基于飞行区改扩建需求的排水工况动态分析

2022-08-03赵方冉苏守韬曹元兵

中国民航大学学报 2022年3期

赵方冉，苏守韬，曹元兵

（中国民航大学交通科学与工程学院，天津 300300）

降雨积水对飞机起降和地面滑行的影响不可忽视，对于中国一些早期建设的机场，由于机场排水系统暴雨重现期选取过小[1]（仅为1～5 a），从而导致飞行区洪涝现象时有发生；同时，随着机场后期不断改扩建，非渗水占地面积比例不断增大导致排水设施功能衰减，更加剧了飞行区雨季洪涝现象。跑道状况对于机场飞行安全具有重要影响[2]，积水现象对跑道的使用和维护造成不利影响，直接影响着机场运输生产安全。因此，飞行区排水设施的功能成为飞行区设施改扩建中不可忽视的影响因素。为保障机场运行安全，飞行区排水系统必须快速高效地排除场区表面降雨，避免产生内涝。

以往实践表明，机场不断改扩建是影响其场区排水能力的主要因素。文献[3-4]研究表明，地表径流与土地利用密切相关，植被斑块能拦截更多的径流，径流损失可降低25%。然而，目前研究大多集中于大中尺度的非城市流域，针对机场及周边区域的研究较少。在机场改扩建过程中，由于汇水面积和土质区坡度增大，机场内地表径流量势必变大。近年来，全国范围内特大暴雨天气频发，排水沟洪峰流量陡增，原有的老旧排水系统达不到当前排水要求[5]。但目前针对暴雨重现期选取与飞行区排水设施工况之间动态分析研究较少。

温州龙湾国际机场（简称温州机场）每年夏秋季节受台风影响，属于受“潮汐+台风+暴雨”类型降雨影响的典型区域[6]，研究其飞行区扩建后的场区雨水分布和排水性能，对于合理地选取暴雨重现期具有借鉴意义。因此，根据《民用机场排水设计规范》[7]（MH/T 5036—2017），以温州机场为例，针对其飞行区扩建后的场区雨水分布和排水性能，通过SWMM 仿真模拟探讨选取不同暴雨重现期对机场内排水设施的影响，可为机场飞行区地面设施改扩建过程中排水系统参数优化提供科学依据。

1 机场概况

温州机场飞行区总面积达到267×104m2，其中：站坪占地53.5×104m2，跑道占地14.30×104m2，平滑道占地13.70×104m2，联络道等硬化地表设施占地9.35×104m2，非渗水地表面积占飞行区总面积的34%。在该区域中，已建设了4 条排水沟渠。

温州机场年平均降雨量为1 773.5 mm，1991—2013 年，大雨降雨日数为224 d，暴雨降雨日数为74 d，大暴雨降雨日数为18 d；大雨及以上等级降雨日数占总降雨日数（3 843 d）的8.2%。研究[8]表明，温州机场的大雨和暴雨日数总体有增多的趋势，即每10 a 增加0.7个大雨日和0.8 个暴雨日。因此，降雨对温州机场的影响会越来越明显。

2 飞行区排水模型构建

2.1 基于SWMM 的排水系统模拟

暴雨洪水管理模型[9]（SWMM，storm water management model）是分析暴雨径流的软件系统，该软件可以模拟动态的降雨—径流分布式规律[10]，并可以模拟不同时刻各汇水区产生径流的水量和水质，以及管段中流量、水深与水质等情况[11]。因此，可以利用该软件模拟分析机场飞行区的雨水排放系统工况。

2.2 短历时降雨模型

目前，城市排水规划设计常用的短历时降雨模型为芝加哥雨型[12]。考虑机场内排水设计的暴雨重现期过小，且降雨量级与芝加哥雨型设计的暴雨相近[5]，该降雨模型能较好地满足模拟机场飞行区暴雨降雨的要求[13]。

根据温州市气象局2016 年发布的温州市暴雨强度，经单位换算后可得到当地暴雨平均强度如下

式中：i 为平均暴雨强度（mm/min）；t 为降雨历时（min）；P 为暴雨重现期。

根据文献[7]可以研究5、10、20、30、50、100 a 等不同暴雨重现期下降雨对飞行区排水设施工况的影响，其中降雨取时间步长为5 min、历时120 min 的降雨模型，从而模拟飞行区管网等设施对雨水的疏排效果。将降雨历时时间序列分为峰前和峰后两部分，利用雨峰位置系数r 来描述暴雨峰值发生的时刻[14]，r 取经验值0.4。可利用式（1）计算芝加哥雨型合成暴雨过程线间隔时段5 min 的累积和平均降雨量，可得出温州机场各时段的平均降雨强度，从而得出温州机场不同暴雨重现期下历时120 min 的芝加哥雨型[15]如图1 所示。

图1 不同暴雨重现期下温州机场120 min 芝加哥雨型Fig.1 120 min Chicago rain pattern at Wenzhou Airport under different storm recurrence periods

从图1 可以看出，相同暴雨重现期下，雨峰处降雨量呈“单峰型”，雨峰处降雨量随历时的增加先增大，在50 min 左右达到峰值，随后逐渐减小。

2.3 子汇水区划分

从温州机场飞行区雨水疏排区域划分情况来看，根据该区域跑道、滑行道和联络道的布局，以及场地标高和排水管网布局等，将雨水疏排区域划分为18个子汇水区（S1～S18），如图2 所示。排水设施包含47个汇水节点（J1～J47）、47 条管网和3 个主排水口。汇水区产流过程模拟中，水流运动演算选用动态波模型，采用Horton 下渗模型，并对子汇水区相关参数进行率定[16-17]。

图2 温州机场飞行区子汇水区域划分图Fig.2 Sub-catchment area division map of Wenzhou Airport flight area

3 飞行区排水工况模拟及管网优化

3.1 基于飞行区现状的排水工况分析

根据文献[7]，运输机场空侧暴雨重现期采用5 a，故选用P=5 a 模拟其排水设施工况。其中，主要排水沟为梯形断面，沟底宽度1.5 m，深度2.5 m，侧边坡度为1 ∶0.3。采用SWMM 仿真模拟其排水工况，模拟结果表明，位于航站楼T1 空侧内的机坪及土面区，即子汇水区S4 和S5 为主要超载溢流区域，且S3 内管段富余空间不足，很可能造成短时站坪积水。

针对现有问题，建议将其排水沟的断面横向尺寸拓宽至2.5 m，利用SWMM 模拟拓宽后的排水效果，拓宽前后的沟渠积水状况如图3 所示。

根据图3 可看出，拓宽排水沟后，易积水区域排水效果显著改善，可以完全避免出现积水现象。

图3 J1～J18 沟渠扩宽前后最高水位模拟效果（P=5 a）Fig.3 The simulation effect of the maximum water level before and after the widening of J1～J18 ditch（P=5 a）

3.2 飞行区改扩建后的排水工况分析

为适应机场运输量快速增长的需求，温州机场急需三期改扩建，其中新建航站楼及扩展机坪面积等工程都直接增大了飞行区排水设施的压力，直接导致场内沟渠汇水量增加。为保障航空运输的运行安全和畅通，必须对其排水系统进行较大规模改扩建。

根据初步扩建规划，在航站楼T1 前方S4 区域扩建机坪来增加机位数最为可行；经过改扩建后，S4 区域大部分面积由土面区改为硬化道面区，如图4 所示，非渗水地表面积比从70%增加到93%。

图4 机坪区域S4 改扩建过程图Fig.4 Reconstruction and expansion process diagram of S4 in apron area

改建后的站坪显著增大了非渗水地表面积，使得局部区域的排水压力显著增大。飞行区改建后P=5 a的模拟结果表明，即使采用底宽2.5 m 的加宽沟渠，节点J15 和J16 仍出现局部沟段积水溢出的现象。当将沟渠底宽拓宽至3.0 m 时，采用SWMM 仿真模拟其改建后的排水效果较好，能够保证沟渠各段不会出现溢出现象[16]，如图5 所示。

图5 J1～J18 沟渠扩宽前后最高水位模拟效果（扩建后，P=5 a）Fig.5 The simulation effect of the maximum water level before and after the expansion of the J1～J18 ditch（after the expansion，P=5 a）

由图5 可看出，当沟渠底宽扩展为3 m 后，易积水区域，即J13～J16 节点峰值水位明显降低，可减少积水隐患。

4 排水工况及管网优化

4.1 暴雨重现期较大时排水工况分析

近十几年来，温州机场大雨和暴雨呈增多的趋势，特别是受台风影响的大暴雨明显增多，以往仅考虑P=5 a 的设计标准难以适应机场运行安全畅通的要求，因此，其排水设施的标准需要提升。分别选用10、20、30、50、100 a 较高标准的暴雨重现期，并模拟不同暴雨重现期下120 min 短历时降雨量，以评价排水设施的可靠性程度。

当P=10 a时，满足各项排水任务要求；当P=20 a时，现有机坪位置附近J11～J18 号管段在8 min 内就会出现积水溢出现象，若将其排水沟底面拓宽至3 m，可满足120 min 短历时降雨内不发生积水溢出的要求；当P=30 a 时，即使将其排水沟底面拓宽至3 m，在6 min 内也会出现积水溢出的现象。因此，若考虑P≥30 a 时飞行区的排水能力，仅靠加宽沟底宽度难以满足排水要求。

飞行区改建后，J11～J18 号管段在高暴雨重现期降雨量校核下，同样存在积水外溢现象。因此，考虑高暴雨重现期降雨时段的排水能力，仅靠加宽沟底宽度难以满足排水要求。

4.2 管网优化模拟

针对上述问题，为满足飞行区高暴雨重现期降雨时段的排水要求，需要在上游段添加并联分流管道，使部分雨水通过新增管道直接排往下游。例如，可以充分利用S7～S10 区域内管段排水能力的冗余部分，将J3 和J8 改变为分流节点，分流S3 和S4 区域雨水至临近S7 和S8 区域的排水沟中，如图6 所示。按照上述方案改建后进行模拟分析，温州机场飞行区可以满足50 a 的暴雨重现期排水设计要求，如图7 所示。

图6 分流管段图Fig.6 Diversion pipe section diagram

图7 分流后J1～J18 管段最高水位图（P=50 a）Fig.7 The highest water level diagram of J1～J18 pipe section after diversion（P=50 a）

与P=50 a 时的降雨量相比，P=100 a 时的降雨量会更大，在机坪上游段继续添加并联分流管段后尚不能完全达到排水要求[17]。同时，对于J1～J18 号中的多数管段，P≤50 a 时的降雨量对于管段最大流速变化量影响不大，如图8 所示；若考虑未来机场可能进一步改扩建，以及当地暴雨强度增大的趋势，采用添加并联分流管段的方案，满足飞行区排水设施P=50 a的设计更为可靠。