青藏高原地區(qū)典型公路路域水環(huán)境特征

胡 林, 王 琦, 單永體, 尹 靜, 陳濟丁， 孔亞平

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司， 陜西 西安 710065； 2.交通運輸部科學研究院北京 100029； 3.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室， 陜西 西安 710048)

青藏高原地區(qū)典型公路路域水環(huán)境特征

胡 林1,3, 王 琦1, 單永體1, 尹 靜1, 陳濟丁2， 孔亞平2

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司， 陜西 西安 710065； 2.交通運輸部科學研究院北京 100029； 3.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室， 陜西 西安 710048)

[目的] 闡明青藏高原地區(qū)公路路域水環(huán)境特征及影響因素，為青藏高速公路建設及水環(huán)境保護措施提供理論基礎及科學依據(jù)。[方法] 基于2015年6—7月對共玉公路(青海省共和縣至玉樹縣)和青藏公路(格爾木市至拉薩市)路域水環(huán)境測試結果，對青藏高原地區(qū)公路路域水環(huán)境特征及影響因素進行分析。[結果] 經T檢驗，青藏高原地區(qū)公路路域徑流污染具有顯著性差異，各水質指標存在不同程度的變異性，變異系數(shù)(Cv)變化范圍為11%～396%，表明不同徑流水體污染物因所處位置不同而有所差異；對比了典型路域水環(huán)境特征，新建公路(共玉公路)的水環(huán)境質量好于運營期公路(青藏公路)，高速公路運營后對路域水環(huán)境影響明顯；對不同徑流水體進行了Person檢驗。結果顯示，懸浮物(SS)與其他水質參數(shù)之間均表現(xiàn)出不同程度的相關性，說明SS不僅是青藏高原地區(qū)路域徑流污染的主要污染物，且是其他污染物(重金屬和化學需氧量COD)的載體。[結論] 路面徑流是路域水環(huán)境污染的重災區(qū)，對降雨徑流進行收集處理及采用新型的路面，布置徑流處理措施，將有效地降低路域水環(huán)境的影響。

青藏高原; 公路路域; 水環(huán)境; 相關關系

文獻參數(shù)： 胡林, 王琦, 單永體, 等.青藏高原地區(qū)典型公路路域水環(huán)境特征[J].水土保持通報，2017,37(1)：286-291.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.050； Hu Lin, Wang Qi , Shan Yongti, et al. Characteristics of water environment at road area of typical highway in Qinghai Tibet Plateau[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：286-291.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.050

公路路域徑流污染是指在降水過程中雨水、融雪過程形成的徑流、壤中流在公路路面及邊坡匯流和下滲過程中攜帶的污染物質,包括懸浮物(SS)，化學需氧量(COD)，P，重金屬、多環(huán)芳香烴和氯化物等，排入路域自然水體而造成的水體污染。青藏高原屬典型的高山高原氣候，水系發(fā)達，是長江、黃河、瀾滄江的三江源頭[1]，國家重點水源保護區(qū)，具有水環(huán)境敏感、水體保護等級高、凍融頻繁的特點[2]。伴隨公路交通事業(yè)的發(fā)展，該地區(qū)的公路建設勢必迎來建設高潮，對于公路環(huán)境保護而言，路域徑流產生的點源和非點源污染成為亟需解決的問題。筆者針對青藏地區(qū)公路沿線水環(huán)境進行了調查，該地區(qū)公路等級普遍較低，缺乏相關水環(huán)境保護措施，路域徑流以直排為主；針對青藏高原地區(qū)公路路域水環(huán)境特征及影響因素卻鮮有報道，為了保障國家重大工程青藏高速公路建設的順利實施，從環(huán)境影響與環(huán)境保護的角度，亟需展開青藏高速公路走廊帶水環(huán)境及污染物排放特征研究，論證公路對水環(huán)境的影響并提出合理可行的環(huán)境保護措施。本文擬對共玉公路(青海省共和至玉樹縣)和青藏公路(格爾木至拉薩)走廊帶徑流水體進行了采樣分析，旨在闡明青藏高原地區(qū)公路路域水環(huán)境特征及影響因素，以期為青藏高速公路建設及水環(huán)境保護措施提供理論基礎及科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取青藏高原地區(qū)兩條典型公路路域,分別是青海省共和至結古(玉樹)公路1期工程(新建公路)以及國道109公路格爾木至拉薩段(運營期公路)，均位于青藏高原腹地，相距約450 km，地形地貌條件相似。青海省共和至結古(玉樹)公路1期工程于2011年5月開工建設，1期工程于2014年年底建成通車，公路路基寬度24.5 m，路面為瀝青混凝土路面，徑流系數(shù)為0.9，該工程與G214青海省共和至玉樹段公路為同一走廊內伴行，路基邊坡布置植物措施以鋪草皮、三維網植草措施為主；國道109公路格爾木至拉薩段(即青藏公路)于1950年動工，1954年通車，為2級公路標準，路基寬10 m，路面為瀝青路面，路基邊坡以自然恢復植被為主。采樣區(qū)位于青藏高原腹地，平均海拔4 500～4 900 m，氣候屬典型的高原大陸性半干旱氣候，冬季氣候寒冷漫長，多風雪，夏季氣候涼爽短促，雨水較充足；降水分布地區(qū)差異明顯，降水量隨海拔的抬升呈增加趨勢，主要集中在5—9月，年平均降水量300 mm左右，年平均氣溫-4 ℃，植被類型以嵩草草甸為主，主要優(yōu)勢種是小嵩草、矮嵩草等，主要伴生種有異針茅等，土壤類型主要是高山草甸土、高山灌叢草甸土及沼澤土。

1.2 采樣及分析方法

采樣于2015年6月20日至7月10日之間進行，采樣期間未發(fā)生降雨事件，采樣點路面平整。路面徑流：路面低洼處及破損處積水；路側積水：公路走廊帶兩側的積水；路測河流：與公路路線伴行河流及交叉河流。采樣點共計64處。共玉公路采樣長度為500 km，共采集水樣24處，其中路面水樣4處、路側水樣15處、河流水樣5處；青藏公路采樣長度為1 500 km，采集水樣40處，其中路面水樣11處、路側水樣13處、河流水樣16處。

本研究水環(huán)境分析項目包括:溫度，溶解氧(DO)，Ec(電導率)，pH值，氨氮(NH3-N)，懸浮物(SS)，化學需氧量(COD)，Pb。其中溫度、溶解氧、電導率、pH值、氨氮指標使用ProplusYSI多功能水質分析儀(美國)現(xiàn)場測定，SS，COD，重金屬鉛Pb用聚乙烯瓶裝采集，遮光保存，送回實驗室分析測定，SS的測定用稱量法，COD采用重鉻酸鹽法，Pb測定用原子吸收分光光度法。應用SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 路域污染物特征分析

表1為路域徑流污染物數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征，經T檢驗(p<0.05)發(fā)現(xiàn)徑流污染存在著具有顯著性差異。路面積水中DO，NH3-N，COD，SS，Pb，pH及Ec的平均濃度為5.79，0.95，316.16，0.03，1 171.95，7.96及747.63 mg/L，DO，NH3-N，Pb均未超過國家地表水環(huán)境質量Ⅲ類標準，COD超過國家地表水環(huán)境質量Ⅴ類標準，SS超過排放水3級標準，總體達到國家地表水環(huán)境質量Ⅲ類標準。污染特征指標與廣州、北京等地有明顯的差異，甘華陽[3]研究表明：廣州省城市道路廣州城市道路雨水徑流中的石油類、COD、懸浮固體和Pb等指標都大大超過Ⅲ類標準；荊紅衛(wèi)[4]研究表明：北京北運河從城市中心區(qū)河流到近郊區(qū)城市排水河流再到遠郊區(qū)干支流，水質污染不斷加重，從Ⅲ類到劣Ⅴ類。通過表1可知，青藏高原地區(qū)路域徑流污染物中SS含量較高，其次為COD，NH3-N，DO，Pb，含量較低。

經過T(p=0.05)檢驗，各項指標之間均存在差異性顯著(sig.<0.05)。變異系數(shù)(coefficient of variation,Cv)可以用來定量確定空間變異的程度：弱變異Cv≤10%，中等變異10%

表1 研究區(qū)路域徑流水體污染物統(tǒng)計特征

注:DO為溶解氧;SS為懸浮物;COD為化學需氧量;Ec為電導率。下同。

2.2 路域不同徑流污染物差異

圖1—2為不同徑流水體污染物特征，通過顯著性檢驗，公路路域不同徑流水體存在顯著性差異(p<0.05)。路面徑流中NH3-N，COD，Pb，SS及pH值的濃度顯著高于其他徑流水體，路面徑流污染物主要來源于降雨對路面累積物的沖刷及突發(fā)危險品事故，車輛的運行、車輛部件及輪胎磨損、車輛液體泄漏等都直接排放在公路路面，路面沉積物是路面徑流污染的主要來源，是公路水環(huán)境保護的重點防治部位；路側徑流主要包括路側積水及排水溝水體，路側積水污染物來源主要為降水及路面徑流匯集過程。路面徑流中的DO均低于河流以及路側積水，原因是路側徑流以及河流中水生植物的光合作用會增加DO含量；但NH3-N，COD，SS含量均明顯高于其他徑流水體，是由于公路在營運時所產生污染物均直接排放于路面。COD，Pb，SS以顆粒物的形式存在，在徑流的沖刷作用下進入到路側徑流水體以及河流，故SS，COD，Pb的濃度較高。青藏公路路面徑流COD，Pb，SS及Ec分別是共玉公路路面徑流的8.10，1.44，24.08，1.87倍，路側徑流為2.87，1.05，21.29,1.3倍，河流水體為3.58，1.09，2.76，1.71倍，總體來說，新建公路(共玉公路)的水環(huán)境質量好于運營期公路(青藏公路)，表明高速公路運營后對路域水環(huán)境影響明顯，隨著交通量的增加，這種影響是長期的、不斷累加的，尤其是在水源保護區(qū)，應采取相應措施，盡可能的減小路域水環(huán)境污染。值得注意的是：共玉公路路面積水NH3-N含量為青藏公路的1.39倍，原因可能是共玉公路為新建公路，采用瀝青路面，N含量高，故造成路面積水NH3-N含量較高。

2.3 不同徑流水體污染物相關分析

國內外相關研究中，提出水體中許多污染物與顆粒物的分布存在一定的相似性[6-7]，本文針對不同水體污染物之間的相關性關系進行了Person檢驗，結果顯示(表2)。從路域尺度來看，SS與DO呈極顯著負相關(p=0.01)，與COD，Ec呈極顯著正相關(p=0.01)，與Pb呈顯著正相關(p=0.05)，表明徑流水體中的顆粒物是有機物COD及重金屬Pb的載體，且影響著水體中DO的含量。

從不同徑流水體來看，水質參數(shù)之間的相關性與其所處的位置不同而有所差異；在路面徑流，SS與COD，Pb及Ec表現(xiàn)出極高的相關性；河流水體中SS與COD無顯著相關性(p=0.05)；在路面徑流中，COD，Pb，Ec與SS均表現(xiàn)出顯著正相關性(p=0.01，p=0.05)，在路側徑流中僅表現(xiàn)出SS與COD呈顯著正相關(p=0.01)，在河流水體中表現(xiàn)出SS與Pb成顯著正相關(p=0.05)。以上，SS與其他水質參數(shù)之間均表現(xiàn)出不同程度的相關性，說明SS不僅是青藏高原地區(qū)路域徑流污染的主要污染物，也是其他污染物(重金屬、COD)的載體，因此通過對SS采取攔、蓄、滯、濾等方法降低路域污染物含量，將會有效的減輕青藏高原地區(qū)公路路域水環(huán)境的負面影響。

圖1 典型公路路域水體溶解氧(DO)，NH3-N，化學需氧量(COD)，Pb及懸浮物(SS)特征

圖2 典型公路路域水體電導率及pH值特征

3 討 論

3.1 水環(huán)境污染來源

通過對比青藏公路及共玉公路路域水環(huán)境污染物之間的差別。路側徑流、河流水質達到國家地表水環(huán)境質量Ⅱ類標準，總體良好；但路面徑流污染物指標嚴重超標，路面徑流中SS含量最高達到9 100 mg/L，COD含量最高達到6 990 mg/L。表征顆粒物的SS和表征有機物的COD是表征路面徑流污染的2項重要指標[7-9]?？梢娐访鎻搅魇锹酚蛩h(huán)境污染的重災區(qū)；原因在于，公路在營運過程中，由于機動車輛的通行(車輛尾氣排放、車輛機油滲漏、輪胎磨損等)、筑路材料磨損、載有害物質的車輛突發(fā)事故等因素，產生的污染物直接排放在路面上，導致路面污染；當發(fā)生降雨事件時，路面徑流沖刷攜帶大量的污染物進入到路域水環(huán)境當中；且在車輛行駛過程中，產生的灰塵，伴隨著沉降或者降雨進入到邊坡、綠化帶土壤或地表水體。因此，路面徑流污染防治是路域水環(huán)境預防及治理的重點。

3.2 影響因素及對策

3.2.1 降水因素 路域水環(huán)境污染屬于非點源污染[10]，路面徑流污染是路域污染的重要預防區(qū)域，降雨是路面徑流污染的重要影響因素。降雨在路面形成的徑流含有相當數(shù)量的懸浮顆粒物、重金屬和有機污染物，其未經處理排入受納水體，易引發(fā)水體富營養(yǎng)化和水生生態(tài)系統(tǒng)破壞等[11],因此，路面徑流污染已成為路域水環(huán)境污染的重要來源。

為研究徑流污染，引出了徑流平均濃度(EMC)和初始沖刷(first flush)的概念，即在一次降雨事件中暴雨產生的初期徑流攜帶了大量的污染物[12],故只需把開始的那部分徑流滯留處理，就可以保護路域整體水環(huán)境的質量。

Bertrand等[13-14]分別分析了197，117場降雨事件之后，提出在最初的30%的徑流中攜帶了整個降雨事件污染物總量的80%，截至目前為止，這是最有說服力的解釋[15-17]，可以比較準確的定量降雨徑流中的污染物含量，然后布置相關的處理措施，諸如：植被控制、滲濾系統(tǒng)、滯留池、人工濕地和沉淀池等措施，對路面徑流中污染物進行處理，將會對水環(huán)境防治產生積極的影響。

表2 不同徑流污染物參數(shù)相關性分析

注:**表示在0.01水平下顯著相關(雙側)； *表示在0.05水平下顯著相關(雙側)。

3.2.2 路面類型 Barrett等[18]研究表明，相同條件下瀝青路面徑流中Zn，COD和TOM的濃度是混凝土路面的3～5倍；Stoze[19]研究表明，多孔瀝青路面可以大大降低徑流中污染物的濃度；Pagotto C.等[20]通過監(jiān)測25場降雨過程中不同類型路面的徑流污染物，并計算其排放負荷，發(fā)現(xiàn)多孔瀝青路面徑流中污染物(TSS,總Zn等)濃度及排放總量較普通瀝青路面均有顯著的降低?？梢娐访骖愋蛯β访鎻搅髦形廴疚锏臐舛扔休^大的影響。因此在公路建設時應采用新型路面材料，增加路面滲流，減小路面徑流污染，有利于保護青藏高原地區(qū)公路路域水環(huán)境。

4 結 論

(1) 經T檢驗發(fā)現(xiàn)路域徑流水土之間存在顯著性差異。DO，Pb，pH值及Ec的Cv值分別是23%，71%，11%及95%，為中等變異，NH3-N，COD及SS的Cv值分別是126%，396%及270%，為強變異，說明不同徑流水體之間因所處位置不同而有所差異。

(2) 新建公路(共玉公路)的水環(huán)境質量好于運營期公路(青藏公路)，表明高速公路運營后對路域水環(huán)境影響明顯，隨著交通量的增加，這種影響是長期的、不斷累加的。

(3) SS與其他水質參數(shù)之間均表現(xiàn)出不同程度的相關性，通過對SS采取攔、蓄、滯、濾等方法降低路域污染物含量，將會有效的減輕青藏高原地區(qū)公路路域水環(huán)境的負面影響。

(4) 路面徑流是路域水環(huán)境污染的重災區(qū)。對降雨徑流進行收集處理，采用新型的路面，布置徑流處理措施，將有效的降低對路域水環(huán)境的影響。

[1] 王根緒,李元首,吳青柏,等.青藏高原凍土區(qū)凍土與植被的關系及其對高寒生態(tài)系統(tǒng)的影響[J].中國科學,2006,36(8):743-754.

[2] 吳青柏,牛富俊.青藏高原多年凍土變化與工程穩(wěn)定性[J].科學通報,2013,58(2):115-130.

[3] 甘華陽,卓慕寧,李定強,等.廣州城市道路雨水徑流的水質特征[J].生態(tài)環(huán)境,2006,15(5):969-973.

[4] 荊紅衛(wèi),張志剛,郭婧.北京北運河水系水質污染特征及污染來源分析[J].中國環(huán)境科學,2013,33(2):319-327.

[5] Nielsen D R, Bouma J. Soil Spatial Variability: Proceedings of a Workshop of the ISSS and the SSSA, Las Vegas, Nev., USA, 1984[M]. Vageningen: Pudoc. 1985.

[6] 陳瑩,趙劍強,胡博.西安市城市主干道路面徑流污染特征研究[J].中國環(huán)境科學,2011,31(5):781-788.

[7] Gromaire M C, Garnaud S, Saad M, et al. Contribution of different sources to the pollution of wet weather flows in combined sewers[J]. Water Research, 2001,35(2):521-533.

[8] 董欣,杜鵬飛,李志一,等.城市降雨屋面、路面徑流水文水質特征研究[J].環(huán)境科學,2008,29(3):607-612.

[9] Furumai H, Balmer H, Boller M. Dynamic behavior of suspended pollutants and particle size distribution in highway runoff[J]. Water Science Technology, 2002,46(11/12):413-418.

[10] 陳瑩,趙劍強,胡博.西安市城市主干道路面徑流污染及沉淀特性研究[J].環(huán)境工程學報,2011,5(2):331-336.

[11] 李賀,張雪,高海鷹,等.高速公路路面雨水徑流污染特征分析[J].中國環(huán)境科學,2008,28(11):1037-1041.

[12] 王和意,劉敏,劉巧梅,等.城市暴雨徑流初始沖刷效應和徑流污染管理[J].水科學進展,2006,17(2):181-185.

[13] Bertrand-Krajewski J L, Chebbo G, Saget A. Distribution of pollutant mass vs volume in stormwater discharges and the first flush phenomenon[J]. Water Research, 1998,32(8):2341-2356.

[14] Saget A, Chebbo G, Bertrand-Krajewski J L. The first flush in sewer systems[J]. Water Science and Technology, 1996,33(9):101-108.

[15] Li Qing, Cheng Qing, Qing Ci, et al. First flush of storm runoff pollution from an urban catchment in China[J]. Journal of Environmental Sciences, 2007,19(3):295-299.

[16] Luo Hongbing, Luo Lin, Huang Gu, et al. Total pollution effect of urban surface runoff[J]. Journal of Environmental Sciences, 2009,21(9):1186-1193.

[17] 王書敏,郭樹剛,何強,等.城市流域降雨徑流水質特性及初期沖刷現(xiàn)象[J].環(huán)境科學研究,2015,28(4):532-539.

[18] Barrett M E, Irish L B, Malina J F, et al. Characterization of highway runoff in Austin, Texas, area[J]. Journal of Environmental Engineering, 1998,124(2):131-137.

[19] Stotz G. Investigations of the properties of the surface water runoff from federal highways in the FRG[J]. The Science of the Total Environment, 1999,59:329-337.

[20] Pagotto C, Legret M, Le Cloirec P. Comparison of the hydraulic behaviour and the quality of highway runoff water according to the type of pavement[J]. Water Research, 2000,34(18):4446-4454.

Characteristics of Water Environment at Road Area of Typical Highway in Qinghai Tibet Plateau

HU Lin1,3, WANG Qi1, SHAN Yongti1, YIN Jing1, CHEN Jiding2, KONG Yaping2

(1.CCCCFirstHighwayConsultantsCo.Ltd.,Xi’an,Shaanxi710065,China; 2.ChinaAcademyofTransportationSciences,Beijing100029,China; 3.StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China)

[Objective] The objective of the study is to investigate the characteristics of water environment and influencing factors at road area of highway in the Qinghai Tibet Plateau, and to provide theoretical basis and scientific support for the construction of the Qinghai Tibet highway and water environmental protection measures. [Methods] Based on the test results of water environment along Gongyu highway(from Gonghe to Yushu County in Qinghai Province) and Qinghai Tibet highway(from Geermu to Lhasa City) in June to July of 2015, we analyzed water environment characteristics and influencing factors in highway road area in Qinghai Tibet Plateau. [Results] Statistic test showed that the significant differences existed in runoff water pollution in highway road area of the Qinghai Tibet Plateau, and high variability was found in the water quality indexes, with coefficient of variation(Cv) ranging from 11% to 396%, indicating that pollutant in runoff varies by location. We also compared water environment characteristics in typical highway areas, and found that water environment quality was better in new highway area than old highway area. The highway operation had a significant impact on water environment. Person test showed that runoff water, suspended solids(SS) and other water quality parameters was correlated with each other to a certain degree, indicating that SS was not only the main pollutants of runoff in the Qinghai Tibet Plateau region, but also is the carrier of other pollutants, including the heavy metals and chemical oxygen demand(COD). [Conclusion] Road runoff is the main source of the water pollution in road area, collection and treatment of road runoff and the use of new pavement will effectively reduce the impact of highway on water environment in the highway area.

Qinghai Tibet Plateau; highway area; water environment; relationship

2016-06-03

2016-07-04

國家科技支撐計劃項目“高海拔高寒地區(qū)高速公路建設環(huán)境保護技術”(2014BAG05B06)

胡林(1986—),男(漢族),陜西省西鄉(xiāng)縣人,博士,工程師，主要從事公路環(huán)境保護與土壤侵蝕研究。E-mail:27430166@qq.com。

A

1000-288X(2017)01-0286-06

X52， X734