地鐵車輛基地出入段線內(nèi)澇災(zāi)害數(shù)據(jù)采集與模擬分析
——以北京易澇地鐵車輛基地為例

鄭建春研究員

(北京市科學(xué)技術(shù)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(shè)施受內(nèi)澇的影響日趨嚴(yán)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(yán)重內(nèi)澇后，城市部分地區(qū)出現(xiàn)積水導(dǎo)致地鐵車站被淹，給城市交通、居民生活帶來極大的風(fēng)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(chǔ)設(shè)施防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低難以抵抗非常規(guī)災(zāi)害等，可以從事前風(fēng)險防范角度分析，并采取相應(yīng)措施降低災(zāi)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(shù)，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(zāi)害預(yù)防與風(fēng)險防控提供技術(shù)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(dǎo)致當(dāng)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(shè)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(zāi)害。地鐵系統(tǒng)雖然有較為完善的防洪搶險預(yù)案，但是不足以應(yīng)對近年來頻發(fā)的暴雨災(zāi)害。

因此，針對北京地鐵開展內(nèi)澇災(zāi)害應(yīng)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(zé)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(fù)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(zāi)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(shè)，同時周邊建筑的情況也會對下墊面類型有影響，比如建設(shè)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(shè)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(shè)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(biāo)高限制，整個地塊內(nèi)的標(biāo)高均略低于周邊現(xiàn)狀地面，部分區(qū)域有商業(yè)開發(fā)?；貎?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(shè)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(shè)有各線間聯(lián)絡(luò)線及停車場，其他線路可以通過聯(lián)絡(luò)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(shè)計規(guī)范要求，設(shè)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(shù)，實現(xiàn)對地鐵車輛基地出入段線的內(nèi)澇災(zāi)害相關(guān)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?wù)器；項目是臨時性的研究，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(shè)備為GPRS無線傳輸終端，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心服務(wù)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(yīng)關(guān)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(chǔ)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(gòu)建及數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支撐[17-22]。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和處理主要包括：

(1)基礎(chǔ)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(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)、檢查和修正數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系的錯誤、屬性與空間位置的關(guān)聯(lián)等處理。下墊面的刻畫對模型的準(zhǔn)確性起著重要作用，研究區(qū)域的下墊面類型關(guān)系到產(chǎn)流量大小、匯流時間和匯流路徑等數(shù)據(jù)。可以綜合利用監(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(shè)施數(shù)據(jù)。收集研究區(qū)域的排水設(shè)施資料，將這些數(shù)據(jù)處理成地下管網(wǎng)模型構(gòu)建需要的格式，利用空間拓撲關(guān)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(shè)定，將收集到的歷史典型案例和設(shè)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(zhǔn)備。

(4)防洪規(guī)劃及調(diào)度資料。收集洪水調(diào)度方案、應(yīng)急預(yù)案等文件。防洪相關(guān)設(shè)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(shè)施，作為外部或內(nèi)部邊界，以模擬構(gòu)筑物的阻水作用；水閘、泵站等按照其相關(guān)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(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度等參數(shù)。

(2)地面積水。在研究區(qū)域設(shè)置多個積水監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測地表積水深度，設(shè)置地點宜選擇列車洞口廣場、風(fēng)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(shè)施。在集水坑設(shè)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(shè)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(guān)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(shè)置高清視頻監(jiān)控設(shè)備，可以選用無線視頻監(jiān)控技術(shù)，對地面積水情況進行影像資料采集。

4 模型構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，構(gòu)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(gòu)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(shù)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(zhǔn)確率的限制問題，不僅能反應(yīng)管網(wǎng)中水動力學(xué)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(zhǔn)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(shè)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(gòu)建及率定

根據(jù)研究區(qū)域地形資料構(gòu)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(zhǔn)確反映泵站的動力學(xué)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(yīng)當(dāng)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(shè)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(yán)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(shè)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(yán)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(shè)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(dǎo)致周邊嚴(yán)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(dǎo)致周邊嚴(yán)重積水。因此，B車輛基地相對于A車輛基地，抵抗強降雨導(dǎo)致的內(nèi)澇災(zāi)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(shù)角度提出降低內(nèi)澇風(fēng)險的主要措施如下：

(1)規(guī)劃選址設(shè)計。車輛基地的規(guī)劃選址設(shè)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(shè)備設(shè)施狀態(tài)等情況，系統(tǒng)地識別風(fēng)險；設(shè)計與市政排水能力和泵站設(shè)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(shè)施建設(shè)。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(shè)計、同步建設(shè)與運營，并適當(dāng)提高防洪建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)置應(yīng)急排水集水坑，為應(yīng)急搶險泵組實現(xiàn)功能預(yù)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(shè)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(shè)備設(shè)施入手，在合適位置建設(shè)擋雨棚和擋水墻，選擇適當(dāng)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(shù)，在車輛基地廠區(qū)及周邊建設(shè)雨水調(diào)蓄和利用設(shè)施，減少徑流形成，建設(shè)海綿車輛基地。

(4)監(jiān)測控制技術(shù)。在車輛基地重點區(qū)域建設(shè)全方位的實時監(jiān)測系統(tǒng)，對匯水區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)采集和設(shè)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(yù)警和韌性評估，實現(xiàn)風(fēng)險防控和應(yīng)急管理關(guān)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(zāi)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(yù)警，并建議應(yīng)急響應(yīng)人員采取針對性的應(yīng)急響應(yīng)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(fēng)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(shè)一定高度的擋水墻，或預(yù)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(shè)、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(fēng)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(shè)雨水調(diào)蓄池及回用設(shè)施、透水鋪裝、下凹式綠地等技術(shù)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(fēng)險。