武汉地铁黄浦路站防洪涝水位 及预警研究

谢桥军 罗伟 欧阳院平 周丹 李肖男

摘 要：国内城市地铁防洪已成为轨道交通发展过程中亟待解决的问题，其中防洪涝水位及预警是城市地铁防洪的重点。文章以武汉地铁黄浦路站为研究对象，通过建立暴雨仿真模型，计算得出地铁车站出入口的洪涝积水深度及降雨量阈值，提出基于降雨区间预报的防洪预警方法，针对预警级别提出相应的防洪措施;计算得出黄浦路站 3 个出入口的洪涝积水水深和降雨量阈值，以及三级预警级别。

关键词：地铁;城市洪涝;暴雨仿真;洪涝水位;防洪预警

中图分类号：TV877

0 引言

地铁建设高速发展的同时，地铁洪涝安全隐患[1-9]也与之并存，地铁站一旦受淹，经济损失和社会影响无可估量。目前，国内尚无适用于各城市的统一地铁防洪涝设计标准，工程设计、建设部门经验不足，对地铁防洪涝设计缺乏前瞻性，导致国内多个地铁在建设后被淹。

申若竹[10]以天津的某地铁换乘车站为原型建立了地下空间缩尺物理模型，模拟洪水入侵车站的积水水深变化，但缺乏对于地铁出入口洪水入侵情况的相关研究;方正等[11]利用城市综合流域排水模型（ICM），分析在不同的降雨重现期地铁车站各个出站口处的水深及地表径流等情况，但模拟计算过程繁琐复杂，计算所需参数多而且获取较难，对于防洪预警研究较少;卢丽[12]对北京清水河流域极端降雨条件下的洪涝进行分析研究，建立降雨和洪水相互关联的预警指标体系，制定与洪涝风险相适应的响应行动，给城市地铁防洪预警及响应行动提供了参考;张丽佳[13]通过模拟分析，指出地铁车站出入口内涝积水预警深度主要由地铁站出入口台阶高度决定;程晓陶等[14]对国内外防汛预警指标与等级划分进行比较分析，通过设定若干阈值对危险等级进行划分。

本文基于城市暴雨仿真数值模拟计算，对武汉地铁黄浦路站进行防洪涝水位及预警研究，模拟地铁车站附近的积水深度变化，计算得出地铁车站各出入口处的防洪涝水位，建立防洪预警制度，根据预警级别制定相应的防洪措施，为城市地铁防洪安全提供借鉴。

1 黄浦路站概况

武汉地铁8号线黄浦路站位于武汉市江岸区卢沟桥路下方，北向横贯解放大道并伸入解放公园内，南接京汉大道，呈南北走向。车站为地下二层侧式站台车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，在站厅层上部局部设置夹层作为过街通道。车站主体结构型式为整体式钢筋混凝土二层多跨矩形框架结构，主体围护结构采用地连墙+内支撑支护体系，明挖法施工。车站有出入口6个，消防疏散口4个，内部与1号线地铁车站进行连接换乘（图1）。

2 防洪涝设计参数选取

2.1 防洪涝设计洪水频率

依据GB50157-2013《地铁设计规范》[15]，地铁设计使用年限不应低于100年。对于站场设计，规范中要求站场线路路肩高程应根据基地附近内涝水位和周边道路高程设计，沿海或江河附近地区车辆基地的车场线路路肩设计高程不应小于1/100洪水频率标准的潮水位、波浪爬高值和安全高之和。因此，本次仿真模拟计算中，地铁车站防洪涝设计洪水频率采用100年一遇。

2.2 降雨强度

本文重点针对短时间暴雨条件下的城市区域汇水进行数值模拟，因此首先确定降雨强度。武汉市国土资源和规划局、武汉市水务局和湖北省武汉市质量技术监督局2013年联合发布的《武汉市排水防涝系统规划设计标准（报审稿）》中，对武汉市24 h暴雨的暴雨强度进行了规定，见表1。《武汉市排水防涝系统规划设计标准（报审稿）》对武汉市24h暴雨的逐时雨量进行了分配，见表2。

由表1、表2可知，最大1h雨量占比38.9%，按重现期100年一遇计算，相应雨量为133mm;最大3h雨量占比58.04%，按重现期100年一遇计算，则相应雨量为200mm。总体而言，城市内涝主要是由于短历时的暴雨造成的。因此，本文重点针对短时间暴雨条件下的城市区域汇水进行数值模拟，综合模拟分析200mm/h、100mm/h 2种降雨强度下地铁出入口和风亭出地面处洪涝积水深度，再依据现有地形计算得出防洪涝水位。

3 防洪涝水位研究

3.1 暴雨仿真模型

本文建立平面二维水动力学模型对武汉地铁8号线黄浦路站进行模拟分析，模型研究区域为400m（X向，永清街-卢沟桥路方向）×400m（Y向，解放大道方向），采用三角形网格进行区域剖分，网格尺寸5 m，局部區域1 m，网格总数8058个，研究区域内的边界线主要包括建筑物和道路。模型中对于建筑物的处理方式采用固壁边界法，将边界上的道路段设置为自由流动的开边界。仿真模型及研究区域见图2。

3.2 防洪涝水位的确定

对于地铁的防洪涝水位设计，目前国内尚无统一的规范和标准。虽然在设计论证阶段也同步开展防洪安全评估，但往往仅从水利角度分析，未能结合地铁设计实际要求，指导意义较差[16-17]。

表1对武汉市24h暴雨的暴雨强度进行了规定，重现期为100年时，降雨量为344 mm，以此降雨量作为累积降雨临界值。综合考虑排水条件，再根据暴雨仿真模型计算得到此降雨量时的地铁车站出入口或其他出地面建筑附近的积水深度，将得出的积水深度加上现有地面高程之和作为各类出地面建筑的防洪涝水位。

在暴雨仿真模型计算中，计算得到地铁车站3个出入口在200 mm/h、100 mm/h降雨强度下达到344 mm累积降雨量时的积水深度，见表3。

基于保守考虑，选取200 mm/h降雨强度下的积水深度为设防最高洪涝积水深度，故出入口1的洪涝积水深度为0.56 m，出入口2的洪涝积水深度为0.07 m，出入口3的洪涝积水深度为0.78 m。

目前，黄浦路站的3个出入口都已建成，出入口1修建的台阶高度0.45 mm，小于防洪涝水深0.56 m，后期在发生大暴雨时，可以考虑采用防淹挡板防洪;出入口2实际修建的台阶高度0.45 m，远大于防洪涝水深0.07 m，可以待优化;出入口3修建的台阶高度0.75 m，略小于防洪涝水深0.78 m，后期在发生大暴雨时，可以考虑采用防淹挡板防洪。

综上所述，实际工程在后续设计时可依据暴雨仿真模型，计算得出地铁车站各个出入口、消防专用出入口和无障碍电梯所在位置的防洪涝水位，从而确定台阶高度，实现经济性和适用性。

4 防洪预警研究

在降雨防洪预警的实施应用中，需要解决和研究的关键问题是怎样确定城市地铁车站影响范围内的临界降雨量（降雨量阈值）。目前国内外对于此临界值无通用的标准体系，大都因地制宜，参照当地具体情况确定，具有很强的地域差异性特征。

防洪预警阈值是一个相对较为模糊的概念，类似于地质灾害等级的划分[18]、降雨量等级的划分[19]。由于洪涝灾害的发生是由于连续降雨而导致的[20]，因此，本文对防洪预警阈值进行分级，并设置相应的预警级别。

4.1 防洪预警阈值

对于防洪预警阈值[21]的确定，首先根据武汉历史资料确定城市发生内涝的积水水深分级，再通过暴雨仿真模型计算城市地铁车站达到相应积水深度时的累积降雨量，并以此作为防洪预警阈值。

在《武汉市排水防涝系统规划设计标准（报审稿）》中，城市积水程度分级分为轻微积水、轻微内涝和严重内涝3个等级，见表4。

基于暴雨仿真模型的计算结果，以及城市积水程度分级标准，分别统计车站附近研究区域达到对应积水深度时的累积降雨阈值，以此降雨阈值将预警级别分成3 级，按照传统气象、水文等预警的模式，预警级别从低到高增加，颜色从黄色、橙色、红色逐渐加深。

根据暴雨仿真计算结果，在黄浦路站出入口首次达到0.15 m积水水深情况下，与200 mm/h、100 mm/h 2种降雨强度对应的累积降雨量阈值分别为83 mm、75mm，保守考虑，降雨量阈值取75 mm;在黄浦路站出入口首次达到0.4 m积水水深情况下，与200 mm/h、100 mm/h

2 种降雨强度对应的累积降雨量阈值分别为150 mm、135 mm，保守考虑，降雨量阈值取135 mm。具体分级见表5。

4.2 基于降雨预报信息的防洪预报预警

本文结合防洪预警阈值及相应的预警级别，提出采取降雨区间预报的防洪预警方法及预警机制，如图3所示。在已发生的实测累积降雨量的基础上，依据降雨区间预报的数据，可以得出不同预见时间上的动态值，最后参考黄浦路站附近前期的不同情况，动态调整预警域。此预警域从区间下限值开始，若预警域的下限值超过了防洪预警阈值，就需发布防洪预警;若预警域的上限值没有超过防洪预警阈值，就不需发布防洪预警。但是，实际上降雨防洪预警阈值更多可能是落在预警域内，在这种情况下，可以采用预警分级，先依据区间下限值定出低级的预警等级，再依次根据实时动态及预报信息不断调整，同时依据不同的预警等级设置相应的预警响应及应对措施。采用降雨区间预报的防洪预警，区间上下限值已能够达到实际降雨量的量级，其达到的精度相比单一降雨预报值更高，预警效果更好，在实际的城市地铁防洪预警中，可为防洪预警决策提供借鉴。

4.3 基于预警级别的防洪措施

本文针对黄浦路站防洪预警阈值将预警级别分成了3级，当车站发布洪涝预警后，按程序应立即启动防洪涝应急响应，采取有效措施应对洪涝险情。随着预警级别升级，面对的洪涝风险与危害程度增加，采取的措施也随之升级。针對已建立的3级防洪预警，相应地制定Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ由低到高的3级防洪应急措施。

（1）对于Ⅲ级黄色预警，须“加强巡查”。该级别为降雨量等级中雨到大雨，积水深度较小，需加强预报和巡视。做好地下站排水系统的检查，保障排水沟的畅通，集水坑无淤泥杂物，同时保障其拥有足够的容量;做好各类排水设备的维护及检查工作，排查排水系统供电电源的备用及使用状况，确保整个排水系统能够正常使用，时刻做好准备。

（2）对于Ⅱ级橙色预警，须“及时疏排”。该级别为降雨量暴雨到大暴雨，轻微内涝，需做好雨水的疏排，遇有洪涝点，及时排除。做好出地面建筑结构的排水及隔水的相关工作，具体包括地铁车站的出地面电梯、风亭的风井及车站出入口等，及时对雨水进行疏排;提高车站出入口的挡水高度，防止积水倒灌进入车站;对于已经流入或渗入的降雨则及时处理，疏排到排水沟、集水坑，同时启动排水设施将车站内部的积水排到市政排水管网。

（3）对于Ⅰ级红色预警，务必“协同配合”。该级别为特大暴雨，严重内涝，需服从地铁车站防洪涝指挥部统一指挥。特大暴雨降临时，需关注其发展态势，及时发出警报。发生严重内涝时，地面积水可能通过各种渗漏点倒灌入地铁车站，此时需重点做好地铁车站内部人员疏散，同时通过电子留言板、移动扬声器、公建广播公告或媒体发出通告。

5 结论及建议

（1）采用暴雨仿真模型计算得出黄浦路站3个出入口所在位置的防洪涝水位，2个出入口的台阶高度小于防洪涝积水深度，应建议设置适当的防淹措施;1个出入口实际台阶高度大于防洪涝水位，可待优化;在后续设计时，可依据暴雨仿真模型计算得出地铁车站各个出入口、风亭风井等所在位置的防洪涝水位，从而确定台阶高度，实现经济性和适用性。

（2）根据武汉城市积水程度分级标准，计算得出防洪预警阈值，以此建立的黄、橙、红3级预警级别可为城市地铁车站防洪预警机制的建立提供参考。

（3）基于降雨预报提出的降雨区间预报的防洪预警可为防洪预警决策提供借鉴。

（4）基于不同预警级别制定的防洪措施及应急响应预案可为其他城市防洪提供借鉴。

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收稿日期 2019-08-14

责任编辑 朱开明

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