彭 晶，唐 媛，毛浩然，趙賽男

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

1 前言

機(jī)場(chǎng)大多位于地勢(shì)坦蕩的平原，大面積的飛行區(qū)地面經(jīng)過(guò)硬化改造，雨水難以下滲。近年來(lái)，機(jī)場(chǎng)內(nèi)澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，而飛行區(qū)一旦遭遇積水，輕則航班大面積延誤取消，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率降低，重則對(duì)人身安全造成嚴(yán)重威脅。這在一定程度上說(shuō)明我國(guó)機(jī)場(chǎng)的排水設(shè)施尚不完善，防澇壓力異常嚴(yán)峻，積水問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決。為解決這一問(wèn)題，“海綿機(jī)場(chǎng)”應(yīng)運(yùn)而生?！昂＞d機(jī)場(chǎng)”旨在構(gòu)建“源頭滯蓄減排+過(guò)程綠色控制管理+末端生態(tài)調(diào)蓄入滲”的全體系化綠色雨水管理系統(tǒng)，通過(guò)源頭削減、過(guò)程控制和末端調(diào)蓄，構(gòu)建水生態(tài)、水環(huán)境、水安全、水資源四方面的海綿體系，最終達(dá)到有效降低外排徑流量、控制點(diǎn)源和面源污染效果。

路海鋒提出通過(guò)減小機(jī)場(chǎng)雨水外排徑流、設(shè)置場(chǎng)內(nèi)蓄水池、在機(jī)場(chǎng)空側(cè)土面區(qū)和雨水調(diào)蓄設(shè)施內(nèi)植草、在維修機(jī)坪區(qū)域設(shè)置油水分離設(shè)施、建筑物屋頂使用環(huán)保型材料等措施滿(mǎn)足場(chǎng)內(nèi)排水需求，構(gòu)建全場(chǎng)雨水系統(tǒng)；彭晶提出利用模擬雨量徑流和評(píng)估海綿機(jī)場(chǎng)的低影響開(kāi)發(fā)（Low Impact Development，以下簡(jiǎn)稱(chēng)LID）設(shè)施的手段解決由于極端天氣導(dǎo)致的機(jī)場(chǎng)洪水問(wèn)題；何曉海提出利用暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model，以下簡(jiǎn)稱(chēng)SWMM）與LID 設(shè)施相結(jié)合的方式解決強(qiáng)降雨地區(qū)機(jī)場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)公路及停車(chē)場(chǎng)積水問(wèn)題；張海林提出通過(guò)源頭削減、過(guò)程控制和末端調(diào)蓄的排水體系構(gòu)建水生態(tài)、水環(huán)境、水資源三方面的海綿體系，解決缺水地區(qū)機(jī)場(chǎng)的低影響開(kāi)發(fā)問(wèn)題；任圓通過(guò)機(jī)場(chǎng)的水敏感性和限制性因素兩方面進(jìn)行深入分析，從徑流總量和污染控制、蓄水系統(tǒng)方案等方面給出了相應(yīng)的解決方案，以構(gòu)建海綿機(jī)場(chǎng)排水總體框架；湯鐘提出了具體的海綿機(jī)場(chǎng)建設(shè)量化目標(biāo)，并進(jìn)一步細(xì)化到不同的機(jī)場(chǎng)海綿單元，進(jìn)而給出從3 個(gè)不同層面出發(fā)的海綿系統(tǒng)規(guī)劃方案。Amendolara研究了北卡羅來(lái)納州最大的航空站之一的伊麗莎白市航空站，該航空站有2條主要跑道10-28 和1-19，還有滑行道系統(tǒng)。10-28號(hào)跑道狀況良好，1-19號(hào)跑道嚴(yán)重?fù)p壞，需要維修。經(jīng)過(guò)評(píng)估后，建議拆卸、重新設(shè)計(jì)和重建1-19跑道，使用約75% 的再生硅酸鹽水泥混凝土路面，升級(jí)滑行道系統(tǒng)，并改善雨水管理系統(tǒng)，以滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)海岸警衛(wèi)隊(duì)航空需要。最終的跑道設(shè)計(jì)包含厚度為8英寸的混合基層，上面覆蓋著厚度為12英寸的PCC厚板。利用SWMM 收集和疏導(dǎo)機(jī)場(chǎng)雨水徑流，優(yōu)化排水系統(tǒng)，保護(hù)跑道的完整性，降低維護(hù)費(fèi)用。

2 研究區(qū)現(xiàn)狀分析

研究區(qū)處于東八區(qū)，位于華北平原東北部，地處渤海西岸，影響氣候因子包括暖溫帶、季風(fēng)環(huán)流、氣溫變化、降水變化等，氣候類(lèi)型屬于溫帶季風(fēng)氣候，氣候特征一般為冬冷夏熱，降水集中于7月下旬和8月上旬。機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)于1942 年建成，初期機(jī)場(chǎng)主體為中間高、四周低的圓形場(chǎng)面配備2 條垂直交叉跑道，擴(kuò)建后改為雙平行跑道系統(tǒng)，機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)總體地勢(shì)有利于排水，建設(shè)時(shí)場(chǎng)面周邊設(shè)計(jì)深溝用于排澇。機(jī)場(chǎng)跑道由土質(zhì)跑道改為瀝青混凝土跑道，由于混凝土道面不利于積水下滲，導(dǎo)致原有排水系統(tǒng)容易出現(xiàn)過(guò)載情況，研究區(qū)域概化如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概化

3 研究區(qū)雨水系統(tǒng)模型構(gòu)建

SWMM 是由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署開(kāi)發(fā)的基于水動(dòng)力學(xué)的降雨徑流模擬模型。該模型集成了降雨、徑流等多種模塊，將研究區(qū)域劃分為多個(gè)子匯水區(qū)（子匯水區(qū)又可分為透水面和不透水面），在每個(gè)匯水區(qū)內(nèi)分別進(jìn)行地表產(chǎn)流和匯流計(jì)算，地表徑流經(jīng)坡面匯流匯集到管道或者河道進(jìn)行匯流計(jì)算，疊加后演算到排水區(qū)出口的模型結(jié)構(gòu)來(lái)反映雨洪形成的基本過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)單場(chǎng)及連續(xù)降雨徑流和排水情況的動(dòng)態(tài)模擬。

LID 是指通過(guò)分散的、小規(guī)模的源頭控制達(dá)到對(duì)暴雨所產(chǎn)生的徑流和污染的控制，使開(kāi)發(fā)地區(qū)盡量接近于自然的水文循環(huán)。目前機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)與其他傳統(tǒng)機(jī)場(chǎng)均以“排”為主，通過(guò)排水口外排積水，阻礙了雨水的下滲與滯留，增大了飛行區(qū)積水和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)引起雨水徑流污染。為此，在保證安全運(yùn)行的前提下，要在當(dāng)前機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)建設(shè)基礎(chǔ)上構(gòu)建LID 雨水系統(tǒng)，將雨水的滲透、滯留與排水結(jié)合，改善機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)水環(huán)境?？紤]飛行區(qū)以跑道為主，無(wú)法進(jìn)行透水鋪裝，LID 設(shè)施采用下凹式綠地、植草溝2種類(lèi)型。

（1）下凹式綠地。下凹式綠地具有補(bǔ)充地下水、調(diào)節(jié)徑流和滯洪以及削減徑流污染物的作用。

（2）植草溝。植草溝能收集、輸送和排放徑流雨水，并具有一定雨水凈化作用，同時(shí)可用于銜接其他功能區(qū)雨水徑流排放系統(tǒng)，建設(shè)及維護(hù)費(fèi)用較低，可設(shè)置于傳統(tǒng)排水明渠和雨水溝所在區(qū)域。

結(jié)合研究區(qū)基本條件，選用Horton 入滲模型來(lái)模擬研究區(qū)域的產(chǎn)流入滲過(guò)程，匯流模塊采用非線性水庫(kù)模型，對(duì)參數(shù)進(jìn)行率定，選擇納什系數(shù)：

反復(fù)調(diào)整模型參數(shù)后，得到的率定參數(shù)和結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 模型參數(shù)值

根據(jù)2016 年天津市雨水徑流量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，第Ⅱ區(qū)暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度[L∕（s·hm2）]；t為降雨歷時(shí)（min）；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期（a）。

各不同重現(xiàn)期下雨型分配曲線如圖2 所示，重現(xiàn)期1 a，降雨總量52.93 mm；重現(xiàn)期5 a，降雨總量81.25 mm；重現(xiàn)期10 a，降雨總量93.49 mm。

圖2 不同重現(xiàn)期下雨型分配曲線

4 雨洪控制效果分析

利用SWMM 軟件在不同重現(xiàn)期下，隨機(jī)選出3個(gè)子匯水區(qū)，分別對(duì)普通模式及LID 建設(shè)模式進(jìn)行模擬，對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行分析，得出類(lèi)似結(jié)論，子匯水區(qū)S133如圖3所示。

圖3 S133所在位置

在選擇重現(xiàn)期分別為1、5、10 a的情況下運(yùn)行模型，通過(guò)有無(wú)LID 設(shè)施得出數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以及不同重現(xiàn)期的數(shù)據(jù)對(duì)比，在相同降水量和總徑流入的情況下得出不同的下滲量、高峰徑流出以及徑流系數(shù)，詳見(jiàn)表2。

表2 S133模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)

通過(guò)創(chuàng)建S133 子匯水區(qū)時(shí)間與下滲量的時(shí)間序列圖，可明顯看出不同時(shí)間段下滲量的變化趨勢(shì)，不同重現(xiàn)期有無(wú)LID 設(shè)施時(shí)的下滲情況對(duì)比如圖4所示。

圖4 不同重現(xiàn)期有無(wú)LID設(shè)施下滲情況對(duì)比

重現(xiàn)期為1 a時(shí)，下滲量最大值由47.46 mm∕h變?yōu)?4.08 mm∕h，下降了27.34%；重現(xiàn)期為5 a時(shí)，下滲量最大值由54.24 mm∕h 變?yōu)?1.00 mm∕h，下降了42.84%；重現(xiàn)期為10 a時(shí)，下滲量最大值由51.93 mm∕h變?yōu)?0.03 mm∕h，降低了42.17%。

對(duì)LID 設(shè)施開(kāi)發(fā)模式與常規(guī)開(kāi)發(fā)模式進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示，較無(wú)LID 設(shè)施在重現(xiàn)期1、5、10 a時(shí)的總徑流出分別降低了1.72%、5.81%、6.67%，徑流系數(shù)分別降低了1.8%、5.8%、6.6%。LID 設(shè)施對(duì)總徑流出、高峰徑流出、徑流系數(shù)有明顯控制效果，且重現(xiàn)期越長(zhǎng)削減效果越明顯，說(shuō)明LID 可以提高機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)防澇閾值，有效降低排水壓力，緩解機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)積水和內(nèi)澇問(wèn)題。

5 結(jié)論

在機(jī)場(chǎng)建設(shè)運(yùn)營(yíng)中，由于飛行區(qū)地面硬化改造等因素造成機(jī)場(chǎng)極易內(nèi)澇，進(jìn)而引發(fā)一系列問(wèn)題，嚴(yán)重影響了機(jī)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效率和飛機(jī)安全。海綿機(jī)場(chǎng)的產(chǎn)生在解決機(jī)場(chǎng)內(nèi)澇問(wèn)題上發(fā)揮著關(guān)鍵作用。相較其他設(shè)施，LID設(shè)施具有通過(guò)分散的、小規(guī)模的源頭控制的特點(diǎn)，成為目前最適合海綿機(jī)場(chǎng)應(yīng)用的設(shè)施，極大促進(jìn)了海綿機(jī)場(chǎng)排水體系建設(shè)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。