低影響開發海綿機場SWMM模型分析

彭 晶，唐 媛，毛浩然，趙賽男

（中國民航大學機場學院，天津 300300）

1 前言

機場大多位于地勢坦蕩的平原，大面積的飛行區地面經過硬化改造，雨水難以下滲。近年來，機場內澇災害頻繁發生，而飛行區一旦遭遇積水，輕則航班大面積延誤取消，機場運行效率降低，重則對人身安全造成嚴重威脅。這在一定程度上說明我國機場的排水設施尚不完善，防澇壓力異常嚴峻，積水問題沒有得到有效解決。為解決這一問題，“海綿機場”應運而生。“海綿機場”旨在構建“源頭滯蓄減排+過程綠色控制管理+末端生態調蓄入滲”的全體系化綠色雨水管理系統，通過源頭削減、過程控制和末端調蓄，構建水生態、水環境、水安全、水資源四方面的海綿體系，最終達到有效降低外排徑流量、控制點源和面源污染效果。

路海鋒提出通過減小機場雨水外排徑流、設置場內蓄水池、在機場空側土面區和雨水調蓄設施內植草、在維修機坪區域設置油水分離設施、建筑物屋頂使用環保型材料等措施滿足場內排水需求，構建全場雨水系統；彭晶提出利用模擬雨量徑流和評估海綿機場的低影響開發（Low Impact Development，以下簡稱LID）設施的手段解決由于極端天氣導致的機場洪水問題；何曉海提出利用暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model，以下簡稱SWMM）與LID 設施相結合的方式解決強降雨地區機場進場公路及停車場積水問題；張海林提出通過源頭削減、過程控制和末端調蓄的排水體系構建水生態、水環境、水資源三方面的海綿體系，解決缺水地區機場的低影響開發問題；任圓通過機場的水敏感性和限制性因素兩方面進行深入分析，從徑流總量和污染控制、蓄水系統方案等方面給出了相應的解決方案，以構建海綿機場排水總體框架；湯鐘提出了具體的海綿機場建設量化目標，并進一步細化到不同的機場海綿單元，進而給出從3 個不同層面出發的海綿系統規劃方案。Amendolara研究了北卡羅來納州最大的航空站之一的伊麗莎白市航空站，該航空站有2條主要跑道10-28 和1-19，還有滑行道系統。10-28號跑道狀況良好，1-19號跑道嚴重損壞，需要維修。經過評估后，建議拆卸、重新設計和重建1-19跑道，使用約75% 的再生硅酸鹽水泥混凝土路面，升級滑行道系統，并改善雨水管理系統，以滿足當前和未來海岸警衛隊航空需要。最終的跑道設計包含厚度為8英寸的混合基層，上面覆蓋著厚度為12英寸的PCC厚板。利用SWMM 收集和疏導機場雨水徑流，優化排水系統，保護跑道的完整性，降低維護費用。

2 研究區現狀分析

研究區處于東八區，位于華北平原東北部，地處渤海西岸，影響氣候因子包括暖溫帶、季風環流、氣溫變化、降水變化等，氣候類型屬于溫帶季風氣候，氣候特征一般為冬冷夏熱，降水集中于7月下旬和8月上旬。機場飛行區于1942 年建成，初期機場主體為中間高、四周低的圓形場面配備2 條垂直交叉跑道，擴建后改為雙平行跑道系統，機場飛行區總體地勢有利于排水，建設時場面周邊設計深溝用于排澇。機場跑道由土質跑道改為瀝青混凝土跑道，由于混凝土道面不利于積水下滲，導致原有排水系統容易出現過載情況，研究區域概化如圖1所示。

圖1 研究區概化

3 研究區雨水系統模型構建

SWMM 是由美國環境保護署開發的基于水動力學的降雨徑流模擬模型。該模型集成了降雨、徑流等多種模塊，將研究區域劃分為多個子匯水區（子匯水區又可分為透水面和不透水面），在每個匯水區內分別進行地表產流和匯流計算，地表徑流經坡面匯流匯集到管道或者河道進行匯流計算，疊加后演算到排水區出口的模型結構來反映雨洪形成的基本過程，實現對單場及連續降雨徑流和排水情況的動態模擬。

LID 是指通過分散的、小規模的源頭控制達到對暴雨所產生的徑流和污染的控制，使開發地區盡量接近于自然的水文循環。目前機場飛行區與其他傳統機場均以“排”為主，通過排水口外排積水，阻礙了雨水的下滲與滯留，增大了飛行區積水和內澇風險，還會引起雨水徑流污染。為此，在保證安全運行的前提下，要在當前機場飛行區建設基礎上構建LID 雨水系統，將雨水的滲透、滯留與排水結合，改善機場飛行區水環境。考慮飛行區以跑道為主，無法進行透水鋪裝，LID 設施采用下凹式綠地、植草溝2種類型。

（1）下凹式綠地。下凹式綠地具有補充地下水、調節徑流和滯洪以及削減徑流污染物的作用。

（2）植草溝。植草溝能收集、輸送和排放徑流雨水，并具有一定雨水凈化作用，同時可用于銜接其他功能區雨水徑流排放系統，建設及維護費用較低，可設置于傳統排水明渠和雨水溝所在區域。

結合研究區基本條件，選用Horton 入滲模型來模擬研究區域的產流入滲過程，匯流模塊采用非線性水庫模型，對參數進行率定，選擇納什系數：

反復調整模型參數后，得到的率定參數和結果詳見表1。

表1 模型參數值

根據2016 年天津市雨水徑流量計算標準，第Ⅱ區暴雨強度計算公式為：

式中：q為設計暴雨強度[L∕（s·hm2）]；t為降雨歷時（min）；P為設計重現期（a）。

各不同重現期下雨型分配曲線如圖2 所示，重現期1 a，降雨總量52.93 mm；重現期5 a，降雨總量81.25 mm；重現期10 a，降雨總量93.49 mm。

圖2 不同重現期下雨型分配曲線

4 雨洪控制效果分析

利用SWMM 軟件在不同重現期下，隨機選出3個子匯水區，分別對普通模式及LID 建設模式進行模擬，對得出的結果進行分析，得出類似結論，子匯水區S133如圖3所示。

圖3 S133所在位置

在選擇重現期分別為1、5、10 a的情況下運行模型，通過有無LID 設施得出數據進行對比以及不同重現期的數據對比，在相同降水量和總徑流入的情況下得出不同的下滲量、高峰徑流出以及徑流系數，詳見表2。

表2 S133模擬運行數據

通過創建S133 子匯水區時間與下滲量的時間序列圖，可明顯看出不同時間段下滲量的變化趨勢，不同重現期有無LID 設施時的下滲情況對比如圖4所示。

圖4 不同重現期有無LID設施下滲情況對比

重現期為1 a時，下滲量最大值由47.46 mm∕h變為34.08 mm∕h，下降了27.34%；重現期為5 a時，下滲量最大值由54.24 mm∕h 變為31.00 mm∕h，下降了42.84%；重現期為10 a時，下滲量最大值由51.93 mm∕h變為30.03 mm∕h，降低了42.17%。

對LID 設施開發模式與常規開發模式進行對比分析，結果顯示，較無LID 設施在重現期1、5、10 a時的總徑流出分別降低了1.72%、5.81%、6.67%，徑流系數分別降低了1.8%、5.8%、6.6%。LID 設施對總徑流出、高峰徑流出、徑流系數有明顯控制效果，且重現期越長削減效果越明顯，說明LID 可以提高機場飛行區防澇閾值，有效降低排水壓力，緩解機場飛行區積水和內澇問題。

5 結論

在機場建設運營中，由于飛行區地面硬化改造等因素造成機場極易內澇，進而引發一系列問題，嚴重影響了機場的運營效率和飛機安全。海綿機場的產生在解決機場內澇問題上發揮著關鍵作用。相較其他設施，LID設施具有通過分散的、小規模的源頭控制的特點，成為目前最適合海綿機場應用的設施，極大促進了海綿機場排水體系建設的適應性和穩定性。