海绵机场LID设施雨水循环可视化模型构建

冯思博，彭 晶，2，罗文凯，杜若洋

（1.中国民航大学交通科学与工程学院，天津 300000；2.中国民航大学中国民航环境与可持续发展研究中心，天津 300300）

1 前言

随着我国民航业的快速发展，机场工程的建设如火如荼，机场大面积不透水道面的建设改变了原有的水文循环，机场在遭遇突发暴雨时易产生积水、内涝问题，给机场的正常安全运行带来严重影响。传统的机场建设主要是以硬化路面为主，雨水的排放强调“快排”模式，很少考虑到雨水的搜集利用。机场传统的雨水管理体系主要是通过场内、场外的雨水沟渠等，将飞行区、工作区的雨水排入其周边的排水系统，并辅以河流进行排水效果的改善。随着机场大规模的改扩建和开发，大量硬化道面的建设使得机场不透水率很高，机场周围原有的水文循环状态遭到破坏，导致径流形成的时间缩短，径流峰值提高，短时强降雨给机场排水管网带来巨大压力，引发了一系列雨洪问题[1，2]。

绿色海绵机场的建设借鉴了海绵城市建设理念，应用适合的低影响开发（以下简称LID）设施实现机场雨水利用的“渗、滞、蓄、净、用、排”一体化，可有效缓解机场生态环境现状，大大提升绿色机场的建设效果和水平。目前，海绵城市洪涝仿真模拟及可视化方面的研究较多。文雅等[3]基于BIM技术二次开发的BIM平台对海绵城市系统设施的排水能力进行可视化模拟呈现，并统计分析排水效果。许乃星[4]研究了BIM在海绵城市运维管理三维可视化实现过程中应用的关键技术要点，显著提升了海绵城市运维精细化管控水平。杜永良[5]提出包含“源-网-厂-汇”的排水管网多尺度几何语义模型，能够满足不同层次的用户需求。

机场传统的可视化展示平台大都是通过二维窗口来进行展示，只提供了平面的信息描述，无法对所要展示的部分进行结构展示，需要观测者进行自主思考。在面对极端降水天气时，目前的可视化二维平台仅通过平面模型来模拟分析机场的洪涝情况，无法进行灾害的演进过程模拟和直观展示机场排水管道系统及LID设施的空间关联，同时LID设施作用下雨水径流排放过程三维模型动画的构建也比较匮乏，无法对径流过程及LID设施的作用流程进行直观展示。

国外机场雨水利用技术先于我国。新加坡樟宜机场每月可以收集63500 t雨水用于冲洗厕所和航站楼的空调系统，每年可以节省水费约390000美元。George研究了机场采用LID设施可以有效地提高机场排水效率，减少航班延误，同时水资源可以得到二次利用，从而节约资源。英国的盖特威克机场在面对机场径流重污染问题时建立了雨水分离循环系统，通过检测设备将污染程度不同的水进行分离净化处理，再将净化过的水循环到机场的日常非生活用水中。此外，常州机场新航站楼为体现绿色建筑理念，配套建设了雨水利用工程，采用景观湖对雨水进行收集，经处理后用于广场50500 m2绿地的绿化灌溉[6]。北京新机场充分落实“渗、滞、蓄、净、用、排”方针，并通过一系列雨水管理措施，实现机场防洪内涝控制、雨水资源化管理等目标。建成后的北京新机场将能够对雨水进行有效的搜集、储存，进而进行合理的雨水利用[7，8]。Peng等[9]对国内某机场飞行区实施LID设施前后的径流控制情况进行了研究，表明LID设施可有效提高机场雨水的控制能力，大大缓解飞行区内涝的风险。

由于运行安全、净空等特殊要求，机场对LID设施的类型及设置要求较高，目前对海绵机场LID设施可视化研究十分匮乏。鉴于此，本文在研究了适合机场特征的LID设施基础上，应用机场的实测资料、CAD图纸、GIS数据等构建了机场洪涝仿真模型，分析了不同LID设施的作用效果，设计了应用多种海绵设施和雨水管网共同作用的雨水循环模型。以源头削减、中途控制、末端调蓄3种途径为出发点设计海绵机场雨水的循环体系，构建一个能够集“渗、滞、蓄、净、用、排”于一体的海绵机场循环系统；在此基础上，以适合机场应用的典型LID设施——绿色屋顶和生物滞留设施为对象，利用3DsMax、草图大师等软件，构建了这2种LID设施的三维可视化模型，对绿色屋顶的构型、组成、层次结构及功能等进行直观的展示，同时也对生物滞留设施的雨水径流排放过程、组成及层次结构加以直观动态的展示。研究结果大大提高了海绵机场LID设施的可视化效果，为海绵机场构建及运行管理提供了支持。

2 雨水循环模型及可视化研究

2.1 雨水循环模型设计

本文在研究了机场运行、净空安全等要求的基础上，结合机场有关标准规范，以LID理念为核心，构建了海绵机场雨水循环模型。

飞行区和航站区是机场的核心区域，主要由内部建筑、道路、绿地、水体等共同组成。其中，航站区的大部分面积由内部建筑覆盖，结合此地块条件可采用下沉式绿地、绿色屋顶、生物滞留设施等控制径流总量，净化径流水质。飞行区则以跑道、绿地为主要覆盖，围绕跑道、滑行道周边设有大量绿地，具备良好的源头雨水径流控制条件；大量源头绿地可以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。

在此基础上，结合机场传统的排水系统布局，设置不同层级的海绵排水系统。其中，小海绵系统由绿色屋顶、雨水花园、下凹式绿地等各种LID设施组成，中尺度海绵系统主要指浅表排水、雨水的搜集、净化等。中尺度海绵系统包裹着小海绵系统，中小尺度海绵系统共同作用对雨水进行净蓄、二次利用等，当遇到低频率的特大暴雨灾害、中小尺度海绵系统无法承载时，中海绵管道系统发挥其作用，将超过系统承载的雨水进行引流排放，避免机场出现内涝的情况。不同层级的排水系统分工明确、紧密衔接、共同作用，以达到理想的雨水径流循环和利用效果。

本文所构建的海绵机场雨水循环模型模拟机场在经历降水后的雨水循环过程，图1为海绵机场雨水循环模型的流程示意图。本模型由多种海绵设施和雨水管网共同构成，包括雨水下渗、径流回收处理、污水分离净化再回收等。

图1 海绵机场雨水循环模型流程设计

2.2 可视化研究方法

本文利用GIS技术在数据采集方面的优势进行数据收集，通过研究现有机场在雨水排、滞等方面的不足提出优化措施，采用适合机场特征的LID设施进行布局。为更好地展示LID设施对雨水“渗、滞、蓄、净、用、排”的效果，以典型的LID设施为研究对象，采用3DsMax、草图大师等软件进行三维可视化建模，该三维可视化建模可直观展示LID设施对雨水径流的“渗、滞、蓄、净、用、排”过程，大大提高了LID设施的可视化效果。在该模型模拟的基础上，根据机场区域划分及功能要求，进行适合的LID设施的规划和布局，力求以源头削减、中途控制、末端调蓄3种途径为出发点设计海绵机场大、中、小为一体的雨水循环体系，构建下雨时能够集“渗、滞、蓄、净、用、排”于一体的雨水循环系统，建成在需水时能将储存的雨水释放并加以利用的可自由呼吸的海绵机场。本文通过以上技术方法和建模软件设计适合机场的LID设施，直观模拟LID设施的雨水循环过程，并进行可视化展示，从而实现雨水的循环利用，进而达到改善机场生态水文循环、提高机场极端暴雨天气下对洪涝灾害的抵抗能力的目的。

通过GIS水文分析及机场的CAD地形图，获取机场所处区域的水文数据。根据所获取的建模数据，将研究机场的CAD图导入GIS软件，获取机场管网、出水口、道路、排水设施的数据，在明确所获取的数据后，根据项目数据进行模型建立，设计雨水循环管网和雨水收集设施，并对所构建的设施赋值。通过3DsMax、草图大师等软件构建相应的雨水循环设施，利用SWMM等水文水力学模型进行模拟预测，采用历史数据对模型进行检验。检验通过后，根据建立的模型设计相应的Flash动画，进行结果展示。本文所构建的可视化模型可将信息进行充分整合，实现整个项目周期中的信息存储及快速查询。海绵机场雨水循环可视化设计流程，如图2所示。

图2 海绵机场雨水循环可视化设计流程

3 海绵机场LID设施三维可视化建模

构建三维可视化模型，必须搜集分析包括区域地理、LID设施改造对比、排水管道更新前后、机场建筑设施改扩建等诸多方面在内的基础数据。

3.1 可视化模型创建思路

以海绵机场的规划数据、地形数据、降雨数据为基础，根据机场用地功能、净空等特殊要求设计不同的LID设施。为了直观清晰地展示不同设施的雨水径流控制流程，为后期海绵机场整体布局规划提供更为准确、直观的展示，选择适合海绵机场建设的典型LID设施为例，采用草图大师、3DsMax软件对DWG文件进行建模。根据LID设施应用部位、周边建筑物和地形特点，采用不同等级的建模。海绵机场LID设施三维可视化模型构建需要对片区内地形地势、坡向、坡度等进行三维立体表达，对海绵设施在空间中的纵横交错、上下起伏分布进行三维描述，进而三维展示LID设施相关的降雨汇流过程。

三维可视化模型构建首先应针对应用场景和区域对象，制定统一的建模标准；其次，考虑到不同LID设施的建模需求与表现方式，为充分发挥不同三维建模软件的优势，采用针对性建模软件构建地形模型、管线模型、场景模型、海绵设施三维模型等相应要素模型；最后，利用草图大师对各种要素模型进行标准化与集成，形成完整的海绵机场LID设施三维立体可视化模型。

3.2 LID设施三维可视化建模

考虑机场在运行安全、净空、鸟击防范等方面的特殊要求，在进行海绵机场构建时，LID设施的选择与城市有很大不同，尤其是在飞行区内部，不允许有影响机场净空的高大植被、树木等存在，所以飞行区适合选择下凹式绿地等进行雨水的“渗、滞、蓄、净、用、排”；而在工作区要求则没那么严格，办公区屋顶可采用绿色屋顶进行雨水径流改善，道路周边可使用生物滞留设施、雨水花园之类的海绵措施。本文将以绿色屋顶、下凹式绿地及生物滞留设施为例进行LID设施的三维可视化模型构建。

绿色屋顶作为LID雨水循环基础设施重要组成部分，具有缓解热岛效应、减少建筑能耗、削减暴雨径流的特点。绿色屋顶以传统不透水屋顶为载体，以植物为配置主体，是一种新型绿化形式。本文设计的绿色屋顶铺装结构由上至下依次为植被层、基质层、过滤层、蓄排水层、保护层和结构层。绿色屋顶可实现对屋顶径流的控制及净化收集，依靠屋顶绿色植物的蒸腾作用缓解机场热岛效应。本文将绿色屋顶的设计建造与机场建筑规划、景观规划、给排水管网规划进行综合分析，与机场工作区建筑、周边水体及市政设施联合设计，提高机场雨水综合利用效率。图3为绿色屋顶雨水径流三维可视化模型。

图3 绿色屋顶三维可视化模型

作为LID海绵城市改造建设的有效措施之一，生物滞留设施将雨水收集处理后排放，能消除因排水设施不足而遇雨就涝、污水横流的顽疾，缓解雨水径流污染等引发的水环境问题。为此，在海绵机场构建时，在工作区可设置3个层级的生物滞留设施，周边地表径流汇集进入第一层级的卵石层，经过过滤后顺着地势流入下一层级，再经过石笼渗透挡板的渗透为湿地植物提供雨水，最后多余的雨水由排水管排放至市政排水系统。其雨水径流排放过程的三维可视化模型，如图4所示。

图4 生物滞留设施三维可视化模型

下凹式绿地是一种高程低于周围路面的公共绿地，亦称低势绿地。与“花坛”相反，其理念是利用开放空间承接和贮存雨水，减少径流外排。低势绿地对下凹深度有一定要求，而且其土质多未经改良。与植被浅沟的“线状”相比，其主要是“面”能够承接更多的雨水，而且其内部植物多以本土草本为主。机场飞行区有大量土面区域，根据飞行区设计规范，将土面区域加以改造，设计出适合机场要求的能集“渗、滞、蓄、净、用、排”于一体的下凹式绿地或植被浅沟，实现海绵机场LID的效果。

其雨水径流排放过程的三维可视化模型，如图5所示。

图5 下凹式绿地三维可视化模型

4 结论

本文基于我国现阶段对于海绵机场LID设施三维可视化模型研究较为匮乏，但LID海绵机场又迫切需要设计建设及研究的现状而提出。首先分析了海绵城市及机场雨水径流模拟及可视化模型开发的研究现状，在此基础上，针对机场在运行安全、净空、鸟击防范等方面的要求，按照机场飞行区设计规范，进行海绵机场雨水径流循环模型设计。为了更好展示海绵机场LID设施的雨水径流循环过程，本文以适合机场的绿色屋顶、生物滞留设施及下凹式绿地为研究对象，应用草图大师、3DsMax软件，根据LID设施应用部位、周边建筑物和地形特点，进行不同等级LID设施的三维可视化模型构建。本文研究结果可直观展示海绵机场LID设施的雨水径流循环过程，大大提高海绵机场LID设施的可视化水平，有利于提升海绵机场的设计和运行管理水平。下一步可将构建的海绵机场LID设施三维可视化模型进行整合和处理，构建完整的海绵机场三维模型，实现海绵机场建设的三维可视化动态模拟及展示。