一种公路海绵型复合边沟碳中和系统与方法

技术领域

本发明涉及公路边沟碳中和及雨洪利用，特别是涉及一种公路海绵型复合边沟系统及其设计方法。

背景技术

为应对全球气候变化，我国提出碳达峰、碳中和的目标愿景。交通运输行业是国家重点终端用能行业，能源消费量约占全社会能源消费总量的8％。因此，交通行业的碳中和将成为新时代中国能源发展的焦点之一。碳中和主要从减少二氧化碳等温室气体排放，增加碳汇、发展碳捕集和封存技术等两方面着手，着力实现排放量和吸收量的平衡。碳中和是低碳技术的最佳目标和效果，虽然公路目前有不少低碳技术，但是能真正达到碳中和的技术极为缺乏。

因此，在应对全球气候变化的形势下，本发明从公路交通基础设施的行业特点出发，提出一种能够实现生命周期碳中和的公路边沟结构及其设计方法，该边沟还能实现径流收集、导排、净化、利用等海绵功能。

发明内容

本发明提供了一种公路海绵型复合边沟系统结构，能够实现对公路径流安全顺畅收集和导排，对公路径流各类污染物综合去除效果好，施工便捷节能，管理养护简单，地域适应性广，景观效果好，并兼具危险化学品泄漏事故应急功能，尤其是该结构可以实现从原材料生产、施工和运营全生命周期碳中和效果。

公路海绵型复合边沟碳中和系统与普通边沟间隔设置，即上游公路径流从普通边沟结构的进水沟1流入公路海绵型复合边沟碳中和系统，经过公路海绵型复合边沟碳中和系统净化后，从普通边沟结构的出水沟5流出。一种公路海绵型复合边沟碳中和系统一方面接纳上游公路普通边沟收集的纵向路面径流，另一方面还接纳本路段公路路面径流横向汇入。纵向路面径流和横向路面径流在公路海绵型复合边沟碳中和系统中经过折流沉淀、过滤、吸油、生物降解和植物吸收等复合净化后排入出水沟5。

本发明的一种公路海绵型复合边沟碳中和系统，包括水平依次连接的泥沙预沉渠2、过滤吸油渠3和生态净化渠4三个单元，路面径流由进水沟(1)进入泥沙预沉渠，经处理后由出水沟(5)排出；

其中，所述泥沙预沉渠2的进水侧和出水侧中上部分别设有第一进水口6和第一出水口11，所述进水侧底部设置有集沙斗7，用于初沉的大颗粒泥沙，所述泥沙预沉渠2的底板从所述出水侧到所述进水侧设有一定倾角的汇泥斜坡10，使得沉淀泥沙向集砂斗7和集泥槽9汇集，便于定期清理；

所述过滤吸油渠3在进水侧的中上部通过所述第一出水口11承接所述泥沙预沉渠2出水，在所述过滤吸油渠3的出水侧底部设有第二出水口14，所述过滤吸油渠3自下而上设有第二过滤层17、第一过滤层16和吸油纤维层15，所述第二过滤层17、第一过滤层16的顶部设有防止滤料上浮流失的格栅板24；

所述生态净化渠4在进水侧底部通过所述第二出水口14承接所述过滤吸油渠3出水，所述生态净化渠4自下而上依次设有改性火山岩层18、锯末层19、改性陶粒层20、配置种植土层21和碳汇植被22，所述生态净化渠4在出水侧配置种植土层21之上设有第三出水口23。

进一步的，所述汇泥斜坡10中部向上设有折流挡板8，用于改变水流方向，提高沉淀效果，所述折流挡板8与所述汇泥斜坡10交汇形成集泥槽9，用于收集次沉的泥沙和悬浮物。

进一步的，所述泥沙预沉渠2和过滤吸油渠3顶部设有网格盖板12，当需要清理时打开网格盖板即可直接抽吸；所述泥沙预沉渠2、过滤吸油渠3和生态净化渠4的底部和侧壁采用防渗土工布设置防渗层13。

进一步的，所述泥沙预沉渠2和过滤吸油渠3的上部还设有一定富裕空间，分别占各自总空间的20％-40％，用于当暴雨时大量径流汇入时缓冲。

进一步的，所述第一出水口11上设有阀门，当发生危化品泄露事故时关闭阀门，将危化品及其泄露液存储在泥沙预沉渠。

进一步的，所述第二出水口14设有拦网25，防止滤料流入生态净化渠4。

进一步的，所述过滤吸油渠3中第二过滤层17、第一过滤层16和吸油纤维层的滤料选择具有良好的吸附、过滤功能和一定除油功能的材料；更进一步的，所述过滤吸油渠3中自下而上设置的第二过滤层17、第一过滤层16和吸油纤维层15填充的滤料依次优选为聚醚海绵、聚酯海绵和吸油纤维，因为聚醚海绵、聚酯海绵均为大孔轻质材料，比表面积很大，具有很好的吸附过滤净化效果，所述吸油纤维15优选为纳米吸油材质。

进一步的，所述配置种植土层21低于公路路面10-15cm，用于增加本路段路面的横向径流下渗缓冲时间。

进一步的，所述生态净化渠4中所述改性火山岩层高度为40-70cm，填充粒径50mm的改性火山岩，改性火山岩主要是常规火山岩和粉末活性炭混合加工制得，具有更好的吸附效果。

进一步的，所述锯末层高度为10-30cm，填充粒径30mm的锯末，并掺加体积比10％的微生物速溶球，锯末用于为硝化反应和反硝化反应增加碳源，提高微生物降解效果。

进一步的，所述改性陶粒层高度为50-80cm，填充粒径20mm的改性陶粒，并掺加体积比20％的微生物速溶球，改性陶粒采用沸石、粉煤灰和碳酸钙等复合加工而成，具有很高的孔隙率，吸附性、离子交换性和微生物亲和性。

进一步的，所述微生物速溶球内部填充用于深度脱氮除磷的功能微生物，微生物优选方案为芽孢杆菌、红细菌和微小杆菌，所述微生物速溶球外部采用PVA包装，遇水后可逐渐溶解，从而使得功能微生物均匀分散到锯末层和改性陶粒层。

进一步的，所述配置种植土层采用当地种植土壤和黄砂，体积配比为种植土：黄砂为70：30；所述碳汇植被采用当地碳汇效果较好的植被，并根据碳中和配置方法确定种植配比。

本发明还提供了一种公路海绵型复合边沟系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据公路等级及汇水段总长确定汇水单元长度L；

步骤二、根据路面径流的污染特性，结合路面宽度及其污染物去除效率及水力负荷，确定海绵型复合边沟长度，一般取汇水单元长度的30％-50％；

步骤三、计算汇水单元长度范围内海绵型复合边沟汇集路面径流总量，即单元泥沙预沉渠容积V

V

式中：V

步骤四、确定单元泥沙预沉渠的尺寸

根据路侧场地空间确定单元泥沙预沉渠的宽度b

L

步骤五、确定单元过滤吸油渠的尺寸

考虑施工便捷易于机械化，单元过滤吸油渠的宽度b

步骤六、确定单元生态净化渠的尺寸

考虑施工便捷易于机械化，单元生态净化渠的深度h

L

步骤七、公路海绵型复合边沟碳中和系统的主要原料改性火山岩、锯末、种植土壤和黄砂等均为天然材料，不涉及碳排放；聚醚海绵、聚酯海绵、吸油纤维和改性陶粒生产会产生碳排放，根据材料用量和相应碳排放系数，可测算原材料生产阶段公路海绵型复合边沟碳中和系统原材料生产阶段的碳排放量Q1，其计算公式为：

式中：q

u

n为非天然原材料种类数；

i为各种非天然原材料；

步骤八、确定公路海绵型复合边沟碳中和系统施工阶段碳排放量Q

式中：u

e

k为单位里程运输碳排放量，kgCO

n

i

f

g

m为施工机械种类数；

j为各种施工机械；

步骤九、应选择当地高碳汇乔灌草组合以提高固碳效果，并兼顾植被群落的长期稳定性和景观性，计算单元公路海绵型复合边沟碳中和系统20年运营期的全部碳汇量Q

式中：p

r

S为单元生态净化渠上表面积，m

D为边沟运营时间，d；

t为碳汇植被种类数；

v为各种碳汇植被；

步骤十、公路海绵型复合边沟碳中和系统实现全生命周期碳中和，即Q

进一步的，所述步骤三具体包括以下步骤：

①查询地区暴雨强度公式，根据相关标准确定重现期和降雨历时，计算当地设计暴雨强度q；

②根据路面覆盖种类，按照表1确定拟收集路面的径流系数Ψ；

表1.径流系数表

③根据公路实际的路面汇水及坡面汇水总面积计算汇水面积F；

④集雨时间根据当地初雨径流污染程度确定，一般取1200-1800s。

进一步的，所述汇水单元长度L为100m～300m；所述海绵型复合边沟长度取汇水单元长度的30％-50％。

与现有技术相比，本发明的的特点在于：

1.本发明提出的公路海绵型复合边沟碳中和系统主要包括泥沙预沉渠、过滤吸油渠和生态净化渠三个单元，其中泥沙预沉渠通过折流沉淀去除初雨径流中的大颗粒泥沙和悬浮物；过滤吸油渠主要通过吸附过滤作用，为后续生态净化渠提供缓冲保障功能，并兼具吸油功能；生态净化渠通过微生物降解、介质吸附、植物吸收对雨水径流进行深度净化。在实现公路雨水汇集、导排等边沟基本功能的基础上，三个单元互相协同联动强化径流净化效果，并具备雨洪利用的条件，共同实现海绵公路低影响开发功能。

2.公路海绵型复合边沟碳中和系统采取各种技术措施减少碳排放，并增加碳汇效果，可以实现生命周期碳中和效果。在原材料生产阶段尽量采用天然建材，减少高生产排放的水泥、砂石等材料使用；在施工阶段尽量采用轻质材料，减少施工机械碳排放和材料运输碳排放；通过种植高碳汇效果植被，增加种植面积，提高运营阶段碳汇效果，在全部运营周期内，实现碳汇效果与原材料生产碳排放和施工碳排放相抵消的功能。

3.综合暴雨强度、路面径流污染特性、污染物去除效率、水力负荷、碳排放测算、碳汇计算等多种因素，提出了公路海绵型复合边沟碳中和系统全套设计方法，划分汇水单元，科学确定各部分结构与具体尺寸，并发明了生命周期各阶段碳排放计算方法。

4.泥沙预沉渠设有集砂斗、集泥槽和汇泥斜坡等单元，便于泥沙汇集和定期清理。

5.过滤吸油渠填充两种大孔高比表面积的轻质材料，具有很好的吸附过滤净化功能，还填充纳米吸油纤维，实现吸取浮油功能，并方便定期更换。

6.生态净化渠设有改性火山岩层、锯末层、改性陶粒层、配置种植土层和碳汇植被等复合结构。改性火山岩具有良好的吸附效果；锯末用于为硝化反应和反硝化反应增加碳源，提高微生物降解效果；改性陶粒具有很高的孔隙率，吸附性、离子交换性和微生物亲和性，可以深度除磷脱氮；配置种植土层采用当地种植土壤和黄砂，可以提升渗透系数，有利于雨水快速下渗；碳汇植被选择当地碳汇效果较好的植被，并兼顾植被群落的长期稳定性和景观性。

7.在生态净化渠的锯末层和改性陶粒层按照一定比例填充微生物速溶球。微生物速溶球内部填充用于深度脱氮除磷的功能微生物，外部采用PVA包装，遇水后可逐渐溶解，使功能微生物分散均匀。

8.泥沙预沉渠和过滤吸油渠的上部设有富裕空间，用于缓冲高强度暴雨径流。

9.公路海绵型复合边沟碳中和系统底部和侧壁设置防渗层，可保证危险化学品泄漏时不污染地下水。当发生危险品泄漏时，可通过闸门控制切断泥沙预沉渠与过滤吸油渠渠的联系，储纳危险品泄漏物，彻底控制水环境风险。

附图说明

图1为公路海绵型复合边沟碳中和系统的平面示意图

图2为泥沙预沉渠结构图

图3为过滤吸油渠结构图

图4为生态净化渠结构图

1：进水沟 2：泥沙预沉渠

3：过滤吸油渠 4：生态净化渠

5：出水沟 6：第一进水口

7：集砂斗 8：折流挡板

9：集泥槽 10：汇泥斜坡

11：第一出水口 12：网格盖板

13：防渗层 14：第二出水口

15：吸油纤维层 16：第一过滤层

17：第二过滤层 18：改性火山岩层

19：锯末层 20：改性陶粒层

21：配置种植土层 22：碳汇植被

23：第三出水口 24：格栅板

25：拦网

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的公路海绵型复合边沟碳中和系统其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效，详细说明如后。

实施例1

一种公路海绵型复合边沟碳中和系统，由泥沙预沉渠、过滤吸油渠和生态净化渠依次连接组成。公路海绵型复合边沟碳中和系统前、后均为普通边沟，间隔设置。公路海绵型复合边沟碳中和系统底部和侧壁采用防渗土工布两布一膜铺设。

进水沟收集的上游纵向路面径流通过第一进水口泥沙预沉渠进水侧的中上部流入，在泥沙预沉渠中经过折流沉淀作用进行一级净化，净化后通过位于泥沙预沉渠出水侧中上部的第一出水口流出，从过滤吸油渠进水侧中上部进入，经过上层的吸油纤维吸附和中、下层的滤料过滤等二级净化后，从过滤吸油渠出水侧底部通过第二出水口流出，从生态净化渠进水侧底部进入，通过改性火山岩的深度吸附过滤、锯末和改性陶粒的生物降解以及植物吸收等三级净化后，从生态净化渠出水侧上部的第三出水口流出，进入出水沟。本路段路面的横向径流通过泥沙预沉渠和过滤吸油渠顶部的网格盖板以及生态净化渠顶部的碳汇植被和种植土从上而下分别流入泥沙预沉渠、过滤吸油渠和生态净化渠。

泥沙预沉渠在总高度的三分之二处(从池底算起)设有第一进水口和第一出水口，在底部总长三分之一处(进水侧)向上设有总高度二分之一的折流挡板。在底部以3％的倾角向进水侧设有汇泥斜坡。泥沙预沉渠顶部设有钢混结构圆孔盖板，便于打开清理。第一出水口设有阀门，当危化品泄漏事故时关闭阀门，将危化品及其泄露液存储在泥沙预沉渠，交由环保部门抽吸外运处置，避免污染周边水体及地下水。

过滤吸油渠从下向上设有第二过滤层、第一过滤层和吸油纤维层，高度分别为总高度的30％、25％和5％，其余40％为富裕空间，用于暴雨缓冲。第二过滤层填充的滤料为聚醚海绵，第一过滤层填充的滤料为聚酯海绵，吸油纤维层填充的滤料为纳米吸油纤维聚醚海绵为10mm×10mm的中孔结构，聚酯海绵为20mm×20mm的大孔结构。在第二过滤层顶部和第一过滤层顶部均设有玻璃纤维格栅板，用于防止淹水时聚醚海绵和聚酯海绵流失。过滤吸油渠顶部设有钢混结构圆孔盖板，便于打开清理。

生态净化渠从下向上依次设有改性火山岩层、锯末层、改性陶粒层、配置种植土层和碳汇植被。改性火山岩层高度40cm，填充粒径50mm的改性火山岩。锯末层高度15cm，填充粒径30mm的锯末，并掺加体积比10％的微生物速溶球。改性陶粒层高度50cm，填充粒径20mm的改性陶粒，并掺加体积比20％的微生物速溶球。改性陶粒由沸石、粉煤灰和碳酸钙等加工制得。配置种植土层高15cm，采用当地种植土壤和黄砂，种植土：黄砂体积比为70:30。碳汇植被采用榆叶梅、连翘和结缕草。配置种植土层低于公路路面10cm。

微生物速溶球内部填充功能微生物，功能微生物主要为芽孢杆菌、红细菌和微小杆菌。微生物速溶球外部采用PVA速溶材质包装，遇水后可逐渐溶解，可以获得均匀的分散效果，从而使得整个生态净化渠微生物群落分布均匀稳定，不仅对COD有极高的去除效率，还可以深度除磷脱氮。

实施例2

在某双向四车道高速公路实施海绵型复合边沟碳中和系统，汇水单元设计长度为100m，单元海绵型复合边沟长度45m，其中单元泥沙预沉渠长8m，单元过滤吸油渠长5m，单元生态净化渠长32m。

单元泥沙预沉渠深1.5m，宽1m，容积12m

考虑到该高速公路周边聚酯海绵、聚醚海绵等原材料运距较远，为降低工程成本和施工阶段碳排放，过滤吸油渠从下向上铺设50cm高粒径为20mm的沸石和50cm高粒径为30mm的块石代替第二过滤层、第一过滤层，设置5cm吸油纤维层。

生态净化渠的改性火山岩层高度50cm，填充粒径50mm的改性火山岩。锯末层高度20cm，填充粒径30mm的锯末。改性陶粒层高度60cm，填充粒径20mm的改性陶粒。配置种植土层高10cm，种植土：黄砂的体积配比为70:30，配置种植土层低于公路路面10cm。碳汇植被栽植2排灌木，行距0.5m：一排金叶女贞，冠幅30cm，株距1.0m；一排紫叶李，冠幅20cm，株距1.0m。生态净化渠满铺早熟禾草皮。

测算海绵型复合边沟碳全生命周期碳排放如下：

(1)原材料生产阶段碳排放

本实施例中的公路海绵型复合边沟碳中和系统主要原料为改性火山岩、锯末、沸石、块石、种植土、黄砂均为天然材料，基本不涉及碳排放，改性陶粒烧制会产生碳排放，根据文献其碳排放系数为135.52kgCO

(2)施工阶段碳排放

本实施例中的公路海绵型复合边沟碳中和系统施工碳排放主要来自各种材料的运输和填充，根据文献公路柴油运输的油耗水平为3.23×10

(3)运营阶段碳汇

根据文献，碳汇植被选择当地碳汇效果最好的金叶女贞(固碳系数27.69g/d)和紫叶李(固碳系数32.87g/d)，选择草本植物中固碳效果最好的早熟禾(固碳系数11.50g/d)。根据灌草栽植情况，计算45m公路海绵型复合边沟碳中和系统日固碳量为0.33kg，20年运营期全部固碳量为3.11t。

从公路海绵型复合边沟碳中和系统的整个生命周期来看，碳排放量3.11t，碳汇量也是3.11t，实现了生命周期二氧化碳“零排放”，成为一种名副其实的公路生命周期碳中和技术。

实验一、公路海绵型复合边沟碳中和系统的污染物去除能力

实验例1

公路海绵型复合边沟碳中和系统如实施例1，在进水沟、泥沙预沉渠、过滤吸油渠出水口处、过滤吸油渠出水口处和生态净化渠出水口出分别采样，测定不同位置的水样中污染物TN、TP、COD、SS的含量，其中总氮(TN)采用过硫酸钾消解-紫外线分光光度法测定，总磷(TP)采用苯酚-次氯酸盐分光光度法测定，化学需氧量(COD)重铬酸钾法测定，悬浮物(SS)采用烘干重量法测定，检测结果如表2所述。

表2公路海绵型复合边沟碳中和系统净化效果(mg/L)

实验结果：表2表明本发明提供的系统对公路径流各种污染物均有良好的净化效果。

实验二、微生物速溶球填充微生物的种类的选择

氮磷是引起水体富营养化的主要营养物质，研究表明，部分微生物具有较强的脱氮除磷能力，本实验主要研究微生物速溶球填充微生物的种类对径流净化效果的影响，将不同种类的微生物用PVA进行包埋，然后加入有机玻璃反应器中，加入模拟水样(总氮浓度为20mg/L，总磷浓度为2mg/L)，曝气控制溶解氧DO＝2～3mg/L，待10h后取样检测总氮浓度和总磷浓度，每种微生物重复三次实验取平均值。

实验例2

公路海绵型复合边沟碳中和系统如实施例1，其中微生物速溶球填充的微生物为芽孢杆菌。

实验例3

公路海绵型复合边沟碳中和系统如实施例1，其中微生物速溶球填充的微生物为红细菌。

实验例4

公路海绵型复合边沟碳中和系统如实施例1，其中微生物速溶球填充的微生物为微小杆菌。

实验例5

公路海绵型复合边沟碳中和系统如实施例1，其中微生物速溶球填充的微生物为陶厄氏菌。

实验例6

公路海绵型复合边沟碳中和系统如实施例1，其中微生物速溶球填充的微生物为假红单胞菌。

表3微生物速溶球填充微生物的种类对径流净化效果的影响

实验结果：表3所示，芽孢杆菌、红细菌、假红单胞菌的脱氮除磷效果相对较好，因此，微生物速溶球包埋的功能微生物优选芽孢杆菌、红细菌、假红单胞菌。

实验三、过滤吸油渠不同种类滤料的污水净化效果对比

实验例7

过滤吸油渠如实施例1，其中第一过滤层选择聚酯海绵材质，第二过滤层选择聚醚海绵材质，不设置吸油纤维层。

实验方法：采取连续进水方式，从第一出水处连续进样，水样为模拟水样，各项污染物指标如表4所示，10h后从第二出水口处取样，检测样品中污染物TN、TP、COD、SS的含量，污染物含量的确定方法参见实施例1

实验例8

过滤吸油渠如实施例1，其中第一过滤层选择聚酯海绵材质，第二过滤层选择发泡聚丙烯材质，不设置吸油纤维层。

实验例9

过滤吸油渠如实施例1，其中第一过滤层选择发泡聚丙烯材质，第二过滤层选择聚醚海绵材质，不设置吸油纤维层。

表4过滤吸油渠不同种类滤料的污水净化效果对比

实验结果：由表4可以看到，聚酯海绵和聚醚海绵对污水的净化效果要优于发泡聚丙烯材料，因此过滤吸油渠的过滤层材质优选为聚酯海绵和聚醚海绵。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。