武漢地鐵黃浦路站防洪澇水位 及預(yù)警研究

謝橋軍 羅偉 歐陽(yáng)院平 周丹 李肖男

摘 要：國(guó)內(nèi)城市地鐵防洪已成為軌道交通發(fā)展過程中亟待解決的問題，其中防洪澇水位及預(yù)警是城市地鐵防洪的重點(diǎn)。文章以武漢地鐵黃浦路站為研究對(duì)象，通過建立暴雨仿真模型，計(jì)算得出地鐵車站出入口的洪澇積水深度及降雨量閾值，提出基于降雨區(qū)間預(yù)報(bào)的防洪預(yù)警方法，針對(duì)預(yù)警級(jí)別提出相應(yīng)的防洪措施;計(jì)算得出黃浦路站 3 個(gè)出入口的洪澇積水水深和降雨量閾值，以及三級(jí)預(yù)警級(jí)別。

關(guān)鍵詞：地鐵;城市洪澇;暴雨仿真;洪澇水位;防洪預(yù)警

中圖分類號(hào)：TV877

0 引言

地鐵建設(shè)高速發(fā)展的同時(shí)，地鐵洪澇安全隱患[1-9]也與之并存，地鐵站一旦受淹，經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響無(wú)可估量。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)適用于各城市的統(tǒng)一地鐵防洪澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程設(shè)計(jì)、建設(shè)部門經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)地鐵防洪澇設(shè)計(jì)缺乏前瞻性，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)多個(gè)地鐵在建設(shè)后被淹。

申若竹[10]以天津的某地鐵換乘車站為原型建立了地下空間縮尺物理模型，模擬洪水入侵車站的積水水深變化，但缺乏對(duì)于地鐵出入口洪水入侵情況的相關(guān)研究;方正等[11]利用城市綜合流域排水模型（ICM），分析在不同的降雨重現(xiàn)期地鐵車站各個(gè)出站口處的水深及地表徑流等情況，但模擬計(jì)算過程繁瑣復(fù)雜，計(jì)算所需參數(shù)多而且獲取較難，對(duì)于防洪預(yù)警研究較少;盧麗[12]對(duì)北京清水河流域極端降雨條件下的洪澇進(jìn)行分析研究，建立降雨和洪水相互關(guān)聯(lián)的預(yù)警指標(biāo)體系，制定與洪澇風(fēng)險(xiǎn)相適應(yīng)的響應(yīng)行動(dòng)，給城市地鐵防洪預(yù)警及響應(yīng)行動(dòng)提供了參考;張麗佳[13]通過模擬分析，指出地鐵車站出入口內(nèi)澇積水預(yù)警深度主要由地鐵站出入口臺(tái)階高度決定;程曉陶等[14]對(duì)國(guó)內(nèi)外防汛預(yù)警指標(biāo)與等級(jí)劃分進(jìn)行比較分析，通過設(shè)定若干閾值對(duì)危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分。

本文基于城市暴雨仿真數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)武漢地鐵黃浦路站進(jìn)行防洪澇水位及預(yù)警研究，模擬地鐵車站附近的積水深度變化，計(jì)算得出地鐵車站各出入口處的防洪澇水位，建立防洪預(yù)警制度，根據(jù)預(yù)警級(jí)別制定相應(yīng)的防洪措施，為城市地鐵防洪安全提供借鑒。

1 黃浦路站概況

武漢地鐵8號(hào)線黃浦路站位于武漢市江岸區(qū)盧溝橋路下方，北向橫貫解放大道并伸入解放公園內(nèi)，南接京漢大道，呈南北走向。車站為地下二層側(cè)式站臺(tái)車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層，在站廳層上部局部設(shè)置夾層作為過街通道。車站主體結(jié)構(gòu)型式為整體式鋼筋混凝土二層多跨矩形框架結(jié)構(gòu)，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻+內(nèi)支撐支護(hù)體系，明挖法施工。車站有出入口6個(gè)，消防疏散口4個(gè)，內(nèi)部與1號(hào)線地鐵車站進(jìn)行連接換乘（圖1）。

2 防洪澇設(shè)計(jì)參數(shù)選取

2.1 防洪澇設(shè)計(jì)洪水頻率

依據(jù)GB50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]，地鐵設(shè)計(jì)使用年限不應(yīng)低于100年。對(duì)于站場(chǎng)設(shè)計(jì)，規(guī)范中要求站場(chǎng)線路路肩高程應(yīng)根據(jù)基地附近內(nèi)澇水位和周邊道路高程設(shè)計(jì)，沿海或江河附近地區(qū)車輛基地的車場(chǎng)線路路肩設(shè)計(jì)高程不應(yīng)小于1/100洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)的潮水位、波浪爬高值和安全高之和。因此，本次仿真模擬計(jì)算中，地鐵車站防洪澇設(shè)計(jì)洪水頻率采用100年一遇。

2.2 降雨強(qiáng)度

本文重點(diǎn)針對(duì)短時(shí)間暴雨條件下的城市區(qū)域匯水進(jìn)行數(shù)值模擬，因此首先確定降雨強(qiáng)度。武漢市國(guó)土資源和規(guī)劃局、武漢市水務(wù)局和湖北省武漢市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局2013年聯(lián)合發(fā)布的《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（報(bào)審稿）》中，對(duì)武漢市24 h暴雨的暴雨強(qiáng)度進(jìn)行了規(guī)定，見表1。《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（報(bào)審稿）》對(duì)武漢市24h暴雨的逐時(shí)雨量進(jìn)行了分配，見表2。

由表1、表2可知，最大1h雨量占比38.9%，按重現(xiàn)期100年一遇計(jì)算，相應(yīng)雨量為133mm;最大3h雨量占比58.04%，按重現(xiàn)期100年一遇計(jì)算，則相應(yīng)雨量為200mm。總體而言，城市內(nèi)澇主要是由于短歷時(shí)的暴雨造成的。因此，本文重點(diǎn)針對(duì)短時(shí)間暴雨條件下的城市區(qū)域匯水進(jìn)行數(shù)值模擬，綜合模擬分析200mm/h、100mm/h 2種降雨強(qiáng)度下地鐵出入口和風(fēng)亭出地面處洪澇積水深度，再依據(jù)現(xiàn)有地形計(jì)算得出防洪澇水位。

3 防洪澇水位研究

3.1 暴雨仿真模型

本文建立平面二維水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)武漢地鐵8號(hào)線黃浦路站進(jìn)行模擬分析，模型研究區(qū)域?yàn)?00m（X向，永清街-盧溝橋路方向）×400m（Y向，解放大道方向），采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域剖分，網(wǎng)格尺寸5 m，局部區(qū)域1 m，網(wǎng)格總數(shù)8058個(gè)，研究區(qū)域內(nèi)的邊界線主要包括建筑物和道路。模型中對(duì)于建筑物的處理方式采用固壁邊界法，將邊界上的道路段設(shè)置為自由流動(dòng)的開邊界。仿真模型及研究區(qū)域見圖2。

3.2 防洪澇水位的確定

對(duì)于地鐵的防洪澇水位設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。雖然在設(shè)計(jì)論證階段也同步開展防洪安全評(píng)估，但往往僅從水利角度分析，未能結(jié)合地鐵設(shè)計(jì)實(shí)際要求，指導(dǎo)意義較差[16-17]。

表1對(duì)武漢市24h暴雨的暴雨強(qiáng)度進(jìn)行了規(guī)定，重現(xiàn)期為100年時(shí)，降雨量為344 mm，以此降雨量作為累積降雨臨界值。綜合考慮排水條件，再根據(jù)暴雨仿真模型計(jì)算得到此降雨量時(shí)的地鐵車站出入口或其他出地面建筑附近的積水深度，將得出的積水深度加上現(xiàn)有地面高程之和作為各類出地面建筑的防洪澇水位。

在暴雨仿真模型計(jì)算中，計(jì)算得到地鐵車站3個(gè)出入口在200 mm/h、100 mm/h降雨強(qiáng)度下達(dá)到344 mm累積降雨量時(shí)的積水深度，見表3。

基于保守考慮，選取200 mm/h降雨強(qiáng)度下的積水深度為設(shè)防最高洪澇積水深度，故出入口1的洪澇積水深度為0.56 m，出入口2的洪澇積水深度為0.07 m，出入口3的洪澇積水深度為0.78 m。

目前，黃浦路站的3個(gè)出入口都已建成，出入口1修建的臺(tái)階高度0.45 mm，小于防洪澇水深0.56 m，后期在發(fā)生大暴雨時(shí)，可以考慮采用防淹擋板防洪;出入口2實(shí)際修建的臺(tái)階高度0.45 m，遠(yuǎn)大于防洪澇水深0.07 m，可以待優(yōu)化;出入口3修建的臺(tái)階高度0.75 m，略小于防洪澇水深0.78 m，后期在發(fā)生大暴雨時(shí)，可以考慮采用防淹擋板防洪。

綜上所述，實(shí)際工程在后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)可依據(jù)暴雨仿真模型，計(jì)算得出地鐵車站各個(gè)出入口、消防專用出入口和無(wú)障礙電梯所在位置的防洪澇水位，從而確定臺(tái)階高度，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和適用性。

4 防洪預(yù)警研究

在降雨防洪預(yù)警的實(shí)施應(yīng)用中，需要解決和研究的關(guān)鍵問題是怎樣確定城市地鐵車站影響范圍內(nèi)的臨界降雨量（降雨量閾值）。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于此臨界值無(wú)通用的標(biāo)準(zhǔn)體系，大都因地制宜，參照當(dāng)?shù)鼐唧w情況確定，具有很強(qiáng)的地域差異性特征。

防洪預(yù)警閾值是一個(gè)相對(duì)較為模糊的概念，類似于地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)的劃分[18]、降雨量等級(jí)的劃分[19]。由于洪澇災(zāi)害的發(fā)生是由于連續(xù)降雨而導(dǎo)致的[20]，因此，本文對(duì)防洪預(yù)警閾值進(jìn)行分級(jí)，并設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警級(jí)別。

4.1 防洪預(yù)警閾值

對(duì)于防洪預(yù)警閾值[21]的確定，首先根據(jù)武漢歷史資料確定城市發(fā)生內(nèi)澇的積水水深分級(jí)，再通過暴雨仿真模型計(jì)算城市地鐵車站達(dá)到相應(yīng)積水深度時(shí)的累積降雨量，并以此作為防洪預(yù)警閾值。

在《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（報(bào)審稿）》中，城市積水程度分級(jí)分為輕微積水、輕微內(nèi)澇和嚴(yán)重內(nèi)澇3個(gè)等級(jí)，見表4。

基于暴雨仿真模型的計(jì)算結(jié)果，以及城市積水程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計(jì)車站附近研究區(qū)域達(dá)到對(duì)應(yīng)積水深度時(shí)的累積降雨閾值，以此降雨閾值將預(yù)警級(jí)別分成3 級(jí)，按照傳統(tǒng)氣象、水文等預(yù)警的模式，預(yù)警級(jí)別從低到高增加，顏色從黃色、橙色、紅色逐漸加深。

根據(jù)暴雨仿真計(jì)算結(jié)果，在黃浦路站出入口首次達(dá)到0.15 m積水水深情況下，與200 mm/h、100 mm/h 2種降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的累積降雨量閾值分別為83 mm、75mm，保守考慮，降雨量閾值取75 mm;在黃浦路站出入口首次達(dá)到0.4 m積水水深情況下，與200 mm/h、100 mm/h

2 種降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的累積降雨量閾值分別為150 mm、135 mm，保守考慮，降雨量閾值取135 mm。具體分級(jí)見表5。

4.2 基于降雨預(yù)報(bào)信息的防洪預(yù)報(bào)預(yù)警

本文結(jié)合防洪預(yù)警閾值及相應(yīng)的預(yù)警級(jí)別，提出采取降雨區(qū)間預(yù)報(bào)的防洪預(yù)警方法及預(yù)警機(jī)制，如圖3所示。在已發(fā)生的實(shí)測(cè)累積降雨量的基礎(chǔ)上，依據(jù)降雨區(qū)間預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)，可以得出不同預(yù)見時(shí)間上的動(dòng)態(tài)值，最后參考黃浦路站附近前期的不同情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)警域。此預(yù)警域從區(qū)間下限值開始，若預(yù)警域的下限值超過了防洪預(yù)警閾值，就需發(fā)布防洪預(yù)警;若預(yù)警域的上限值沒有超過防洪預(yù)警閾值，就不需發(fā)布防洪預(yù)警。但是，實(shí)際上降雨防洪預(yù)警閾值更多可能是落在預(yù)警域內(nèi)，在這種情況下，可以采用預(yù)警分級(jí)，先依據(jù)區(qū)間下限值定出低級(jí)的預(yù)警等級(jí)，再依次根據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)及預(yù)報(bào)信息不斷調(diào)整，同時(shí)依據(jù)不同的預(yù)警等級(jí)設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警響應(yīng)及應(yīng)對(duì)措施。采用降雨區(qū)間預(yù)報(bào)的防洪預(yù)警，區(qū)間上下限值已能夠達(dá)到實(shí)際降雨量的量級(jí)，其達(dá)到的精度相比單一降雨預(yù)報(bào)值更高，預(yù)警效果更好，在實(shí)際的城市地鐵防洪預(yù)警中，可為防洪預(yù)警決策提供借鑒。

4.3 基于預(yù)警級(jí)別的防洪措施

本文針對(duì)黃浦路站防洪預(yù)警閾值將預(yù)警級(jí)別分成了3級(jí)，當(dāng)車站發(fā)布洪澇預(yù)警后，按程序應(yīng)立即啟動(dòng)防洪澇應(yīng)急響應(yīng)，采取有效措施應(yīng)對(duì)洪澇險(xiǎn)情。隨著預(yù)警級(jí)別升級(jí)，面對(duì)的洪澇風(fēng)險(xiǎn)與危害程度增加，采取的措施也隨之升級(jí)。針對(duì)已建立的3級(jí)防洪預(yù)警，相應(yīng)地制定Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ由低到高的3級(jí)防洪應(yīng)急措施。

（1）對(duì)于Ⅲ級(jí)黃色預(yù)警，須“加強(qiáng)巡查”。該級(jí)別為降雨量等級(jí)中雨到大雨，積水深度較小，需加強(qiáng)預(yù)報(bào)和巡視。做好地下站排水系統(tǒng)的檢查，保障排水溝的暢通，集水坑無(wú)淤泥雜物，同時(shí)保障其擁有足夠的容量;做好各類排水設(shè)備的維護(hù)及檢查工作，排查排水系統(tǒng)供電電源的備用及使用狀況，確保整個(gè)排水系統(tǒng)能夠正常使用，時(shí)刻做好準(zhǔn)備。

（2）對(duì)于Ⅱ級(jí)橙色預(yù)警，須“及時(shí)疏排”。該級(jí)別為降雨量暴雨到大暴雨，輕微內(nèi)澇，需做好雨水的疏排，遇有洪澇點(diǎn)，及時(shí)排除。做好出地面建筑結(jié)構(gòu)的排水及隔水的相關(guān)工作，具體包括地鐵車站的出地面電梯、風(fēng)亭的風(fēng)井及車站出入口等，及時(shí)對(duì)雨水進(jìn)行疏排;提高車站出入口的擋水高度，防止積水倒灌進(jìn)入車站;對(duì)于已經(jīng)流入或滲入的降雨則及時(shí)處理，疏排到排水溝、集水坑，同時(shí)啟動(dòng)排水設(shè)施將車站內(nèi)部的積水排到市政排水管網(wǎng)。

（3）對(duì)于Ⅰ級(jí)紅色預(yù)警，務(wù)必“協(xié)同配合”。該級(jí)別為特大暴雨，嚴(yán)重內(nèi)澇，需服從地鐵車站防洪澇指揮部統(tǒng)一指揮。特大暴雨降臨時(shí)，需關(guān)注其發(fā)展態(tài)勢(shì)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)。發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇時(shí)，地面積水可能通過各種滲漏點(diǎn)倒灌入地鐵車站，此時(shí)需重點(diǎn)做好地鐵車站內(nèi)部人員疏散，同時(shí)通過電子留言板、移動(dòng)揚(yáng)聲器、公建廣播公告或媒體發(fā)出通告。

5 結(jié)論及建議

（1）采用暴雨仿真模型計(jì)算得出黃浦路站3個(gè)出入口所在位置的防洪澇水位，2個(gè)出入口的臺(tái)階高度小于防洪澇積水深度，應(yīng)建議設(shè)置適當(dāng)?shù)姆姥痛胧?1個(gè)出入口實(shí)際臺(tái)階高度大于防洪澇水位，可待優(yōu)化;在后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)，可依據(jù)暴雨仿真模型計(jì)算得出地鐵車站各個(gè)出入口、風(fēng)亭風(fēng)井等所在位置的防洪澇水位，從而確定臺(tái)階高度，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和適用性。

（2）根據(jù)武漢城市積水程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得出防洪預(yù)警閾值，以此建立的黃、橙、紅3級(jí)預(yù)警級(jí)別可為城市地鐵車站防洪預(yù)警機(jī)制的建立提供參考。

（3）基于降雨預(yù)報(bào)提出的降雨區(qū)間預(yù)報(bào)的防洪預(yù)警可為防洪預(yù)警決策提供借鑒。

（4）基于不同預(yù)警級(jí)別制定的防洪措施及應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案可為其他城市防洪提供借鑒。

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收稿日期 2019-08-14

責(zé)任編輯 朱開明

Study on flood prevention water level and early warning of Huangpu Road Station of Wuhan metro

Xie Qiaojun， Luo Wei， Ouyang Yuanping， et al.

Abstract： The flood control of urban subway in China has become a pressing problem in the development of rail transit， among which the flood control water level and early warning of urban subway are the vital points. In this paper， Huangpu Road Station of Wuhan metro is taken as the study case. Through the establishment of rainstorm simulation model， the depth of flood and waterlogging at the entrance and exit of the subway station and the threshold value of rainfall are calculated， this paper proposes a flood control early warning method based on rainfall sectional forecast， and puts forward the corresponding flood control measures according to the early warning level， calculates the depth of flood and waterlogging and the threshold value of rainfall at the three entrances and exits of Huangpu Road station， as well as the three thresholds of the warning levels.

Keywords： subway， urban flood， rainstorm simulation， flood control warning