跨養(yǎng)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(yè)發(fā)展中心公路科學(xué)研究所，江蘇 南京 210008；2.南京航空航天大學(xué) 土木與機(jī)場工程系，江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,國家對自然環(huán)境保護(hù)越來越重視,橋梁建設(shè)及運營對生態(tài)環(huán)境的影響得到了前所未有的關(guān)注[1]。在水網(wǎng)發(fā)達(dá)的南方地區(qū),跨水產(chǎn)養(yǎng)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?；芬蛞馔馐鹿手苯恿魅胱匀凰w造成的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失,日常降水沖刷橋面產(chǎn)生的含污徑流也會引起自然水體水質(zhì)的惡化。針對這一問題,《公路環(huán)境保護(hù)設(shè)計規(guī)范》[2]中給出了明確的規(guī)定:路面徑流不得直接排入飲用水體和養(yǎng)殖水體,橋梁跨越飲用水源保護(hù)區(qū)、Ⅰ～Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)的水體時,橋面排水宜排至橋梁兩端并設(shè)置沉淀池處理。在一般情況下,沉淀池的作用體現(xiàn)在吸附懸浮物和隔油上,對徑流中溶解的有機(jī)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(lián)合作用有效去除徑流中的有機(jī)污染物,可以實現(xiàn)徑流的生態(tài)化處理。

1 工程概況

360省道高淳西段改擴(kuò)建工程路線起自高淳縣城西,全長13.36 km,經(jīng)陽江鎮(zhèn),跨水陽江,止于蘇皖省界。由于陽江鎮(zhèn),產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以水產(chǎn)養(yǎng)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(wǎng)發(fā)達(dá)地區(qū)。改擴(kuò)建工程在給陽江鎮(zhèn)帶來出行與貿(mào)易便利的同時,若路面、橋面徑流污染物直接進(jìn)入水體,將污染周邊水系,對周圍農(nóng)業(yè)尤其是養(yǎng)殖業(yè)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(shù)進(jìn)行研究,設(shè)計橋面排水管道確保橋面徑流的全收集、設(shè)置沉淀池對不同工況下的橋面徑流進(jìn)行分類處理、再通過采用多級串聯(lián)的人工濕地對花卉大橋的橋面雨水進(jìn)行生態(tài)化處理,從而實現(xiàn)徑流污染削減和雨水資源利用。

2 橋面雨水收集系統(tǒng)設(shè)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(chǎn)生[3,4]:

(1) 降雨沖刷橋面產(chǎn)生的帶有重金屬物質(zhì)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(nèi)的物質(zhì)發(fā)生泄漏或滴漏,以及用于清洗路面產(chǎn)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(zhì),進(jìn)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(yīng)能滿足劃定匯水分區(qū)內(nèi)上述兩種徑流的轉(zhuǎn)輸需求,實現(xiàn)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(xiàn)積水情況,泄水管流量應(yīng)大于雨水設(shè)計流量。在徑流系數(shù)、單根泄水管道匯水面積確定的情況下,雨水設(shè)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(shè)計的暴雨重現(xiàn)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(jù)南京市暴雨強度公式,設(shè)計暴雨強度q采用公式(1)計算:

(1)

式中:P為降雨重現(xiàn)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(shè)計方法類似[5],且出于美觀等因素,橋梁排水系統(tǒng)多采用管徑一致的縱向排水管。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》[6]的規(guī)定,雨水設(shè)計流量QS計算公式如下:

Qs=qΨF

(2)

式中:q為設(shè)計暴雨強度;Ψ為徑流系數(shù),瀝青路面取0.95;F為匯水區(qū)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(shè)計流量Qs=140.87 L/s,右幅雨水設(shè)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(guī)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(shè)置于左幅橋梁外側(cè)(樁號K150+444.511-K151+284.511)和右幅橋梁外側(cè)(樁號K150+519.511-K151+284.511),橋面徑流經(jīng)PVC管收集后排入橋下沉淀池中,再經(jīng)沉淀隔油后排入人工濕地進(jìn)行進(jìn)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(shè)計

3.1 污水處理工藝研究

為提高污水處理工藝的生態(tài)安全性,分正常工況和非正常工況，進(jìn)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(jī)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(zhì)隨徑流通過泄水管匯集后,從進(jìn)水管流入沉淀池內(nèi)[7]。在這個過程中,徑流中存在的污染物質(zhì)逐漸沉淀在池底。隨著降雨的繼續(xù),沉淀池內(nèi)水位逐漸升高,浮于水面的油污被沉淀池頂部擋板攔截,當(dāng)水位高于頂部擋板時,溢流出的水從出水口流出。降雨結(jié)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(dāng)橋上發(fā)生化學(xué)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(jìn)入沉淀池。此時,關(guān)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(yè)組織進(jìn)行處理。

3.2 沉淀池容積確定

沉淀池的設(shè)計目標(biāo)為收納事故徑流,其容積需保證一般危險品發(fā)生事故時徑流收納的要求。目前液態(tài)危險品運輸車輛,容積多在20～50 m3,因此設(shè)計的沉淀池的有效容積應(yīng)能應(yīng)對雨天危險品運輸車輛發(fā)生事故,所載危險物品全部泄露進(jìn)入沉淀池的最不利情況?？紤]到裝載危險品的車輛發(fā)生運輸事故為小概率事件,為充分發(fā)揮沉淀池作用,設(shè)計沉淀池容積為100 m3,調(diào)節(jié)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(tǒng)布置一覽表

3.3 沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3.1 尺寸規(guī)格

沉淀池規(guī)格尺寸設(shè)計參數(shù)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(shè)計條件

(1) 抗震設(shè)防烈度為7度。

(2) 池頂活荷載取20 kN/m2,池邊活荷載標(biāo)準(zhǔn)取50 kN/m2。

(3) 池壁荷載考慮滿水狀態(tài)最大荷載。

(4) 地基承載力設(shè)計值取70 kPa。

圖2 沉淀池平面、剖面圖

4 人工濕地設(shè)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(jìn)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(shù)

4.1.1 平面設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(nèi)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(jìn)、出水口的水位差,取0.2 m;L為水平流程距離,取98 m。

經(jīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2.1 防滲層

人工濕地應(yīng)在側(cè)面和底部進(jìn)行防滲處理,且防滲層的滲透系數(shù)不大于8～10 m/s,設(shè)計采用厚度為0.60～0.65 mm用無堿或中堿玻璃纖維布機(jī)制的油氈。

4.2.2 進(jìn)出水系統(tǒng)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(jìn)人工濕地。為了避免倒灌情況的出現(xiàn),人工濕地的進(jìn)水管高度設(shè)置應(yīng)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(jìn)水系統(tǒng)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(shè)集水管,可有效防止出水口堵塞;通過旋轉(zhuǎn)彎頭和控制閥門調(diào)節(jié)床內(nèi)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(shè)厚度為0.2 m,總厚度為0.6 m。

5 結(jié)束語

(1) 本文對跨養(yǎng)殖水域橋面收集系統(tǒng)進(jìn)行探究,結(jié)合工程實例設(shè)計了一種橋面雨水收集系統(tǒng),包括橋面排水管道布置、沉淀池設(shè)計和人工濕地設(shè)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(fā)揮了隔油和沉淀固態(tài)物質(zhì)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(huán)境產(chǎn)生較大破壞。

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