基于飛行區(qū)改擴建需求的排水工況動態(tài)分析

趙方冉，蘇守韜，曹元兵

（中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300）

降雨積水對飛機起降和地面滑行的影響不可忽視，對于中國一些早期建設(shè)的機場，由于機場排水系統(tǒng)暴雨重現(xiàn)期選取過小[1]（僅為1～5 a），從而導(dǎo)致飛行區(qū)洪澇現(xiàn)象時有發(fā)生；同時，隨著機場后期不斷改擴建，非滲水占地面積比例不斷增大導(dǎo)致排水設(shè)施功能衰減，更加劇了飛行區(qū)雨季洪澇現(xiàn)象。跑道狀況對于機場飛行安全具有重要影響[2]，積水現(xiàn)象對跑道的使用和維護造成不利影響，直接影響著機場運輸生產(chǎn)安全。因此，飛行區(qū)排水設(shè)施的功能成為飛行區(qū)設(shè)施改擴建中不可忽視的影響因素。為保障機場運行安全，飛行區(qū)排水系統(tǒng)必須快速高效地排除場區(qū)表面降雨，避免產(chǎn)生內(nèi)澇。

以往實踐表明，機場不斷改擴建是影響其場區(qū)排水能力的主要因素。文獻[3-4]研究表明，地表徑流與土地利用密切相關(guān)，植被斑塊能攔截更多的徑流，徑流損失可降低25%。然而，目前研究大多集中于大中尺度的非城市流域，針對機場及周邊區(qū)域的研究較少。在機場改擴建過程中，由于匯水面積和土質(zhì)區(qū)坡度增大，機場內(nèi)地表徑流量勢必變大。近年來，全國范圍內(nèi)特大暴雨天氣頻發(fā)，排水溝洪峰流量陡增，原有的老舊排水系統(tǒng)達不到當(dāng)前排水要求[5]。但目前針對暴雨重現(xiàn)期選取與飛行區(qū)排水設(shè)施工況之間動態(tài)分析研究較少。

溫州龍灣國際機場（簡稱溫州機場）每年夏秋季節(jié)受臺風(fēng)影響，屬于受“潮汐+臺風(fēng)+暴雨”類型降雨影響的典型區(qū)域[6]，研究其飛行區(qū)擴建后的場區(qū)雨水分布和排水性能，對于合理地選取暴雨重現(xiàn)期具有借鑒意義。因此，根據(jù)《民用機場排水設(shè)計規(guī)范》[7]（MH/T 5036—2017），以溫州機場為例，針對其飛行區(qū)擴建后的場區(qū)雨水分布和排水性能，通過SWMM 仿真模擬探討選取不同暴雨重現(xiàn)期對機場內(nèi)排水設(shè)施的影響，可為機場飛行區(qū)地面設(shè)施改擴建過程中排水系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 機場概況

溫州機場飛行區(qū)總面積達到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，聯(lián)絡(luò)道等硬化地表設(shè)施占地9.35×104m2，非滲水地表面積占飛行區(qū)總面積的34%。在該區(qū)域中，已建設(shè)了4 條排水溝渠。

溫州機場年平均降雨量為1 773.5 mm，1991—2013 年，大雨降雨日數(shù)為224 d，暴雨降雨日數(shù)為74 d，大暴雨降雨日數(shù)為18 d；大雨及以上等級降雨日數(shù)占總降雨日數(shù)（3 843 d）的8.2%。研究[8]表明，溫州機場的大雨和暴雨日數(shù)總體有增多的趨勢，即每10 a 增加0.7個大雨日和0.8 個暴雨日。因此，降雨對溫州機場的影響會越來越明顯。

2 飛行區(qū)排水模型構(gòu)建

2.1 基于SWMM 的排水系統(tǒng)模擬

暴雨洪水管理模型[9]（SWMM，storm water management model）是分析暴雨徑流的軟件系統(tǒng)，該軟件可以模擬動態(tài)的降雨—徑流分布式規(guī)律[10]，并可以模擬不同時刻各匯水區(qū)產(chǎn)生徑流的水量和水質(zhì)，以及管段中流量、水深與水質(zhì)等情況[11]。因此，可以利用該軟件模擬分析機場飛行區(qū)的雨水排放系統(tǒng)工況。

2.2 短歷時降雨模型

目前，城市排水規(guī)劃設(shè)計常用的短歷時降雨模型為芝加哥雨型[12]?？紤]機場內(nèi)排水設(shè)計的暴雨重現(xiàn)期過小，且降雨量級與芝加哥雨型設(shè)計的暴雨相近[5]，該降雨模型能較好地滿足模擬機場飛行區(qū)暴雨降雨的要求[13]。

根據(jù)溫州市氣象局2016 年發(fā)布的溫州市暴雨強度，經(jīng)單位換算后可得到當(dāng)?shù)乇┯昶骄鶑姸热缦?/p>

式中：i 為平均暴雨強度（mm/min）；t 為降雨歷時（min）；P 為暴雨重現(xiàn)期。

根據(jù)文獻[7]可以研究5、10、20、30、50、100 a 等不同暴雨重現(xiàn)期下降雨對飛行區(qū)排水設(shè)施工況的影響，其中降雨取時間步長為5 min、歷時120 min 的降雨模型，從而模擬飛行區(qū)管網(wǎng)等設(shè)施對雨水的疏排效果。將降雨歷時時間序列分為峰前和峰后兩部分，利用雨峰位置系數(shù)r 來描述暴雨峰值發(fā)生的時刻[14]，r 取經(jīng)驗值0.4?？衫檬剑?）計算芝加哥雨型合成暴雨過程線間隔時段5 min 的累積和平均降雨量，可得出溫州機場各時段的平均降雨強度，從而得出溫州機場不同暴雨重現(xiàn)期下歷時120 min 的芝加哥雨型[15]如圖1 所示。

圖1 不同暴雨重現(xiàn)期下溫州機場120 min 芝加哥雨型Fig.1 120 min Chicago rain pattern at Wenzhou Airport under different storm recurrence periods

從圖1 可以看出，相同暴雨重現(xiàn)期下，雨峰處降雨量呈“單峰型”，雨峰處降雨量隨歷時的增加先增大，在50 min 左右達到峰值，隨后逐漸減小。

2.3 子匯水區(qū)劃分

從溫州機場飛行區(qū)雨水疏排區(qū)域劃分情況來看，根據(jù)該區(qū)域跑道、滑行道和聯(lián)絡(luò)道的布局，以及場地標(biāo)高和排水管網(wǎng)布局等，將雨水疏排區(qū)域劃分為18個子匯水區(qū)（S1～S18），如圖2 所示。排水設(shè)施包含47個匯水節(jié)點（J1～J47）、47 條管網(wǎng)和3 個主排水口。匯水區(qū)產(chǎn)流過程模擬中，水流運動演算選用動態(tài)波模型，采用Horton 下滲模型，并對子匯水區(qū)相關(guān)參數(shù)進行率定[16-17]。

圖2 溫州機場飛行區(qū)子匯水區(qū)域劃分圖Fig.2 Sub-catchment area division map of Wenzhou Airport flight area

3 飛行區(qū)排水工況模擬及管網(wǎng)優(yōu)化

3.1 基于飛行區(qū)現(xiàn)狀的排水工況分析

根據(jù)文獻[7]，運輸機場空側(cè)暴雨重現(xiàn)期采用5 a，故選用P=5 a 模擬其排水設(shè)施工況。其中，主要排水溝為梯形斷面，溝底寬度1.5 m，深度2.5 m，側(cè)邊坡度為1 ∶0.3。采用SWMM 仿真模擬其排水工況，模擬結(jié)果表明，位于航站樓T1 空側(cè)內(nèi)的機坪及土面區(qū)，即子匯水區(qū)S4 和S5 為主要超載溢流區(qū)域，且S3 內(nèi)管段富余空間不足，很可能造成短時站坪積水。

針對現(xiàn)有問題，建議將其排水溝的斷面橫向尺寸拓寬至2.5 m，利用SWMM 模擬拓寬后的排水效果，拓寬前后的溝渠積水狀況如圖3 所示。

根據(jù)圖3 可看出，拓寬排水溝后，易積水區(qū)域排水效果顯著改善，可以完全避免出現(xiàn)積水現(xiàn)象。

圖3 J1～J18 溝渠擴寬前后最高水位模擬效果（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 飛行區(qū)改擴建后的排水工況分析

為適應(yīng)機場運輸量快速增長的需求，溫州機場急需三期改擴建，其中新建航站樓及擴展機坪面積等工程都直接增大了飛行區(qū)排水設(shè)施的壓力，直接導(dǎo)致場內(nèi)溝渠匯水量增加。為保障航空運輸?shù)倪\行安全和暢通，必須對其排水系統(tǒng)進行較大規(guī)模改擴建。

根據(jù)初步擴建規(guī)劃，在航站樓T1 前方S4 區(qū)域擴建機坪來增加機位數(shù)最為可行；經(jīng)過改擴建后，S4 區(qū)域大部分面積由土面區(qū)改為硬化道面區(qū)，如圖4 所示，非滲水地表面積比從70%增加到93%。

圖4 機坪區(qū)域S4 改擴建過程圖Fig.4 Reconstruction and expansion process diagram of S4 in apron area

改建后的站坪顯著增大了非滲水地表面積，使得局部區(qū)域的排水壓力顯著增大。飛行區(qū)改建后P=5 a的模擬結(jié)果表明，即使采用底寬2.5 m 的加寬溝渠，節(jié)點J15 和J16 仍出現(xiàn)局部溝段積水溢出的現(xiàn)象。當(dāng)將溝渠底寬拓寬至3.0 m 時，采用SWMM 仿真模擬其改建后的排水效果較好，能夠保證溝渠各段不會出現(xiàn)溢出現(xiàn)象[16]，如圖5 所示。

圖5 J1～J18 溝渠擴寬前后最高水位模擬效果（擴建后，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）

由圖5 可看出，當(dāng)溝渠底寬擴展為3 m 后，易積水區(qū)域，即J13～J16 節(jié)點峰值水位明顯降低，可減少積水隱患。

4 排水工況及管網(wǎng)優(yōu)化

4.1 暴雨重現(xiàn)期較大時排水工況分析

近十幾年來，溫州機場大雨和暴雨呈增多的趨勢，特別是受臺風(fēng)影響的大暴雨明顯增多，以往僅考慮P=5 a 的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)難以適應(yīng)機場運行安全暢通的要求，因此，其排水設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)需要提升。分別選用10、20、30、50、100 a 較高標(biāo)準(zhǔn)的暴雨重現(xiàn)期，并模擬不同暴雨重現(xiàn)期下120 min 短歷時降雨量，以評價排水設(shè)施的可靠性程度。

當(dāng)P=10 a時，滿足各項排水任務(wù)要求；當(dāng)P=20 a時，現(xiàn)有機坪位置附近J11～J18 號管段在8 min 內(nèi)就會出現(xiàn)積水溢出現(xiàn)象，若將其排水溝底面拓寬至3 m，可滿足120 min 短歷時降雨內(nèi)不發(fā)生積水溢出的要求；當(dāng)P=30 a 時，即使將其排水溝底面拓寬至3 m，在6 min 內(nèi)也會出現(xiàn)積水溢出的現(xiàn)象。因此，若考慮P≥30 a 時飛行區(qū)的排水能力，僅靠加寬溝底寬度難以滿足排水要求。

飛行區(qū)改建后，J11～J18 號管段在高暴雨重現(xiàn)期降雨量校核下，同樣存在積水外溢現(xiàn)象。因此，考慮高暴雨重現(xiàn)期降雨時段的排水能力，僅靠加寬溝底寬度難以滿足排水要求。

4.2 管網(wǎng)優(yōu)化模擬

針對上述問題，為滿足飛行區(qū)高暴雨重現(xiàn)期降雨時段的排水要求，需要在上游段添加并聯(lián)分流管道，使部分雨水通過新增管道直接排往下游。例如，可以充分利用S7～S10 區(qū)域內(nèi)管段排水能力的冗余部分，將J3 和J8 改變?yōu)榉至鞴?jié)點，分流S3 和S4 區(qū)域雨水至臨近S7 和S8 區(qū)域的排水溝中，如圖6 所示。按照上述方案改建后進行模擬分析，溫州機場飛行區(qū)可以滿足50 a 的暴雨重現(xiàn)期排水設(shè)計要求，如圖7 所示。

圖6 分流管段圖Fig.6 Diversion pipe section diagram

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

與P=50 a 時的降雨量相比，P=100 a 時的降雨量會更大，在機坪上游段繼續(xù)添加并聯(lián)分流管段后尚不能完全達到排水要求[17]。同時，對于J1～J18 號中的多數(shù)管段，P≤50 a 時的降雨量對于管段最大流速變化量影響不大，如圖8 所示；若考慮未來機場可能進一步改擴建，以及當(dāng)?shù)乇┯陱姸仍龃蟮内厔?，采用添加并?lián)分流管段的方案，滿足飛行區(qū)排水設(shè)施P=50 a的設(shè)計更為可靠。

圖8 6 種不同暴雨重現(xiàn)期下J1～J18 管段最大流速圖Fig.8 Maximum flow velocity diagram of J1～J18 pipe section under 6 different storm recurrence periods

5 結(jié)語

利用SWMM 仿真軟件對溫州機場飛行區(qū)排水設(shè)施的工況進行了模擬，分析了既有排水設(shè)施在原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)情況下的工況，對部分區(qū)域排水不合理的現(xiàn)狀提出了改建方案。并針對未來高暴雨重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)進行了模擬，分析了不同暴雨重現(xiàn)期下的排水設(shè)施擴建需求，并提出了針對現(xiàn)有排水系統(tǒng)的改擴建方案。

（1）對于T1 航站樓場內(nèi)S4 區(qū)域，既有排水設(shè)施已不滿足需求，需要將其排水溝拓寬至2.5 m 才能滿足P=5 a 的排水要求。

（2）對于T1 航站樓場內(nèi)S4 區(qū)域擴建機坪后的排水模擬結(jié)果表明，需要將其排水溝拓寬至3.0 m 才能滿足P=5 a 的排水要求。

（3）考慮氣候變化趨勢和機場運行對暴雨重現(xiàn)期提升的要求，僅靠排水溝拓寬的方式難以滿足排水要求，而采用在S4 上游段添加并聯(lián)分流管道的方式，使部分雨水通過新增管道直接分流至臨近S7 和S8 區(qū)域內(nèi)的排水溝中，可滿足P=50 a 的暴雨重現(xiàn)期排水要求，并適應(yīng)未來機場再擴建和氣候變化趨勢的需求。