世界第五大奇迹的北京大兴国际机场雨水系统设计，叹为观止

　　2 004 年以后，我国民用航空事业已成为世界上民航客、货、邮运输量增长率最高的国家之一。
　　为满足各地区航空运输增长需求，许多城市都准备或正在新建、扩建各自的机场项目。由于机场建设条件以及城市发展规划的限制，机场通常都建设于距离市中心较远、市政配套设施建设尚未完善的远郊区域，这就给机场雨水系统的建设带来了一定的难度，特别是大中型机场占地面积较大，大量新增的建设用地带来了大量新增的雨水径流，设计者如何综合考虑复杂的场外排水限制条件以及场内排水需求，合理的构建全场雨水系统，成为了机场建设设计过程中非常重要的一环。本文以北京大兴国际机场为例，全面解析了大中型机场雨水排水体系构建的步骤以及构建过程中的相关问题。
　　1 机场建设概况
　　北京大兴国际机场场址在北京市正南方向，位于北京市大兴区与河北省廊坊市交界处。新机场本期建设的目标年为 2 025 年，预测年旅客吞吐量为 7 200 万人次，建设三纵一横共 4 条跑道、 7 0 万ｍ２的航站楼及相关配套设施。本期建设占地面积约 2 7 k m2 ，地势西北高、东南低，地势标高约 2 0.0 ～ 2 5.0 m ，东西跨度约 8 .8 km ，南北跨度约 9 .2km ，地势坡度约为 0 .0003 ，全场地势整体平缓，排水坡降较大。根据国家相关规范要求，机场场区空、陆侧雨水设计降雨重现期Ｐ =5 年，地面集水时间为 1 0min ，机场的防洪标准为 1 00 年一遇。
　　2 外部影响因素分析
　　由于机场的建设面积通常较大，场址一般也远离城市排水系统服务区域，有些场址甚至还会占压现状自然水系，因此，为了确定机场的排水体系构建方案，首先要明确机场场外排水条件，通过了解场外相关雨水排水设施（或水系）的规模和排水能力，分析机场建设与外部排水现状的相互影响关系，进而确定对场外排水设施（或水系）的改造方案、场内排水与场外衔接的具体位置以及允许外排流量等基本设计条件。
　　2 .1 机场周边排水水系简介机场场址所在区域属海河流域永定河水系，场址南临北京西部重要的防洪排水河道———永定河，同时场址建设占压大兴排涝河道———新天堂河（见图１）。
　　图 1 机场周边水系平面
　　2 .1.1 永定河永定河流经北京市门头沟区、石景山区、丰台区、大兴区和房山区５区，境内河道总长约 1 70 ｋｍ，是北京西部主要泄洪河道，同时也是对北京市产生防洪威胁最大的河流，防洪标准为 1 00 年一遇。永定河泛区总面积约 5 22 k m2 ，设计滞蓄水量约 4 亿 m 3 ，永定河泛区内的南北小埝、南北前卫埝、南北围埝及龙河左右堤等堤埝将泛区分为大小不等的 9 部分，形成了分区滞洪的格局。机场所在区域位于永定河滞洪区一分区西北部，当永定河泛区行洪时，洪水通过寺垡辛庄口门向上漫溢至泛区一分区。在机场近期规模情况下，建设防洪堤后，将占用永定河泛区面积约 2 8.62 k m2 ，占泛区整个面积5. 48 ％（见图２）。
　　图 2 机场场址与永定河泛区位置关系
　　2 .1.2 新天堂河新天堂河是永定河以东、京开公路西侧一条主要城市排水河道，河道现状全长 3 7 ｋｍ，天堂河是一条跨北京和河北省市界的排水河道，天堂河流域总面积 3 2 6k m2 ，其中北京境内 3 14  k m2 ，河北境内 1 2 k m2 。根据省市协议，新天堂河京、冀协议出口流量为 1 20 m 3 / s 。新天堂河流经新机场场址段规划防洪标准仅为 2 0 年一遇。因此当流域内发生 1 00 年一遇洪水时，河道会发生漫溢，流域内涝水将会在下游地势低洼地区汇集，可能对机场产生淹没影响。
　　2 .2 确定机场排水出路通过机场周边水系分布及场内地势情况可知，机场排水可以考虑向南直接排入永定河，或者向东排入新天堂河。
　　由于永定河历史上水土流失严重，河水浑浊，泥沙淤积，日久形成地上河，其河床地势较机场地势高，机场排水无法通过重力流的形式直接排至永定河，只能采用强排的方式才能将雨水入河；同时由于永定河左堤（机场侧堤防）是保证北京城区不受洪水淹没的重要堤防，在堤坝上开口需要非常谨慎；而新天堂河为永定河的支流，机场排水对其影响较小，开口风险也较小，且河底标高在一定情况下可以满足自排需求，因此综合考虑节能、排水安全性等方面的因素，确定将新天堂河作为机场的排水出口，机场排水进入新天堂河后，经新天堂河下游更生闸最终排至永定河。
　　2 .3 机场外部排水系统与内部排水系统建设的相互影响分析
　　2 .3.1 新机场建设对永定河及新天堂河的影响
　　（ 1 ）永定河方面，主要的影响是泛区与机场之间相互的影响关系。机场建设将占压永定河泛区一分区，但是由于新机场占用泛区的面积较小，且泛区采用自下而上的使用原则，新机场占用的一分区为最后使用的分区，根据相关分析，当永定河来水超过 2 000  m 3 / s 时，被占用区域就将启用。按 照相关分析结果，机场占用泛区影响水深较小，对永定河防洪影响程度不大，可以适当调整调度方案或采用工程措施，利用泛区其他区域承接被占用区域水量。
　　另一方面，由于场址建设将破坏新北堤，且场址位于地势低洼区域，因此永定河洪水将由于堤防的破坏而进入场址漫溢，应对的措施主要有垫高场内地势、迁建新北堤或封堵寺垡辛庄口门，经综合考虑，水利部门最终通过采用封堵寺垡辛庄口门彻底取消一分区的方法解决泛区对机场建设的影响。
　　（２）新天堂河方面，主要的影响包括对河道的占压以及新增雨水流量的汇入。由于新天堂河自西向东横穿北京新机场用地，新机场建设将占压现状新天堂河部分河道，阻断新天堂河排水通道，因此需要对其进行改道。结合区域规划、机场场址位置及地形地势，本着＂少占地、易施工、水流畅＂的原则，提出天堂河改线段线路方案。根据水利部门的分析，最终采用的改道方案如图 3 所示，即新河道在京九铁路桥上游与孙各庄闸下游河道衔接，绕场址北侧、东侧红线东行，在廊涿高速公路桥上游与现状河道衔接，改道后的新天堂河命名为永兴河。永兴河一般堤防按 2 00 年一遇洪水设防，为４级堤防，同时，为保证机场防洪安全，右岸（机场侧）堤防按 1 00 年一遇洪水设防，为１级堤防。
　　根据省市协议，永兴河京、冀分界处的协议过界流量为 1 20 m 3 / s 。由于现分界处河道流量已达 1 20  m 3 / s ，在永兴河北京段无法再接纳新机场的雨水，因此，新机场雨水出口只能设于永兴河的河北段。经综合考虑，机场排水出口位置定于现状新天堂河及永兴河交汇点处，机场排水通过现状新天堂河老河道，排至永兴河。该位置位于永兴河下游，对河道影响亦较小。排水出口位置设置如图４所示。经洪水影响评价分析确定，当新天堂河和永定河排水流量达到设计标准时，新机场允许外排流量为 3 0  m 3 / s 。同时，为保证机场排水安全，在机场北部永兴河北京段设一处备用出口，当永兴河排水流量未达 1 20  m 3 / s 时，可按照水利部门调度要求待机排放。
　　图３永兴河与机场位置关系
　　图４机场排水出口位置示意
　　2 .3.2 现状新天堂河及永兴河对于新机场的影响
　　（ 1 ）在防洪方面，新机场主要受到来自其西北侧洪涝的影响，改道后的永兴河可挡住北侧的客水，西侧有京九铁路高路基作为天然堤坝，可抵御部分客水。
　　（ 2 ）对于场内地势标高方面，由于经过土方平衡和投资的分析，场内防洪主要通过在场址红线外与道路结合设置堤防的方式进行防洪设计，因此永兴河对场内地势标高基本没有影响。
　　（ 3 ）排水出口位置方面，由于机场常排出口位置仅有一处，且允许外排流量较小，仅为 3 0  m 3 / s （估算全场流量约 4 00  m 3 / s 左右），所以机场需要设置大量的调蓄设施保证机场排涝安全。经过以上分析，在现有条件下，机场的建设将使新天堂河改道，但改道方案基本不受场内排水的影响，同时，改道后的新天堂河即永兴河通过提高右岸堤防设防标准的方式，也不会影响新机场的防洪安全。由于机场建设新增部分下泄流量，所以需要对部分场外河道进行扩容，同时场内也需要设置调蓄设施以尽量减小对外部河道的影响。
　　3 机场内部影响因素分析
　　如果说机场外部排水条件的确定是体系构建的先决条件，那么针对雨水排水的需求对内部地势、总平面规划、绿色环保等方面进行适应性分析并提出设计需求就是机场排水体系构建的基础。
　　3 .1 机场地势对雨水系统的影响
　　机场所在区域地势较平缓，场址跨度较大，因此，雨水系统坡降相应较大，管渠埋深较深，为减小管渠建设投资，需要在管渠适当位置设置雨水提升泵站，将雨水提升后继续排放。根据估算，全场雨水最远流行距离约为 1 3km ，按照管渠平均坡度 0 .001 计算，坡降约为 1 3 m 左右，如再加上管顶平接的因素，管渠终点管底标高约降低 1 5m 左右。
　　为减小管道埋深，降低管道深基坑施工难度，可考虑在场内设 2 级到 3 级提升泵站。同时，考虑泵站设置过多会导致不节能、运行维护工作量大以及排水安全性降低等方面的因素，最终确定设置２级提升泵站，即在雨水管渠中段及末端分设提升泵站，将前段雨水提升后排放。
　　3 .2 机场平面布局对雨水系统的影响北京大兴国际机场本期占地面积约 2 7km2 ，远期占地面积约 7 0km2 。针对机场雨水汇水面积大的这个特点，势必需要对全场汇水区域进行分区规划。
　　通常情况下，分区的方法主要包括：按空陆侧分区、按地势分区、按功能区分区、按主干路网分区等。同时，由于新机场仅设有一处排水出口，针对这个限制条件，为承接排出各分区的雨水，势必需要设置可以串接所有分区，将雨水转输至排水出口的带状排水设施。由于汇水量很大，此排水设施通常采用明渠的形式进行设置，明渠的设置位置一般位于各分区的交界处。
　　3 .3 机场绿色环保要求
　　对雨水系统的影响北京是水资源严重短缺的城市，为合理利用水资源，把北京大兴国际机场建成＂绿色机场＂是工程的目标之一。
　　雨水系统方面，则力求体现＂海绵机场＂的设计理念。＂海绵机场＂即针对机场建设的特点，在保证机场排涝安全的原则下，通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术手段，实现有利于提高机场防涝能力，降低开发影响，削减径流污染，提高雨水资源化利用率，改善区域微气候微环境的建设目标。
　　3 .4 机场智慧化管理要求
　　对雨水系统的影响机场占地面积较大，场内设有大量的水暖电气油等专业的室外管道及其他设施，平时对这些设施的维护工作量巨大，随着信息技术水平的提高，远程管理、自动监控等技术手段已 日趋成熟，因此，本次建设要求实现公用设施的智慧化管理。雨水系统作为重要的组成部分也需要体现智慧化管理的理念。
　　3 .5 机场盈余再生水消纳需求对雨水系统的影响新机场场内设有污水处理厂，将产生的污水全部按照再生水标准进行处理回用，实现污水＂零外排＂。
　　根据水量平衡，处理后的再生水用于浇洒、绿化以及冲厕等用途后仍有盈余，如何消纳盈余的再生水，是机场建设需要考虑的问题。
　　另一方面，由于北京雨季主要集中在 6 月至 9 月份，其他时间降雨量非常小，对于贯穿场内、承接转输各分区的排水明渠而言，在非雨季期间，明渠底部裸露，在一定程度上会表现出突兀、不够自然的效果。
　　一边是可稳定提供的盈余再生水；一边是因气候原因造成设施使用效率低下，综合二者的特点，考虑将盈余再生水引入明渠，将明渠升级为集蓄存、净化、景观、入渗、排水等多功能于一体的＂生态景观水系＂。
　　平时，污水处理厂盈余再生水排入景观水系，补充水系因蒸发、入渗减少的景观蓄水量。降雨时，可提前将水系内的蓄水排出，为排涝提前做好准备。生态景观水系既可解决场内盈余再生水的出处问题，又能为机场提供一种自然的亲水活动场所，使水的视觉和实用功能得到充分利用。
　　同时由于机场运行的特殊性，还要考虑采取措施避免生态环境在招鸟方面对机场的影响。
　　4 排水体系的构建
　　通过以上外部、内部各因素的影响分析，对于机场排水系统的设计要求已经基本明确，对于排水体系构建主要的基本要求如下：
　　（ 1 ）机场防洪由场外水系堤坝及其他设施保证，部分场外排水设施需进行改造，场内无需垫高地势或设防洪沟。
　　（ 2 ）在机场东南侧设一处出口，场内雨水接至永兴河，外排流量限制为 3 0  m 3 / s ，北侧设一处备用出口，待机排放。
　　（ 3 ）场内排水设施需保证机场在 5 0 年一遇降雨条件下的排涝安全。
　　（ 4 ）场内设多个汇水分区，各分区由贯穿式带状排水明渠串接，全场采用二级提升系统。
　　（ 5 ）采取措施削减径流污染、提高雨水利用率、体现＂海绵机场＂的设计理念。
　　（ 6 ）排水设施需承接场内盈余再生水，并尽量与景观融合，同时应考虑避免招鸟的措施。
　　（ 7 ）从材料、能源等多方面充分体现环保绿色的设计要求。
　　4 .1 系统设置
　　根据外部、内部影响因素分析，新机场雨水排水采用二级排水系统，设置一级调蓄水池及泵站、二级泵站及排水明渠。机场各区域雨水经雨水管（排水沟）收集后排至各区域内部的一级调蓄水池，经一级调蓄水池蓄水削峰后由一级泵站提升或自流进入排水明渠。雨水经由排水明渠二次调蓄并转输至明渠末端后由二级泵站提升或自流排至场外永兴河，如图５所示。
　　图 5 机场二级雨水排水系统示意
　　4 .2 汇水分区划分及排水
　　明渠布置根据全场雨水排水系统设置原则，经过分析比较，本期在新机场用地范围内依据中间低南北高、西高东低的地势特点，将机场用地分为南北两大区域，南部区域主要是飞行区，划分为一个分区，北部区域按照功能区划、主干路网划分为 6 个分区，全场共设有 7 个排水分区，分别为Ｎ 1 ～Ｎ 6 及Ｓ 1 分区。同时，以西跑道北侧为起点设置排水明渠，明渠沿主干道路向东延伸至侧向跑道西部、现状磁大路附近即向南转弯，并沿本期红线向南至现状新天堂河河道，通过现状新天堂河河道延伸至改道后的永兴河。
　　各分区雨水经各自的调蓄水池对雨水进行蓄水削峰后自流或强排至排水明渠，经排水明渠、现状新天堂河河道最终排至永兴河（Ｎ 6 分区由于距离明渠较近，采取就近排放的方式，不需设提升泵站）。在进行与明渠有关的土地利用规划时，为充分利用近水的优越性，在将明渠升级为生态景观水系的同时，还考虑在排水明渠转弯处的一块楔形用地上将明渠扩展为景观湖，周边设置公园，为旅客、工作人员和周边群众提供一个开放的公共空间，在展示机场文明风貌、改善区域微环境的同时还可提升周边用地的商业价值。
　　图 6 机场雨水系统平面布置
　　4 .3 ＂海绵机场＂技术措施
　　（ 1 ）场内采取多种措施减小雨水外排径流，最大限度回补地下水，主要措施包括：场内排水管、渠、池等设施最大限度考虑透水入渗措施，人行道、非机动车通行的硬质地面、广场等采用透水地面，小区内设下凹绿地等。
　　（ 2 ）场内各区域共设有约 2 50 万 m 3 的调蓄设施，充分滞蓄场内雨水，减小外部水系排水压力，保障机场排涝安全。
　　（ 3 ）在机场空侧土面区植草，部分土面区设置有下凹绿地，可截留跑道上初期雨水中的污染物，同时滞蓄雨水。
　　（ 4 ）在雨水调蓄设施内植草，可进一步截留污染物，同时蓄存并下渗收集的雨水。（ 5 ）在维修机坪区域设有油水分离设施，含油雨水经隔油装置处理后方可排至场内排水系统，减小初期含油雨水对于场外水体的污染。
　　（ 6 ）建筑物屋顶使用环保型材料，不得有有毒、有害物质析出。屋面雨水以集中入渗为主，收集回用为辅。雨水通过建筑周边的透水铺装及绿地入 渗；回用方式为将初期弃流后，中、后期雨水储存于地埋式储水模块或水池，用于补充水系水源或用于绿地灌溉。
　　4 .4 生态景观水系设置
　　将排水明渠设置为融合汇水、传输、净化、入渗、调蓄外排等多功能于一体的生态景观水系，其边岸、边坡、表潜湿地区、水系底面、水表面等各有其生态功能，可形成较大规模的功能生态区。生态功能的实现首先是对排入的各类来水以组合生态方式进行处理直至形成优质水体；其次，水系的生态构成本身亦可有效提升周围的环境品质。
　　生态区的构成主要包括：生态边岸—对来水绿化截污；生态护坡—绿化、固土、截污、生态净化；潜流湿地区—可进行再生水的深度处理；表流湿地区—可进行再生水的深度处理和水系水质维护；潜水生态区—主要进行水系水质的维护与改良。平时通过场内盈余再生水补水及景观湖末端的溢流堰控制、保证水系内蓄存有一定规模的水量，同时为保证水系内水体质量，还设有太阳能光伏提水及风能提水循环系统，实现循环净化的效果（见图 7 ）。
　　图 7 机场生态景观水系效果
　　4 .5 雨水管理平台设置
　　为实现场内雨水系统智慧管理的目的，场内设置雨水管理中心，主要功能包括机场泵站、闸门监控、水文水质监测、视频监视等。在飞行区内设有多处雨量计，可即时收集雨水信息并上传至雨水管理中心；在景观水系内设有水位、水质监控设备，可将水位、水质情况上传至雨水管理中心；在各雨水泵站设有远程监控系统，可将泵站内液位、水泵工作状态等信息反馈至雨水管理中心，同时可在雨水管理中心内远程控制水泵启停。
　　自动监控系统具备开放性、高可靠性、高兼容性和可扩展性特点。机场水系的统一管理及自动化建设，能够有效提高水资源利用率，降低运行人员的工作强度，同时也提高了机场水系防汛减灾的综合能力，为机场水系的安全运行、合理调度提供强大的后备保障。
　　5 关于体系构建的思考
　　首先，体系的构建是战略层面的工作，是机场雨水系统能否满足机场排水要求的基础性工作，适宜的体系构建可以为后续具体设计工作的顺利开展铺平道路，可以为各种锦上添花的技术和理念的实现奠定良好的基础。
　　其次，构建机场雨水排水体系，最先着重考虑的不是内部系统的设计，而是要充分了解分析机场外部众多因素对于内部系统的影响，很多时候，处理协调外部因素的工作量甚至大于内部体系的构建，这些外部因素主要包括：外部水系情况、排水限制条件以及规划要求等，设计者不能抛开外部影响因素闭门造车，只有充分了解外部影响才能制定适宜的场内排水方案。
　　再次，要将外部及内部众多相互影响的因素与机场雨水系统建设进行统一的分析，制定出对机场建设和外部环境整体最优的体系方案，而不是仅仅对机场雨水系统或者其他任一局部的最优方案。
　　最后，不同的项目有不同的建设条件，本文所论述雨水体系的建设思路仅仅是抛砖引玉，希望能为设计者设计同类项目提供一定的参考。