基于減排再利用的路橋面融雪劑殘留和排放規律研究

宋連亮

（北京市首發高速公路建設管理有限責任公司，北京 100070）

0 引言

北京地區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。由于缺乏相關使用規范和標準，含大量融雪劑的雪水通過各種途徑進入土壤和水體，不僅會造成公路兩側土壤鹽漬化、硬化、板結、貧瘠，植物枯死，而且會導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、碳氫化合物等對環境危害性較大的污染物質以外，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境中，造成對水體的污染。

目前，國內外對于融雪劑的相關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定性的影響，建議在半柔性路面鋪設地區除冰時使用NaCl鹽類融雪劑。段寶東等[2]通過氯鹽環境下排水瀝青混合料的凍融循環試驗和常規試驗，研究融雪劑對排水瀝青混合料路用性能的影響。李鵬等[3]研發了一種復合型道路融雪劑，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，但均能滿足規范要求，高溫抗車轍性能得到提高。王東等[4]研發了一種環保型融雪劑（ZRX），增強瀝青路面在冬季降雪期間的融雪化冰性能，建議使用環境為小雪到中雪。

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

1 實驗方法

1.1 試驗設計

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變化趨勢。

②不同降雨過程的影響

在同一場降雨中同時監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、平坦的區域，并避開多條公路交匯處及有廠房、居民地分布等的區域。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域進行土壤采樣，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內每5 min采水樣1次，此后每隔15 min采樣1次，直至降雨結束，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的樣方內隨機取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行冷藏保存。本課題水質檢測的對象主要包括收集的水樣和土樣，檢測指標主要為鈉、氯化物。徑流、降雨等水樣采用國家環境保護總局編寫的《水和廢水監測分析方法》進行測定[7]。每項指標的檢測方法見表1。

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

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

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變化規律

為研究時間尺度下的融雪劑殘留物含量變化規律，在進行樣本采集時，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，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時間隨著降水次數的增多而增長，分析可知，隨著降水次數的增多，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律，從實測各觀測點的數據中選取雨強差異較大的數據，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，呈現曲線模式下降，后呈現線性下降趨勢，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，未出現較大的波動；雨強3處試驗點雨強實測值為79.2 mm/h，進行了約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+含量呈線性規律下降。

表5 不同降雨強度下Na+濃度隨時間變化統計表（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 不同地形環境下徑流融雪劑殘留濃度變化規律

為研究不同地形環境對徑流融雪劑殘留濃度變化規律的影響，從現有六個采樣點中選取樁號K30+300京藏高速城區段路標處采樣數據代表平原區數據，選取樁號K61+250京藏高速山區段采樣數據代表山區段數據，以樣本中濃度最大的Cl-濃度變化來對比分析不同地形環境下徑流融雪劑殘留濃度變化規律。為減少其他未知因素的影響以保證結論的準確性，分別選取山區與平原區三次降水過程中雨強最為平穩的階段，以5 min為時間節點繪制三次降水過程60 min內的山區和平原區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，平原區和山區融雪劑殘留濃度變化趨勢相同，但平原區的整體變化遠高于山區地段，同時，山區段冬季融雪劑撒布量大于平原區段。綜合分析可知，山區路段排水條件優于平原區，山區路段的融雪劑殘留物在融雪后隨雪水排走一部分，而城區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段使用較少的融雪劑，以減少融雪劑的危害。

圖6 平原區山區三次降水過程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 平原區山區第一次降水過程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 平原區山區第二次降水過程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 平原區山區第三次降水過程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律

3.1 冬季融雪劑堆積與廢水排放

北京地區冬季鏟冰除雪流程為雪前2～5小時預撒固體融雪劑顆粒（按照降雪級別，撒布量10～60 g/m2橋區及匝道大于路基）；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

經過現場跟蹤與調研，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殘存。排放方式有三種形式：（1）殘留在瀝青路面孔隙內；（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的融雪劑，其排放主要通過春季雨水沖刷，經由高速公路排水設施隨雨水排放。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），為自由流非發散性排放，為集中回收再利用提供了有利條件。

4 結語

本文通過路橋面徑流融雪劑殘留特性和排放規律相關研究得出如下結論：

（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。

（2）Cl-、K+都與Na+有明顯的線性相關性，可將Na+作為特征指標考慮。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+含量呈線性規律下降。

（3）平原區和山區融雪劑殘留濃度變化趨勢相同，排水條件良好的山區段融雪劑殘留相對較少。不同地形環境下徑流融雪劑殘留濃度變化規律為，山區路段排水條件優于平原區，山區路段的融雪劑殘留物在融雪后隨雪水排走一部分，而城區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%，可根據現場調研獲取排放路徑，確定回收設施設置位置。

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