基于实时监控的桥面径流选择性收集系统

基于实时监控的桥面径流选择性收集系统秦海伟（河南省交通科学技术研究院有限公司河南·郑州 450006）[摘要] 在对现有桥面径流收集系统存在不足进行分析的基础上，提出了基于实时监控的桥面径流收集系统初步方案，有效解决了现有收集系统存在缺乏针对性、可操作性差等问题。

[关键词] 实时监控桥面径流事故泄漏选择性收集电磁阀1、前言我国的高速公路建设，从1998年开始进入快速发展阶段，至2004年年底，全国高速公路通车里程已达3.4万公里【引自《国家高速公路网规划》，2005年2月】。

按照交通部最新公布的《国家高速公路网规划》，从2005年起到2030年，国家将斥资2万亿元，新建5.1万公里高速公路，使中国高速公路里程达到8.5万公里。

如果计入各地干线公路网规划实施后增加的公路里程数，数字将更为惊人。

快速增加的公路里程数，带来一系列严重的衍生问题，例如，跨越饮用水源保护区或其他水体功能区划级别较高水体的桥梁，其桥面径流的收集就是一个比较突出的问题。

本文将针对当前高速公路桥面径流收集系统存在的问题提出有效解决方案。

2、桥面径流收集系统现状当前的高速公路建设项目，所采用的桥面径流收集系统基本都是图1所示设计方案：桥面泄水孔集水池排水管图1 当前高速公路常用桥面径流收集系统示意图如图所示，桥面径流经桥面预留泄水孔流入排水管，再汇入集水池。

排水管基本都是采用PVC管材，与泄水孔接口用沥青密封，管材之间接口以PVC水管专用强力粘合剂粘接并起到密封作用，管段安置在镀锌角铁架上，铁架以膨胀螺栓固定在桥梁两侧的水泥防护栏上，并保持一定的坡降。

排水管所汇集桥面径流靠重力自流进入集水池。

集水池的池容依据当地一次降水最大强度设计，视桥面汇水面积【由桥梁长度及路面宽度决定】大小不一。

以河南的高速公路为例，有数十方、数百方的，甚至还有上千方的，池底和池壁均为浆砌片石，池底进行简单的防渗处理。

集水池一般位于桥面下方的河道半坡，有不少路段桥位靠近村庄，因而集水池也靠近村庄。

此时，大容量的集水池引发一个次生问题——村庄的儿童极易因靠近集水池玩耍而跌入集水池发生伤亡事件。

对此，建设单位采取的措施一般是沿集水池周边砌筑高80CM左右矮墙，在墙上布设铁丝网，能起到一定的防护作用，但依然是一个隐患。

3、当前桥面径流收集系统存在的问题谈到这个问题，我们先来明确设置桥面径流收集系统的初衷。

路面径流中的污染物，其来源有泥砂颗粒、车辆轮胎与路面摩擦脱落的橡胶屑、车辆滴漏的燃油等。

从其组成来看，除燃油外，均属极难降解且易沉降的颗粒污染物。

由于初期淋洗效应，路面径流的污染负荷主要集中于降水初期，实测数据表明，地面径流污染物总量的50～60%包含在2mm降水量的初期径流中【数据引自《许平南高速公路工程竣工环保验收调查报告》，2007年10月】。

随着降水时间的推进暨降水量增加，路面污染物被路面径流携带流入边沟，流速降低后，水中污染物经过沉降作用会有显著降低，即便边沟水满溢出进入地表水体，也不会对其水质产生明显影响。

降水时汇集的桥面径流与危险品车辆的事故泄露各自不同的理化性质，决定了前者只是短时的轻微污染，而后者却会造成重大污染事故。

因而设置桥面径流收集系统其目的不仅仅是为了收集桥面径流，更主要的是为了防范危险品运输车辆在桥面发生事故时，泄漏物进入地表水体引发污染事故。

虽然这是个低概率事件，但事实证明，此类事件确实时有发生。

再来看看现有桥面径流收集系统处置事故污染的能力。

我们以最不利情形为例：既有降水又有事故泄漏，此时泄漏物混和雨水进入集水池，集水池中通常还会有以前多次降水汇集的地表径流，并且水量不会太少。

此时如果集水池剩余池容过小，泄漏物溢出，从而桥面径流收集系统失去作用；剩余池容大时虽不会溢出，但泄漏物分散到池水中，水量过大，处理时需要将整个集水池中的水汲出运走，运输量太大，增加了后继的清运工作难度。

从施工角度考虑，集水池施工土方工程量大，需要进行池底防渗，防渗处理不彻底，发生事故泄露时污染物下渗，依然会产生二次污染。

综上述，当前桥面径流收集系统在危险品运输车辆发生事故泄漏时，并不能确保事故污染得到妥善解决，而且后续清运处理工作量很大，缺乏针对性，可操作性不强。

4、基于实时监控的桥面径流选择性收集系统基于实时监控的桥面径流选择性收集系统示意图如图2所示。

整个桥面径流选择性收集系统由桥面实时监控系统、电磁阀系统、排水系统组成，下面对各部分分别介绍。

4.1 桥面实时监控系统本系统是整个桥面径流收集系统的眼睛，设置于大桥的一端，用于监控桥面车辆通行情况，实时反馈给监控中心。

目前，借助计算机技术，可实现对多种交通事件进行全天候自动检测、快速自动报警和录像。

当有交通事故发生时，系统自动将现场画面及时切换至主监视器上，并为监控软件提供事故性质、级别等基础信息，监控软件根据事故级别自动生成处理预案，发出报警信号，经监控人员确认后实施。

从多条高速公路的运行实际来看，监控人员可以做到先于报警发现事故，并且与事故的实际发生时间点相比，延迟时间不长。

智能化的监控系统为本方案的实施提供了基础条件。

4.2 电磁阀系统电磁阀系统是实现桥面径流选择性收集的核心设备，由供电系统、控制系统和阀体三部分组成。

由于高速公路监控中心一般距离桥位距离都比较远，电力远程输送由于损耗导图2 基于实时监控的桥面径流收集系统示意图排入边沟 事故泄露贮存箱 桥面实时监控系统 太阳能供电系统桥面泄水孔 排水管 两位三通电磁阀 PLC 控制柜 事 故 反 馈致压降比较大，且沿路布线有不少限制因素，不宜采取由监控中心直接供电方式驱动电磁阀。

综合考虑各种因素，电磁阀系统采取隔离式控制方式，整个系统由供电系统、控制系统和电磁阀组成，控制中心通过专用通讯线路向电磁阀附带的执行机构发送动作指令，不对其输出所需电力。

至于供电系统，鉴于电磁阀在桥面径流选择性收集系统中，只是偶尔切换，不需要频繁动作，所以只要求供电系统的稳定性，对持续大流量供电要求不高。

此外，考虑到成本因素、便于管理等实际情况，采用运行成本较低的太阳能供电系统最为理想。

太阳能供电系统在高速公路应急电话、信号灯、显示屏等方面均有应用，属于比较成熟的技术。

控制系统可采用PLC【注：可编程控制器】远程控制电磁阀。

监控中心控制按钮通过专用线路与电磁阀配套的控制柜连接，在接收到桥面实时监控系统反馈回来的事故信息后，由监控人员手动切换电磁阀，控制桥面径流流向，使其流入事故泄漏贮存箱，并根据事故处理进度或现场事故处理人员要求将电磁阀切换回正常状态。

4.3 排水系统由桥面径流收集系统、排水管、事故泄露贮存箱及边沟组成。

正常状态下，桥面径流经排水管流入边沟，由于高速公路路面径流的污染特点，水中的污染物流入边沟后经过自然沉降后会显著削减，即便降水强度较大导致边沟水量较大溢出进入地表水体，也不会对水质造成破坏性影响。

事故发生时，监控中心工作人员收到实时监控系统的反馈信息，控制电磁阀动作切换排水口，使事故泄露经排水管流入事故泄露贮存箱，等待处理。

事故泄露贮存箱底部设有阀门和法兰，便于与事故处理车辆接驳抽运泄漏物。

5、与现有收集系统的对比分析5.1 系统实用性对比分析与现有的桥面径流收集系统相比，本方案解决了以下问题：1）.以封闭式事故泄露贮存箱替代开放式集水池，不存在危害人身安全等次生问题，只需对贮存箱放置点进行简单的地基处理及固定即可。

2）.事故发生时，雨水【注：按最不利情况考虑，假定事故发生时同时伴随降水】混和泄漏物一并流入集水池，集水池中通常还会存有前次降水时的积水，水量会远远超出事故泄露的混合物量，在事故善后处理时，这些混合物需要全部清运，这就导致清运工作量大大增加，也增加了混合物后继处理的难度。

采用本方案，非事故状态下，池容不受外部环境降水影响。

发生事故时，进入事故泄漏贮存箱的混合物仅为事故发生当时泄漏物和雨水的混合物，水量远远小于现有收集系统。

并且在事故处理人员到达现场后，还可以根据事故处理进度随时切换电磁阀，控制桥面径流流向，确保进入贮存箱的混合物水量进一步减少，大幅度降低事故清运量。

在未伴随降水天气时，流入贮存箱的则仅为泄漏物和事故现场冲洗水，水量将更小。

3）.本方案与现有收集系统相比，最主要的区别在于引入了两位三通电磁阀，这是实现桥面径流选择性收集的基础。

目前，此类电磁阀的通径值有DN150、DN200、DN250、DN300几种规格，基本能满足需求。

目前此类电磁阀的控制方式以PLC控制为主，可以直接与计算机交互的电磁阀也即将进入实用阶段，届时以实时监控系统、电磁阀系统联动为基础，构建全自动桥面径流收集系统也将成为现实。

4）.对于一些跨越大型地表水体的桥梁，桥梁长度动辄数公里，桥梁汇水面积大，导致总水量很大，采用现有的桥面径流收集系统，集水池的池容将大到无法想像。

此种情况下，采用本方案，效果相对较好。

例如，对于总长度过大的桥梁，对其桥面径流分段收集，每隔一定距离设置事故泄漏贮存箱，这样使得贮存箱容积不致过大。

不足之处在于，采用本方案，需要有放置贮存箱的基础构筑物并在桥梁一侧有供作业人员上下阶梯扶手等设施，这就要求在设计阶段就应考虑到这些因素。

已完工桥梁的后期追加施工会有诸多不便，投入费用也会相对较高。

5.2 系统投资分析现有桥面径流收集系统由排水系统、集水池及防护设施构成，根据河南省许平南高速公路有限责任公司提供的数据，造价在900元/m左右【注：2007年8月施工】，其中集水池造价约占总造价1/3。

以500m长桥梁为例，需投资45万元。

与之相比，本方案增加了桥面实时监控系统，在排水管路上增设电磁阀并配套太阳能供电系统和控制系统，用封闭式贮存箱代替集水池。

仍以500m长桥梁为例，桥面实时监控系统预算在15万元左右，太阳能供电系统预算2万元，电磁阀及配套控制设施预算3万元，泄漏物贮存箱及基础预算15万元，合计35万元。

增加费用与因取消集水池而节省的造价相抵，多出约20万元。

比较采用本方案带来的便利，增加的造价金额尚可接受。

6、结语本文结合高速公路建设环保工作实践，明确设置桥面径流收集系统的根本目的，介绍了当前公路桥面径流收集系统的基本构成，分析说明其不足，提出了基于实时监控的桥面径流选择性收集系统解决方案，并与现有桥面径流收集系统做对比分析。

初步阐述了在特大桥上采用本方案的基本思路。

本方案所提到的各子系统所需设备均为成熟技术，具体实施时只是一个系统集成问题。

参考文献[1] 国家高速公路网规划中华人民共和国交通部，2005.2[2] 电磁阀的选型常识及其结构原理中国自动化仪表网，2007.11[3] 许平南高速公路工程竣工环保验收调查报告上海船舶运输科学研究所，2007.10。