基于多孔混凝土的低碳植草沟(GP水沟)技术

Posted 2023-01-12 红壤

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GP水沟(GrassedswalebasedonPorousconcrete)是基于植草绿化多孔混凝土的低碳排水设施。分析了GP水沟的填充基质、种植植被的选择原则和使用配比，介绍了基质的填充方法和水沟的维护手段。GP水沟因具有降污、固土、减排、绿化等多项优点，有望成为未来高速公路排水和水处理的核心技术。
[中图分类号]U417.3　[文献标识码]A　　[文章编号]1674—0610(2010)05—0052—04
高速公路的排水一直是高速公路水环境保护的重点。目前高速公路建设对处理污水的方法是将路面和边坡排出的污染物直接沿边沟或排水沟排到沉淀池中，通过简单的沉淀法来解决高速公路水污染问题，易出现积水导致蚊虫等有害生物和微生物滋生，伤害附近居民的健康。植草沟(GP水沟)是土壤表面植草的一种景观性地表沟渠排水系统。地表径流以较低的流速被沟表面的草被净化，通过沉淀和生物过滤的方法排除径流污染物[1，2]。据美国多年研究，一般情况下，一条设计合理、维护得当的植草沟，可以去除70%的总悬浮物、30%的总磷、25%的总氮和50%～90%的重金属。因此，美国多个洲的高速公路暴雨防治手册都建议用植草沟控制径流污染。
植草沟虽然在国外得到了广泛应用，但也有诸多限制，如地表径流流速不能超过5m/s，纵坡不能大于5%，为了减低径流的流速、加大排出的污水与草沟的接触面、提高排污效果，传统植草沟或草皮沟的横截面在设计时比普通排水沟的宽等。由于湖南属于亚热带季风湿润气候，一年中雨水集中，降雨时产生的地表径流量大，这使高速公路上的排水系统排水负担重，排水流量大、流速快，影响植草沟的使用效果。目前我国高速公路的路边沟纵坡坡度普遍大于5%，截水沟和急流槽的坡度更高达到30%以上，使用传统植草沟或草皮沟不能满足排水要求、有效发挥降污效果。中国人均耕地少，土地资源缺乏、建筑用地有限，用截面大、占地多的排水沟浪费土地。以上因素都限制传统植草沟和草皮沟在国内，特别是湖南地区的使用，如果不将传统植草沟和草皮沟进行改良，植草沟排水系统在国内难于推广使用。
1.GP水沟特点
湖南和创环境工程有限公司参考国外最新研究资料开发了一种新型的排水沟———GP水沟(GrassedswalebasedonPorousconcrete)是基于植草绿化多孔混凝土的排水设施，基础构件的特征是上部为大孔隙无沙绿化混凝土，下部为起支撑作用的水泥框。在混凝土内部和水泥框内可填充原土、客土或根据特殊要求新配的复合营养土。植物则在填土的多孔混凝土中生长。其主要特点是：
①填土量大。GP水沟的多孔混凝土基盤的空隙率约为30%，填土率可达其自身体积的70%，而传统多孔混凝土的填土率最大为40%，对种植的植物普遍存在供养不足的问题[5，6]，但填土量大的GP水沟能为植物提供营养环境良好的生长环境，使草坪密植率增加。
②抗冲刷性能好。GP水沟内草坪的密植率增加，加上多孔混凝土基盤对植物根系的固定作用，草沟中植被的耐冲刷性显著提高，这使GP水沟可用在坡度较大，径流速度较快的地方。
③降污效果突出。GP水沟综合草、土壤及多孔混凝土的沉淀、过滤、吸附和渗透作用，降污效果比传统植草沟好。
④二氧化碳排放量少。GP水沟在建植时施用低碳型水泥，并且用废弃混凝土和砖为骨料，二氧化碳排放量比水泥沟少。另外，水沟内的植被，在进行光合作用时，能吸收空气中的二氧化碳并释放氧气，起到改善空气中的二氧化碳和氧气的比例、减少空气中二氧化碳含量的效果。
⑤美化环境。GP水沟完全解决了原来的浆切片石水沟不能绿化、不能与周围植物和自然环境融合的缺点，它不仅有绿化环境的效果，而且能与周围景色融成一体，具有优秀的景观效果。
综上所述，GP水沟是集固土、绿化、降污、减排于一体的多功能环保型排水沟。它可以广泛使用于高速公路、公路和其它各类建筑的排水和水处理设施中。
2.GP水沟的技术要点
2.1 湖南的气候和土壤特点
湖南省属于亚热带，为大陆性特点的亚热带季风湿润气候。气候温暖、四季分明、热量充足、雨水集中、春温多变、夏秋多旱、严寒期短、暑热期长。全省各地平均气温一般为16℃～19℃，平均降雨量在1200～1700mm之间，并集中在4～6月份，约占全年总降水量的40%[7，8]。
红壤是湖南典型的地带性土壤，在中国土壤系统分类中相当于湿润富铁土。表土一般养分含量不高，有效磷极少；pH在4.5～5.2之间；粘重，质地粘结，保水、保肥力差，土壤贫瘠，耕性较差。
2.2 填充基质的选用
优良的填充基质应具备以下条件：颗粒小，质地均匀，易分散；经济实惠，价格便宜；偏酸性，能改善空隙碱性内环境；保水保肥能力好；有降污和吸附重金属的能力。
本构件选择的填充基质(见表1)如下：
①红壤。红壤为湖南的主要土壤类型，属酸性粘土。用红壤做填充基质能在一定程度上中和多孔混凝土孔隙的碱性，此外，红壤含植物生长所需的各种大量和微量元素，在当地容易获得，价格相对便宜，所以被选做主要的填充基质。
②过磷酸钙。由于红壤是富含铁、铝氧化物，缺乏速效磷的土壤，所以基质中需添加能提高磷含量的物质。本产品选择过磷酸钙作为磷元素的供给材料。过磷酸钙的主要成分为磷酸二氢钙和石膏，磷酸二氢钙能为红壤提供速效磷，此外，过磷酸钙呈酸性，作为添加物还能起改善多孔混凝土碱性内环境的作用。
③木炭。填充基质的主要材料红壤的保水能力较差，为了改善保水性能，可以使用木炭作为保水剂。木炭为多孔物质，具有强的吸水和保水功能。这些孔隙还能吸附多种重金属物质，特别是Zn和Cu(这两种重金属是高速公路径流污染的主要重金属污染物)。另外，木炭还能提高丛枝菌的侵染能力，为丛枝菌的生长提供充足的氮和磷。
④沸石。沸石具有发达的孔隙，吸附性强，是良好的无机物离子交换剂。在基质中添加沸石能增加阳离子交换量。阳离子交换量可用作评价土壤保肥力的指标。一般认为小于10cmol/kg的基质，保肥力弱；10～20cmol/kg的基质，保肥力中等；大于20cmol/kg的基质，保肥力强。红壤是一种阳离子交换量低的土壤，其表土层的阳离子交换量仅为4.73cmol/kg，属于保肥力弱的壤质。添加沸石这样能增加基质阳离子交换能力的材料，可以提高基质的保肥能力。此外，沸石的吸附性强，作为基质具有吸附污染物的效果。
⑤秸秆堆肥。在养分相对贫瘠的红壤中添加秸秆堆肥，可提高基质的养分含量、增加保水能力改善基质结构。
⑥有效土壤菌。在基质中添加固氮菌和丛枝菌，能促进植物固定和吸收氮元素、提高其抗逆性、抗病性和吸收养分与水分的能力。固氮菌在农业生产上应用较多，它的主要作用是使原本不能固定氮的植物，具有固氮能力，大大提高植物对氮元素的利用效率，促进植物及其他根系微生物的生长。据研究，草地常见固氮菌株主要来至浸麻芽孢杆菌属(Bacillus)、产气肠杆菌属(Enterobacter)、固褐固氮菌属(Azotobacter)和假单孢菌属(Pseudomonas)[13，14]。本产品基质中添加的固氮菌可根据种植的草种选择合适的菌株。丛枝菌是在农业和林业上应用广泛的一种真菌。侵染植物的丛枝菌根能促进宿主根系对土壤矿质元素的吸收，提高宿主根系抗病能力，增强植物对干旱、酸碱、盐和重金属污染的耐性。根据草坪草丛枝菌的研究成果，草地中主要的丛枝菌为球囊霉属(Glomus)和巨孢囊霉属(Gigaspora)[11，12]，本产品基质中添加的丛枝菌可根据种植的草种选择合适的菌株。另外，研究证明固氮菌能为丛枝菌提供氮源，刺激丛枝菌在宿主植物上生长。在基质中同时添加2种菌有利于菌根在植物根系上繁殖、生长。如不考虑添加成本，填充基质可按比例添加2种菌，提高植物菌根的数量和质量。如考虑添加成本，填充基质可只选择一种菌。因丛枝菌能提高宿主植物多项生理功能，添加时首选丛枝菌。在这种情况下，可用木炭代替固氮菌，提高丛枝菌的侵染能力。

2.3 种植植物品种的选用
根据湖南的气候特点和土壤特点，选择植草沟中种植植物品种应遵循以下原则：①适应当地气候和土壤条件的草本植物；②耐雨水冲刷、对地表径流的延阻能力较强；③根系发达、密植；④被浸泡24h候后仍能生存；⑤降污净水效果好，吸附重金属能力强；⑥耐粗放管理；⑦抗逆性强。
现阶段选用植草混凝土构件的种植植被，可从3方面考虑：①选择适应湖南气候和土壤环境的植物。湖南高速公路上常用的暖季型草有狗牙根、百喜草、假俭草(Eremochloaophiuroides)、弯叶画眉草(Eragrostiscurvula)和结缕草(ZoysiajaponicaSteud.)；常用的冷季型草有高羊茅、黑麦草(LoliumperenneL.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和白三叶(TrifoliumrepensL.)。考虑到湖南冬季短、夏季长且夏季地表温度高，冷季型草一般难以度夏，在炎热的夏天基本死亡。而耐高温的暖季型草在冬天基本进入休眠，但并未死亡，第二年仍能发芽。因此，本构件种植的草因以暖季型草为主，进入冬天再补种冷季型草。②考虑草种在应用时需具有耐冲刷性。根据美国的研究，植草沟中植被能承受的最大流速如表2所示。据该表的结论，当植草沟种植狗牙根、百喜草和高羊茅时，通过草沟的地表径流允许的最大流速较高，并且该结论不受土壤壤质的影响。这意味着暖季草中狗牙根和百喜草有较好的耐冲刷性，冷季草中高羊茅有较好的耐冲刷性。③考虑到草被的固土问题，因本构件主要用在植草沟上，经常受雨水冲刷，构件中的填充基质容易流失(特别是在坡度较大的截水沟上使用)，在选择种植草被时，应选取根深且固土能力强的品种。

综上所述，本构件的草种种植方案为：春末夏初，以种植狗牙根为主，百喜草为辅，2种草混合播种，狗牙根的混播率为80%，百喜草的混播率为20%。冬季来临，补种高羊茅和白三叶，高羊茅的混播率为70%，白三叶的混播率为30%。

2.4 填充材料的灌注
填充材料分2层分开灌注。第1层灌注步骤为：首先将红壤用自来水溶成匀稠的泥浆，然后将其他的填充材料按表1的配方溶解到均匀的泥浆内，最后将混合了添加物的泥浆分3次灌入成型7d后的多孔混凝土中(前一次灌注的泥浆下沉到底部位置后再进行后一次灌注)。填充材料灌注的厚度和产品构件的厚度一致，为6cm。第2层铺灌的步骤为：待填充材料灌注完毕后，在构件表层铺上2cm厚的表土，表土的配方与填充材料基本相同，仅增加了植物种子。表土材料混合时不用配成均浆状，以颗粒状混合均匀即可。
2.5 GP水沟的养护
GP水沟在投入使用后，需要管理和维护。据美国多年研究，为了保证植草沟内草的适宜高度和良好覆盖率，传统植草沟在一年中需刈割一到两次。GP水沟的维护情况和传统植草沟的大致相同。因此，GP水沟在一年中可视情况修剪1～2次。
另外，GP水沟在使用的过程中，容易堆积垃圾和沉积物。在高速公路上使用更是如此。垃圾和沉积物的大量堆积会影响水沟的正常运行，清除后恢复原设计的坡度和高度才能使水沟正常运作。因此，应定期查看并及时移除GP水沟中出现的垃圾。对沉积情况特别严重，沉积物移除后可能打乱原有草被生长，造成部分地方草皮枯死的情况，还需及时修补或局部补种草被。
3.展望
高速公路建设为了响应国家建设环境友好型、资源节约型社会的号召，正在逐步抛弃以前高能耗、高排放、高污染的传统产品，改变低效率的传统降污模式，为此需要更多优秀的环保产品。GP水沟汇集降污、净水、固土、减排、绿化等多项优点，是一款科技含量高、适用范围广、使用性能优越的环保产品。基于该产品推出的一系列排水方案，有着优秀的环保效果、巨大的推广潜力，将成为未来高速公路排水和水处理的核心技术。