基于SWMM的新建机坪对全场排水能力的影响评估

基于SWMM的新建机坪对全场排水能力的影响评估

李德军

北京首都国际机场股份有限公司

摘要：随着近年机场扩建的增多，其积水、汇水特征均受到新建机位及相关结构物的影响，也受到地面的植被、道路不均匀沉降、地下水特性等因素的动态作用，并随着季节呈不同的排水特点。本文提出基于SWMM建模定量评估新建机坪对全场排水能力的影响，具有普遍性及可推广性。

关键词：新建机坪；SWMM；排水能力；评估

1.引言

随着相关领域的研究不断深入，机场在面对突发天气的适应性和应对性能力也在不断加强，机场自身条件成为制约飞机飞行的主要原因。飞机的起飞和降落对于跑道有着严格的要求，在存在积水的情况下，进行起飞和降落，对乘客的安全性而言无疑是大打折扣，如何做好机场的排水工作是需要解决的核心问题。

机场的地形复杂，其积水、汇水特征均受到新建机位及相关结构物的影响，也受到地面的植被、道路不均匀沉降、地下水特性等因素的动态作用，并随着季节呈不同的排水特点。为了提高我国机场的建设水平，必须加强排水系统的设计和优化，尤其需要考虑新建机坪是全场排水格局的改变，即新建机坪对全场排水能力的影响需要在扩建过程中重点考虑，努力将排水系统的功能发挥至最好，以充分解决当前机场建设过程中所面对的问题。

2.机场排水设施的调查

通过调研对全场所有新建机坪区域及周边区域、设备区硬化区域的管网平面布置、管径或截面尺寸、纵坡高程等进行全面调查与核实，形成全面的机场排水系统资料库[1-2]。具体包含如下：

2.1机场下垫面调查

根据地面透水特性，将机场下垫面主要分为透水下垫面和不透水下垫面。不透水下垫面，主要包括混凝土或沥青混凝土材料的道场与机坪。透水下垫面，主要是指土质区，降雨可以入渗、植物拦截，延缓排水管网局部段的满载洪峰时刻、减少洪峰持续时间。

2.2出水口调查

在调查全场出水口时，需要关注重点三个问题：一是出水口排水栅栏宜改善其过水特性，防止暴雨冲积杂物的堵塞现象；二是出水口的排水沟需要清理淤泥、杂草，确保通畅与足够的排水能力；三是防止河水倒灌的闸门，若设置闸门开闭、水泵开启关闭的智能控制，可实现最大限度地提高特大暴雨时的排水能力。

2.3管网排水能力现状调查

管网包括明沟、盖板沟、雨水调蓄池、排涝泵站等，其调查工作包括管网的管径或截面尺寸分布情况、管网破坏情况、与设计的偏差情况，并复查其沟底高程、沟深宽断面尺寸。对新建区域周边排水设施进行调查，确定各类排水沟的走向、断面、底坡和维护情况（确定计算分析的糙率）。

2.4蓄水池及其排水能力现状调查

调查全场排水系统主要蓄水池的面积、蓄水能力、水泵性能、高程数据等。

2.5积水点调查

结合机场过去几年的大暴雨积水实际情况，拍摄了相关积水区域的情况，记录详细的路段。

3.基于SWMM的新建机坪对全场排水能力的影响评估

基于全场排水设施的调研成果，结合相关计算分析与数值模拟，客观地给出新建机坪及设备区硬化区域对全场排水能力的影响分析。

3.1首都机场新建机坪及设备区硬化区域概述

从首都机场新建机坪及设备区硬化区域分布图，可知新建区域具有如下两个特点：一是比较分散，位于西跑道中间位置、中跑道南北两端、机场北侧等位置；二是均离飞行区出水口较近，加上该区域的不透水性，将加速降雨汇水速率。

图1首都机场新建机坪及设备区硬化区域分布图

3.2全场排水特征

本场地势走向呈现由西北向东南方向逐渐降低，其主要的出水口分布在南端。全场排水系统总体采用自流方式，因东跑道南地势较低，采用强排方式排入小中河。

3.3新建机坪及硬化区域对全场排水的影响

从全场的暴雨积水位置分布可以看出，积水位置基本上都在新建机坪及设备区硬化区域附近，可以认为，新建区域的建设增加了这些积水点的范围与严重程度。

3.4基于SWMM的排水能力评估

以首都机场3号航站楼附近完整的排水系统为研究对象，重点针对机场内涝问题，利用SWMM建立径流模型，进行径流、渗流模拟，评估场区的特大暴雨排水能力。

3.4.1SWMM概述

SWMM（StormWaterManagementModel，暴雨洪水管理模型）是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟[3]。

3.4.2暴雨过程

本文采用2012年“721”特大暴雨[4]的机场实测降水过程，模拟降雨过程中的排水系统汇水排水过程，评估排水能力。

表1北京“721”暴雨过程（站点：东湖北湖）

3.4.3建模

基于机场该区域的排水系统信息，建立SWMM模型，包括下垫面、管网概化、汇水区划分和建立模型信息数据库。

3.4.4计算结果分析

雨水管网排水能力评估图是按时间步长5min来动态模拟的，可以实时查看管道流速、节点洪流和子汇水面积径流相关数据，并通过不同的颜色显示。其中红色管段是水深超过1m的区段。

图2管网SWMM模型及基暴雨模拟结果

根据SWMM软件模拟生成的报告，分别统计研究区内的集水井溢流、管道满流等情况，对出水口状态、节点溢流和管道负荷进行分析。

（1）出水口状态

从蓄水池东湖、西湖水位上升过程图可以看出，东湖蓄水池在时间过去3h50m左右达到蓄水池最大水深，且之后一直保持蓄水池最大水深不变；西湖蓄水池水深水深始终在增长，未达到最大水深。

图3蓄水池东湖、西湖水位上升过程

（2）出口段流量变化过程

图4东湖出口段流量过程线

从图可以看出，出口段流量最大为13.45m3/s，发生在降雨历时7h左右。

（3）节点超载统计

节点产生积水是由于排水负荷过重，节点的水深是能够反映管网排水能力的一个重要指标。每个节点所连接的管道可能不止一个，当水位超过最高管段顶部时发生超载，当最大水深超过顶部高程即发生溢流，即洪流。超载发生后很容易产生溢流。

表2节点超载统计

在降雨量最大时，计算区域只有一个节点发生超载，超载时间为2.73h。

（4）节点溢流

表3节点溢流统计

由表3可以看出，共有两个节点出现溢流，说明计算区域排水基本满足要求，其中节点4为东湖蓄水池。节点J00441溢流时间为2.68h，占总时间的20.6%左右，最大流速为2.719m3/s。节点发生溢流后，以该节点为出水口的子汇水区内的水流不能及时流入排水管网而产生积水，伴随着持续降雨，积水会越来越多，最终在地表形成内涝。

（5）管道超载情况

管道排水负荷可以通过管道满流时间来反映，满流时间较长，管道承受的排水压力就越大，地面积水量也会随着满流时间的持续而增加。下图列出所有发生超载的管段编号、高于正常满流水流时长和能力受限时长。

图5超载管段

3.5评估结论

基于现场实勘数据、调研信息，补充完整全场排水系统资料，并结合新建机坪区域及设备区硬化区域特点，参考全场排水特征，进行了新建机坪及设备区硬化后的排水能力综合评估。主要结论如下：

（1）以机场3号航站楼附近完整的排水系统为例，建立SWMM模型，应用2012年“721”特大暴雨的机场实测降水过程，计算分析了其管网的排水性能，其积水区域与实际情况一致，说明以数值模拟的方式可对管网的运行性能进行正确评价；

（2）全场排水系统排水能力较低，不能满足与“721”特大暴雨相当的降雨排水要求，急需维护升级；

（3）新建机坪后，土质区变为不透水地表，致使径流系数提升约60%（北京粉土、亚粘土），排水洪峰不易错峰，管网需要更大的排水能力，目前的机场地面积水区域大多位于新建机坪区域附近；

（4）多年来多次的新建机坪建设，暴雨积水区域大幅增加，飞行区道场水毁严重，急需维修、增大排水能力；

（5）防止河水倒灌的出水口，宜设置水闸、水泵的启闭智能控制，需补设出水口内外监测装置，实现最高的特大暴雨排水能力；

（6）地面积水区域较多，存在地基不均匀沉降、破坏，需联合道面工程、排水系统的共同解决方案。

4.工作展望

随着机场扩建工程的逐步增多，新建机坪对全场排水能力的影响评估显得急切和势在必行，且需统筹考虑，在不断新建的同时，须同步改善原有排水系统的排水能力。

参考文献：

[1]李杨杨，郭赟，邓佑锋，苏琼婵，何昭菊，赵诗琦.城市雨水管网排水能力的模型评估分析方法探究——以深圳市龙华区为例[J].水利水电技术，2019，9

[2]中国排水系统现状及综合评价与未来政策建议[J].梁珊，刘毅，董欣.给水排水.2018，5

[3]赵靓芳，莫耀钧，杜至力，荣天悦，陈志乐，谢颖媛，陈兵.基于SWMM的城市河道闸阀优化控制的排水防涝模型研究——以猎德涌流域为例[J].中国农村水利水电，2019，9：171-176，186.

[4]马京津，李书严，王冀，北京市强降雨分区及重现期研究[J].气象，2012，38（5）：569-576