从专业角度看地铁水淹致灾背后的原因
stract 导读
阐述了我国地铁水淹事故致灾机理，结合我国地铁水灾事故的特点，提出了地铁水淹的防范措施；同时对地面积水入侵过程、地铁水淹过程、人体失稳判断标准等方面的水力特性研究进展进行了回顾和展望，以期在防范、应急两方面同时采取措施，减轻地铁水淹事故造成的危害。
引用本文：黄晓家，刘书江，徐之光，等. 地铁水淹致灾机理分析及水力特性研究进展［J］. 给水排水，2024，50（1）：143-150.
中国中元国际工程有限公司总工程师，教授级高级工程师，全国工程勘察设计大师。主要研究方向为建筑与工业给水排水、城市节水、海绵城市、特殊消防设计、智慧消防、智慧机电、智慧医院等。
01、地铁水淹事故孕灾环境与致灾机理
1.1 我国地铁水淹事故特点
近几年我国相关案例表明，导致地铁水淹事故发生的洪涝源大致可分为城市内涝积水和邻近水体两种，其中由城市内涝积水引发的地铁水淹事故较多，且造成的后果相对较为严重（见表1）。由于地铁的空间规模庞大、防淹设计不合理以及相邻环境复杂多变，地铁水淹事故的发生具有不确定性、难预见性和弱规律性的特点。只有正确认识我国地铁水淹事故的孕灾环境演化过程与致灾机理，才能更具主动性、前瞻性地做好风险的防范与应急工作。
表1 近几年我国典型地铁水淹事故
1.2 地铁水淹事故孕灾环境
1.2.1 城市内涝灾害频发
受气候变化和城市化的影响，城市内涝灾害频发。相关研究表明，全球每升温1 ℃，50年一遇的最大日降水量增加接近7%。我国部分重要经济区（圈、带）的降水变化明显，其中环渤海和东北经济区极端强降雨事件发生的频率增大，长江经济带则暴雨日数偏多。2016-2035年间，我国平均极端降水将从50年一遇变为20年一遇，建成的排水系统无法满足极端降雨增加的需求，城市内涝风险增加。
除气候变化外，我国夏季极端降水的风险随着城市化进程的推进呈逐步增加的趋势，城市化发展对区域降水的影响机制主要包括城市热岛效应、城市冠层作用等。城市热岛效应加剧了区域不稳定热力空气层的对流状况，使得城区及下风向地区更易发生暴雨事件。特别是城市建筑物密集增加了城市冠层的粗糙度，较强的摩擦耗散过程使较多的暖湿空气被截留在城市内部，致使城区出现局地暴雨的频率和强度均高于郊区，城市内涝发生的概率增大。
受城市扩张影响，城市下垫面不透水比例增加，降水的产汇流过程发生改变。我国城市建成区内平均不透水面积比例为67%，局部地区超过80%。不透水面积比例与径流系数之间呈幂指数关系，城市建筑密集区的综合径流系数达到0.60以上，地表汇流速度加快，导致雨水排水峰出现时间提前、峰值流量增大，极大地增加了排水系统负担。
1.2.2 市政排水设施设计标准偏低且内涝防治贡献能力有限
受经济技术的影响，我国城市早期建设采用的雨水管渠设计重现期较低（见表2），且忽略了城市内涝防治系统的建设。2012年北京“7·21暴雨”导致全市受灾面积约1.6万km²，受灾人口达到190万人，城市内涝问题引发了广泛关注。2014年版《室外排水设计规范》中首次提出了雨水管渠设计重现按照城镇人口规模确定，并规定了我国城市的内涝防治设计重现期为20~100年一遇，城市内涝防治内容开始纳入标准。在城市建设的过程中，雨水管渠的设计重现期得到了不断提高，但城市建成区内雨水管道提标改造的成本较高，地面建筑、交通以及地下管线对施工扰动敏感，施工进度缓慢。同时，雨水管渠的设计重现期仅为2~5年一遇，而城市内涝防治设计重现期为20~100年一遇，导致雨水管渠的内涝防治贡献能力有限，完全按照规范更新仍有城市内涝的风险。2017年我国《城镇内涝防治技术规范》正式颁布实施，确立了源头减排、排水管渠和排涝除险的三段式内涝防治体系，通过城市竖向设计、雨洪调蓄空间完成源头减排和排水管渠无法承担的排水任务。在海绵城市的建设与实践中，源头减排的海绵设施一般对于内涝防治的贡献率为10%~15%，雨水管渠的内涝防治贡献率为40%~50%，城市行洪通道和雨洪调蓄空间等排涝除险工程的贡献率为35%~50%，且不同城市因降雨雨型、内涝防治体系建设情况的不同而有所差异。
表2 我国城市早期建设采用的雨水管渠设计重现期
1.2.3 城市道路竖向设计不合理
在城市道路建设的过程中，为满足道路与周边地块标高相协调，且遵循路面纵坡不小于0.3%的设计要求，道路纵向坡度衔接并不连续，路面呈波浪形，如图1所示。当降雨强度超过雨水管渠的设计标准时，超标雨水无法通过雨水管渠排放，便会沿路面汇集到低洼点处形成积水。在城市竖向设计中，对高程的控制尤为重要，需要对路面标高、行泄通道标高、溢流口标高和河道水位进行有效衔接。若高程衔接不合理，行泄通道无法在规定的退水时间内将积水排走，便会形成局部内涝。在郑州“7.20”特大暴雨灾害中，由于五龙口停车场处于较深的低洼地带且附近的明沟排涝受阻，超标雨水通过路面汇聚到停车场及其周边区域形成大规模积水，最终冲毁挡水墙，造成地铁隧洞进水事故。
图1 行泄通道与河道衔接示意
1.2.4 地铁防淹除险能力有限
地铁等地下空间通常采取“挡排结合，以挡为主”的防淹措施。地铁站出入口设置的高度一般高出室外地面300~450 mm，防淹闸槽的高度根据当地最高积水深度确定。作为抵御站外积水入侵的第一道防线，地铁挡水设施的失效由严重的城市内涝直接引发。特别是近些年极端强降雨频发，当超标雨水发生时，汇水面积增大，积水深度很容易超过挡水设施的极限，积聚的雨水便会迅速流入地铁内部。此时，车站内设置的横截沟、集水井、水泵等排水设施成为延缓积水入侵的第二道防线。但地铁站内的雨水排水设施按当地50年一遇的暴雨强度计算，无法应对超标雨水的进入。与此同时，在隧道洞口处同样设有“挡排”两道防线。在郑州“7·20”特大暴雨灾害中，路面积水冲毁停车场站的挡水墙，大量客水涌入停车场站，而隧道洞口的雨水泵站无法承担大量客水的进入，最终导致灾害的发生。
由于地铁防淹设施的挡水能力往往大于排水能力，超标雨水和客水一旦冲毁挡水设施，便无法进一步采取有效措施遏止地铁水灾事故的发生。因此，确保挡水设施的安全可靠便尤为重要。
1.2.5 邻近水体的威胁
地铁沿线的河流、湖泊、地下水等邻近水体同样也会导致地铁水淹事故的发生。在地震作用、施工事故、承压水突涌等问题的作用下，地铁与邻近水体之间形成通道，造成地铁“漏水”。如2022年5月，杭州金沙湖公园下沉广场出现管涌，湖水外溢致使金沙湖地铁站形成涝水。相对于内涝积水而言，邻近水体引发的地铁水淹事故更加具有不确定性，灾害的防范难度更大。
1.3 地铁水淹事故致灾机理
衡量地铁水淹事故是否成为灾害，仅以进水情况而论并不准确，必须强调和分析事故的致灾程度，以地铁进水后的人员伤亡和财产损失情况而定。依据地铁进水概率和可能造成的损失情况，可划定地铁水淹风险等级，为地铁水淹事故的防范提供科学的参考依据。
地铁水淹事故容易造成人员伤亡，其主要原因包括两方面：一方面，雨水的入侵路径与行人的疏散路径高度重合，且楼梯、通道及转角处的水流湍急，人体受到压差阻力和摩擦阻力的作用而产生滑移失稳、倾覆失稳，容易导致人员伤亡事故，当站外入侵积水深度达到0.30 m时，行人通过楼梯疏散开始出现困难；另一方面，在疏散过程中楼扶梯入口处、闸机、通道处容易形成疏散瓶颈，延长了疏散时间，若人体受困于地铁内并长时间浸泡在水中，会出现人体失温现象（体温≤35 ℃），人体失温后超过30 min便会死亡。
在地铁水淹事故中，电气设备遇水受损是造成财产损失的主要原因。地铁内电路与电气设备密集，且不具备防水功能。地铁站内大部分设备的离地安装高度为100~150 mm，极易遇水受损。采用第三轨供电的列车，隧道内供电接触轨的离地高度为140 mm或200 mm，当积水深度达到接触轨的安装高度时，列车将被迫失电停运。
在地铁恢复运营之前，需要对水淹设备进行修复工作，不仅给地铁运营带来了损失，还严重影响居民的出行便利和城市的经济活动，造成难以估量的间接损失。
02、地铁水淹防范措施
依据相关规范，地铁站出入口的标高一般高出路面约400~600 mm，如图2所示。但是从城市内涝的统计数据来看，部分路面积水深度能够达到1.00 m，个别区域的积水更深，远大于地铁站出入口的标高，因此采取相应的地铁防淹措施十分必要。然而受地下结构整体性和施工因素的影响，地铁内排水设施的规模有限且投资管理成本较高，无法接纳超标雨水和大规模客水的入侵，地铁防淹措施需要坚持“以挡为主”，具体可采取的措施包括以下2个方面：
图2 地铁站出入口与路面高差示意
（1）增加防淹标高。依据城镇内涝防治设计重现期下的积水深度，提高地铁站出入口、电梯井出口、风亭口部的标高，在条件允许的情况下应一次性达到防淹高程。若实施困难，可设置相应高度的防淹闸槽，当路面积水深度大于0.50 m时，还应额外考虑0.30~0.50 m的波浪超高。
（2）超标雨水应急。通过模拟计算得出大于城镇内涝防治设计重现期的积水深度，依此作为布置临时挡水设施的防范依据；在地铁站出入口、隧道洞口等部位增设水位探测仪，形成预警预报机制，根据实时积水深度预测地铁水淹风险等级，依据风险等级确定是否采取关闭地铁站、疏散乘客等措施。
03、地铁水淹事故水力特性研究进展
任何地铁防淹措施只能抵御设计重现期以下的内涝积水，然而气候变化导致极端天气更加频繁，超标降雨时常发生。在做好地铁防淹措施的前提下，仍需要对水淹事故相关的水力特性进行研究，为灾害发生后的应急救援工作提供有效的科学依据。
3.1 地面积水入侵过程
确定地面积水入侵过程的水流强度及变化规律是地铁水淹水力特性研究的核心和基础。然而地面积水入侵的形式多样，现有研究仅局限于积水通过阶梯流入地铁这单一过程，对于通风井口、隧道洞口等部位的地面积水入侵过程缺乏研究，有必要进一步分析研究不同的积水入侵过程。
3.1.1 阶梯流量公式
为计算地面积水通过阶梯入侵地铁的流量大小，1990年，高橋保等根据二维平面流模型得出阶梯流量公式，如式（1）所示：
式中 q——单位宽度流量，m²/s；
μ——综合流量系数；
h——以出入口地面为基准的积水深度，m；
g——重力加速度，m/s²。
阶梯流量公式主要与地铁站进出口的形式有关，目前尚无准确的计算方法。对于单宽流量和地面积水深度的关系，国内外学者设置不同形式的出入口拟合得出的单宽流量经验公式（见表3）。
表3 地面积水入侵单宽流量经验公式
从图3中可以看出，地面积水入侵流量随出入口处积水深度的增加呈指数型增加，由于在出入口处设置台阶对水流具有一定的减缓作用，武富一秀和姜利杰的计算结果略小于石垣泰輔的计算结果。
图3 地面积水入侵流量与积水深度的关系
3.1.2 阶梯流水流流态
实际工程中，阶梯的坡度、类型、长度存在较大差异，试验法仅对于有限阶梯数量的直线型阶梯水流特性进行观测研究。基于数值模型的灵活性和适应性，国内外学者对于阶梯上的流态变化过程展开了研究。进行数值模拟能够弥补物理测试手段的不足，可以详细分析阶梯流的流场变化，采用数值模拟方法进行阶梯流水力特性研究是一个重要的研究发展方向。
3.2 地铁水淹过程
雨水进入地铁后，能够在重力的作用下一直漫延到地铁的最深处，甚至通过隧道扩散到相连的地铁站，造成更大范围的损失。为提高地铁水淹事故的应急处理能力，必须对地铁内的水淹过程进行深入研究，才能采取有效措施阻断事故传播，降低地铁受灾程度。
3.2.1 模型试验研究地铁水淹过程
2003年，戸田圭一等根据一维不定常流理论提出了“蓄水池”分析模型，该方法将地铁站、隧道等地下空间视为多个“蓄水池”相互连接组成，根据连续方程，地铁站内水面的上升速度，如式（2）所示：
式中 A——站厅层面积，m²；
h1——站厅层积水深度，m；
Qin——流入站厅层雨水量，m³；
Qout——流出站厅层雨水量，m³。
通过阶梯流入站厅层（站台层）的洪水量可通过阶梯流量公式确定。通过站台层流入隧道中的水量可通过堰流公式确定。
为进一步验证“蓄水池”模型的合理性，2004年，KEIICHI等通过比例尺为1∶30的地下空间模型试验对“蓄水池”模型进行验证，其试验结果与模型分析结果基本吻合。2005年，間畠真嗣等使用“蓄水池”模型对1999年福冈洪水入侵地下空间的事故进行分析，其计算结果与事故记录同样吻合较好，“蓄水池”模型能够再现地铁水淹过程中各部位的积水深度。
3.2.2 数值模拟研究地铁水淹过程
基于网格的流体体积法(VOF)，能够有效还原地铁水淹过程中水深、流速的分布及变化情况，对危险程度较高的部位进行有效地识别，合理制定应急疏散方案。但是，该方法受到网格划分的影响，其计算精度和求解效率还有待提高，仅能够对于单个地铁站的水淹过程进行模拟。现有的地铁站水淹过程模拟均忽略了站内积水由公共区向设备区漫延的过程，模拟地铁站内的水淹过程还需进一步完善。
为有效掌握地铁网络内的水淹过程，日本学者提出利用InfoWorks CS对地铁网络中的水淹过程进行二维模拟。利用InfoWorks CS无需划分和处理网格，大大缩短了计算机的处理时间，能够为列车的运营调度和受困人员的应急救援工作提供有效的参考依据。
3.3 人体失稳判断标准
地铁内部空间较为封闭，影响行人安全疏散的因素较多，不仅包括水深、流速等水力因素，还包括人体的性别、身高、体重、心理状态等个体因素。
鉴于真实人体逃生试验受测试对象生理和心理因素的影响较大，难以建立起人体参数特征与安全疏散标准之间的联系。部分学者通过人体模型受力分析的方法，对水中人体的失稳机理进行了研究。2019年，岡本隆明等则利用比例尺为1∶10的人体模型进行受力分析试验得出，人体滑倒后坐在水中承受的水流作用力约是人体在站立状态下的2~3倍，人体通过狭窄通道承受的水流作用力约是行人通过较宽通道时的1.7倍，极大地增加了人体冲走的风险。
04、结论与展望
近些年来我国地铁水淹事故频发，造成了严重的经济损失和社会影响。如今国内外关于地铁水淹事故水力特性的研究已基本成熟，能够满足工程应用的基本需求。然而，我国的地铁水淹事故多由城市内涝积水引发，整体上可防可控，为科学有效地保障地铁的安全运营，提出未来的研究内容如下：
在地铁水淹事故的防范方面。依托城市内涝防治工程的建设，改善地铁的孕灾环境，通过建设挡水墙、明沟等措施阻断客水的汇入；提高防范措施的针对性，地铁与地面连接部位的类型和数量较多且散布在城市的各个区域中，基于城市内涝模型确定地铁沿线的内涝积水点的数量和规模，科学划分地铁各出入口的防淹等级，制定分级防淹措施；开发超标雨水防范预警系统，实时监测地铁沿线的积水深度并预测地铁水淹风险等级，及时传递城市洪涝信息并调整地铁防淹措施。
在地铁水淹事故的应急救援方面。开展大规模雨水入侵隧道后的水力特性研究，增加人体失稳判断标准的适用场景，为隧道内受困人员的安全疏散提供指导；结合数字孪生技术，建设包括城市内涝模型的地铁水淹事故模型，利用地铁站出入口、隧道洞口处的实时雨水流量监测数据以及地铁内挡排设施的运行数据，核算地铁站和隧道内的水淹范围，为地铁内的人员安全风险评估、财产安全风险评估、列车安全运营调度、应急安全救援等提供准确的参考依据。
