高速公路运营期水环境保护措施研究

2023-07-31林宇

企业科技与发展 2023年3期

林宇

摘要：高速公路路网密度日益增加，频繁的交通活动势必对水环境造成污染。在水环境敏感区域高标准、严要求保护的背景下，文章以山西省吕梁市境内某高速公路为例，开展高速公路运营期水环境保护措施的研究，提出对该高速公路路面及桥面径流污水、服务区污水、危险化学品运输事故污水分别采取生态边沟、人工湿地、双膜法等方法及加强运行管理、加固工程防护等措施进行处理。结果表明，采取的整体措施解决了该高速公路交通运营与水环境保护之间的矛盾，达到水环境安全保护的目标。

关键词：高速公路；水环境；生态边沟；双膜法；保护措施

中图分类号：X522 文献标识码：A 文章编号：1674-0688（2023）03-0072-04

0 引言

高速公路作为重要的交通基础设施，为交通运输带来极大便利。高速公路为区域经济发展带来巨大效益的同时，也相应带来水环境安全风险［1］。在高速公路运营过程中，易造成水环境污染问题，特别是在路径水源保护区等敏感区域，会对周边水体造成污染，严重影响周边居民的用水安全［2］。高速公路运营期水环境的污染主要由路面及桥面的径流污水、服务区的污水和危险化学品运输事故产生的污水等造成［3］，因此针对所有污水源设置一套全面、适用的污水治理措施至关重要。本文通过分析高速公路运营期产生的污染物的污染源，提出相应的治理措施，为促进高速公路运营期水环境保护工作提供参考和技术支持。

1 高速公路运营期水环境的污染来源

高速公路由于里程长、规模大，运营期间处于复杂多变的区域环境，势必对周围环境造成不同程度的破坏与影响，例如产生大气、水、土壤及噪声等的污染。其中，高速公路沿线水资源是周边人群、动植物的主要用水来源，水环境的好坏直接关系到当地人的生活、生产。我国对于地表水水环境功能有明确标准［4］（见表1）。

我国《水污染防治法》明确规定：在饮用水地表水源地一、二级保护区内，禁止建设排放污染物的项目［5］。高速公路运营期的水环境污染来源主要包括路面及桥面的径流污水、服务区的污水和危险化学品运输事故产生的污水等，一旦处理不当，将影响高速公路沿线的用水安全。

1.1 路面及桥面径流污水

1.1.1 径流污水的影响因素

污染物的累积量与时间成指数关系；在降雨过程中，沉积物脱落量与冲刷速率成正比［6］。因此，沉积物和气象条件都是影响径流污水程度的因素。

（1）沉积物。路面沉积物的种类和来源比较复杂，由长期行驶的车辆产生。径流污染物大部分来源于沉积物，主要包括车辆轮胎的磨损颗粒、车辆金属构件的磨损颗粒、路面材料的磨损颗粒、发动机油料、边坡和绿化带施肥及汽车尾气排放等。这些污染物附着在道路表面，形成沉积物，污染物累积越多，污染程度越大。

（2）气象条件。在降雨的作用下，道路形成径流，降雨冲刷效应使沉积物不断脱落，径流污水的污染物浓度受降雨强度、降雨历时影响。降雨强度越大，污染物浓度越高；降雨初期，径流污水污染物浓度最高，随着降雨历时的增加，径流污水污染物浓度降低。污染物随径流水一起排入附近的河流、湖泊，并经水循环进入水环境，造成水环境污染和农田土壤污染。

在不同的地点、时间、降雨量条件下，路面径流污水污染物的浓度不同，因此径流污水污染物的浓度具有随机性，检测浓度存在很大差异。通常情况下，取一场降雨径流全部污染物的平均浓度（EMC）代替，计算公式如下：

[EMC=MV=0TCtQtdt0TQtdt≈0TCtQt0TQt]

公式中：[EMC]为平均浓度，g/m3；[T]为降雨总历时，s；[M]为某污染物总量，g；[V]为径流体积，m3；[Ct]为污染物在t时刻的瞬时浓度，mg/L；[Qt]为径流在t时刻的径流量，m3/s。

1.1.2 径流污水污染物的组成

径流污水污染物成分主要有固体悬浮物、重金属、油脂和有机物、氮磷营养物。固体悬浮物来源于路面材料的磨损颗粒、车辆轮胎的磨损颗粒、大气等；重金属来源于车辆金属构件的磨损颗粒、车辆尾气、大气等；油脂和有机物来源于发动机油料和润滑油的泄漏、废弃油脂；氮磷营养物来源于除冰盐、绿化施肥、大气。

1.2 服务区污水

1.2.1 服务区污水来源

高速公路服务区一般远离城市，污水按来源可分为4类：公厕、洗漱排放的污水，加油站排放的污水，餐饮排放的污水，洗车场冲洗排放的污水。其中，公厕、洗漱排放的污水占比最大，占总污水量的40%以上。

1.2.2 服务区污水水量特点

從运营初期开始，服务区污水量呈现逐年增加的趋势。服务区固定居住人员少，每天污水排出量不大，单个处理系统的处理量基本在50～300 m3/d。受季节、时段、天气的影响，过往旅客产生的污水量随机性很大，污水量的变化系数较大。通常情况下，夏季污水量较大，冬季污水量较小；交通高峰时段污水量大；恶劣天气下污水量小；洗车及加油站产生污水量较小。

1.2.3 服务区生活污水水质特征

公厕、洗漱、餐饮排放污水比重大，污水中含有浓度较高的有机物、氮、磷等污染物；污水量排放不均匀，冲击负荷大；加油站和洗车场排放的污水中存在大量含油脂类污染物，以石油类为主。

1.3 危险化学品运输事故污水

危险化学品包括石油产品、化工原料、液化气、化肥、农药等。在高速公路运输过程中，一旦发生危险化学品事故，则有可能导致车辆冲出路基的翻车事故，造成危险化学品泄漏到周围环境，严重污染地表水体，甚至威胁饮水安全。

2 高速公路运营期水环境保护措施

2.1 项目概况

山西省吕梁市境内某高速公路，线路全长约84 km，全线位于山岭重丘区。该高速公路设计速度为80 km/h，路基宽度为24.5 m，包括4处互通、4座桥梁、2处服务区，于2016年底通车。由于高速公路沿线水系发达，为满足沿线生态建设，水环境保护要求高。根据调查，该高速公路水环境污染问题主要有以下几点：一是路面及桥面雨水的重金属、碳氢化合物等含量较高，如不做径流污水特殊排放设计，会对水环境产生极大危害。二是由于项目距离城市较远，服务区生活污水及含油废水无法直接排入市政下水管网，为避免对周边水环境造成污染影响，需要设置独立的小型污水处理系统。三是公路常年行使运送危险化学品的车辆（主要是油罐车），一旦发生危险化学品运输车辆交通事故，势必造成河流水体污染，威胁饮水安全。

2.2 路面及桥面径流污水治理

高速公路路面及桥面径流污水具有间歇式排放的特点，只有降雨时，污染物才会随径流水一起流走。目前，径流污水治理的措施主要有生态边沟、人工湿地、沉淀池、渗透系统等，这些措施具有不同的优点和缺点（见表2）。

结合各种治理措施的优点、缺点和路面及桥面径流污水的特点，该项目路面径流污水选用生態边沟进行治理，桥面径流污水选用人工湿地进行治理。

2.2.1 路面径流污水治理

生态边沟措施是在收集路面径流的边沟中密植草皮，利用植被截留、过滤路面径流中的污染物，并通过净化层净化路面径流的一种方法。本项目生态边沟采用双边沟的形式，边沟主体结构采用混凝土砌筑，两侧壁厚0.15 m，坡度为1∶0.5，底部厚度为0.3 m。为了收集路面径流污水中的大颗粒杂质，在生态边沟上方设置颗粒收集袋格栅。沿着径流下渗方向，生态边沟自上而下分为种植土壤层、净化层和结构底部排水层，各层结构之间设置土工布，净化层结构的厚度、选材等设计如下。

（1）种植土壤层。种植土壤层厚度设计为0.2 m，径流污水通过种植土壤层后，可降低径流的渗透速度，防止对下部净化层的冲刷。

（2）净化层。径流通过种植土壤层进入净化层，吸附其中的有机物、固体悬浮物、油脂及重金属等污染物。为达到有效净化的目的，需要合理设计净化层厚度，避免径流污水渗透不及时，发生径流顺边沟顶端向外溢流的现象。综合考虑各层填料及地基土的渗透系数，净化层厚度设计为0.3 m。净化材料选用泥炭，该材料含有大量的纤维素和腐殖质，是一种天然的有机离子交换剂和吸附剂，吸附的油用离心分离法回收后可重复使用。

（3）结构底部排水层。径流通过净化层后流入结构底部排水层，该层由厚度为0.5 m的大颗粒径块石组成，底部设置集水支管、集水主管及排水管（如图1所示）。

沿着径流方向设置孔径为3 cm的集水孔，径流顺集水孔进入孔径为0.1 m的集水支管，集水支管的径流沿沟底坡度汇集到孔径为0.3 m的集水主管。在集水主管上设置排水管，径流通过排水管排到外部蓄水池，经沉淀后可用于农田或景观灌溉。

2.2.2 桥面径流污水治理

相比路面排水系统，桥面排水系统较为独立，需要设置独立的径流污水收集系统。收集原理为径流通过桥面泄水孔流入排水管，由排水管接引至地面，再由地面排水结构引入净化治理系统。排水管采用孔径为0.3 m的PVC管，由于排水管接头处易发生堵塞及损坏，所以需定期更换和维护。桥面径流经收集后流入人工湿地净化治理系统进行处理。人工湿地系统是利用微生物、水生植物及填料等的协同作用，实现对固体悬浮物、有机物、油脂及重金属等污染物的去除。它们的具体作用如下。

（1）微生物。微生物在人工湿地治理系统中占据重要地位，微生物作为食物链的最低一级，通过不断分解有机物，为高级的消费者提供能源。在潜流式人工湿地中，微生物存活于填料中；在表面流人工湿地中，微生物存活于水生植物的水下部分。微生物投配于污水后，能使细菌、放线菌、真菌、原生动物数量增加，有利于污染物的去除，污水的净化效果与投配微生物的种类、数量相关。

（2）水生植物。水生植物是人工湿地的显性特征，人工湿地植物根系不仅能直接吸收和沉降污水中的营养物质，还能为微生物的生存提供良好的生化条件。水生植物深入填料的根须能够形成更有效的水流，与填料底部更好地接触。此外，水生植物中的挺水植物可以促进光合作用，从大气中将氧气输送至根部，用以维持根区的微生物活动。该项目人工湿地的水生植物选取芦苇，芦苇的根茎垂直向下延伸生长，具有更强的氧气传输能力。

（3）填料。填料一方面为微生物提供生长依附载体，另一方面为水生植物提供营养。当径流污水流经人工湿地时，填料可以通过吸附、离子交换、沉淀、结合等作用净化去除污水中的污染物质。填料的水力传导性能决定人工湿地中污水的流动特征，水力传导系数过大，污水与填料的接触机会变少。

经采取生态边沟、人工湿地处理措施后，路面及桥面径流污水的固体悬浮物、重金属、油脂和有机物、氮磷营养物等各项指标均达到国家规定的污水排放标准。

2.3 服务区污水治理

本项目服务区污水采用双膜法措施（MBR+反渗透）。MBR设备可以去除污水中的悬浮物、大分子有机物、颗粒物等，由于其出水满足反渗透系统的进水水质，因此经MBR设备处理后进一步用反渗透的方式提升水质，以达到更高的用水标准。污水首先经过化粪池、格栅、调节池、AO反应器进行一系列操作后进入膜池，再通过中空纤维膜节流进入MBR中间水池，达标的水回用于服务区冲厕、绿化、喷洒、冲洗等场景，达到节约用水的目的。其余产水由增压泵提压送至反渗透模块，经反渗透模块处理的高品质水存留于水箱中，浓水另外处置，工艺流程如图2所示。

反渗透系统产生的浓水采用场区专用设备处理外运。浓水首先进入Fenton（芬顿设备），加酸调节pH值到3～4，通过双氧水及硫酸盐铁对难生化的有机物进行氧化，再加碱调节pH值至中性，检测达标后进入活性炭吸附系统，经吸附处理的产水外运送走。产出的污泥进入污泥处置装置，处理达标后的产水外运，工艺流程如图3所示。

使用双膜法可以有效去除服务区污水中的有机物、固体悬浮物，使水质得到更高的提升，处理后的污水可用于景观、供暖、车辆等方面的用水。

2.4 危险化学品运输事故污水治理

2.4.1 管理措施

（1）危险化学品运输车辆应安排在交通量较少时通行；天气条件恶劣时，禁止危险化学品运输车辆通行。

（2）加强危险化学品运输车辆的检查制度，对途经车辆进行“三证一单”检查，必要时对车辆进行安全检查。

（3）在收费站入口前100 m处设立提示标志牌，提醒司机主动申报和接受检查。

（4）加强对驾驶员的安全教育，驾驶员必须进行专业的培训、考试。

（5）严格禁止未办理有关证件的危险化学品运输车辆进入高速公路行駛。

2.4.2 工程措施

（1）水源保护区两端设立警示牌，提示车辆减速慢行；对边沟进行防渗处理，末端设防渗沉淀池。

（2）加强水源敏感区域的路基护栏防撞设计，缩小防护桩的间距，增设横向护栏板。

（3）提高桥梁护栏防撞等级。