高速公路運營期水環境保護措施研究

林宇

摘要：高速公路路網密度日益增加，頻繁的交通活動勢必對水環境造成污染。在水環境敏感區域高標準、嚴要求保護的背景下，文章以山西省呂梁市境內某高速公路為例，開展高速公路運營期水環境保護措施的研究，提出對該高速公路路面及橋面徑流污水、服務區污水、危險化學品運輸事故污水分別采取生態邊溝、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境保護之間的矛盾，達到水環境安全保護的目標。

關鍵詞：高速公路；水環境；生態邊溝；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設施，為交通運輸帶來極大便利。高速公路為區域經濟發展帶來巨大效益的同時，也相應帶來水環境安全風險［1］。在高速公路運營過程中，易造成水環境污染問題，特別是在路徑水源保護區等敏感區域，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境的污染主要由路面及橋面的徑流污水、服務區的污水和危險化學品運輸事故產生的污水等造成［3］，因此針對所有污水源設置一套全面、適用的污水治理措施至關重要。本文通過分析高速公路運營期產生的污染物的污染源，提出相應的治理措施，為促進高速公路運營期水環境保護工作提供參考和技術支持。

1 高速公路運營期水環境的污染來源

高速公路由于里程長、規模大，運營期間處于復雜多變的區域環境，勢必對周圍環境造成不同程度的破壞與影響，例如產生大氣、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，水環境的好壞直接關系到當地人的生活、生產。我國對于地表水水環境功能有明確標準［4］（見表1）。

我國《水污染防治法》明確規定：在飲用水地表水源地一、二級保護區內，禁止建設排放污染物的項目［5］。高速公路運營期的水環境污染來源主要包括路面及橋面的徑流污水、服務區的污水和危險化學品運輸事故產生的污水等，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關系；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、車輛金屬構件的磨損顆粒、路面材料的磨損顆粒、發動機油料、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，并經水循環進入水環境，造成水環境污染和農田土壤污染。

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件的磨損顆粒、車輛尾氣、大氣等；油脂和有機物來源于發動機油料和潤滑油的泄漏、廢棄油脂；氮磷營養物來源于除冰鹽、綠化施肥、大氣。

1.2 服務區污水

1.2.1 服務區污水來源

高速公路服務區一般遠離城市，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 服務區污水水量特點

從運營初期開始，服務區污水量呈現逐年增加的趨勢。服務區固定居住人員少，每天污水排出量不大，單個處理系統的處理量基本在50～300 m3/d。受季節、時段、天氣的影響，過往旅客產生的污水量隨機性很大，污水量的變化系數較大。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??；洗車及加油站產生污水量較小。

1.2.3 服務區生活污水水質特征

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品、化工原料、液化氣、化肥、農藥等。在高速公路運輸過程中，一旦發生危險化學品事故，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境保護措施

2.1 項目概況

山西省呂梁市境內某高速公路，線路全長約84 km，全線位于山嶺重丘區。該高速公路設計速度為80 km/h，路基寬度為24.5 m，包括4處互通、4座橋梁、2處服務區，于2016年底通車。由于高速公路沿線水系發達，為滿足沿線生態建設，水環境保護要求高。根據調查，該高速公路水環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計，會對水環境產生極大危害。二是由于項目距離城市較遠，服務區生活污水及含油廢水無法直接排入市政下水管網，為避免對周邊水環境造成污染影響，需要設置獨立的小型污水處理系統。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邊溝、人工濕地、沉淀池、滲透系統等，這些措施具有不同的優點和缺點（見表2）。

結合各種治理措施的優點、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。本項目生態邊溝采用雙邊溝的形式，邊溝主體結構采用混凝土砌筑，兩側壁厚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，在生態邊溝上方設置顆粒收集袋格柵。沿著徑流下滲方向，生態邊溝自上而下分為種植土壤層、凈化層和結構底部排水層，各層結構之間設置土工布，凈化層結構的厚度、選材等設計如下。

（1）種植土壤層。種植土壤層厚度設計為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，需要合理設計凈化層厚度，避免徑流污水滲透不及時，發生徑流順邊溝頂端向外溢流的現象。綜合考慮各層填料及地基土的滲透系數，凈化層厚度設計為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，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）結構底部排水層。徑流通過凈化層后流入結構底部排水層，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。在集水主管上設置排水管，徑流通過排水管排到外部蓄水池，經沉淀后可用于農田或景觀灌溉。

2.2.2 橋面徑流污水治理

相比路面排水系統，橋面排水系統較為獨立，需要設置獨立的徑流污水收集系統。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，再由地面排水結構引入凈化治理系統。排水管采用孔徑為0.3 m的PVC管，由于排水管接頭處易發生堵塞及損壞，所以需定期更換和維護。橋面徑流經收集后流入人工濕地凈化治理系統進行處理。人工濕地系統是利用微生物、水生植物及填料等的協同作用，實現對固體懸浮物、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中占據重要地位，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、數量相關。

（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物質，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，用以維持根區的微生物活動。該項目人工濕地的水生植物選取蘆葦，蘆葦的根莖垂直向下延伸生長，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。當徑流污水流經人工濕地時，填料可以通過吸附、離子交換、沉淀、結合等作用凈化去除污水中的污染物質。填料的水力傳導性能決定人工濕地中污水的流動特征，水力傳導系數過大，污水與填料的接觸機會變少。

經采取生態邊溝、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、氮磷營養物等各項指標均達到國家規定的污水排放標準。

2.3 服務區污水治理

本項目服務區污水采用雙膜法措施（MBR+反滲透）。MBR設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的進水水質，因此經MBR設備處理后進一步用反滲透的方式提升水質，以達到更高的用水標準。污水首先經過化糞池、格柵、調節池、AO反應器進行一系列操作后進入膜池，再通過中空纖維膜節流進入MBR中間水池，達標的水回用于服務區沖廁、綠化、噴灑、沖洗等場景，達到節約用水的目的。其余產水由增壓泵提壓送至反滲透模塊，經反滲透模塊處理的高品質水存留于水箱中，濃水另外處置，工藝流程如圖2所示。

反滲透系統產生的濃水采用場區專用設備處理外運。濃水首先進入Fenton（芬頓設備），加酸調節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，再加堿調節pH值至中性，檢測達標后進入活性炭吸附系統，經吸附處理的產水外運送走。產出的污泥進入污泥處置裝置，處理達標后的產水外運，工藝流程如圖3所示。

使用雙膜法可以有效去除服務區污水中的有機物、固體懸浮物，使水質得到更高的提升，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的培訓、考試。

（5）嚴格禁止未辦理有關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）水源保護區兩端設立警示牌，提示車輛減速慢行；對邊溝進行防滲處理，末端設防滲沉淀池。

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

（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生的可能性。

3 結論

高速公路運營期水環境的污染主要受路面和橋面徑流污水、服務區污水、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某高速公路的水環境保護措施的研究與實施，得出以下結論。

（1）路面徑流污水選用生態邊溝進行治理，該措施的關鍵控制點在于凈化層的設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，該措施關鍵控制點在于微生物、水生植物及填料等協同作用。

（2）服務區污水選用雙膜法進行治理，該措施在MBR的基礎上，提升了污水凈化的水質，使產水可用于景觀、供暖、車輛等方面，達到節約用水的目的。

（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生的概率。

4 參考文獻

［1］史良于.高速公路服務區污水處理工藝適應性研究［J］.黑龍江交通科技，2023，46（5）：148-150.

［2］龔攀.高速公路運營期環境風險度量與管控策略研究［D］.重慶：重慶大學，2021.

［3］馬振.環境監測在高速公路環境保護驗收調查中的作用［J］.黑龍江環境通報，2020，33（2）：24-25.

［4］吳旭濤，趙華慶.高速公路穿越水環境敏感區環保措施探討［J］.公路交通科技（應用技術版），2020，16（11）：358-360，383.

［5］牛司平，袁慶科，金永喆.高速公路路面雨水徑流污染物排放特征研究［J］.環境科學學報，2020，40（9）：3311-3322.

［6］歐陽崇武，吳家勇，鄧慧.公路竣工驗收水環境影響調查探討［J］.西部交通科技，2020，155（6）：181-183.