高速公路運營期水環(huán)境保護措施研究

林宇

摘要：高速公路路網(wǎng)密度日益增加，頻繁的交通活動勢必對水環(huán)境造成污染。在水環(huán)境敏感區(qū)域高標準、嚴要求保護的背景下，文章以山西省呂梁市境內(nèi)某高速公路為例，開展高速公路運營期水環(huán)境保護措施的研究，提出對該高速公路路面及橋面徑流污水、服務(wù)區(qū)污水、危險化學品運輸事故污水分別采取生態(tài)邊溝、人工濕地、雙膜法等方法及加強運行管理、加固工程防護等措施進行處理。結(jié)果表明，采取的整體措施解決了該高速公路交通運營與水環(huán)境保護之間的矛盾，達到水環(huán)境安全保護的目標。

關(guān)鍵詞：高速公路；水環(huán)境；生態(tài)邊溝；雙膜法；保護措施

中圖分類號：X522? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）03-0072-04

0 引言

高速公路作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，為交通運輸帶來極大便利。高速公路為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展帶來巨大效益的同時，也相應(yīng)帶來水環(huán)境安全風險［1］。在高速公路運營過程中，易造成水環(huán)境污染問題，特別是在路徑水源保護區(qū)等敏感區(qū)域，會對周邊水體造成污染，嚴重影響周邊居民的用水安全［2］。高速公路運營期水環(huán)境的污染主要由路面及橋面的徑流污水、服務(wù)區(qū)的污水和危險化學品運輸事故產(chǎn)生的污水等造成［3］，因此針對所有污水源設(shè)置一套全面、適用的污水治理措施至關(guān)重要。本文通過分析高速公路運營期產(chǎn)生的污染物的污染源，提出相應(yīng)的治理措施，為促進高速公路運營期水環(huán)境保護工作提供參考和技術(shù)支持。

1 高速公路運營期水環(huán)境的污染來源

高速公路由于里程長、規(guī)模大，運營期間處于復雜多變的區(qū)域環(huán)境，勢必對周圍環(huán)境造成不同程度的破壞與影響，例如產(chǎn)生大氣、水、土壤及噪聲等的污染。其中，高速公路沿線水資源是周邊人群、動植物的主要用水來源，水環(huán)境的好壞直接關(guān)系到當?shù)厝说纳?、生產(chǎn)。我國對于地表水水環(huán)境功能有明確標準［4］（見表1）。

我國《水污染防治法》明確規(guī)定：在飲用水地表水源地一、二級保護區(qū)內(nèi)，禁止建設(shè)排放污染物的項目［5］。高速公路運營期的水環(huán)境污染來源主要包括路面及橋面的徑流污水、服務(wù)區(qū)的污水和危險化學品運輸事故產(chǎn)生的污水等，一旦處理不當，將影響高速公路沿線的用水安全。

1.1 路面及橋面徑流污水

1.1.1 徑流污水的影響因素

污染物的累積量與時間成指數(shù)關(guān)系；在降雨過程中，沉積物脫落量與沖刷速率成正比［6］。因此，沉積物和氣象條件都是影響徑流污水程度的因素。

（1）沉積物。路面沉積物的種類和來源比較復雜，由長期行駛的車輛產(chǎn)生。徑流污染物大部分來源于沉積物，主要包括車輛輪胎的磨損顆粒、車輛金屬構(gòu)件的磨損顆粒、路面材料的磨損顆粒、發(fā)動機油料、邊坡和綠化帶施肥及汽車尾氣排放等。這些污染物附著在道路表面，形成沉積物，污染物累積越多，污染程度越大。

（2）氣象條件。在降雨的作用下，道路形成徑流，降雨沖刷效應(yīng)使沉積物不斷脫落，徑流污水的污染物濃度受降雨強度、降雨歷時影響。降雨強度越大，污染物濃度越高；降雨初期，徑流污水污染物濃度最高，隨著降雨歷時的增加，徑流污水污染物濃度降低。污染物隨徑流水一起排入附近的河流、湖泊，并經(jīng)水循環(huán)進入水環(huán)境，造成水環(huán)境污染和農(nóng)田土壤污染。

在不同的地點、時間、降雨量條件下，路面徑流污水污染物的濃度不同，因此徑流污水污染物的濃度具有隨機性，檢測濃度存在很大差異。通常情況下，取一場降雨徑流全部污染物的平均濃度（EMC）代替，計算公式如下：

[EMC=MV=0TCtQtdt0TQtdt≈0TCtQt0TQt]

公式中：[EMC]為平均濃度，g/m3；[T]為降雨總歷時，s；[M]為某污染物總量，g；[V]為徑流體積，m3；[Ct]為污染物在t時刻的瞬時濃度，mg/L；[Qt]為徑流在t時刻的徑流量，m3/s。

1.1.2 徑流污水污染物的組成

徑流污水污染物成分主要有固體懸浮物、重金屬、油脂和有機物、氮磷營養(yǎng)物。固體懸浮物來源于路面材料的磨損顆粒、車輛輪胎的磨損顆粒、大氣等；重金屬來源于車輛金屬構(gòu)件的磨損顆粒、車輛尾氣、大氣等；油脂和有機物來源于發(fā)動機油料和潤滑油的泄漏、廢棄油脂；氮磷營養(yǎng)物來源于除冰鹽、綠化施肥、大氣。

1.2 服務(wù)區(qū)污水

1.2.1 服務(wù)區(qū)污水來源

高速公路服務(wù)區(qū)一般遠離城市，污水按來源可分為4類：公廁、洗漱排放的污水，加油站排放的污水，餐飲排放的污水，洗車場沖洗排放的污水。其中，公廁、洗漱排放的污水占比最大，占總污水量的40%以上。

1.2.2 服務(wù)區(qū)污水水量特點

從運營初期開始，服務(wù)區(qū)污水量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。服務(wù)區(qū)固定居住人員少，每天污水排出量不大，單個處理系統(tǒng)的處理量基本在50～300 m3/d。受季節(jié)、時段、天氣的影響，過往旅客產(chǎn)生的污水量隨機性很大，污水量的變化系數(shù)較大。通常情況下，夏季污水量較大，冬季污水量較??；交通高峰時段污水量大；惡劣天氣下污水量??；洗車及加油站產(chǎn)生污水量較小。

1.2.3 服務(wù)區(qū)生活污水水質(zhì)特征

公廁、洗漱、餐飲排放污水比重大，污水中含有濃度較高的有機物、氮、磷等污染物；污水量排放不均勻，沖擊負荷大；加油站和洗車場排放的污水中存在大量含油脂類污染物，以石油類為主。

1.3 危險化學品運輸事故污水

危險化學品包括石油產(chǎn)品、化工原料、液化氣、化肥、農(nóng)藥等。在高速公路運輸過程中，一旦發(fā)生危險化學品事故，則有可能導致車輛沖出路基的翻車事故，造成危險化學品泄漏到周圍環(huán)境，嚴重污染地表水體，甚至威脅飲水安全。

2 高速公路運營期水環(huán)境保護措施

2.1 項目概況

山西省呂梁市境內(nèi)某高速公路，線路全長約84 km，全線位于山嶺重丘區(qū)。該高速公路設(shè)計速度為80 km/h，路基寬度為24.5 m，包括4處互通、4座橋梁、2處服務(wù)區(qū)，于2016年底通車。由于高速公路沿線水系發(fā)達，為滿足沿線生態(tài)建設(shè)，水環(huán)境保護要求高。根據(jù)調(diào)查，該高速公路水環(huán)境污染問題主要有以下幾點：一是路面及橋面雨水的重金屬、碳氫化合物等含量較高，如不做徑流污水特殊排放設(shè)計，會對水環(huán)境產(chǎn)生極大危害。二是由于項目距離城市較遠，服務(wù)區(qū)生活污水及含油廢水無法直接排入市政下水管網(wǎng)，為避免對周邊水環(huán)境造成污染影響，需要設(shè)置獨立的小型污水處理系統(tǒng)。三是公路常年行使運送危險化學品的車輛（主要是油罐車），一旦發(fā)生危險化學品運輸車輛交通事故，勢必造成河流水體污染，威脅飲水安全。

2.2 路面及橋面徑流污水治理

高速公路路面及橋面徑流污水具有間歇式排放的特點，只有降雨時，污染物才會隨徑流水一起流走。目前，徑流污水治理的措施主要有生態(tài)邊溝、人工濕地、沉淀池、滲透系統(tǒng)等，這些措施具有不同的優(yōu)點和缺點（見表2）。

結(jié)合各種治理措施的優(yōu)點、缺點和路面及橋面徑流污水的特點，該項目路面徑流污水選用生態(tài)邊溝進行治理，橋面徑流污水選用人工濕地進行治理。

2.2.1 路面徑流污水治理

生態(tài)邊溝措施是在收集路面徑流的邊溝中密植草皮，利用植被截留、過濾路面徑流中的污染物，并通過凈化層凈化路面徑流的一種方法。本項目生態(tài)邊溝采用雙邊溝的形式，邊溝主體結(jié)構(gòu)采用混凝土砌筑，兩側(cè)壁厚0.15 m，坡度為1∶0.5，底部厚度為0.3 m。為了收集路面徑流污水中的大顆粒雜質(zhì)，在生態(tài)邊溝上方設(shè)置顆粒收集袋格柵。沿著徑流下滲方向，生態(tài)邊溝自上而下分為種植土壤層、凈化層和結(jié)構(gòu)底部排水層，各層結(jié)構(gòu)之間設(shè)置土工布，凈化層結(jié)構(gòu)的厚度、選材等設(shè)計如下。

（1）種植土壤層。種植土壤層厚度設(shè)計為0.2 m，徑流污水通過種植土壤層后，可降低徑流的滲透速度，防止對下部凈化層的沖刷。

（2）凈化層。徑流通過種植土壤層進入凈化層，吸附其中的有機物、固體懸浮物、油脂及重金屬等污染物。為達到有效凈化的目的，需要合理設(shè)計凈化層厚度，避免徑流污水滲透不及時，發(fā)生徑流順邊溝頂端向外溢流的現(xiàn)象。綜合考慮各層填料及地基土的滲透系數(shù)，凈化層厚度設(shè)計為0.3 m。凈化材料選用泥炭，該材料含有大量的纖維素和腐殖質(zhì)，是一種天然的有機離子交換劑和吸附劑，吸附的油用離心分離法回收后可重復使用。

（3）結(jié)構(gòu)底部排水層。徑流通過凈化層后流入結(jié)構(gòu)底部排水層，該層由厚度為0.5 m的大顆粒徑塊石組成，底部設(shè)置集水支管、集水主管及排水管（如圖1所示）。

沿著徑流方向設(shè)置孔徑為3 cm的集水孔，徑流順集水孔進入孔徑為0.1 m的集水支管，集水支管的徑流沿溝底坡度匯集到孔徑為0.3 m的集水主管。在集水主管上設(shè)置排水管，徑流通過排水管排到外部蓄水池，經(jīng)沉淀后可用于農(nóng)田或景觀灌溉。

2.2.2 橋面徑流污水治理

相比路面排水系統(tǒng)，橋面排水系統(tǒng)較為獨立，需要設(shè)置獨立的徑流污水收集系統(tǒng)。收集原理為徑流通過橋面泄水孔流入排水管，由排水管接引至地面，再由地面排水結(jié)構(gòu)引入凈化治理系統(tǒng)。排水管采用孔徑為0.3 m的PVC管，由于排水管接頭處易發(fā)生堵塞及損壞，所以需定期更換和維護。橋面徑流經(jīng)收集后流入人工濕地凈化治理系統(tǒng)進行處理。人工濕地系統(tǒng)是利用微生物、水生植物及填料等的協(xié)同作用，實現(xiàn)對固體懸浮物、有機物、油脂及重金屬等污染物的去除。它們的具體作用如下。

（1）微生物。微生物在人工濕地治理系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，微生物作為食物鏈的最低一級，通過不斷分解有機物，為高級的消費者提供能源。在潛流式人工濕地中，微生物存活于填料中；在表面流人工濕地中，微生物存活于水生植物的水下部分。微生物投配于污水后，能使細菌、放線菌、真菌、原生動物數(shù)量增加，有利于污染物的去除，污水的凈化效果與投配微生物的種類、數(shù)量相關(guān)。

（2）水生植物。水生植物是人工濕地的顯性特征，人工濕地植物根系不僅能直接吸收和沉降污水中的營養(yǎng)物質(zhì)，還能為微生物的生存提供良好的生化條件。水生植物深入填料的根須能夠形成更有效的水流，與填料底部更好地接觸。此外，水生植物中的挺水植物可以促進光合作用，從大氣中將氧氣輸送至根部，用以維持根區(qū)的微生物活動。該項目人工濕地的水生植物選取蘆葦，蘆葦?shù)母o垂直向下延伸生長，具有更強的氧氣傳輸能力。

（3）填料。填料一方面為微生物提供生長依附載體，另一方面為水生植物提供營養(yǎng)。當徑流污水流經(jīng)人工濕地時，填料可以通過吸附、離子交換、沉淀、結(jié)合等作用凈化去除污水中的污染物質(zhì)。填料的水力傳導性能決定人工濕地中污水的流動特征，水力傳導系數(shù)過大，污水與填料的接觸機會變少。

經(jīng)采取生態(tài)邊溝、人工濕地處理措施后，路面及橋面徑流污水的固體懸浮物、重金屬、油脂和有機物、氮磷營養(yǎng)物等各項指標均達到國家規(guī)定的污水排放標準。

2.3 服務(wù)區(qū)污水治理

本項目服務(wù)區(qū)污水采用雙膜法措施（MBR+反滲透）。MBR設(shè)備可以去除污水中的懸浮物、大分子有機物、顆粒物等，由于其出水滿足反滲透系統(tǒng)的進水水質(zhì)，因此經(jīng)MBR設(shè)備處理后進一步用反滲透的方式提升水質(zhì)，以達到更高的用水標準。污水首先經(jīng)過化糞池、格柵、調(diào)節(jié)池、AO反應(yīng)器進行一系列操作后進入膜池，再通過中空纖維膜節(jié)流進入MBR中間水池，達標的水回用于服務(wù)區(qū)沖廁、綠化、噴灑、沖洗等場景，達到節(jié)約用水的目的。其余產(chǎn)水由增壓泵提壓送至反滲透模塊，經(jīng)反滲透模塊處理的高品質(zhì)水存留于水箱中，濃水另外處置，工藝流程如圖2所示。

反滲透系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水采用場區(qū)專用設(shè)備處理外運。濃水首先進入Fenton（芬頓設(shè)備），加酸調(diào)節(jié)pH值到3～4，通過雙氧水及硫酸鹽鐵對難生化的有機物進行氧化，再加堿調(diào)節(jié)pH值至中性，檢測達標后進入活性炭吸附系統(tǒng)，經(jīng)吸附處理的產(chǎn)水外運送走。產(chǎn)出的污泥進入污泥處置裝置，處理達標后的產(chǎn)水外運，工藝流程如圖3所示。

使用雙膜法可以有效去除服務(wù)區(qū)污水中的有機物、固體懸浮物，使水質(zhì)得到更高的提升，處理后的污水可用于景觀、供暖、車輛等方面的用水。

2.4 危險化學品運輸事故污水治理

2.4.1 管理措施

（1）危險化學品運輸車輛應(yīng)安排在交通量較少時通行；天氣條件惡劣時，禁止危險化學品運輸車輛通行。

（2）加強危險化學品運輸車輛的檢查制度，對途經(jīng)車輛進行“三證一單”檢查，必要時對車輛進行安全檢查。

（3）在收費站入口前100 m處設(shè)立提示標志牌，提醒司機主動申報和接受檢查。

（4）加強對駕駛員的安全教育，駕駛員必須進行專業(yè)的培訓、考試。

（5）嚴格禁止未辦理有關(guān)證件的危險化學品運輸車輛進入高速公路行駛。

2.4.2 工程措施

（1）水源保護區(qū)兩端設(shè)立警示牌，提示車輛減速慢行；對邊溝進行防滲處理，末端設(shè)防滲沉淀池。

（2）加強水源敏感區(qū)域的路基護欄防撞設(shè)計，縮小防護樁的間距，增設(shè)橫向護欄板。

（3）提高橋梁護欄防撞等級。

采用上述措施，可以從源頭降低危險化學品運輸事故污染源產(chǎn)生的可能性。

3 結(jié)論

高速公路運營期水環(huán)境的污染主要受路面和橋面徑流污水、服務(wù)區(qū)污水、危險化學品運輸事故污水3個方面影響，通過對山西省呂梁市境內(nèi)某高速公路的水環(huán)境保護措施的研究與實施，得出以下結(jié)論。

（1）路面徑流污水選用生態(tài)邊溝進行治理，該措施的關(guān)鍵控制點在于凈化層的設(shè)計厚度和凈化材料的選用。橋面徑流污水選用人工濕地進行治理，該措施關(guān)鍵控制點在于微生物、水生植物及填料等協(xié)同作用。

（2）服務(wù)區(qū)污水選用雙膜法進行治理，該措施在MBR的基礎(chǔ)上，提升了污水凈化的水質(zhì)，使產(chǎn)水可用于景觀、供暖、車輛等方面，達到節(jié)約用水的目的。

（3）對于危險化學品運輸事故污水，采取“管理+工程”的措施，從源頭降低危險化學品運輸事故污水產(chǎn)生的概率。

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