北京市地下轨道交通暴雨内涝灾害脆弱性评估*

2018-03-01朱海燕尤秋菊郝敏娟

安全 2018年2期

朱海燕尤秋菊郝敏娟

1.首都经济贸易大学 2.北京城市系统工程研究中心

近年来，极端天气频繁出现，城市内涝灾害问题日趋严重，内涝不但淹没道路，而且对城市的基础设施带来巨大的考验，出现高压天然气场站被淹、路面塌陷压断地下管线、地铁倒灌等现象[1]。地下轨道交通系统等城市典型基础设施，是城市正常运行和市民正常生产生活的基础保障[2]。北京作为我国的首都以及国际化大都市，经常受到暴雨内涝灾害威胁，地下轨道交通受到内涝灾害的潜在威胁日益凸显[3]。

为了对近年来发生的地铁暴雨内涝灾害进行研究，笔者在选择北京地铁系统作为研究对象的基础上，通过查阅文献、实地考察等方式选取脆弱性评价指标并建立暴雨内涝情景下地下交通轨道脆弱性评价体系，进而分析并评价暴雨这一致灾因子对城市地下交通轨道脆弱性的影响，从而为地下交通轨道有针对性地对暴雨内涝引发的灾害进行预防和治理提供参考依据。

1 研究方法及数据

1.1 研究方法

在自然灾害及气候变化领域，脆弱性被用来表示系统易受破坏、伤害的特性，反映承灾体受影响的程度，暴露、敏感性和适应性被认为是脆弱性的三个主要方面[4]。在自然灾害领域中，从微观角度来看承灾体的脆弱性结构，主要包括承灾体的敏感性，灾害发生后研究系统表现出抵抗灾害的能力以及系统恢复力[5-6]。Gallopin[7]认为研究系统脆弱性主要由系统敏感性及响应能力构成。

承灾体脆弱性的数学表达式可以表示为：

式中：

V—承灾体脆弱性；

S—承灾体敏感性；

R—研究区域应灾能力。

1.2 研究区域及数据

中心城区地铁交通线路及与中心城区联系紧密区域的地铁线路，主要包括1号线、2号线、4号线、5号线、10号线及13号线，共计142座车站。因地铁车站出入口数量过多，本研究为了统计方便，分别从1开始对每条地铁线路出入口进行编号，由于10号线地铁出入口较多因此将其分成两段来进行编号分析。

2 城市地铁暴雨内涝灾害脆弱性指标体系

2.1 可供选择的指标因素

在考虑地下交通轨道的特点及结合前人研究的基础上认为以下因素可作为地下交通轨道暴雨内涝灾害脆弱性指标[8-11]，见表1。

表1 地下交通轨道暴雨内涝灾害脆弱性指标体系

2.2 指标体系的建立

地下轨道交通系统具有隐蔽性的特点，出入口可以看做是暴露于暴雨内涝灾害中的唯一部分，因此,将地下轨道出入口属性作为评价暴雨内涝灾害脆弱性的指标。地下轨道交通系统暴雨内涝灾害下的脆弱性随着其抗洪能力的增强而降低。

（1）承灾体敏感性。根据调查可知北京市地下交通轨道出入口的类型有4种，分别为敞开式、隐蔽式、封闭式以及部分线路属于高架类的。敞开式出入口直接暴露在外，封闭式出入口上方设有遮雨棚，隐藏式出入口主要与火车站、商场等相连，隐藏在建筑物中，敏感性由高到低。其中，地铁车站属于高架类的敏感性也较低，将其作为封闭式入口计算。

（2）研究系统应灾能力。地下轨道交通系统的应灾能力，主要考虑自身应灾能力以及区域应灾能力两个因素的影响。其中，自身应灾能力主要是指其所属区域的排水系统的排水能力的大小。同一区域内，各出入口的应灾能力主要取决于市政雨水排水系统的排水能力，也即主要考虑市政排水泵站的密度分布，管道的达标率两个因素的影响。此外，区域应对暴雨内涝灾害的能力一定程度上取决于政府的支付能力也即政府单位区域面积的财政收入水平。以上各指标数学表达式分别为：

政府支付能力=财政收入/区域面积；

泵站密度=区域内排水泵站数量/区域面积；

管道达标率=管道长度/区域面积[12-14]。

北京市地下轨道交通出入口的排水系统由排水沟和排水泵组成，因为早期北京城市排水系统的设计没有一定规范或者设计记录。因此，笔者假设北京市市政排水管网的排水量主要按照50年一遇的暴雨重现期设计[13-14]。

（3）建立指标体系并确定权重。依据指标的选取标准，通过资料查询、专家咨询及项目组讨论等方法，对初始指标进行分析筛选，建立城市地下交通轨道脆弱性评价指标体系，利用属性层次分析法（AHM）给各个指标赋权重。首先利用AHP方法构建判断矩阵（aij）1≤i,j≤n，aij值可由1～9比例标度确定。再将矩阵(aij)1≤i,j≤n由公式（2）转换为AHM属性判断矩阵(uij)1≤i,j≤n，并由公式（3）计算属性权重ωi。

因篇幅限制，本文以承灾体敏感性影响因子为例，构建两两比较判断矩阵，见表2。

表2 承灾体敏感性判断矩阵

利用转换公式（1）和公式（2）得到单一准则下的测度判断矩阵及相对权向量，以承灾体敏感性判断矩阵为例，见表3。

表3 承灾体敏感性判断矩阵

同理，可以得到各影响因素下不同指标的权重值，见表4。

表4 评价指标及权重

3 城市地铁暴雨内涝灾害脆弱性评价模型

3.1 分析模型的构建

（1）指标数据定量化与标准化处理。因分析需要对指标体系中部分定性数据作定量化处理。其中，敞开式、封闭式、隐藏式敏感度赋值分别为3、2、1；无坡度、坡度较小、明显坡度分别赋值3、2、1。

最后，根据区域应灾能力各指标的计算公式对其分别计算各轨道交通出入口的脆弱性。另外，在进行数据处理前，要对量纲不同的数据进行标准化处理后方能做统一分析。通过分析可知应灾能力各指标及敏感性指标中的出入口台阶高度均与地下轨道交通暴雨内涝情景下的脆弱性呈负相关，因此，将其做以下标准化处理：yij=min(xij)/xij。其中，xij，yij分别表示指标的原始值和标准值；min(xij)则为该指标中的最小值。

（2）脆弱性指数计算。针对指标的不同，本研究在计算承灾体的脆弱性值时利用指标求和的方法，将公式（1）改写为：

式中：

V—脆弱性指数；

S—敏感性指数；

R—应灾能力指数；

W—相应指标的权重值。其中，S和R的计算公式分别为：S=Si×Wi，i=1，2，3；R=Rj×Wj，j=1，2，3

其中，Si是第i个敏感性指标的标准化后的值，Rj是第j个应灾能力指标标准化后的值。

3.2 结果与分析

将相关数据代入上述公式，得到北京市各地铁出入口敏感性值、应灾能力值以及脆弱性值，如图1。

（1）地下轨道各出口敏感性指数。由图1可知，北京市地下交通轨道在暴雨内涝灾害情景下敏感性指数S≤1.5的出入口共计542个，占总出入口的96.44%。敏感性较低的出入口主要具有台阶高度均大于30cm，且多为封闭式或隐藏式出入口的特点。其中，2号线与1号线修建时间较早，有的地铁出入口完全属于敞开式的，对暴雨内涝灾害的抵御能力较弱；13号线又多为高架线路，出入口敏感性基本可以不计；同时，后建的地铁从考虑经济、安全及方便生活的的角度设计，越来越多的地铁出入口与商场或者地下商城相连，也使得地铁出入口的敏感性降低。整体而言，各条地下交通轨道敏感性由高到低依次为2，1，4，10，5，13号线。

（2）各区域应灾能力比较。由图2可知，北京市各城区与应灾能力评估的相关因素虽有差异，例如各城区的政府支付能力相差较大，但是，总体而言各区域的应灾能力指数相差不大。

（3）地下轨道各出入口脆弱性分析比较。由图3可知，北京市地下交通轨道在暴雨内涝灾害情急下的脆弱性较低。脆弱性指数S≤1.5的出入口有555个，占总出入口的98.75%，S＞1.5出入口仅7个，没有大于2的出入口。根据分析，北京市各条地下交通轨道脆弱性排序由高到低依次为4,1,2,10,5,13号线。脆弱性表现最低的为5号线13号线，最高的为4号线1号线。在出入口脆弱性分析中，发现5号线上编号为41、42的出入口脆弱性较高，为1.4729，对应曾经发生过雨水倒灌的地铁5号线崇文门站，而4号线上的西直门站出入口脆弱性也表现的较高，脆弱性指数约为1.534。综上，在暴雨内涝灾害情景下5号线及13号线最不易受到影响。