在极端降雨情景下，针对城市地铁系统的综合地表-地下流体动力学建模与疏散风险评估

《Journal of Cleaner Production》：Integrated surface-subterranean hydrodynamic modelling and evacuation risk assessment for urban metro systems under extreme rainfall scenarios

城市洪水演进与地下空间行人风险研究

　　随着全球气候变化的加剧，城市面临着日益严重的洪水威胁，尤其是地下基础设施。传统的洪水风险评估方法在某些方面存在不足，未能全面反映洪水对地下空间中行人安全撤离的影响。为了应对这一挑战，本研究提出了一种集成的多维水动力框架，用于分析城市洪水演进和地下空间的洪水入侵过程。该模型被应用于中国武汉的一个容易发生严重洪水的城市区域，并结合极端降雨情况下的行人风险评估，从而为城市地下空间的防洪管理提供新的视角。

在城市规划和基础设施建设过程中，地下空间的扩展往往伴随着对洪水风险的忽视。尤其是在快速城市化和经济发展背景下，地下空间的建设常常超越了安全区域，使得洪水风险显著增加。现有的模型主要关注地表洪水的模拟，但对地下空间的洪水过程和人类行为影响的考虑相对有限。这种研究空白限制了对城市洪水影响的全面理解和对防洪措施的有效制定。因此，开发一种能够综合模拟地表和地下洪水过程，并评估行人撤离风险的模型显得尤为必要。

本研究构建的多维水动力模型涵盖了地表径流模拟、排水网络仿真和地下空间的洪水演进。通过将这些模块进行整合，模型能够更准确地反映洪水在城市不同层级空间中的传播过程。这一框架不仅考虑了洪水的物理特性，还引入了行人行为和稳定性评估，从而在洪水模拟中融入了人类安全的维度。在模型验证过程中，研究团队对比了实验数据和数值模拟结果，发现洪水在地下空间中的传播速度较快，尤其是在地铁站等建筑中，洪水能在短时间内淹没多个楼层，对行人撤离造成严重影响。

研究结果显示，地下空间中的洪水演进具有显著的时间和空间特征。例如，在洪水开始入侵地下空间的5分钟内，第一层地下室（B1）的水深迅速达到0.3米，随后洪水溢出至第二层地下室（B2），在15分钟内达到临界水深。这种快速的水深变化对行人的撤离安全构成了直接威胁。此外，研究发现儿童在洪水中的风险远高于成年人，且风险出现的时间更早。例如，在10分钟时，儿童区域中70%的面积被归类为高或极高风险，而成年人仅在13%的区域达到这一风险等级。这种差异主要源于儿童身体结构、反应能力和撤离能力的不同，表明在防洪规划中必须特别关注儿童群体的安全。

从洪水的传播过程来看，地表和地下空间的交互机制在模型中得到了充分考虑。当水深超过特定阈值时，洪水不仅会通过排水系统影响地表，还会逆流进入地下空间，形成更复杂的水动力场。这一现象在地铁站的模拟中尤为明显，显示出洪水对城市交通系统和商业设施的潜在威胁。此外，洪水的流速和深度对行人的稳定性产生重要影响，特别是在紧急撤离时，流速过快或水深过深可能导致行人失去平衡，甚至出现溺水危险。

在实际应用中，该模型可用于预测洪水对城市地下空间的威胁，并为早期预警系统和撤离策略的制定提供数据支持。例如，通过分析洪水传播的速度和范围，可以确定行人撤离的黄金时间窗口。在本研究中，模拟显示从B1层到B2层的洪水传播时间约为10至15分钟，这为地铁运营方制定撤离计划提供了重要参考。同时，研究还提出了针对脆弱人群（如儿童）的特殊保护措施，例如安装防护栏、设置警示标识和制定儿童友好的撤离指引，以减少他们在洪水中的暴露风险。

模型的模拟结果也揭示了城市地下空间在极端降雨事件中的脆弱性。例如，武汉某地铁站的模拟结果显示，在极端降雨事件发生后，地表洪水迅速进入地下空间，导致水深和流速的显著变化。这不仅威胁了行人的安全，也对地铁运营和城市基础设施构成了挑战。因此，研究建议在地下空间设计中引入更多防洪措施，如设置防洪闸门、安装挡水板、提高地铁入口的防洪能力等，以降低洪水入侵的风险。

此外，研究还指出，城市洪水管理不仅仅是技术问题，还涉及社会因素。例如，公众的防洪意识和应对能力对撤离效果具有重要影响。因此，研究建议通过宣传和教育，提高市民对洪水风险的认识，并在极端天气事件发生时采取有效的应对措施。这包括利用社交媒体和实时信息平台发布洪水预警，引导市民避开危险区域，以及通过模拟洪水传播路径，优化城市排水系统和空间布局。

本研究的局限性在于其对行人行为的模拟主要基于静态阈值，而未能完全反映真实撤离过程中的动态因素。例如，人群密度、沟通方式、避险行为和集体决策等因素在洪水撤离过程中可能起到关键作用。未来的研究可以进一步整合这些动态因素，提高模型的预测能力。同时，研究还指出，由于地下空间的复杂性和多样性，该模型的推广需要考虑不同城市的地理、气候和基础设施特点，以提高其适用性和实用性。

总体而言，本研究为城市洪水管理提供了一种新的视角，特别是在地下空间的洪水传播和行人风险评估方面。通过构建一个集成的多维水动力框架，研究不仅揭示了洪水在城市中的快速传播特性，还指出了行人撤离过程中存在的风险，并提出了相应的防洪措施和管理建议。这些发现对于提升城市地下空间的抗灾能力、保障市民安全和实现可持续的城市发展具有重要意义。