基于物聯網的高速公路橋面徑流處理設施設計

張澤乾，賈 佳

（1.山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030012；2.太原核清環境工程設計有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

近年來，隨著我國高速公路的飛速發展，穿越敏感水體的高速公路也越來越多。并不完善、合理的橋面徑流處理設施使得相應路段在降水、危化品泄漏時，無法得到及時、有效處理，含有重金屬、碳氫化合物和燃料添加劑的橋面徑流排入周邊河流等敏感水體之中，導致河流水質惡臭、水生生態破壞。因此，對高速公路橋面徑流處理策略的研究對于維系周邊生態環境質量具有十分重要的理論意義和實踐價值。

國內外眾多學者對橋面徑流水質成分、污染物特性及污染物生態環境效應、收集系統等方面進行了廣泛探討，并取得了較為豐碩的成果[1-3]。然而針對如何快速區分橋面徑流水質，并對橋面徑流進行及時有效處理的研究尚不充分，本文擬對橋面徑流水質水量特性及處理現狀進行總結、分析，提出橋面徑流處理的設計方案。

1 橋面徑流的水質特性

橋面徑流污染主要是指在降水過程中，有機物、顆粒物、油類、營養物質等路面污染物由于沖刷、淋洗等作用，對周圍地表敏感水體所造成的面源污染，它具有如下特點：

a）水質成分較為復雜。Furumai H研究發現[4]，橋面徑流主要由SS、重金屬、氮、磷等無機物組成，各污染物來源見表1。

表1 橋面徑流污染物成分及其主要來源

b）對我國部分高速公路橋面徑流各污染物濃度進行整理分析，樣本平均值與《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）Ⅲ類水質對比見表2[5-8]。由表2可知，主要橋面徑流污染物大部分均超過相關標準限值，超標污染物主要以SS、COD為主，BOD、NH4+-N等污染物次之。其中，SS平均濃度達到370.37 mg/L，超過《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級 B標準 18.5倍，單位水體下污染物負荷占比達到66.7%；COD平均濃度達到151.63 mg/L，超過地表水Ⅲ類標準7.58倍，單位水體下污染物負荷占比達到27.3%。簡麗[9]通過對新疆伊犁河大橋橋面徑流研究發現，沉淀出水的SS所攜帶的結合態Zn、Cu、Pb等，對敏感水體構成了不可忽視的污染。而上清液中顆粒結合態的COD占到徑流的30%～70%，橋面徑流COD主要以非溶解性污染為主，這一點同趙劍強等[10]研究一致。因此，對于由于降水而產生的橋面徑流需考慮COD，尤其是顆粒物的處理處置。

此外，在危化品車輛泄漏條件下，還存在相應危化品對敏感水體的污染風險，該部分因突發事故而產生的污染具有時間上的突發性及污染成分的不確定性。

表2 橋面徑流主要污染物濃度及排放指標對比表 mg/L

c）橋面徑流具有污染物濃度變化大、降水初期效應強、濃度變化范圍大等特征。此外，受公路所處自然環境特征、降雨強度、橋面集雨面積、路面溫度等多方面因素影響，導致不同地區、不同路面及不同時間的同一橋面徑流污染物濃度及種類變化較大。

d）基于微生物吸附、代謝的傳統生物處理工藝無法滿足處理要求。

（a）橋面徑流所產生的污水只有在降水及危化品車輛罐體泄漏情況下才會隨之產生，且會受路面溫度、透水性的影響使水質水量均具有突發性及不確定性，無法同城市污水廠一樣有持續的水量來源。

（b）由表2可知，若橋面徑流僅由降水產生，BOD/COD值僅為0.19，遠小于B/C為0.45的生化處理最佳條件；若橋面徑流由危化品泄漏產生，則危化品本身所攜帶的有毒有害物質同樣會使得水處理系統內微生物死亡、污泥裂解。以上兩種情況，不僅會對水處理系統造成不可逆的破壞，而且由于微生物死亡、裂解而釋放的氨氮、有機物會進入受納水體，加劇水體污染。

（c）跨敏感水體橋面徑流通常遠離城鎮，監管難度較大，傳統生物水處理系統設備眾多、流程復雜，不易運行維護。

2 現有橋面徑流收集處理方式及分析

通過對部分橋面徑流處理處置方式進行調查總結[5,11-12]，對部分典型跨敏感水體高速公路橋面徑流收集系統進行整理，如表3所示。

表3 部分跨敏感水體橋面徑流收集系統一覽表

由上可見，現有跨敏感水體高速公路橋面徑流收集處理方式主要以事故收集池為主，還有部分采用氧化塘、人工濕地、生態濾池的處理方式，該種方式造價相對較低，但有以下不足：

a）現有設施無遠程預警功能，無法對橋面徑流處理設施進行實時監控并對動態變化做出及時有效的識別及響應。

b）現有設施無法對已存徑流及時處理。收集池僅采用蒸發方式對所收集橋面徑流進行處理，在雨季或危化品泄漏時，可能會因為前期收集池池滿，而造成新增橋面徑流溢流出池體，處理設施應急儲存功能失效。

c）未對雨水進行有效處理，對橋面徑流因雨水“沖淋效應”而攜帶的含顆粒物、COD、石油類等污染物質未設置有效處理設施，相應污染物質易外溢而造成生態環境污染。

d）對突發事故而隨之產生的危化品泄漏缺乏有效的處理處置設施，無法對危化品徑流及時處理處置。

e）對于山西等部分冬季寒冷及嚴寒地區，冬季植物處于休眠狀態，水易結冰，土地易凍脹，以人工濕地或土地凈化為處理工藝的處理設施，其處理效能會減弱甚至喪失。此外，若遇到危化品泄漏時，相應事故徑流也會對該類處理單元構成不可逆破壞。

綜上，現有橋面徑流處理設施存在著未充分考慮受納池體徑流處置，處理工藝對當地氣候條件適應性不足，未對徑流進行“分類甄別及對應施策”等問題，這些問題對于及時有效處理橋面徑流，防止橋面徑流尤其是涉及危化品徑流的應急處理提出了更高要求。

3 橋面徑流處理設施設計

3.1 處理處置設施工藝設計

根據上述跨敏感流域橋面徑流水質特點及現有設施存在缺陷，防止處理設施在冬季及危化品泄漏時造成不可逆失效，橋面徑流宜采用物化工藝進行處理。由于雨水徑流及危化品徑流所含污染物質不同，應對橋面雨水徑流及危化品徑流及時甄別、分別處理處置；同時，應確保所選工藝操作簡單、日常管理方便、自動化程度高。因此，本研究提出如下工藝，流程圖如圖1所示。

圖1 橋面徑流處理系統工藝流程圖

3.1.1 預處理工藝的設計

在泄水口處采用10 mm孔徑格柵，以防止雜物堵塞泄水管道。

在綜合處理池前設置調節隔油池，一方面可通過調節隔油池液位信號的變化，向監控人員報警，對橋面徑流進行甄別，及時采取相應措施；另一方面，對因降水所攜帶油類物質的橋面徑流進行處理處置。綜合考慮含油量、使用頻率、維修成本等因素，隔油設施宜采用兩格隔油池，不宜設置氣浮設施。

3.1.2 主體處理設施的設計

綜合處理池由應急事故池、沉淀池、中間池及介質過濾系統構成。

應急事故池以受納雨水徑流及事故徑流為目的，設藥劑投加口，內設攪拌器，用以對危化品徑流進行化學消解，其體積應符合最大降雨強度下所能受納的徑流量。此外，通過采用沉淀及過濾系統，可有效降低徑流中污染物質濃度[10]，也可對藥劑投加所產生懸浮、有害物質進行去除。因此，在應急事故池后采用沉淀池+中間池+介質過濾器工藝共同構成對橋面徑流的處理系統。

3.1.3 物聯網系統的設計

物聯網系統由視頻監控系統、液位信號采集系統及預警系統組成，用以控制綜合處理池內潛水泵、攪拌器的啟動，以滿足非危化品徑流及時處理并排空、危化品徑流能夠及時發現、貯存處置的要求。采用液位信號傳輸系統對綜合處理池內液位進行實時監控，在大橋及主體處理設施處設立攝像頭，對橋面徑流及設施情況進行監測監控。上述所有信息傳輸及控制線路均接入智能控制柜，并可與手機客戶端連接，實現處理設施變動遠程監控及實時預警。

3.2 池體容積設計

圖2 橋面徑流處理設施示意圖

根據上述工藝流程，橋面徑流處理系統由泄水管道格柵、調節隔油池、綜合處理池及物聯網系統構成，示意圖如圖2所示。

3.2.1 管道格柵

管道格柵應采用10 mm孔徑格柵，位于跨敏感水體橋面泄水口處，并定期巡查，對泄水口所隔離雜物進行清理。

3.2.2 調節隔油池

調節隔油池考慮設計流量2 h水力停留時間計算，設計體積見式（1）：

式中：Q為設計流量，L/s，其可按照式（2）進行計算：

式中：ψ為徑流系數，瀝青混凝土路面取0.95；q為設計暴雨強度，L/（s·hm2）；F為匯水面積，hm2。

3.2.3 應急處理池

應急處理池容積計算考慮常見運輸液態危化品車輛容積，由于國內常見危化品運輸車輛所攜帶罐體在30 m3以下[13]，因此本研究以兩輛車、容積60 m3考慮，所需綜合處理池容積見式（3）：

式中：Q1為降雨徑流量，具體公式參考當地暴雨強度公式進行計算；t為管渠內流行時間，為60/Q2，其中，Q2為管道泄水流量，為管道平均流速與過水斷面面積的乘積。

3.2.4 沉淀池、潛水泵及多介質過濾器

沉淀池及各池所選潛水泵處理水量及選用根據式（1）計算，具體設計為當地最大暴雨強度，并預留相應處理容量；多介質過濾設計根據中間池所設泵型號的最大流量計算。

3.3 系統運行邏輯設計

如前所述，降水及危化品事故是引發橋面徑流的兩種主要方式，但兩者所引發的污染事故卻有顯著差異。因此如何及時甄別橋面徑流成分，從而快速采用相應措施，是該系統如何運行的關鍵環節。本研究提出如下運行策略，運行邏輯如圖3所示。

圖3 控制系統運行邏輯圖

當調節隔油池液位到達高液位時，液位信號采集系統通過預警系統將信號反饋給值班人員，值班人員通過設在大橋及處理設施的視頻監控系統判斷徑流類型并作出相應決策。當降水橋面徑流時，值班人員可開啟自動運行模式，處理設施通過沉淀過濾，去除降水所含石油類、重金屬、SS等污染物質，以滿足相應水體排放標準。同時保證徑流結束后，設施內各池體處于低液位。當危化品徑流時，遠程監控人員通知相應應急人員，應急人員緊急抵達現場并將危化品液體對應藥劑投加在應急事故池中。在將危化品徑流進行初步物化消解處理后，將危化品徑流運輸到指定處理地點進行無害化處理，確保危化品徑流不流入敏感水體。

3.4 運行管理措施

橋面徑流處理系統建設完成后，為保證處理系統能夠有效發揮作用，后期的運行管理需注意以下幾點：

a）各高速公路段負責單位應安排橋面徑流處理系統技術人員對相應環節進行巡視。

b）定期檢查排水管路、泄水口格柵、處理設施池體及池體內的攪拌器、水泵等設備有無損壞、堵塞。

c）定期對沉淀池內斜管填料、介質過濾器內介質濾料進行清洗、更換。

d）對物聯網系統內的視頻監控系統、液位信號采集系統、預警系統及控制柜進行檢修，確保物聯網系統內各元件可正常使用。

e）在每次徑流結束時，確保各池水位處于低位狀態，并定期對池內污泥、油類等進行清運。

f）對各水體敏感段橋梁所經危化品車輛種類進行統計分析，各路段因地制宜制定不同危化品泄漏應急預案，儲備相應配套化學藥劑，并定期補充更換，保證橋面徑流能夠得到有效、及時處理處置，確保敏感水體不受污染。

4 結論

本文針對跨敏感水體橋面徑流對周邊環境污染所帶來的諸多環境安全問題，對跨敏感水體橋面徑流特征及處理方式進行了總結、分析、研究，主要得到如下結論：

a）高速公路跨敏感水體橋面徑流具有開放性、突發性及不確定性等特點，不宜采用傳統生物處理方式；橋面徑流處理設施應具有雨水徑流同危化品徑流及時甄別、分別處置、操作簡單、日常管理方便、自動化程度高等特點。

b）提出基于物聯網的調節隔油池+綜合處理池跨敏感水體橋面徑流處理系統。通過物聯網對處理設施信號的及時反饋及預警，及時甄別橋面徑流類型，從而緊急啟動相應應急措施，以保護敏感水體水質。

c）為保證跨敏感水體橋面徑流處理系統能夠充分有效發揮作用，應對跨敏感水體橋面徑流處理設備進行定期檢修維護，并結合該路段危化品車輛種類特點，因地制宜對有可能發生的危化品泄漏液體儲備相應應急化學處理藥劑。