基于水动力模型的高铁车站周边排水(雨水)防涝系统优化设计——以长沙高铁南站为例

蒋祺1, 2，郑伯红1

(1. 中南大学 建筑与艺术学院，湖南 长沙 410075；2. 长沙市规划勘测设计研究院，湖南 长沙 410007)

摘 要：针对我国城市普遍存在的洪涝问题，高铁站作为交通枢纽和城市门户，必须构建良好的排水(雨水)防涝系统。从传统经验公式法向模型模拟转变，通过水动力模型MIKE FLOOD对高铁站周边模拟评估内涝风险，针对性提出“改”(对现有的可利用排水收集设施进行改造)；“建”(新建部分排水设施，建立一个独立的高铁站排水系统)；“蓄”(适当的位置建立调蓄水池，排、蓄结合，提高高铁站御极端天气的能力)相结合的排水(雨水)防涝系统优化方案。以期对我国高铁站应对极端恶劣天气，提升防灾抗灾水平提供经验和参考。

关键词：水动力模型；高铁车站；排水(雨水)防涝系统；MIKE FLOOD

自2003年我国第一条高速铁路运营以来，高铁已经成为了我国的国家名片，高铁站带动下形成的高铁新城也成为了城市新地标。随着全球极端天气发生频率趋高，城市排水防涝、防灾减灾已成为城市可持续发展过程中首要解决的问题之一[1−2]。高铁车站属于城市重要的排水防涝设防区域，而由于高铁站一般位于城市新建区域，车站内部的排水系统和周边市政排水防涝系统如缺乏协调和衔接将导致城市重要交通枢纽周边出现内涝问题，使得乘客滞留客运站，严重影响居民出行及生命财产安全，造成重大社会影响和经济影响。近年来，住建部出台的相关规范和文件中提倡采用水力模型对城市现有雨水排水系统进行内涝风险评估、对涝区及内涝积水出路进行分析[3−4]。基于水动力模型模拟的基础上结合雨洪调蓄理念对高铁车站排水(雨水)防涝系统进行优化，将有利于车站内部排水系统与城市市政排水系统的有效衔接，保障城市排水安全，促进城市有效快速的发展。

1 高铁车站排水(雨水)防涝系统模型

随着我国各城市内涝问题日益突出，国内外对于水动力模型研究、开发关注度越来越高[5−10]。美国的SWMM模型、英国的InfoWorks模型、丹麦的MIKE模型和德国的HE模型都是较为成熟、应用较为广泛的水动力模型软件，国内近年来也有专业团队研发类似的模型，比如鸿业的暴雨模拟软件。丹麦水力研究所DHI开发的MIKE系列软件是基于水动力学方程离散求解的，是国际上应用范围最广的排水防涝评估、设计模型[11]。本文采用MIKE FLOOD城市内涝模型对高铁车站排水系统的排水能力进行评估。

1.1 MIKE FLOOD模型原理

MIKEFLOOD模型的基本参数包括数值参数和物理参数，其中数值参数主要与方程的迭代解有关，如迭代次数和迭代计算精度。物理参数包括床层阻力系数、动边界计算参数和涡粘性系数。在对水力学特性进行模拟和求解时，首先将计算区域划分为网格，然后将微分方程转化为基于每个网格的代数方程，然后将代数方程组合成总代数方程组。最后，在一定的初始条件和边界条件下求解方程，得到区域内各节点的物理量。在城市水淹分析中，平面尺度比垂直尺度要大得多，流速、水深等水力参数沿垂直方向的变化远小于沿水平方向的变 化[12−13]。因此，在MIKEFLOOD模型中，沿水深积分三维流动的控制方程，得到水深的平均值。在此基础上，进一步求解二维水流沿水深平均值的基本方程、基于数值解的二维浅水方程，沿水深积分的不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程，并采用有限体积法将模拟范围离散为多个网格单元，采用显式时间积分[14]。

连续性方程为

(1)

X方向动量方程为

(2)

Y方向动量方程为

(3)

式中：d为水深，m；ζ为水位，m；h为d与ζ之和；p和q分别为x和y方向上的流量通量，m3/(s∙m)；c为谢才系数，m1/2∙s−1；g为重力加速度；f为风阻力系数；v，vx和vy分别为风速和风速在x和y方向上的分速度，m/s；Ω为柯式参数；Pa为大气压，kg/(m∙s2)；ρw为水的密度，kg/m3；τxx，τxy和τyy为各有效剪应力组分。

1.2 模型构建技术路线

首先根据收集的现状管网资料以及规划地形竖向标高构建城市管网模型以及二维地标漫流模型，其次根据积水点的历史记录与模拟结果的比对，对建立好的模型进行率定与调整。利用模型结果对研究区域的排水状况进行分析，特别是对重点积水区域以及积水产生的原因进行分析，最终对现状排水管网排水能力及区域内涝风险采用水动力模型模拟评估。结合模型模拟结果，提出合理的改造方案。

1.3 高铁车站水动力模型构建

1.3.1 基本数据及参数设置

MIKE FLOOD模型输入的动力学相关参数主要包括设计雨型、模拟时长及步长、平均坡面流速、管道曼宁系数、检查井局部水头损失等。某高铁车站周边排水系统模拟的参数选择如下。

1) 设计雨型

培养儿童的好奇心，归根结底就是为了生活。通过激发儿童的好奇心，使他们具有探索的精神，不断积累经验，从而更好地适应生活。成人应放手让儿童自己去探索，让他们在亲身活动中动脑、动口、动手，使得生活经验不断累积，才能更好地生活。

根据某市最新暴雨强度公式：

0.25 a≤T<10 a 时：

T≥10 a时：

式中：q为设计暴雨强度，L/s·ha；P为设计重现期：城市建设用地P=3 a，立交桥、广场等重要地区P=3~5 a；t为降雨历时，min：t=t1+t2；t1为地面集水时间：t1=10 min；本次模拟评估中暴雨重现期取短历时2 h设计降雨，雨型为芝加哥雨型，雨峰系数采用0.4，短历时设计降雨结果(重现期分别为3，5，30和50 a)[15]。

(2)功能现代化。①节能：外墙有防火隔热层，采用导热系数低的外墙材料，节能降耗；②隔声：内隔墙均采用隔热隔声处理；③防火：使用阻燃材料，防止火灾的波及和蔓延；④抗震：大量使用轻质材料，降低了建筑物自重，增加了装配式软性连接。

2) 模拟时间步长

模拟时间步长与降雨数据时间间隔一致，一般而言，模拟的时间步长取值1~10 s之间，模型计算会根据稳定性自动在此区间内条件模拟步长。

3) 平均坡面流速

每一个集水区的平均流速，决定了该段管道的汇流时间。高铁站周边模拟的平均坡面流速经计算后取0.15 m/s。

近几年河南省高校一直引进健美操专业的高学历人才，使河南省高校健美操教师男女比例差异大且年龄趋于年轻化；据国家教委对高校师资应具有研究生及以上学历要求，与当前河南省健美操教师的实际情况相结合，发现河南高校健美操教师学历层次方面存在差距，这对其健美操的相关科研发展有一定的影响。最后，体院培养健美操专项方向的教师时间短，从事健美操方向的专业教师也就少，在允许自由选课前提下，学生选学健美操人数却很多，从而出现健美操教师缺编的问题，学校对健美操教师的培养不能够满足学生们的选课需要，因此，需要对高校健美操教师专业结构进行调整和改进。

4) 检查井局部水头损失

在计算过程中，不考虑检查井造成的水头 损失。

1.3.2 管网模型建立

搭建管网模型是模拟评估片区排水系统的关键。现状雨水管网模型是依据现状实测管网数据搭建的。主要搭建步骤包括：将CAD 数据导入模型数据库；进行管道拓扑关系建立以及数据高程信息检查；为检查井的直径大小进行赋值；根据雨水管网的分区系统进行集水区划分；连接集水区与检查井；设置模型降雨条件以及边界水位条件，如图1所示。

图1 某高铁车站周边现状雨水管网模型

Fig. 1 Model of current rainwater pipe network around a high-speed railway station

1.3.3 地形处理及耦合模型搭建

地形数据的主要用途是为模型提供数字高程模型(DEM)用于耦合模型计算。耦合模型中，地表漫流模型是关键的因素，因此，这对于数字高程模型(DEM)的精确度有严格的要求。数字高程模型(DEM)是描述地表起伏形态特征的空间数据模型，由地面规则格栅网点的高程值构成的矩阵，形成栅格结构数据集。从原始数据制作精确的DEM 数据需要通过高程提取和后期数据处理等关键步骤[16]。模拟评估中，最终现状数字高程模型(DEM)的制作，要包括以下步骤。

Step 1：从规划路网交叉口规划竖向及下穿段设计竖向中提取散点信息并且删除异常高程点；

Step 2：对缺少高程值的区域(如水系覆盖区域)进行赋值；

Step 3：通过插值的方法，将高程点信息制作为不规则三角形地形网格(TIN)；

Step 4：应用ArcGIS工具，通过TIN制作网格大小为10 m的数字高程模型；

Step 5：根据管网普查数据中，地面高程值，修改主干道路的高程。

地形处理完成后，将城市排水管网模型同二维地表漫流模型耦合模拟计算。具体分为：

城区排水管网模型的每一个检查井与二维地表模型相应的计算网格耦合；定义城区排水管网模型的每一个排出口对应的水位高程，如图2所示。

图2 某高铁车站周边管网模型与地形耦合图

Fig. 2 Coupling of pipe network model and topography around a high-speed rail station

2 高铁车站排水(雨水)防涝系统优化设计——以长沙高铁南站为例

2.1 长沙高铁南站排水系统现状

长沙高铁南站隶属广州铁路(集团)公司管辖，为中南地区区域铁路交通枢纽。建筑面积近 20 万m2，规模为13台28线，京广深高铁，杭长高铁和长昆高铁在此交汇。高铁南站外围排水系统包括劳动路、京珠高速、香樟路、川河路围合的范围，共计3.75 km2，内部排水系统由车站与站前东、西广场以及相邻的支路1、支路2、红旗路、花候路组成共0.46 km2。

2.2 高铁车站排水(雨水)防涝系统模型评估结论

构建长沙市高铁南站排水(雨水)防涝系统模型，参考长沙市排水防涝综合规划中规定的管网标准3 a一遇、内涝标准50 a一遇的标准对片区排水防涝系统进行模拟。在3 a一遇2 h降雨情景下，模拟结果显示花候路下穿段，支3路下穿段积水严重均大于50 cm，具体模拟结果如下：

1) 高铁车站紧邻的花候路、支2路、支3路下穿段在降雨达到设计标准时，出现积水，其中花候路下穿段积水严重。

2) 高铁车站外围的曲塘路(京珠高速~花候路)段、香樟路(京珠高速~谭白路)段、花候路(杜花路~香樟路)雨水管道仅能满足2 a一遇暴雨重现期降雨要求。

图3 长沙高铁南站排水(雨水)系统图

Fig. 3 Drainage (rainwater) system diagram of Changsha high-speed rail south station

图4 长沙高铁内涝淹没分析图

Fig. 4 Influx analysis of high-speed rails in Changsha

2.3 高铁车站周边排水(雨水)防涝系统优化设计

结合长沙高铁南站周边排水防涝系统评估结论进行分析，高铁车站排水系统存在内涝风险的原因有2个方面：一方面高铁车站周边的市政排水系统排水能力不足，导致高铁车站雨水不能顺畅接入市政排水系统及时排出。另一方面高铁南站内部排水措施单一，排水管道及附属设施淤积严重，再加上排水设计标准低，应对超标降雨的工程措施单一等多方面因素造成高铁南站西广场内涝风险大。在水动力模型模拟的基础上，对高铁车站排水(雨水)防涝系统进行优化，采用改、建、蓄为一体的综合工程措施系统解决高铁车站淹水问题，如图5所示。

改：对现有的可利用排水收集设施进行改造；

建：新建部分排水设施，建立一个独立的高铁南站排水系统；

蓄：适当的位置建立调蓄水池，排、蓄结合，提高高铁南站抵御极端天气的能力。

图5 长沙高铁车站周边排水(雨水)防涝系统优化流程图

Fig. 5 Flow chart of drainage (rainwater) flood prevention system optimization around the high speed rail south station

2.3.1 雨水量计算

长沙高铁车站总汇水面积为41.1 ha，其中西广场汇水面积为15 ha，东广场汇水面积为21.6 ha，国铁站场汇水面积为4.5 ha；高铁车站广场以东西向、南北向中线为界分为4部分，经泵站提升后汇入设计黎托雨水泵站，最终排入浏阳河内，国铁站场低区雨水经泵站提升后排入谭白路市政雨水管内；暴雨重现期取50 a，通过模拟计算，低区雨水量见表1。

2.3.2 调蓄池规模论证

为提高该区域抵御极端天气及事故时的排水能力，本次设计 3座雨水调蓄池，总调蓄容积为 12 000 m3，分别为谭白北路调蓄池2 500 m3，谭白南路调蓄池 2 500 m3，黎托调蓄池7 000 m3。

表1 高铁车站雨水水力计算表

Table 1 Rainwater hydraulic calculation table of high speed rail station

区域汇水面积/ha暴雨重现期径流系数设计暴雨量/(m3∙s−1) 西广场15北侧7.5050 d0.855.56北侧2.78 南侧7.50南侧2.78 东广场21.6北侧10.88北侧4.0 南侧10.8南侧4.0

1) 谭白路调蓄池

首先，谁来进行解释?按照惯例，似乎最高人民法院责无旁贷，而且1991年民事诉讼法典出台后，1992年最高人民法院便出台了全面的司法解释，在实践中发挥了积极的作用。然而，小额诉讼的解释似乎远非如此简单，因为前已述及，小额诉讼只是一项制度，不是一个独立的程序，民诉法第162条没有对小额诉讼程序作出规定，“巧妇难为无米之炊”，最高司法机关如何来对没有的事项作出解释?这实际上需要对小额诉讼程序进行具体创设，而这已经超出了司法解释的范畴，最高司法机关没有能力完成此项具有法律创设意蕴的法解释。

谭白路调蓄池调蓄模式为先抽后调，当降雨为(100 a一遇)超过设计标准(50 a一遇)时，设计排涝设施无法排除超标雨水，雨水进入调蓄池，调蓄池有效容积采用传统与模型计算法综合确定，具体如下：

① 传统法

Q1=F×q

其中：Q1为超标降雨量，m3；F为超标降雨面，m2；q为超标降雨量，m。

高铁南站西广场、支2路、支3路、花候路下穿部分为区域低点，超标降雨时地面雨水漫流至该区域，通过对地形的分析可知，超标降雨时汇入南站低区降雨面积为=429 800 m2；通过对降雨雨型的分析可知100 a一遇最大2 h降雨量为141 mm，50 a一遇最大2 h降雨量为130 mm，则超标降 雨量q=0.011 m；综上，Q1=F×q=429 800×0.011= 4 727.8 m³

② 模型法

根据MIKE FLOOD模型模拟结果分析可知本次和平闸排水区域主要积水区域为支2路、支3路及花候路下穿部分，积水深度 20~60 cm，积水区面积为 1.2 ha，积水总量为 4 800 m3。

表2 谭白路调蓄池计算表

Table 2 Tan Bailu storage tank calculation table

计算方式超标降雨量/m3平均超标降雨量/m3谭白北路设计调蓄容积/m³谭白南路设计调蓄容积/m³备注 传统法4 727.84 763.92 5002 500总调蓄容积为5 000 m³满足要求 模型法4 800

综上，超标降雨量为 4 763.9 m3，谭白路南北调蓄池服务面积相同，故设计谭白北路、南路调蓄池容积各为2 500 m3，西广场总调蓄容积5 000 m3满足要求。

2) 黎托调蓄池

黎托调蓄池为边抽边调模式，黎托调蓄池主要作用为调节雨峰雨量，降低泵站规模，其次储存超标降雨，增强东广场抵御极端天气以及超标降雨能力，用于削减洪峰流量时，雨水调蓄设施有效容积按以下模型计算：

(4)

式中：V为调蓄池有效容积，m3；α为脱过系数；Qi为调蓄池上游设计流量，m3/min；b和n为暴雨强度公式参数；t为降雨历时，min。

本次设计黎托调蓄池(低区)脱过系数取 0.63，降雨历时为 25 min，Qi按50 a重现期计算为816 m3/min，经计算黎托调蓄池容积为V=6 574.26 m3，本次设计取 7 000 m3，如表3所示。

2.4 雨水系统设计

针对高铁车站雨水系统存在的问题，本次提出的高铁车站周边排水(雨水)防涝系统优化方案包括：改造花候路下穿段进入雨水泵站的进水管，保证下穿段雨水快速进入泵站，不造成地面积水；同时，对西广场排水设施进行提质改造并新建东广场雨水系统，最终建立一个独立集中出流“南站雨水系统”，如图6所示。

表3 调蓄池规模汇总表

Table 3 Summary of the storage tank scale

谭白北路调蓄池谭白南路调蓄池黎托调蓄池 计算有效容积/m³2 381.952 381.956 574.26 设计有效容积/m³2 5002 5007 000

具体而言，在MIKE FLOOD模型模拟的基础上，西广场南、北区低区雨水分别通过 d1200 雨水管进入南、北区雨水泵站，经泵站提升后分别经过支2路、支3路 d700-d1350压力管会同东广场低区雨水经过d2200雨水管自流进入设计黎托雨水泵站，最终排入浏阳河内；通过系统的分析并根据地形地势于谭白北路、谭白南路、黎托公园处新建总调蓄容积为12 000 m3调蓄池，增强南站抵御事故及极端天气的能力。

图6 高铁南站周边排水(雨水)防涝系统优化方案

Fig. 6 Optimization of drainage (rainwater) flood prevention system around the high-speed rail station

3 结论

1) 在对比实际积水点位置、积水深度后，认为以现状管道、泵站、地形为基础构建的MIKE FLOOD水动力模型平台能较为真实的模拟对高铁站周边在不同暴雨情况下内涝淹没过程。

2) 作为代表城市形象的交通枢纽，高铁周边的排水设计标准应高于一般地区。

因此，引入“药素”，精准把控尤为必要。由前述超分子化学对中医药理论的诠释可知，中医临床治病的辨证施治、随证加减是基于中药制剂超分子“印迹模板”特征的“药素”使用规律的前提下，强调与证候相应“印迹模板”作用的明确性，使用的安全性，质量的可控性，更注重中药复方制剂所特有“药素”配伍的灵活性。因此，对于中药复方的配伍研究可将中药饮片加工成可调配的颗粒饮片，包括单“药素”与混合“药素”不同类型，使用时根据病证治法对“药素”的需要，设计出最适宜的“药素”调配方案，真正建立起基于中药“药素”调配规律，与病证“印迹模板”关联的现代中药调配体系。

3) 结合模型模拟提出应充分考虑高铁站汇水范围，采用调蓄池与管网相结合的排水(雨水)防涝系统优化方案，能有效应对极端天气带来的洪涝灾害，为构建安全、可靠的高铁站交通枢纽排水系统提供科学依据。

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(编辑 蒋学东)

Optimal design of drainage (rainwater) flood control system at high-speed railway stations based on hydrodynamic model: A case study of Changsha high-speed rail station

JIANG Qi1, 2, ZHENG Bohong1

(1. School of Architecture and Art, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Changsha Planning and Design Institute Co., Ltd, Changsha 410007, China)

Abstract:As a transportation hub and urban gateway, high-speed railway stations must establish a good drainage (rainwater) flood control system to cope with the flooding problems that prevail in cities in China. Transformation from the empirical formula used in traditional design to model simulation, and based on the hydrodynamic model MIKE FLOOD, a simulation evaluation of the risk of internal pollution around the High-speed Rail Station was conducted. The optimization plan of the drainage (rainwater) flood control system combining “reform” (renovation of available drainage collection facilities), “build” (build a new drainage facility and establish an independent high-speed railway station drainage system), and “storage” (establish a reserve pool in an appropriate location, combine drainage and storage, and improve the capacity of high-speed railway station to resist extreme weather) was targeted. With a view to providing high-speed rail stations in China to deal with extreme weather, this paper provides experience and reference to improve the level of disaster prevention and disaster relief.

Key words:hydrodynamic model; high-speed railway station; drainage (rainwater) flood control system; MIKE FLOOD

DOI: 10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.05.005

中图分类号：TU992.1

文献标志码：A

文章编号：1672 − 7029(2019)05 − 1146 − 08

收稿日期：2018−06−27

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51478470)

通信作者：郑伯红(1966−)，男，广东韶关人，教授，博士，从事生态规划与工程规划研究；E−mail：[e-mail]