高速公路跨越敏感水環(huán)境橋梁橋面徑流收集及處置技術(shù)研究

曾厚波

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

山西省敏感水環(huán)境包括具有飲用水源功能的河流和水庫(kù)、地下水飲用水水源地及泉域重點(diǎn)保護(hù)區(qū)等，這些區(qū)域關(guān)系到全省各地群眾的飲水水源安全，需要進(jìn)行特殊保護(hù)。高速公路作為遍布全省各地區(qū)的線性基礎(chǔ)設(shè)施，穿越敏感水環(huán)境區(qū)域的情況普遍存在，穿越形式以橋梁為主，危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸事故狀態(tài)下有毒有害物質(zhì)泄漏引起的水污染事件呈高發(fā)態(tài)勢(shì)[1]，其中在飲用水水源地路段嚴(yán)重危害飲用水源安全，引起環(huán)境管理部門(mén)的高度重視和社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，也越來(lái)越受到公路建設(shè)者的重視。本文以某條正在設(shè)計(jì)的高速公路為例，在調(diào)研、分析目前山西省高速公路跨越敏感水環(huán)境橋梁橋面徑流收集與處置系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同敏感水環(huán)境特征，研究危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸事故狀態(tài)下不同的橋面徑流收集與處置技術(shù)方案，以確保水環(huán)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(zhǎng)93.86 km，是山西省“三縱十二橫十二環(huán)”高速公路網(wǎng)規(guī)劃中的重要組成部分，按四車(chē)道高速公路建設(shè)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度25.5 m，采用瀝青混凝土路面。全線設(shè)特大橋3座，大中橋78座，特長(zhǎng)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(wù)區(qū)2處，停車(chē)區(qū)1處，主線收費(fèi)站1處，匝道收費(fèi)站3處，監(jiān)控管理分中心1處，養(yǎng)護(hù)工區(qū)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(shè)計(jì)階段，計(jì)劃2017年上半年開(kāi)工建設(shè)，2020年年底建成通車(chē)。

該高速公路跨越的敏感水環(huán)境有汾河（汾河水庫(kù)水源地準(zhǔn)保護(hù)區(qū)）、交樓申鄉(xiāng)、蔡家崖鄉(xiāng)及高家村鎮(zhèn)水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)。

2 敏感水環(huán)境特征

本文所指不同敏感水環(huán)境特征主要指兩種典型特征，一是敏感水環(huán)境受影響范圍小，收集池可設(shè)于敏感水環(huán)境受影響范圍之外，比如保護(hù)區(qū)范圍較小的地下水水源地，該類(lèi)敏感水環(huán)境稱(chēng)為“局部敏感水環(huán)境”；二是敏感水環(huán)境受影響范圍大，收集池?zé)o法設(shè)于敏感水環(huán)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(kù)水源地保護(hù)區(qū)，該類(lèi)敏感水環(huán)境稱(chēng)為“區(qū)域敏感水環(huán)境”。

某高速公路跨越的汾河水庫(kù)水源地準(zhǔn)保護(hù)區(qū)為區(qū)域敏感水環(huán)境，跨越的交樓申鄉(xiāng)、蔡家崖鄉(xiāng)及高家村鎮(zhèn)水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)為局部敏感水環(huán)境。

3 橋面徑流收集與處置系統(tǒng)建設(shè)的必要性

國(guó)家法律法規(guī)對(duì)飲用水水源保護(hù)區(qū)等敏感水環(huán)境內(nèi)排污及處置有明確的規(guī)定，《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》第三十一條規(guī)定“因發(fā)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(fā)生重大污染事故的企業(yè)事業(yè)單位，應(yīng)當(dāng)采取措施，加強(qiáng)防范?！薄吨腥A人民共和國(guó)水污染防治法》第五十七條規(guī)定“在飲用水水源保護(hù)區(qū)內(nèi)，禁止設(shè)置排污口?！蔽覈?guó)跨越河流等水環(huán)境橋梁橋面排水一般是通過(guò)橋面橫坡或縱坡流入泄水口直接向下排放[2]進(jìn)入水環(huán)境，危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸事故狀態(tài)下有毒有害污染物直接排入敏感水環(huán)境不符合上述法律規(guī)定。

原國(guó)家環(huán)境保護(hù)局、交通部等部門(mén)以環(huán)發(fā)[2007]184號(hào)文聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)公路規(guī)劃和建設(shè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作的通知》中明確規(guī)定：“為防范危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)跨越飲用水水源二級(jí)保護(hù)區(qū)、準(zhǔn)保護(hù)區(qū)和二類(lèi)以上水體的橋梁，在確保安全和技術(shù)可行的前提下，應(yīng)在橋梁上設(shè)置橋面徑流水收集系統(tǒng)，并在橋梁兩側(cè)設(shè)置收集池，對(duì)發(fā)生污染事故后的橋面徑流進(jìn)行處理，確保飲用水安全?！?/p>

據(jù)2009年和2014年山西省高速公路網(wǎng)調(diào)整規(guī)劃環(huán)境影響報(bào)告書(shū)統(tǒng)計(jì)，山西省高速公路網(wǎng)“三縱十一橫十一環(huán)”和“三縱十二橫十二環(huán)”兩次規(guī)劃布局中新增高速公路中有50%以上穿越敏感水環(huán)境。高速公路危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸事故屬于突發(fā)事件，一旦在跨越敏感水環(huán)境的橋梁路段發(fā)生造成有毒有害物質(zhì)泄漏等交通事故，具有很大的危險(xiǎn)性，而且有其獨(dú)特的特征，即風(fēng)險(xiǎn)性、突發(fā)性、公共危害性、社會(huì)關(guān)注性、動(dòng)態(tài)連鎖性、不可預(yù)料性等，需要采取有效的預(yù)防、應(yīng)急及處置措施，而橋面徑流收集與處置系統(tǒng)是目前防治高速公路橋梁路段危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸事故環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。

4 山西省高速公路橋面徑流收集與處置系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

高速公路針對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸事故環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)而建設(shè)的橋面徑流收集與處置系統(tǒng)出現(xiàn)在近10年以內(nèi)。2007年《關(guān)于加強(qiáng)公路規(guī)劃和建設(shè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作的通知》出臺(tái)后，新建高速公路的環(huán)境影響報(bào)告書(shū)及其批復(fù)要求跨越敏感水環(huán)境的橋梁需設(shè)置橋面徑流收集系統(tǒng)，否則竣工后不予通過(guò)環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收。隨后，跨越敏感水環(huán)境的高速公路橋梁開(kāi)始建設(shè)橋面徑流收集與處置系統(tǒng)，但是由于少有針對(duì)性的技術(shù)研究，尚無(wú)統(tǒng)一的技術(shù)指南，其設(shè)計(jì)和建設(shè)停留在縱向收集和簡(jiǎn)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(guò)對(duì)山西省高速公路目前建成的橋面徑流收集與處置系統(tǒng)的調(diào)研，橋面徑流收集與處置系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題如下：

a）通過(guò)管道對(duì)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(zhì)直接進(jìn)入敏感水環(huán)境，對(duì)于局部敏感水環(huán)境可將橋面徑流引至下游收集，能有效解決對(duì)該類(lèi)敏感水環(huán)境的影響問(wèn)題。但是由于無(wú)后續(xù)凈化處置措施，對(duì)于區(qū)域敏感水環(huán)境，強(qiáng)降雨情況下有毒有害物質(zhì)仍會(huì)快速進(jìn)入敏感水環(huán)境。

b）收集管道和收集池缺乏科學(xué)合理的計(jì)算和設(shè)計(jì)規(guī)定，無(wú)法有效發(fā)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(huán)境橋梁的橋面徑流水收集、處理設(shè)施是為應(yīng)付竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收而補(bǔ)充設(shè)置的，未將其納入前期兩階段設(shè)計(jì)和工程施工過(guò)程中[3]，存在經(jīng)費(fèi)、設(shè)置適宜性等問(wèn)題。

5 不同敏感水環(huán)境特征下橋面徑流收集與處置技術(shù)

5.1 高速公路橋面徑流量計(jì)算

根據(jù)《道路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)定》，國(guó)內(nèi)危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸采用罐式專(zhuān)用車(chē)輛，其罐體容積不得超過(guò)20 m3。本文按照一次運(yùn)輸?shù)淖畲篌w積20 m3考慮，危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸事故在橋梁路段發(fā)生后，運(yùn)輸車(chē)輛罐體內(nèi)危險(xiǎn)化學(xué)品液體外泄，通過(guò)橋面徑流收集系統(tǒng)匯集進(jìn)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(xiǎn)化學(xué)品事故狀態(tài)下，收集池容積需要同時(shí)考慮全部?；愤\(yùn)輸車(chē)輛罐體內(nèi)液體容積和泄漏發(fā)生期間降水量，一般考慮30 min降雨時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的降水量。

危險(xiǎn)化學(xué)品事故狀態(tài)下，橋面徑流量（收集池容積）按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：V為收集池總?cè)莘e，m3；Q為一定降雨時(shí)長(zhǎng)內(nèi)雨水徑流量，m3.

式中：Q0為設(shè)計(jì)徑流量，m3/s；t為降雨時(shí)長(zhǎng)，s，一般取1 800 s.

式中：φ為徑流系數(shù)，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(shè)計(jì)重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度，mm/min，一般高速公路橋面排水重現(xiàn)期取5年；F為匯水面積，km2.

式中的q有以下兩種計(jì)算方式：

a）當(dāng)?shù)貧庀笳居?0年以上自記雨量計(jì)資料時(shí)，可利用氣象站觀測(cè)資料按式（4）整理分析得到設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的降雨強(qiáng)度：

式中：t為降雨歷時(shí)，min；a、b為地區(qū)性參數(shù)。

b）當(dāng)?shù)厝狈ψ杂浻炅坑?jì)資料時(shí)，可利用標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度等值線和有關(guān)轉(zhuǎn)換系數(shù)，按式（5）計(jì)算降雨強(qiáng)度：

式中：q5,10為5年重現(xiàn)期和10 min降雨歷時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度，mm/min，山西省位于 1.5～2.0 區(qū)域[4]，某高速公路所在區(qū)域取1.7；cp為重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)，為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度qp同標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度q5的比值（qp/q5），5 年重現(xiàn)期 cp取 1.00；ct為降雨歷時(shí)t轉(zhuǎn)換系數(shù)，為降雨歷時(shí)t的降雨強(qiáng)度qt同10 min降雨歷時(shí)的降雨強(qiáng)度q10的比值（qt/q10），按高速公路所在區(qū)域的60 min轉(zhuǎn)換系數(shù)（c60），由表1[4]查取，c60取 0.35，即 ct取 0.55。

表1 降雨歷時(shí)轉(zhuǎn)換系數(shù)（ct）min

5.2 區(qū)域敏感水環(huán)境

某高速公路設(shè)汾河大橋跨越汾河，由于下游汾河水庫(kù)為太原市飲用水水源地，汾河水庫(kù)上游匯水區(qū)域均為山西省政府劃定的水源地準(zhǔn)保護(hù)區(qū)，汾河大橋橋面徑流無(wú)法引至敏感水環(huán)境外圍。汾河大橋全長(zhǎng) 880 m，跨徑為（75+4×130+75+35+60+35+3×30）m，橋面面積22 440 m2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(qū)域均為濕地，植被主要有蘆葦、香蒲、水蓼、慈姑、水蔥等，其現(xiàn)狀照片見(jiàn)圖1。

圖1 某高速公路跨越汾河處現(xiàn)狀照片

汾河大橋設(shè)縱向收集系統(tǒng)收集橋面徑流，為了防范冬季凍裂的問(wèn)題，收集管道材料用不銹鋼管替代PVC管，結(jié)合汾河大橋所在河道自然環(huán)境特征，采用隔油沉淀池+人工濕地串聯(lián)的技術(shù)對(duì)橋面徑流進(jìn)行處置，該橋面徑流收集、處置技術(shù)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 區(qū)域敏感水環(huán)境橋面徑流收集、處置技術(shù)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(jì)算，為 578 m3，建議尺寸為（30×10×2）m，隔油沉淀池設(shè)溢流閥將多出徑流排入人工濕地進(jìn)水溝。

人工濕地面積根據(jù)橋面徑流在濕地中的停留時(shí)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(cè)設(shè)漿砌片石圍欄，濕地末端設(shè)出水溢流堰，溢流堰需高于濕地水面。濕地對(duì)橋面徑流中各種污染物具有逐步降解作用，其原理是過(guò)濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等，以達(dá)到處理污染物和爭(zhēng)取后續(xù)應(yīng)急處置時(shí)間的目的。同時(shí)，汾河大橋跨越汾河所在河道位于汾河川國(guó)家濕地公園范圍，人工濕地可結(jié)合濕地公園建設(shè)規(guī)劃進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)，融入汾河自然濕地環(huán)境，成為一道濕地景觀。

5.3 局部敏感水環(huán)境

以該高速公路穿越交樓申鄉(xiāng)水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)為例，探討跨越局部敏感水環(huán)境的橋梁橋面徑流收集和處置技術(shù)。高速公路K57+100—K57+900路段位于交樓申鄉(xiāng)水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)，工程形式為交樓申 河 特 大 橋（K57+000—K58+128），該 橋 全 長(zhǎng)1 128 m，跨徑為（28×40）m，橋面面積為 28 764 m2。根據(jù)交樓申河特大橋設(shè)計(jì)資料和橋梁跨越處地形地物等因素，橋面徑流收集池可設(shè)在水源地保護(hù)區(qū)外圍下游，即樁號(hào)K57+900以西區(qū)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(shù)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 局部敏感水環(huán)境橋面徑流收集、處置技術(shù)示意圖

隔油沉淀池采用二次隔油沉淀處理技術(shù)，橋面徑流進(jìn)入中間隔油沉淀池后，溢流閥進(jìn)入二次沉淀池，二次沉淀池容積比中間沉淀池容積略大，總?cè)莘e按照上文給出的公式計(jì)算，為748 m3。二次沉淀池可以防止水流較急時(shí)中間隔油沉淀池處理不充分，設(shè)溢流閥將多出徑流排到水源地保護(hù)區(qū)外圍下游，避免對(duì)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(shù)方案

根據(jù)《山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整方案（2009年—2020年）環(huán)境影響報(bào)告書(shū)》，山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中新增的10條高速公路中有6條可能涉及水源地保護(hù)區(qū)，跨越水源地保護(hù)區(qū)的橋梁需對(duì)橋面徑流進(jìn)行收集和處置，具體見(jiàn)表2。

表2 山西省“十三五”規(guī)劃建設(shè)高速公路跨越水源地保護(hù)區(qū)的橋梁橋面徑流收集和處置技術(shù)方案

7 結(jié)論與建議

a）本文針對(duì)敏感水環(huán)境的保護(hù)，提出了兩種典型特征敏感水環(huán)境概念，即區(qū)域敏感水環(huán)境和局部敏感水環(huán)境，為危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸事故狀態(tài)下橋面徑流的處置技術(shù)提供了研究方向。對(duì)于區(qū)域敏感水環(huán)境，結(jié)合自然環(huán)境特征，提出隔油沉淀池+人工濕地的綜合處置措施；對(duì)于局部敏感水環(huán)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(huán)境外圍下游排放。達(dá)到最大限度保護(hù)敏感水環(huán)境的目的。

b）根據(jù)山西省“十三五”規(guī)劃建設(shè)的高速公路涉及水源地保護(hù)區(qū)的情況，給出了跨越各水源地保護(hù)區(qū)橋梁的橋面徑流收集和處置技術(shù)方案。高速公路危險(xiǎn)化學(xué)品事故環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防治措施是一套綜合的體系，后續(xù)需要在事故預(yù)警、監(jiān)控、收集和處置措施的自動(dòng)控制和維護(hù)等方面進(jìn)行更多細(xì)致的研究。同時(shí)，在高速公路設(shè)計(jì)階段應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家法律法規(guī)落實(shí)敏感水環(huán)境保護(hù)工程，落實(shí)工程設(shè)計(jì)和列支相關(guān)費(fèi)用，以保障敏感水環(huán)境用水安全，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展。