摘要：通過對北京新機場水敏感區域水環境系統的研究，實現新機場防洪內澇控制、雨水資源利用與科學管理、降低徑流總量及汙染等目標，構建“海綿機場”雨水系統。
1北京新機場概況
1.1位置與定位
北京新機場位於北京市大興區與河北廊坊市交界處，距北京市中心約50 km，南臨永定河，北臨永興河，跨越北京、河北2個行政區域（見圖1）。北京新機場定位為大型國際樞紐機場，建成後將為北京地區區域經濟可持續發展、保障民航事業持續高速安全發展、打造國際航空樞紐、實現京津冀一體化建設提供重要保障。
1.2地勢特點
北京新機場規劃用地範圍內現狀場地地形總體呈西高東低、北高南低趨勢，東西高差約3 m左右，南北地勢高差約1 m左右。場址內原地面坡降約0.3‰，原地面標高約20～25 m，砂丘及砂壠頂部標高達27～29 m。
北京新機場場址的確定綜合考慮位置、氣象、地勢、防洪等多重因素。地勢方案選用土方自平衡方案,土方自平衡方案充分考慮各種相關影響因素，除跑道、站坪、滑行道、航站樓等要求較高區域以外的其他區域，儘量保持全場地勢總體趨勢與原始地形一致，在滿足使用要求及有關標準的前提下減少填挖，而新機場南臨永定河，北臨永興河，除航站樓、跑道等區域外，其他區域設計地勢均低於外部洪水位，使新機場區域成為水敏感區域。
2北京新機場水環境系統分析
2.1水敏感性分析
2.1.1外部洪水分析
北京新機場北臨永興河，南緊臨永定河，場址建設用地佔用部分永興河河道，協調永定河、永興河與新機場水位地勢的關係是新機場安全運營的重要基礎。為保障新機場不受外部洪水影響，將在永定河北側及永興河南側分別修築抵禦100年一遇洪水的新堤防。屆時，新機場地勢將低於外圍地勢高程，形成獨立的場內排水系統，場內受外部洪水影響較小。
2.1.2易澇性分析
新機場開發後將建設跑道、航站樓等大量硬化面積，全場徑流係數將大幅提高，進而產生雨水徑流總量及峰值徑流量增大、峰值來流時間縮短等敏感因素。而永定河及永興河築堤後，新機場將形成獨立的內部排水系統，無法通過自流排入下游河道，泵站事故、抽升不及時、抽升能力不足等因素都可能導致新機場內部大量滯水，暴雨時極易形成內澇災害。
2.1.3徑流汙染分析
新機場現狀用地類型主要包括村莊、民房、水渠、道路，無大型工礦企業及高大建築群落分佈，現狀綜合徑流係數較低，無過多汙染源，雨水徑流可通過土壤、水渠自然消納、淨化，具備良好的水環境自淨能力。新機場建成後將出現大量建築群落、道路等非點源汙染源。相關研究表明，道路、建築屋面是城鎮非點源汙染的主要來源，SS、COD均較高，為此北京新機場建成後必然帶來一定程度的徑流汙染。
2.2限制性因素分析
2.2.1外排峰值流量限制要求
根據北京新機場總體規劃，結合省市協議、永興河機場段的河床和水位標高、永興河改道方案、新機場洪評報告及場外水系的實際情況，改道後的永興河將作為新機場的排水出路。
2.2.2非傳統水源利用要求
新機場景觀河湖補水量綜合考慮水系蒸發、滲漏、降雨、水質維護等因素確定。其中，主要因素包括水面蒸發、滲漏損失量、維持水質的換水量或循環水量。新機場本期水系水面面積約為110 hm2，全年平均日蒸發量約為3 000 m3/d；夏天溫度較高時，若滿足水系水質要求，需10天換水一次，補水量較大。因此，除再生水外，雨水將是新機場水系補水的最主要來源，雨水收集設施的應用必不可少。
2.2.3水環境政策要求
北京新機場水環境建設應依據《國務院辦公廳關於推薦海綿城市建設的指導意見》（國發辦〔2015〕 75號）、住建部發布的《海綿城市建設技術指南—低影響開發雨水系統構建（試行）》（以下簡稱“指南”）、北京市地標《雨水控制與利用工程設計規範》（DB 11/685-2013）提出的徑流控制要求，規劃、設計配套雨水基礎設施。
2.3對策分析
綜上所述，北京新機場水環境系統建設面臨的主要問題是滿足區域防洪要求並避免新機場內部獨立排水不暢造成內澇，實現雨水徑流總量的有效控制，維持機場內水環境良好水質。由於外排流量受限、排水防澇需求、新機場水系補水蓄水量較大，應採用雨水控制與利用設施調節徑流峰值、調蓄徑流總量等。
3“海綿機場”總體框架
3.1總體目標
北京新機場根據排水防澇和“海綿機場”建設目標，結合北京新機場水系統的特點，確定徑流總量控制、徑流汙染控制、排水防澇控制、雨水資源化管理、水環境保護為主要綜合控制目標（見圖2）。
為落實上述控制目標，北京新機場水環境確定三項主要控制指標：
（1）根據“指南”要求，北京地區年徑流總量控制率最佳為75%～85%，因此，北京新機場年徑流總量控制率確定為85%，即設計降雨量為33.6 mm；同時需滿足北京市地標《雨水控制與利用工程設計規範》（DB 11/685-2013）中提出的“每千平方米硬化面積配建調蓄容積不小於30立方米雨水調蓄設施”的要求。
（2）北京新機場總體規劃中雨水系統規劃確定場內一般區域雨水管渠設計降雨重現期P=5年，航站區採用獨立雨水系統，雨水管渠設計降雨重現期P=10年。
（3）另外，通過水環境系統控制措施的綜合作用，北京新機場應具備綜合應對50年一遇超標降雨的防內澇能力。
3.2徑流總量及汙染控制方案
北京新機場“海綿機場”建設涉及場內建築區域、道路、河湖水體等多種用地類型，應結合區域排水系統規劃、水系規劃、豎向規劃等多項相關規劃，並綜合考慮各區域與系統間的銜接關係。為落實北京新機場“海綿機場”總體目標，海綿機場雨水系統由源頭、中途、末端控制3部分組成（見圖3）。
北京新機場根據用地功能不同，主要分為飛行區、航站區、工作區、貨運區、機務維修區五大區域(見圖4)，不同區域根據其用地特徵，結合源頭、中途、末端3部分採用不同雨水徑流控制形式、措施，確定不同雨水徑流控制方案。其中，工作區、貨運區、機務維修區場地條件相似，下文統稱為工作區進行論述。
工作區是新機場的核心區域之一，場地條件包括場內建築區域、道路、綠地、水體等。其中，場內建築區域是工作區的主要用地類型，應充分發揮地塊內部雨水徑流調蓄能力，結合地塊條件採用下沉式綠地、雨水花園等設施控制徑流總量、淨化徑流水質。雨水轉輸過程中通過環保型雨水口、初期雨水池等淨化徑流水質，並利用大型公共綠地調蓄雨水徑流。最終通過末端調蓄池調蓄徑流總量、調節峰值徑流量。而貨運區等局部區域徑流係數較高，又無充足空間建設大型或分散式調蓄設施，除充分利用地塊內部綠地、採用滲透鋪裝、局部建設雨水調蓄池等形式降低貨運區雨水徑流係數、消納雨水徑流外，仍需在排水下游建設大型、生態雨水調蓄池，通過池底滲透區域實現雨水徑流的集中入滲、淨化徑流水質，通過調控泵站的起停泵水位實現徑流總量控制、調節徑流峰值。
飛行區場地條件以跑道、綠地為主。圍繞跑道、道路周邊設有大量綠地，具備良好的源頭雨水徑流控制條件。大量源頭綠地採用下沉形式直接調蓄雨水徑流總量、淨化徑流水質，間接降低飛行區雨量徑流係數、調節峰值徑流量。同時，飛行區雨水徑流主要通過明渠排放及飛行區內部調蓄池調蓄，雨水徑流轉輸過程中部分雨水徑流滲入地下，回補地下水，徑流水質得以淨化。雨水徑流最終排入下游大型調蓄池調蓄後部分排入下游河道，部分通過下滲、蒸發、回補景觀用水等功能消納。
航站區北側以航站樓為主，除設有降雨重現期P=10年的獨立雨水管渠系統外，其他區域根據工作區雨水徑流控制原則充分落實源頭控制要求，末端匯入其下游調蓄池調蓄後排入景觀湖。航站區南側為空側區域，場地條件與飛行區相似，雨水徑流控制原則與飛行區相同。
3.3蓄排系統方案
北京新機場匯水面積較大、地勢平緩，且允許外排流量僅為30 m3/s，考慮到雨水管渠設計對投資、管道埋深、管線綜合佈置、排水安全等影響，應統籌雨水管渠與調蓄設施關係。北京新機場雨水系統將採用二級排水系統（見圖5），各地塊雨水徑流匯入市政道路雨水管渠或飛行區排水明渠後排入各排水分區下游一級調蓄設施，並經一級泵站提升後排入場內排水明渠及景觀湖進行二次調蓄，最終通過河道末端二級泵站排入規劃永興河（見圖6），兩級調蓄總容積約270萬m3。
3.4數字化雨水管理系統構建
3.4.1雨水管理系統框架
建設新機場數字化雨水管理系統是北京新機場海綿機場雨水系統構建區別於一般區域雨水系統構建的關鍵技術。北京新機場數字化雨水管理系統採用數字模型模擬雨水系統，以智能化管理為目標，以模型預測、遠程自控為手段，實現雨水綜合控制利用，具備應對突發事件的快速響應能力。
北京新機場數字化雨水管理系統框架共分為5個層級：第一、二層級主要是通過現場設備提供信息，在排水明渠、雨水管渠出口等處設置液位、流量等計量裝置，監測/控泵站運行狀態、柵前柵後水位，同時進行水質監測；第三層級是建立數字模型分析和預測不同降雨情景時新機場排水系統運行概況；第四、五層級主要是管理者通過前三層級反饋的信息，綜合實時數據及監控視頻等對新機場雨水系統進行指揮調度。
3.4.2雨水管理系統的效用
數字化模型構建是北京新機場數字化雨水管理系統建設的核心內容之一，通過建模模擬結果校核基於合理化公式計算的新機場雨水管渠系統能否滿足設計標準、評估超標降雨對新機場的內澇風險影響，優化現有雨水系統方案應對內澇風險的能力，提出應對內澇風險的對策與防澇應急措施，科學、合理的指導雨水系統方案的確立。
北京新機場建模基於雨水管渠、泵站、景觀湖、調蓄池等方案數據及規劃地勢高程等數據共同構建，分別採用北京市24 h雨型及芝加哥雨型模擬。模擬結果需滿足5年一遇降雨時管道為無壓流狀態，50年一遇降雨時滿足內澇防治設計標準要求，地面無積水。經模擬發現，5年一遇降雨時，雨水管渠基本滿足排水要求，部分管渠出現有壓流，50年一遇降雨時，局部區域檢查井冒水。分析原因並提出如下調整方案：
（1）調整河道水位，減少雨水管渠淹沒出流程度，避免雨水管渠出現頂託。
（2）提高下凹路段雨水管渠設計標準，高水高排，避免客水流入。
（3）增加下凹路段雨水口數量，提高泵站排水能力。
（4）優化道路高程設計。
雨水系統方案調整後，再次進行模擬，新機場排水系統滿足上述標準。新機場建成後，將通過一定時間監測產匯流情況進一步率定、驗證模型，提出不同降雨情景時北京新機場排水系統運行方案，確保新機場排水系統安全運營。
4結語
北京新機場海綿機場雨水系統構建綜合傳統雨水管渠系統規劃、排水防澇規劃、水系規劃等多項規劃，科學、合理的協調源頭控制系統、小排水系統、大排水系統。通過深入分析新機場建設面臨的水敏感問題及相關限制因素，結合北京新機場不同分區用地特徵，分別從徑流總量與汙染控制系統、雨水蓄排系統、雨水資源化利用系統及數字化雨水管理系統的角度探討北京新機場海綿機場的構建。通過源頭與末端、地上與地下、綠色與灰色相互補充的形式，充分落實“滲、滯、蓄、淨、用、排”六字方針，並通過數字化雨水管理系統的構建優化雨水系統方案，提高新機場運營管理能力、提升決策分析能力、保障生產運行的安全和穩定，實現徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流水質控制、雨水資源化利用等海綿城市建設的主要控制目標。
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