近几十年，随着城市地铁交通的快速发展，世界各国对于地下空间的开发利用程度越来越深入，同时地下空间遭受暴雨洪涝灾害的事件也时有发生，对人民生命财产和社会安全稳定带来了极大隐患^[1].2007年8月，一场大雨引发纽约地铁严重积水，多条地铁线路大面积停运，地铁运输系统瘫痪.2012年10月，受飓风“桑迪”影响，纽约的地铁系统设施遭到洪水的严重破坏，部分地铁站的洪水淹到了天花板，给纽约地铁造成了有史以来最大的损失，如图 1为雨水倒灌入隧道，纽约金融区的地下车库受到洪水冲击.2011年6月23日，受特大暴雨影响，北京市区内部分区段线路停运，如图 2所示为北京地铁4号线陶然亭站口发生雨水倒灌，台阶上形成了“水瀑布”.

城市地下空间发生洪涝的原因主要有以下几点：首先，城市化引起的“热岛效应”使城市上空更容易形成凝结核、热湍流和机械湍流，进而产生降雨，全球变暖使海水温度升高，导致水循环加快，降雨量增多，降水分布不均，大暴雨这样的极端降水事件发生的频率增多；其次，城市下垫面的改变，道路硬化，使得地表的入渗量几乎为0，径流总量增大，雨水汇流速度提高，洪峰出现的时间提前；而且，道路边沟、密布的雨水管网和排水沟等排水系统，增加了汇流的水力效率，导致径流量和洪峰流量加大，城市排水管网的设计重现期相对欧美发达国家普遍偏小；国内对地下空间防洪的研究和应对措施还不够健全.

随着计算机技术的发展和应用，数值模拟可以在一定程度上预测洪水^[2].在地下空间防洪方面，研究比较早的国家是日本，对于地下空间水侵过程的数值模拟，日本学者采用了一维、二维以及三维的蓄水池模型和VOF模型来模拟地下空间的进水量以及洪水扩散过程^[3].2003年Dutta等人分析了日本福冈地区地下空间洪水的特点，采用Java语言程序建立了2D的洪水扩散模型，模拟地下空间进水量，并得出地面积水深度对地下空间进水速度有很大影响的结论.Toda K在2004年提出的蓄水池模型是地下空间内部模拟较为成熟的理论，他将地下空间视为多个相互连通的蓄水池，洪水的扩散表现为相邻蓄水池间水流的流通，并用该模型对福冈市1999年的水灾进行了模拟^[4].

我国对地下空间的防洪研究起步较晚，对其机理深入研究较少，而地铁站点的防洪排涝是城市发展过程中亟待解决的问题，但由于地铁在我国的交通运输业中属于发展较迟的一门新开发的交通事业，目前相关研究成果很少，文献检索发现该类研究在国内尚不多见，仅王喜东、刘少雄、苏纷纷几位学者就香港地铁黄竹坑站施工阶段的防洪问题作过探讨，因此，地铁防洪排涝研究继续提上日程^{[5, 6]}.

本研究利用ICM模型对武汉市的虎泉地铁站及周边区域的排水系统进行不同降雨重现期下的模拟，详细分析了该区域在不同降雨情景下的水灾风险并提出改造建议.

1 ICM介绍

本研究采用的模拟工具是ICM(integrated catchment management model)模型，即城市综合流域排水模型，是由英国Wallingford公司开发，专为污水和雨水模型设计的前沿仿真模型，可以完整模拟城市雨水循环过程、雨污水收集系统的工作状态，以及排水管网系统与地表收纳水体之间的相互作用.特别地，ICM模型具有城市洪涝灾害的预测评估及解决方案的决策支持功能，能够对任意降雨条件、任意的水工构筑物运行状态和边界条件进行仿真模拟，为使用者提供管渠流量、水位、流速、充满度以及泵的启闭状态等信息，从而对雨天排水系统的运行进行准确的描述.针对本研究的需要，由于模型中需要考虑的因素繁多，例如地铁口台阶、路边石高度以及雨水在道路上的二维漫流等因素，ICM模型是最为理想的模拟工具.

ICM包含排水管网系统水力模型和二维城市/流域洪涝淹没模型，排水管网水力模型包括水文模块和管流模块.水文模块主要模拟地表径流的产流和汇流过程.降落在城市地表的降雨转化成截留、地面填洼、渗透、直接地面径流，得到进入雨水口的地面径流.径流进入雨水管道同基流会合，流过地下管网系统、辅助设施、溢流口等等，最终进入受纳水体.ICM 采用分布式模型模拟降雨-径流，基于详细的子集水区空间划分和不同产流特性的表面组成进行径流计算，主要计算单元包括：初期损失(即降雨初期阶段的截留)、初期湿润和填洼等不参与形成径流的降雨部分.城市集水区的产流过程就是暴雨的扣损过程，当降雨量大于截留和填洼量，且雨强超过下渗速度时，地面开始积水并形成地表径流，这一过程通过产流模型进行描述,即径流体积模型.此单元确定有多少降雨经集水区进入排水系统.ICM集成了目前广泛应用的多种模型选项，如固定比例径流模型、Wallingford固定径流模型、美国SCS模型以及Green-Ampt渗透模型等.汇流模型采用非线性水库和运动波方程计算坡面汇流，则需要定义每一种产流表面的汇流参数，即该种产流表面的曼宁粗糙系数.对于管流模块，ICM的水力计算引擎采用完全求解的圣维南方程模拟管道和明渠流.

二维城市/流域洪涝淹没模型，即地面洪水演算模型，是根据地面高程模型并考虑道路、建筑物等对水流的引导和阻挡作用，考虑地面上不同类型地块的糙率对流速的影响(如道路、草地等)和地面的下渗作用，并考虑不同精度的网格和湖泊、河道等水位边界，模拟出洪水在地面上行进的过程，适合模拟由于排水系统产生的积水水流通过复杂几何地形的情况.

2 模型建立 2.1 研究区概况

本研究区域为武汉市虎泉地铁站及其周边约35.48 hm²的地块，位于主城区的商业繁华地段，该区域有建筑物、道路、草地、广场、工地等多种类型的地表，所以本研究拟采用3种产流表面类型，分别为建筑物、道路和综合区域，这里的“综合区域”是对该区域除了建筑物和道路以外的地表类型的概括.虎泉地铁站位于武昌卓豹路和卓刀泉南路交汇处的东侧，所在的位置是武汉市地势较低的区域.地铁站的4个出入口如图 3所示.

2.2 建立过程 2.2.1 排水系统数据库的建立

根据该区域排水管网设计图，检查井、雨水口和管道的信息被录制成CSV的格式，导入至ICM中.汇水区的相关信息则在Arcgis^[7]平台上转成.shp格式文件导入至ICM.研究区被简化为13块子汇水区，21个检查井，1个出水口，88个雨水口，21根排水主干管和88根排水支管.如图 4所示，黄色点代表地铁站4个出口周边管路的雨水口，红色点代表检查井.

2.2.2 研究区地面模型的建立

为了模拟雨水洪水在地面上的流动扩散，需要建立该研究区的地面模型.由于缺乏该区域的详细地形资料，从排水管网设计图上获取的部分高程数据被录制成txt文件导入ICM，初步生成的地面模型需要根据实地调研所掌握的情况不断进行修正(如图 5所示)，图 6为虎泉地铁站B出口的示意图.

2.3 模型参数

参考ICM帮助手册中的相关内容以及《室外排水设计规范GB50014-2006》^[8]的相关规定，并结合研究区的实际发展情况，3类产流表面建筑物、道路和综合区域的径流系数分别定为0.9、0.85和0.45，汇流参数分别定为0.02、0.02和0.2.

2.4 降雨事件

降雨过程线是城市暴雨模型的主要输入数据，可以是来自当地气象局的雨量记录，也可以通过人工合成获得.本研究采用的是国内适用性较好的芝加哥雨型^{[9, 10]}合成2 h的降雨事件，模拟时间为4 h.设计暴雨强度采用2000年修编的汉口地区暴雨强度公式^[11]：

式中：q为降雨强度，L/(s·ha)；P为设计降雨重现期，a；t为降雨历时，min.

式中：i为降雨强度，mm/min.

则暴雨过程线可分为峰前上升段和峰后下降段，峰前上升段：

峰后下降段：

式中：i_a、i_b为瞬时暴雨强度；a、b、n为暴雨强度公式中的地方参数；t₁、t₂分别为峰前与峰后的时间；r为雨峰系数(峰前历时与总历时之比)，本模型取r=0.4^{[12, 13]}.

3 结果及分析 3.1 模拟工况及结果

为明确地铁站能抵御的最大暴雨强度，将对不同暴雨重现期的降雨进行模拟研究，拟采用的模拟工况如表 1所示.

地铁站4个出入口处洪水深度的模拟结果如图 7所示.对于地铁站A、D出口，即使遭遇100 a一遇的洪水，该处的洪水深度也没有超过0.3 m，而对于地铁站B、C出口，在40 a一遇的时候，该处的洪水深度就已经达到0.3 m，所以地铁站所能抵御的最大暴雨重现期为40 a一遇的降雨.

3.2 模拟结果分析 3.2.1 出水管的负荷分析

水管渠道的出水口通常位于河道两侧，保障出水口排水的通畅对上游防洪排涝具有重要意义.图 8为在不同降雨重现期下该研究区域出水管的负荷情况.

在7类降雨情景下，出水管的负荷最高值为0.85，均为非满流，在出水口不被淹没的情况下可顺利排水.

3.2.2 地表径流分析

地表径流的结果分析可以综合反映研究区内自然地理要素对径流量的影响.ICM可以模拟建模区域内的降雨量、渗透量、地表蓄积量、地表产流量和径流系数等，通过模拟，既可获得单个子汇水区的上述结果，也可对整个系统内的上述径流数据进行分析.

通过ICM对研究区在7场不同暴雨重现期下的降雨模拟，得出了B、C出口处在降雨重现期40 a及以上时有被淹风险的结论，类似的结果通过SWMM^[14-16]模型对该区域的模拟也得到了验证.表 2所示为不同降雨重现期下ICM和SWMM模型模拟结果中地表径流结果的汇总.

地表径流系数的结果分析显示，不同降雨情景下研究区域内径流系数都较高(＞0.6)，主要是由于研究区域内地表主要由建筑物和不透水道路组成，造成下渗和洼蓄的损失水量很少，水流在地表和排水管网中的汇流历时和滞后时间大大缩短，径流系数增大.

3.2.3 B、C出口周边管路满流状况分析

管道若负荷过大会导致排水不畅，使上游节点积水，甚至溢流形成洪水，也会影响管道的正常使用年限.通过对地铁站B、C出口周边管道负荷的模拟结果(见图 9和表 3)分析可知，在40 a一遇降雨时，超过2/3的管道满流时间大于30 min.

从以上模拟结果得知编号3、4、5、6、7、8、9、10、11的管道满流超过30 min.通常，管道排水能力不足分为两种情况，第一种是设计重现期小导致管道本身的设计管径太小，第二种是管道的埋设坡度设置不够合理.在ICM中对排水管道能力评价分以下几种情况，当负荷数小于1时为非满流状态，当负荷数等于1或者2时为满流状态，负荷数为1时管道中水面线的坡度小于或者等于管道的埋设坡度，负荷数为2时管道中的水面线坡度大于管道的埋设坡度，这类管道的存在会导致上游管道排水不畅，甚至节点产生溢水，是工程改造的重点.通过进一步的模拟分析，暴雨重现期为40 a一遇情景下，管道负荷数出现2的管段是编号为7、8、9、10、11的管道，故这几根管道将是后期管网改造的重点.

4 结论

基于ICM模型，利用芝加哥降雨合成法生成的不同降雨重现期下的降雨过程线对武汉市虎泉地铁站及周边排水系统进行模拟和评估.通过模拟，得到了不同降雨重现期下，地铁站4个出入口处的洪水深度变化过程线.当降雨重现期≥40 a一遇时，地铁站的B、C出口有被淹的风险.一般地，地铁站管理人员对地铁站在何种降雨强度下有洪涝风险所知甚少，对于一个给定的地铁站及其周边区域的洪涝分析和预测，本文中的模拟和分析方法将会有工程指导意义.

通过本文对地铁站周边排水系统的分析可见，该地铁站周边区域的开发密度过高，综合径流系数偏大，对地铁站的防洪安全颇为不利.编号为7、8、9、10、11的管道在埋设坡度的设计上有一定的缺陷，影响地铁站区域排水效率，因此，建议对以上编号的管段进行加大管径和埋设坡度的处理.并且，为了减少地铁站的B、C出口雨水倒灌的风险，地铁相关建设部门可适当增高该两处出口台阶的高度.