趙穎

（湖北機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司武漢天河機(jī)場(chǎng)，湖北武漢 430302）

0.引言

社會(huì)對(duì)移動(dòng)性的需求每天都在增加，航空旅行正迅速成為貨物和人員的首選運(yùn)輸方式。全球化和世界經(jīng)濟(jì)的一體化導(dǎo)致跨境貿(mào)易增加，大量昂貴的貨物運(yùn)輸是通過(guò)空運(yùn)進(jìn)行的。根據(jù)美國(guó)航空協(xié)會(huì)市場(chǎng)研究報(bào)告，2022—2030年，客運(yùn)量將以平均5.3%的速度繼續(xù)增長(zhǎng)，而貨運(yùn)量將以5.9%的速度增長(zhǎng)。因此，機(jī)場(chǎng)的規(guī)模和數(shù)量正在快速增長(zhǎng)。許多大城市不得不依靠多個(gè)機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)來(lái)滿足這種不斷增長(zhǎng)的需求。二線城市也出現(xiàn)了大量較小的機(jī)場(chǎng)，以提供與遙遠(yuǎn)地區(qū)的快速連接。

大規(guī)模的工業(yè)化和生活水平的提高給環(huán)境資源帶來(lái)了巨大壓力?？沙掷m(xù)性被定義為“在不損害子孫后代滿足自身需求能力的情況下，滿足當(dāng)前需求的發(fā)展”，且已成為全球各國(guó)發(fā)展的重要主題。在新機(jī)場(chǎng)的建設(shè)和現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)的升級(jí)過(guò)程中，這種可持續(xù)性概念也被考慮在內(nèi)，預(yù)計(jì)這將導(dǎo)致自然資源保護(hù)政策的實(shí)施。具體而言，機(jī)場(chǎng)可持續(xù)性被定義為保護(hù)環(huán)境、社會(huì)進(jìn)步以及維持穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和就業(yè)水平，盡量減少對(duì)環(huán)境的有害影響，包括飛機(jī)設(shè)計(jì)以及機(jī)場(chǎng)的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)等各方面。因此，大多數(shù)新建或翻新的機(jī)場(chǎng)都在采用環(huán)境管理計(jì)劃，水資源的利用成為關(guān)鍵議題。水是一種稀缺資源，其保護(hù)、合理使用和再利用，已經(jīng)得到世界各地監(jiān)管機(jī)構(gòu)的強(qiáng)制要求。機(jī)場(chǎng)消耗大量的水，因此在機(jī)場(chǎng)實(shí)施水資源保護(hù)戰(zhàn)略非常重要。

機(jī)場(chǎng)的主要用水量通常與擁有數(shù)千個(gè)居民的城市的用水量相匹配，例如倫敦希思羅機(jī)場(chǎng)（英國(guó)）的用水需求相當(dāng)于一個(gè)擁有34000人口的城市的用水量。亞特蘭大（美國(guó)）哈茨菲爾德-杰克遜國(guó)際機(jī)場(chǎng)的用水需求相當(dāng)于一個(gè)擁有15000名居民的城市。機(jī)場(chǎng)的大部分用水量用于非飲用水，如景觀灌溉、飛機(jī)和鋪砌區(qū)域的清潔，空調(diào)和廁所。雨水越來(lái)越多地用于部分滿足這種非罐裝水需求。機(jī)場(chǎng)擁有大型集水區(qū)，以屋頂和簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)的形式存在，由于表面保持良好清潔，可以收集雨水、雜質(zhì)很少，機(jī)場(chǎng)是實(shí)施雨水收集技術(shù)的最佳場(chǎng)所。收集的雨水在使用之前需要處理，使雨水處理成為一個(gè)廣泛的研究領(lǐng)域。

多年來(lái)，各種雨水處理方法不斷發(fā)展，近年來(lái)對(duì)這些方法進(jìn)行了廣泛的研究。本文回顧全世界各機(jī)場(chǎng)正在使用的一些處理方法，并設(shè)計(jì)消耗平衡模型用于評(píng)估這些系統(tǒng)的可行性、可靠性和效率。

1.雨水收集系統(tǒng)的影響因素

雨水可以溶解各種氣體，如二氧化碳、二氧化氮和二氧化硫，以及大氣中的煙灰和微觀顆粒等污染物。在徑流過(guò)程中，它被樹枝、樹葉、灰塵、鳥類和動(dòng)物糞便，昆蟲、殺蟲劑、除草劑和其他寄生蟲，細(xì)菌和病毒污染。它與塑料、溶劑、汽油、油脂和油接觸，這些塑料、溶劑、汽油和油，用揮發(fā)性有機(jī)化學(xué)物質(zhì)污染水。無(wú)機(jī)鹽如碳酸鈣、碳酸氫鈉、氯化鈉和硫酸鎂會(huì)改變水的味道并影響其硬度。雨水也可能被石棉污染，這是非常危險(xiǎn)的。有毒金屬，如鉛、砷，其他如銅、鐵和錳，也會(huì)影響其味道、外觀和安全。表1說(shuō)明了在收集的雨水中發(fā)現(xiàn)的一些污染物及其影響。它可能還含有非致病性生物，如原生動(dòng)物、藻類、細(xì)菌和病毒以及致病生物。非致病性生物會(huì)干擾收獲和處理設(shè)施，例如，高濃度的藻類會(huì)使水變粘并堵塞用于處理水的過(guò)濾器。真菌和細(xì)菌也可能在水管中定植，影響適當(dāng)?shù)乃?。病原體包括寄生蟲，如賈第鞭毛蟲、小隱孢子蟲和剛地弓形蟲，以及彎曲桿菌、沙門氏菌、鉤端螺旋體、大腸桿菌和漢坦病毒等。

表1 雨水中污染物的種類和影響

機(jī)場(chǎng)收集雨水的另一個(gè)重要影響因素是除冰劑和防冰劑的作用。在寒冷天氣的機(jī)場(chǎng)需要除冰，以確保安全旅行。除冰用于清除飛機(jī)機(jī)翼、方向舵和機(jī)身的積雪和冰。冰或冰在飛機(jī)上的沉積會(huì)擾亂空氣動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)致阻力增加、失速速度和升力損失，這也可能導(dǎo)致音高特性異常。除冰液通常分為2類：一類是用水稀釋加熱的乙二醇。這種混合物也被稱為牛頓流體，因?yàn)樗鼈兊恼承耘c水相似。第二類包括非牛頓流體，如未加熱和未稀釋的丙二醇基流體，如半凝明膠。這些液體用于防止雪或雨夾雪的進(jìn)一步積聚。此外，許多機(jī)場(chǎng)使用尿素或醋酸鹽或甲酸鹽基化合物來(lái)除冰跑道。這種除冰器也適用于飛機(jī)的機(jī)身，因?yàn)榧词故巧倭康谋?雨夾雪也會(huì)影響飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)，這些除冰劑和防冰劑對(duì)環(huán)境有害。一些研究測(cè)量到BOD5在機(jī)場(chǎng)徑流中高達(dá)245000mg/L，氨是由于施用尿素而產(chǎn)生的，對(duì)水生生物是危險(xiǎn)的，因此，機(jī)場(chǎng)面臨著維護(hù)公共安全和保護(hù)環(huán)境的雙重挑戰(zhàn)。這些除冰和防冰產(chǎn)品也應(yīng)該在實(shí)施雨水處理系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行處理。雨水收集過(guò)程復(fù)雜，采用技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)。實(shí)施雨水收集系統(tǒng)的第一步是制作一個(gè)模型來(lái)模擬雨水在流域中的運(yùn)動(dòng)，以響應(yīng)降水和流域條件。數(shù)值建模被廣泛用于預(yù)測(cè)雨水和雨水收集技術(shù)的可行性和可靠性。

2.消耗平衡模型

2.1 用水量參數(shù)估計(jì)

通過(guò)對(duì)武漢天河國(guó)際機(jī)場(chǎng)（IATA：WUH）實(shí)施雨水處理系統(tǒng)的可行性研究，評(píng)估雨水箱耗水量和節(jié)水潛力。該機(jī)場(chǎng)位于中國(guó)湖北省武漢市黃陂區(qū)，距武漢市中心25km，是中國(guó)中部首家4F級(jí)民用國(guó)際機(jī)場(chǎng)，它有85000m2的屋頂，80000m2跑道和鋪砌區(qū)域。通過(guò)使用訪談法來(lái)確定樣本的用水量參數(shù)。

n ≥ (1/ε2)·N/((1/ε2)+N)

其中：N是總體大小，n是樣本大小，ε是可接受的樣本誤差。

每天上廁所的水量是估計(jì)：C1=fQ

其中：C1是每日用水量（L/d），f是用廁所的頻率（次數(shù)/d），Q是馬桶流量（L/沖水）。

同樣，每日清水消耗量為：C2=fNbVb

其中：C2是清潔消耗量（L/d），f是每日清洗頻率（次/d），Nb是使用的鏟斗數(shù)（鏟斗/時(shí)間），Vb是鏟斗的體積（L/鏟斗）。

每日灌溉用水量：C3=fidQiNd

其中：C3是每日灌溉用水量（L/d），fi是每月灌溉頻率（次數(shù)/月），d是每個(gè)灌溉事件的持續(xù)時(shí)間（min/時(shí)間），Qi是流速（L/min），Nd是當(dāng)月天數(shù)。

每日非飲用水量是根據(jù)建筑物的每月消耗數(shù)據(jù)估算的。上述方法被用來(lái)計(jì)算節(jié)水潛力，以評(píng)估各種尺寸的水箱的可靠性、成本和效率。

2.2 可儲(chǔ)存的雨水量預(yù)測(cè)

采用如下公式計(jì)算可儲(chǔ)存的雨水量：S(t)=RV+S(t-1)-D-EL-L。

其中：S(t)是第td累計(jì)儲(chǔ)存的水（ms），RV是收集的雨水量，D是每日非飲用水，EL是蒸發(fā)損失，L代表其他損失。

收集效率定義為：E=((D-es)×100)/D。

其中：E是雨水滿足需求的百分比，D是年需求（ms），es是外部供應(yīng)（ms）。

可靠性定義為：R=N-U/N

其中：N表示總天數(shù)，U是儲(chǔ)水罐無(wú)法滿足需求的天數(shù)。

2.3 綜合平衡模型

首先，采用回歸曲線，綜合平衡雨水收集（RWH）系統(tǒng)的大小，使用過(guò)去降雨數(shù)據(jù)的每日質(zhì)量平衡模擬來(lái)評(píng)估RWHS的流入，流出和儲(chǔ)水罐尺寸的變化。

其次，使用凈現(xiàn)值法（NPV法）實(shí)施經(jīng)濟(jì)分析，計(jì)算雨水收集系統(tǒng)的投資回報(bào)率，該方法采用過(guò)濾和氯化法來(lái)凈化被污染的雨水。詳細(xì)分析表明，通過(guò)安裝1000m3的雨水箱可以實(shí)現(xiàn)78%～100%的節(jié)水，估計(jì)最大投資回收期約為23年，玻璃纖維罐更適合體積小于100m3的儲(chǔ)罐。Ribeiro等人研究了巴西圣保羅國(guó)際機(jī)場(chǎng)（SPIA）降雨水對(duì)非飲用水的再利用潛力，分析雨水水樣的物理化學(xué)和微生物特征，發(fā)現(xiàn)收集的樣品不含有害濃度的揮發(fā)性芳香烴，多環(huán)芳烴、砷、鉻、汞和鎘。因此，雨水被證明是一種可行的替代物，可以節(jié)省機(jī)場(chǎng)整個(gè)水資源的近25%。

3.實(shí)施雨水收集系統(tǒng)

武漢天河機(jī)場(chǎng)按照年旅客吞吐量3500萬(wàn)人次、貨郵吞吐量44萬(wàn)t、飛機(jī)起降40.4萬(wàn)架的目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。航站樓面積37萬(wàn)m2，與10.15萬(wàn)m2綜合交通配套設(shè)施和2.35萬(wàn)m2生產(chǎn)輔助設(shè)施一起，形成了49.5萬(wàn)m2的航站樓綜合體，是T1、T2航站樓總面積的3倍。設(shè)計(jì)良好的機(jī)場(chǎng)雨水收集系統(tǒng)對(duì)于操作安全性和效率以及路面耐久性至關(guān)重要，從跑道、滑行道、停機(jī)坪、停車場(chǎng)等方面考慮雨水采集與處理的整體流程。

雨水收集系統(tǒng)分為5個(gè)主要子系統(tǒng)，包括（1）收集系統(tǒng)；（2）處理系統(tǒng)；（3）存儲(chǔ)系統(tǒng)；（4）分配系統(tǒng)；（5）補(bǔ)水系統(tǒng)。收集系統(tǒng)由集水區(qū)和管道組成，用于收集雨水并將其輸送到處理系統(tǒng)。其主要目的是從集水區(qū)收集最大數(shù)量的水，并造成最小污染，第二階段或處理系統(tǒng)改善了雨水的質(zhì)量，使其質(zhì)量符合非飲用水或飲用水標(biāo)準(zhǔn)。雨水產(chǎn)量和消耗量之間的平衡是通過(guò)存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)包括一個(gè)可以保持水質(zhì)的儲(chǔ)罐，配電系統(tǒng)關(guān)注的是將收集的水從儲(chǔ)存設(shè)施供應(yīng)到最終用途，當(dāng)雨水不足以滿足需求時(shí)，備用系統(tǒng)提供替代水源，從而確保持續(xù)可靠的供水。因此，在典型的雨水收集系統(tǒng)中，來(lái)自集水區(qū)的初始沖洗被稱為“第一次沖洗轉(zhuǎn)移”，這有助于避免過(guò)量濃度的懸浮固體，病原體和有機(jī)物進(jìn)入儲(chǔ)罐中，然后安裝過(guò)濾器，以避免儲(chǔ)罐中出現(xiàn)粗的雜質(zhì)，這種過(guò)濾被稱為“粗過(guò)濾”。下一階段包括過(guò)濾器，可消除可能與病原體相關(guān)的小顆粒，在治療的最后階段，使用紫外線和/或化學(xué)品進(jìn)行消毒。分配可以直接分配到最終使用點(diǎn)或連接到最終使用點(diǎn)的公共儲(chǔ)罐，用于再利用收集雨水的處理方法還取決于其使用目的和收集的雨水的質(zhì)量，這取決于該地區(qū)的集水區(qū)表面和大氣特征，雨水可能被灰塵、化學(xué)亞氮和微生物污染。

研究表明，從屋頂收集的雨水質(zhì)量令人滿意，可用于非飲用用途，在某些情況下，甚至不需要緩慢過(guò)濾。處理過(guò)程由各種過(guò)濾器組成，其中不同的過(guò)程去除不同類型的污染物。第一階段包括物理篩選和快速沉降過(guò)程，以去除粗糙的沉積物。第二階段涉及沉淀和過(guò)濾，以去除懸浮固體，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和金屬。第三階段包括增強(qiáng)的沉淀，過(guò)濾，生物吸收和吸收。處理雨水的典型方法是第一次沖洗的轉(zhuǎn)移和使用過(guò)濾器來(lái)保留粗顆粒。因此，在第一階段，大顆粒大小的顆粒被去除，下一階段涉及去除小懸浮顆粒。一種常用的技術(shù)是慢速砂過(guò)濾，然后進(jìn)行氯化。這種技術(shù)以2.25和3.92的對(duì)數(shù)單位去除大腸桿菌（大腸桿菌），去除99.997%隱孢子蟲卵囊。袋式過(guò)濾器和筒式過(guò)濾器可用于去除寄生蟲；微濾可以去除寄生蟲和一些細(xì)菌；超濾膜可以去除寄生蟲，細(xì)菌以及一些病毒，納米過(guò)濾膜也可以去除所有病毒。紫外線是消毒的好選擇，但只有當(dāng)所有病原體都正確暴露于紫外線時(shí)才有效。

4.雨水收集質(zhì)量的改善措施

4.1 評(píng)價(jià)雨水質(zhì)量的常見指標(biāo)

一些常見指示可以用于評(píng)價(jià)雨水質(zhì)量，包括：pH值、生物需氧量（BOD）、化學(xué)需氧量（COD）、電導(dǎo)率（EC）、硬度、堿度、總?cè)芙夤腆w（TDS）、總懸浮固體（TSS）、大腸桿菌、柴油和汽油、BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）、總重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Sn和Zn）、金屬元素Al、Fe、Mg的含量，對(duì)于乙苯和鄰二甲苯的濃度應(yīng)為<1μg/L和<2μg/L。重金屬如Hg應(yīng)為<0.001mg/L，As和Cd應(yīng)為<0.01mg/L，Pb、Cr、Mn、Cu、Ni和Ag應(yīng)為< 0.05mg/L，Sn和Ba應(yīng)為<0.5mg/L。pH值應(yīng)為6.5～8.5。水的濁度也應(yīng)為<1比濁單位。

4.2 除冰溶劑乙二醇的處理辦法

當(dāng)機(jī)場(chǎng)地表徑流通過(guò)下水道系統(tǒng)送到處理設(shè)施時(shí)，除冰的污水處理系統(tǒng)就會(huì)發(fā)揮作用。如果使用好氧或厭氧分解的處理設(shè)施建在機(jī)場(chǎng)本身，并且徑流在排放到下水道系統(tǒng)之前經(jīng)過(guò)處理，則稱為現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)。乙二醇回收技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)方法從收集的水中除去水、懸浮固體、表面活性劑等。過(guò)濾、絮凝、蒸發(fā)、蒸餾和反滲透等各種技術(shù)用于乙二醇回收。當(dāng)徑流中乙二醇的濃度非常高，通常超過(guò) 5%時(shí)，此類技術(shù)非常有用。好氧處理過(guò)程通常是能源密集型的，會(huì)產(chǎn)生大量需要在處置前進(jìn)行處理的污泥。在厭氧處理系統(tǒng)的情況下，污染產(chǎn)物被發(fā)酵成甲烷和二氧化碳以及相對(duì)較少量的污泥。這些過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷氣體可用作燃料。由于除冰廢水通常缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并且具有很高的生物需氧量，因此厭氧系統(tǒng)在這種情況下特別有用。此外，由于除冰系統(tǒng)在冬季使用，因此可以通過(guò)儲(chǔ)存廢水來(lái)優(yōu)化處理廠，以便處理廠可以全年運(yùn)行。厭氧植物的自然降解較少，因此，廢水可以很容易地儲(chǔ)存，這些系統(tǒng)的缺點(diǎn)是硫化氫的緩慢降解速率和產(chǎn)量，乙二醇在土壤中迅速降解，因此土壤處理系統(tǒng)通常用于處理除冰徑流。地下水和土壤中存在的微生物可以在3d內(nèi)降解乙二醇。

4.3 具備自清潔功能的雨水過(guò)濾方法

設(shè)計(jì)具備自清潔功能的雨水過(guò)濾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)如下功能：可調(diào)節(jié)的處理效率以滿足各種水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；無(wú)能源消耗；維護(hù)要求低；對(duì)建筑物中現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)、低成本。為了符合這些特點(diǎn)，過(guò)濾概念需要一種創(chuàng)新但簡(jiǎn)單的方法，重點(diǎn)是使用市場(chǎng)上可用的液壓元件。由于此類系統(tǒng)的重量和占地面積，未考慮砂濾過(guò)程。順流過(guò)濾也被忽略，因?yàn)槭褂眠@種配置的顆粒可能會(huì)沉淀在過(guò)濾介質(zhì)上。因此，這種配置可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾介質(zhì)的頻繁清潔操作，這可能會(huì)增加維護(hù)、能源和反沖洗水的需求。關(guān)鍵操作階段的過(guò)濾概念包括待機(jī)階段、過(guò)濾階段、反沖洗階段和重置階段。在沒有降雨事件期間保持備用，用于雨水過(guò)濾。當(dāng)雨水進(jìn)入入口，向下流入落水管時(shí)，它開始過(guò)濾過(guò)程。下水管通常存在于建筑物的雨水排水系統(tǒng)中，這有助于使用所提出的概念安裝過(guò)濾系統(tǒng)。原雨水向上流方向通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)，其中的碎屑被截留，處理后的雨水通過(guò)處理后的雨水出口分流至雨水儲(chǔ)罐。當(dāng)儲(chǔ)水箱達(dá)到最大容量時(shí)，處理過(guò)的雨水出口被浮球閥關(guān)閉，因此系統(tǒng)中的水位上升。這會(huì)促進(jìn)反沖洗出口的打開，逆轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的流動(dòng)并用處理過(guò)的雨水清潔過(guò)濾介質(zhì)。系統(tǒng)完全排水后，反沖洗出口關(guān)閉，系統(tǒng)重新設(shè)置，重新開始原雨水過(guò)濾。如果未處理的雨水仍然通過(guò)系統(tǒng)入口進(jìn)入，而儲(chǔ)存雨水箱已滿，系統(tǒng)將執(zhí)行多次反沖洗，從而突然逆轉(zhuǎn)系統(tǒng)雨水流動(dòng)。由于快速流動(dòng)反轉(zhuǎn)和高排放流速，會(huì)在過(guò)濾介質(zhì)中產(chǎn)生液壓沖擊，這2個(gè)特征都旨在以更有效的方式去除過(guò)濾介質(zhì)中保留的碎屑。為了在沒有電子設(shè)備的情況下自動(dòng)啟動(dòng)反沖洗階段，基于水位上升增加液壓。因此，反沖洗出口打開，隨著壓力增加促進(jìn)過(guò)濾介質(zhì)的反沖洗。

5.結(jié)論

以武漢天河機(jī)場(chǎng)為例，分析了機(jī)場(chǎng)雨水的特征和收集要點(diǎn)，設(shè)計(jì)消耗平衡模型，用于評(píng)估機(jī)場(chǎng)雨水收集潛力的成本和可靠性參數(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的雨水收集系統(tǒng)的5個(gè)方面，包括收集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、分配系統(tǒng)和補(bǔ)水系統(tǒng)，解決了機(jī)場(chǎng)的水資源消耗問題。研究成果為國(guó)內(nèi)外大型機(jī)場(chǎng)的雨水收集與處理提供了設(shè)計(jì)思路和參考案例。