宋連亮

（北京市首發(fā)高速公路建設(shè)管理有限責(zé)任公司，北京 100070）

0 引言

北京地區(qū)高速公路全年全天候通行。融雪劑是保障路橋面融冰雪的重要材料，在冬春季高速公路運營期大量使用。冬春季的路面徑流污染物中，融雪劑為主要污染源。由于缺乏相關(guān)使用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，含大量融雪劑的雪水通過各種途徑進(jìn)入土壤和水體，不僅會造成公路兩側(cè)土壤鹽漬化、硬化、板結(jié)、貧瘠，植物枯死，而且會導(dǎo)致地表及地下水污染，長期飲用被融雪劑污染的水源，容易導(dǎo)致高血壓等多種疾患，危害人體健康。同時融雪劑會對水泥、瀝青混凝土路面造成嚴(yán)重腐蝕破壞，縮短高速公路的使用壽命；高速公路的路面徑流雨水是由自然降雨降雪對路面的沖洗而產(chǎn)生，其來源是不可控制的，在降水形成的路面徑流中除含重金屬、碳?xì)浠衔锏葘Νh(huán)境危害性較大的污染物質(zhì)以外，融雪劑殘留物大都將在自然沉降或雨水淋洗作用下遷移至水環(huán)境中，造成對水體的污染。

目前，國內(nèi)外對于融雪劑的相關(guān)研究主要集中在融雪劑對路面造成的危害及改良融雪劑上。胡超[1]分析了融雪劑濃度對半柔性路面水穩(wěn)定性的影響，建議在半柔性路面鋪設(shè)地區(qū)除冰時使用NaCl鹽類融雪劑。段寶東等[2]通過氯鹽環(huán)境下排水瀝青混合料的凍融循環(huán)試驗和常規(guī)試驗，研究融雪劑對排水瀝青混合料路用性能的影響。李鵬等[3]研發(fā)了一種復(fù)合型道路融雪劑，融冰雪效果的持久性較好，摻融雪劑混合料的路面抗水損害性能有所降低，但均能滿足規(guī)范要求，高溫抗車轍性能得到提高。王東等[4]研發(fā)了一種環(huán)保型融雪劑（ZRX），增強瀝青路面在冬季降雪期間的融雪化冰性能，建議使用環(huán)境為小雪到中雪。

融雪劑最大的危害是對環(huán)境的影響，而相關(guān)研究較少。本文針對北京地區(qū)高速公路路面融雪劑殘留與堆積規(guī)律，融雪劑殘留特征及排放規(guī)律開展研究。通過不同降雨次數(shù)、不同降雨強度、不同地形環(huán)境條件下徑流融雪劑殘留濃度變化規(guī)律，探索北京西北部地區(qū)不同降雨特征與路橋面徑流融雪劑的殘留與排放的關(guān)系。研究成果拓展了融雪劑研究方向，為后續(xù)融雪劑回收研究提供了技術(shù)支持，研究成果對北京乃至華北地區(qū)高速公路融雪劑徑流排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累、相關(guān)非點源污染控制模型的應(yīng)用及融雪劑撒布管理措施的制定有指導(dǎo)意義。

1 實驗方法

1.1 試驗設(shè)計

1.1.1 路橋面徑流試驗

①不同降雨時段的影響

待降雨形成徑流后，每隔一定時間收集水樣。通過不同降雨歷時路面徑流的采樣，分析污染物濃度隨時間動態(tài)變化趨勢。

②不同降雨過程的影響

在同一場降雨中同時監(jiān)測降雨量和降雨強度，分析降雨量、降雨強度對路橋面徑流融雪劑殘留濃度的影響。

1.1.2 土壤采樣實驗

盡量選取地勢開闊、平坦的區(qū)域，并避開多條公路交匯處及有廠房、居民地分布等的區(qū)域。選擇典型的測定樣線，樣線走向垂直于公路，分別在中央分隔帶、公路下邊坡及有大量植物死亡的區(qū)域進(jìn)行土壤采樣，分析土壤中融雪劑殘留情況[5]。

1.2 采樣方法

1.2.1 采樣方法

①徑流采樣與雨水采樣

降雨期間用15 L的聚乙烯盆在采樣點上采集徑流樣品。路面徑流從排水溝處采集，橋面徑流從路橋過渡段排水管涵出采集，待降雨形成徑流后開始，60 min內(nèi)每5 min采水樣1次，此后每隔15 min采樣1次，直至降雨結(jié)束，每個時間段收集3個平行樣。雨水采樣與路面徑流采樣同步進(jìn)行。

②土壤采樣

采樣方法：樣品的采集是在2 m × 2 m的樣方內(nèi)隨機(jī)取3個樣點（如圖1所示），每個樣點去除地表植被、草根層以及大石塊后，取不同深度的土壤（0～10 cm、10～20 cm）作為樣品。所取樣品均為3個樣點的混合樣品。為減小公路以外的其他因素影響，選取樣點時應(yīng)避開采石場、垃圾堆放場[6]等特殊地點。

圖1 公路縱深方向采樣點布設(shè)Fig.1 Layout of sampling points in depth direction of highway

1.2.2 實驗材料

取樣瓶——取路面徑流水樣（15 L聚乙烯盆若干個，500 mL取樣瓶若干個）；

雨量計——測量降雨強度；

秒表——記錄每場降雨不同歷時的時間間隔；

卷尺——測量路面寬度、測點間距等；

環(huán)刀——土壤取樣；

流量計——測量徑流流量（大雨情況下）。

1.2.3 檢測方法

水樣采集成功后立即進(jìn)行冷藏保存。本課題水質(zhì)檢測的對象主要包括收集的水樣和土樣，檢測指標(biāo)主要為鈉、氯化物。徑流、降雨等水樣采用國家環(huán)境保護(hù)總局編寫的《水和廢水監(jiān)測分析方法》進(jìn)行測定[7]。每項指標(biāo)的檢測方法見表1。

表1 水樣檢測分析方法Tab.1 Water sample detection and analysis method

為了保證分析結(jié)果可靠，以上所有測定均同時進(jìn)行平行實驗、空白實驗和采用標(biāo)樣控制。

2 融雪劑殘留特性研究

2.1 三場自然降雨條件下徑流融雪劑殘留濃度動態(tài)變化規(guī)律

為研究時間尺度下的融雪劑殘留物含量變化規(guī)律，在進(jìn)行樣本采集時，在采樣點5處的樣本采集工作由形成徑流后每隔5 min采集一次樣本改為每隔1 min采集一次，分別研究融雪劑殘留離子濃度變化情況，三次降水過程中京藏高速采樣點5處Cl-、K+、Na+濃度逐分鐘變化表和變化圖分別見表2～表4和圖2～圖4。

圖2 采樣點5處Cl-濃度逐分鐘變化圖Fig.2 Minute by minute variation of Cl- concentration at 5 sampling points of Beijing-Tibet expressway during 3 precipitation processes

圖3 采樣點5處K+濃度逐分鐘變化圖Fig.3 Minute by minute variation of K+ concentration at 5 sampling points of Beijing-Tibet expressway during 3 precipitation processes

圖4 采樣點5處Na+濃度逐分鐘變化圖Fig.4 Minute by minute variation of Na+ concentration at 5 sampling points of Beijing-Tibet expressway during 3 precipitation process

表2 采樣點5處Cl-濃度逐分鐘變化表（單位：mg/L）Tab.2 Minute by minute variation of Cl- concentration at 5 sampling points of Beijing-Tibet expressway during 3 precipitation processes（unit：mg/L）

表3 采樣點5處K+濃度逐分鐘變化表（單位：mg/L）Tab.3 Minute by minute variation of K+ concentration at 5 sampling points of Beijing-Tibet expressway during 3 precipitation processes（unit：mg/L）

表4 采樣點5處Na+濃度逐分鐘變化表（單位：mg/L）Tab.4 Minute by minute variation of Na+ concentration at 5 sampling points of Beijing-Tibet expressway during 3 precipitation processes（unit：mg/L）

從圖中可以看出，三次降水過程中，從形成徑流開始融雪劑殘留濃度快速上升，后隨降水過程的持續(xù)，殘留濃度逐漸下降。但對比三次融雪劑殘留濃度曲線，殘留物濃度峰值的出現(xiàn)時間隨著降水次數(shù)的增多而增長，分析可知，隨著降水次數(shù)的增多，融雪劑殘留物減少，且融雪劑殘留物與地面的附著度增加，形成最大濃度的時間變長。

2.2 不同雨強條件下徑流融雪劑殘留濃度變化規(guī)律

水路面徑流中融雪劑殘留物離子濃度還會受到雨沖刷強度，即雨強的影響，為研究不同雨強條件下徑流融雪劑殘留濃度變化規(guī)律，從實測各觀測點的數(shù)據(jù)中選取雨強差異較大的數(shù)據(jù)，繪制融雪劑殘留濃度變化圖，研究雨強對徑流融雪劑殘留濃度變化的影響規(guī)律。

（雨強1=43.8 mm/h；雨強2=22.9 mm/h；雨強3=79.2 mm/h）

由表5和圖5可得，所選取采樣點路面徑流中的Na+含量極大值在750～800 mg/L范圍，屬于濃度較高的情況。在自然降雨過程中，雨強1處試驗點雨強實測值為43.8 mm/h，屬于中雨強度，歷時30～35 min，路面徑流中Na+含量由620.8 mg/L降至43.0 mg/L，整體過程中前15 min，呈現(xiàn)曲線模式下降，后呈現(xiàn)線性下降趨勢，表明隨著徑流殘留物濃度降低，殘留物濃度降低趨勢減緩；雨強2處試驗點雨強實測值為22.9 mm/h，Na+含量由初始產(chǎn)生徑流時的376.72 mg/L，下降至252.84 mg/L，但總體呈線性下降趨勢，未出現(xiàn)較大的波動；雨強3處試驗點雨強實測值為79.2 mm/h，進(jìn)行了約5 min，路面徑流中的Na+含量已由783 mg/L下降為424.56 mg/L，其后隨時間增加融雪劑殘留物離子濃度雖下降趨勢減緩但仍在30 min時下降至205.33 mg/L。綜合上述各曲線趨勢分析，隨著降雨強度的增大，路面上的懸浮物清除時間越短，且隨著雨強的增大，路面徑流中的Na+含量呈線性規(guī)律下降。

表5 不同降雨強度下Na+濃度隨時間變化統(tǒng)計表（mm/h）Tab.5 Statistical table of Na+ concentration with time under different rainfall intensities（mm/h）

圖5 不同降雨強度下Na+濃度隨時間變化趨勢圖Fig.5 Variation trend of Na+ concentration with time under different rainfall intensities

2.3 不同地形環(huán)境下徑流融雪劑殘留濃度變化規(guī)律

為研究不同地形環(huán)境對徑流融雪劑殘留濃度變化規(guī)律的影響，從現(xiàn)有六個采樣點中選取樁號K30+300京藏高速城區(qū)段路標(biāo)處采樣數(shù)據(jù)代表平原區(qū)數(shù)據(jù)，選取樁號K61+250京藏高速山區(qū)段采樣數(shù)據(jù)代表山區(qū)段數(shù)據(jù)，以樣本中濃度最大的Cl-濃度變化來對比分析不同地形環(huán)境下徑流融雪劑殘留濃度變化規(guī)律。為減少其他未知因素的影響以保證結(jié)論的準(zhǔn)確性，分別選取山區(qū)與平原區(qū)三次降水過程中雨強最為平穩(wěn)的階段，以5 min為時間節(jié)點繪制三次降水過程60 min內(nèi)的山區(qū)和平原區(qū)融雪劑殘留濃度變化曲線。

通過分析圖6～圖9融雪劑殘留濃度變化趨勢可知，在三場降水過程中融雪劑殘留濃度總體呈下降趨勢，對比分析三次降水過程，平原區(qū)和山區(qū)融雪劑殘留濃度變化趨勢相同，但平原區(qū)的整體變化遠(yuǎn)高于山區(qū)地段，同時，山區(qū)段冬季融雪劑撒布量大于平原區(qū)段。綜合分析可知，山區(qū)路段排水條件優(yōu)于平原區(qū)，山區(qū)路段的融雪劑殘留物在融雪后隨雪水排走一部分，而城區(qū)段由于車流量大和排水能力相對較差在冬季排放融雪劑量少。因此，可考慮相同降雪的條件下在城區(qū)段使用較少的融雪劑，以減少融雪劑的危害。

圖6 平原區(qū)山區(qū)三次降水過程Cl-濃度變化對比Fig.6 Comparison diagram of Cl- concentration change in three precipitation processes in plain area and mountainous area

圖7 平原區(qū)山區(qū)第一次降水過程Cl-濃度變化對比Fig.7 Comparison of Cl- concentration changes during the first precipitation in mountainous areas of plain area

圖8 平原區(qū)山區(qū)第二次降水過程Cl-濃度變化對比Fig.8 Comparison of Cl- concentration changes during the second precipitation in mountainous areas of plain area

圖9 平原區(qū)山區(qū)第三次降水過程Cl-濃度變化對比Fig.9 Comparison of Cl- concentration changes during the third precipitation in mountainous areas of plain area

3 冬春季融雪劑堆積與廢水排放規(guī)律

3.1 冬季融雪劑堆積與廢水排放

北京地區(qū)冬季鏟冰除雪流程為雪前2～5小時預(yù)撒固體融雪劑顆粒（按照降雪級別，撒布量10～60 g/m2橋區(qū)及匝道大于路基）；雪中撒布40～500 g/m2，保持一條行車道暢通（重要活動期間保證全部車道暢通），殘雪堆積于緊急車道（或非保障車道）；雪后人工+機(jī)械清除殘雪。

圖10 雪中堆積Fig.10 Accumulation in snow

圖11 雪后清理Fig.11 Mechanical cleaning after snow

經(jīng)過現(xiàn)場跟蹤與調(diào)研，融雪劑堆積主要有三種形式：（1）雪中非通行保障路面臨時堆積；（2）雪后固定消納地點堆積；（3）瀝青混凝土路面孔隙內(nèi)殘存。排放方式有三種形式：（1）殘留在瀝青路面孔隙內(nèi)；（2）自由流排放；（3）堆積集中排放。其中，以第二種方式為主。含融雪劑廢水的排放主要以自由流為主，非發(fā)散性排放，是集中在路面合成坡度最有利位置通過急流槽等排水設(shè)施排放，排放濃度為5%～20%（有利于集中回收利用）。

3.2 春季融雪劑殘留排放

春季融雪劑殘留主要為瀝青路面孔隙內(nèi)的融雪劑，其排放主要通過春季雨水沖刷，經(jīng)由高速公路排水設(shè)施隨雨水排放。由于三場中雨沖刷即可基本完成排放，對于中等雨強以下高速公路排水，其排放方式同樣與冬季排放類似（略強），為自由流非發(fā)散性排放，為集中回收再利用提供了有利條件。

4 結(jié)語

本文通過路橋面徑流融雪劑殘留特性和排放規(guī)律相關(guān)研究得出如下結(jié)論：

（1）路橋面融雪劑殘留在三場中等雨強降水后可完全排出路橋面。三場春季雨水（雨強＞40 mm/h）形成的徑流可將路面融雪劑殘留清除至無害（＜200 mg/L）狀態(tài)。

（2）Cl-、K+都與Na+有明顯的線性相關(guān)性，可將Na+作為特征指標(biāo)考慮。隨著降雨強度的增大，路面上的懸浮物清除時間縮短，且隨著雨強的增大，路面徑流中的Na+含量呈線性規(guī)律下降。

（3）平原區(qū)和山區(qū)融雪劑殘留濃度變化趨勢相同，排水條件良好的山區(qū)段融雪劑殘留相對較少。不同地形環(huán)境下徑流融雪劑殘留濃度變化規(guī)律為，山區(qū)路段排水條件優(yōu)于平原區(qū)，山區(qū)路段的融雪劑殘留物在融雪后隨雪水排走一部分，而城區(qū)段由于車流量大和排水能力相對較差在冬季排放融雪劑量少。因此，可考慮相同降雪的條件下在城區(qū)段使用較少的融雪劑，以減少融雪劑的危害。

（4）冬季融雪劑廢水流量較小，濃度為10%～15%，可根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研獲取排放路徑，確定回收設(shè)施設(shè)置位置。

（5）融雪劑殘留排放具有極強季節(jié)性和瞬時性，融雪劑回收設(shè)施可與雨水收集、有害液體收集等設(shè)施共用。