跨養殖水域橋面雨水收集處理方案研究

孫 秋， 唐 琳， 解建光， 陳耿填

(1.南京市公路事業發展中心公路科學研究所，江蘇 南京 210008；2.南京航空航天大學 土木與機場工程系，江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著社會經濟的發展,國家對自然環境保護越來越重視,橋梁建設及運營對生態環境的影響得到了前所未有的關注[1]。在水網發達的南方地區,跨水產養殖水域的橋梁表面徑流的收集與處理就顯得尤為重要,除了危化品因意外事故直接流入自然水體造成的環境污染和經濟損失,日常降水沖刷橋面產生的含污徑流也會引起自然水體水質的惡化。針對這一問題,《公路環境保護設計規范》[2]中給出了明確的規定:路面徑流不得直接排入飲用水體和養殖水體,橋梁跨越飲用水源保護區、Ⅰ～Ⅱ類標準的水體時,橋面排水宜排至橋梁兩端并設置沉淀池處理。在一般情況下,沉淀池的作用體現在吸附懸浮物和隔油上,對徑流中溶解的有機污染物去除效果較差。通過將沉淀池處理過后的徑流引入人工濕地,利用人工濕地土壤、微生物和植物的聯合作用有效去除徑流中的有機污染物,可以實現徑流的生態化處理。

1 工程概況

360省道高淳西段改擴建工程路線起自高淳縣城西,全長13.36 km,經陽江鎮,跨水陽江,止于蘇皖省界。由于陽江鎮,產業結構以水產養殖為主受氣候條件影響比較大,其對水資源的敏感性也強于非水網發達地區。改擴建工程在給陽江鎮帶來出行與貿易便利的同時,若路面、橋面徑流污染物直接進入水體,將污染周邊水系,對周圍農業尤其是養殖業造成影響。

針對工程主要控制點中的花卉大橋(K150+440-K151+288)的橋面雨水收集及處理技術進行研究,設計橋面排水管道確保橋面徑流的全收集、設置沉淀池對不同工況下的橋面徑流進行分類處理、再通過采用多級串聯的人工濕地對花卉大橋的橋面雨水進行生態化處理,從而實現徑流污染削減和雨水資源利用。

2 橋面雨水收集系統設計

2.1 污染源分析

公路橋梁運營期含污徑流主要由以下兩個因素產生[3,4]:

(1) 降雨沖刷橋面產生的帶有重金屬物質以及含油污水的徑流。

(2) 因交通事故造成裝載有毒、有害物的車輛內的物質發生泄漏或滴漏,以及用于清洗路面產生的徑流。

如果以上含污徑流直接流入自然水體,將會惡化河流水質,進而對下游地表水體帶來一定的污染。因此,橋面布置的泄水管應能滿足劃定匯水分區內上述兩種徑流的轉輸需求,實現橋面積水的迅速排除。

2.2 橋面徑流計算

為避免橋面在雨天出現積水情況,泄水管流量應大于雨水設計流量。在徑流系數、單根泄水管道匯水面積確定的情況下,雨水設計流量由暴雨強度決定。對一級公路,橋面和路肩表面排水設計的暴雨重現期為5年,考慮橋面徑流的最不利情況,降雨歷時取30 min,根據南京市暴雨強度公式,設計暴雨強度q采用公式(1)計算:

(1)

式中:P為降雨重現期;t為降雨歷時。

通過計算,得到暴雨強度q=215.375 L/(s·hm2)。對于橋梁的縱向排水管槽,其橫截面尺寸計算方法與城市雨水管道設計方法類似[5],且出于美觀等因素,橋梁排水系統多采用管徑一致的縱向排水管。根據《室外排水設計規范》[6]的規定,雨水設計流量QS計算公式如下:

Qs=qΨF

(2)

式中:q為設計暴雨強度;Ψ為徑流系數,瀝青路面取0.95;F為匯水區域面積,單根泄水管的匯水面積,左幅為0.688 hm2,右幅為0.528 hm2。

則左幅雨水設計流量Qs=140.87 L/s,右幅雨水設計流量Qs=108.03 L/s,核算DN300PVC管(Qs=167.525 L/s)能滿足流速要求。

因此,選取的PVC管規格為DN300,坡率同橋梁縱坡,管材接口采用彈性密封圈連接,定位箍間距為2 m,采用M12膨脹螺栓固定。將PVC管分別設置于左幅橋梁外側(樁號K150+444.511-K151+284.511)和右幅橋梁外側(樁號K150+519.511-K151+284.511),橋面徑流經PVC管收集后排入橋下沉淀池中,再經沉淀隔油后排入人工濕地進行進一步處理,橋面徑流收集裝置布置如圖1所示。

圖1 花卉大橋橋面縱向排水布置圖

3 沉淀池設計

3.1 污水處理工藝研究

為提高污水處理工藝的生態安全性,分正常工況和非正常工況，進行污水處理工藝研究。

3.1.1 正常工況

正常工況為雨水徑流沖刷橋面，附著在橋面上的機動車尾氣排放物、汽車泄漏的油類以及散落在路面上的其他有害物質隨徑流通過泄水管匯集后,從進水管流入沉淀池內[7]。在這個過程中,徑流中存在的污染物質逐漸沉淀在池底。隨著降雨的繼續,沉淀池內水位逐漸升高,浮于水面的油污被沉淀池頂部擋板攔截,當水位高于頂部擋板時,溢流出的水從出水口流出。降雨結束后,打開排空管放空沉淀池,并定期清理沉淀池底部的沉積物以滿足沉淀池的正常使用的要求。

3.1.2 非正常工況

非正常工況是指當橋上發生化學危險品運輸車輛翻車、危險品泄漏等事故情況下,有毒、有害物徑流或用于沖洗橋面的水通過泄水管匯集后進入沉淀池。此時,關閉沉淀池出水口閥門,將事故廢水暫存于池體中,由具備處理能力的專業組織進行處理。

3.2 沉淀池容積確定

沉淀池的設計目標為收納事故徑流,其容積需保證一般危險品發生事故時徑流收納的要求。目前液態危險品運輸車輛,容積多在20～50 m3,因此設計的沉淀池的有效容積應能應對雨天危險品運輸車輛發生事故,所載危險物品全部泄露進入沉淀池的最不利情況。考慮到裝載危險品的車輛發生運輸事故為小概率事件,為充分發揮沉淀池作用,設計沉淀池容積為100 m3,調節容量15 m3,橋面雨水管道、沉淀池布置見表1。

表1 橋面徑流收集系統布置一覽表

3.3 沉淀池結構設計

3.3.1 尺寸規格

沉淀池規格尺寸設計參數為:池體長L=5 960 mm,池體寬W=5 960 mm,高H=3 830 mm。沉淀池頂板厚150 mm,壁板厚180 mm,底板厚180 mm。沉淀池平面圖、剖面圖如圖2所示。

3.3.2 設計條件

(1) 抗震設防烈度為7度。

(2) 池頂活荷載取20 kN/m2,池邊活荷載標準取50 kN/m2。

(3) 池壁荷載考慮滿水狀態最大荷載。

(4) 地基承載力設計值取70 kPa。

圖2 沉淀池平面、剖面圖

4 人工濕地設計

本項目采用表面流人工濕地,即水在濕地的表層流動,從池體進水端水平流向出水端。表面流濕地選取的水位多為0.1～0.6 m,水力路徑以地表推流為主,在水生植物莖葉的攔截作用、土壤的吸附作用以及污染物自然沉降的共同作用下去除污染物[8]。

4.1 人工濕地基本參數

4.1.1 平面設計

人工濕地水源來自橋下沉淀池,4個沉淀池容積一共為400 m3,則人工濕地容積應大于400 m3,長寬比宜控制在3～5。為延長表面流人工濕地的水力停留時間,將人工濕地設計為月牙湖形,中心曲線長約98 m,中間寬度最大約23 m,最大長寬比為4.3,人工濕地布局如圖3所示。人工濕地表面積為1 040 m2,水深為0.3～0.6 m,為便于計算,考慮實際水深分布,設計時取平均水深為0.5 m,則人工濕地容積為520 m3>400 m3,符合要求。

4.1.2 水力坡度

水力坡度是指徑流在人工濕地內沿水流方向單位滲流路程長度上的水位下降值。水力坡度i按照公式(3)計算:

i=ΔH/L×100%

(3)

式中:ΔH為進、出水口的水位差,取0.2 m;L為水平流程距離,取98 m。

經過計算,人工濕地的水力坡度為0.2%,小于0.5%的限值,符合表面流人工濕地對水力坡度的要求。

圖3 表面流人工濕地示意圖

4.2 人工濕地結構設計

4.2.1 防滲層

人工濕地應在側面和底部進行防滲處理,且防滲層的滲透系數不大于8～10 m/s,設計采用厚度為0.60～0.65 mm用無堿或中堿玻璃纖維布機制的油氈。

4.2.2 進出水系統的布置

橋面雨水首先被收集在兩端的沉淀池中,再從沉淀池輸送進人工濕地。為了避免倒灌情況的出現,人工濕地的進水管高度設置應比人工濕地底面高0.5 m,并采用多孔管和三角堰等配水裝置保證進水系統配水的均勻性。在人工濕地出水口前端的礫石填料層下布設集水管,可有效防止出水口堵塞;通過旋轉彎頭和控制閥門調節床內的水位,可以控制人工濕地的水力停留時間,保障人工濕地對橋面徑流的處理效果。

4.2.3 填料

表面流人工濕地的池床由兩層組成,表層土層厚度為0.4 m,礫石層鋪設厚度為0.2 m,總厚度為0.6 m。

5 結束語

(1) 本文對跨養殖水域橋面收集系統進行探究,結合工程實例設計了一種橋面雨水收集系統,包括橋面排水管道布置、沉淀池設計和人工濕地設計,以防止攜污徑流直接流入自然水體。

(2) 在正常工況下,沉淀池發揮了隔油和沉淀固態物質的作用;在非正常工況下,沉淀池確保了對有毒、有害徑流的全部收集,避免對環境產生較大破壞。

(3) 表面流人工濕地除了對徑流有著調蓄效果,在選用合理的植物搭配下,能夠進一步實現對徑流的生態化處理,對水污染的防治有著有一定的參考作用。