武漢地鐵黃浦路站防洪澇水位 及預警研究

謝橋軍 羅偉 歐陽院平 周丹 李肖男

摘 要：國內城市地鐵防洪已成為軌道交通發展過程中亟待解決的問題，其中防洪澇水位及預警是城市地鐵防洪的重點。文章以武漢地鐵黃浦路站為研究對象，通過建立暴雨仿真模型，計算得出地鐵車站出入口的洪澇積水深度及降雨量閾值，提出基于降雨區間預報的防洪預警方法，針對預警級別提出相應的防洪措施;計算得出黃浦路站 3 個出入口的洪澇積水水深和降雨量閾值，以及三級預警級別。

關鍵詞：地鐵;城市洪澇;暴雨仿真;洪澇水位;防洪預警

中圖分類號：TV877

0 引言

地鐵建設高速發展的同時，地鐵洪澇安全隱患[1-9]也與之并存，地鐵站一旦受淹，經濟損失和社會影響無可估量。目前，國內尚無適用于各城市的統一地鐵防洪澇設計標準，工程設計、建設部門經驗不足，對地鐵防洪澇設計缺乏前瞻性，導致國內多個地鐵在建設后被淹。

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，但缺乏對于地鐵出入口洪水入侵情況的相關研究;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期地鐵車站各個出站口處的水深及地表徑流等情況，但模擬計算過程繁瑣復雜，計算所需參數多而且獲取較難，對于防洪預警研究較少;盧麗[12]對北京清水河流域極端降雨條件下的洪澇進行分析研究，建立降雨和洪水相互關聯的預警指標體系，制定與洪澇風險相適應的響應行動，給城市地鐵防洪預警及響應行動提供了參考;張麗佳[13]通過模擬分析，指出地鐵車站出入口內澇積水預警深度主要由地鐵站出入口臺階高度決定;程曉陶等[14]對國內外防汛預警指標與等級劃分進行比較分析，通過設定若干閾值對危險等級進行劃分。

本文基于城市暴雨仿真數值模擬計算，對武漢地鐵黃浦路站進行防洪澇水位及預警研究，模擬地鐵車站附近的積水深度變化，計算得出地鐵車站各出入口處的防洪澇水位，建立防洪預警制度，根據預警級別制定相應的防洪措施，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號線黃浦路站位于武漢市江岸區盧溝橋路下方，北向橫貫解放大道并伸入解放公園內，南接京漢大道，呈南北走向。車站為地下二層側式站臺車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，在站廳層上部局部設置夾層作為過街通道。車站主體結構型式為整體式鋼筋混凝土二層多跨矩形框架結構，主體圍護結構采用地連墻+內支撐支護體系，明挖法施工。車站有出入口6個，消防疏散口4個，內部與1號線地鐵車站進行連接換乘（圖1）。

2 防洪澇設計參數選取

2.1 防洪澇設計洪水頻率

依據GB50157-2013《地鐵設計規范》[15]，地鐵設計使用年限不應低于100年。對于站場設計，規范中要求站場線路路肩高程應根據基地附近內澇水位和周邊道路高程設計，沿海或江河附近地區車輛基地的車場線路路肩設計高程不應小于1/100洪水頻率標準的潮水位、波浪爬高值和安全高之和。因此，本次仿真模擬計算中，地鐵車站防洪澇設計洪水頻率采用100年一遇。

2.2 降雨強度

本文重點針對短時間暴雨條件下的城市區域匯水進行數值模擬，因此首先確定降雨強度。武漢市國土資源和規劃局、武漢市水務局和湖北省武漢市質量技術監督局2013年聯合發布的《武漢市排水防澇系統規劃設計標準（報審稿）》中，對武漢市24 h暴雨的暴雨強度進行了規定，見表1。《武漢市排水防澇系統規劃設計標準（報審稿）》對武漢市24h暴雨的逐時雨量進行了分配，見表2。

由表1、表2可知，最大1h雨量占比38.9%，按重現期100年一遇計算，相應雨量為133mm;最大3h雨量占比58.04%，按重現期100年一遇計算，則相應雨量為200mm。總體而言，城市內澇主要是由于短歷時的暴雨造成的。因此，本文重點針對短時間暴雨條件下的城市區域匯水進行數值模擬，綜合模擬分析200mm/h、100mm/h 2種降雨強度下地鐵出入口和風亭出地面處洪澇積水深度，再依據現有地形計算得出防洪澇水位。

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力學模型對武漢地鐵8號線黃浦路站進行模擬分析，模型研究區域為400m（X向，永清街-盧溝橋路方向）×400m（Y向，解放大道方向），采用三角形網格進行區域剖分，網格尺寸5 m，局部區域1 m，網格總數8058個，研究區域內的邊界線主要包括建筑物和道路。模型中對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置為自由流動的開邊界。仿真模型及研究區域見圖2。

3.2 防洪澇水位的確定

對于地鐵的防洪澇水位設計，目前國內尚無統一的規范和標準。雖然在設計論證階段也同步開展防洪安全評估，但往往僅從水利角度分析，未能結合地鐵設計實際要求，指導意義較差[16-17]。

表1對武漢市24h暴雨的暴雨強度進行了規定，重現期為100年時，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，再根據暴雨仿真模型計算得到此降雨量時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。

在暴雨仿真模型計算中，計算得到地鐵車站3個出入口在200 mm/h、100 mm/h降雨強度下達到344 mm累積降雨量時的積水深度，見表3。

基于保守考慮，選取200 mm/h降雨強度下的積水深度為設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個出入口都已建成，出入口1修建的臺階高度0.45 mm，小于防洪澇水深0.56 m，后期在發生大暴雨時，可以考慮采用防淹擋板防洪;出入口2實際修建的臺階高度0.45 m，遠大于防洪澇水深0.07 m，可以待優化;出入口3修建的臺階高度0.75 m，略小于防洪澇水深0.78 m，后期在發生大暴雨時，可以考慮采用防淹擋板防洪。

綜上所述，實際工程在后續設計時可依據暴雨仿真模型，計算得出地鐵車站各個出入口、消防專用出入口和無障礙電梯所在位置的防洪澇水位，從而確定臺階高度，實現經濟性和適用性。

4 防洪預警研究

在降雨防洪預警的實施應用中，需要解決和研究的關鍵問題是怎樣確定城市地鐵車站影響范圍內的臨界降雨量（降雨量閾值）。目前國內外對于此臨界值無通用的標準體系，大都因地制宜，參照當地具體情況確定，具有很強的地域差異性特征。

防洪預警閾值是一個相對較為模糊的概念，類似于地質災害等級的劃分[18]、降雨量等級的劃分[19]。由于洪澇災害的發生是由于連續降雨而導致的[20]，因此，本文對防洪預警閾值進行分級，并設置相應的預警級別。

4.1 防洪預警閾值

對于防洪預警閾值[21]的確定，首先根據武漢歷史資料確定城市發生內澇的積水水深分級，再通過暴雨仿真模型計算城市地鐵車站達到相應積水深度時的累積降雨量，并以此作為防洪預警閾值。

在《武漢市排水防澇系統規劃設計標準（報審稿）》中，城市積水程度分級分為輕微積水、輕微內澇和嚴重內澇3個等級，見表4。

基于暴雨仿真模型的計算結果，以及城市積水程度分級標準，分別統計車站附近研究區域達到對應積水深度時的累積降雨閾值，以此降雨閾值將預警級別分成3 級，按照傳統氣象、水文等預警的模式，預警級別從低到高增加，顏色從黃色、橙色、紅色逐漸加深。

根據暴雨仿真計算結果，在黃浦路站出入口首次達到0.15 m積水水深情況下，與200 mm/h、100 mm/h 2種降雨強度對應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到0.4 m積水水深情況下，與200 mm/h、100 mm/h

2 種降雨強度對應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。具體分級見表5。

4.2 基于降雨預報信息的防洪預報預警

本文結合防洪預警閾值及相應的預警級別，提出采取降雨區間預報的防洪預警方法及預警機制，如圖3所示。在已發生的實測累積降雨量的基礎上，依據降雨區間預報的數據，可以得出不同預見時間上的動態值，最后參考黃浦路站附近前期的不同情況，動態調整預警域。此預警域從區間下限值開始，若預警域的下限值超過了防洪預警閾值，就需發布防洪預警;若預警域的上限值沒有超過防洪預警閾值，就不需發布防洪預警。但是，實際上降雨防洪預警閾值更多可能是落在預警域內，在這種情況下，可以采用預警分級，先依據區間下限值定出低級的預警等級，再依次根據實時動態及預報信息不斷調整，同時依據不同的預警等級設置相應的預警響應及應對措施。采用降雨區間預報的防洪預警，區間上下限值已能夠達到實際降雨量的量級，其達到的精度相比單一降雨預報值更高，預警效果更好，在實際的城市地鐵防洪預警中，可為防洪預警決策提供借鑒。

4.3 基于預警級別的防洪措施

本文針對黃浦路站防洪預警閾值將預警級別分成了3級，當車站發布洪澇預警后，按程序應立即啟動防洪澇應急響應，采取有效措施應對洪澇險情。隨著預警級別升級，面對的洪澇風險與危害程度增加，采取的措施也隨之升級。針對已建立的3級防洪預警，相應地制定Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ由低到高的3級防洪應急措施。

（1）對于Ⅲ級黃色預警，須“加強巡查”。該級別為降雨量等級中雨到大雨，積水深度較小，需加強預報和巡視。做好地下站排水系統的檢查，保障排水溝的暢通，集水坑無淤泥雜物，同時保障其擁有足夠的容量;做好各類排水設備的維護及檢查工作，排查排水系統供電電源的備用及使用狀況，確保整個排水系統能夠正常使用，時刻做好準備。

（2）對于Ⅱ級橙色預警，須“及時疏排”。該級別為降雨量暴雨到大暴雨，輕微內澇，需做好雨水的疏排，遇有洪澇點，及時排除。做好出地面建筑結構的排水及隔水的相關工作，具體包括地鐵車站的出地面電梯、風亭的風井及車站出入口等，及時對雨水進行疏排;提高車站出入口的擋水高度，防止積水倒灌進入車站;對于已經流入或滲入的降雨則及時處理，疏排到排水溝、集水坑，同時啟動排水設施將車站內部的積水排到市政排水管網。

（3）對于Ⅰ級紅色預警，務必“協同配合”。該級別為特大暴雨，嚴重內澇，需服從地鐵車站防洪澇指揮部統一指揮。特大暴雨降臨時，需關注其發展態勢，及時發出警報。發生嚴重內澇時，地面積水可能通過各種滲漏點倒灌入地鐵車站，此時需重點做好地鐵車站內部人員疏散，同時通過電子留言板、移動揚聲器、公建廣播公告或媒體發出通告。

5 結論及建議

（1）采用暴雨仿真模型計算得出黃浦路站3個出入口所在位置的防洪澇水位，2個出入口的臺階高度小于防洪澇積水深度，應建議設置適當的防淹措施;1個出入口實際臺階高度大于防洪澇水位，可待優化;在后續設計時，可依據暴雨仿真模型計算得出地鐵車站各個出入口、風亭風井等所在位置的防洪澇水位，從而確定臺階高度，實現經濟性和適用性。

（2）根據武漢城市積水程度分級標準，計算得出防洪預警閾值，以此建立的黃、橙、紅3級預警級別可為城市地鐵車站防洪預警機制的建立提供參考。

（3）基于降雨預報提出的降雨區間預報的防洪預警可為防洪預警決策提供借鑒。

（4）基于不同預警級別制定的防洪措施及應急響應預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