跨养殖水域桥面雨水收集处理方案研究

孙 秋， 唐 琳， 解建光， 陈耿填

(1.南京市公路事业发展中心公路科学研究所，江苏 南京 210008；2.南京航空航天大学 土木与机场工程系，江苏 南京 211106)

0 引 言

随着社会经济的发展,国家对自然环境保护越来越重视,桥梁建设及运营对生态环境的影响得到了前所未有的关注[1]。在水网发达的南方地区,跨水产养殖水域的桥梁表面径流的收集与处理就显得尤为重要,除了危化品因意外事故直接流入自然水体造成的环境污染和经济损失,日常降水冲刷桥面产生的含污径流也会引起自然水体水质的恶化。针对这一问题,《公路环境保护设计规范》[2]中给出了明确的规定:路面径流不得直接排入饮用水体和养殖水体,桥梁跨越饮用水源保护区、Ⅰ～Ⅱ类标准的水体时,桥面排水宜排至桥梁两端并设置沉淀池处理。在一般情况下,沉淀池的作用体现在吸附悬浮物和隔油上,对径流中溶解的有机污染物去除效果较差。通过将沉淀池处理过后的径流引入人工湿地,利用人工湿地土壤、微生物和植物的联合作用有效去除径流中的有机污染物,可以实现径流的生态化处理。

1 工程概况

360省道高淳西段改扩建工程路线起自高淳县城西,全长13.36 km,经阳江镇,跨水阳江,止于苏皖省界。由于阳江镇,产业结构以水产养殖为主受气候条件影响比较大,其对水资源的敏感性也强于非水网发达地区。改扩建工程在给阳江镇带来出行与贸易便利的同时,若路面、桥面径流污染物直接进入水体,将污染周边水系,对周围农业尤其是养殖业造成影响。

针对工程主要控制点中的花卉大桥(K150+440-K151+288)的桥面雨水收集及处理技术进行研究,设计桥面排水管道确保桥面径流的全收集、设置沉淀池对不同工况下的桥面径流进行分类处理、再通过采用多级串联的人工湿地对花卉大桥的桥面雨水进行生态化处理,从而实现径流污染削减和雨水资源利用。

2 桥面雨水收集系统设计

2.1 污染源分析

公路桥梁运营期含污径流主要由以下两个因素产生[3,4]:

(1) 降雨冲刷桥面产生的带有重金属物质以及含油污水的径流。

(2) 因交通事故造成装载有毒、有害物的车辆内的物质发生泄漏或滴漏,以及用于清洗路面产生的径流。

如果以上含污径流直接流入自然水体,将会恶化河流水质,进而对下游地表水体带来一定的污染。因此,桥面布置的泄水管应能满足划定汇水分区内上述两种径流的转输需求,实现桥面积水的迅速排除。

2.2 桥面径流计算

为避免桥面在雨天出现积水情况,泄水管流量应大于雨水设计流量。在径流系数、单根泄水管道汇水面积确定的情况下,雨水设计流量由暴雨强度决定。对一级公路,桥面和路肩表面排水设计的暴雨重现期为5年,考虑桥面径流的最不利情况,降雨历时取30 min,根据南京市暴雨强度公式,设计暴雨强度q采用公式(1)计算:

(1)

式中:P为降雨重现期;t为降雨历时。

通过计算,得到暴雨强度q=215.375 L/(s·hm2)。对于桥梁的纵向排水管槽,其横截面尺寸计算方法与城市雨水管道设计方法类似[5],且出于美观等因素,桥梁排水系统多采用管径一致的纵向排水管。根据《室外排水设计规范》[6]的规定,雨水设计流量QS计算公式如下:

Qs=qΨF

(2)

式中:q为设计暴雨强度;Ψ为径流系数,沥青路面取0.95;F为汇水区域面积,单根泄水管的汇水面积,左幅为0.688 hm2,右幅为0.528 hm2。

则左幅雨水设计流量Qs=140.87 L/s,右幅雨水设计流量Qs=108.03 L/s,核算DN300PVC管(Qs=167.525 L/s)能满足流速要求。

因此,选取的PVC管规格为DN300,坡率同桥梁纵坡,管材接口采用弹性密封圈连接,定位箍间距为2 m,采用M12膨胀螺栓固定。将PVC管分别设置于左幅桥梁外侧(桩号K150+444.511-K151+284.511)和右幅桥梁外侧(桩号K150+519.511-K151+284.511),桥面径流经PVC管收集后排入桥下沉淀池中,再经沉淀隔油后排入人工湿地进行进一步处理,桥面径流收集装置布置如图1所示。

图1 花卉大桥桥面纵向排水布置图

3 沉淀池设计

3.1 污水处理工艺研究

为提高污水处理工艺的生态安全性,分正常工况和非正常工况，进行污水处理工艺研究。

3.1.1 正常工况

正常工况为雨水径流冲刷桥面，附着在桥面上的机动车尾气排放物、汽车泄漏的油类以及散落在路面上的其他有害物质随径流通过泄水管汇集后,从进水管流入沉淀池内[7]。在这个过程中,径流中存在的污染物质逐渐沉淀在池底。随着降雨的继续,沉淀池内水位逐渐升高,浮于水面的油污被沉淀池顶部挡板拦截,当水位高于顶部挡板时,溢流出的水从出水口流出。降雨结束后,打开排空管放空沉淀池,并定期清理沉淀池底部的沉积物以满足沉淀池的正常使用的要求。

3.1.2 非正常工况

非正常工况是指当桥上发生化学危险品运输车辆翻车、危险品泄漏等事故情况下,有毒、有害物径流或用于冲洗桥面的水通过泄水管汇集后进入沉淀池。此时,关闭沉淀池出水口阀门,将事故废水暂存于池体中,由具备处理能力的专业组织进行处理。

3.2 沉淀池容积确定

沉淀池的设计目标为收纳事故径流,其容积需保证一般危险品发生事故时径流收纳的要求。目前液态危险品运输车辆,容积多在20～50 m3,因此设计的沉淀池的有效容积应能应对雨天危险品运输车辆发生事故,所载危险物品全部泄露进入沉淀池的最不利情况。考虑到装载危险品的车辆发生运输事故为小概率事件,为充分发挥沉淀池作用,设计沉淀池容积为100 m3,调节容量15 m3,桥面雨水管道、沉淀池布置见表1。

表1 桥面径流收集系统布置一览表

3.3 沉淀池结构设计

3.3.1 尺寸规格

沉淀池规格尺寸设计参数为:池体长L=5 960 mm,池体宽W=5 960 mm,高H=3 830 mm。沉淀池顶板厚150 mm,壁板厚180 mm,底板厚180 mm。沉淀池平面图、剖面图如图2所示。

3.3.2 设计条件

(1) 抗震设防烈度为7度。

(2) 池顶活荷载取20 kN/m2,池边活荷载标准取50 kN/m2。

(3) 池壁荷载考虑满水状态最大荷载。

(4) 地基承载力设计值取70 kPa。

图2 沉淀池平面、剖面图

4 人工湿地设计

本项目采用表面流人工湿地,即水在湿地的表层流动,从池体进水端水平流向出水端。表面流湿地选取的水位多为0.1～0.6 m,水力路径以地表推流为主,在水生植物茎叶的拦截作用、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 人工湿地基本参数

4.1.1 平面设计

人工湿地水源来自桥下沉淀池,4个沉淀池容积一共为400 m3,则人工湿地容积应大于400 m3,长宽比宜控制在3～5。为延长表面流人工湿地的水力停留时间,将人工湿地设计为月牙湖形,中心曲线长约98 m,中间宽度最大约23 m,最大长宽比为4.3,人工湿地布局如图3所示。人工湿地表面积为1 040 m2,水深为0.3～0.6 m,为便于计算,考虑实际水深分布,设计时取平均水深为0.5 m,则人工湿地容积为520 m3>400 m3,符合要求。

4.1.2 水力坡度

水力坡度是指径流在人工湿地内沿水流方向单位渗流路程长度上的水位下降值。水力坡度i按照公式(3)计算:

i=ΔH/L×100%

(3)

式中:ΔH为进、出水口的水位差,取0.2 m;L为水平流程距离,取98 m。

经过计算,人工湿地的水力坡度为0.2%,小于0.5%的限值,符合表面流人工湿地对水力坡度的要求。

图3 表面流人工湿地示意图

4.2 人工湿地结构设计

4.2.1 防渗层

人工湿地应在侧面和底部进行防渗处理,且防渗层的渗透系数不大于8～10 m/s,设计采用厚度为0.60～0.65 mm用无碱或中碱玻璃纤维布机制的油毡。

4.2.2 进出水系统的布置

桥面雨水首先被收集在两端的沉淀池中,再从沉淀池输送进人工湿地。为了避免倒灌情况的出现,人工湿地的进水管高度设置应比人工湿地底面高0.5 m,并采用多孔管和三角堰等配水装置保证进水系统配水的均匀性。在人工湿地出水口前端的砾石填料层下布设集水管,可有效防止出水口堵塞;通过旋转弯头和控制阀门调节床内的水位,可以控制人工湿地的水力停留时间,保障人工湿地对桥面径流的处理效果。

4.2.3 填料

表面流人工湿地的池床由两层组成,表层土层厚度为0.4 m,砾石层铺设厚度为0.2 m,总厚度为0.6 m。

5 结束语

(1) 本文对跨养殖水域桥面收集系统进行探究,结合工程实例设计了一种桥面雨水收集系统,包括桥面排水管道布置、沉淀池设计和人工湿地设计,以防止携污径流直接流入自然水体。

(2) 在正常工况下,沉淀池发挥了隔油和沉淀固态物质的作用;在非正常工况下,沉淀池确保了对有毒、有害径流的全部收集,避免对环境产生较大破坏。

(3) 表面流人工湿地除了对径流有着调蓄效果,在选用合理的植物搭配下,能够进一步实现对径流的生态化处理,对水污染的防治有着有一定的参考作用。