高速公路跨越敏感水环境桥梁桥面径流收集及处置技术研究

曾厚波

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

山西省敏感水环境包括具有饮用水源功能的河流和水库、地下水饮用水水源地及泉域重点保护区等，这些区域关系到全省各地群众的饮水水源安全，需要进行特殊保护。高速公路作为遍布全省各地区的线性基础设施，穿越敏感水环境区域的情况普遍存在，穿越形式以桥梁为主，危险化学品运输事故状态下有毒有害物质泄漏引起的水污染事件呈高发态势[1]，其中在饮用水水源地路段严重危害饮用水源安全，引起环境管理部门的高度重视和社会各界的广泛关注，也越来越受到公路建设者的重视。本文以某条正在设计的高速公路为例，在调研、分析目前山西省高速公路跨越敏感水环境桥梁桥面径流收集与处置系统建设现状的基础上，结合不同敏感水环境特征，研究危险化学品运输事故状态下不同的桥面径流收集与处置技术方案，以确保水环境安全。

1 高速公路概况

某高速公路位于山西省中西部，全长93.86 km，是山西省“三纵十二横十二环”高速公路网规划中的重要组成部分，按四车道高速公路建设，设计速度80 km/h，路基宽度25.5 m，采用沥青混凝土路面。全线设特大桥3座，大中桥78座，特长隧道1座，中隧道2座，短隧道4座，互通式立体交叉6处，服务区2处，停车区1处，主线收费站1处，匝道收费站3处，监控管理分中心1处，养护工区2处，隧道管理站1处，总投资约106亿元。目前该高速公路处于初步设计阶段，计划2017年上半年开工建设，2020年年底建成通车。

该高速公路跨越的敏感水环境有汾河（汾河水库水源地准保护区）、交楼申乡、蔡家崖乡及高家村镇水源地二级保护区。

2 敏感水环境特征

本文所指不同敏感水环境特征主要指两种典型特征，一是敏感水环境受影响范围小，收集池可设于敏感水环境受影响范围之外，比如保护区范围较小的地下水水源地，该类敏感水环境称为“局部敏感水环境”；二是敏感水环境受影响范围大，收集池无法设于敏感水环境受影响范围之外，比如太原至佳县高速公路汾河大桥位于太原市汾河水库水源地保护区，该类敏感水环境称为“区域敏感水环境”。

某高速公路跨越的汾河水库水源地准保护区为区域敏感水环境，跨越的交楼申乡、蔡家崖乡及高家村镇水源地二级保护区为局部敏感水环境。

3 桥面径流收集与处置系统建设的必要性

国家法律法规对饮用水水源保护区等敏感水环境内排污及处置有明确的规定，《中华人民共和国环境保护法》第三十一条规定“因发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单位，必须立即采取措施处理……可能发生重大污染事故的企业事业单位，应当采取措施，加强防范。”《中华人民共和国水污染防治法》第五十七条规定“在饮用水水源保护区内，禁止设置排污口。”我国跨越河流等水环境桥梁桥面排水一般是通过桥面横坡或纵坡流入泄水口直接向下排放[2]进入水环境，危险化学品运输事故状态下有毒有害污染物直接排入敏感水环境不符合上述法律规定。

原国家环境保护局、交通部等部门以环发[2007]184号文联合发布的《关于加强公路规划和建设环境影响评价工作的通知》中明确规定：“为防范危险化学品运输带来的环境风险，对跨越饮用水水源二级保护区、准保护区和二类以上水体的桥梁，在确保安全和技术可行的前提下，应在桥梁上设置桥面径流水收集系统，并在桥梁两侧设置收集池，对发生污染事故后的桥面径流进行处理，确保饮用水安全。”

据2009年和2014年山西省高速公路网调整规划环境影响报告书统计，山西省高速公路网“三纵十一横十一环”和“三纵十二横十二环”两次规划布局中新增高速公路中有50%以上穿越敏感水环境。高速公路危险化学品运输事故属于突发事件，一旦在跨越敏感水环境的桥梁路段发生造成有毒有害物质泄漏等交通事故，具有很大的危险性，而且有其独特的特征，即风险性、突发性、公共危害性、社会关注性、动态连锁性、不可预料性等，需要采取有效的预防、应急及处置措施，而桥面径流收集与处置系统是目前防治高速公路桥梁路段危险化学品运输事故环境风险的有效措施。

4 山西省高速公路桥面径流收集与处置系统建设现状

高速公路针对危险化学品运输事故环境风险而建设的桥面径流收集与处置系统出现在近10年以内。2007年《关于加强公路规划和建设环境影响评价工作的通知》出台后，新建高速公路的环境影响报告书及其批复要求跨越敏感水环境的桥梁需设置桥面径流收集系统，否则竣工后不予通过环境保护验收。随后，跨越敏感水环境的高速公路桥梁开始建设桥面径流收集与处置系统，但是由于少有针对性的技术研究，尚无统一的技术指南，其设计和建设停留在纵向收集和简单沉淀阶段，桥面排水由泄水口直排变成纵向收集后排入桥头收集池。通过对山西省高速公路目前建成的桥面径流收集与处置系统的调研，桥面径流收集与处置系统建设现状和存在的问题如下：

a）通过管道对桥面径流纵向收集后排入桥头收集池，避免了有毒有害物质直接进入敏感水环境，对于局部敏感水环境可将桥面径流引至下游收集，能有效解决对该类敏感水环境的影响问题。但是由于无后续净化处置措施，对于区域敏感水环境，强降雨情况下有毒有害物质仍会快速进入敏感水环境。

b）收集管道和收集池缺乏科学合理的计算和设计规定，无法有效发挥作用[2]。目前收集管道多采用PVC材料，收集池采用浆砌片石，收集管道防冻性差，部分收集池位置不满足要求，容积不足以蓄纳事故径流。

c）部分高速公路跨越敏感水环境桥梁的桥面径流水收集、处理设施是为应付竣工环境保护验收而补充设置的，未将其纳入前期两阶段设计和工程施工过程中[3]，存在经费、设置适宜性等问题。

5 不同敏感水环境特征下桥面径流收集与处置技术

5.1 高速公路桥面径流量计算

根据《道路危险货物运输管理规定》，国内危险化学品运输采用罐式专用车辆，其罐体容积不得超过20 m3。本文按照一次运输的最大体积20 m3考虑，危险化学品运输事故在桥梁路段发生后，运输车辆罐体内危险化学品液体外泄，通过桥面径流收集系统汇集进入收集池，若遇到降雨天气，收集池容积还需考虑汇入雨水径流量。因此，危险化学品事故状态下，收集池容积需要同时考虑全部危化品运输车辆罐体内液体容积和泄漏发生期间降水量，一般考虑30 min降雨时长内的降水量。

危险化学品事故状态下，桥面径流量（收集池容积）按式（1）进行计算：

式中：V为收集池总容积，m3；Q为一定降雨时长内雨水径流量，m3.

式中：Q0为设计径流量，m3/s；t为降雨时长，s，一般取1 800 s.

式中：φ为径流系数，一般沥青混凝土路面取0.95，水泥混凝土路面取0.90；q为设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度，mm/min，一般高速公路桥面排水重现期取5年；F为汇水面积，km2.

式中的q有以下两种计算方式：

a）当地气象站有10年以上自记雨量计资料时，可利用气象站观测资料按式（4）整理分析得到设计重现期的降雨强度：

式中：t为降雨历时，min；a、b为地区性参数。

b）当地缺乏自记雨量计资料时，可利用标准降雨强度等值线和有关转换系数，按式（5）计算降雨强度：

式中：q5,10为5年重现期和10 min降雨历时的标准降雨强度，mm/min，山西省位于 1.5～2.0 区域[4]，某高速公路所在区域取1.7；cp为重现期转换系数，为设计重现期降雨强度qp同标准重现期降雨强度q5的比值（qp/q5），5 年重现期 cp取 1.00；ct为降雨历时t转换系数，为降雨历时t的降雨强度qt同10 min降雨历时的降雨强度q10的比值（qt/q10），按高速公路所在区域的60 min转换系数（c60），由表1[4]查取，c60取 0.35，即 ct取 0.55。

表1 降雨历时转换系数（ct）min

5.2 区域敏感水环境

某高速公路设汾河大桥跨越汾河，由于下游汾河水库为太原市饮用水水源地，汾河水库上游汇水区域均为山西省政府划定的水源地准保护区，汾河大桥桥面径流无法引至敏感水环境外围。汾河大桥全长 880 m，跨径为（75+4×130+75+35+60+35+3×30）m，桥面面积22 440 m2。根据现场调查，大桥跨越处汾河为U型河谷，谷底宽阔平坦，河床宽80 m，水面宽仅20 m，其余区域均为湿地，植被主要有芦苇、香蒲、水蓼、慈姑、水葱等，其现状照片见图1。

图1 某高速公路跨越汾河处现状照片

汾河大桥设纵向收集系统收集桥面径流，为了防范冬季冻裂的问题，收集管道材料用不锈钢管替代PVC管，结合汾河大桥所在河道自然环境特征，采用隔油沉淀池+人工湿地串联的技术对桥面径流进行处置，该桥面径流收集、处置技术示意图见图2。

图2 区域敏感水环境桥面径流收集、处置技术示意图

收集池采用隔油沉淀池，其容积按照上文给出的公式计算，为 578 m3，建议尺寸为（30×10×2）m，隔油沉淀池设溢流阀将多出径流排入人工湿地进水沟。

人工湿地面积根据桥面径流在湿地中的停留时间、地形条件、河床中原有湿地情况、工程投资等因素确定，湿地植被采用芦苇+香蒲等本土水生植被，临近汾河水体一侧设浆砌片石围栏，湿地末端设出水溢流堰，溢流堰需高于湿地水面。湿地对桥面径流中各种污染物具有逐步降解作用，其原理是过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等，以达到处理污染物和争取后续应急处置时间的目的。同时，汾河大桥跨越汾河所在河道位于汾河川国家湿地公园范围，人工湿地可结合湿地公园建设规划进行景观设计，融入汾河自然湿地环境，成为一道湿地景观。

5.3 局部敏感水环境

以该高速公路穿越交楼申乡水源地二级保护区为例，探讨跨越局部敏感水环境的桥梁桥面径流收集和处置技术。高速公路K57+100—K57+900路段位于交楼申乡水源地二级保护区，工程形式为交楼申 河 特 大 桥（K57+000—K58+128），该 桥 全 长1 128 m，跨径为（28×40）m，桥面面积为 28 764 m2。根据交楼申河特大桥设计资料和桥梁跨越处地形地物等因素，桥面径流收集池可设在水源地保护区外围下游，即桩号K57+900以西区域，采取二次隔油沉淀的方式收集处理桥面径流，该种桥面径流收集、处置技术示意图见图3。

图3 局部敏感水环境桥面径流收集、处置技术示意图

隔油沉淀池采用二次隔油沉淀处理技术，桥面径流进入中间隔油沉淀池后，溢流阀进入二次沉淀池，二次沉淀池容积比中间沉淀池容积略大，总容积按照上文给出的公式计算，为748 m3。二次沉淀池可以防止水流较急时中间隔油沉淀池处理不充分，设溢流阀将多出径流排到水源地保护区外围下游，避免对水源地造成影响。

6 新增高速公路桥面径流收集和处置技术方案

根据《山西省高速公路网规划调整方案（2009年—2020年）环境影响报告书》，山西省高速公路网规划中新增的10条高速公路中有6条可能涉及水源地保护区，跨越水源地保护区的桥梁需对桥面径流进行收集和处置，具体见表2。

表2 山西省“十三五”规划建设高速公路跨越水源地保护区的桥梁桥面径流收集和处置技术方案

7 结论与建议

a）本文针对敏感水环境的保护，提出了两种典型特征敏感水环境概念，即区域敏感水环境和局部敏感水环境，为危险化学品运输事故状态下桥面径流的处置技术提供了研究方向。对于区域敏感水环境，结合自然环境特征，提出隔油沉淀池+人工湿地的综合处置措施；对于局部敏感水环境，采用二次隔油沉淀的处置措施，并将处理后的桥面径流引至敏感水环境外围下游排放。达到最大限度保护敏感水环境的目的。

b）根据山西省“十三五”规划建设的高速公路涉及水源地保护区的情况，给出了跨越各水源地保护区桥梁的桥面径流收集和处置技术方案。高速公路危险化学品事故环境风险防治措施是一套综合的体系，后续需要在事故预警、监控、收集和处置措施的自动控制和维护等方面进行更多细致的研究。同时，在高速公路设计阶段应严格按照国家法律法规落实敏感水环境保护工程，落实工程设计和列支相关费用，以保障敏感水环境用水安全，促进人与自然和谐发展。