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民用机场“海绵城市”体系的理论概念与实践方式

民航总院积极贯彻交通强国、“十四五”国家科技创新规划等文件精神,落实和响应“四型机场”建设、推动民航智能建造与建筑工业化协同发展,聚焦BIM+GIS、数字化、智能建造、建筑工业化、绿色机场等重点研究内容,着力建立以数字化建养、协同化运行、无人化作业为主的智慧机场发展体系,提升机场建造与运维控制全生命周期的智能化水平与安全服务保障能力,落实科技创新驱动,助力高质量发展。

现开设【科技创新】栏目,集中展示集团公司2021年科技工作会议暨科技成果交流会相关成果。

民用机场“海绵城市”体系的理论概念与实践方式

“海绵城市”概念的提出与发展

自2013年习近平总书记首次提出以自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市建设理念以来,我国对于海绵城市建设保持着大踏步的快速前进:

2015年,国务院办公厅发布了《关于推进海绵城市建设的指导意见》(国办发 [2015] 75 号),并对海绵城市的相关建设理念和标准进行了深入的阐述,标志着海绵城市建设在城市领域的全面推进。

2020年,中共中央制定的《关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》再次提出要“增强城市防洪排涝能力,建设海绵城市、韧性城市”。

2021年,财务部、住建部、水利部联合发文《关于开展系统化全域推进海绵城市建设示范工作的通知》(财办建〔2021〕35号),为贯彻习近平总书记关于海绵城市建设的重要指示批示精神,落实十四个五年规划和二〇三五年远景目标关于建设海绵城市的要求,“十四五”期间,财政部、住房城乡建设部、水利部决定开展系统化全域推进海绵城市建设示范工作。

在行业内,民航局先后颁布的绿色机场规划导则、四型机场建设导则也分别提出了机场建设领域的海绵城市理念。民用机场海绵城市系统化建设是亮点,是趋势,更是要求。

 “海绵城市”建设的系统架构设计

传统的海绵城市设计只关注源头减排,关注年径流总量控制率的量化指标,这是狭义的海绵城市设计,即学界所谓“小海绵”。真正的海绵系统,应该是由源头减排系统、排水管网系统、排涝除险系统、流域防洪系统所组建起来的“大海绵”系统。完整的海绵城市设计,应实现“小雨不积水,大雨不内涝,水体不黑臭,热岛有缓解”的整体目标,应从水安全、水环境、水生态、水资源的四个角度来综合考虑问题。

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图1 兼顾调蓄、观赏、水回用、水生态建设的生态河道断面设计

水安全角度,海绵城市系统建设应围绕不同重现期构建起不同层级的系统;源头减排系统,解决的是年径流总量控制率以内的降雨,即每年60~80%的中小降雨,这部分的雨水不发生外排,就地消纳;排水管渠设施,解决的是设计排水重现期以内,超出源头减排设施所能消纳的部分雨水,对应降雨重现期为5~10年;排涝除险系统,解决的是内涝设计重现期与排水设计重现期之间的超标降水,对应降雨重现期50~100年。而流域防洪系统,则是从外围洪水和区域联动的角度来考虑问题,要保证外江河洪水对内不顶托,内部排涝对外不致灾。

水环境角度,是达到城市河湖水系环境的质量要求,近期以消除黑臭水体为主。

水生态角度,是保护城市天然海绵体,恢复自然生态的本底对应的年径流总量控制率、蓝线绿线管控范围等。

水资源方面,是合理利用本地水资源和雨水、再生水等非常规水源,满足本地用水需求。

从四个角度综合的考量问题、解答问题,才可以构建完整的海绵体系。

  “海绵城市”建设的规划理念

海绵城市应按照源头减排、过程控制、系统治理的理念来谋划。

源头减排:排水设计的介入节点提前

通过海绵城市的设计要让大部分雨水在形成可观径流前便进入洼地存蓄或通过工程技术措施实现就地下渗,让更少的雨水形成地表径流,让所形成的地表径流花费更多的时间才能流入雨水管网,从回答“峰值增大”和“锋现时间提前”两个根本矛盾出发解决问题,这样便可以有效地降低排水设施所需要应付的降雨的强度,巧妙的拔高系统设计标准。

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图2 海绵城市建设模式与传统“快排”模式的区别

过程控制:信息化的综合管控手段

无论源头减排系统做的有多么完善,设计的多么合理,终究只是排水系统的一种补充,在应对中大暴雨时,仍然会有大量雨水涌入排水系统,此时便需要“过程控制”来综合调配全场排水防涝设施资源。具体来说,就是利用物联网系统,实时统筹调整各区域闸门开度、泵站运行状态等,调峰、滞峰,在总量一致的情况下,使强度维持在合理的区间,从而提高设施的运行效率。

系统治理:宏观的视角来审视排水问题

这涉及到机场与区域防洪排涝系统的统筹规划、设计标准的搭接。机场的建设不能闭门造车,更不能将问题简单抛给场外,要场内与场外联动的审视问题。

实践:如何系统化构建海绵机场建设体系

机场建成后,天然植被下垫面被机场道面、站坪、屋面所替代,自然循环过程中的下渗途径被大幅度削弱,降落到地面上的雨水只能通过形成径流并排入排水系统,我们称这种现象为“峰值增大”。

此外,传统机场排水建设模式以“快排”为主,通过设置横纵坡使雨水尽快汇入排水系统。混凝土道面、排水沟以及雨水管道内部的水流阻力相比于天然草地要低得多,原本要一小时才能汇流至下游的径流路径,机场建成后可能只需要30分钟,我们称这种现象为“锋现时间提前”。

解决排水安全问题,就是要解决“峰值增大”和“锋现时间提前”两个根本矛盾。城市的建设经验告诉我们,要解决这两个根本矛盾,要分源头—过程—系统三步走,要综合利用渗、滞、蓄、净、用、排的技术手段实现落地。

要建设海绵机场,就要先转换“快排”的逻辑。我们不得不指出,民用机场具有其极强的特殊性,城市中系统完善并且行之有效的海绵城市建设技术手段不能简单套用到机场建设中来。水是生命之源,但降雨对于机场来说却有百害而无一利,存蓄在飞行区内的雨水,会产生反光,会招引鸟类,这些因素都是机场运行管理中的大忌。

怎样在不影响飞行区运行安全的前提下转换“快排”逻辑?或许我们可以转换一下思路来回答这两个问题:

水面反光是因为存在太阳直射,下雨时没有太阳,何来反光?如果雨锋过境后一段时间蓄存的雨水能够排除,那么反光问题将不会对机场造成影响;

我们认为开阔水面会产生招鸟问题,根本原因是大自然围绕开阔水面构建了稳定的生态系统,充足的食物吸引了鸟类的栖息。因此,只要使水面时有时无,水位忽高忽低,那么这个食物链便无法稳定构建,鸟类没有充足的食物,自然不会在此地栖息。

如果我们能让一片区域在下雨时具备渗蓄功能,雨停后一段时间排空,那么就不会因为水面问题而对机场运行产生太大影响。基于这点构想,我们提出了几种飞行区低影响开发设施建设方案:

①基于渗透穿孔管的渗蓄型排水沟

针对升降带以外土面区排水明沟,抬高明渠或盖板沟上沿,但不高于道肩标高,排水沟外侧自上而下依次回填种植土(原土)、细沙层、砾石层,并在砾石层中敷设穿孔管。当雨量较小时,绝大部分径流仅能通过穿孔管收集后才可进入排水沟,此时已经过种植土层、细沙层、砾石层多层过滤,去除绝大部分SS,因此可以很大程度上减少污染物外排。当下凹区域积水高于排水沟外檐时,可认为已发生较高重现期的降水事件,此时大量地表径流翻过排水沟外檐,及时外排,不会对飞行区产生内涝风险;     

经过估算,单个滑行道间土面区下凹区域能够存水约750m³,对于大型枢纽机场,全场土面区下凹区域可利用的滞蓄空间非常大,约能达到数万立方米调蓄容积,并且分散式的布置渗蓄设施,也契合海绵城市理念中源头减排的思路主线。

②分散布置的滞蓄沟

针对升降带以外土面区排水明沟,通过扩大局部过流断面并将局部下沉同时铺设卵石垫层,使局部水流流速下降,减少冲刷,有利于卵石层捕获SS,降低雨水污染物含量;初期径流含有大量污染物,进入滞蓄沟后留存在砾石填料中,从而减少污染物外排。在全局统筹考虑规划滞蓄沟位置,并充分利用滞蓄沟断面扩大、粗糙系数高降低流速的作用,错开不同排水沟线路之间径流历时,从而实现调峰、错峰的功能。

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图3滞蓄沟结构形式图 

在过程控制层面,我们通过建设基于物联网的排涝泵闸群智慧调度系统从而实现机场应对灾害天气的高效调度与实时反馈。这其中的核心技术主要包括气象部门天气预报联动、自动化本地雨量抓取、实时内涝模拟推演、设备在线远程控制等。

简单来说,在这场降雨发生前,我们可以提前通过气象部门预报,来评估本次降雨的危害程度,设计人员可以根据不同的降雨预设不同的排水防涝设施运行逻辑。在降雨过程中,全自动雨量计可以实时抓取雨量,并将其以时间过程线的形式通过通信网络反馈到服务器。

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图4模拟软件内涝淹没分析过程

随着数据年限的增长,系统降雨数据库中的雨型将会越来越趋于完善,系统通过对不同降雨雨型进行内涝淹没分析,并形成针对不同雨型、降雨历时的内涝风险点,再次应对类似雨型的降雨时,可以迅速调出结果,系统可以将预测风险点显示在指挥中心大屏上或手持终端设备,展示给运行管理人员,从而提高运营部门应急响应能力。

各排涝泵站、闸门也采用可远程状态监测、控制的形式,辅以各重要节点的水位、流量监测设备,系统可根据决策自动调整各子系统的运行逻辑,实现全场排涝设施全自动化运行。

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图5  RTC智慧调度系统 

最后,在系统治理层面,场内的排水防涝设施的规划与设计,应与外围充分沟通、衔接。场外河道与场内设施之间并非只是简单的承接关系:场内向外排放的水量大,场外的水位就会响应提高;场外的水位提高,又会对场内的排水造成顶托;场内排水不畅,外排的水量又会减小,场外的水位会再下降……这种波动会一直持续直到内外达成一个稳定的平衡,因此场内与场外的衔接并非只是简单的恒定水位,而应是随着时间变化而发生变化的水位—时间过程线。此外,两者是相互影响的,他们的持续时间不一定等长,他们的洪峰位置不一定相同。

为了解决内外衔接的问题,我们首先根据历史资料确定包括重现期、峰现位置的内外遭遇关系,再针对研究对象建立完整的排涝模型,模型中包含源头减排设施、排水沟、雨水管道、检查井、泵站、闸门、调蓄池,还包含地势、下垫面情况、泵闸调度逻辑、场外排渠水位边界条件。

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图6  基于内涝模拟软件构建的排水管网系统

通过模拟真实降雨情况得到末端排水设施流量-时间过程线,实现与场外河渠的无缝衔接,这样才能更好的决策何时要关闭闸门阻隔外洪水侵犯、何时启动排涝泵站抽排、何时打开闸门向外排放涝水,而场外水利设计单位也可以根据场内提供的不同重现期流量过程线,更加经济、高效的开展相关设计。

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图7 模型模拟得到的流量-时间过程线

结 语

海绵机场并不只是一种简单的技术手段,它是一种体系,是一种思考问题的方式。要建设海绵机场,并非只是让乘客起飞、降落时看到更多绿色,而是要用“绿色思维”来思考问题,要用自然的方式解决来自自然的灾害,要“四两拨千斤”,要在保证场内安全的前提下,花最小的代价,尽最大努力来维持开发前的状态。

机场作为一个特殊的开发地块,巨大的占地面积,特殊的建设形式使其天生就带有放大镜效应,机场建设模式的一点点改变,对于下游水安全、水生态、水环境有着至关重要的作用。(申延波 李琛)

来源:中国机场建设

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