海绵机场低影响开发设施设计及效果评价

杨新湦，王倩倩，彭 晶

(1.中国民航大学 科技创新研究院，天津 300300;2.中国民航大学 交通科学与工程学院，天津 300300;3.中国民航大学 中国民航环境与可持续发展研究中心，天津 300300）

传统机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m3,机场启用7个多月,场内自然积存水量已高达70万m3,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m3。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］。

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InfoWorks 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。

1 LID设施建设原则与目标

1.1 LID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。

1.2 LID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。

2 机场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[9］。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)。

表1 部分LID设施功能效果评价

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。

表2 不同区域海绵机场雨水基础设施应用方案

续表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,1080个节点,1083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·hm2)；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＝10 a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。

图1 设计暴雨过程线

3.2 LID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m3,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。

图2 该机场低影响开发设施设计方案

表3 部分LID设施主要参数取值 mm

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。

图3 两种工况雨洪控制效果对比

表4 LID设施雨洪控制效果

(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)。

图4 停车场管段最大流量变化

图5 飞行区管段最大流量变化

图6 停车场与飞行区最大积水深度变化

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2～16 min。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。