海绵机场低影响开发设施设计及效果评价
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作者:杨新�� 王倩倩 彭晶
摘要：根据国内外海绵城市、海绵机场建设理论与成效，探讨了海绵机场建设的原则和目标，针对我国不同分区的实际情况设计了适宜不同地区机场的低影响开发（LID）设施，并以某机场为例，基于SWMM模型验证LID设施的雨洪控制效果。结果表明：建设LID设施后，机场径流总量削减率和峰值流量削减率最大分别为74.0%、51.0%，峰现时间最多延迟16 min；机场飞行区在增设LID设施后溢流节点数减少13.1%，超载管段数量减少20.4%；机场停车场在增设LID设施后溢流节点数减少了6.3%，超载管段数量减少了10.0%；管段最大积水深度减幅为68%，最大流量减幅达63%。机场规划建设LID设施对雨水径流、峰值流量控制效果显著，降低了机场雨水管网系统排水压力的同时，对机场防洪排涝也具有重要意义。
关键词：海绵机场；海绵城市；低影响开发；SWMM模型；径流控制；防洪排涝
中图分类号：TU992文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn. 1000-1379.2022.09.022
Facilities Design and Effect Evaluation of Low Impact Development of Sponge Airport
YANG Xinsheng1，WANG Qianqian2，PENG Jing3
（1.Science and Technology Innovation Research Institute，Civil Aviation University，Tianjing 300300，China；2.School of Transportation Science and Engineering，Civil Aviation University，Tianjing 300300，China；3.China Civil Aviation Environment and Sustainable Development Research Center，Civil Aviation University，Tianjing 300300，China）
Abstract：This paper reviewed the theories and results of sponge city/airport construction at home and abroad，discussed the principles and objectives of sponge airport construction. According to the actual situation of different regions，low-impact development （LID）facilities suit?able for airports in different regions were designed. Finally，an airport was taken as an example to verify the rainwater control effect of LID based on SWMM model. The research shows that after the construction of LID，the reduction rates of total runoff and peak flow are up to 74.0% and 51.0%，and the peak time is delayed by up to 16 minutes.After LID are added in the flight area，the number of overflow nodes decreases by 13.1%，and the number of overloaded pipe segments decreases by 20.4%. After the addition of LID in the parking lot，the num?ber of overflow nodes is reduced by 6.3%，and the number of overloaded pipe segments is reduced by 10.0%. The maximum water depth of the pipe section changes by 68% at most and the maximum flow by 63% at most. The planning and construction of LID in airports has a sig?nificant effect on the control of rain runoff and peak flow，which not only reduces the drainage pressure of the airport rainwater pipe network system，but also plays an important role in the flood control and drainage of airports.
Key words：sponge airport；sponge city；low impact development；SWMM model；runoff regulation；flood control and discharge
魍郴场建设以硬化路面为主，使得机场周围原有的水文循环过程遭到破坏，短时强降雨给机场排水管网带来巨大压力。美国提出“低影响开发城市和绿色建筑”，奥黑尔国际机场通过屋顶全绿化，实现了90%-95%的降水量不外排[1]；美国High Point住宅区应用低影响开发（LID）技术打造了接近自然水文情势的开放式排水系统，在解决环境保护和资源利用问题的同时，创造了多功能的开放空间[2]。澳大利亚提出“水敏感城市”[3]，重视雨水源头控制，水质水量问题就地解决，并将雨水处理与景观相结合。英国提出“可持续排水系统”，模仿开发前水文过程实现雨水利用[4]，伦敦奥林匹克公园的雨水收集系统在满足公园灌溉用水要求的同时，使周边街区用水量较其他类似街区下降了40%[5]。在海绵机场建设方面，国外多采用提高机场绿化面积、修建大容积蓄水设施及绿色屋顶等方式实现雨水径流控制，并强调雨水资源的处理与回用。我国海绵城市研究较晚，北京中关村生命科学园建设湿地系统收集、处理雨水的同时，采用多种渗滤液处理设施实现雨水的净化与下渗。北京大兴机场采用二级排水系统，雨水收集设施总容积达280万m，机场启用7个多月，场内自然积存水量已高达70 万m，污水处理率和再生水利用率达100%。北京首都国际机场T3航站楼GTC屋顶实现了2/3绿化，航站楼外两湖一河的蓄水量约50万m。哈尔滨群力雨洪公园构建了水质净化-蓄滞水-地下水回补的多级多功能湿地系统[6]。深圳光明新区辖区内河流众多、绿化面积大，采用入渗和调蓄2种模式调控雨水[7]。
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LID设施在恢复水文循环、防洪排涝方面有一定优势。李尤等[8]基于InioWorks ICM构建综合洪涝模型分析表明，海绵措施可以缓解雨水管网负荷，提高管网排水能力。但LID设施在海绵机场建设中的适用性仍需进一步研究。笔者结合机场所在区域水文条件、机场各功能分区特殊需求及LID设施建设目标，设计了适合我国不同分区海绵机场建设需求的LID设施应用方案，并以III区（年径流总量控制率为75%～85%的区域）某机场为例，探讨LID设施在机场各功能分区的具体应用，借助SWMM模型量化分析建设LID设施后的雨洪控制效果。
1LID设施建设原则与目标
1.1LID设施建设原则
海绵机场的建设要能够应对极端暴雨天气，保证机场高效、安全运行。机场建设LID设施时应注重保护生态环境，因地制宜地制定海绵措施规划方案，雨水就地解决，选择适用于研究区域水文地质条件等的低影响开发设施。机场不同于常规建筑，其硬化路面占比大，尤其是飞行区，遇到暴雨易发生洪涝灾害，且飞行区雨水径流存在油污、化学制剂等污染物含量高、水质差等问题。在规划飞行区低影响开发措施时，一方面要满足机场防洪排涝、地基防水及鸟害防治等需求，另一方面要保证初期雨水处理后流入下游雨水收集系统。
1.2LID设施建设目标
机场建设LID设施应以恢复开发前的水文状况、满足机场防洪排涝需求为目的，LID设施规划建设的控制目标主要有径流总量控制、径流峰值控制、径流污染控制、雨水资源回用及内涝防治，其中：径流总量用年径流总量控制率或径流系数评估；径流峰值用峰值流量削减率评估；径流污染采用COD、TN、TP、TSS及重金属等指标评估，也可以采用年径流总量控制率评估；内涝防治一般采用内涝持续时间及内涝积水深度评估；雨水资源回用采用径流总量评估。
2C场LID设施应用方案
LID设施在雨洪控制、区域地下水补给、净化雨水、雨水资源回用、环境美化等方面效果显著，不仅有助于使区域内水文情势接近开发前的状态，而且具有一定生态效益、社会效益和经济效益网。通过查阅文献[10-22]，总结出各类LID设施的应用效果，见表1（其中，★表示很重要，●表示重要，◇表示一般重要，○表示不重要）。
我国不同区域暴雨分布差异较大，根据《海绵城市建设技术指南》我国大陆地区年径流总量控制率分布，将我国大陆地区划分为5类区域。全国机场可参考这一区域划分设计LID设施及选择评估指标。各LID设施组合方案较单一LID设施更能有效实现径流总量、径流峰值、径流污染、内涝等控制目标。根据LID设施设计原则、各机场的控制目标以及机场区域的气候状况、水文条件、机场的土壤特征等实际情况，提出了适宜我国各个区域机场的LID设施应用方案，见表2。
3实例分析
以III区某机场为例进行分析。该机场所在区域地势平坦，属暖温带半湿润性大陆季风气候区，春季多风少雨，夏季炎热多雨。全年降水量500～700 mm，集中在夏季。将该机场排水管网设计数据、机场高程数据等相结合，划分研究区域子汇水区，构建机场SWMM 模型，并根据已有研究采用Horton模型模拟产流过程。研究区域可概化为970个子汇水区，1 080个节点，1 083个管道和7个蓄水池。
3.1降水数据
我国降水多为单峰雨型，综合雨峰系数为0.31～ 0.51，与芝加哥雨型相似，因此将芝加哥雨型作为设计雨型，根据研究区域资料，暴雨强度计算公式为
式中：q为设计暴雨强度，L/（s・hm）；t为降水历时，min；P为设计重现期，a。
该机场飞行区雨水管线按降水重现期P = 5 a设计，其他区域按照P = 3 a设计，为分析增设LID设施后机场雨洪控制和防洪排涝的效果，按照重现期P =10a设计降水情景。确定降水强度后，还需确定降水雨型，采用峰值系数r（峰现时间与暴雨时间的比值）表示降水雨型。拟合得到降水重现期P =10 a、峰值系数r= 0.375、降水历时为120 min的暴雨过程，见图1。
3.2LID情景设置
飞行区LID设施建设以防洪排涝、确保飞行安全及削减雨水污染为主要目的。如采用植草沟排放跑道及机坪雨水至排水管网，在货运区屋顶采用绿色屋顶；航站楼建筑屋面面积大，且雨水初期径流污染物浓度高，可采用雨水桶、雨水槽及雨水初期处理设施来收集、处理及回用雨水；其他建筑屋面可铺设花园式绿色屋顶；停车场易发生积水，可布设渗透铺装；公共绿地布设生物滞留池、雨水花园，不仅可以削减雨水径流量和峰值流量，还可以提升机场的绿化景观效果。
结合机场所在地水文地质条件、降水条件、机场硬化铺装比例及飞行区管控要求等，设计适合该机场的LID设施应用方案，见图2。停车场布设渗透铺装面积为9.3万m，渗透铺装率为80%；除航站楼外，其他建筑屋顶全绿化处理，并设雨水桶等完成雨水的集蓄与回用，实现屋面雨水源头控制；停车场旁公共绿地布设雨水花园、生物滞留池，布设比例为68%。模型中LID 设施参数取值依据SWMM用户手册和已有研究成果确定，主要参数取值见表3。
3.3结果分析
由于机场占地面积大，划分的子汇水区多且有多个排水口，因此在各功能分区选取部分节点，根据建立的SWMM模型，对比分析10 a 一遇降水情景下，传统开发模式（无LID）和低影响开发模式的雨洪控制（径流总量控制、径流峰值控制）和内涝防治效果。模拟总历时为5 h，其中前2 h为设计降水历时，后3 h为退水时间。
（1）雨洪控制效果分析。模拟发现，10 a 一遇降水情景下，增设LID设施对该机场径流总量和峰值流量具有明显削弱效果。传统开发模式下各节点径流峰值明显大于低影响开发模式的，见图3（其中节点1为飞行区东跑道出水口，节点2为飞行区西跑道出水口，节点3为停车场出水口，节点4为社会车辆入口处出水口）。径流总量削减率最高为74.0%、最低为8.3%，峰值流量削减率最高为51.0%、最低为10.1%。增设LID设施后峰值时间得到延后，最多推迟了16 min，最少推迟了2 min，见表4。合理布设LID设施可以有效控制雨水径流、削减峰值流量、延后峰现时间，降低机场雨水管网系统的排水压力。
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（2）内涝积水分析。模拟发现，在10 a 一遇降水情景下，增设LID设施对机场防洪排涝具有一定控制效果：飞行区在增设LID设施后溢流节点数减少13.1%，超载管段数减少20.4%；停车场在增设LID设施后溢流节点数减少6.3%，超载管段数减少10.0%。管段最大积水深度减幅最高为68%，减小了0.316 m；最大流量减幅高达63%，见图4～图6（图中百分数为变化率）。
4结论
在总结国内外典型案例低影响开发建设理论与成效的基础上，探讨了海绵机场规划的基本原则和目标，并结合不同LID设施应用效果和各区域机场实际情况，设计了适合我国不同分区的机场LID设施应用方案，并在III区某机场进行了实例研究。该机场所在区域降水充沛且集中在夏季，机场周边多农田且有河流，在建设LID设施时应强调“渗”“蓄”“排”，辅以自然水体利用。通过采用多种LID设施，径流总量削减率为8.3%～74.0%，峰值流量削减率为10.1%～51.0%，峰现时间滞后了2～16min。根据内涝积水分析结果可知，溢流节点数减少6.3%～13.1%，超载管段数减少10.0%～20.4%。管段最大积水深度减幅最高为68%，最大流量减幅最高达63%。增设LID设施使得机场雨水径流总量、峰值流量显著降低，峰现时间推迟，显著增强了机场防洪排涝效果。
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