海綿機場LID設施雨水循環可視化模型構建

馮思博，彭 晶，2，羅文凱，杜若洋

（1.中國民航大學交通科學與工程學院，天津 300000；2.中國民航大學中國民航環境與可持續發展研究中心，天津 300300）

1 前言

隨著我國民航業的快速發展，機場工程的建設如火如荼，機場大面積不透水道面的建設改變了原有的水文循環，機場在遭遇突發暴雨時易產生積水、內澇問題，給機場的正常安全運行帶來嚴重影響。傳統的機場建設主要是以硬化路面為主，雨水的排放強調“快排”模式，很少考慮到雨水的搜集利用。機場傳統的雨水管理體系主要是通過場內、場外的雨水溝渠等，將飛行區、工作區的雨水排入其周邊的排水系統，并輔以河流進行排水效果的改善。隨著機場大規模的改擴建和開發，大量硬化道面的建設使得機場不透水率很高，機場周圍原有的水文循環狀態遭到破壞，導致徑流形成的時間縮短，徑流峰值提高，短時強降雨給機場排水管網帶來巨大壓力，引發了一系列雨洪問題[1，2]。

綠色海綿機場的建設借鑒了海綿城市建設理念，應用適合的低影響開發（以下簡稱LID）設施實現機場雨水利用的“滲、滯、蓄、凈、用、排”一體化，可有效緩解機場生態環境現狀，大大提升綠色機場的建設效果和水平。目前，海綿城市洪澇仿真模擬及可視化方面的研究較多。文雅等[3]基于BIM技術二次開發的BIM平臺對海綿城市系統設施的排水能力進行可視化模擬呈現，并統計分析排水效果。許乃星[4]研究了BIM在海綿城市運維管理三維可視化實現過程中應用的關鍵技術要點，顯著提升了海綿城市運維精細化管控水平。杜永良[5]提出包含“源-網-廠-匯”的排水管網多尺度幾何語義模型，能夠滿足不同層次的用戶需求。

機場傳統的可視化展示平臺大都是通過二維窗口來進行展示，只提供了平面的信息描述，無法對所要展示的部分進行結構展示，需要觀測者進行自主思考。在面對極端降水天氣時，目前的可視化二維平臺僅通過平面模型來模擬分析機場的洪澇情況，無法進行災害的演進過程模擬和直觀展示機場排水管道系統及LID設施的空間關聯，同時LID設施作用下雨水徑流排放過程三維模型動畫的構建也比較匱乏，無法對徑流過程及LID設施的作用流程進行直觀展示。

國外機場雨水利用技術先于我國。新加坡樟宜機場每月可以收集63500 t雨水用于沖洗廁所和航站樓的空調系統，每年可以節省水費約390000美元。George研究了機場采用LID設施可以有效地提高機場排水效率，減少航班延誤，同時水資源可以得到二次利用，從而節約資源。英國的蓋特威克機場在面對機場徑流重污染問題時建立了雨水分離循環系統，通過檢測設備將污染程度不同的水進行分離凈化處理，再將凈化過的水循環到機場的日常非生活用水中。此外，常州機場新航站樓為體現綠色建筑理念，配套建設了雨水利用工程，采用景觀湖對雨水進行收集，經處理后用于廣場50500 m2綠地的綠化灌溉[6]。北京新機場充分落實“滲、滯、蓄、凈、用、排”方針，并通過一系列雨水管理措施，實現機場防洪內澇控制、雨水資源化管理等目標。建成后的北京新機場將能夠對雨水進行有效的搜集、儲存，進而進行合理的雨水利用[7，8]。Peng等[9]對國內某機場飛行區實施LID設施前后的徑流控制情況進行了研究，表明LID設施可有效提高機場雨水的控制能力，大大緩解飛行區內澇的風險。

由于運行安全、凈空等特殊要求，機場對LID設施的類型及設置要求較高，目前對海綿機場LID設施可視化研究十分匱乏。鑒于此，本文在研究了適合機場特征的LID設施基礎上，應用機場的實測資料、CAD圖紙、GIS數據等構建了機場洪澇仿真模型，分析了不同LID設施的作用效果，設計了應用多種海綿設施和雨水管網共同作用的雨水循環模型。以源頭削減、中途控制、末端調蓄3種途徑為出發點設計海綿機場雨水的循環體系，構建一個能夠集“滲、滯、蓄、凈、用、排”于一體的海綿機場循環系統；在此基礎上，以適合機場應用的典型LID設施——綠色屋頂和生物滯留設施為對象，利用3DsMax、草圖大師等軟件，構建了這2種LID設施的三維可視化模型，對綠色屋頂的構型、組成、層次結構及功能等進行直觀的展示，同時也對生物滯留設施的雨水徑流排放過程、組成及層次結構加以直觀動態的展示。研究結果大大提高了海綿機場LID設施的可視化效果，為海綿機場構建及運行管理提供了支持。

2 雨水循環模型及可視化研究

2.1 雨水循環模型設計

本文在研究了機場運行、凈空安全等要求的基礎上，結合機場有關標準規范，以LID理念為核心，構建了海綿機場雨水循環模型。

飛行區和航站區是機場的核心區域，主要由內部建筑、道路、綠地、水體等共同組成。其中，航站區的大部分面積由內部建筑覆蓋，結合此地塊條件可采用下沉式綠地、綠色屋頂、生物滯留設施等控制徑流總量，凈化徑流水質。飛行區則以跑道、綠地為主要覆蓋，圍繞跑道、滑行道周邊設有大量綠地，具備良好的源頭雨水徑流控制條件；大量源頭綠地可以采用下沉形式直接調蓄雨水徑流總量、凈化徑流水質，間接降低飛行區雨量徑流系數、調節峰值徑流量。

在此基礎上，結合機場傳統的排水系統布局，設置不同層級的海綿排水系統。其中，小海綿系統由綠色屋頂、雨水花園、下凹式綠地等各種LID設施組成，中尺度海綿系統主要指淺表排水、雨水的搜集、凈化等。中尺度海綿系統包裹著小海綿系統，中小尺度海綿系統共同作用對雨水進行凈蓄、二次利用等，當遇到低頻率的特大暴雨災害、中小尺度海綿系統無法承載時，中海綿管道系統發揮其作用，將超過系統承載的雨水進行引流排放，避免機場出現內澇的情況。不同層級的排水系統分工明確、緊密銜接、共同作用，以達到理想的雨水徑流循環和利用效果。

本文所構建的海綿機場雨水循環模型模擬機場在經歷降水后的雨水循環過程，圖1為海綿機場雨水循環模型的流程示意圖。本模型由多種海綿設施和雨水管網共同構成，包括雨水下滲、徑流回收處理、污水分離凈化再回收等。

圖1 海綿機場雨水循環模型流程設計

2.2 可視化研究方法

本文利用GIS技術在數據采集方面的優勢進行數據收集，通過研究現有機場在雨水排、滯等方面的不足提出優化措施，采用適合機場特征的LID設施進行布局。為更好地展示LID設施對雨水“滲、滯、蓄、凈、用、排”的效果，以典型的LID設施為研究對象，采用3DsMax、草圖大師等軟件進行三維可視化建模，該三維可視化建模可直觀展示LID設施對雨水徑流的“滲、滯、蓄、凈、用、排”過程，大大提高了LID設施的可視化效果。在該模型模擬的基礎上，根據機場區域劃分及功能要求，進行適合的LID設施的規劃和布局，力求以源頭削減、中途控制、末端調蓄3種途徑為出發點設計海綿機場大、中、小為一體的雨水循環體系，構建下雨時能夠集“滲、滯、蓄、凈、用、排”于一體的雨水循環系統，建成在需水時能將儲存的雨水釋放并加以利用的可自由呼吸的海綿機場。本文通過以上技術方法和建模軟件設計適合機場的LID設施，直觀模擬LID設施的雨水循環過程，并進行可視化展示，從而實現雨水的循環利用，進而達到改善機場生態水文循環、提高機場極端暴雨天氣下對洪澇災害的抵抗能力的目的。

通過GIS水文分析及機場的CAD地形圖，獲取機場所處區域的水文數據。根據所獲取的建模數據，將研究機場的CAD圖導入GIS軟件，獲取機場管網、出水口、道路、排水設施的數據，在明確所獲取的數據后，根據項目數據進行模型建立，設計雨水循環管網和雨水收集設施，并對所構建的設施賦值。通過3DsMax、草圖大師等軟件構建相應的雨水循環設施，利用SWMM等水文水力學模型進行模擬預測，采用歷史數據對模型進行檢驗。檢驗通過后，根據建立的模型設計相應的Flash動畫，進行結果展示。本文所構建的可視化模型可將信息進行充分整合，實現整個項目周期中的信息存儲及快速查詢。海綿機場雨水循環可視化設計流程，如圖2所示。

圖2 海綿機場雨水循環可視化設計流程

3 海綿機場LID設施三維可視化建模

構建三維可視化模型，必須搜集分析包括區域地理、LID設施改造對比、排水管道更新前后、機場建筑設施改擴建等諸多方面在內的基礎數據。

3.1 可視化模型創建思路

以海綿機場的規劃數據、地形數據、降雨數據為基礎，根據機場用地功能、凈空等特殊要求設計不同的LID設施。為了直觀清晰地展示不同設施的雨水徑流控制流程，為后期海綿機場整體布局規劃提供更為準確、直觀的展示，選擇適合海綿機場建設的典型LID設施為例，采用草圖大師、3DsMax軟件對DWG文件進行建模。根據LID設施應用部位、周邊建筑物和地形特點，采用不同等級的建模。海綿機場LID設施三維可視化模型構建需要對片區內地形地勢、坡向、坡度等進行三維立體表達，對海綿設施在空間中的縱橫交錯、上下起伏分布進行三維描述，進而三維展示LID設施相關的降雨匯流過程。

三維可視化模型構建首先應針對應用場景和區域對象，制定統一的建模標準；其次，考慮到不同LID設施的建模需求與表現方式，為充分發揮不同三維建模軟件的優勢，采用針對性建模軟件構建地形模型、管線模型、場景模型、海綿設施三維模型等相應要素模型；最后，利用草圖大師對各種要素模型進行標準化與集成，形成完整的海綿機場LID設施三維立體可視化模型。

3.2 LID設施三維可視化建模

考慮機場在運行安全、凈空、鳥擊防范等方面的特殊要求，在進行海綿機場構建時，LID設施的選擇與城市有很大不同，尤其是在飛行區內部，不允許有影響機場凈空的高大植被、樹木等存在，所以飛行區適合選擇下凹式綠地等進行雨水的“滲、滯、蓄、凈、用、排”；而在工作區要求則沒那么嚴格，辦公區屋頂可采用綠色屋頂進行雨水徑流改善，道路周邊可使用生物滯留設施、雨水花園之類的海綿措施。本文將以綠色屋頂、下凹式綠地及生物滯留設施為例進行LID設施的三維可視化模型構建。

綠色屋頂作為LID雨水循環基礎設施重要組成部分，具有緩解熱島效應、減少建筑能耗、削減暴雨徑流的特點。綠色屋頂以傳統不透水屋頂為載體，以植物為配置主體，是一種新型綠化形式。本文設計的綠色屋頂鋪裝結構由上至下依次為植被層、基質層、過濾層、蓄排水層、保護層和結構層。綠色屋頂可實現對屋頂徑流的控制及凈化收集，依靠屋頂綠色植物的蒸騰作用緩解機場熱島效應。本文將綠色屋頂的設計建造與機場建筑規劃、景觀規劃、給排水管網規劃進行綜合分析，與機場工作區建筑、周邊水體及市政設施聯合設計，提高機場雨水綜合利用效率。圖3為綠色屋頂雨水徑流三維可視化模型。

圖3 綠色屋頂三維可視化模型

作為LID海綿城市改造建設的有效措施之一，生物滯留設施將雨水收集處理后排放，能消除因排水設施不足而遇雨就澇、污水橫流的頑疾，緩解雨水徑流污染等引發的水環境問題。為此，在海綿機場構建時，在工作區可設置3個層級的生物滯留設施，周邊地表徑流匯集進入第一層級的卵石層，經過過濾后順著地勢流入下一層級，再經過石籠滲透擋板的滲透為濕地植物提供雨水，最后多余的雨水由排水管排放至市政排水系統。其雨水徑流排放過程的三維可視化模型，如圖4所示。

圖4 生物滯留設施三維可視化模型

下凹式綠地是一種高程低于周圍路面的公共綠地，亦稱低勢綠地。與“花壇”相反，其理念是利用開放空間承接和貯存雨水，減少徑流外排。低勢綠地對下凹深度有一定要求，而且其土質多未經改良。與植被淺溝的“線狀”相比，其主要是“面”能夠承接更多的雨水，而且其內部植物多以本土草本為主。機場飛行區有大量土面區域，根據飛行區設計規范，將土面區域加以改造，設計出適合機場要求的能集“滲、滯、蓄、凈、用、排”于一體的下凹式綠地或植被淺溝，實現海綿機場LID的效果。

其雨水徑流排放過程的三維可視化模型，如圖5所示。

圖5 下凹式綠地三維可視化模型

4 結論

本文基于我國現階段對于海綿機場LID設施三維可視化模型研究較為匱乏，但LID海綿機場又迫切需要設計建設及研究的現狀而提出。首先分析了海綿城市及機場雨水徑流模擬及可視化模型開發的研究現狀，在此基礎上，針對機場在運行安全、凈空、鳥擊防范等方面的要求，按照機場飛行區設計規范，進行海綿機場雨水徑流循環模型設計。為了更好展示海綿機場LID設施的雨水徑流循環過程，本文以適合機場的綠色屋頂、生物滯留設施及下凹式綠地為研究對象，應用草圖大師、3DsMax軟件，根據LID設施應用部位、周邊建筑物和地形特點，進行不同等級LID設施的三維可視化模型構建。本文研究結果可直觀展示海綿機場LID設施的雨水徑流循環過程，大大提高海綿機場LID設施的可視化水平，有利于提升海綿機場的設計和運行管理水平。下一步可將構建的海綿機場LID設施三維可視化模型進行整合和處理，構建完整的海綿機場三維模型，實現海綿機場建設的三維可視化動態模擬及展示。