מבוא
התכנון ההנדסי שהיה נהוג בישראל במשך עשרות שנים, בדומה לנהוג בארצות רבות אחרות, ראה בנגר העילי העירוני מטרד או בעיה הדורשת פתרון. בתכנון לקוי, מי הגשם עלולים לגרום להצפות של הכבישים, וחדירה של מים לתת-הקרקע סמוך ליסודות הבניינים עלולה להביא לפגיעה ביציבותם. מערכות הניקוז תוכננו בדרך כלל במטרה לאסוף את מרבית מי הגשם ולסלק אותם במהירות וביעילות האפשרית מהמרחב הבנוי. במרבית הישובים, מי הגשם מגיעים בסופו של דבר אל ערוצים טבעיים ומשם, לא אחת, אל הים. בשנים האחרונות התגבשה הבנה, בין היתר בעקבות מחקרים בחו"ל, כי רצוי לנקוט בתכנון עירוני רגיש למים (תר"מ), המבטא יעוד שונה למים ומיישם אמצעים אחרים לשם כך.
פוטנציאל הנגר העילי הבלתי מנוצל בערי ישראל מוערך ב-70-100 מיליון מ"ק בשנה. מים אלו הם משאב אשר בתכנון נכון ניתן להפיק ממנו תועלת. בראש ובראשונה, ניתן לאגום אותם ולהחדיר אותם אל מאגר מי התהום, אם אינם מזוהמים יתר על המידה. מערכות של ביו-פילטרים, המהוות את מושא המחקר של צוותי מחקר אחרים בפרויקט, מאפשרות לשמר חלק מהמים האלה. אולם בתכנון נכון, מי הנגר העילי עשויים גם לתרום לאיכות החיים של תושבי העיר: ניתן להשתמש בהם להשקיה של צמחייה בגנים עירוניים קטנים ובערוגות, בתנאי שמווסתים את מהירות הזרימה ומסיטים אליהם את המים בצורה מושכלת. הצמחייה עשויה לשפר את הנוחות האקלימית של הולכי רגל בשטחים הפתוחים הסמוכים, ולהפחית את צריכת האנרגיה של בניינים למיזוג אוויר. המחקר הנערך על ידי הצוות במכונים לחקר המדבר משתלב בתוכנית מקיפה המיועדת להביא ליצירת ערים רגישות מים בישראל אשר ייטיבו לנצל את המשאב הזה.
התרומה של צמחייה לנוחות התרמית של הולכי רגל בעיר ולהפחתת צריכת האנרגיה בבניינים תלויה במיני הצמחים, במיקום שלהם במרקם העירוני ובאופן שבו הם משולבים בשאר מרכיבי הרחוב. את הצמחייה אפשר לשלב במספר אופנים: בגינות ציבוריות או פארקים שכונתיים; ברחובות; בגינות הבניינים; או על גבי הבניינים עצמם, בעיקר בגגות. התכנון חייב להביא בחשבון הן את מאפייני הסביבה הבנויה והן את מאפייני האקלים, ובפרט את תפרוסת המשקעים: מספר ימי הגשם מועט, העוצמות לעיתים גבוהות מאוד, ובעיקר — ישנה תקופת יובש ארוכה וקשה מאוד הנמשכת מספר חודשים בשנה. האקלים בארץ שונה מאוד מהאקלים השורר באחדות מהערים החלוצות בתחום, כגון מלבורן שבאוסטרליה ופורטלנד בארה"ב. לכן אפשר שהכלים המשמשים את המתכננים שם לא יתאימו לצרכים בישראל.
מטרות הפרויקט שעליו אחראית הקבוצה שלנו הן אפוא: א) לבחון, בהקשר הישראלי, כיצד ניתן למפות מערכת משולבת ומקיפה של נתיבי מים, אזורי איגום ומתקני אגירה וטיפול לנגר עילי במרקם עירוני קיים; ב) לפתח ולהדגים מתודולוגיה ליישום אמצעים לשימור נגר עילי במרחב העירוני במגמה להביא לניצול מיטבי של המים לשיפור הנוחות התרמית של הולכי רגל ברחוב ולהפחתה בצריכת האנרגיה של בניינים לאקלום.
שיטות
המתודולוגיה של הפרויקט נשענת על הדמיות מחשב, וכוללת שני מאמצי מחקר הבאים לענות על מטרות הפרויקט, בהתאמה:
א. מיפוי אלמנטים של עיר רגישה למים. התהליך כולל את השלבים הבאים:
1. רכישה של בסיס נתונים בעל רזולוציה גבוהה, ממופה בממ"ג (GIS).
2. מיפוי נתיבי זרימת נגר עילי, באמצעות תוכנת SUSTAIN (המבוססת על מנוע החישוב SWMM).
3. הגדרת יעדים כמותיים למהלך ההתערבות במרקם העירוני.
4. ניתוח משולב של הזרימות ושל התשתית במטרה לזהות אתרים אפשריים ליישום אמצעי בקרת נגר, לפי הסיווג הבא: סוג האמצעי; צורת הפרישה שלו; מיקום האמצעי; סוגי הצמחייה.
5. הדגמת המתודולוגיה בשתי ערים בארץ.
ב. בחינת השפעתם של אמצעים לבקרת הנגר על אקלים העיר, בשלבים הבאים:
1. מודל של השפעות האמצעים לבקרת הנגר על מיקרו-אקלים העיר, ובפרט: טמפרטורת קרקע בעיר לאחר הגשם, עם או בלי צמחייה; ומודל מחשב של טמפרטורת האוויר באזור עירוני.
2. שילוב ההדמיות של השפעת הצמחייה במודל CAT, ואימות המודל המשולב על בסיס נתוני מדידות קיימים מהערים אדלייד, גוטבורג ומלבורן.
3. שילוב (חד-כיווני) של מודל CAT בבסיס נתונים קיים ב- GIS.
4. ניתוח ההשפעה של הצמחייה באמצעי בקרת הנגר על נוחות תרמית של הולכי רגל באמצעות מדד
5. ניתוח ההשפעה של הצמחייה באמצעי בקרת הנגר על צריכת אנרגיה לאקלום באמצעות תוכנת Energy+ המוזנת בנתוני אקלים אשר הותאמו לתנאי העיר באמצעות מודל CAT המשופר.
ג. תוצאות, דיון ומסקנות
במהלך השנה השנייה של הפרויקט הושגה התקדמות במספר נושאים, אשר יתוארו כאן בקצרה.
1. ניתוח הידרולוגי של סביבות עירוניות
מידול הידרולוגי של סביבות עירוניות היינו נושא מורכב בשל ההטרוגניות של המערכת הכוללת בנוסף לתנאים הסביבתיים כגון סוג קרקע, תכסית, שיפועים, משקעים והתאדות (הנדרשים במידול הידרולוגי בשטחים פתוחים), גם מאפיינים הייחודיים לשטחים עירוניים כגון רשת ניקוז תת-קרקעית, שטחים בנויים אטומים למים ותכסית מגוונת. בנוסף, קנה המידה של אגני ניקוז עירוניים שונה לחלוטין מאילו של שטחים פתוחים ויכול להגיע לסדר גודל של מטרים ספורים. אירועי הצפה בשנים האחרונות בשטחים עירוניים בארץ ובעולם מדגישים את ההכרח במציאת פתרונות כוללים לטיפול בנגר העילי כך שיהפוך ממטרד למשאב. על מנת למצוא מודל שיתאים לתנאים הספציפיים של ערים במדינת ישראל נעשתה סקירה מקיפה של מודלים לניתוח ההידרולוגיה העירונית (Salvadore et el., 2015). הסקירה כללה בחינה של היתרונות והחסרונות של מרבית המודלים הקיימים בעולם. מודלים אלו מאפשרים להריץ סימולציות הידרולוגיות אשר לוקחות בחשבון משתנים שונים של נגר עילי, כולל משתנים הייחודיים לסביבות עירוניות (כגון גגות ירוקים וריצוף חדיר למים). כמו כן ניתן לשלב בסימולציות אמצעים שונים לניהול נגר עילי כגון פתרונות מגישת LID (Low Impact Development — פיתוח בעצימות נמוכה) הכוללים תיעול מי הנגר להשהיה ולהחדרת המים תוך שימוש בטכנולוגיות מקומיות.
אחד המודלים החשובים למיפוי ההידרולוגיה העירונית הוא מודל SWMM (Storm Water Management Model) . זהו מודל דינמי הידרולוגי-הידראולי שפותח בתחילת שנות ה-70 של המאה ה20 על ידי המשרד להגנת הסביבה האמריקאי (EPA). המודל נמצא בשימוש נרחב, מעודכן באופן קבוע ובעל קוד פתוח המאפשר התאמה ופיתוח של פתרונות לבעיות ספציפיות. המודל מיועד למיפוי מקיף של מערכת נתיבי המים העירוניים העל והתת-קרקעיים ומידול של זרימת המים ופוטנציאל מי הנגר. המודל מאפשר סימולציות על בסיס אירועי גשם (היסטוריים וחזויים), מיפוי של אזורי איגום ומתקני אגירה, מיפוי של שימושי קרקע ותכסית קרקע (דרגת חדירות המשטח) ואינו מוגבל מבחינת קנה המידה וגודל האגן. המודל מאפשר הגדרה של פרמטרים רבים וניתן באמצעותו לאפיין מיקרו-אגנים ברזולוציות של מטרים בודדים, ולהתבסס גם על טופוגרפיה ונקודות גובה ברזולוציות גבוהות על מנת לכלול פרטים האופייניים לאזורים עירוניים (כגון מדרכות, קירות, סוללות וכדומה). כמו כן, ניתן למפות פיתוח בעצימות נמוכה (LID) על מנת להעריך את ההשפעות של תכנון עירוני על פוטנציאל מי הנגר כגון: שינויים בתכסית הצומח, ניתוב המים ואיגומם, שימוש בריצוף חדיר ואף גגות ירוקים. החיסרון הבולט של המודל נעוץ במורכבות שלו. על מנת להשיג תוצאות מהימנות יש להגדיר מגוון רחב של פרמטרים שלא תמיד נמצאים בהישג יד, וכן, נדרשים חישובים נרחבים. המודל נבדק על ידי הטכניון שמצא שחסרון זה משפיע על הדיוק בתוצאות (משהב"ש 2007).
קיימים מודלים רבים אחרים למידול של הידרולוגיה עירונית ברמות שונות של מורכבות ושל רזולוציה מרחבית ועתית. כמו כן, פותחו גם תכנות מסחריות כגון: MUSIC ו-PCSWMM.
במחקר הנוכחי הוחלט להתמקד במודל ה-SUSTAIN (Shoemaker, 2009; 2011; 2013) מפני שהמודל הינו מודל נגיש, חינמי ובעל קוד פתוח המשלב מידול של נגר עילי עם מידול של המערכת התת-קרקעית (ספיקה ומזהמים), ואשר כולל גם רכיב לתכנון והערכה של פתרונות בעצימות נמוכה (LID) ורכיב לאופטימיזציה על בסיס של שיקולי עלות-תועלת (כגון עלות הקמה מול דרישות ספיקה).
מודל ה-SUSTAIN מאפשר מידול ברזולוציה מרחבית גבוהה המתאימה לאגנים קטנים מאוד המאפיינים סביבות עירוניות. כמו כן, המודל משתלב במערכת ArcGIS קיימת, ולכן מפשט ומייעל את השימוש בנתונים מרחביים קיימים. המודל גם נבדק באזורים אקלימיים צחיחים וצחיחים-למחצה דומים לאלו של מרבית הערים בארץ (Sun et al., 2016) בדיקת המודל והתאמתו לתנאים הסביבתיים והעירוניים של ערים בארץ נעשו על בסיס אחד מתתי-האגנים בתחום העיר כפר סבא. בתת-אגן זה נאספים בשנים האחרונות נתונים רציפים של אירועי גשם ע"י קבוצת המחקר בראשותו של פרופ' רוני וולך (איור 19).
