高速公路跨越敏感水環境橋梁橋面徑流收集及處置技術研究

曾厚波

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

山西省敏感水環境包括具有飲用水源功能的河流和水庫、地下水飲用水水源地及泉域重點保護區等，這些區域關系到全省各地群眾的飲水水源安全，需要進行特殊保護。高速公路作為遍布全省各地區的線性基礎設施，穿越敏感水環境區域的情況普遍存在，穿越形式以橋梁為主，危險化學品運輸事故狀態下有毒有害物質泄漏引起的水污染事件呈高發態勢[1]，其中在飲用水水源地路段嚴重危害飲用水源安全，引起環境管理部門的高度重視和社會各界的廣泛關注，也越來越受到公路建設者的重視。本文以某條正在設計的高速公路為例，在調研、分析目前山西省高速公路跨越敏感水環境橋梁橋面徑流收集與處置系統建設現狀的基礎上，結合不同敏感水環境特征，研究危險化學品運輸事故狀態下不同的橋面徑流收集與處置技術方案，以確保水環境安全。

1 高速公路概況

某高速公路位于山西省中西部，全長93.86 km，是山西省“三縱十二橫十二環”高速公路網規劃中的重要組成部分，按四車道高速公路建設，設計速度80 km/h，路基寬度25.5 m，采用瀝青混凝土路面。全線設特大橋3座，大中橋78座，特長隧道1座，中隧道2座，短隧道4座，互通式立體交叉6處，服務區2處，停車區1處，主線收費站1處，匝道收費站3處，監控管理分中心1處，養護工區2處，隧道管理站1處，總投資約106億元。目前該高速公路處于初步設計階段，計劃2017年上半年開工建設，2020年年底建成通車。

該高速公路跨越的敏感水環境有汾河（汾河水庫水源地準保護區）、交樓申鄉、蔡家崖鄉及高家村鎮水源地二級保護區。

2 敏感水環境特征

本文所指不同敏感水環境特征主要指兩種典型特征，一是敏感水環境受影響范圍小，收集池可設于敏感水環境受影響范圍之外，比如保護區范圍較小的地下水水源地，該類敏感水環境稱為“局部敏感水環境”；二是敏感水環境受影響范圍大，收集池無法設于敏感水環境受影響范圍之外，比如太原至佳縣高速公路汾河大橋位于太原市汾河水庫水源地保護區，該類敏感水環境稱為“區域敏感水環境”。

某高速公路跨越的汾河水庫水源地準保護區為區域敏感水環境，跨越的交樓申鄉、蔡家崖鄉及高家村鎮水源地二級保護區為局部敏感水環境。

3 橋面徑流收集與處置系統建設的必要性

國家法律法規對飲用水水源保護區等敏感水環境內排污及處置有明確的規定，《中華人民共和國環境保護法》第三十一條規定“因發生事故或者其他突然性事件，造成或者可能造成污染事故的單位，必須立即采取措施處理……可能發生重大污染事故的企業事業單位，應當采取措施，加強防范。”《中華人民共和國水污染防治法》第五十七條規定“在飲用水水源保護區內，禁止設置排污口。”我國跨越河流等水環境橋梁橋面排水一般是通過橋面橫坡或縱坡流入泄水口直接向下排放[2]進入水環境，危險化學品運輸事故狀態下有毒有害污染物直接排入敏感水環境不符合上述法律規定。

原國家環境保護局、交通部等部門以環發[2007]184號文聯合發布的《關于加強公路規劃和建設環境影響評價工作的通知》中明確規定：“為防范危險化學品運輸帶來的環境風險，對跨越飲用水水源二級保護區、準保護區和二類以上水體的橋梁，在確保安全和技術可行的前提下，應在橋梁上設置橋面徑流水收集系統，并在橋梁兩側設置收集池，對發生污染事故后的橋面徑流進行處理，確保飲用水安全。”

據2009年和2014年山西省高速公路網調整規劃環境影響報告書統計，山西省高速公路網“三縱十一橫十一環”和“三縱十二橫十二環”兩次規劃布局中新增高速公路中有50%以上穿越敏感水環境。高速公路危險化學品運輸事故屬于突發事件，一旦在跨越敏感水環境的橋梁路段發生造成有毒有害物質泄漏等交通事故，具有很大的危險性，而且有其獨特的特征，即風險性、突發性、公共危害性、社會關注性、動態連鎖性、不可預料性等，需要采取有效的預防、應急及處置措施，而橋面徑流收集與處置系統是目前防治高速公路橋梁路段危險化學品運輸事故環境風險的有效措施。

4 山西省高速公路橋面徑流收集與處置系統建設現狀

高速公路針對危險化學品運輸事故環境風險而建設的橋面徑流收集與處置系統出現在近10年以內。2007年《關于加強公路規劃和建設環境影響評價工作的通知》出臺后，新建高速公路的環境影響報告書及其批復要求跨越敏感水環境的橋梁需設置橋面徑流收集系統，否則竣工后不予通過環境保護驗收。隨后，跨越敏感水環境的高速公路橋梁開始建設橋面徑流收集與處置系統，但是由于少有針對性的技術研究，尚無統一的技術指南，其設計和建設停留在縱向收集和簡單沉淀階段，橋面排水由泄水口直排變成縱向收集后排入橋頭收集池。通過對山西省高速公路目前建成的橋面徑流收集與處置系統的調研，橋面徑流收集與處置系統建設現狀和存在的問題如下：

a）通過管道對橋面徑流縱向收集后排入橋頭收集池，避免了有毒有害物質直接進入敏感水環境，對于局部敏感水環境可將橋面徑流引至下游收集，能有效解決對該類敏感水環境的影響問題。但是由于無后續凈化處置措施，對于區域敏感水環境，強降雨情況下有毒有害物質仍會快速進入敏感水環境。

b）收集管道和收集池缺乏科學合理的計算和設計規定，無法有效發揮作用[2]。目前收集管道多采用PVC材料，收集池采用漿砌片石，收集管道防凍性差，部分收集池位置不滿足要求，容積不足以蓄納事故徑流。

c）部分高速公路跨越敏感水環境橋梁的橋面徑流水收集、處理設施是為應付竣工環境保護驗收而補充設置的，未將其納入前期兩階段設計和工程施工過程中[3]，存在經費、設置適宜性等問題。

5 不同敏感水環境特征下橋面徑流收集與處置技術

5.1 高速公路橋面徑流量計算

根據《道路危險貨物運輸管理規定》，國內危險化學品運輸采用罐式專用車輛，其罐體容積不得超過20 m3。本文按照一次運輸的最大體積20 m3考慮，危險化學品運輸事故在橋梁路段發生后，運輸車輛罐體內危險化學品液體外泄，通過橋面徑流收集系統匯集進入收集池，若遇到降雨天氣，收集池容積還需考慮匯入雨水徑流量。因此，危險化學品事故狀態下，收集池容積需要同時考慮全部危化品運輸車輛罐體內液體容積和泄漏發生期間降水量，一般考慮30 min降雨時長內的降水量。

危險化學品事故狀態下，橋面徑流量（收集池容積）按式（1）進行計算：

式中：V為收集池總容積，m3；Q為一定降雨時長內雨水徑流量，m3.

式中：Q0為設計徑流量，m3/s；t為降雨時長，s，一般取1 800 s.

式中：φ為徑流系數，一般瀝青混凝土路面取0.95，水泥混凝土路面取0.90；q為設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度，mm/min，一般高速公路橋面排水重現期取5年；F為匯水面積，km2.

式中的q有以下兩種計算方式：

a）當地氣象站有10年以上自記雨量計資料時，可利用氣象站觀測資料按式（4）整理分析得到設計重現期的降雨強度：

式中：t為降雨歷時，min；a、b為地區性參數。

b）當地缺乏自記雨量計資料時，可利用標準降雨強度等值線和有關轉換系數，按式（5）計算降雨強度：

式中：q5,10為5年重現期和10 min降雨歷時的標準降雨強度，mm/min，山西省位于 1.5～2.0 區域[4]，某高速公路所在區域取1.7；cp為重現期轉換系數，為設計重現期降雨強度qp同標準重現期降雨強度q5的比值（qp/q5），5 年重現期 cp取 1.00；ct為降雨歷時t轉換系數，為降雨歷時t的降雨強度qt同10 min降雨歷時的降雨強度q10的比值（qt/q10），按高速公路所在區域的60 min轉換系數（c60），由表1[4]查取，c60取 0.35，即 ct取 0.55。

表1 降雨歷時轉換系數（ct）min

5.2 區域敏感水環境

某高速公路設汾河大橋跨越汾河，由于下游汾河水庫為太原市飲用水水源地，汾河水庫上游匯水區域均為山西省政府劃定的水源地準保護區，汾河大橋橋面徑流無法引至敏感水環境外圍。汾河大橋全長 880 m，跨徑為（75+4×130+75+35+60+35+3×30）m，橋面面積22 440 m2。根據現場調查，大橋跨越處汾河為U型河谷，谷底寬闊平坦，河床寬80 m，水面寬僅20 m，其余區域均為濕地，植被主要有蘆葦、香蒲、水蓼、慈姑、水蔥等，其現狀照片見圖1。

圖1 某高速公路跨越汾河處現狀照片

汾河大橋設縱向收集系統收集橋面徑流，為了防范冬季凍裂的問題，收集管道材料用不銹鋼管替代PVC管，結合汾河大橋所在河道自然環境特征，采用隔油沉淀池+人工濕地串聯的技術對橋面徑流進行處置，該橋面徑流收集、處置技術示意圖見圖2。

圖2 區域敏感水環境橋面徑流收集、處置技術示意圖

收集池采用隔油沉淀池，其容積按照上文給出的公式計算，為 578 m3，建議尺寸為（30×10×2）m，隔油沉淀池設溢流閥將多出徑流排入人工濕地進水溝。

人工濕地面積根據橋面徑流在濕地中的停留時間、地形條件、河床中原有濕地情況、工程投資等因素確定，濕地植被采用蘆葦+香蒲等本土水生植被，臨近汾河水體一側設漿砌片石圍欄，濕地末端設出水溢流堰，溢流堰需高于濕地水面。濕地對橋面徑流中各種污染物具有逐步降解作用，其原理是過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等，以達到處理污染物和爭取后續應急處置時間的目的。同時，汾河大橋跨越汾河所在河道位于汾河川國家濕地公園范圍，人工濕地可結合濕地公園建設規劃進行景觀設計，融入汾河自然濕地環境，成為一道濕地景觀。

5.3 局部敏感水環境

以該高速公路穿越交樓申鄉水源地二級保護區為例，探討跨越局部敏感水環境的橋梁橋面徑流收集和處置技術。高速公路K57+100—K57+900路段位于交樓申鄉水源地二級保護區，工程形式為交樓申 河 特 大 橋（K57+000—K58+128），該 橋 全 長1 128 m，跨徑為（28×40）m，橋面面積為 28 764 m2。根據交樓申河特大橋設計資料和橋梁跨越處地形地物等因素，橋面徑流收集池可設在水源地保護區外圍下游，即樁號K57+900以西區域，采取二次隔油沉淀的方式收集處理橋面徑流，該種橋面徑流收集、處置技術示意圖見圖3。

圖3 局部敏感水環境橋面徑流收集、處置技術示意圖

隔油沉淀池采用二次隔油沉淀處理技術，橋面徑流進入中間隔油沉淀池后，溢流閥進入二次沉淀池，二次沉淀池容積比中間沉淀池容積略大，總容積按照上文給出的公式計算，為748 m3。二次沉淀池可以防止水流較急時中間隔油沉淀池處理不充分，設溢流閥將多出徑流排到水源地保護區外圍下游，避免對水源地造成影響。

6 新增高速公路橋面徑流收集和處置技術方案

根據《山西省高速公路網規劃調整方案（2009年—2020年）環境影響報告書》，山西省高速公路網規劃中新增的10條高速公路中有6條可能涉及水源地保護區，跨越水源地保護區的橋梁需對橋面徑流進行收集和處置，具體見表2。

表2 山西省“十三五”規劃建設高速公路跨越水源地保護區的橋梁橋面徑流收集和處置技術方案

7 結論與建議

a）本文針對敏感水環境的保護，提出了兩種典型特征敏感水環境概念，即區域敏感水環境和局部敏感水環境，為危險化學品運輸事故狀態下橋面徑流的處置技術提供了研究方向。對于區域敏感水環境，結合自然環境特征，提出隔油沉淀池+人工濕地的綜合處置措施；對于局部敏感水環境，采用二次隔油沉淀的處置措施，并將處理后的橋面徑流引至敏感水環境外圍下游排放。達到最大限度保護敏感水環境的目的。

b）根據山西省“十三五”規劃建設的高速公路涉及水源地保護區的情況，給出了跨越各水源地保護區橋梁的橋面徑流收集和處置技術方案。高速公路危險化學品事故環境風險防治措施是一套綜合的體系，后續需要在事故預警、監控、收集和處置措施的自動控制和維護等方面進行更多細致的研究。同時，在高速公路設計階段應嚴格按照國家法律法規落實敏感水環境保護工程，落實工程設計和列支相關費用，以保障敏感水環境用水安全，促進人與自然和諧發展。