珲乌高速公路路面径流污水湿地净化模式

The Pattern of Wetland for Purifying Road Runoff Pollution of Hunchun-Ulanhaote Expressway

摘要: 以吉林省珲乌高速公路路面径流为研究对象，分析了径流的水质特性和污染物流出规律，并从有效去除主要污染物的角度，考虑在排水系统中采用人工湿地处理技术。利用人工湿地k-C*模型以及相关经验获得人工湿地的参数，其基本模式为：人工湿地位于公路两侧，分别收集、处理公路两边路面径流污水，以1 km长路段为一个雨水收集单位，单侧湿地面积191.6 m²，平均水深0.5 m。

Abstract: Taking the road surface runoff of Hunchun-Ulanhaote Expressway in Jilin Province as the research object, we analyzed the water quality characteristics and pollutant outflow law of the runoff, and considered the artificial wetland treatment technology in the drainage system from the perspective of effective removal of major pollutants. The parameters of the artificial wetland were obtained using the artificial wetland k-C* model and related experience. The basic model is: the artificial wetland is located on both sides of the highway, collecting and treating the road runoff sewage on both sides of the highway respectively, with a 1 km long road section as a rainwater collection unit, a single side wetland area of 191.6 m², and an average water depth of 0.5 m.

1. 引言

随着国内交通事业的发展，公路通车里程不断增加，频繁的交通活动使得路面径流污染越发严重。降落到公路路面上的雨水含有空气中的尘埃和大气中的微量杂质，形成径流后对路面进行冲洗，带走路面上由于车辆的通行而形成的大量重金属、碳氢化合物、橡胶和燃油等污染物质。同时，车辆运输时洒、冒、滴、漏的有害物质，在水淋洗作用下排入农田或受纳水体，造成生态环境质量的下降 [1]。

国际上公认的路面径流净化措施是因地制宜地采用各种生态方法来对路面雨水径流进行处理，根据不同地域的气候特征、降雨规律、地形特征等进行有针对性的设计 [2]。吉林省珲乌高速公路属于既成道路，在原有道路设施的基础上增加净化设施受到很大限制。本文在分析公路路面径流污染特性的基础上，在排水系统中增加人工湿地，处理径流污水。以最小的工程措施，满足净化的基本需求，同时还能为湿地生物提供栖息场所，最大程度地恢复路域的生态功能，可为同类型的污水净化工程提供借鉴。

2. 材料与方法

2.1. 调查区

珲乌高速公路(珲春–长春段)地处长吉图开发开放先导区，由东到西依次经过图们、延吉、安图、敦化、蛟河、吉林，全长460多公里。全线地处吉林省东部的长白山区与西部平原地区的过渡地带，海拔高度137~400 m，植被类型丰富。区域属于大陆季风气候，四季分明，年平均气温5.1℃，年均降水量655 mm，年平均风速4.5 m∙s⁻¹。公路设计行车速度120 km∙h⁻¹，车道宽度2 × 2 × 3.75 m，路基宽度25.5 m [3]，目前只在局部低填方路段的坡脚进行了单排行道树形式的绿化。

公路沿线以农田、林地、草地为主，偶有村庄及城市；全线跨越小型溪流10余条，为路面径流污水的主要受纳水体。

2.2. 公路路面径流污染调查

于2020年6~8月对珲乌高速公路全线路面径流进行取样监测。约每隔50 km设1个取样点，共设样点10个，如图1所示。由于公路的路面排水采用分散漫流和集中截留两种形式，因此在路缘石内侧截留的雨水径流、边坡急流槽内或者排水边沟内获取样品。

Figure 1. Pollution monitoring section location of Hunchun-Ulanhaote Expressway

图1. 高速公路污染监测断面位置

样品采集的具体方法为：在形成径流的0~60 min内，用聚乙烯瓶(1 L)每隔10 min采水样一次；取样的同时，由JS-2型虹吸式雨量计同步记录降雨特征。在实验室进行水质分析，指标有固体悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD₅)、总磷(TP)、总氮(TN)、铅(Pb)、锌(Zn)和石油类，其测定方法 [4] 如表1所示。

Table 1. Pollutants and their determination methods

表1. 污染物及其测定方法

2.3. 人工湿地几何参数计算

湿地主要通过水生植物吸收、固定和转化水中的污染物质，从而净化水体。若要使水中的每一个污染物达标，所需湿地的面积就必须增加。湿地的面积应为各污染物达标所需的最大面积。基于人工湿地k-C^*模型 [5] 获得的计算公式如下：

$As=\frac{0.0365Q}{k}\ln \frac{C_i-C^{*}}{C_e-C^{*}}$ (1)

式中，As为湿地的表面积(ha)；Q为污水平均流量(m³/d))；k为一级反映速率常数(m/年)；C_i为进水浓度(mg/L)；C_e为出水浓度(mg/L)；C^*为背景值(mg/L)。

假设径流污水全部由降落到路面上的雨水形成，那么其流量可用下式计算 [6]：

$Q=q\Psi F$ (2)

式中，Q为雨水流量(L/s)；q为设计暴雨强度[L/(s∙hm²)]；Ψ为径流系数；F为汇水面积(hm²)。本文设计暴雨强度q采用长春市暴雨强度公式进行计算 [7]：

$q=\frac{1618.165\times \left(1+0.841\lg P\right)}{{\left(t+9.930\right)}^{0.704}}$ (3)

式中，P为暴雨重现期，取1 a；t为设计降雨历时，本文主要为路面集水时间，经验值取10 min。

3. 结果与分析

3.1. 公路路面径流污染特性分析

3.1.1. 水质特性

监测到最典型的降雨事件发生于7月21日的长春市东郊(样点1)，其降雨强度接近吉林省平均强度，实测水质变化过程数据列于表2。

Table 2. Pavement runoff quality in the eastern suburb of Changchun (section 1)

表2. 长春东郊(断面1)路面径流水质

由于珲乌高速公路沿线位于长白山西麓丘陵区域，拥有大量的林地，因此排入林地的污水应执行《污水综合排放标准GB 8978-1996》的I级标准和《地表水环境标准GB 3838-2002》中的III类标准，详见表3。

Table 3. Comparison table of water quality standards (mg/L)

表3. 水质标准对照表单位(mg/L)

将监测结果与水质标准进行对比，可以看出珲乌高速公路路面径流雨水的主要污染物为SS和COD，而石油类、BOD、TP污染情况次之。BOD₅与COD比值为0.07，可见径流的可生物降解性差，不适合用生物处理方法处理。此外，从全线多次的监测结果上看，路面径流污水中污染物的浓度在不同地区以及不同监测时间的变化范围都很大，这与交通量、降雨前晴天天数、降雨状况、集雨路段长度等有关。

3.1.2. 污染物出流规律

根据表2数据绘制污染物出流变化过程曲线，分析不同类型污染物的出流规律。从图2中可看出，在形成径流的初期30 min内污染物浓度较大，随后污染物浓度呈逐渐降低趋势，说明路面径流初期效应显著。可见，只要将初期雨水进行处理即可实现净化水体的目的。

Figure 2. Curve of water quality parameters changing with runoff time

图2. 水质参数随径流时间变化曲线

3.2. 人工湿地模式

3.2.1. 湿地类型选择

按照布水方式的不同，人工湿地可以分为表面流人工湿地和潜流人工湿地(包括水平潜流和垂直潜流)两种。潜流人工湿地是污水在湿地的地表以下流动，可充分利用内部填料、植物根系及其表面生长的生物膜协同作用的生物、物理、化学等各类作用，其优点是污染负荷和水力负荷承受能力强，不产生异味，处理效果受气候的影响小 [8]，缺点是构造较复杂、投资高、运行管理要求较高。

而表面流人工湿地是污水在湿地的土壤表层流动，水中有机物的去除是由植物水下茎、杆上的生物膜来完成，而悬浮颗粒物则依靠植物根、茎的截流作用而捕集。其最主要的优点是能够有效去除SS，此外还有投资低、运行成本低、管理维护简单等优点，缺点是处理负荷小，夏季可能会孳生蚊蝇，产生异味 [9]。

鉴于珲乌高速公路路面径流污染最主要的污染物为SS，且总体污染状况相对较轻；公路远离聚居敏感点，不必担心蚊蝇的滋生；公路里程较长管理维护不便，因此适合建设表面流人工湿地。

3.2.2. 几何参数设计

人工湿地位于道路两侧，分别收集、处理两侧路面径流污水。以1 km路段为例，路面宽度按12 m计算，则单侧路面汇水面积F = 0.6 hm²，再由公式(3)可得到最大暴雨强度q = 197 L/(s∙hm²)，代入公式(2)即可求得路面径流污水的平均流量Q = 383.0 m³/d。

以净化径流主要污染物SS为例，初期雨水(前30 min)径流SS平均浓度为207 mg/L，按照相关标准，SS的出水浓度应达到70 mg/L。根据公式(1)求得湿地的表面积As为188.7 m²，以上计算过程相关参数列于表4。

人工湿地水深一般不超过0.6 m，设计中取平均水深h = 0.5 m；为有效去除SS，目前普遍认为表面流湿地水流线速度一般低于100 m/d；令湿地宽度为W，长度为L，则Q/(Wh) ≤ 100 m/d，可得W ≥ 7.7 m；当W = 7.7 m时，L = 22.6 m。

Table 4. Constructed wetland parameters

表4. 人工湿地参数

3.2.3. 植物的选择

人工湿地宜与道路绿化相结合，就地吸附、降解路面雨水污染，减少道路交通对环境的危害 [10]。湿地植物的选择在满足净化能力的同时，应以本地植物为主。因此在设计中优先选择芦苇、香蒲、菖蒲、凤眼莲、美人蕉等；此外，也可根据公路各段落的自然条件模拟当地湿地和水域沿岸浅水区的群落类型进行种植(详见表5)，形成挺水、浮水、沉水植物错落有致的人工湿地系统。

Table 5. Main community types in shallow water areas along wetlands and waters

表5. 湿地和水域沿岸浅水区主要群落类型

4. 结论与讨论

4.1. 结论

从珲乌高速公路路面径流的水质特性与管理维护方面考虑，表面流人工湿地是有效且相对合理的选择；从污染物流出规律上考虑，只要净化初期(30 min)径流内的污染物，即可实现净化水体的目的；在此基础上，利用人工湿地k-C^*模型计算出所需湿地的面积，并依据相关经验获得珲乌高速公路人工湿地相关参数，其基本模式如图3：

Figure 3. Wetland plan for purification of road runoff sewage

图3. 净化路面径流污水湿地平面图

由于无动力要求，本模式不设置雨水调节池，所收集雨水仅依靠重力，直接进入人工湿地系统。由于不同土壤渗滤介质对SS的去除效果无显著差别 [11]，一般可选用自然土壤加砾石、粗砂或灰渣为基质。为保证进出水通畅，床底设置1%坡度。

4.2. 讨论

由于珲乌高速公路跨越不同地理区域，沿线各地区采用的湿地模式应结合当地实际情况进行调整。除径流雨水中主要污染物质有所不同以外，重点是由于降水量的不同而引起的径流污水流量的变化。在遵循上述设计思路的前提下，结合道路周边用地情况，通过调整单个湿地之间的距离(相当于调整路面雨水的收集面积)来调整湿地面积。

基金项目

吉林省教育厅“十三五”科学技术项目“珲乌高速公路(珲春–长春段)沿线生态景观模式研究”(JJKH20170252KJ)。