武汉天河机场三期扩建工程的场内雨水排水系统设计

赵颖

摘 要：机场在任何城市的发展中都起着至关重要的作用。为适应经济社会的快速发展，武汉天河机场实施了扩建工程。针对降雨高峰事件，构建天河机场集水区的雨水管理模型（SWMM），并使用Horton法进行径流分析。通过设计系统适当的工作区、航站区、飞行区的雨水排水方案，既节省造价又便于后期维护。

关键词：雨水管理模型;动态波法;机场;排水系统设计

中图分类号：V351;TU992     文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2022）9-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.019

Drainage System Design for Wuhan Tianhe Airport Phase Ⅲ Expansion Project

ZHAO Ying

（Wuhan Tianhe Airport， Hubei Airport Group Co.， Ltd.， Wuhan 430302，China）

Abstract： Airports play a vital role in the development of any city. In order to adapt to the rapid economic and social development， Wuhan Tianhe Airport has implemented an expansion project. In response to peak rainfall events， a rainwater management model （SWMM） for the Tianhe Airport catchment area was established， the Horton method was used to assess infiltration， and the dynamic wave method was used for flow routing analysis. By systematically designing appropriate rainwater drainage schemes for working areas， terminal areas， and flight areas， this study can save costs and facilitate subsequent maintenance.

Keywords： rainwater management model; dynamic wave method; airport; drainage system design

0 引言

本研究中的雨水主要包括降雨和降雪，滲入地下或从陆地流入下水道、溪流和湖泊，还包括人类活动产生的径流，如浇灌草坪、洗车和排水池等产生的水流[1]。由于可持续性发展的需要，雨水管理的重要性在不断增加[2]。雨水管理最重要目标是保持溪流、湖泊和水生生物的清洁安全。为了实现这一目标，雨水管理要努力维持自然水文循环，防止洪水风险的增加，避免不良的河流侵蚀，并保护水质。

良好的机场排水系统设计对操作安全性、效率以及路面耐久性至关重要。2021年5月，武汉市气象台发布雷电黄色预警。受暴雨影响，武汉天河机场跑道因排水不畅导致洪水泛滥，仪表着陆系统设备被淹没以及能见度极差，导致进出港延误航班共37架次、取消航班15架次、备降航班12架次等。机场建设需要投入大量的资本，不能轻易搬迁，也不能长时间停运。由于暴雨形成的开放水域吸引了大量野生动物，其中鸟类对飞机飞行构成重大安全隐患[3]，对机场客运和货运造成严重的经济损失。某个机场关闭对其他机场的运营也有间接影响。因此，有必要分析现有的机场系统，并分析这一问题的成因，以便采取有效措施，从而解决问题。

1 工程概况

1.1 二期项目整体概况

武汉天河机场三期扩建工程是按2020年旅客吞吐量3 800万人次、货邮量44万t、年起飞架次40.4万架次的目标进行设计的。包括新建一条长3 600 m、宽60 m的第二跑道，2条长3 600 m、宽25 m的平行滑行道，4条垂直联络道。并新建54个机位的停机坪、占地面积350 000 m2的第三航站楼、5 500 m2的航管楼;新建11 000 m2的国际货运站和140 000 m2的停车场等。通过连廊、地下联络通道与综合交通枢纽相连，与航空、城际铁路、城市轨道、公路长途、公交（含机场大巴）、出租车、社会车辆等7种交通方式无缝对接。三期扩建工程用地红线内总面积约为1 232 hm2，其中，需要在场内设置排水系统的功能区面积约为1 170 hm2。

1.2 雨水排水系统条件分析

二期项目设计了雨水排水系统。空侧有四个雨水排放口，1#、4#排水口在飞行区南端，将雨水排至马家湖;3#排水口在飞行区中部西侧，将雨水排至姚子海;4#排水口在飞行区北端东侧，将雨水排至范泗桥河。陆侧有两个雨水排放口，南区雨水向南排入马家湖，北区雨水向北排入范泗桥河。

三期场内雨水排水外围条件分析如下。20 a一遇内涝水位为24.73 m;50 a一遇内涝水位为27.13 m;100 a一遇内涝水位为28.31 m;若遇长江溃堤，水位为29.01 m。场内地势高差不大，三期扩建后具体场地标高：南工作区为27.0～30.0 m，航站区为30.0～32.6 m，北工作区为25.5～34.0 m，飞行区为25.9～34.3 m，其中，跑道区域在29 m以上。T3航站楼±0.000相对于绝对标高32.8 m。南滑行道桥底部下穿通道最低处标高为23.0 m。

2 雨水排放的排放承载能力分析

2.1 雨水IDF曲线分析

设计雨水排放系统首先要收集数据[4]。第一步是使用不同暴雨频率的每日降雨量数据推导降雨强度-延时-频率（Intensity-Duration-Frequency， IDF）曲线，参数可用于雨水排放设计手册。从每日最大年降雨量数据中，使用IMD（1/3）规则推导出不同持续时间的每小时降雨量;然后使用Gumbel分布为各种情景做出预测。

2.2 雨水管理模型SWMM开发

雨水管理模型 （Storm Water Management Model， SWMM）是由美国环境保护署国家风险管理研究实验室水资源部制作的动态降水-径流模拟模型。它在世界各地被用于规划、分析和设计城市地区雨水径流、合流或卫生下水道以及其他排水系统，它是一种水文和水力模拟模型，用于研究城市地区单次或连续的径流事件。

SWMM模型是根据ArcGIS数据开发的。所有参数化的要素都存储在四个单独的ESRI形状文件（子集水区、交汇点、导管和出水口）中。建模时使用所有要素的几何属性来创建SWMM项目文件。在排水管网中的方向变化处提供交汇点，其位置从交汇点的形状文件中获得X和Y坐标。两个交汇点根据雨水的流动方向由导管连接。子集水区的位置是根据机场周围区域轮廓的山脊线和网络的入口点来决定的。所有子集水区都有连接节点，这些节点连接到排水管网并通向出口。根据现有的排水口提供出口，该出口连接到VMSS排水管。通过使用现有的雨水渠、斜坡、集水区、土地利用信息以及SWMM中的其他参数，设计区域排水模型。运行模型进行流动模拟，以检查排水管的承载能力，并确定失效的环节和节点。通过模型可以看出，由于机场方向的自然坡度，来自机场周围地区的雨水也进入机场区域。因此，雨水排放口的集水区实际上比机场的实际集水区大得多。

2.3 暴雨强度及雨水流量估计

工作区和航站区采用的暴雨强度见式（1）[5]。

q=983（1+0.65lgP）/（t+4）0.56     （1）

式中：q为设计暴雨强度，L/（s·ha）;P为设计重现期（年），取5 a;t为降雨历时，min。

工作区和航站区雨水流量计算公式见式（2）。

Q=ψ·q·F       （2）

式中：Q为雨水设计流量，L/s;q为设计暴雨强度，L/（s·ha）;ψ为综合径流系数;F为汇水面积，ha。

服务范围的径流系数按地块覆盖情况确定。道路径流系数ψ=0.9;绿地径流系数ψ=0.15～0.30;综合径流系数ψ=0.65。

2.4 飞行区排水设计标准和水力计算

飞行区排水系统采用5 a设计暴雨重现期。

水力计算采用以下暴雨强度公式。

[Q=983×1+0.65lgPt+40.56]   （3）

飞行区的排水设计径流系数如下：土面区0.3，建筑面区0.9。

3 排水设计方案

3.1 工作区和航站区雨水

汇水面积及排水量情况见图1。

3.1.1 南工作区、航站区雨水管网设计。对T3航站楼排入空侧服务车道的雨水，由于受飞行区排水沟深度所限，采用排水暗沟收集，相对集中排入飞行区排水沟。三期航站区陆侧雨水以进场路为界分为东、西两部分，通过雨水箱涵横穿南联络道，分别接入南工作区东区及南工作区西区雨水管网。航站区东区及南工作区东区雨水汇集至经二路雨水干管，在经二路最南端排入马家湖。航站区西工作区及南工作区的雨水汇集至经一路已有的雨水干线管网中，在经一路最南端排入马家湖。南进场路通过南滑行道桥下穿通道进入航站区，下穿通道及其周边部分汇水区域（约14 hm2）的雨水将根据地势排入下穿通道内，通过道路立交桥下雨水提升泵站提升排出，接至南工作区东区纬十一路雨水管网。

3.1.2 北工作区雨水管网设计。北工作区西区雨水依地势汇集至紧挨北进场路西侧的工作区道路下雨水干管内，向北排入通往后湖的排洪渠。此干管还接纳了本期飞行区北侧围界以外预留的远期飞行区地块西侧部分雨水。北工作区东区雨水依地势汇集至紧挨北进场路东侧的工作区道路下雨水干管内，向北排入通往后湖的排洪渠。北工作区东区横一路道路下设置有一条雨水干管，主要接纳本期飞行区北侧围界以外预留的远期飞行区地块的东侧部分雨水。

其他场内各区中，维二路、维五路、横二路、横五路按城市主干道设计，雨水管道采用双侧布置，其余道路按城市次干道设计，采用单侧布管。雨水管管径按照规划路网和地形标高划分的汇水面积计算来确定。南、北工作区各地块预留接口检查井设在规划道路红线外2.0 m处，航站区根据实际预留。总汇水面积为1 170 hm2。东飞行区汇水面积预留了远期飞行区可能汇入的面积。本期总雨水量约为 86 m3/s，其中排入后湖的雨水量為32.5 m3/s，排入马家湖及姚子海的雨水量为53.5 m3/s。

3.2 飞行区雨水排水设计方案

根据周围水系和地势现状，新建飞行区确定新设南北2个出水口：南出水口向南接入马家湖;北出水口向东接入后湖。

本次排水工程分为四部分，汇水区域分区如下：

南排水系统（A线沟）：包括三期扩建站坪的大部分、分水岭以南、进场路以东的新建南飞行区;

北排水系统（B线沟）：包括航站区以北的土面区和新建北飞行区;

现有排水系统改造（C线沟）：包括现有飞行区扩建和进场路以西的南联络滑行道部分，雨水汇入机场西南侧的现有排水沟;

填方边坡的坡脚线排水系统，雨水汇入场外水系。

在排水线路布置时，应充分考虑与原有及远期工程的銜接。穿越本期道面的暗沟、跑道外侧的明沟均按照总体规划的需要布置，并预留规划设施的水量。

由于本次局部填挖方高度较高，为防止坡脚积水造成地基软化，沿放坡坡脚设置坡脚排水系统，采用浆砌片石梯形明沟形式。考虑到三期扩建工程雨水量较大，在新建跑道南北侧各建一个调节水池，以接纳飞行区雨水。南侧调节水池的入口水量为34.2 m3/s，出口水量为12 m3/s;北侧调节水池的入口水量为19.2 m3/s，出口水量为6 m3/s。在跑道南北两端分别设置两个调节水池，容积按照5 a重现期设计，20 a重现期校核。南向调节水池的上口面积为36 628 m2，极限调蓄容积为125 000 m3，池顶最低标高为28.70 m，最高设计水位为28.40 m，池底标高为24.50 m，最低设计水位为24.98 m;北向调节水池的上口面积为27 600 m2，极限调蓄容积为67 000 m3，池顶最低标高为27.60 m，最高设计水位为27.30 m，池底标高为24.50 m，最低设计水位为25.03 m。

3.3 排水结构设计

跑道与平滑之间设置钢筋混凝土盖板明/暗沟或双孔箱涵（穿越路面部分为飞机载荷盖板暗沟或双孔箱涵）;跑道东侧排水沟也采用钢筋混凝土盖板沟，其他土面区设浆砌片石梯形明沟;在下滑台保护区内采用汽车载荷钢筋混凝土盖板明沟。经过优化设计，没有在机坪上设置飞机载荷的排水明沟，既节省了造价，又避免了后期的维护。设置在楼前服务车道上的服务车道荷载排水沟再用三类铸铁箱涵，具有良好的整体性和耐久性。

4 结语

机场的雨水排水系统是影响机场运营安全和环保的重要因素。本研究以武汉天河机场三期扩建工程为例，根据民用航空行业标准进行了场内雨水排水系统设计。通过建立天河机场集水区的雨水管理模型（SWMM），使用Horton方法进行径流分析，并设计适当的工作区、航站区、飞行区的雨水排水方案，为国内外同类型机场的雨水排水系统设计提供借鉴思路。

参考文献：

[1] 席广朋，何秋杭，梅超，等.北京大兴国际机场雨水系统数值模拟与管理策略优化分析[J].中国防汛抗旱，2021（10）：1-4，14.

[2] 涂夏明，姚倩.机场飞行区雨水排放与综合利用的应用研究[J].山西建筑，2021（4）：101-103.

[3] 路海锋，葛惟江.北京大兴国际机场全场雨水系统构建设计[J].给水排水，2020（12）：93-98.

[4] 任圆，孟瑞明，罗凯，等.水敏感区域雨水系统构建：以北京新机场为例[J].给水排水，2017（9）：28-32.

[5] 解刚，王向东，殷小琳，等.北方平原区大型机场生态恢复及雨水利用研究：以北京新机场为例[J].环境工程，2017（3）：5-9.