海綿城市相關(guān)技術(shù)在變電站中的應(yīng)用研究

張 鵬，李鵬程，趙 彪，王 雷

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊供電分公司，河北省石家莊市橋西區(qū)北人字街22號(hào) 050000；2.河北水利電力學(xué)院，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001；3.河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北省石家莊市鹿泉區(qū)槐安西路555號(hào) 050000)

2012年4月，在《2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》中，海綿城市的概念首次提出?！逗＞d城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》對(duì)海綿城市定義如下：海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用?！逗＞d城市LID的內(nèi)涵、途徑與展望》一文中，提到“海綿城市本質(zhì)是解決城鎮(zhèn)化與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)和諧。傳統(tǒng)城市開(kāi)發(fā)方式是粗放式、破壞式的，海綿城市則保護(hù)原有的水生態(tài)；傳統(tǒng)城市的建設(shè)模式是粗放式、破壞式的，海綿城市對(duì)周邊水生態(tài)環(huán)境則是低影響的”。2014年4月，習(xí)總書(shū)記在一次關(guān)于水安全的講話中指出要解決城市缺水問(wèn)題，并再次提出海綿城市的概念。建設(shè)海綿城市對(duì)于緩解各地新型城鎮(zhèn)化建設(shè)中遇到的內(nèi)澇問(wèn)題，削減城市徑流污染負(fù)荷，節(jié)約水資源，保護(hù)和改善城市生態(tài)環(huán)境具有重要意義。2015年10月11日，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出海綿城市建設(shè)中綜合采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”六大類措施[1-2]。

1 變電站特點(diǎn)及用水分析

1.1 變電站特點(diǎn)

(1)模式化布局 不同容量變電站在整體組成上均遵循一定模式，一般由廠前區(qū)及設(shè)備區(qū)組成(如圖1、圖2所示)，綜合占地規(guī)模一般在3.33～20hm2之間。一般選址在城市郊區(qū)農(nóng)田中，最大化地減少對(duì)城市建設(shè)用地影響。

圖1 220kV變電站Fig.1 220kV transformer substation

圖2 500kV變電站Fig.2 500kV transformer substation

(2)地面絕緣設(shè)計(jì) 對(duì)于變電站(升壓變電站或降壓變電站)，其工作電壓均已超過(guò)人體安全電壓，因此變電站場(chǎng)地面層采取絕緣設(shè)計(jì)。

(3)環(huán)境單一性 為確保變電站運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性及減弱外部環(huán)境的影響，變電站廠區(qū)環(huán)境設(shè)計(jì)很單一。根據(jù)國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，變電站廠內(nèi)道路采用混凝土道路(如圖3所示)，廠前區(qū)鋪設(shè)便道磚，設(shè)備區(qū)因絕緣需要鋪設(shè)碎石面層或卵石面層(如圖4所示)。廠內(nèi)不得種植灌木及大型喬木。

圖3 混凝土地面Fig.3 Concrete ground

圖4 碎石面層地面Fig.4 Gravel surface

1.2 變電站用水分析

變電站的用水主要包含生活用水、廠區(qū)灑掃用水、消防用水。生活用水一般是值守人員用水和巡檢人員用水。根據(jù)對(duì)河北省南部電網(wǎng)的22座變電站用水情況進(jìn)行調(diào)研及分析，110kV變電站站區(qū)值守人數(shù)2～4人，220kV變電站值守人數(shù)3～6人，500kV變電站值守人數(shù)4～6人，值守人員一般為兩班倒24小時(shí)值守。定期巡檢人員10～30人，巡檢頻次為2次/月。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50015-2003)生活用水量定額為50～100L/(人·日)，使用時(shí)數(shù)24h，小時(shí)變化系數(shù)3.0～2.5。巡檢人員參考“工業(yè)企業(yè)建筑，車間工人生活用水定額確定，采用30～50L/(人·班)，使用時(shí)數(shù)8h，小時(shí)變化系數(shù)2.5～1.5。灑掃用水為每月1次，每次1h，2個(gè)灑水栓0.7L/s。另外還有150m3消防用水。變電站年用水量見(jiàn)表1。

表1 變電站年用水量匯總

2 變電站使用海綿技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)

基于變電站特點(diǎn)及用水分析，相對(duì)于其他城市建設(shè)項(xiàng)目而言，變電站在采用海綿技術(shù)方面有其自身的特點(diǎn)。

(1)優(yōu)勢(shì) 變電站一般選址在城市郊區(qū)，市政供水不便，開(kāi)挖自備井存在污染地下水源的風(fēng)險(xiǎn)，采用海綿技術(shù)將雨水進(jìn)行收集、利用，可以節(jié)約水資源，同時(shí)有效降低此類風(fēng)險(xiǎn)。變電站值守人數(shù)較少，變電站內(nèi)部收集雨水量可滿足日常用水需求。變電站遠(yuǎn)離市區(qū)且廠區(qū)內(nèi)凝土路面、便道磚、碎石面層占比較大，環(huán)境單一，下墊面簡(jiǎn)單，雨水收集難度較低，與此同時(shí)變電站內(nèi)植物較少，匯集的雨水有機(jī)物含量較低，水質(zhì)較好[3-4]。最后變電站采用海綿技術(shù)可有效削減雨水徑流，降低廠區(qū)內(nèi)雨水外排對(duì)周邊環(huán)境的影響。

(2)劣勢(shì) 變電站廠區(qū)占地面積較大，可集水量遠(yuǎn)大于站內(nèi)需水量。變電站的布置要求廠區(qū)內(nèi)下墊面減少植被的覆蓋，廠內(nèi)不得種植灌木及大型喬木，下墊面多為硬質(zhì)地面，使得廠區(qū)內(nèi)無(wú)法使用海綿城市LID措施，如“雨水花園、植草溝、滯流池、生態(tài)樹(shù)池”等有植物參與的“滲透類、滯流類”海綿技術(shù)的使用，對(duì)生態(tài)、氣候等的改變降低。最后變電站采用海綿技術(shù)時(shí)不得影響站區(qū)內(nèi)原有設(shè)備的布置和使用，不利于海綿城市技術(shù)的實(shí)施。

3 變電站海綿技術(shù)及雨水綜合利用

3.1 變電站海綿技術(shù)

根據(jù)海綿技術(shù)在變電站應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)以及變電站自身特點(diǎn)及布置要求，不同類型海綿城市技術(shù)在變電站中的應(yīng)用將受到一定限制。與此同時(shí)變電站自身用地規(guī)模的限制，其使用尺寸相對(duì)于城市區(qū)域較小。變電站可采取“滲、蓄、凈、用、排”五類海綿城市技術(shù)，在雨水的收集利用方面可歸為“收集、儲(chǔ)存、凈化、使用”。

3.1.1 收集

在雨水收集方面，根據(jù)變電站場(chǎng)地特殊要求，其適用的場(chǎng)地收集措施主要包括屋頂雨水收集、道路雨水收集、場(chǎng)地雨水收集[4-6]。變電站一般的降雨排水方式是通過(guò)屋頂排向道路，道路雨水流經(jīng)場(chǎng)地匯入到雨水井中，最后通過(guò)雨水管道及泵池排到廠外。經(jīng)計(jì)算比較僅場(chǎng)地集雨即可滿足變電站的用水需求，其雨水收集利用變電站場(chǎng)地，取消利用屋頂雨水收集、道路雨水收集，以減少變電站海綿城市技術(shù)應(yīng)用成本投入。場(chǎng)地一般構(gòu)造是三七灰土及碎石面層，對(duì)雨水有一定污染不利于收集潔凈的雨水，所以對(duì)場(chǎng)地地面的構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)使之成為透水地面(如圖5所示)，由上到下依次為鵝卵石、粗砂、土工布、集水板(見(jiàn)圖6)、三七灰土。鵝卵石可以滿足對(duì)跨步電壓的要求，土工布和集水板可以滿足對(duì)雨水的高效截流，粗砂可以滿足對(duì)雨水的初次過(guò)濾。雨水由場(chǎng)地滲透匯集入曲紋網(wǎng)狀PE集水管(如圖7所示)，透水管外側(cè)敷設(shè)土工布，對(duì)雨水進(jìn)行二次過(guò)濾。之后雨水匯集到沉沙過(guò)濾井(如圖8所示)中再次對(duì)雨水中的泥沙進(jìn)行沉淀過(guò)濾之后由管道排向儲(chǔ)水池。變電站內(nèi)一般不使用融雪劑等化學(xué)藥劑，沉沙井可不考慮初期雨水棄流。

圖5 透水地面Fig.5 Pervious surface

圖6 集水板Fig.6 Catchment plate

圖7 PE集水管Fig.7 Catchment pipe

圖8 沉砂過(guò)濾井Fig.8 Sand sinking filter well

3.1.2 儲(chǔ)存

將收集的雨水進(jìn)行儲(chǔ)存，以滿足變電站用水需求。經(jīng)過(guò)透水地面、集水管、沉沙過(guò)濾井的雨水得到初步凈化，泥沙及懸浮物等污染物大幅度下降，可滿足變電站內(nèi)的灑掃用水需要。蓄水池由PE集水模塊、成品集水箱、混凝土蓄水池組成。PE集水模塊施工簡(jiǎn)單但不便于后期清掃，并且其上部不承受荷載。成品集水箱施工簡(jiǎn)單，但需要占據(jù)大量地面空間，同時(shí)也不能承受荷載。由于變電站的場(chǎng)地限制，蓄水池只能設(shè)置在廠前區(qū)，并且廠前區(qū)地面需要停放車輛，所以混凝土蓄水池適用于地埋式。根據(jù)需要蓄水池需要設(shè)計(jì)2個(gè)，一個(gè)蓄水池用于儲(chǔ)存收集的雨水，另一個(gè)蓄水池用于儲(chǔ)存初級(jí)凈化的雨水。

根據(jù)河北省的降水特點(diǎn)，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月約占20%且多為降雪的形式，不計(jì)入可收集的降水量，所以儲(chǔ)水池需要儲(chǔ)存至少5個(gè)月的用水，按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本次設(shè)計(jì)存儲(chǔ)量按需要存儲(chǔ)值的120%計(jì)算。通過(guò)計(jì)算蓄水池一容積為290m3，包含150m3未過(guò)濾消防備用水，30m3灑掃用水，110m3未過(guò)濾的生活備用水。蓄水池二設(shè)計(jì)容積為260m3包含150m3消防水源，110m3初級(jí)過(guò)濾的生活原水。根據(jù)收集雨水面積公式S=V/0.8HΨ(S集水面積，0.8占年降雨量比例，H年降雨量，Ψ控制徑流系數(shù))，需要場(chǎng)地集雨面積為1500m2至1800m2。

3.1.3 凈化

儲(chǔ)存在蓄水池中的雨水雖然已經(jīng)可以滿足灑掃用水的需求，但是水質(zhì)無(wú)法達(dá)到消防用水及生活用水標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行進(jìn)一步凈化。凈化分為初步凈化及深度凈化。初步凈化雨水時(shí)通過(guò)地埋式一體凈化機(jī)(如圖9所示)過(guò)濾掉其中的懸浮物，再添加凈水劑抑制微生物的生長(zhǎng)，過(guò)濾后的水質(zhì)達(dá)到生活雜用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可用于沖廁所、洗車、消防備用水源，同時(shí)作為深度凈化的原水。深度凈化是將原水由增壓泵加壓經(jīng)過(guò)阻垢劑投加系統(tǒng)、精密過(guò)濾器，再通過(guò)高壓泵將原水送至反滲透設(shè)備處理然后得到純水(如圖10所示)，純水可供生活使用(洗澡、飲用)。過(guò)濾設(shè)備需設(shè)置在約15m2的設(shè)備間且冬季溫度不低于零度。

圖9 一體凈化機(jī)Fig.9 Integrated Purifier

圖10 深度凈化原理圖Fig.10 Schematic diagram of deep purification

3.1.4 使用

雨水經(jīng)過(guò)收集、儲(chǔ)存、凈化后可作為灑掃、沖廁所、洗車、消防備用水源以及生活水源。以位于河北省某占地面積3.33hm2的變電站為例，其年降雨量600mm，控制徑流50%計(jì)算，每年收集近10000m3的雨水，收集量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變電站的需水量，多余雨水可用于周圍工業(yè)園區(qū)的生活用水、工業(yè)用水等。

3.2 變電站雨水綜合利用方案

前文介紹了變電站內(nèi)所適用的海綿城市技術(shù)，由“收集、儲(chǔ)存、凈化、使用”4類組成[7-8]。變電站雨水綜合利用方案中部分雨水由非透水地面匯集入雨水管道，經(jīng)雨水管道輸送至泵池，最后泵送至變電站場(chǎng)外。另一部分由透水地面滲透經(jīng)集水管過(guò)濾匯集到沉沙過(guò)濾井，沉淀掉其中的粗砂匯集到蓄水池，多余部分經(jīng)雨水管道排至泵池排出廠外。蓄水池中的雨水一部分做灑掃用水，另一部分經(jīng)過(guò)地埋一體機(jī)凈化達(dá)到生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，用作消防用水，同時(shí)一部分作為深度凈化的原水經(jīng)過(guò)反滲透設(shè)備深度凈化，得到生活用水。整個(gè)雨水綜合利用系統(tǒng)工藝流程如圖11所示。

圖11 雨水綜合利用系統(tǒng)工藝流程Fig.11 Process flow of rainwater comprehensive utilization system

4 結(jié)論

海綿城市技術(shù)應(yīng)用于變電站，使得雨水再次利用，滿足站區(qū)內(nèi)生產(chǎn)生活用水，避免開(kāi)挖水井對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤廴镜臐撛诳赡?，同時(shí)也節(jié)約地下水資源，具有一定的生態(tài)效益。

文中在闡述變電站特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)變電站使用海綿技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行探討，分析計(jì)算了不同類型變電站需水量，在此基礎(chǔ)上提出變電站集雨場(chǎng)地布局方案。根據(jù)海綿城市技術(shù)的適用性，對(duì)變電站海綿城市技術(shù)及其在雨水凈化和綜合利用方面進(jìn)行了研究。研究成果為海綿城市技術(shù)在變電站中的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。