公路路面径流水污染与控制技术探讨

第21卷　第3期　2004年9月 长安大学学报(建筑与环境科学版)
Journal of Chang'an U niv ersity(Arch.&Envir.Science Editio n)Sept.2004
文章编号:1001-7569(2004)03-0050-04
公路路面径流水污染与控制技术探讨
赵剑强,邱艳华
(长安大学环境科学与工程学院,陕西西安　710064)
摘　要:结合国内外研究成果,对公路路面径流中主要污染物及其来源、路面径流水质特征、影响路面径流污染的因素,及常用路面径流污染控制措施进行了综合分析。

认为公路路面径流水质变化很大,污染强度较高,主要污染物为SS和COD,其平均浓度超过污水排放限值,在对水质有较高要求的水域路段,应通过非工程措施和工程措施的综合实施来实现污染控制。

非工程措施主要包括加强公路运输管理、路面清扫、限制除冰剂的使用等;工程措施包括植被控制、湿式滞留池、渗滤系统及人工湿地系统等,在实际工程应用中,可将几种方法组合使用。

关键词:路面径流;水污染;污染来源;径流水质;污染控制;污染物
中图分类号:X703 文献标识码:A
Discussion on road runoff pollution and control techniques
ZH A O J ian-qiang,QI U Yan-hua
(Scho ol of Env iro nment al Science and Eng ineering,Chang'an U niv ersity,Xi'an710064,China) Abstract:Based on the study r esults at ho me and abr oad,the m ain pollutants in road runo ff and their sour ces,the pollutio n characteristic and influencing factors,and the pollutio n contr ol techniques were comprehensively discussed.It w as co ncluded that the w ater quality o f road runoff varied greatly and the po llution intensity w as hig h.The main pollutants w ere SS and COD,both of their aver ag e concentrations surpassed the reg ulated values.T herefore,some non-co nstructio n and co nstructio n measures should be taken to co ntro l the po llution o n the sections o f road w ith hig her w ater quality requirement.Non-construction m easures include str engthening administration,ro ad sw eeping and defroster-use limitatio n.Construction measures co nsist of vegetation contro l,wet detention basins,infiltratio n basins and w etlands.T hese methods can be com bined to use in pr actical engineering application.
Key words:road runo ff;w ater pollutio n;pollutio n sources;w ater quality of road runo ff;po llution co ntrol;po llutant
0　引　言
随着中国公路交通事业的不断发展及各省市区公路网的陆续形成,跨越对水质要求较高的敏感水体的公路越来越多,公路路面径流污染问题也越来越突出。

在人们日益关注环境问题与生命健康的今天,一直被忽视的公路路面径流排水污染问题,也逐渐引起人们的重视。

1　公路路面径流水污染的特点
1.1　公路路面径流主要污染物及其来源
公路路面径流是具有单一地表使用功能的地表径流。

公路路面径流污染是指公路营运期,货物运输过程中在路面上的抛洒,汽车尾气中微粒在路面上的降落,汽车燃油在路面上的滴漏及轮胎与路面的磨损物等,当降水形成路面径流,这些有害物质被挟带排入水体或农田造成环境质量下降的现象[1]。

Stotz[2]等人(1987)在德国3条交通量很大的公路上对145场降雨的850个径流水样进行了连续监测和分析研究,结果表明,公路路面径流中的污染物有SS、COD、重金属、P、N营养物、氯化物、油和脂、农药和PAHs(多环芳烃)等。

Ko bringer[3]和Ellis[4]等人研究指出,SS是公路路面径流最主要的污染物,其主要来源是轮胎磨损颗粒、筑路材料磨损颗粒、运输物品的泄露、刹车连接装置产生的颗粒及其它与车辆运行有关的颗粒物、大气降尘及除冰剂等。

重金属中含量最多的是
收稿日期:2004-03-29
基金项目:教育部优秀青年教师资助计划项目(教人司[2002]350号)
作者简介:赵剑强(1963-),男,陕西商洛人,长安大学教授,博士,从事水污染控制与交通环保研究.
是Pb和Zn,Pb主要来自于汽车尾气的排放,Zn主要来自于轮胎的磨损,氯化物主要来自于除冰盐,油和脂主要来源于燃料或润滑油的泄漏。

毒性有机物主要是汽油烃(PHC)和PAHs,来源于润滑油的泄漏,也有一部分是汽油的不完全燃烧产物。

路面径流中的N和P主要来自于大气降尘,另外,对公路两侧的农作物施肥等工作也会增加路面径流中的N、P含量,故农村地区的公路路面径流中N、P及农药含量远高于城市公路。

1.2　公路路面径流水质特征
20世纪70年代以来,国外学者对公路路面径流污染进行了大量的研究,其中国外部分公路路面径流实测资料的汇总,见表1。

数据显示,不同的测试地点、不同场次的降雨,测试结果有很大差异,即使在同一测试地点,不同场次的降雨,其路面径流测试结果也有很大差异,有的甚至是数量级上的差异,这也正是面源污染的特征之一。

表2为西安某大学于1999年4月～1999年5月,对西安至临潼高速公路路面径流测试的结果。

表1　国外公路路面径流水质测试结果汇总Tab.1　Monitoring water quality of road runoff in aboard
监测地点
EM C浓度/(mg・L-1)
S S COD总Pb总Zn
美国华盛顿州西雅图市的州际公路(1-5)1451370.3000.400
美国华盛顿州际公路Clark
1-51061500.4660.638 1-51311350.7600.968 Vancou ver106450.0730.056 S noqu almie Pas s63440.0860.101 M ontesano7981090.5560.380 Pasco5702650.1960.352 S pokan e3702190.1670.929 Pullman96221100.2270.199
美国威斯康辛州密尔瓦基市
公路Dris coll
1-940.8170.465 1-794 1.4570.336公路450.7380.371
美国北卡罗来纳州Ch arlotte市公路市区段交通量25000辆/日215480.015郊区段交通量21500辆/日88320.013农村段交通量5500辆/日14240.006
全美测试浓度平均值2611470.9600.410
表2　西安至临潼高速公路路面径流水质
Tab.2　Water quality of road runoff
on Xi'an to Lintong highway mg/L 污染物径流期间的瞬时浓度范围流量加权平均浓度EM C
S S126～813347
COD58～412167
总Pb0.05～0.770.23
总Zn0.15～1.340.45
国内外测试数据显示,公路路面排水具有较高的污染强度,SS、COD流量加权平均浓度都超过《污水综合排放标准》(GB8978-96)一级标准的要求。

这对于通过水质要求较高水域的公路,其路面径流排水应该采取一定措施进行治理。

与城市污水相比,路面径流水质具有与其不同的污染特征:污染物成分复杂,SS含量高,COD含量相对较低,有机污染物以非溶解性COD为主,并且生物可降解性较差[5]。

2　影响路面径流污染的因素
由路面径流污染物的来源可知,引起路面径流水污染的因素很多,主要包括气象状况、交通状况、公路周围土地利用状况及路面清扫、维护状况等几个方面。

2.1　气象状况
包括降雨强度、降雨量、降雨历时等因素。

降雨强度决定着淋洗路面污染物的能量大小,降雨量决定着稀释污染物的水量,降雨历时决定污染物在降雨期间累积于路面的时间长短。

2.2　交通状况
交通状况是引起路面径流污染的决定性因素,包括交通流量、车型构成及路面类型等。

交通流量及车型构成决定着与汽车交通相关污染物的类型及排放量。

不同学者对这方面的研究结果不尽相同。

近年来一些研究发现,交通量的变化不会十分明显地改变径流中污染物的浓度。

但另一些研究却显示,路面径流排水与降雨期间的交通总量存在一定的相关关系。

如Chui[6]等人于1982年对美国华盛顿州的9个
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第3期 赵剑强,等:公路路面径流水污染与控制技术探讨
具有不同气象条件、交通状况及土地利用状况的公路上500多场降雨径流进行测试,结果表明,路面径流总悬浮固体负荷及其它一些污染指标的排污负荷与降雨期间累积交通量成正比。

路面径流污染物的浓度受路面类型的影响较大[3],当路面类型为沥青路面时,径流中的Pb、Zn、COD和T OC的浓度是相同条件下混凝土路面径流的3～5倍。

另外,Stoze和Ranchet[7]的研究表明,采用多孔沥青路面,其径流中污染物的浓度大大减少,因此研制和使用各种类型的多孔路面不仅有利于行车,也有利于降低路面径流污染。

2.3　公路周围土地利用状况
公路周围土地利用及与地理环境特征相关的非道路活动,决定着非道路污染源在路面的沉积状况。

路面清扫的频率及效果,影响晴天时在路面累积的污染物量。

3　路面径流污染控制技术
路面径流污染属于面源污染范畴。

晴天时污染物在路面累积,降雨时随路面径流而排放,具有面源随机性间歇式排放的特征[8];路面径流水质具有与城市污水不同的污染特征[6]。

这些都使得城市污水的处理方法并不完全适用于路面径流污染控制,路面径流污染可通过非工程措施和工程措施的综合实施来控制。

3.1　非工程措施
非工程措施是通过加强管理来达到控制污染的目的,主要包括以下几个方面。

3.1.1　加强公路运输管理
这是对污染源的控制,可以从根本上降低路面径流中污染物的含量。

相关部门应加强公路及机动车辆的运输管理,严格控制污染物排放量明显超标的车辆上路;禁止超载及运送散装粉状货物的车辆上路;严格监控运载危险品的车辆。

3.1.2　路面清扫
对大气降尘严重、交通繁忙的路段,在某些特定时段加强路面清扫,可减少随降雨进入地表径流中的污染物量。

路面清扫必须同其它方法结合使用,才能在径流污染控制中收到良好的效果,尤其在干旱半干旱地区,加强路面清扫并结合其它工程措施,如渗滤系统等,可以有效减少排入水体中的SS、石油类、重金属等污染物含量。

3.1.3　限制除冰剂的使用
使用除冰剂可以加速路面冰雪的溶化,为公路行车创造良好的条件。

但大量盐类除冰剂,如NaCl、CaCl2及砂粒、煤渣等的使用,会加剧路面与轮胎的磨损,形成更多的颗粒物质,且其本身溶解于冰雪水中随径流排出,使径流水中Cl-含量大大增加,对地表水体造成严重污染,因此限制除冰盐的使用,可以有效减缓这种污染。

3.2　工程措施
为达到径流控制污染的目的,可以兴建一些工程设施。

目前,国内外已经开发了许多用于公路路面径流污染控制的工程技术及方法,归纳起来,主要有以下4种[7]。

3.2.1　植被控制
植被控制是利用地表密植的植物,对地表径流中的污染物进行截流的一种措施。

能够在地表径流输送的过程中将污染物从径流中分离出来,使到达受纳水体的径流水质获得明显改善,从而达到保护受纳水分本的目的,是一种广泛有效的径流污染控制方法。

植被控制包括植草渠道和漫流两种。

植草渠道即在输送地表径流的沟、渠中密植草皮以防止土壤侵蚀,并提高悬浮固体的沉降效率。

Schueler等人研究结果表明,设计及管理良好的植草渠道可去除70%的SS,30%的TP,25%的TN,50%～90%的各种金属物质。

Little等人则发现油脂的去除率可达67%～93%,SS和VSS至少可达到65%。

地表漫流是过滤理论的应用,它是在坡度较小的带状地面密植草皮使水流发散成为面流,从而过滤污染物质并提高土壤渗透性能的一种方法。

3.2.2　滞留池
滞留池去除颗粒状污染物的基本机理是沉淀,其效率取决于滞留池的规模、流域面积、暴雨特征等,分干式滞留池和湿式滞留池两种。

干式滞留池与污水处理中的平流沉淀池类似,地表径流在池中滞留、沉淀,以悬浮固体为主的污染物得以大量去除。

湿式滞留池是池中平时保持有一定水量的滞留池,在控制地表径流污染方面优于干式滞留池,其原因是干式滞留池在前一场降雨中沉积的污染物会在后一场降雨径流初期被冲出。

另外,湿式滞留池中的生物作用对一些可溶性营养物质也有很好的去除效果。

Greb[9]对美国威斯康星州M adison市区0.96km2的流域采用5670m2(占流域面积的0.6%)的湿式滞留池处理系统的调查结果表明,测试的16场暴雨的SS去除率平均可达87%。

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3.2.3　渗滤系统
渗滤系统是使地表径流雨水暂时存储起来,并渗透到地下的一种暴雨径流控制方法[8],通常包括渗坑、渗渠及渗井,可单独使用,也可与其它常规方法结合使用。

设计良好的渗滤系统对路面径流中的污染物有很多的去除作用。

3.2.4　湿地系统
湿地是一种高效的控制地表径流污染的措施,它可以同化入流中大量的悬浮物或溶解态物质。

地下水位位于地表或接近地表的滞留池,或有充足空间形成一浅水层的洼地,都可以人工建筑成湿地系统。

人工湿地在路面径流污染控制方面在国外得到了广泛的应用。

Youself[10]等人的研究表明,暴雨径流在人工湿地中停留72h,SS的去除率可达95%。

在美国佛罗里达州,已有许多为处理暴雨径流而设计的人工湿地,在控制暴雨径流污染方面起到十分重要的作用。

在实际应用中,可将以上几种方法组合使用。

植被控制可用在径流流动的各个环节,可作为径流的收集和输送系统,可单独使用,也可与其它系统结合使用。

湿地只可以与植被控制或滞留系统相结合,不可与渗滤系统结合,因为累积在湿地中的沉积物和植物的腐败产物在春天时常会随水冲出,会堵塞渗滤系统。

如果湿地有出水口,采用植被控制(或滞留池)-湿地-植被控制的组合方式较为理想。

在中国的路面径流污染控制中,可结合国外的路面径流控制技术,因地制宜采取不同的工程防治措施。

如在高速公路路边修建沉淀池,使路面排水经过简单沉淀后排放,可减缓路面初期雨水对敏感水体的影响,还可缓解由于危险品运输事故引起的泄漏而对敏感水体造成的污染;或在公路沿线设置渗坑收集路面暴雨径流,如陕西关中地区的高速公路沿线都设置有渗坑,其主要作用是控制路面暴雨径流即路面排水,同时又可控制径流污染。

在地下水位高、土壤透水性差的地区,可建立人工湿地来控制径流污染。

同济大学的杨敦[11]等人模拟研究了潜流式人工湿地处理系统控制暴雨径流污染的问题,结果表明,这种湿地系统对TP、COD cr、TN、的去除效率分别可达80%、90%、95%,说明在中国条件适宜的地区建立人工湿地系统对控制暴雨径流产生的面源污染有较好的净化作用。

4　结　语
公路路面径流污染强度较高,水质变化很大,污染物以SS和COD为主,其多次降雨的径流平均浓度超过《污水综合排放标准》(GB8978-96)一级标准,在对水质有较高要求的水域路段,应采取适当措施控制路面径流污染。

影响路面径流污染强度的因素主要是气象状况、交通状况、公路周围土地利用状况及路面清扫和维护状况。

路面径流污染控制可通过非工程措施和工程措施的综合实施来实现,有效的工程措施主要有植被控制、湿式滞留池、渗滤系统及人工湿地系统等,以取得更好的污染控制效果。

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[责任编辑　任晶钰]
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