海綿機場低影響開發(fā)設(shè)施設(shè)計及效果評價

楊新湦，王倩倩，彭 晶

(1.中國民航大學(xué) 科技創(chuàng)新研究院，天津 300300;2.中國民航大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300;3.中國民航大學(xué) 中國民航環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究中心，天津 300300）

傳統(tǒng)機場建設(shè)以硬化路面為主,使得機場周圍原有的水文循環(huán)過程遭到破壞,短時強降雨給機場排水管網(wǎng)帶來巨大壓力。美國提出“低影響開發(fā)城市和綠色建筑”,奧黑爾國際機場通過屋頂全綠化,實現(xiàn)了90%～95%的降水量不外排[1］；美國High Point住宅區(qū)應(yīng)用低影響開發(fā)(LID)技術(shù)打造了接近自然水文情勢的開放式排水系統(tǒng),在解決環(huán)境保護和資源利用問題的同時,創(chuàng)造了多功能的開放空間[2］。澳大利亞提出“水敏感城市”[3］,重視雨水源頭控制,水質(zhì)水量問題就地解決,并將雨水處理與景觀相結(jié)合。英國提出“可持續(xù)排水系統(tǒng)”,模仿開發(fā)前水文過程實現(xiàn)雨水利用[4］,倫敦奧林匹克公園的雨水收集系統(tǒng)在滿足公園灌溉用水要求的同時,使周邊街區(qū)用水量較其他類似街區(qū)下降了40%[5］。在海綿機場建設(shè)方面,國外多采用提高機場綠化面積、修建大容積蓄水設(shè)施及綠色屋頂?shù)确绞綄崿F(xiàn)雨水徑流控制,并強調(diào)雨水資源的處理與回用。我國海綿城市研究較晚,北京中關(guān)村生命科學(xué)園建設(shè)濕地系統(tǒng)收集、處理雨水的同時,采用多種滲濾液處理設(shè)施實現(xiàn)雨水的凈化與下滲。北京大興機場采用二級排水系統(tǒng),雨水收集設(shè)施總?cè)莘e達280萬m3,機場啟用7個多月,場內(nèi)自然積存水量已高達70萬m3,污水處理率和再生水利用率達100%。北京首都國際機場T3航站樓GTC屋頂實現(xiàn)了2/3綠化,航站樓外兩湖一河的蓄水量約50萬m3。哈爾濱群力雨洪公園構(gòu)建了水質(zhì)凈化-蓄滯水-地下水回補的多級多功能濕地系統(tǒng)[6］。深圳光明新區(qū)轄區(qū)內(nèi)河流眾多、綠化面積大,采用入滲和調(diào)蓄2種模式調(diào)控雨水[7］。

LID設(shè)施在恢復(fù)水文循環(huán)、防洪排澇方面有一定優(yōu)勢。李尤等[8］基于InfoWorks ICM構(gòu)建綜合洪澇模型分析表明,海綿措施可以緩解雨水管網(wǎng)負荷,提高管網(wǎng)排水能力。但LID設(shè)施在海綿機場建設(shè)中的適用性仍需進一步研究。筆者結(jié)合機場所在區(qū)域水文條件、機場各功能分區(qū)特殊需求及LID設(shè)施建設(shè)目標,設(shè)計了適合我國不同分區(qū)海綿機場建設(shè)需求的LID設(shè)施應(yīng)用方案,并以Ⅲ區(qū)(年徑流總量控制率為75%～85%的區(qū)域)某機場為例,探討LID設(shè)施在機場各功能分區(qū)的具體應(yīng)用,借助SWMM模型量化分析建設(shè)LID設(shè)施后的雨洪控制效果。

1 LID設(shè)施建設(shè)原則與目標

1.1 LID設(shè)施建設(shè)原則

海綿機場的建設(shè)要能夠應(yīng)對極端暴雨天氣,保證機場高效、安全運行。機場建設(shè)LID設(shè)施時應(yīng)注重保護生態(tài)環(huán)境,因地制宜地制定海綿措施規(guī)劃方案,雨水就地解決,選擇適用于研究區(qū)域水文地質(zhì)條件等的低影響開發(fā)設(shè)施。機場不同于常規(guī)建筑,其硬化路面占比大,尤其是飛行區(qū),遇到暴雨易發(fā)生洪澇災(zāi)害,且飛行區(qū)雨水徑流存在油污、化學(xué)制劑等污染物含量高、水質(zhì)差等問題。在規(guī)劃飛行區(qū)低影響開發(fā)措施時,一方面要滿足機場防洪排澇、地基防水及鳥害防治等需求,另一方面要保證初期雨水處理后流入下游雨水收集系統(tǒng)。

1.2 LID設(shè)施建設(shè)目標

機場建設(shè)LID設(shè)施應(yīng)以恢復(fù)開發(fā)前的水文狀況、滿足機場防洪排澇需求為目的,LID設(shè)施規(guī)劃建設(shè)的控制目標主要有徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制、雨水資源回用及內(nèi)澇防治,其中:徑流總量用年徑流總量控制率或徑流系數(shù)評估；徑流峰值用峰值流量削減率評估；徑流污染采用COD、TN、TP、TSS及重金屬等指標評估,也可以采用年徑流總量控制率評估；內(nèi)澇防治一般采用內(nèi)澇持續(xù)時間及內(nèi)澇積水深度評估；雨水資源回用采用徑流總量評估。

2 機場LID設(shè)施應(yīng)用方案

LID設(shè)施在雨洪控制、區(qū)域地下水補給、凈化雨水、雨水資源回用、環(huán)境美化等方面效果顯著,不僅有助于使區(qū)域內(nèi)水文情勢接近開發(fā)前的狀態(tài),而且具有一定生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益[9］。通過查閱文獻[10-22］,總結(jié)出各類LID設(shè)施的應(yīng)用效果,見表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設(shè)施功能效果評價

我國不同區(qū)域暴雨分布差異較大,根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》我國大陸地區(qū)年徑流總量控制率分布,將我國大陸地區(qū)劃分為5類區(qū)域。全國機場可參考這一區(qū)域劃分設(shè)計LID設(shè)施及選擇評估指標。各LID設(shè)施組合方案較單一LID設(shè)施更能有效實現(xiàn)徑流總量、徑流峰值、徑流污染、內(nèi)澇等控制目標。根據(jù)LID設(shè)施設(shè)計原則、各機場的控制目標以及機場區(qū)域的氣候狀況、水文條件、機場的土壤特征等實際情況,提出了適宜我國各個區(qū)域機場的LID設(shè)施應(yīng)用方案,見表2。

表2 不同區(qū)域海綿機場雨水基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用方案

續(xù)表2

3 實例分析

以Ⅲ區(qū)某機場為例進行分析。該機場所在區(qū)域地勢平坦,屬暖溫帶半濕潤性大陸季風(fēng)氣候區(qū),春季多風(fēng)少雨,夏季炎熱多雨。全年降水量500～700 mm,集中在夏季。將該機場排水管網(wǎng)設(shè)計數(shù)據(jù)、機場高程數(shù)據(jù)等相結(jié)合,劃分研究區(qū)域子匯水區(qū),構(gòu)建機場SWMM模型,并根據(jù)已有研究采用Horton模型模擬產(chǎn)流過程。研究區(qū)域可概化為970個子匯水區(qū),1080個節(jié)點,1083個管道和7個蓄水池。

3.1 降水數(shù)據(jù)

我國降水多為單峰雨型,綜合雨峰系數(shù)為0.31～0.51,與芝加哥雨型相似,因此將芝加哥雨型作為設(shè)計雨型,根據(jù)研究區(qū)域資料,暴雨強度計算公式為

式中:q為設(shè)計暴雨強度,L/(s·hm2)；t為降水歷時,min；P為設(shè)計重現(xiàn)期,a。

該機場飛行區(qū)雨水管線按降水重現(xiàn)期P＝5 a設(shè)計,其他區(qū)域按照P＝3 a設(shè)計,為分析增設(shè)LID設(shè)施后機場雨洪控制和防洪排澇的效果,按照重現(xiàn)期P＝10 a設(shè)計降水情景。確定降水強度后,還需確定降水雨型,采用峰值系數(shù)r(峰現(xiàn)時間與暴雨時間的比值)表示降水雨型。擬合得到降水重現(xiàn)期P＝10 a、峰值系數(shù)r＝0.375、降水歷時為120 min的暴雨過程,見圖1。

圖1 設(shè)計暴雨過程線

3.2 LID情景設(shè)置

飛行區(qū)LID設(shè)施建設(shè)以防洪排澇、確保飛行安全及削減雨水污染為主要目的。如采用植草溝排放跑道及機坪雨水至排水管網(wǎng),在貨運區(qū)屋頂采用綠色屋頂；航站樓建筑屋面面積大,且雨水初期徑流污染物濃度高,可采用雨水桶、雨水槽及雨水初期處理設(shè)施來收集、處理及回用雨水；其他建筑屋面可鋪設(shè)花園式綠色屋頂；停車場易發(fā)生積水,可布設(shè)滲透鋪裝；公共綠地布設(shè)生物滯留池、雨水花園,不僅可以削減雨水徑流量和峰值流量,還可以提升機場的綠化景觀效果。

結(jié)合機場所在地水文地質(zhì)條件、降水條件、機場硬化鋪裝比例及飛行區(qū)管控要求等,設(shè)計適合該機場的LID設(shè)施應(yīng)用方案,見圖2。停車場布設(shè)滲透鋪裝面積為9.3萬m3,滲透鋪裝率為80%；除航站樓外,其他建筑屋頂全綠化處理,并設(shè)雨水桶等完成雨水的集蓄與回用,實現(xiàn)屋面雨水源頭控制；停車場旁公共綠地布設(shè)雨水花園、生物滯留池,布設(shè)比例為68%。模型中LID設(shè)施參數(shù)取值依據(jù)SWMM用戶手冊和已有研究成果確定,主要參數(shù)取值見表3。

圖2 該機場低影響開發(fā)設(shè)施設(shè)計方案

表3 部分LID設(shè)施主要參數(shù)取值 mm

3.3 結(jié)果分析

由于機場占地面積大,劃分的子匯水區(qū)多且有多個排水口,因此在各功能分區(qū)選取部分節(jié)點,根據(jù)建立的SWMM模型,對比分析10 a一遇降水情景下,傳統(tǒng)開發(fā)模式(無LID)和低影響開發(fā)模式的雨洪控制(徑流總量控制、徑流峰值控制)和內(nèi)澇防治效果。模擬總歷時為5 h,其中前2 h為設(shè)計降水歷時,后3 h為退水時間。

(1)雨洪控制效果分析。模擬發(fā)現(xiàn),10 a一遇降水情景下,增設(shè)LID設(shè)施對該機場徑流總量和峰值流量具有明顯削弱效果。傳統(tǒng)開發(fā)模式下各節(jié)點徑流峰值明顯大于低影響開發(fā)模式的,見圖3(其中節(jié)點1為飛行區(qū)東跑道出水口,節(jié)點2為飛行區(qū)西跑道出水口,節(jié)點3為停車場出水口,節(jié)點4為社會車輛入口處出水口)。徑流總量削減率最高為74.0%、最低為8.3%,峰值流量削減率最高為51.0%、最低為10.1%。增設(shè)LID設(shè)施后峰值時間得到延后,最多推遲了16 min,最少推遲了2 min,見表4。合理布設(shè)LID設(shè)施可以有效控制雨水徑流、削減峰值流量、延后峰現(xiàn)時間,降低機場雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水壓力。

圖3 兩種工況雨洪控制效果對比

表4 LID設(shè)施雨洪控制效果

(2)內(nèi)澇積水分析。模擬發(fā)現(xiàn),在10 a一遇降水情景下,增設(shè)LID設(shè)施對機場防洪排澇具有一定控制效果:飛行區(qū)在增設(shè)LID設(shè)施后溢流節(jié)點數(shù)減少13.1%,超載管段數(shù)減少20.4%；停車場在增設(shè)LID設(shè)施后溢流節(jié)點數(shù)減少6.3%,超載管段數(shù)減少10.0%。管段最大積水深度減幅最高為68%,減小了0.316 m；最大流量減幅高達63%,見圖4～圖6(圖中百分數(shù)為變化率)。

圖4 停車場管段最大流量變化

圖5 飛行區(qū)管段最大流量變化

圖6 停車場與飛行區(qū)最大積水深度變化

4 結(jié)論

在總結(jié)國內(nèi)外典型案例低影響開發(fā)建設(shè)理論與成效的基礎(chǔ)上,探討了海綿機場規(guī)劃的基本原則和目標,并結(jié)合不同LID設(shè)施應(yīng)用效果和各區(qū)域機場實際情況,設(shè)計了適合我國不同分區(qū)的機場LID設(shè)施應(yīng)用方案,并在Ⅲ區(qū)某機場進行了實例研究。該機場所在區(qū)域降水充沛且集中在夏季,機場周邊多農(nóng)田且有河流,在建設(shè)LID設(shè)施時應(yīng)強調(diào)“滲”“蓄”“排”,輔以自然水體利用。通過采用多種LID設(shè)施,徑流總量削減率為8.3%～74.0%,峰值流量削減率為10.1%～51.0%,峰現(xiàn)時間滯后了2～16 min。根據(jù)內(nèi)澇積水分析結(jié)果可知,溢流節(jié)點數(shù)減少6.3%～13.1%,超載管段數(shù)減少10.0%～20.4%。管段最大積水深度減幅最高為68%,最大流量減幅最高達63%。增設(shè)LID設(shè)施使得機場雨水徑流總量、峰值流量顯著降低,峰現(xiàn)時間推遲,顯著增強了機場防洪排澇效果。