鄭建春研究員

(北京市科學技術研究院 城市系統(tǒng)工程研究所，北京 100035)

0 引言

隨著城市極端降雨天氣頻率的增加，城市內(nèi)澇問題日趨凸顯，地鐵設施受內(nèi)澇的影響日趨嚴重。北京、鄭州、廣州、南京、深圳、武漢、上海等多個城市因暴雨引發(fā)嚴重內(nèi)澇后，城市部分地區(qū)出現(xiàn)積水導致地鐵車站被淹，給城市交通、居民生活帶來極大的風險與不便。極端降雨天氣引發(fā)城市內(nèi)澇的客觀原因主要是由于極端天氣帶來短時超強降雨，以及城市基礎設施防洪標準偏低難以抵抗非常規(guī)災害等，可以從事前風險防范角度分析，并采取相應措施降低災害影響[1-10]。

地鐵車輛基地出入段線是地鐵車輛基地和地鐵正線之間的連接線路，是軌道交通線路的重點防內(nèi)澇區(qū)域。建立一套全方位的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集系統(tǒng)，采用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)降雨、雨水排放等數(shù)據(jù)的監(jiān)測與采集，并通過數(shù)值模擬分析內(nèi)澇影響因素，可以為內(nèi)澇災害預防與風險防控提供技術支持。

按照交通運輸部公布的數(shù)據(jù)，截至2022年2月，北京市的地鐵運營線路27條，在內(nèi)地城市排名第一，運營里程783.0km，在內(nèi)地城市排名第二。北京地鐵也受到極端氣候的影響，2012年7月21日，北京遭遇極端暴雨，地鐵9號線郭公莊地鐵站有雨水進入，積水最深處約2.5m，導致當天晚上全部列車沒有回庫。分析北京地鐵車輛基地出入段線產(chǎn)生內(nèi)澇的原因主要[11-13]有：

(1)自身因素。地鐵車輛基地的選址受各種條件限制，一般處于較低洼地帶，周邊環(huán)境客水和車輛基地廠區(qū)內(nèi)的雨水可能會進入出入段線。

(2)周邊環(huán)境。地鐵車輛基地建設時，配套排水管線往往不能同步實施，雨水不能及時排走，造成雨水滯留，易出現(xiàn)車輛基地周邊雨水倒灌的情況。

(3)極端降雨。極端降雨天氣的出現(xiàn)，整個城市的排水系統(tǒng)都在超負荷運行，作為車輛基地內(nèi)的最低洼處，極易出現(xiàn)雨水內(nèi)澇災害。地鐵系統(tǒng)雖然有較為完善的防洪搶險預案，但是不足以應對近年來頻發(fā)的暴雨災害。

因此，針對北京地鐵開展內(nèi)澇災害應對的研究，具有一定的代表性。

1 研究區(qū)域概況

選取2個典型的北京地鐵車輛基地作為研究對象，對于車輛基地的確定主要從以下幾個方面考慮：

(1)選取車輛段及停車場各一座。地鐵車輛基地分為車輛段和停車場2種類型，停車場主要負責車輛停放及基本維護；車輛段除了具有停車場的功能，還可以進行一些較為復雜的維修、調(diào)試等。

(2)選取北京整體雨水排放的下游區(qū)域。位于這些區(qū)域的車輛基地更容易出現(xiàn)內(nèi)澇災害。

(3)車輛基地需配置洞口雨水泵站。由于北京地鐵車輛基地受選址條件的限制一般都位于低洼地帶。

(4)車輛基地開發(fā)程度不同。周邊開發(fā)情況會影響配套的道路、排水管線等的建設，同時周邊建筑的情況也會對下墊面類型有影響，比如建設程度較高，樓房、道路等硬化地面占比就會較高。

(5)周邊市政規(guī)劃建設時曾經(jīng)出現(xiàn)過內(nèi)澇問題。

(6)現(xiàn)場具備安裝監(jiān)測設備的場地。

通過對北京地鐵線網(wǎng)內(nèi)運營車站的篩選，確定9號線A車輛基地和5號線B車輛基地作為研究對象。

A車輛基地為停車場，位于西南城區(qū)，與周邊土地進行綜合一體化開發(fā)，受規(guī)劃條件標高限制，整個地塊內(nèi)的標高均略低于周邊現(xiàn)狀地面，部分區(qū)域有商業(yè)開發(fā)。基地內(nèi)部的雨水管網(wǎng)可以通過重力流接入市政排水管網(wǎng)，雨水泵站的總排水能力完全滿足地鐵設計規(guī)范和出入線U型槽的排雨水要求，但是在極端天氣情況下，曾出現(xiàn)市政管網(wǎng)及周邊地塊內(nèi)的雨水倒流入車輛基地內(nèi)，造成基地內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)澇，影響位于低處的出入線，進而影響線路正常運營的情況，需要采取多方面的措施和手段提高其防內(nèi)澇能力。

B車輛基地為車輛段，位于東南城區(qū)，為3條線路交匯，設有各線間聯(lián)絡線及停車場，其他線路可以通過聯(lián)絡線經(jīng)停車場到車輛廠進行大修。該車輛段的出入線根據(jù)設計規(guī)范要求，設置洞口排雨泵站及配套的雨水截留系統(tǒng)、出入線雨棚、洞口線路的人字坡，由于其整體地勢略高于周邊地塊，因此車輛段的停車場及其出入線洞口在運營過程中未出現(xiàn)雨水內(nèi)澇問題。B車輛基地泵站的三維示意圖(如圖1)，左側(cè)是泵站，地上是3臺水泵的控制系統(tǒng)，地下是集水坑；右側(cè)和地鐵軌道垂直的是3條橫截溝，地面積水沿著橫截溝進入集水坑，集水坑內(nèi)水位達到一定高度后，水泵啟動，把水從左側(cè)的2條管道排入市政排水管道。

注：1.泵站；2.水泵控制系統(tǒng)；3.集水坑；4.排水管；5.橫截溝圖1 B車輛基地泵站三維示意圖Fig.1 The 3d map of the pump station of the vehicle base B

2 內(nèi)澇數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集分析系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，結(jié)合出入線的場地條件，在不影響出入線正常運營、減少運營期改造、避免出現(xiàn)運營安全問題的前提下，研發(fā)車輛基地出入線內(nèi)澇數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集分析系統(tǒng)[14-16]，主要采集與處理氣象、積水、排水等實時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要包括3部分：

(1)現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集系統(tǒng)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)對地鐵車輛基地出入段線的內(nèi)澇災害相關數(shù)據(jù)(降雨、視頻、圖像、積水等)的自動在線監(jiān)測與采集。監(jiān)測與采集系統(tǒng)主要通過在洞口等重點位置安裝攝像頭，實時監(jiān)控積水情況，可以大致看出積水時間、范圍和深度等，視頻可以實時查看，也可以在后臺保存；攝像頭可以定時拍照，把圖像傳輸?shù)椒掌鳎豁椖渴桥R時性的研究，攝像頭采用蓄電池供電，為了省電，大部分時間是圖像采集，間隔幾分鐘拍攝一次照片。如果是市政電供電，就可以采取實時視頻監(jiān)控。

(2)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸終端設備為GPRS無線傳輸終端，通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心服務器。本研究為實驗性項目，數(shù)據(jù)的采集間隔時間及各個數(shù)據(jù)之間的對應關系十分重要，需充分考慮數(shù)據(jù)的采集頻率及數(shù)據(jù)遺漏、缺失等問題。

(3)數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)。實現(xiàn)前端采集信號的接入、存儲、分析、顯示，以及對整個系統(tǒng)的統(tǒng)一配置管理；對實時采集和報警數(shù)據(jù)進行分析處理，建立WEB信息發(fā)布系統(tǒng)，供專業(yè)用戶使用。

3 數(shù)據(jù)的采集與處理

3.1 基礎數(shù)據(jù)收集與處理

以地鐵車輛基地為研究對象，利用數(shù)值模擬仿真的方法，模擬內(nèi)澇積水排水過程，開展排水能力分析，需要大量的數(shù)據(jù)，為模型構建及數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支撐[17-22]。基礎數(shù)據(jù)的收集和處理主要包括：

(1)基礎空間地理數(shù)據(jù)。收集研究區(qū)域及周邊所在的排水分區(qū)高分辨率數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)、遙感影像等資料。需要將收集到的分幅電子地圖及大比例尺的局部地圖進行拼接、分層管理、統(tǒng)一空間坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)、檢查和修正數(shù)據(jù)拓撲關系的錯誤、屬性與空間位置的關聯(lián)等處理。下墊面的刻畫對模型的準確性起著重要作用，研究區(qū)域的下墊面類型關系到產(chǎn)流量大小、匯流時間和匯流路徑等數(shù)據(jù)?？梢跃C合利用監(jiān)督分類的自動解譯和人工修正方法，基于最新時相的高清遙感影像，對下墊面類型進行提取。

(2)排水設施數(shù)據(jù)。收集研究區(qū)域的排水設施資料，將這些數(shù)據(jù)處理成地下管網(wǎng)模型構建需要的格式，利用空間拓撲關系提取檢查井和雨水箅子。對收集到的管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行分析與校核，糾正明顯的拓撲錯誤，并補充測量缺失的排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)。

(3)水文及洪水資料。收集研究區(qū)內(nèi)流域河道、閘壩工程、阻水道路等涉水工程數(shù)據(jù)。對收集到的水文資料開展合理性分析，確定水文資料是否可用于頻率分析和模型計算；結(jié)合計算方案的設定，將收集到的歷史典型案例和設計水文資料處理為模型分析計算要求的數(shù)據(jù)格式，為開展模型分析計算做好準備。

(4)防洪規(guī)劃及調(diào)度資料。收集洪水調(diào)度方案、應急預案等文件。防洪相關設計參數(shù)和調(diào)度規(guī)則，主要作為計算邊界或模型控制參數(shù)；堤防等阻水設施，作為外部或內(nèi)部邊界，以模擬構筑物的阻水作用；水閘、泵站等按照其相關參數(shù)和調(diào)度規(guī)則，處理為模型中的防洪工程控制參數(shù)和規(guī)則。

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與處理

研究區(qū)域現(xiàn)場監(jiān)測與采集的數(shù)據(jù)主要包括：

(1)氣象數(shù)據(jù)。局部氣象信息監(jiān)測站能夠同時監(jiān)測研究區(qū)域多種類型的氣象數(shù)據(jù)，主要包括降雨量、風速、風向、氣溫、濕度等參數(shù)。

(2)地面積水。在研究區(qū)域設置多個積水監(jiān)測設備，實時監(jiān)測地表積水深度，設置地點宜選擇列車洞口廣場、風亭窗口等相對低洼位置，排水溝渠等不影響車輛基地正常工作的位置等。

(3)地鐵排水設施。在集水坑設置監(jiān)測點，主要監(jiān)測排水泵起停情況、集水坑水位深度、排水泵排水量等參數(shù)。

(4)市政排水管道。在研究區(qū)域設置市政排水管道水位監(jiān)測點，用于分析降雨強度、降雨時長與市政主管道水位深度等參數(shù)的關系。

(5)土壤含水量。采用縱向剖面監(jiān)測法布置傳感器，監(jiān)測綠化區(qū)域、透水材料覆蓋區(qū)域和硬化地段的土壤含水量，分析降雨過程中土壤的含水量微觀變化規(guī)律。

(6)高清視頻遠程監(jiān)控。在研究區(qū)域設置高清視頻監(jiān)控設備，可以選用無線視頻監(jiān)控技術，對地面積水情況進行影像資料采集。

4 模型構建與模擬分析

4.1 模擬流程

通過采集現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，結(jié)合本地暴雨強度、重現(xiàn)期等關鍵技術參數(shù)，構建多種場景研究區(qū)域排水能力。研究采用DHI Water & Environment & Health獨立開發(fā)的MIKE FLOOD進行模擬計算，它將一維模型MIKE URBAN或MIKE 11和二維模型MIKE 21整合，是一個動態(tài)耦合的模型系統(tǒng)，模型可以同時模擬排水管網(wǎng)、明渠、排水河道、各種水工構筑物以及二維坡面流，可用于流域洪水、城市洪水等的模擬研究。耦合技術可以有效發(fā)揮一維和二維模型各自具備的優(yōu)勢，取長補短，避免在單獨使用MIKE 11、MIKE URBAN或MIKE 21時所遇到的模型分辨率和模型準確率的限制問題，不僅能反應管網(wǎng)中水動力學情況，更能直觀地表現(xiàn)暴雨期間雨水在地面上的漫流，及暴雨結(jié)束后的退水情況。用MIKE URBAN軟件模型進行建模計算，該模型包括水文模型模塊和管網(wǎng)水動力模塊，其中水文模型模塊計算匯水子區(qū)域的徑流過程線，并作為邊界條件通過與子區(qū)域連接的節(jié)點載入到管網(wǎng)水動力模型中[23-24]。采用時間—面積模型作為降雨徑流模型，通過建立研究區(qū)域泵站MIKE URBAN模型并利用實測數(shù)據(jù)進行率定，可以對集水坑的排水情況進行準確模擬，并且耦合MIKE 21地表淹水模型后，可以模擬一些極端工況下地鐵車輛基地的積水情況。模擬流程如下：

(1)建立研究區(qū)域MIKE URBAN水文、水動力模型，以及MIKE 21地表淹水模型。

(2)根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括降雨、集水坑液位等)對模型進行率定。

(3)模擬設計場景下，地鐵泵站排水能力和地鐵車輛基地是否會發(fā)生內(nèi)澇。

(4)模擬在極端情況下，地鐵泵站排水能力和地鐵車輛基地是否會發(fā)生內(nèi)澇。

4.2 模型構建及率定

根據(jù)研究區(qū)域地形資料構建二維淹水模型，用于模擬地面積水漫流和退水過程；根據(jù)泵站數(shù)據(jù)資料和調(diào)度規(guī)則，在MIKE URBAN中準確反映泵站的動力學特征；將MIKE URBAN泵站模型與泵站二維地面淹水模型進行耦合，可以模擬泵站運行情況及泵站能力不足時地面積水情況。模型的率定對于建模的準確性、可靠性非常重要，只有通過率定模型參數(shù)，才能保障模擬結(jié)果的準確可靠。

根據(jù)匯水分區(qū)的劃分，A車輛基地的匯水面積為5 250m2，B車輛基地的匯水面積為420m2。以在研究區(qū)域安裝的數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集系統(tǒng)采集的2018年8月8日的降雨數(shù)據(jù)(如圖2)和集水坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對模型進行率定，率定后的參數(shù)(見表1)，率定結(jié)果，如圖3?？梢娔M結(jié)果與實測數(shù)據(jù)比較吻合，證明所建立的模型是可靠、準確的。

圖2 2018年8月8日降雨數(shù)據(jù)Fig.2 The rainfall data on August 8th， 2018

表1 率定后的模型參數(shù)Tab.1 Model parameters after calibration

4.3 模擬結(jié)果及分析

以重現(xiàn)期為50年的降雨來檢驗研究區(qū)域的排水情況，由于其降雨量和降雨強度遠超模型率定時所采用的2018年8月8日的降雨量和降雨強度，因此徑流系數(shù)應當選取較高的徑流系數(shù)，研究中選取0.95，其他參數(shù)與率定參數(shù)一致。集水坑水深模擬結(jié)果，如圖4。圖4可以看到水深一直低于警戒水位(即集水坑深度，A地鐵車輛基地為2.2m，B地鐵車輛基地為3.0m)，A、B地鐵車輛基地的雨水泵站可以抵御重現(xiàn)期為50年的降雨。

(a) A車輛基地

根據(jù)A地鐵車輛基地的具體情況，積水主要影響因素為擋水墻和泵站，因此，針對重現(xiàn)期為50年的降雨，設計3種模擬方案：

(a) A車輛基地

方案1：周圍擋水墻損壞，原匯水區(qū)外的客水進入本區(qū)域，匯水面積增加4 200m2。

方案2：泵站的水泵損壞1臺。

方案3：泵站的水泵損壞2臺。

集水坑水深模擬結(jié)果，如圖5。方案1和方案3的模擬結(jié)果顯示集水坑水深遠超警戒水位，周邊出現(xiàn)嚴重積水；方案2的模擬結(jié)果顯示集水坑水深一直低于警戒水位，周邊無積水。

根據(jù)B地鐵車輛基地的具體情況，積水主要影響因素為擋水墻、擋雨棚和泵站，因此，針對重現(xiàn)期為50年的降雨，設計7種模擬方案：

方案1：擋雨棚損壞1/2，匯水面積增加1 100m2。

方案2：擋雨棚完全損壞，匯水面積增加2 200m2。

方案3：擋水墻損壞，原匯水區(qū)外的客水進入本區(qū)域，匯水面積增加10 000m2。

方案4：泵站的水泵損壞2臺。

(a) 方案1

方案5：泵站的水泵損壞3臺。

方案6：擋雨棚和擋水墻損壞，原定匯水區(qū)外的客水進入本區(qū)域(方案2+方案3)。

方案7：擋雨棚和擋水墻損壞，原定匯水區(qū)外的徑流進入本區(qū)域，同時水泵損壞2臺(方案2+方案3+方案4)。

集水坑水深模擬結(jié)果，如圖6。方案5和方案7的模擬結(jié)果顯示集水坑水深遠超警戒水位，周邊出現(xiàn)嚴重積水；方案1、方案2、方案3、方案4和方案6的模擬結(jié)果顯示集水坑水深一直低于警戒水位，周邊無積水。

(a)方案1

以上模擬結(jié)果的分析可知，在泵站等設施正常運行情況下，A、B車輛基地可以抵御重現(xiàn)期為50年的強降雨。對于A車輛基地，擋水墻或水泵損壞2臺，將導致周邊嚴重積水；對于B車輛基地，3臺水泵全部損壞或多種因素的疊加，才會導致周邊嚴重積水。因此，B車輛基地相對于A車輛基地，抵抗強降雨導致的內(nèi)澇災害的能力更強。

5 建議措施

地鐵車輛基地出入段線內(nèi)澇防控工作是一項系統(tǒng)工程。通過對A、B 2個車輛基地的案例分析，從工程技術角度提出降低內(nèi)澇風險的主要措施如下：

(1)規(guī)劃選址設計。車輛基地的規(guī)劃選址設計中，盡量不要建在低洼地帶，結(jié)合周邊市政條件與土壤含水率、商業(yè)開發(fā)、設備設施狀態(tài)等情況，系統(tǒng)地識別風險；設計與市政排水能力和泵站設計流量相匹配的橫截溝，保證雨水能夠順暢及時地匯入集水坑。

(2)配套設施建設。周邊道路、配套市政管網(wǎng)與地鐵車輛基地同步規(guī)劃、同步設計、同步建設與運營，并適當提高防洪建設標準，提升城市整體防洪能力，降低車輛基地排水壓力。并建議在車輛基地圍墻、咽喉區(qū)、出入段線等附近的多處局部低點設置應急排水集水坑，為應急搶險泵組實現(xiàn)功能預留好工程條件。

(3)完善自身能力。對于先天條件不足的車輛基地，在建設階段就要做好防內(nèi)澇措施，提高自身的排雨能力，增強防內(nèi)澇的韌性；從自身配套的設備設施入手，在合適位置建設擋雨棚和擋水墻，選擇適當線路坡度等，減少周邊客水的匯入；結(jié)合國家海綿城市戰(zhàn)略，利用小區(qū)域范圍內(nèi)的雨水調(diào)蓄及利用技術，在車輛基地廠區(qū)及周邊建設雨水調(diào)蓄和利用設施，減少徑流形成，建設海綿車輛基地。

(4)監(jiān)測控制技術。在車輛基地重點區(qū)域建設全方位的實時監(jiān)測系統(tǒng)，對匯水區(qū)相關數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)采集和設備運行狀態(tài)趨勢分析，進行隱性故障的智能診斷、可視化動態(tài)預警和韌性評估，實現(xiàn)風險防控和應急管理關口前移。

6 結(jié)論

研究通過對2個北京地鐵車輛基地不同場景下降雨積水過程的模擬，分析積水的主要影響因素。主要結(jié)論如下：

(1)在地鐵出入線洞口等重點位置安裝內(nèi)澇災害數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集分析系統(tǒng)，可以及時發(fā)現(xiàn)內(nèi)澇積水并提前預警，并建議應急響應人員采取針對性的應急響應措施。

(2)在洞口安裝擋雨棚，可以大幅減少雨水泵站的匯水面積，減少進入集水坑的徑流，降低運行壓力和積水風險。這是地鐵運營單位的主流方案，但工程造價相對較高。

(3)在車輛基地圍墻和內(nèi)部不同分區(qū)建設一定高度的擋水墻，或預留防水擋板安裝條件在雨季快速安裝防水擋板，可以有效阻擋外來客水的進入，延長外來客水進入車輛基地的時間。

(4)根據(jù)車輛基地的具體情況，考慮工程建設、運行維護等成本投入，通過精確計算，可以實現(xiàn)雨水泵站、擋雨棚和擋水墻等多種條件的最優(yōu)組合，以較低的成本，有效降低車輛基地內(nèi)澇和積水風險。

(5)在車輛基地周邊及廠區(qū)內(nèi)加強雨水控制和綜合利用措施，如通過建設雨水調(diào)蓄池及回用設施、透水鋪裝、下凹式綠地等技術方案，減少徑流形成和進入泵站的徑流量，可以大大降低整個車輛基地的積水風險。