Дощовий сад – це конструкція для управління дощовими водами на місці. Недосконалий дизайн дощового саду може погіршити його гідрологічні властивості під час експлуатації, що вимагає розробки та апробації відповідної математичної моделі для інженерного розрахунку й оцінки конструкції. Метою цього дослідження було моделювання процесу інфільтрації у дощовому саду на основі математичної моделі, яка враховує висоту стовпа води (ВСВ) на поверхні конструкції та коефіцієнт фільтрації ґрунтових матеріалів, імітуючи реакцію системи під час екстремальної дощової події (36 мм/год). Використовуючи розроблену модель, отримано розрахункові криві, що описують продуктивність дощового саду залежно від параметрів його дизайну: глибини конструкції, співвідношення площі водозбірного басейну до площі дощового саду, коефіцієнта фільтрації та водоутримувальної здатності (ВУЗ). Основні параметри ґрунтових матеріалів визначалися експериментальним шляхом у лабораторних умовах. Інфільтраційна продуктивність конструкції оцінювалася за зміною часу проникнення та насичення всіх шарів, а також заповненням водою дощового саду в результаті коригування його параметрів і змін ВСВ на поверхні. Результати моделювання показали, що основними параметрами, які визначають прогнозований час повного заповнення системи водою і формування ВСВ, є співвідношення площ та коефіцієнт фільтрації. ВУЗ ґрунтових матеріалів і глибина шарів конструкції суттєво впливають на час повного насичення і заповнення системи водою, але майже не впливають на ВСВ на поверхні. Показано, що конструкція глибиною 1,2 м, при співвідношенні площ 15 та з коефіцієнтом фільтрації 100-200 см/год ефективно функціонує при критичній інтенсивності дощових опадів. Розроблена модель і отримані результати, надаючи точні розрахунки та рекомендації щодо параметрів конструкції, можуть бути використані інженерами та проєктувальниками для вдосконалення дизайну дощових садів, що сприятиме підвищенню ефективності управління зливовими водами
Отримано 04.07.2024
Доопрацьовано 30.09.2024
Прийнято 02.12.2024
[1] Abdallah, A.M., Jat, H.S., Choudhary, M., Abdelaty, E.F., Sharma, P.C., & Jat, M.L. (2021). Conservation agriculture effects on soil water holding capacity and water-saving varied with management practices and agroecological conditions: A review. Agronomy, 11(9), article number 1681. doi: 10.3390/agronomy11091681.
[2] Adoption guidelines for stormwater biofiltration systems: Cities as water supply catchments – sustainable technologies. (2015). Retrieved from https://watersensitivecities.org.au/content/stormwater-biofilter-design/.
[3] Alamdari, N., & Sample, D.J. (2019). A multiobjective simulation-optimization tool for assisting in urban watershed restoration planning. Journal of Cleaner Production, 213, 251-261. doi: 10.1016/j.jclepro.2018.12.108.
[4] Bethke, G.M., William, R., & Stillwell, A.S. (2022). Rain garden performance as a function of native soil parameters. Journal of Sustainable Water in the Built Environment, 8(1), article number 04021021. doi: 10.1061/JSWBAY.0000967.
[5] Bioretention – rain garden – recommendations. (n.d.). Retrieved from https://greatriversgreenway.org/design-guidelines/environmental/bioretention-raingarden/.
[6] Bortolini, L., & Zanin, G. (2019). Reprint of: Hydrological behaviour of rain gardens and plant suitability: A study in the Veneto plain (north-eastern Italy) conditions. Urban Forestry & Urban Greening, 37, 74-86. doi: 10.1016/j.ufug.2018.07.003.
[7] Burszta-Adamiak, E., Biniak-Pieróg, M., Dąbek, P.B., & Sternik, A. (2023). Rain garden hydrological performance – responses to real rainfall events. Science of The Total Environment, 887, article number 164153. doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.164153.
[8] DSTU B V.2.1-23:2009. (2009). Bases and foundations of buildings and structures. Soils. Methods of laboratory determination of the filtration coefficient. Retrieved from https://online.budstandart.com/ua/catalog/doc-page.html?id_doc=25933.
[9] Goh, H.W., Lem, K.S., Azizan, N.A., Chang, C.K., Talei, A., Leow, C.S., & Zakaria, N.A. (2019). A review of bioretention components and nutrient removal under different climates – future directions for tropics. Environmental Science and Pollution Research, 26, 14904-14919. doi: 10.1007/s11356-019-05041-0.
[10] Hallam, J., & Hodson, M.E. (2020). Impact of different earthworm ecotypes on water stable aggregates and soil water holding capacity. Biology and Fertility of Soils, 56, 607-617. doi: 10.1007/s00374-020-01432-5.
[11] Hoban, A., & Gambirazio, C. (2021). Bioretention performance: A review of field studies. Australasian Journal of Water Resources, 25(2), 202-210. doi: 10.1080/13241583.2021.1984190.
[12] Jiang, C., Li, J., Li, H., & Li, Y. (2019). An improved approach to design bioretention system media. Ecological Engineering, 136, 125-133. doi: 10.1016/j.ecoleng.2019.06.014.
[13] Kim, J., Baek, J., Kim, B., & Kwon, S. (2023). Analysis of outflow reduction effect of bioretention in small watersheds during short-term rainfall. Journal of Korea Water Resources Association, 56(12), 855-869. doi: 10.3741/JKWRA.2023.56.12.855.
[14] Kravchenko, M., Trach, Y., Trach, R., Tkachenko, T., & Mileikovskyi, V. (2024a). Improving the efficiency and environmental friendliness of urban stormwater management by enhancing the water filtration model in rain gardens. Water, 16(10), article number 1316. doi: 10.3390/w16101316.
[15] Kravchenko, M., Trach, Y., Trach, R., Tkachenko, T., & Mileikovskyi, V. (2024b). Behaviour and peculiarities of oil hydrocarbon removal from rain garden structures. Water, 16(13), article number 1802. doi: 10.3390/w16131802.
[16] Kravchenko, М., Tkachenko, T., & Mileikovskyi, V. (2024c). Study of the influence of the main parameters of the rain garden on its hydrological parameters by modeling. Collection of Scientific Papers of Admiral Makarov National University of Shipbuilding, 1, 166-176. doi: 10.15589/znp2024.1(494).23.
[17] Lee, J., Bae, S., Lee, W.H., & Gil, K. (2022). Effect of surface area to catchment area ratio on pollutant removal efficiency in vegetation-type facilities. Ecological Engineering, 179, article number 106609. doi: 10.1016/j.ecoleng.2022.106609.
[18] Li, G., Xiong, J., Zhu, J., Liu, Y., & Dzakpasu, M. (2021). Design influence and evaluation model of bioretention in rainwater treatment: A review. Science of The Total Environment, 787, article number 147592. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.147592.
[19] Libohova, Z., Seybold, C., Wysocki, D., Wills, S., Schoeneberger, P., Williams, C., Lindbo, D., Stott, D., & Owens, P.R. (2018). Reevaluating the effects of soil organic matter and other properties on available water-holding capacity using the national cooperative soil survey characterization database. Journal of Soil and Water Conservation, 73(4), 411-421. doi: 10.2489/jswc.73.4.411.
[20] Lisenbee, W., Hathaway, J., Negm, L., Youssef, M., & Winston, R. (2020). Enhanced bioretention cell modeling with DRAINMOD-Urban: Moving from water balances to hydrograph production. Journal of Hydrology, 582, article number 124491. doi: 10.1016/j.jhydrol.2019.124491.
[21] Lisenbee, W.A., Hathaway, J.M., & Winston, R.J. (2022). Modeling bioretention hydrology: Quantifying the performance of DRAINMOD-Urban and the SWMM LID module. Journal of Hydrology, 612, article number 128179. doi: 10.1016/j.jhydrol.2022.128179.
[22] Liu, R., & Fassman-Beck, E. (2018). Pore structure and unsaturated hydraulic conductivity of engineered media for living roofs and bioretention based on water retention data. Journal of Hydrologic Engineering, 23(3), article number 04017065. doi: 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001621.
[23] Nelson, J.T., Adjuik, T.A., Moore, E.B., VanLoocke, A.D., Ramirez Reyes, A., & McDaniel, M.D. (2024). A simple, affordable, do-it-yourself method for measuring soil maximum water holding capacity. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 55(8), 1190-1204. doi: 10.1080/00103624.2023.2296988.
[24] Nichols, W., Welker, A., Traver, R., & Tu, M.-C. (2021). “Peter” modeling seasonal performance of operational urban rain garden using HYDRUS-1D. Journal of Sustainable Water in the Built Environment, 7(3), article number 04021005. doi: 10.1061/JSWBAY.0000941.
[25] Nuruddin, M., & Moghal, A.A.B. (2024). State-of-the-art review on the geotechnical and geoenvironmental feasibility of select biochars. Indian Geotechnical Journal, 54, 1073-1094. doi: 10.1007/s40098-023-00788-3.
[26] Putri, F.K., Hidayah, E., & Ma’ruf, M.F. (2023). Enhancing stormwater management with low impact development (LID): A review of the rain barrel, bioretention, and permeable pavement applicability in Indonesia. Water Science & Technology, 87(9), 2345-2361. doi: 10.2166/wst.2023.095.
[27] Rain gardens. (2023). Retrieved from https://www.instagram.com/p/CngYDIatE1B/?img_index=1.
[28] Rain garden and bioretention literature review: An assessment of functional parameters, BMPs and landowner perspectives. (2017). Retrieved from https://www.ezview.wa.gov/Portals/_1962/Documents/SAM/RainGarden-Bioretention%20Literature%20Review%202017.pdf.
[29] Rinchumphu, D., Suriyanon, N., Phichetkunbodee, N., Munlikawong, S., Wanitchayapaisit, C., & Sitthikankun, S. (2023). Economics and cost effectiveness of a rain garden for flood-resistant urban design. Global Journal of Environmental Science and Management, 10(1), 1-12. doi: 10.22034/gjesm.2024.01.01.
[30] Sittisom, P., Tangsongsuwan, R., Munlikawong, S., Wongsapai, W., Sitthikankun, S., & Rinchumphu, D. (2022). The determination of soil infiltration rate of urban bioretention design process in Chiang Mai, Thailand. Nakhara: Journal of Environmental Design and Planning, 21(3), article number 228. doi: 10.54028/NJ202221228.
[31] Ellis, L., & Bettin, K. (2022). Stormwater management: Rain gardens to bioretention areas. Journal of Opinions, Ideas & Essays, 5, article number 1.
[32] Takaijudin, H., Abdurrashed, A.S., Osman, M., Sholagberu, A.T., Yusof, W.K., & Ab Ghani, A. (2019). The influence of soil characteristics on hydraulic performance in bioretention system. Platform: A Journal of Science and Technology, 2(1), 12-22. doi: 10.61762/pjstvol2iss1art4587.
[33] Técher, D., & Berthier, E. (2023). Supporting evidences for vegetation-enhanced stormwater infiltration in bioretention systems: A comprehensive review. Environmental Science and Pollution Research, 30, 19705-19724. doi: 10.1007/s11356-023-25333-w.
[34] Verheijen, F.G.A., Zhuravel, A., Silva, F.C., Amaro, A., Ben-Hur, M., & Keizer, J.J. (2019). The influence of biochar particle size and concentration on bulk density and maximum water holding capacity of sandy vs sandy loam soil in a column experiment. Geoderma, 347, 194-202. doi: 10.1016/j.geoderma.2019.03.044.
[35] Wang, J., Chua, L.H.C., & Shanahan, P. (2019). Hydrological modeling and field validation of a bioretention basin. Journal of Environmental Management, 240, 149-159. doi: 10.1016/j.jenvman.2019.03.090.
[36] Williams, A., Jordan, N.R., Smith, R.G., Hunter, M.C., Kammerer, M., Kane, D.A., Koide, R.T., & Davis, A.S. (2018). A regionally-adapted implementation of conservation agriculture delivers rapid improvements to soil properties associated with crop yield stability. Scientific Reports, 8, article number 8467. doi: 10.1038/s41598-018-26896-2.
[37] Zhang, B., Li, J., & Li, Y. (2020). Simulation and optimization of rain gardens via DRAINMOD model and response surface methodology. Ecohydrology & Hydrobiology, 20(3), 413-423. doi: 10.1016/j.ecohyd.2020.03.002.
[38] Zhang, L., Ye, Z., & Shibata, S. (2020). Assessment of rain garden effects for the management of urban storm runoff in Japan. Sustainability, 12(23), article number 9982. doi: 10.3390/su12239982.