基于水環境風險防范的公路敏感路段徑流收集系統設計及應用研究

陳振興

（1.福建省交通科研院有限公司；2.福建省交科節能環保有限公司；3.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州 350004）

0 引言

道路運輸車輛發生事故或危險品泄漏將對公路周邊的水資源產生污染風險,甚至會造成飲用水源安全威脅。據《中國環境狀況公報》統計,2005-2009 年國家環保總局處置的突發環境事件中有18.5%～34.2%是由道路危化品運輸事故引發的, 其中影響最為突出的是危化品運輸事故造成的飲用水源地污染和安全威脅。 隨著經濟的快速發展,我國交通基礎設施大規模建設,不可避免地跨越敏感水域的公路和橋梁越來越多, 潛在的環境風險也隨之增加,公路運營期對水源的影響和保護問題不容忽視。 飲用水與每個人的生活緊密相連, 水源保護容不得絲毫馬虎。 為了防范危化品車輛運輸帶來的環境風險,交通運輸部和環境保護部于2007 年聯合下發了《關于加強公路規劃和建設環境影響評價工作的通知》,要求在確保安全和技術可行的前提下,應對跨越飲用水源二級保護區、準保護區和二類水體以上的橋梁設置橋面徑流收集系統和沉淀池,對發生污染事故后的橋面徑流進行處理,確保飲用水安全。

本文依據國家相關法律法規和要求, 總結多年的環保驗收調查工作經驗, 介紹分析了跨敏感水體路段徑流收集系統設計技術, 對存在的問題及有效性進行探討,提出應急措施優化設計和應用完善建議。

1 公路徑流特性和污染源分析

根據國內研究[1-2]表明,公路路面徑流屬于面源污染,污染強度較高,水質變化大,具有明顯的初期效應等多種特性,具體如下：

(1)成分復雜,污染性強。路面徑流的污染物來源很多,有車輛行使過程中粘帶在車架的泥土、 輪胎損耗產生的顆粒和車部件制動帶出的污染物, 有筑路材料磨損的顆粒,有汽車尾氣排放物、車輛工況不佳滴漏的油料和運輸物品的泄漏,還有雨水本身的污染和大氣降塵等。 以降雨沖刷路面形成徑流為主要形式,主要污染物成分有油類、懸浮顆粒物、COD、表面活性劑、重金屬及其他無機鹽類等[3]。 一旦污染物沿道路排水系統進入地表水或路側土壤,將造成周邊水環境和土壤環境的污染。

(2)突發性強,控制難度大。 路面徑流污染受降雨強度、大氣污染程度、前期晴天時間、交通流量及運輸材料品種等眾多因素影響,而且各種因素隨機性很強,偶然性大,給整個收集工作帶來不確定性,控制難度大。

(3)初期效應明顯。 雨水徑流初始階段中污染物濃度遠大于下雨后期的濃度,水質最差。 根據華南環科所對南方地區路面徑流污染情況的試驗和分析結果, 初期效應時間一般為(20～30)min,半小時以后,徑流污染物濃度處于相對穩定的較低水平,可以自然排放,不會影響周邊水環境的水質。

(4)生化性差。據余愛華等[4]研究,BOD5與CODcr 比值為0.11,遠低于常見生活污水的比值,生物可降解性較差,不適合采用生物處理方法進行徑流污染防治。

(5)顆粒懸浮物與化學需氧量、鉛、鋅均有較強的相關性。 研究表明徑流中SS 是有機物、重金屬的重要載體[5]。工程實踐中可通過植被、 格柵和沉砂池的過濾或沉積等作用去除徑流中的懸浮顆粒物以達到提高常規路面徑流水質,降低后期的處理工作。

2 目前公路排水設計現狀及其存在的問題

2.1 排水設計現狀

早期我國公路和橋梁排水設計對水源保護沒有足夠的重視,排水規范主要考慮兩方面,一方面是路面排水通暢,另一方面是車輛行駛安全。 跨越一般河流和溝渠的橋涵,排水通常經邊溝或橋上布設的泄水管直接排放；與地方道路、鐵路和航道相交的道路橋梁,設置橫縱向排水管系統,匯集路面上徑流,通過豎向排水管導流到地面邊溝或河流中。 2012 年新修訂的 《公路排水設計規范》(JTGTD33-2012), 新增了水環境敏感路段排水設計要求,提出采取縱向、橫向排水系統措施集中收集處理,但具體參數選擇、測算和工藝等都不明確,因此實際工程建設中形成了各式各樣的處理系統,如應急集水池、雨水沉淀池和氧化塘等。

2.2 存在的問題與分析

由于目前橋面徑流和收集池設計依據和標準規范尚不完善,導致實際工作中存在設計不合理、系統可操作性差等問題。 指導形成的收集管網和應急集水池系統,無法完全滿足應急處置危化品泄漏的需求, 甚至達不到凈化初期雨水的作用,還存在工程經費的浪費。 主要情況表現在以下諸方面：

(1)缺乏科學設計和合理選址,無法有效發揮作用。 個別存在收集管道不夠長、管徑過小、沉淀池容積不足、位置不合理,甚至未設置收集池,無法確保路面徑流初期雨水和事故泄漏的危液全部收集處理。

(2)前期設計的橋梁荷載和結構造型制約后期徑流收集系統補救工程的實施, 場地局限和資金投入不足也導致工程措施不到位。

(3)應急集水池不具及時排空功能。 有些集水池沒有設置排空管控制閥門等裝置, 存留在池內的廢水一般通過自然蒸發散失,長時間占據了池內容積,不足以隨時接納突發事故徑流,無法發揮應急功能。

(4)智能控制程度低,存在安全隱患。 目前大多工程沒有配套安裝遠程自動化監控、 檢測以及應急控制處理系統,事故信息獲知延遲,無法及時主動發現泄漏事件,安全隱患徒增。 通過現場人工手動操作切換閥門實現應急功能,不能第一時間響應事故救援,污染危害增大。

(5)日常徑流和危險液體無分開處理,增加后期清運工作難度。 采用集水池兼做應急存儲池時,往往需要考慮較大的容積, 當危險液體及其稀釋液擴散到存留集水池內雨水,整個池水將被污染,后期危液處理量增大,汲出清運的工作難度也加大。

3 具體工程案例分析與運用

3.1 工程概況

沈海高速公路福建境內某高速路段全長約82km,全線為八車道高速公路,其中,整體式路基寬42.0m,分離式路基寬20.0m,橋涵與路基同寬,設計行車速度120km/h。該線路以玉蘭大橋、 潯美高架橋和加沙1 號中橋分別跨越的晉江北高干渠和晉江南高干渠等重要水系, 為預防橋面徑流初期雨水和危液泄漏直接排入水體, 造成污染,甚至威脅飲用水安全, 需要在跨越北高渠和南高干渠等重要水系路段采取水質保護及環境風險防范應急措施。沿線跨越敏感水體橋梁情況見表1。

表1 公路沿線跨越敏感水體橋梁表

3.2 應急收集措施工藝選擇

主要從工藝適宜、場地要求、運行安全和橋面匯水幾方面進行綜合考慮和評估,進而提出合理有效、可操作的應急收集工程措施。 除應急集水池外,目前橋面常見的徑流系統污染控制措施,如植被控制、氧化塘、滲濾系統等措施均涉及土壤、植物及微生物[6],其工程單元一旦接觸泄漏的危液或事故廢水,結構和功能將被破壞,失去凈化作用。 因此本項目優先選擇常規的橋面徑流收集系統(見圖1),即收集管網和沉淀池工藝組合。 池壁和池底用漿砌片石或水泥砼進行防護處理。

圖1 常規橋梁徑流收集系統

鑒于本項目已建成通車,敏感路段穿越市區,周邊場地有限,征地困難,只能在橋下紅線內地塊進行施工,以極限值充分考慮貯存一次事故污染物為設計目標, 采用占地最小的集水池方案,同時對集水池進行優化設計,以蓄存應急事故廢水為主,兼顧沉砂、隔油作用。 正常運行工況下,橋面徑流主要污染物為懸浮物,經沉砂處理后一般自然蒸發或回用綠化灌溉,底泥定期清理。事故情況下,污水進行收集并運送至地方污水處理廠處置, 污泥由專業部門送至地方危廢填埋場處置。 橋面徑流收集處理流程見圖2。

圖2 橋面徑流收集處理流程

3.3 橋面徑流管道收集系統設計

根據《室外排水設計規范》(GB50014)和《公路排水設 計 規 范》,雨 水 設 計 流 量(L/s)計 算 公 式Q=ψ·q·F,其中：ψ 為 徑流 系 數；q 為 設 計 暴 雨 強 度(L/s.hm2)；F 為 匯水面積(hm2)；

經查詢地方資料,當地設計暴雨強度經驗公式：

按照規范[1-2]選值,本項目為高速公路瀝青混凝土路面ψ 取0.95,重現期Te 取5,本方案取暴雨強度下的初期雨水降雨, 歷時t=30min, 橋梁兩側匯水面積為F=0.004Lhm2(左右橋單側橋面寬度20m)。 根據不同敏感路段橋長確定雨水設計量,通過現場泄水孔間距、降雨歷時及雨水設計量計算, 確定縱向排水管直徑和應急集水池容量。 各橋梁段橋面徑流系統設計參數測算結果如表2所示。

表2 各橋梁段橋面徑流系統設計測算結果

原設計行車道豎向泄水孔按每5m 一道, 現需每5m增設2 付吊架,徑流通過雨斗收集至橫向排水管中,橫向排水管在一定距離用三通接頭外接一根豎向排水管,將收集的徑流引入橋底設置的應急集水池。

3.4 集水池設計

由于本項目為高速公路,項目本身運營期間不生產、使用危險化學品, 事故應急池主要用于防范跨越飲用水源保護區敏感路段運載危險化學品車輛發生交通事故導致的危險化學品泄漏的突發環境事件。 集水池設計容積大小應滿足當地5 年一遇特大暴雨連續降雨30min 形成的徑流與事故儲存池最小容積之和。

3.4.1 事故儲存設施總有效容積設計

按極限值考慮,假設暴雨條件下,運載危化品車輛發生交通事故,化學品全部泄漏,進行事故儲存池最小有效容積測算。 按《水體污染防控緊急措施設計導則》中V總＝(V1＋V2－V3)max＋V4+V5公式計算,其中V5＝10qF。 公式內各參數解釋和取值見表3。

表3 事故儲存池有效容積各參數取值

計算各敏感橋梁段所需最小事故應急收集池的容積見表4。

表4 事故應急收集池容積統計一覽表

3.4.2 集水池結構設計

集水池采用C25 鋼筋混凝土擋土墻結構, 由于收集池尺寸較大,為防止基礎不均勻沉降拉裂壁身,壁身設置兩道沉降縫處理。 集水池底部根據現場地基情況采用C25 鋼筋砼或鋪設0.5m 厚M10 漿砌片石進行防滲處理,同時為防止雜物進入集水池, 在排水溝與集水池之間應設置一道鑄鐵格柵。 另外,集水池入口,增設2 處閥門開關,閥門1 為雨水出口閥門,平時打開,發生泄漏事故時關閉；閥門2 為污水收集池入口,平時關閉,發生泄漏事故時打開。出水口設置1 處排空閥門。集水池結構平面圖參見圖3 所示。

圖3 集水池結構設計圖

3.4.3 集水池有效性驗證

經調查,潯美高架橋兩端各設一處沉淀池,有效容積約280m3, 玉蘭中橋南段設沉淀池一處, 有效容積約240 m3,加沙I 號中橋南側設沉淀池一處,有效容積約為310m3。 所有沉淀池均設置在橋梁下,且處于周邊河道的正常高水位線以外, 保證集水池在雨季或豐水期能夠正常發揮作用,不被河水淹沒。 公路維護人員位于周邊收費站內,距離各沉淀池車程時間小于10min。

由表4 可知, 該高速公路跨越敏感水系的橋梁徑流收集池實際容積大于理論計算值。 正常情況下,橋面的雨水經收集系統進入事故應急池,經沉砂過濾后排放；若發生危險品泄漏事故時, 應急養護人員迅速趕往現場處置,調集應急槽車抽取事故應急集水池內的廢水, 可保證危險品沖洗液不外溢。

3.5 安全防護設計

根據環境影響報告書及環評批復, 對跨敏感河流橋梁路段進行加強型防撞設計,采用SS 級鋼筋混凝土防撞護欄,并加設防拋網,避免車輛或行車垃圾進入水體中。同時考慮應急收集池體上方及周邊設置柵欄和安全提示牌,防止不知者和動物誤入跌落,消除安全隱患。

3.6 預警系統與警示牌設計

高速公路上設置視頻監控系統, 并具有圖像復核功能。在敏感水域橋梁段、限速區域設置了固定的高清視頻監控攝像頭,可實時觀測路上車輛通行情況。 一旦突發環境事件發生,可及時啟動應急預案。另一方面,在敏感路段來車方向150m 處各設置2 塊“保護飲用水源,減速慢行”的警示標志牌,提醒過往司機謹慎駕駛。沿線LED 播報牌滾動顯示報警電話和路段交通通行情況。

3.7 整體評價與建議

本項目基本落實環評提出的應急防范措施, 在加強日常管理、完善相關風險防控措施的情況下,環境風險水平是可以接受的。收集系統現場照片見圖4～圖7。但整個系統智能控制程度低,響應時間不能保證,存在一定的隱患。 建議根據徑流特性,在技術和經濟允許的前提下優化完善相關措施。

圖4 警示標志牌

圖5 縱向排水管

圖6 集水池及安全防護設施

圖7 控制管閥

(1)加裝智能控制與分流處理措施。 實現監控與應急制動無縫銜接,達到快速反應,同時減小后期廢液清運的難度。 鑒于目前公路危險品泄漏應急收集處理技術還處于起步階段,需加快這方面研究,尤其特大橋和山區公路。

(2)組合工藝,解決場地受限問題。 在小交通流量的路段或用地面積受限無法修筑大型收集池的場合, 可采用多孔瀝青路面+常規橋面徑流收集組合方式,據C.pagotto等[7-8]的研究, 多孔瀝青路面可有效降低路面徑流92%CH、85% SS、78% TPb 的污染, 提高受限收集池對初期雨水的處理效果。

4 公路徑流收集系統優化設計探討

針對公路徑流水質的特性和收集系統普遍存在的問題,本文嘗試在常規處理基礎上,引入“云技術”概念,提出一種基于智能檢測和應急防控的新型橋面徑流收集系統, 達到正常徑流和危險化學品的有效識別和分流控制,既能實現橋面徑流初期雨水凈化處理作用, 又能快速地發揮危險品泄漏監控、應急儲存功能,確保敏感水體的安全,減少對敏感水體的水質影響。

4.1 新型橋面徑流收集系統組成

基于智能檢測和應急防控的新型橋面徑流收集系統主要由監控操作系統平臺、自動檢測裝置、數據采集和傳輸系統、收集系統和輔助監控警報系統等五個部分組成。其工藝及智能檢測與控制網絡拓撲見圖8～圖10。

圖8 智能檢測與分流控制示意圖

圖9 新型橋面徑流應急處理工藝流程圖

(1)監控操作系統平臺是運輸事故監控識別、日常橋面徑流收集處理系統操作、 雨水沉淀排放池和事故泄漏液收集池管理等各種遠程操作指令發布的平臺, 軟件采用B/S 構架。 系統可根據監控和檢測情況自動啟動或關停相應按鈕,或提醒工作人員人工判斷和操作,核實、響應應急操作。

(2)自動檢測系統包含化學危險品智能檢測和氣象監測預警兩個部分, 化學危險品智能檢測主要安裝是在調節池或三通閥前端管部, 采用水質安全否定檢測方式,快速有效識別正常徑流和危險化學品,實現實時檢測,快速分流,智能控制,自動報警等工作,從而降低突發環境污染。氣象監測預警系統主要由能見度、雨量等氣象參數檢測傳感器組成。 通過氣象檢測情況,啟動相應控制閥門引導徑流檢測,同時研判路段突發交通事故發生概率,警示工作人員加強實時觀測,提高應急救援能力。

(3)數據采集和傳輸系統,前端采集設備采用太陽能和風能供電,通過3G/4G/5G 無線通信網絡與前端現場的若干智能檢測控制器通信, 把每個現場采集的參數及各個狀態傳輸至后臺監控操作平臺,進行全面監控、統計分析和數據查詢。

(4)橋面徑流收集系統是整套系統正常運轉的基礎,主要由橋面徑流泄水孔、徑流收集管和“兩池”單元組成。兩池為初期雨水沉淀池和應急事故收集系統, 池內設置電控閥和液位傳感器。

(5)輔助監控警報系統主要由監控攝像頭、報警電話和警示標識等部分組成。 其中,監控攝像頭具有事故識別功能,當某車輛行駛狀態發生異常時,攝像頭能夠及時捕獲并向監控計算機發出報警信號, 及時通知人工進行異常情況的觀察和核實, 事故認定后由工作人員啟動應急操作系統,并指令計算機發布事故播報,提醒過往車輛提前做好防范。

圖10 新型徑流系統智能檢測和控制網絡拓撲圖

4.2 公路橋面徑流危化液體智能檢測工作流程

(1)非雨雪天氣情況,雨雪傳感器不會有檢測信號輸出, 控制系統出水口處的排水電控閥一直處于關閉狀態,確保化學危險品和不明液體不流入橋下水體內。 同時,橋面任何流入橋體排水管內的液體, 會觸使系統的化學危險品檢測單元對流入的不明液體進行檢測, 并通過無線網絡向監控操作平臺發出報警信號。

(2)雨雪天氣情況,雨雪檢測傳感器輸出檢測信號給工控機, 系統的化學危險品檢測單元進行橋面徑流水質安全的綜合分析和判斷。

①當檢測到水質異常時, 系統主機發出控制信號關閉雨水沉淀排放池進水電控閥, 并打開事故泄漏液收集池進水口處的事故泄漏液電控閥, 使異常的橋面徑流液體流入事故泄漏液收集池內,同時發出報警。 事故清洗完畢后,廢液由專業部門運至指定地方處置。

②當檢測到水質正常時, 系統主機發出控制信號關閉事故泄漏液收集池電控閥, 同時打開雨水沉淀排放池,橋面徑流通過雨水沉淀排放池, 經沉淀后排入公路兩側的邊溝內或回用灌溉。

4.3 智能檢測模擬驗證和“兩池”容積驗算

4.3.1 智能檢測驗證

為客觀驗證危險品智能檢測效果, 合作單位選取濃鹽酸、氫氧化鈉、乙二醇、柴油、自來水、雨水、食鹽等物質進行模擬測試。 這些代表不同“化學性質和物理性質”的化學品100%被安全檢出并報警,同時管道的閥門自動切換,分類引流到相應沉淀池內,檢測設施安全可靠。

4.3.2 初期雨水沉淀池

初期雨水以持續30min 特大暴雨量沖刷形成的徑流計算,V初=Q×T×10-3, 由前文計算可知初期雨水沉淀池容積V初。

4.3.3 事故應急收集池

事故應急池以接納事故危化品液體為目的, 容積滿足液態危化品體積與其沖洗水形成徑流量之和即可。 根據趙琨和陳瑩等人[9-10]研究,事故時油品泄漏量大于2kg的事件是一小概率事件,本項目建議按極限值考慮,事故應急池取2 倍的槽車最大運載量, 因此事故應急沉淀池取60m3。

4.4 系統優點

(1)能夠實時智能檢測橋面徑流水質安全,及時控制橋面徑流的流向或封堵危險品的泄漏。

(2)智能控制,減少后期清運量。能夠根據實際需求,初期徑流單獨分流到沉淀池凈化處理, 后期安全徑流直接控制排入邊溝。

(3)操作便捷,無需監控。 危液泄漏后能夠自動完成預設的功能,過程無需人工監守,有效起到危險品泄漏預防和控制的作用。

5 結語

隨著水資源保護的重視和相關研究的深入, 路面徑流收集系統的實用性設計得到廣泛的重視, 其應用亦會更加廣泛。 開發節地、實時檢測、高效反應、經濟合理、環保實用的公路徑流收集系統將成為今后公路, 特別是特大橋和山區公路研究的主要方向。 本研究可為今后的徑流收集系統研究提供了優化思路和參考。