公路隧道营运期排放水综合利用技术探讨

    我国是个多山的国家，75% 左右的陆地国土均为山地或重丘。隧道工程具有缩短里程、节约占地的优点，在公路建设中得到越来越多的应用。近年来，我国公路建设已经从发达地区向西部山区延伸，隧道工程正在大量开建。截止2007 年底，我国已建公路隧道4 673 座，总长2 556 km［1］，成为世界上修筑隧道最多的国家。
    值得注意的是，隧道建设与地下水紧密相关，隧道施工过程中经常会出现涌突水事故。据不完全统计［2］，我国1992 年以前建成的隧道中，80% 施工中发生涌水现象，其中30 余例为大型涌水，总涌水量超过10 000 m3 /d。隧道施工涌水不但影响隧道的施工安全，而且还影响隧道建成后的结构安全，许多隧道在营运期仍有地下水流出，从而可能导致一系列的环境问题，如山顶水井水位下降、水稻田、堰塘缺水等，使隧道附近居民的生产生活受到严重影响。
    目前，对于隧道建设地下水的研究主要集中于隧道施工过程中的施工废水处置，包括施工废水的来源和主要水质特征研究，施工废水对水环境的影响分析及施工废水的处理分析等，而针对隧道营运期排放水的综合利用技术研究目前较少。为此，本文对隧道营运期排放水的综合利用进行研究，从而提出隧道营运期排放水的多种利用方向。
    1 ·隧道营运期排放水类型
    隧道营运期的排放水主要包括隧道冲洗水、消防水及地下水渗漏。在我国，隧道营运期内排放水一般都未作处理，而是直接通过隧道边沟排放。这些废水可能直接进入隧址区或者进入附近的水体中，引起地下水和地表水水质恶化，从而影响附近居民生活、生产用水，严重的甚至可能造成地表植被枯萎。相关文献调查表明［3］，冲洗水中悬浮物( SS) 可达到300 mg /L，石油类为50 mg /L; 消防水污染物种类及其浓度与事故类型有关，较为复杂。隧道内，冲洗水量由隧道内车辆类型、车流量、车道宽度、洒水车速度、洒水频率等因素决定; 消防产生的废水水质和水量主要由火灾产生的类型及灭火方式等因素决定; 地下水一般为清净出水。调查表明，隧道地下水中主要污染物为SS，一般在200 mg /L 以下。
    因此，隧道营运期内排放水再利用时应充分考虑以上3 部分排水的水质和水量，再利用前应进行必要的处理。  
     2· 地下水利用方式
    隧道地下水的水质情况及周边环境状况与地下水的再利用方向有密切的关系。总体而言，隧道营运期内地下水再利用主要有以下几类: 直排、农田灌溉、地下水回灌、人工湿地等。
    隧道营运期内地下水再利用时，首先应对隧道排水进行适当处理，即在隧道洞口附近修建一个沉砂缓冲池，其在关闭排水出口后可起到收集、隔离的作用。一般情况下，隧道排水经过沉砂缓冲池隔油沉淀后可再利用。发生安全事故时，应关闭缓冲池闸门，以防止危险废水直接进入水体中。消防水及危险品泄漏液应由应急车辆抽取并处置。
    2． 1 地下水回灌
    地下水回灌是利用工程设施将地表水注入地下含水层，从而增加地下水储量的措施。
    地下水回灌分为天然回灌和人工回灌。人工回灌方式又分为2 种: 一种是地表回灌，即在透气性较好的土层上修建沟渠、塘等蓄水建筑物，利用水的自重进行回灌; 另一种是井灌，即将补给水源通过钻孔、大口径井直接注入含水层的方法。其适用于地表土层透水性较差，或地价昂贵，没有大片的土地用于蓄水，或要回灌承压含水层，或要解决寒冷地区冬季回灌越冬问题等情况［4］。
    用作回灌水的水质需随隧址区水文地质条件、回灌方式、重新抽取的地下水的用途不同而变化，一般应满足如下条件: 1) 应比被补给的含水层水质好; 2) 不应含腐蚀性气体、离子及微生物，悬浮物含量应低于20 mg /L; 3 ) 最佳水温在20 ～ 25℃; 4) pH 最好在6． 5 ～ 7． 5。
    地下水回灌技术的基本过程为: 收集—预处理—回灌—抽取—再利用( 引用、灌溉等) 。回灌的地下水主要来源于隧道涌水，其本身水质条件较好，回灌过程中只要不受2 次污染即可使用。结合项目的具体情况，可考虑采用以下几种回灌方法。
    2． 1． 1 地表回灌
    地表回灌是利用天然洼地、坑塘、沟渠、沙石坑、人工渗入坑等地面设施引蓄地表水，借助地表水和地下水的水头差，使之渗漏补给含水层［5］。
    该方法的优点是可以因地制宜地利用自然条件，以简单的工程设施和较少的投资，获得较大的补给量，且隧道运营期间也比较容易管理和清淤，可经常保持较高的渗漏量。其缺点是占地面积大，单位面积渗入量低。
    该方法主要适用于包气带岩石渗漏性较好，且中间无连续隔水层的地区。
    2． 1． 2 回灌井
    1) 普通回灌井。
    普通回灌井基本原理及示意如图1所示。
               
    从图1 可以看出，隧道排水通过水处理装置后直接进入回灌井内，并经回灌井直接注入地下含水层中。另外，在水处理装置一端可以另接管道，这样处理后的排水便可作为隧道附近的绿化用水。
    2) 组合式强化井灌。
    组合式强化井灌对回灌水预处理要求低，占地面积远低于地表回灌，从而降低了回灌对土地条件的依赖。
    组合式强化井灌的基本原理如图2 所示。从图2 可以看出，回灌水经预处理单元进入人工回灌场，回灌场的土壤厚度不超过2 m，回灌水自上而下自然渗滤穿过回灌场，该过程称为短程土壤处理。短程土壤处理系统底部设有收集装置，回灌水经收集装置进入回灌井后，直接进入地下含水层，其在地下停留至少20 d，或取水点距回灌点的水平距离至少为40 m。回灌水在地下含水层中的长期迁移过程被称为长期含水层处理［6］。
              
    2． 2 灌溉用水
    地下水水质洁净，不堵塞管道孔眼，是很好的灌溉用水。结合现场调查，对于隧道附近有沟渠进行农田灌溉的地方，可以直接通过管道将隧道排出的地下水引至沟渠中。同时，为了更好地调节隧道地下水的水量，可以在隧道进出口方向修建一个调节池，用于调节水量。在有条件的地区，可将原有的明渠改为暗渠，以减少水分的蒸发。
    2． 3 直排
    地下水直排是隧道地下水利用最简单的一种方式，仅需用管道将隧道边沟内的排放水引出后排放。在隧道附近有水体的地方，可以埋设管道将地下水引至水体中排放。
    2． 4 人工湿地
    2． 4． 1 湿地类型选择
    人工湿地一般分为表面流湿地、潜流型湿地和垂直流湿地，其位于隧道的进出口，从美观、基建、投资、工艺及处理效果等多方面综合考虑，建议隧道的人工湿地采用潜流型。
    2． 4． 2 湿地设计原则
    人工湿地设计时，应结合当地的实际情况进行分析，其初步设计思路为: 参照隧道涌水量和当地多年降雨量，确定人工湿地的总面积，考虑在隧道出口道路两侧分别设置1 个人工湿地，具体情况应根据隧道出口的地理位置及地形条件来定。人工湿地的功能主要应包括以下2 个部分: 一是营运期隧道出水的水质净化处理; 二是隧道的景观功能。
    隧道出口的人工湿地景观应与隧道自身景观有机结合，两者互相呼应，既能美化当地环境，又能很好地利用地下水资源，保护环境。因此，人工湿地的设计在注重水处理效果的同时，应充分考虑景观需求，实现水质净化功能与景观美化功能的和谐统一。
    不同的植物具有不同的生态和形态特征，且不同植物在不同的生长时期所呈现的景观感觉也不同，因此合理配置湿地植物是修建隧道人工湿地的一个前提条件。总体而言，隧道人工湿地的植物选择［7－8］应注意以下几点。
    1) 应根据隧道出水的主要污染因子，选择对其处理能力较强的植物种类，不同的植物对于处理不同类型的水质具有不一样的效果。
    2) 对于冬季温度较低、时间较长的地区，应搭配耐寒物种，以保证冬季湿地的处理效果。
    3) 选取植物种类时，应以因地制宜、适地适生为原则，即应注意植物的种类，以乡土物种为主，尤其对于排入自然水体的排水，应避免外来入侵物种，因为外来入侵物种易破坏当地生态环境。
    4) 应注意植物的景观功能，对植株的高低、常绿植物或落叶植物、颜色、花期等进行综合考虑，使其高低结合、深浅呼应，不同季相都有可观赏性。 
   5) 需考虑植物种植的密度，太密或太疏不仅会影响湿地的处理效果，还会影响视觉效果。人工湿地自然景观如图3 所示。
                
    2． 4． 3 湿地组成
    目前，人工湿地在高速公路中主要用于服务区废水处理，隧道营运期内排水应用较少。隧道运营期排放的废水所含污染物主要是SS 等，同时由于隧道涌水量随季节变化和工程进度影响较大，因此应考虑在湿地前加设沉淀调节池，其与湿地还可作为危险品发生泄漏时的应急收集池，避免其直接进入附近水体中。
    隧道运营期排放的废水先进入格栅池拦截水中粗大的悬浮物和漂浮物，流入调节池进行水质和水量调节后，通过布水器进入人工湿地中进行进一步处理。下面将分别对人工湿地的平面布置、组成及工艺流程进行介绍。
    1) 平面总体布置。
    人工湿地平面布置按废水处理工艺设计流程的功能要求，以污水来向及地形由高至低为原则，在规划场地内进行布置。
    2) 组成。
    湿地中的植物可以考虑选择野姜花、风车草、美人蕉、香兰草、灯心草等。人工湿地的规格应根据现场实际涌水量来确定。
    3) 废水处理工艺流程。
    人工湿地废水处理工艺流程和基本结构示意分别见图4、图5。
               
    3· 结语
    隧道工程建设将不可避免地干扰和破坏项目所在地的地下水平衡，因此，为了减少隧道建设对周边环境的破坏，除施工期应注意地下水保护外，营运期内隧道排放水的利用也十分重要。隧道营运期排放水的综合利用是一个系统工程，应结合隧道周边环境、水质特征及隧道排水的水质情况等综合考虑，并采取相应的对策。