基于减排再利用的路桥面融雪剂残留和排放规律研究

宋连亮

（北京市首发高速公路建设管理有限责任公司，北京 100070）

0 引言

北京地区高速公路全年全天候通行。融雪剂是保障路桥面融冰雪的重要材料，在冬春季高速公路运营期大量使用。冬春季的路面径流污染物中，融雪剂为主要污染源。由于缺乏相关使用规范和标准，含大量融雪剂的雪水通过各种途径进入土壤和水体，不仅会造成公路两侧土壤盐渍化、硬化、板结、贫瘠，植物枯死，而且会导致地表及地下水污染，长期饮用被融雪剂污染的水源，容易导致高血压等多种疾患，危害人体健康。同时融雪剂会对水泥、沥青混凝土路面造成严重腐蚀破坏，缩短高速公路的使用寿命；高速公路的路面径流雨水是由自然降雨降雪对路面的冲洗而产生，其来源是不可控制的，在降水形成的路面径流中除含重金属、碳氢化合物等对环境危害性较大的污染物质以外，融雪剂残留物大都将在自然沉降或雨水淋洗作用下迁移至水环境中，造成对水体的污染。

目前，国内外对于融雪剂的相关研究主要集中在融雪剂对路面造成的危害及改良融雪剂上。胡超[1]分析了融雪剂浓度对半柔性路面水稳定性的影响，建议在半柔性路面铺设地区除冰时使用NaCl盐类融雪剂。段宝东等[2]通过氯盐环境下排水沥青混合料的冻融循环试验和常规试验，研究融雪剂对排水沥青混合料路用性能的影响。李鹏等[3]研发了一种复合型道路融雪剂，融冰雪效果的持久性较好，掺融雪剂混合料的路面抗水损害性能有所降低，但均能满足规范要求，高温抗车辙性能得到提高。王东等[4]研发了一种环保型融雪剂（ZRX），增强沥青路面在冬季降雪期间的融雪化冰性能，建议使用环境为小雪到中雪。

融雪剂最大的危害是对环境的影响，而相关研究较少。本文针对北京地区高速公路路面融雪剂残留与堆积规律，融雪剂残留特征及排放规律开展研究。通过不同降雨次数、不同降雨强度、不同地形环境条件下径流融雪剂残留浓度变化规律，探索北京西北部地区不同降雨特征与路桥面径流融雪剂的残留与排放的关系。研究成果拓展了融雪剂研究方向，为后续融雪剂回收研究提供了技术支持，研究成果对北京乃至华北地区高速公路融雪剂径流排放基础数据的积累、相关非点源污染控制模型的应用及融雪剂撒布管理措施的制定有指导意义。

1 实验方法

1.1 试验设计

1.1.1 路桥面径流试验

①不同降雨时段的影响

待降雨形成径流后，每隔一定时间收集水样。通过不同降雨历时路面径流的采样，分析污染物浓度随时间动态变化趋势。

②不同降雨过程的影响

在同一场降雨中同时监测降雨量和降雨强度，分析降雨量、降雨强度对路桥面径流融雪剂残留浓度的影响。

1.1.2 土壤采样实验

尽量选取地势开阔、平坦的区域，并避开多条公路交汇处及有厂房、居民地分布等的区域。选择典型的测定样线，样线走向垂直于公路，分别在中央分隔带、公路下边坡及有大量植物死亡的区域进行土壤采样，分析土壤中融雪剂残留情况[5]。

1.2 采样方法

1.2.1 采样方法

①径流采样与雨水采样

降雨期间用15 L的聚乙烯盆在采样点上采集径流样品。路面径流从排水沟处采集，桥面径流从路桥过渡段排水管涵出采集，待降雨形成径流后开始，60 min内每5 min采水样1次，此后每隔15 min采样1次，直至降雨结束，每个时间段收集3个平行样。雨水采样与路面径流采样同步进行。

②土壤采样

采样方法：样品的采集是在2 m × 2 m的样方内随机取3个样点（如图1所示），每个样点去除地表植被、草根层以及大石块后，取不同深度的土壤（0～10 cm、10～20 cm）作为样品。所取样品均为3个样点的混合样品。为减小公路以外的其他因素影响，选取样点时应避开采石场、垃圾堆放场[6]等特殊地点。

图1 公路纵深方向采样点布设Fig.1 Layout of sampling points in depth direction of highway

1.2.2 实验材料

取样瓶——取路面径流水样（15 L聚乙烯盆若干个，500 mL取样瓶若干个）；

雨量计——测量降雨强度；

秒表——记录每场降雨不同历时的时间间隔；

卷尺——测量路面宽度、测点间距等；

环刀——土壤取样；

流量计——测量径流流量（大雨情况下）。

1.2.3 检测方法

水样采集成功后立即进行冷藏保存。本课题水质检测的对象主要包括收集的水样和土样，检测指标主要为钠、氯化物。径流、降雨等水样采用国家环境保护总局编写的《水和废水监测分析方法》进行测定[7]。每项指标的检测方法见表1。

表1 水样检测分析方法Tab.1 Water sample detection and analysis method

为了保证分析结果可靠，以上所有测定均同时进行平行实验、空白实验和采用标样控制。

2 融雪剂残留特性研究

2.1 三场自然降雨条件下径流融雪剂残留浓度动态变化规律

为研究时间尺度下的融雪剂残留物含量变化规律，在进行样本采集时，在采样点5处的样本采集工作由形成径流后每隔5 min采集一次样本改为每隔1 min采集一次，分别研究融雪剂残留离子浓度变化情况，三次降水过程中京藏高速采样点5处Cl-、K+、Na+浓度逐分钟变化表和变化图分别见表2～表4和图2～图4。

图2 采样点5处Cl-浓度逐分钟变化图Fig.2 Minute by minute variation of Cl- concentration at 5 sampling points of Beijing-Tibet expressway during 3 precipitation processes

图3 采样点5处K+浓度逐分钟变化图Fig.3 Minute by minute variation of K+ concentration at 5 sampling points of Beijing-Tibet expressway during 3 precipitation processes

图4 采样点5处Na+浓度逐分钟变化图Fig.4 Minute by minute variation of Na+ concentration at 5 sampling points of Beijing-Tibet expressway during 3 precipitation process

表2 采样点5处Cl-浓度逐分钟变化表（单位：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 采样点5处K+浓度逐分钟变化表（单位：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 采样点5处Na+浓度逐分钟变化表（单位：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）

从图中可以看出，三次降水过程中，从形成径流开始融雪剂残留浓度快速上升，后随降水过程的持续，残留浓度逐渐下降。但对比三次融雪剂残留浓度曲线，残留物浓度峰值的出现时间随着降水次数的增多而增长，分析可知，随着降水次数的增多，融雪剂残留物减少，且融雪剂残留物与地面的附着度增加，形成最大浓度的时间变长。

2.2 不同雨强条件下径流融雪剂残留浓度变化规律

水路面径流中融雪剂残留物离子浓度还会受到雨冲刷强度，即雨强的影响，为研究不同雨强条件下径流融雪剂残留浓度变化规律，从实测各观测点的数据中选取雨强差异较大的数据，绘制融雪剂残留浓度变化图，研究雨强对径流融雪剂残留浓度变化的影响规律。

（雨强1=43.8 mm/h；雨强2=22.9 mm/h；雨强3=79.2 mm/h）

由表5和图5可得，所选取采样点路面径流中的Na+含量极大值在750～800 mg/L范围，属于浓度较高的情况。在自然降雨过程中，雨强1处试验点雨强实测值为43.8 mm/h，属于中雨强度，历时30～35 min，路面径流中Na+含量由620.8 mg/L降至43.0 mg/L，整体过程中前15 min，呈现曲线模式下降，后呈现线性下降趋势，表明随着径流残留物浓度降低，残留物浓度降低趋势减缓；雨强2处试验点雨强实测值为22.9 mm/h，Na+含量由初始产生径流时的376.72 mg/L，下降至252.84 mg/L，但总体呈线性下降趋势，未出现较大的波动；雨强3处试验点雨强实测值为79.2 mm/h，进行了约5 min，路面径流中的Na+含量已由783 mg/L下降为424.56 mg/L，其后随时间增加融雪剂残留物离子浓度虽下降趋势减缓但仍在30 min时下降至205.33 mg/L。综合上述各曲线趋势分析，随着降雨强度的增大，路面上的悬浮物清除时间越短，且随着雨强的增大，路面径流中的Na+含量呈线性规律下降。

表5 不同降雨强度下Na+浓度随时间变化统计表（mm/h）Tab.5 Statistical table of Na+ concentration with time under different rainfall intensities（mm/h）

图5 不同降雨强度下Na+浓度随时间变化趋势图Fig.5 Variation trend of Na+ concentration with time under different rainfall intensities

2.3 不同地形环境下径流融雪剂残留浓度变化规律

为研究不同地形环境对径流融雪剂残留浓度变化规律的影响，从现有六个采样点中选取桩号K30+300京藏高速城区段路标处采样数据代表平原区数据，选取桩号K61+250京藏高速山区段采样数据代表山区段数据，以样本中浓度最大的Cl-浓度变化来对比分析不同地形环境下径流融雪剂残留浓度变化规律。为减少其他未知因素的影响以保证结论的准确性，分别选取山区与平原区三次降水过程中雨强最为平稳的阶段，以5 min为时间节点绘制三次降水过程60 min内的山区和平原区融雪剂残留浓度变化曲线。

通过分析图6～图9融雪剂残留浓度变化趋势可知，在三场降水过程中融雪剂残留浓度总体呈下降趋势，对比分析三次降水过程，平原区和山区融雪剂残留浓度变化趋势相同，但平原区的整体变化远高于山区地段，同时，山区段冬季融雪剂撒布量大于平原区段。综合分析可知，山区路段排水条件优于平原区，山区路段的融雪剂残留物在融雪后随雪水排走一部分，而城区段由于车流量大和排水能力相对较差在冬季排放融雪剂量少。因此，可考虑相同降雪的条件下在城区段使用较少的融雪剂，以减少融雪剂的危害。

图6 平原区山区三次降水过程Cl-浓度变化对比Fig.6 Comparison diagram of Cl- concentration change in three precipitation processes in plain area and mountainous area

图7 平原区山区第一次降水过程Cl-浓度变化对比Fig.7 Comparison of Cl- concentration changes during the first precipitation in mountainous areas of plain area

图8 平原区山区第二次降水过程Cl-浓度变化对比Fig.8 Comparison of Cl- concentration changes during the second precipitation in mountainous areas of plain area

图9 平原区山区第三次降水过程Cl-浓度变化对比Fig.9 Comparison of Cl- concentration changes during the third precipitation in mountainous areas of plain area

3 冬春季融雪剂堆积与废水排放规律

3.1 冬季融雪剂堆积与废水排放

北京地区冬季铲冰除雪流程为雪前2～5小时预撒固体融雪剂颗粒（按照降雪级别，撒布量10～60 g/m2桥区及匝道大于路基）；雪中撒布40～500 g/m2，保持一条行车道畅通（重要活动期间保证全部车道畅通），残雪堆积于紧急车道（或非保障车道）；雪后人工+机械清除残雪。

图10 雪中堆积Fig.10 Accumulation in snow

图11 雪后清理Fig.11 Mechanical cleaning after snow

经过现场跟踪与调研，融雪剂堆积主要有三种形式：（1）雪中非通行保障路面临时堆积；（2）雪后固定消纳地点堆积；（3）沥青混凝土路面孔隙内残存。排放方式有三种形式：（1）残留在沥青路面孔隙内；（2）自由流排放；（3）堆积集中排放。其中，以第二种方式为主。含融雪剂废水的排放主要以自由流为主，非发散性排放，是集中在路面合成坡度最有利位置通过急流槽等排水设施排放，排放浓度为5%～20%（有利于集中回收利用）。

3.2 春季融雪剂残留排放

春季融雪剂残留主要为沥青路面孔隙内的融雪剂，其排放主要通过春季雨水冲刷，经由高速公路排水设施随雨水排放。由于三场中雨冲刷即可基本完成排放，对于中等雨强以下高速公路排水，其排放方式同样与冬季排放类似（略强），为自由流非发散性排放，为集中回收再利用提供了有利条件。

4 结语

本文通过路桥面径流融雪剂残留特性和排放规律相关研究得出如下结论：

（1）路桥面融雪剂残留在三场中等雨强降水后可完全排出路桥面。三场春季雨水（雨强＞40 mm/h）形成的径流可将路面融雪剂残留清除至无害（＜200 mg/L）状态。

（2）Cl-、K+都与Na+有明显的线性相关性，可将Na+作为特征指标考虑。随着降雨强度的增大，路面上的悬浮物清除时间缩短，且随着雨强的增大，路面径流中的Na+含量呈线性规律下降。

（3）平原区和山区融雪剂残留浓度变化趋势相同，排水条件良好的山区段融雪剂残留相对较少。不同地形环境下径流融雪剂残留浓度变化规律为，山区路段排水条件优于平原区，山区路段的融雪剂残留物在融雪后随雪水排走一部分，而城区段由于车流量大和排水能力相对较差在冬季排放融雪剂量少。因此，可考虑相同降雪的条件下在城区段使用较少的融雪剂，以减少融雪剂的危害。

（4）冬季融雪剂废水流量较小，浓度为10%～15%，可根据现场调研获取排放路径，确定回收设施设置位置。

（5）融雪剂残留排放具有极强季节性和瞬时性，融雪剂回收设施可与雨水收集、有害液体收集等设施共用。