地铁车辆基地出入段线内涝灾害数据采集与模拟分析
——以北京易涝地铁车辆基地为例

郑建春研究员

(北京市科学技术研究院 城市系统工程研究所，北京 100035)

0 引言

随着城市极端降雨天气频率的增加，城市内涝问题日趋凸显，地铁设施受内涝的影响日趋严重。北京、郑州、广州、南京、深圳、武汉、上海等多个城市因暴雨引发严重内涝后，城市部分地区出现积水导致地铁车站被淹，给城市交通、居民生活带来极大的风险与不便。极端降雨天气引发城市内涝的客观原因主要是由于极端天气带来短时超强降雨，以及城市基础设施防洪标准偏低难以抵抗非常规灾害等，可以从事前风险防范角度分析，并采取相应措施降低灾害影响[1-10]。

地铁车辆基地出入段线是地铁车辆基地和地铁正线之间的连接线路，是轨道交通线路的重点防内涝区域。建立一套全方位的实时数据监测与采集系统，采用先进的物联网技术，实现降雨、雨水排放等数据的监测与采集，并通过数值模拟分析内涝影响因素，可以为内涝灾害预防与风险防控提供技术支持。

按照交通运输部公布的数据，截至2022年2月，北京市的地铁运营线路27条，在内地城市排名第一，运营里程783.0km，在内地城市排名第二。北京地铁也受到极端气候的影响，2012年7月21日，北京遭遇极端暴雨，地铁9号线郭公庄地铁站有雨水进入，积水最深处约2.5m，导致当天晚上全部列车没有回库。分析北京地铁车辆基地出入段线产生内涝的原因主要[11-13]有：

(1)自身因素。地铁车辆基地的选址受各种条件限制，一般处于较低洼地带，周边环境客水和车辆基地厂区内的雨水可能会进入出入段线。

(2)周边环境。地铁车辆基地建设时，配套排水管线往往不能同步实施，雨水不能及时排走，造成雨水滞留，易出现车辆基地周边雨水倒灌的情况。

(3)极端降雨。极端降雨天气的出现，整个城市的排水系统都在超负荷运行，作为车辆基地内的最低洼处，极易出现雨水内涝灾害。地铁系统虽然有较为完善的防洪抢险预案，但是不足以应对近年来频发的暴雨灾害。

因此，针对北京地铁开展内涝灾害应对的研究，具有一定的代表性。

1 研究区域概况

选取2个典型的北京地铁车辆基地作为研究对象，对于车辆基地的确定主要从以下几个方面考虑：

(1)选取车辆段及停车场各一座。地铁车辆基地分为车辆段和停车场2种类型，停车场主要负责车辆停放及基本维护；车辆段除了具有停车场的功能，还可以进行一些较为复杂的维修、调试等。

(2)选取北京整体雨水排放的下游区域。位于这些区域的车辆基地更容易出现内涝灾害。

(3)车辆基地需配置洞口雨水泵站。由于北京地铁车辆基地受选址条件的限制一般都位于低洼地带。

(4)车辆基地开发程度不同。周边开发情况会影响配套的道路、排水管线等的建设，同时周边建筑的情况也会对下垫面类型有影响，比如建设程度较高，楼房、道路等硬化地面占比就会较高。

(5)周边市政规划建设时曾经出现过内涝问题。

(6)现场具备安装监测设备的场地。

通过对北京地铁线网内运营车站的筛选，确定9号线A车辆基地和5号线B车辆基地作为研究对象。

A车辆基地为停车场，位于西南城区，与周边土地进行综合一体化开发，受规划条件标高限制，整个地块内的标高均略低于周边现状地面，部分区域有商业开发。基地内部的雨水管网可以通过重力流接入市政排水管网，雨水泵站的总排水能力完全满足地铁设计规范和出入线U型槽的排雨水要求，但是在极端天气情况下，曾出现市政管网及周边地块内的雨水倒流入车辆基地内，造成基地内出现内涝，影响位于低处的出入线，进而影响线路正常运营的情况，需要采取多方面的措施和手段提高其防内涝能力。

B车辆基地为车辆段，位于东南城区，为3条线路交汇，设有各线间联络线及停车场，其他线路可以通过联络线经停车场到车辆厂进行大修。该车辆段的出入线根据设计规范要求，设置洞口排雨泵站及配套的雨水截留系统、出入线雨棚、洞口线路的人字坡，由于其整体地势略高于周边地块，因此车辆段的停车场及其出入线洞口在运营过程中未出现雨水内涝问题。B车辆基地泵站的三维示意图(如图1)，左侧是泵站，地上是3台水泵的控制系统，地下是集水坑；右侧和地铁轨道垂直的是3条横截沟，地面积水沿着横截沟进入集水坑，集水坑内水位达到一定高度后，水泵启动，把水从左侧的2条管道排入市政排水管道。

注：1.泵站；2.水泵控制系统；3.集水坑；4.排水管；5.横截沟图1 B车辆基地泵站三维示意图Fig.1 The 3d map of the pump station of the vehicle base B

2 内涝数据监测与采集分析系统

根据现场实际情况，结合出入线的场地条件，在不影响出入线正常运营、减少运营期改造、避免出现运营安全问题的前提下，研发车辆基地出入线内涝数据监测与采集分析系统[14-16]，主要采集与处理气象、积水、排水等实时数据。系统主要包括3部分：

(1)现场数据监测与采集系统。利用物联网技术，实现对地铁车辆基地出入段线的内涝灾害相关数据(降雨、视频、图像、积水等)的自动在线监测与采集。监测与采集系统主要通过在洞口等重点位置安装摄像头，实时监控积水情况，可以大致看出积水时间、范围和深度等，视频可以实时查看，也可以在后台保存；摄像头可以定时拍照，把图像传输到服务器；项目是临时性的研究，摄像头采用蓄电池供电，为了省电，大部分时间是图像采集，间隔几分钟拍摄一次照片。如果是市政电供电，就可以采取实时视频监控。

(2)数据传输系统。数据传输终端设备为GPRS无线传输终端，通过GPRS网络传输到数据中心服务器。本研究为实验性项目，数据的采集间隔时间及各个数据之间的对应关系十分重要，需充分考虑数据的采集频率及数据遗漏、缺失等问题。

(3)数据处理分析系统。实现前端采集信号的接入、存储、分析、显示，以及对整个系统的统一配置管理；对实时采集和报警数据进行分析处理，建立WEB信息发布系统，供专业用户使用。

3 数据的采集与处理

3.1 基础数据收集与处理

以地铁车辆基地为研究对象，利用数值模拟仿真的方法，模拟内涝积水排水过程，开展排水能力分析，需要大量的数据，为模型构建及数值模拟提供数据支撑[17-22]。基础数据的收集和处理主要包括：

(1)基础空间地理数据。收集研究区域及周边所在的排水分区高分辨率数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据、遥感影像等资料。需要将收集到的分幅电子地图及大比例尺的局部地图进行拼接、分层管理、统一空间坐标系统和高程系统、检查和修正数据拓扑关系的错误、属性与空间位置的关联等处理。下垫面的刻画对模型的准确性起着重要作用，研究区域的下垫面类型关系到产流量大小、汇流时间和汇流路径等数据。可以综合利用监督分类的自动解译和人工修正方法，基于最新时相的高清遥感影像，对下垫面类型进行提取。

(2)排水设施数据。收集研究区域的排水设施资料，将这些数据处理成地下管网模型构建需要的格式，利用空间拓扑关系提取检查井和雨水箅子。对收集到的管网数据进行分析与校核，纠正明显的拓扑错误，并补充测量缺失的排水管网数据。

(3)水文及洪水资料。收集研究区内流域河道、闸坝工程、阻水道路等涉水工程数据。对收集到的水文资料开展合理性分析，确定水文资料是否可用于频率分析和模型计算；结合计算方案的设定，将收集到的历史典型案例和设计水文资料处理为模型分析计算要求的数据格式，为开展模型分析计算做好准备。

(4)防洪规划及调度资料。收集洪水调度方案、应急预案等文件。防洪相关设计参数和调度规则，主要作为计算边界或模型控制参数；堤防等阻水设施，作为外部或内部边界，以模拟构筑物的阻水作用；水闸、泵站等按照其相关参数和调度规则，处理为模型中的防洪工程控制参数和规则。

3.2 现场数据采集与处理

研究区域现场监测与采集的数据主要包括：

(1)气象数据。局部气象信息监测站能够同时监测研究区域多种类型的气象数据，主要包括降雨量、风速、风向、气温、湿度等参数。

(2)地面积水。在研究区域设置多个积水监测设备，实时监测地表积水深度，设置地点宜选择列车洞口广场、风亭窗口等相对低洼位置，排水沟渠等不影响车辆基地正常工作的位置等。

(3)地铁排水设施。在集水坑设置监测点，主要监测排水泵起停情况、集水坑水位深度、排水泵排水量等参数。

(4)市政排水管道。在研究区域设置市政排水管道水位监测点，用于分析降雨强度、降雨时长与市政主管道水位深度等参数的关系。

(5)土壤含水量。采用纵向剖面监测法布置传感器，监测绿化区域、透水材料覆盖区域和硬化地段的土壤含水量，分析降雨过程中土壤的含水量微观变化规律。

(6)高清视频远程监控。在研究区域设置高清视频监控设备，可以选用无线视频监控技术，对地面积水情况进行影像资料采集。

4 模型构建与模拟分析

4.1 模拟流程

通过采集现场实时数据，结合本地暴雨强度、重现期等关键技术参数，构建多种场景研究区域排水能力。研究采用DHI Water & Environment & Health独立开发的MIKE FLOOD进行模拟计算，它将一维模型MIKE URBAN或MIKE 11和二维模型MIKE 21整合，是一个动态耦合的模型系统，模型可以同时模拟排水管网、明渠、排水河道、各种水工构筑物以及二维坡面流，可用于流域洪水、城市洪水等的模拟研究。耦合技术可以有效发挥一维和二维模型各自具备的优势，取长补短，避免在单独使用MIKE 11、MIKE URBAN或MIKE 21时所遇到的模型分辨率和模型准确率的限制问题，不仅能反应管网中水动力学情况，更能直观地表现暴雨期间雨水在地面上的漫流，及暴雨结束后的退水情况。用MIKE URBAN软件模型进行建模计算，该模型包括水文模型模块和管网水动力模块，其中水文模型模块计算汇水子区域的径流过程线，并作为边界条件通过与子区域连接的节点载入到管网水动力模型中[23-24]。采用时间—面积模型作为降雨径流模型，通过建立研究区域泵站MIKE URBAN模型并利用实测数据进行率定，可以对集水坑的排水情况进行准确模拟，并且耦合MIKE 21地表淹水模型后，可以模拟一些极端工况下地铁车辆基地的积水情况。模拟流程如下：

(1)建立研究区域MIKE URBAN水文、水动力模型，以及MIKE 21地表淹水模型。

(2)根据实际监测数据(包括降雨、集水坑液位等)对模型进行率定。

(3)模拟设计场景下，地铁泵站排水能力和地铁车辆基地是否会发生内涝。

(4)模拟在极端情况下，地铁泵站排水能力和地铁车辆基地是否会发生内涝。

4.2 模型构建及率定

根据研究区域地形资料构建二维淹水模型，用于模拟地面积水漫流和退水过程；根据泵站数据资料和调度规则，在MIKE URBAN中准确反映泵站的动力学特征；将MIKE URBAN泵站模型与泵站二维地面淹水模型进行耦合，可以模拟泵站运行情况及泵站能力不足时地面积水情况。模型的率定对于建模的准确性、可靠性非常重要，只有通过率定模型参数，才能保障模拟结果的准确可靠。

根据汇水分区的划分，A车辆基地的汇水面积为5 250m2，B车辆基地的汇水面积为420m2。以在研究区域安装的数据监测与采集系统采集的2018年8月8日的降雨数据(如图2)和集水坑的监测数据，对模型进行率定，率定后的参数(见表1)，率定结果，如图3。可见模拟结果与实测数据比较吻合，证明所建立的模型是可靠、准确的。

图2 2018年8月8日降雨数据Fig.2 The rainfall data on August 8th， 2018

表1 率定后的模型参数Tab.1 Model parameters after calibration

4.3 模拟结果及分析

以重现期为50年的降雨来检验研究区域的排水情况，由于其降雨量和降雨强度远超模型率定时所采用的2018年8月8日的降雨量和降雨强度，因此径流系数应当选取较高的径流系数，研究中选取0.95，其他参数与率定参数一致。集水坑水深模拟结果，如图4。图4可以看到水深一直低于警戒水位(即集水坑深度，A地铁车辆基地为2.2m，B地铁车辆基地为3.0m)，A、B地铁车辆基地的雨水泵站可以抵御重现期为50年的降雨。

(a) A车辆基地

根据A地铁车辆基地的具体情况，积水主要影响因素为挡水墙和泵站，因此，针对重现期为50年的降雨，设计3种模拟方案：

(a) A车辆基地

方案1：周围挡水墙损坏，原汇水区外的客水进入本区域，汇水面积增加4 200m2。

方案2：泵站的水泵损坏1台。

方案3：泵站的水泵损坏2台。

集水坑水深模拟结果，如图5。方案1和方案3的模拟结果显示集水坑水深远超警戒水位，周边出现严重积水；方案2的模拟结果显示集水坑水深一直低于警戒水位，周边无积水。

根据B地铁车辆基地的具体情况，积水主要影响因素为挡水墙、挡雨棚和泵站，因此，针对重现期为50年的降雨，设计7种模拟方案：

方案1：挡雨棚损坏1/2，汇水面积增加1 100m2。

方案2：挡雨棚完全损坏，汇水面积增加2 200m2。

方案3：挡水墙损坏，原汇水区外的客水进入本区域，汇水面积增加10 000m2。

方案4：泵站的水泵损坏2台。

(a) 方案1

方案5：泵站的水泵损坏3台。

方案6：挡雨棚和挡水墙损坏，原定汇水区外的客水进入本区域(方案2+方案3)。

方案7：挡雨棚和挡水墙损坏，原定汇水区外的径流进入本区域，同时水泵损坏2台(方案2+方案3+方案4)。

集水坑水深模拟结果，如图6。方案5和方案7的模拟结果显示集水坑水深远超警戒水位，周边出现严重积水；方案1、方案2、方案3、方案4和方案6的模拟结果显示集水坑水深一直低于警戒水位，周边无积水。

(a)方案1

以上模拟结果的分析可知，在泵站等设施正常运行情况下，A、B车辆基地可以抵御重现期为50年的强降雨。对于A车辆基地，挡水墙或水泵损坏2台，将导致周边严重积水；对于B车辆基地，3台水泵全部损坏或多种因素的叠加，才会导致周边严重积水。因此，B车辆基地相对于A车辆基地，抵抗强降雨导致的内涝灾害的能力更强。

5 建议措施

地铁车辆基地出入段线内涝防控工作是一项系统工程。通过对A、B 2个车辆基地的案例分析，从工程技术角度提出降低内涝风险的主要措施如下：

(1)规划选址设计。车辆基地的规划选址设计中，尽量不要建在低洼地带，结合周边市政条件与土壤含水率、商业开发、设备设施状态等情况，系统地识别风险；设计与市政排水能力和泵站设计流量相匹配的横截沟，保证雨水能够顺畅及时地汇入集水坑。

(2)配套设施建设。周边道路、配套市政管网与地铁车辆基地同步规划、同步设计、同步建设与运营，并适当提高防洪建设标准，提升城市整体防洪能力，降低车辆基地排水压力。并建议在车辆基地围墙、咽喉区、出入段线等附近的多处局部低点设置应急排水集水坑，为应急抢险泵组实现功能预留好工程条件。

(3)完善自身能力。对于先天条件不足的车辆基地，在建设阶段就要做好防内涝措施，提高自身的排雨能力，增强防内涝的韧性；从自身配套的设备设施入手，在合适位置建设挡雨棚和挡水墙，选择适当线路坡度等，减少周边客水的汇入；结合国家海绵城市战略，利用小区域范围内的雨水调蓄及利用技术，在车辆基地厂区及周边建设雨水调蓄和利用设施，减少径流形成，建设海绵车辆基地。

(4)监测控制技术。在车辆基地重点区域建设全方位的实时监测系统，对汇水区相关数据进行实时数据采集和设备运行状态趋势分析，进行隐性故障的智能诊断、可视化动态预警和韧性评估，实现风险防控和应急管理关口前移。

6 结论

研究通过对2个北京地铁车辆基地不同场景下降雨积水过程的模拟，分析积水的主要影响因素。主要结论如下：

(1)在地铁出入线洞口等重点位置安装内涝灾害数据监测与采集分析系统，可以及时发现内涝积水并提前预警，并建议应急响应人员采取针对性的应急响应措施。

(2)在洞口安装挡雨棚，可以大幅减少雨水泵站的汇水面积，减少进入集水坑的径流，降低运行压力和积水风险。这是地铁运营单位的主流方案，但工程造价相对较高。

(3)在车辆基地围墙和内部不同分区建设一定高度的挡水墙，或预留防水挡板安装条件在雨季快速安装防水挡板，可以有效阻挡外来客水的进入，延长外来客水进入车辆基地的时间。

(4)根据车辆基地的具体情况，考虑工程建设、运行维护等成本投入，通过精确计算，可以实现雨水泵站、挡雨棚和挡水墙等多种条件的最优组合，以较低的成本，有效降低车辆基地内涝和积水风险。

(5)在车辆基地周边及厂区内加强雨水控制和综合利用措施，如通过建设雨水调蓄池及回用设施、透水铺装、下凹式绿地等技术方案，减少径流形成和进入泵站的径流量，可以大大降低整个车辆基地的积水风险。