks gange niveauerne fundet i Floridas sortvandsfloder, som er som guldstandarden for høje niveauer af opløst organisk stof. En kollega fra Cliffords undersøgelse af denitrifikation i grøfter fandt ud af, at grøfter fjernede betydelige mængder nitrogen og fosfor. "Så i grøfter og andre steder, hvor der er et organisk substrat, " siger Clifford, "der er en faktisk reduktion af forurenende stoffer."

Naturen tager vores byggede miljø og manipulerer det til sine egne formål. Will Wilson, lektor i biologi, hvis oprindelige forskning fokuserede på matematisk evolutionær økologi, har i de senere år vendt sin opmærksomhed mod regnvand og det byggede miljø, udvikle et kursus omkring hans Constructed Climates:A Primer on Urban Environments og netop i år udgive Stormwater:A Resource for Scientists, Ingeniører, og politiske beslutningstagere. Ligesom Richardson, han afviser regnvandsperspektivet som noget, man skal putte i rør eller damme. Han foretrækker at adressere regnvand ved dets mange kilder, før det bliver vandløb med volumen stor nok til at kræve rør. Grønne byggeteknikker - grønne tage, regntønder, cisterner - vil hjælpe. "Hver hektar jord skal sige, 'Jeg vil ikke eksportere noget ekstra regnvand.' Men byer er lige det modsatte af det«.

Han bemærker, at selv det bedst konstruerede vådområde vil blive overvældet af mere end en tomme eller deromkring regn. Orkanen Matthew var lige passeret igennem, faldt mere end fire centimeter regn på Durham. Wilson trak på skuldrene. "Det er nedbør. Du skal gøre det ved kilden. For så snart du samler vand, du har et problem."

Wilson ser stormvand som en alt-over-ovenstående situation. Grønne tage for at fange det, regntønder til at opbevare det, vådområder for at bremse det, men regnvandsrør og cisterner og retentionsdamme til når der bare er for meget af det. Og så, bag det, kommer en hær af kandidatstuderende og videnskabsmænd klar til at analysere det. Nogle gange arbejder man med naturen, med tiltag som SOPPEN eller den nye dam. Nogle gange virker næsten imod naturen, på steder som tagrender og grøfter i vejkanten og endda de hærdede, stensidet kanal af åen under Edens Quad.

"Vi tror, ​​fordi vi byggede dem, at de kun er der for utilitaristiske formål, "Fork siger, taler ikke kun om hendes tagrender og Cliffords grøfter, men om SOPPEN og dammen og alle slags byggede miljøer.

"Men der sker en masse ting."