北京新机场位于北京市大兴区与河北廊坊市交界处, 距北京市中心约50km, 南临永定河, 北临永兴河, 跨越北京、河北2个行政区域 (见图1) ^[1]。北京新机场定位为大型国际枢纽机场, 建成后将为北京地区区域经济可持续发展、保障民航事业持续高速安全发展、打造国际航空枢纽、实现京津冀一体化建设提供重要保障。北京新机场分期建设运行, 其中本期 (2020年) 规划用地面积约27km², 年旅客吞吐量约4 500万人次;近期 (2025年) 规划用地面积约28.3km², 年旅客吞吐量约7 200万人次;远期 (2040年) 规划用地面积约45km², 年旅客吞吐量约1亿人次。

北京新机场规划用地范围内现状场地地形总体呈西高东低、北高南低趋势, 东西高差约3m左右, 南北地势高差约1 m左右。场址内原地面坡降约0.3‰, 原地面标高约20~25m, 砂丘及砂垅顶部标高达27~29m^[2]。

北京新机场场址的确定综合考虑位置、气象、地势、防洪等多重因素。基于新机场现状地形条件, 提出多种新机场地势设计方案, 例如土方自平衡方案、防洪方案、自流排水方案。除土方自平衡方案外, 其他方案均需要大量借方, 而场址所处地理位置附近并无合适土方来源, 如果大量借方将破坏取土源地区的植被及生态环境、在土方运输过程中造成大量能源消耗、对沿途生态环境造成污染、产生巨大投资量, 工程不具有可行性, 因此, 地势方案选用土方自平衡方案。

土方自平衡方案充分考虑各种相关影响因素, 除跑道、站坪、滑行道、航站楼等要求较高区域以外的其他区域, 尽量保持全场地势总体趋势与原始地形一致, 在满足使用要求及有关标准的前提下减少填挖, 而新机场南临永定河, 北临永兴河, 除航站楼、跑道等区域外, 其他区域设计地势均低于外部洪水位, 使新机场区域成为水敏感区域。

北京新机场北临永兴河, 南紧临永定河, 场址建设用地占用部分永兴河河道, 协调永定河、永兴河与新机场水位地势的关系是新机场安全运营的重要基础。为保障新机场不受外部洪水影响, 将在永定河北侧及永兴河南侧分别修筑抵御100年一遇洪水的新堤防。届时, 新机场地势将低于外围地势高程, 形成独立的场内排水系统, 场内受外部洪水影响较小。

新机场开发后将建设跑道、航站楼等大量硬化面积, 全场径流系数将大幅提高, 进而产生雨水径流总量及峰值径流量增大、峰值来流时间缩短等敏感因素。而永定河及永兴河筑堤后, 新机场将形成独立的内部排水系统, 无法通过自流排入下游河道, 泵站事故、抽升不及时、抽升能力不足等因素都可能导致新机场内部大量滞水, 暴雨时极易形成内涝灾害。

新机场现状用地类型主要包括村庄、民房、水渠、道路, 无大型工矿企业及高大建筑群落分布, 现状综合径流系数较低, 无过多污染源, 雨水径流可通过土壤、水渠自然消纳、净化, 具备良好的水环境自净能力。新机场建成后将出现大量建筑群落、道路等非点源污染源。相关研究表明^[3], 道路、建筑屋面是城镇非点源污染的主要来源, SS、COD均较高, 为此北京新机场建成后必然带来一定程度的径流污染。

根据北京新机场总体规划, 结合省市协议、永兴河机场段的河床和水位标高、永兴河改道方案、新机场洪评报告及场外水系的实际情况, 改道后的永兴河将作为新机场的排水出路。根据永定河流域防洪规划, 当永兴河和永定河排水流量达到设计标准时, 新机场可允许外排流量仅为30m³/s。新机场近期占地面积约28.3 km², 暴雨时仅依靠外排流量30m³/s的传统排水方式将无法满足新机场排水防涝要求。

北京是严重缺水城市, 污水深度处理后作为再生资源是缓解水资源短缺的重要措施, 同时也是新机场建设的必然要求。为此, 北京新机场建设要求将全部污水及一、二级调蓄设施内存储的部分雨水作为再生水水源进行深度处理, 达到再生水水质标准, 用于场区绿地浇洒、车辆冲洗、道路清洁、空调循环冷却水及水景补水等。当再生水盈余时将排入场内景观河湖。

新机场景观河湖补水量综合考虑水系蒸发、渗漏、降雨、水质维护等因素确定。其中, 主要因素包括水面蒸发、渗漏损失量、维持水质的换水量或循环水量。新机场本期水系水面面积约为110hm², 全年平均日蒸发量约为3 000m³/d;夏天温度较高时, 若满足水系水质要求, 需10天换水一次, 补水量较大。因此, 除再生水外, 雨水将是新机场水系补水的最主要来源, 雨水收集设施的应用必不可少。

我国政府一贯重视水环境的保护, 针对近年来城镇化加剧带来的重大的水环境问题, 国家及各地区相继发布相关文件、规范、标准要求区域开发过程中水环境建设严格执行。北京新机场水环境建设应依据《国务院办公厅关于推荐海绵城市建设的指导意见》 (国发办[2015]75号) 、住建部发布的《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建 (试行) 》 (以下简称“指南”) 、北京市地标《雨水控制与利用工程设计规范》 (DB 11/685-2013) 提出的径流控制要求, 规划、设计配套雨水基础设施。

综上所述, 北京新机场水环境系统建设面临的主要问题是满足区域防洪要求并避免新机场内部独立排水不畅造成内涝, 实现雨水径流总量的有效控制, 维持机场内水环境良好水质。由于外排流量受限、排水防涝需求、新机场水系补水蓄水量较大, 应采用雨水控制与利用设施调节径流峰值、调蓄径流总量等。

海绵城市建设的核心是实现控污、防灾、雨水资源化和城市生态修复等综合目标, 通过机制建设、规划调控、设计落实、建设运行管理等全过程、多专业协调与管控, 保护和利用城市绿地、水系等空间, 优先利用绿色基础设施和科学结合灰色雨水基础设施, 共同构建弹性的雨水基础设施, 实现雨水径流的“渗、滞、蓄、净、用、排”, 应对极端暴雨和气候变化, 恢复城市良性水文循环, 保护或修复城市的生态系统^[4]。北京新机场现状条件、面临的重大问题与海绵城市建设理念的契合性恰恰决定了建设“海绵机场”的必然性。

北京新机场根据排水防涝和“海绵机场”建设目标, 结合北京新机场水系统的特点, 确定径流总量控制、径流污染控制、排水防涝控制、雨水资源化管理、水环境保护为主要综合控制目标 (见图2) 。

为落实上述控制目标, 北京新机场水环境确定三项主要控制指标:

(1) 根据“指南”要求, 北京地区年径流总量控制率最佳为75%~85%, 因此, 北京新机场年径流总量控制率确定为85%, 即设计降雨量为33.6 mm;同时需满足北京市地标《雨水控制与利用工程设计规范》 (DB 11/685-2013) 中提出的“每千平方米硬化面积配建调蓄容积不小于30立方米雨水调蓄设施”的要求。

(2) 北京新机场总体规划中雨水系统规划确定场内一般区域雨水管渠设计降雨重现期P=5年, 航站区采用独立雨水系统, 雨水管渠设计降雨重现期P=10年。

(3) 另外, 通过水环境系统控制措施的综合作用, 北京新机场应具备综合应对50年一遇超标降雨的防内涝能力。

北京新机场“海绵机场”建设涉及场内建筑区域、道路、河湖水体等多种用地类型, 应结合区域排水系统规划、水系规划、竖向规划等多项相关规划, 并综合考虑各区域与系统间的衔接关系。为落实北京新机场“海绵机场”总体目标, 海绵机场雨水系统由源头、中途、末端控制3部分组成 (见图3) 。其中, 源头控制主要指在场内建筑区域、道路等区域, 通过结合硬化面积周边空间采用生物滞留设施、雨水调蓄池等设施, 实现径流总量控制, 减少排入下游径流量;中途措施主要指通过在小排水系统中配置调节池、植草沟等设施调节径流峰值流量、净化径流水质;末端措施主要指在结合源头控制及中途控制措施的基础上, 通过景观水体、生态堤岸等措施综合达到径流总量、径流峰值、径流水质控制要求。三者有机结合, 共同促成海绵机场建设, 保证机场汛期安全、提高新机场水环境质量并改善区域热岛效应。

北京新机场根据用地功能不同, 主要分为飞行区、航站区、工作区、货运区、机务维修区五大区域 (见图4) , 不同区域根据其用地特征, 结合源头、中途、末端3部分采用不同雨水径流控制形式、措施, 确定不同雨水径流控制方案。其中, 工作区、货运区、机务维修区场地条件相似, 下文统称为工作区进行论述。

工作区是新机场的核心区域之一, 场地条件包括场内建筑区域、道路、绿地、水体等。其中, 场内建筑区域是工作区的主要用地类型, 应充分发挥地块内部雨水径流调蓄能力, 结合地块条件采用下沉式绿地、雨水花园等设施控制径流总量、净化径流水质。雨水转输过程中通过环保型雨水口、初期雨水池等净化径流水质, 并利用大型公共绿地调蓄雨水径流。最终通过末端调蓄池调蓄径流总量、调节峰值径流量。而货运区等局部区域径流系数较高, 又无充足空间建设大型或分散式调蓄设施, 除充分利用地块内部绿地、采用渗透铺装、局部建设雨水调蓄池等形式降低货运区雨水径流系数、消纳雨水径流外, 仍需在排水下游建设大型、生态雨水调蓄池, 通过池底渗透区域实现雨水径流的集中入渗、净化径流水质, 通过调控泵站的起停泵水位实现径流总量控制、调节径流峰值。

飞行区场地条件以跑道、绿地为主。围绕跑道、道路周边设有大量绿地, 具备良好的源头雨水径流控制条件。大量源头绿地采用下沉形式直接调蓄雨水径流总量、净化径流水质, 间接降低飞行区雨量径流系数、调节峰值径流量。同时, 飞行区雨水径流主要通过明渠排放及飞行区内部调蓄池调蓄, 雨水径流转输过程中部分雨水径流渗入地下, 回补地下水, 径流水质得以净化。雨水径流最终排入下游大型调蓄池调蓄后部分排入下游河道, 部分通过下渗、蒸发、回补景观用水等功能消纳。

航站区北侧以航站楼为主, 除设有降雨重现期P=10年的独立雨水管渠系统外, 其他区域根据工作区雨水径流控制原则充分落实源头控制要求, 末端汇入其下游调蓄池调蓄后排入景观湖。航站区南侧为空侧区域, 场地条件与飞行区相似, 雨水径流控制原则与飞行区相同。

北京新机场汇水面积较大、地势平缓, 且允许外排流量仅为30 m³/s, 考虑到雨水管渠设计对投资、管道埋深、管线综合布置、排水安全等影响, 应统筹雨水管渠与调蓄设施关系^[5]。北京新机场雨水系统将采用二级排水系统 (见图5) , 各地块雨水径流汇入市政道路雨水管渠或飞行区排水明渠后排入各排水分区下游一级调蓄设施, 并经一级泵站提升后排入场内排水明渠及景观湖进行二次调蓄, 最终通过河道末端二级泵站排入规划永兴河 (见图6) , 两级调蓄总容积约270万m³。

北京新机场区域地势高低于外部洪水位, 排水无法通过重力流实现, 泵站与调蓄设施的合理配置是北京新机场调蓄系统合理构建的关键所在。根据预测大中小3种降雨情景, 泵站实行不同的运行方案。中小降雨时, 泵站起泵水位相对较高, 调蓄设施以满足径流总量控制要求为主要目标, 当预测为大雨或暴雨时, 调蓄池及景观湖将在降雨前预降水位、降低泵站起泵水位, 为调节暴雨峰值流量预留充足调节空间。

建设新机场数字化雨水管理系统是北京新机场海绵机场雨水系统构建区别于一般区域雨水系统构建的关键技术。北京新机场数字化雨水管理系统采用数字模型模拟雨水系统, 以智能化管理为目标, 以模型预测、远程自控为手段, 实现雨水综合控制利用, 具备应对突发事件的快速响应能力。

北京新机场数字化雨水管理系统框架共分为5个层级:第一、二层级主要是通过现场设备提供信息, 在排水明渠、雨水管渠出口等处设置液位、流量等计量装置, 监测/控泵站运行状态、栅前栅后水位, 同时进行水质监测;第三层级是建立数字模型分析和预测不同降雨情景时新机场排水系统运行概况;第四、五层级主要是管理者通过前三层级反馈的信息, 综合实时数据及监控视频等对新机场雨水系统进行指挥调度。

北京新机场通过建设数字化雨水管理系统, 将生产监控、运行管理、防汛调度有机地结合起来, 以数据库作为管理层和现场自动化控制层数据共享、分析、交换的基础平台, 实现防汛数据的实时采集、存储和优化处理, 直观展示生产运行情况、分析指导生产运行调度、及时准确生成统计分析报表。通过建模分析并结合气象预测降雨数据或实时数据得出降雨的影响范围及程度, 为上层管理决策提供有价值的信息。借助自动化控制手段实现控制范围内泵站的远程控制, 改变传统人工巡视检查带来的工作量大、效率低、反应慢的缺点。

数字化模型构建是北京新机场数字化雨水管理系统建设的核心内容之一, 通过建模模拟结果校核基于合理化公式计算的新机场雨水管渠系统能否满足设计标准、评估超标降雨对新机场的内涝风险影响, 优化现有雨水系统方案应对内涝风险的能力, 提出应对内涝风险的对策与防涝应急措施, 科学、合理的指导雨水系统方案的确立。

北京新机场建模基于雨水管渠、泵站、景观湖、调蓄池等方案数据及规划地势高程等数据共同构建, 分别采用北京市24h雨型及芝加哥雨型模拟。模拟结果需满足5年一遇降雨时管道为无压流状态, 50年一遇降雨时满足内涝防治设计标准要求, 地面无积水。经模拟发现, 5年一遇降雨时, 雨水管渠基本满足排水要求, 部分管渠出现有压流, 50年一遇降雨时, 局部区域检查井冒水。分析原因并提出如下调整方案:

(1) 调整河道水位, 减少雨水管渠淹没出流程度, 避免雨水管渠出现顶托。

(2) 提高下凹路段雨水管渠设计标准, 高水高排, 避免客水流入。

(3) 增加下凹路段雨水口数量, 提高泵站排水能力。

(4) 优化道路高程设计。

雨水系统方案调整后, 再次进行模拟, 新机场排水系统满足上述标准。新机场建成后, 将通过一定时间监测产汇流情况进一步率定、验证模型, 提出不同降雨情景时北京新机场排水系统运行方案, 确保新机场排水系统安全运营。

北京新机场海绵机场雨水系统构建综合传统雨水管渠系统规划、排水防涝规划、水系规划等多项规划, 科学、合理的协调源头控制系统、小排水系统、大排水系统。通过深入分析新机场建设面临的水敏感问题及相关限制因素, 结合北京新机场不同分区用地特征, 分别从径流总量与污染控制系统、雨水蓄排系统、雨水资源化利用系统及数字化雨水管理系统的角度探讨北京新机场海绵机场的构建。通过源头与末端、地上与地下、绿色与灰色相互补充的形式, 充分落实“渗、滞、蓄、净、用、排”六字方针, 并通过数字化雨水管理系统的构建优化雨水系统方案, 提高新机场运营管理能力、提升决策分析能力、保障生产运行的安全和稳定, 实现径流总量控制、径流峰值控制、径流水质控制、雨水资源化利用等海绵城市建设的主要控制目标。