高速公路对周边环境影响与冬季防滑应对措施分析

2022-04-18付英俊张晓东

内蒙古科技与经济 2022年3期

付英俊，张晓东

(1.呼和浩特市交通运输服务中心；2.内蒙古公路交通投资发展有限公司，内蒙古呼和浩特 010010)

随着国民经济的发展，对于高速公路的需求日益增多，高速公路得到了前所未有的迅猛发展。然而，高速公路的发展会给周边环境造成一定的破坏。高速公路及在它上面行驶的机动车是其周边环境大气、土壤和水污染的罪魁祸首。尤其随着交通强度几何级数般的增长，有害气体排放、噪声污染和振动污染暴增。环境的自我修复能力已不堪其负。笔者在总结高速公路对周边环境影响因素的基础上，对高速公路冬季防滑应对措施进行比对和选择，以期减少高速公路对周边环境的影响。

1 高速公路对周边环境的影响因素分析

1.1 道路养护

机动车性能(30%)、机动车营运期间的技术状况(30%)及高速公路路况和交通网络化水平(40%)是影响高速公路周边区域环境质量的主要因素。由于车辆的技术性能不完善、路网运营条件不理想或交通网络的运行质量不高，机动车会对环境产生较大破坏。高速公路运营维护是为维护道路、道路组织和道路建设要素的有机畅通而采取的一系列预防措施，借以改善道路运营状况。公路养护水平和交通强度是紧密的正相关关系，道路使用率和交通强度不同，对道路养护水平的要求也不同。使用不完善的道路养护技术将对环境产生长久的负面影响。

高速公路道路养护对周边环境的影响主要发生在寒冷的冬季。冬季湿滑、结冰及积雪是降低地表平整度和附着系数等交通运输运行安全指标的主要因素。冬季道路养护是道路运营机构为确保冬季道路交通畅通而开展的工作，包括清除道路积雪及防止冬季道路湿滑、结冰。寒冷的冬季，受冰雪覆盖影响，其对环境的污染主要是由于为防止路面湿滑而不得不使用化学试剂(如融雪剂、除冰剂等)造成的。美国每年消耗大约1 000万t氯化钠和30万t氯化钙，每1 km的路面会散发30多t的盐分。

尽管使用化学试剂会对环境造成严重危害，引起大气污染和道路周边腐蚀，但是由于道路湿滑会导致交通事故大量增加，为保障行驶安全，在冬季来临后我们仍不得不大量使用融雪剂、除冰剂。来自美国的数据：82%的道路交通事故(RTA)发生在道路湿滑的情况下，只有不到18%的事故发生在没有冰雪的道路上。在芝加哥，氯化盐涂层每年可防止15 000起道路交通事故。世界上大多数国家都反对在冬季道路维护中使用化学品，但多年的经验表明，氯化物是防治道路湿滑最有效的手段。

为了兼顾道路的通畅性和道路周边环境安全，对冬季道路化学品的使用要有一定的限制。必须制定高速公路冬季防滑和除雪条件，仅在出于道路安全原因确实需要时才使用化学品。同时，按照环境要求主动改进冬季道路养护技术，不断改进冬季公路养护的组织结构和养护技术装备，通过减少养护时间，显著改善路侧环境状况。

我国的道路养护技术是基于消除已经形成的滑点，而不是防止滑点的产生。这不仅影响交通安全，还影响车辆的行驶速度，从而影响大气中有害物的排放水平。准确评估和预测冬季道路周边环境状况，通过改进冬季道路养护技术提高环境质量，与道路交通系统本身密切相关。在解决道路环境问题时，需要对“道路-环境”系统中相互作用的因素进行系统分析。

1.2 汽车尾气

空气中大部分的污染物来自车辆行驶过程中排出的尾气。减少汽车对道路周边环境的负面影响，很大程度上取决于对汽车运行条件的重视。在过去十年中，由于技术的进步，虽然单台车辆的污染在相对减少，但是由于汽车总量的增加，碳氢化合物燃料相应增加，全球空气污染总量仍在增加。

预计未来十年，发达国家的汽车数量将增加12%，东欧将增加133%，发展中国家将增加220%。车辆行驶过程中向大气排放的有害物质，一氧化碳(CO)约80%，碳氢化合物(CmHn)约8%，氮氧化物(NOx)约5%。空气中超过80%的碳氧化物和含氮化合物、90%的碳氢化合物、90%的铅，是车辆排放造成的。影响地球气候变化的温室效应，汽车尾气排放更是元凶。

一氧化碳(CO)是一种轻质、无味、无色的气体。它是发动机以富集的空气燃料混合物运行时，燃料不完全燃烧的产物。一氧化碳(CO)对中枢神经系统有负面影响，可导致心脏病，与人体内的血红蛋白发生反应，取代氧气。自1860年第一次确定空气中的一氧化碳(CO)以来，其含量增加了15%，并继续以每年1%～2%的速度增加。碳氢化合物(CmHn)主要在车辆制动和怠速期间释放。碳氢化合物(CmHn)中最危险的是不饱和碳氢化合物，它们具有高反应性，是光化学雾主要的有毒成分。二氧化硫(SO2)对生物体的造血器官、大脑、脾脏有刺激作用，还会引起碳氢化合物(CmHn)交换障碍。通过破坏叶绿素，二氧化硫(SO2)对森林和绿地的危害是长期的。它干扰植物生长，导致农作物产量下降和畜牧业损失。此外，废气还会加剧橡胶和塑料制品、建筑物饰面及结构、沥青和水泥混凝土路面的破坏及车辆的腐蚀。

1.3 气候

现有的计算和评估公路对环境影响的方法，仅考虑了与道路和交通因素相关的年均指标，不能充分反映污染物流入对环境的动态影响。污染物种类、数量不稳定，并且在一天中的某时刻、一周中的某几天和一年中的某时间段内显著波动。气候因素显著改变车辆的实际交通状况，如交通强度、交通组成和速度、油耗、路面状况和道路几何参数。气候对自然环境污染和环境自我清洁影响最重要因素包括：风速、风向、气温、降水、相对湿度和大气压力等。

夏季主要有雨、雾、风、高温4种气象要素及其组合；春季和秋季主要有冰、雨、雾、风、寒温和高相对湿度6种气象要素及其组合；在冬季，除了具备春、秋季的特征外，还有气温下降、降雪和暴风雪。冬季气候因素对路面和路肩的状况、路面的附着力和平整度、车行道路的宽度、能见度及驾驶员的情绪状态等都有显著影响。

冬季环境污染程度很大程度上取决于道路养护技术的使用，利用氯化物为主的防冰雪材料可以有效防止冬季道路湿滑，除冰氯化物是融化冰层和提高交通安全最有效的方法。

1.4 道路运输条件

高速公路周边有害物的排放取决于3个要素：交通强度、交通构成和车辆行驶速度。冬季交通运输造成的大气污染程度取决于车速下降、油耗过大等因素，具体取决于路面状况。

道路运输条件对空气排放量和排放物组成的影响通过车辆速度的变化表现出来。行驶速度是衡量公路运营状况和环境污染程度最重要的指标。交通速度的降低导致污染物浓度的增加比因交通强度本身增加导致的污染来得更快。当汽车的行驶速度在每小时60 km～80 km时，污染物排放量最低。当速度低于每小时50 km或超过每小时80 km时，污染物排放量显著增加。因此，当冬季路面湿滑，车辆的速度下降到30 km/h，附着系数下降，行车安全性下降，事故增加，污染严重。在这种情况下，必须用防冰材料处理路面表层。

表1 车辆在各种行驶模式下有害气体的排放

2 环境影响作为考量的冬季防滑应对措施

2.1 防滑技术方法

冰雪的形成减小车辆对路面的附着力。高速公路处理冬季湿滑的主要方法是去除路面上已经形成的冰、雪层，或增加车轮对路面的附着系数。具体有机械法、摩擦法、加热法和化学试剂法4种技术方法。

2.1.1 机械法

机械法用于清除暴风雪沉积物、松散的新落雪或使用过除冰材料防止积雪压实的雪。压实的地表雪不适合机械清除。机械法主要由巡逻扫雪车完成，该方法最具环保价值。

日本有广泛使用机械法去除冰雪的经验，在路面上添加少量盐分，减轻冰雪沉积物对路面的附着，然后由巡逻扫雪车完成清理。冰主要通过汽车的车轮或带有橡胶滚轮的重型压路机碾压，随后用铲雪机或平地机从表层上去除沉积物完成。

2.1.2 摩擦法

摩擦法的本质是用冬季爽滑性的填充物来增加汽车车轮的附着系数。常用沙子、石料、炉渣或加热的摩擦材料散布在路面，增加摩擦系数。这种方法比化学法更环保，但也有缺点：①只能暂时增加涂层的附着力；②材料不能很好地黏附在涂层表面，在交通繁忙时，会迅速离开路面；③散发渣料需要大量设备；④在春季，清理路面上积存的这些材料存在困难。

国外的经验表明，在低气温条件下，当其他处理湿滑的方法不适用，或使用化学试剂在经济上不可行，或周边环境的要求较高时，才会考虑使用摩擦法。摩擦材料被气流吹离路面，积聚在路边，会造成路侧区域的污染和尘土飞扬。

为了提高摩擦材料的使用效率，可以在普通摩擦材料中添加化学试剂，比如固体氯化物，其含量可以达到摩擦材料总量的10%或更多。这些混合物构成了摩擦化学组合法的基本堆料，它们在储存过程中不会冻结也不会结块。这类混合物除了增加黏附系数外，还额外融化了表面上的部分雪冰沉积物。

2.1.3 加热法

加热法有两种：从路面下方加热的传导加热和融化冰层表面的对流加热。

2.1.3.1 传导加热。传导加热是使用带有各种热载体(热水、空气)或热源(气体、电流)的系统、装置或设备，通过加热传感器进行路面湿滑处理。这种方法是环保的。目前，德国、英国、瑞士、奥地利、丹麦、瑞典等国已经开展了冬季传导加热的使用研究。日本是第一个在高速公路使用管状加热系统的国家。管道铺设在距离路面10 cm深的地方，冬季通过200 m深的热源水加热。夏季，该系统通过太阳辐射到地下储存设施积储热量。因为使道路建设技术复杂化、增加运营成本、降低涂层的使用寿命，在实践中，这种系统很少使用。仅用于非常有限的区域，如城市中的立交桥、大型桥梁、人行横道的台阶和坡道。

2.1.3.2 对流加热。对流加热是使用专用设备消除湿滑的方法，被机场广泛应用于消除跑道上的滑溜现象。在面积有限的区域，使用这种方法相当有效。许多国家已经在使用燃气燃烧器、超声波发射器、红外线加热器、定向微波发射器进行表面加热，破坏冰雪沉积层的实验，这些装置的主要原理是融化冰层或破坏冰层结构。

2.1.4 化学法

化学法就是使用某些化学试剂来去除或防止路面湿滑，这些化学品能够在负气温条件下融化冰或在路面形成具有低凝固点的溶液。在冬季道路养护实践中，化学法的应用最为广泛。瑞典自1947年起使用氯化物，英国自1960年起使用氯化物。

化学法最大的缺点是氯化物对环境、过往车辆的金属部件、道路设施(道路标志和围栏的金属支架)、公路桥梁及高速公路水泥混凝土表面造成破坏。自1991年以来，许多国家通过强制立法减少除冰化学品的使用，同时扩大新材料和新技术的使用。对国外冬季道路养护禁止使用化学品的分析表明，就提高交通安全程度而言，化学方法无可替代。目前的任务不是放弃化学试剂，而是在不降低交通安全的情况下，找到以最低允许标准使用它们的方法。

当治理目标从消除湿滑转向预防湿滑的形成时，化学试剂的使用可以降低到最低允许标准。在结冰前1 h～6 h，可以进行预防性涂层处理，大大减少盐的使用量。

2.2 比较与选择

通过以上分析，我们得出了不容乐观的结论：即使从生态学的角度来看，化学方法比物理方法和摩擦方法也更具有优势。路面上存在的盐分显著减少湿滑的形成，提高交通安全和平均车速，并减少汽车有害气体的排放。另外，这种方法的经济性，还体现在使用更少的劳动力和消耗更少的材料。当然，我们应该考虑到，即使是使用少量的盐分，经过路边多年积累，也会对自然环境产生极大的负面影响。