海绵城市相关技术在变电站中的应用研究

张 鹏，李鹏程，赵 彪，王 雷

(1.国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司，河北省石家庄市桥西区北人字街22号 050000；2.河北水利电力学院，河北省沧州市重庆路1号 061001；3.河北建设勘察研究院有限公司，河北省石家庄市鹿泉区槐安西路555号 050000)

2012年4月，在《2012低碳城市与区域发展科技论坛》中，海绵城市的概念首次提出。《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》对海绵城市定义如下：海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。《海绵城市LID的内涵、途径与展望》一文中，提到“海绵城市本质是解决城镇化与资源环境的协调和谐。传统城市开发方式是粗放式、破坏式的，海绵城市则保护原有的水生态；传统城市的建设模式是粗放式、破坏式的，海绵城市对周边水生态环境则是低影响的”。2014年4月，习总书记在一次关于水安全的讲话中指出要解决城市缺水问题，并再次提出海绵城市的概念。建设海绵城市对于缓解各地新型城镇化建设中遇到的内涝问题，削减城市径流污染负荷，节约水资源，保护和改善城市生态环境具有重要意义。2015年10月11日，国务院办公厅印发《关于推进海绵城市建设的指导意见》，提出海绵城市建设中综合采取“渗、滞、蓄、净、用、排”六大类措施[1-2]。

1 变电站特点及用水分析

1.1 变电站特点

(1)模式化布局 不同容量变电站在整体组成上均遵循一定模式，一般由厂前区及设备区组成(如图1、图2所示)，综合占地规模一般在3.33～20hm2之间。一般选址在城市郊区农田中，最大化地减少对城市建设用地影响。

图1 220kV变电站Fig.1 220kV transformer substation

图2 500kV变电站Fig.2 500kV transformer substation

(2)地面绝缘设计 对于变电站(升压变电站或降压变电站)，其工作电压均已超过人体安全电压，因此变电站场地面层采取绝缘设计。

(3)环境单一性 为确保变电站运行时的稳定性及减弱外部环境的影响，变电站厂区环境设计很单一。根据国网标准的要求，变电站厂内道路采用混凝土道路(如图3所示)，厂前区铺设便道砖，设备区因绝缘需要铺设碎石面层或卵石面层(如图4所示)。厂内不得种植灌木及大型乔木。

图3 混凝土地面Fig.3 Concrete ground

图4 碎石面层地面Fig.4 Gravel surface

1.2 变电站用水分析

变电站的用水主要包含生活用水、厂区洒扫用水、消防用水。生活用水一般是值守人员用水和巡检人员用水。根据对河北省南部电网的22座变电站用水情况进行调研及分析，110kV变电站站区值守人数2～4人，220kV变电站值守人数3～6人，500kV变电站值守人数4～6人，值守人员一般为两班倒24小时值守。定期巡检人员10～30人，巡检频次为2次/月。根据《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003)生活用水量定额为50～100L/(人·日)，使用时数24h，小时变化系数3.0～2.5。巡检人员参考“工业企业建筑，车间工人生活用水定额确定，采用30～50L/(人·班)，使用时数8h，小时变化系数2.5～1.5。洒扫用水为每月1次，每次1h，2个洒水栓0.7L/s。另外还有150m3消防用水。变电站年用水量见表1。

表1 变电站年用水量汇总

2 变电站使用海绵技术的优劣势

基于变电站特点及用水分析，相对于其他城市建设项目而言，变电站在采用海绵技术方面有其自身的特点。

(1)优势 变电站一般选址在城市郊区，市政供水不便，开挖自备井存在污染地下水源的风险，采用海绵技术将雨水进行收集、利用，可以节约水资源，同时有效降低此类风险。变电站值守人数较少，变电站内部收集雨水量可满足日常用水需求。变电站远离市区且厂区内凝土路面、便道砖、碎石面层占比较大，环境单一，下垫面简单，雨水收集难度较低，与此同时变电站内植物较少，汇集的雨水有机物含量较低，水质较好[3-4]。最后变电站采用海绵技术可有效削减雨水径流，降低厂区内雨水外排对周边环境的影响。

(2)劣势 变电站厂区占地面积较大，可集水量远大于站内需水量。变电站的布置要求厂区内下垫面减少植被的覆盖，厂内不得种植灌木及大型乔木，下垫面多为硬质地面，使得厂区内无法使用海绵城市LID措施，如“雨水花园、植草沟、滞流池、生态树池”等有植物参与的“渗透类、滞流类”海绵技术的使用，对生态、气候等的改变降低。最后变电站采用海绵技术时不得影响站区内原有设备的布置和使用，不利于海绵城市技术的实施。

3 变电站海绵技术及雨水综合利用

3.1 变电站海绵技术

根据海绵技术在变电站应用中的优势、劣势以及变电站自身特点及布置要求，不同类型海绵城市技术在变电站中的应用将受到一定限制。与此同时变电站自身用地规模的限制，其使用尺寸相对于城市区域较小。变电站可采取“渗、蓄、净、用、排”五类海绵城市技术，在雨水的收集利用方面可归为“收集、储存、净化、使用”。

3.1.1 收集

在雨水收集方面，根据变电站场地特殊要求，其适用的场地收集措施主要包括屋顶雨水收集、道路雨水收集、场地雨水收集[4-6]。变电站一般的降雨排水方式是通过屋顶排向道路，道路雨水流经场地汇入到雨水井中，最后通过雨水管道及泵池排到厂外。经计算比较仅场地集雨即可满足变电站的用水需求，其雨水收集利用变电站场地，取消利用屋顶雨水收集、道路雨水收集，以减少变电站海绵城市技术应用成本投入。场地一般构造是三七灰土及碎石面层，对雨水有一定污染不利于收集洁净的雨水，所以对场地地面的构造进行改进使之成为透水地面(如图5所示)，由上到下依次为鹅卵石、粗砂、土工布、集水板(见图6)、三七灰土。鹅卵石可以满足对跨步电压的要求，土工布和集水板可以满足对雨水的高效截流，粗砂可以满足对雨水的初次过滤。雨水由场地渗透汇集入曲纹网状PE集水管(如图7所示)，透水管外侧敷设土工布，对雨水进行二次过滤。之后雨水汇集到沉沙过滤井(如图8所示)中再次对雨水中的泥沙进行沉淀过滤之后由管道排向储水池。变电站内一般不使用融雪剂等化学药剂，沉沙井可不考虑初期雨水弃流。

图5 透水地面Fig.5 Pervious surface

图6 集水板Fig.6 Catchment plate

图7 PE集水管Fig.7 Catchment pipe

图8 沉砂过滤井Fig.8 Sand sinking filter well

3.1.2 储存

将收集的雨水进行储存，以满足变电站用水需求。经过透水地面、集水管、沉沙过滤井的雨水得到初步净化，泥沙及悬浮物等污染物大幅度下降，可满足变电站内的洒扫用水需要。蓄水池由PE集水模块、成品集水箱、混凝土蓄水池组成。PE集水模块施工简单但不便于后期清扫，并且其上部不承受荷载。成品集水箱施工简单，但需要占据大量地面空间，同时也不能承受荷载。由于变电站的场地限制，蓄水池只能设置在厂前区，并且厂前区地面需要停放车辆，所以混凝土蓄水池适用于地埋式。根据需要蓄水池需要设计2个，一个蓄水池用于储存收集的雨水，另一个蓄水池用于储存初级净化的雨水。

根据河北省的降水特点，每年4月至10月的降水量可占全年降水的80%，11月至次年3月约占20%且多为降雪的形式，不计入可收集的降水量，所以储水池需要储存至少5个月的用水，按照设计标准，本次设计存储量按需要存储值的120%计算。通过计算蓄水池一容积为290m3，包含150m3未过滤消防备用水，30m3洒扫用水，110m3未过滤的生活备用水。蓄水池二设计容积为260m3包含150m3消防水源，110m3初级过滤的生活原水。根据收集雨水面积公式S=V/0.8HΨ(S集水面积，0.8占年降雨量比例，H年降雨量，Ψ控制径流系数)，需要场地集雨面积为1500m2至1800m2。

3.1.3 净化

储存在蓄水池中的雨水虽然已经可以满足洒扫用水的需求，但是水质无法达到消防用水及生活用水标准，需要进行进一步净化。净化分为初步净化及深度净化。初步净化雨水时通过地埋式一体净化机(如图9所示)过滤掉其中的悬浮物，再添加净水剂抑制微生物的生长，过滤后的水质达到生活杂用水的水质标准，可用于冲厕所、洗车、消防备用水源，同时作为深度净化的原水。深度净化是将原水由增压泵加压经过阻垢剂投加系统、精密过滤器，再通过高压泵将原水送至反渗透设备处理然后得到纯水(如图10所示)，纯水可供生活使用(洗澡、饮用)。过滤设备需设置在约15m2的设备间且冬季温度不低于零度。

图9 一体净化机Fig.9 Integrated Purifier

图10 深度净化原理图Fig.10 Schematic diagram of deep purification

3.1.4 使用

雨水经过收集、储存、净化后可作为洒扫、冲厕所、洗车、消防备用水源以及生活水源。以位于河北省某占地面积3.33hm2的变电站为例，其年降雨量600mm，控制径流50%计算，每年收集近10000m3的雨水，收集量远远大于变电站的需水量，多余雨水可用于周围工业园区的生活用水、工业用水等。

3.2 变电站雨水综合利用方案

前文介绍了变电站内所适用的海绵城市技术，由“收集、储存、净化、使用”4类组成[7-8]。变电站雨水综合利用方案中部分雨水由非透水地面汇集入雨水管道，经雨水管道输送至泵池，最后泵送至变电站场外。另一部分由透水地面渗透经集水管过滤汇集到沉沙过滤井，沉淀掉其中的粗砂汇集到蓄水池，多余部分经雨水管道排至泵池排出厂外。蓄水池中的雨水一部分做洒扫用水，另一部分经过地埋一体机净化达到生活杂用水水质标准，用作消防用水，同时一部分作为深度净化的原水经过反渗透设备深度净化，得到生活用水。整个雨水综合利用系统工艺流程如图11所示。

图11 雨水综合利用系统工艺流程Fig.11 Process flow of rainwater comprehensive utilization system

4 结论

海绵城市技术应用于变电站，使得雨水再次利用，满足站区内生产生活用水，避免开挖水井对当地地下水污染的潜在可能，同时也节约地下水资源，具有一定的生态效益。

文中在阐述变电站特点的基础上对变电站使用海绵技术的优劣势进行探讨，分析计算了不同类型变电站需水量，在此基础上提出变电站集雨场地布局方案。根据海绵城市技术的适用性，对变电站海绵城市技术及其在雨水净化和综合利用方面进行了研究。研究成果为海绵城市技术在变电站中的应用提供了技术支撑。