陳 峰, 劉曙光

(1.上海宏波工程咨詢管理有限公司,上海 201707; 2.同濟大學 土木工程學院,上海 200092)

0 引 言

城市空間建設的立體化、多元化和多維化,使得位于地面和地表水以下的可利用空間大量出現(xiàn),成為城市的“二度空間”,如:地下軌道交通、地下車庫和民防工程、地下商業(yè)綜合體、地下綜合管廊、下穿立交、隧道、通道、下沉式廣場等。隨著我國城市發(fā)展和規(guī)模擴大,城市規(guī)劃建設與傳統(tǒng)獨立建設的地下空間相比,更加強調(diào)地下空間的互聯(lián)互通,鼓勵軌道交通車站與相鄰地下空間相互連通,打造連片成網(wǎng)、系統(tǒng)開發(fā)的地下空間綜合體[1-2]。但伴隨著地下設施連通和規(guī)模擴大,城市地下空間分布呈現(xiàn)復雜性,應對災害難度也極大地增加。由于地下空間受環(huán)境的約束遠大于地面空間,空間形態(tài)呈封閉式或半封閉式,處于防御不利的地位,在遭遇諸如洪澇水淹、工程事故以及地質(zhì)災害引發(fā)的水患災害時,一旦響應不及時或應對不當,極易造成巨大的災害損失和人員傷亡。近10 a全國多個一、二線大城市,如北京、上海、廣州、鄭州、南京、深圳、杭州、廈門、濟南、成都等遭遇極端大暴雨(2021年鄭州“7·20”特大暴雨、2012年北京“7·21”特大暴雨、2013年上海“9·13”特大暴雨、2021年廣州“7·30”大暴雨)均發(fā)生過嚴重的地下空間水淹和下穿通道淹沒的災害事件, 對社會、環(huán)境、經(jīng)濟的影響巨大。

我國現(xiàn)今大部分城市地下空間開發(fā)利用規(guī)模正處于快速上升階段,對應的各類災害問題已表現(xiàn)出漸趨增多和嚴重的態(tài)勢。目前,在城市國土空間功能動態(tài)演變和極端氣候事件呈頻發(fā)趨勢的背景下,大規(guī)模分布復雜且連通的地下空間如何在社會成本——效益平衡的條件下有效應對水災害,在國際和國內(nèi)都仍是一個嶄新和重大的挑戰(zhàn)。因此,為保證城市地下空間領域的科技發(fā)展,持續(xù)開展城市地下空間應對各類水災害的技術研究、有效提升城市地下空間的韌性防御能力、減輕災害損失,對保障社會安全和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展十分重要。

綜上所述,有必要厘清地下空間水災害的核心科學問題和關鍵技術問題,探索實現(xiàn)路徑,解析各類水災害要素的響應關系,為城市地下空間水災害防治領域的科技發(fā)展提供理論支撐。

1 國內(nèi)外地下空間水災害防治研究現(xiàn)狀

20世紀90年代日本經(jīng)系統(tǒng)研究后,從洪水預警預報、防災體制的建立、不同保護對象的防御策略、擋水設備的研發(fā)、水防訓練及避難等方面制定了地面洪水侵入地下空間的防洪減災對策,繪制了洪水風險圖[3-4];發(fā)布了地下空間防災避難導則[5-6],明確了連通地下設施管理者之間的合作機制,探討了大規(guī)模地下空間一體化的避難方案和相互協(xié)作訓練;采用物理模型測試不同年齡組人員在水淹環(huán)境中的逃生避難可能性試驗[7]。并在東京、大阪等土地寶貴的大都市修建了地下調(diào)洪水庫和分洪隧道。

歐、美、亞洲多國根據(jù)洪水期間受災情況,在對地下空間防災研究的基礎上提出了一系列的應對策略和措施。如:馬來西亞水利灌溉局制定了地下車庫防洪導則,要求地下車庫開展風險評估,按防洪百年一遇或二百年一遇標準采用水文估算確定防洪標高,制定防洪措施和構建洪水監(jiān)控、預警系統(tǒng)[8];加拿大制定了相應《洪災減輕計劃》,通過設置分洪河道和洪泛區(qū)的保護,以及土地利用規(guī)劃的控制,降低洪水對城市及地下空間造成的損失;美國制定了《洪水災害防御法》,推行“全國洪水保險計劃”,并通過編制洪水風險分區(qū)圖和洪水預警系統(tǒng),降低災害損失,提升災后恢復能力。歐洲各國如英國、德國、法國等,主要采取加強雨水管理和土地規(guī)劃利用,興建地面、地下雨水調(diào)蓄設施,增加城市綠化面積,加強洪水預警預報,來提升城市應對洪澇災害的韌性防御能力,降低災害損失和影響[9]。

從國外研究現(xiàn)狀可知,國外學者較為關注災前預警預報、災中人員逃生避險、災后應急恢復。由于早期城市地下空間建設沒有足夠的經(jīng)驗、認知和研究基礎,因此,發(fā)達國家針對大型城市已形成的既定地下空間格局的洪澇災害問題,重點關注運維管理、洪水保險和土地規(guī)劃利用方面的研究,主要集中在使用過程中對已發(fā)生的災害問題進行彌補,采取局部改造和增強預警預報系統(tǒng)管理等措施,通過土地利用規(guī)劃,增加城市綠地和雨水調(diào)蓄及分洪能力;加強洪泛區(qū)的管理和土地使用功能的復合,提高應對災害的韌性能力,達到減少災損和快速恢復城市功能的目的。

國內(nèi)關于城市地面洪澇災害對地下空間安全影響的研究仍處于起步階段。隨著城市地下空間規(guī)模迅速擴大,空間分布趨復雜性,洪澇災害事件的頻發(fā)、災害損失的增多現(xiàn)象逐漸引起相關機構和學者的重視。從公開發(fā)表的文獻看,目前國內(nèi)的研究主要集中在地下空間防洪安全調(diào)查[10]、地下空間防洪風險評估[11-12]、暴雨情況下地面洪澇水侵入地下空間的可能性和危害性分析[13-14],以及針對特定地下空間項目的洪澇災害評估[15-16]、出入口內(nèi)澇水位測算[17]和基于GIS、SWMM(Storm Water Management Model)等模型的水流數(shù)值模擬分析等[18]。

從國內(nèi)研究現(xiàn)狀可知,國內(nèi)學者重點關注極端暴雨下的城市洪澇對地下空間防御安全影響和風險(危害性、脆弱性)的評估研究,具體措施主要體現(xiàn)為按照現(xiàn)行規(guī)范文件規(guī)定或數(shù)值模擬確定的擋、排水特征指標,針對地下空間規(guī)劃設計評估洪澇環(huán)境下安全性,偏向于采用半定型、半定量的方式,評價地下空間防御洪澇災害的能力,并在評價的基礎上提出相應的工程彌補措施和管理措施。如:上海市自2005年起,要求對城市地下空間開展專項防汛論證工作,主要分析、預測和評估地下空間運行期間和施工期間的防汛安全及對周邊防汛設施安全可能造成影響,并提出預防和減輕防汛安全影響的對策和措施;廣州市自2020年“7·20”大暴雨后,加強了對地鐵項目防洪安全影響評價工作;北京、成都、鄭州等地針對特定軌道交通線路開展了地下空間防洪澇專題研究工作。這些由政府部門通過行政管理要求開展工作,目的主要是通過評估分析,指導相應的規(guī)劃設計。同時,我國無論國家、水利行業(yè)、城建行業(yè)、地方層面均無出臺專門針對地下空間防洪及水災害的規(guī)范和標準。雖然相關建筑、軌道交通、鐵路行業(yè)規(guī)范在擋、排水方面做了一系列規(guī)定,如《城市地下空間規(guī)劃標準》(GB/T 51358—2019)、《地下工程防水技術規(guī)范》(GB 50108—2008)、《地鐵設計規(guī)范》(GB 50157—2013)、《城市軌道交通設計規(guī)范》(DG-TJ08-109—2017)等,但規(guī)范對于擋、排水要求均缺乏專業(yè)性和適應性的研究基礎,地表洪澇水入侵后的防御措施也缺乏明確規(guī)定。當前業(yè)界和學者更關注暴雨洪澇背景下城市地下空間風險評估研究、各出入口外部積水深度的模擬和地表洪澇水侵入地下空間防御對策措施方面的研究。

地下空間除受地表洪水侵入導致的水安全風險以外,較普遍存在的就是受相鄰工程活動或周邊水環(huán)境特征變化導致的水災害所影響。由于此類水災害多以工程事故形式出現(xiàn),國內(nèi)外相應的分析研究,特別是數(shù)據(jù)的獲取受到一定的限制,相關新聞報道較多,文獻研究較少,并且分析研究主要集中于具體項目的工程技術措施和工程風險管理方面。如:上海隧道工程股份有限公司[19]針對上海軌道交通4號線董家渡部位隧道坍塌黃浦江水倒灌后修復技術開展了的研究。閆利鵬[20]針對杭州地鐵1號線施工中的安全風險控制開展了研究。

2 水災害防治科學問題及關鍵技術

在人類活動越來越占據(jù)主導地位的城市區(qū)域,滿足地下空間使用功能需求同時,怎么才能維持城市地下空間水災害防治的需求?我國城市快速化、多元性發(fā)展致使洪澇災害的產(chǎn)生呈現(xiàn)不確定性,加之城市地下空間開發(fā)的無序性和分布的多樣性,進一步導致地下空間水災害問題的復雜性。面對動態(tài)變化的致災因子和孕災環(huán)境,系統(tǒng)性解析地下空間水災害關鍵技術問題和綜合性考慮解決路徑是值得探討研究的一種科學方略。

2.1 水災害問題的分類

從致災因子、孕災環(huán)境和承災體角度分析,地下空間水災害問題主要為極端降雨引發(fā)的地表洪澇災害的影響和工程活動或周邊水環(huán)境特征變化的影響兩大類。

(1)地表洪澇災害導致地下空間水災害的影響主要表現(xiàn)為城市洪澇風險與地下空間洪澇風險的關聯(lián)響應問題。特別是地表洪澇水流特性及水流形態(tài)與地下空間水淹特征及水流形態(tài)的關系。由于地表洪澇災害與地下空間洪澇災害相互之間存在較強的關聯(lián)性,洪澇水流侵入地下空間不確定性強、路徑眾多,水流行進路線和形態(tài)復雜多樣。此類問題主要表現(xiàn)為對城市地下空間運營安全的影響。

(2)工程活動或周邊水環(huán)境特征變化導致地下空間水災害的影響主要表現(xiàn)為地下空間在涉水(如緊鄰或下穿江、河、湖等)不利環(huán)境條件下出現(xiàn)漫溢、決堤、滲漏導致的地下空間洪澇災害問題;因受降雨、地下水滲流、給排水管線損壞影響,地下工程建設過程中出現(xiàn)漫溢倒灌、滲漏管涌等引發(fā)的洪澇事件。地下空間受涉水環(huán)境的影響,嚴重時造成基坑倒塌、地下結(jié)構變形或損壞,此類災害事件對于致災因子和孕災環(huán)境缺少系統(tǒng)性和常規(guī)性的預警、預報,突發(fā)性和特定性強,也更易引起忽視。此類問題主要表現(xiàn)為對地下工程實施及相鄰防汛設施安全的影響。

從國內(nèi)行業(yè)和專業(yè)分類的客觀限制角度分析,受以下因素的限制,解決城市地下空間水災害防治問題存在一定困難。

(1)建筑、交通、人防等行業(yè)對城市洪澇的理解和認知不足,采用確定統(tǒng)一的一個擋水高度不能滿足不同孕災環(huán)境下的防洪澇安全。如:《地下工程防水技術規(guī)范》中要求地下工程統(tǒng)一按照500 mm擋水高度,無法滿足不同洪澇環(huán)境下的防洪安全。

(2)水利和排水行業(yè)對建筑、交通、人防等行業(yè)的理解和認知同樣不足,其更多關注地表洪澇機理和災害應對,對類似地鐵、地下商城及相互連通的復雜空間在遭遇洪澇水情況下,災害預警預報信息的準確性、水流浸入路徑及流態(tài)機理、人員避險及疏散方式、空間結(jié)構損壞預防、災害應急措施等缺少系統(tǒng)性研究。

(3)涉水地下空間建設往往容易忽視水文地質(zhì)(如地表水或地下水)和水利設施因素造成的安全影響問題。一方面涉水地下空間建設對防洪設施安全可能造成影響,另一方面,地表水或地下水的作用對地下工程施工安全可能造成影響。

2.2 水災害問題基本特征

按照災害學的基本概念和原理[21],雖然各種單一災害形態(tài)的演化變異表現(xiàn)出不同的過程規(guī)律,但在其結(jié)構變化特征上卻體現(xiàn)了一致性。災害系統(tǒng)演化變異過程均表征為承災體在外部環(huán)境作用影響下內(nèi)部結(jié)構、內(nèi)部響應狀態(tài)和對外反饋作用等方面的復雜動態(tài)變化規(guī)律。災害系統(tǒng)結(jié)構包括災害自身系統(tǒng)Z(n)、外部環(huán)境E(S(t))、內(nèi)部環(huán)境結(jié)構Rz(t)、存在狀態(tài)Sin(t)以及響應狀態(tài)Sz(t)和災害系統(tǒng)對外反饋作用Hz(t)、環(huán)境與災害系統(tǒng)的作用關系R(t),見圖1。

圖1 災害系統(tǒng)結(jié)構特征示意圖Fig.1 Structural charac-teristics of disaster system

城市地下空間水災害產(chǎn)生的關鍵技術問題主要分為2類:一類為降雨引發(fā)的城市洪澇災害形成地面匯流積水侵入地下空間,導致水淹災害問題;另一類為地下空間受地表水體(江、海、河、湖)或地下水體的作用影響導致外水侵入產(chǎn)生的水災害問題,相關特征關聯(lián)關系見圖2。

圖2 地下空間水災害防治系統(tǒng)及災害結(jié)構特征Fig.2 Water disaster prevention system and disaster structure characteristics in underground space

由圖2可知,以上2類致災因子及孕災環(huán)境與水災害防治系統(tǒng)之間存在相互作用和反饋響應關系,需通過防災減災措施隔斷相互關系,而水災害防治系統(tǒng)由地下空間和遭遇水災害表現(xiàn)出來的水淹、結(jié)構損傷等災害性狀組成,并同樣存在相互響應反饋關系。第一類災害伴隨城市自然災害發(fā)生,受天然不可抗力的因素占主導;第二類災害主要由人類工程活動影響或相鄰水環(huán)境特征變化影響造成,社會管理因素占主導。前者通常造成的社會影響面較大,災害對象更多,災害損失也較大。后者通常由工程技術管理或日常監(jiān)控工作的重視程度或管理疏忽造成,需要提升認知能力和技術管理水平,加強監(jiān)管手段。

2.3 內(nèi)、外部水災害環(huán)境關聯(lián)響應基本特征

城市地下空間水災害防治系統(tǒng)受外部環(huán)境的不確定性、地下空間浸水(水淹)的不確定性、地下空間水流路徑的不確定性以及相鄰環(huán)境人類活動的不確定性等客觀因素的影響。因此,水災害防治系統(tǒng)不僅體現(xiàn)在地下空間內(nèi)外部環(huán)境的耦合響應關系,系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)響應狀態(tài)也同樣存在相互作用關系。對系統(tǒng)的關鍵問題及耦合關系進行全面剖析是認知災害最本質(zhì)的方法,也是應對災害有效的技術路徑。

外部環(huán)境因素決定了地下空間選址的合理性和災害防御的安全性。以洪澇災害為例,災害發(fā)生的要素與外部環(huán)境中區(qū)域自然因素及防洪除澇能力密切相關。地下空間所處區(qū)域防洪排澇能力和相關設施狀況決定了外部環(huán)境的暴露性和危險性。地下空間本體洪澇環(huán)境子系統(tǒng)耦合的復雜性和應對洪澇的防御狀況決定了承載災害的脆弱性,各子系統(tǒng)之間相互獨立又密切相關。

基于災害系統(tǒng)結(jié)構特征原理,針對地下空間作為對象表述內(nèi)、外部洪澇環(huán)境與地下空間本體洪澇環(huán)境子系統(tǒng)的關系分別見圖3(a)和圖3(b)。圖3中外部洪澇環(huán)境因子和內(nèi)部子系統(tǒng)的分解不可避免帶有主觀性,既沒有窮盡也不是唯一的,更不是唯一正確的。由于本文目標設定主要為解讀城市地下空間水災害問題核心本質(zhì)的存在和演化提供一個解釋性框架,因此子系統(tǒng)如何劃分對研究結(jié)果沒有實質(zhì)性的影響。

圖3 地下空間洪澇災害環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構特征Fig.3 Structural characteristics of flood disaster environmental system in underground space

2.4 水災害防治若干科學技術問題解析

2.4.1 城市水災害防治科學問題及關鍵技術總體框架

結(jié)合城市地下空間水災害特征和內(nèi)、外部水災害環(huán)境關聯(lián)響應特征,提出水災害防治領域科技發(fā)展路線,按照地表洪澇導致地下空間水淹災害和工程活動或周邊水環(huán)境特征變化導致水災害的各類問題進行論述,對于每一類問題按研究目標、災害性狀、科學問題、關鍵技術和解決路徑等方面展開。城市地下空間水災害防治發(fā)展科學和技術問題總體框架見表1。

表1 城市地下空間水災害防治科學和技術問題總體框架Table 1 General framework of scientific and technical issues for the prevention and control of water disasters in underground space

2.4.2 地表洪澇災害導致地下空間水淹災害問題解析

2.4.2.1 采用靜態(tài)防御手段難以適應動態(tài)孕災環(huán)境變化

目前,國內(nèi)應對地下空間水淹的措施主要按照相關各類建筑或地下工程規(guī)范規(guī)定和地區(qū)防汛要求執(zhí)行,但規(guī)范對于城市地下空間防洪及洪水入侵方面均無明確的規(guī)定。地面洪水侵入地下空間研究多從單一因素或地下空間自身靜態(tài)條件開展,研究對象也主要集中在地下空間本體,對地下空間所處區(qū)域總體洪澇環(huán)境、地形地勢等因素缺乏考慮,如:對于地下空間出入口擋水設施高度的確定,所處環(huán)境地勢、區(qū)域河網(wǎng)防洪除澇調(diào)蓄能力、發(fā)生積水可能性、區(qū)域雨情和管網(wǎng)排水能力等因素欠缺考慮。又如:地下空間內(nèi)部排水設施設置一般也僅考慮局部敞開部位雨水、滲漏水或污廢水排放,不考慮洪水侵入后的排水能力和相應措施。從更廣義層面分析,尤為嚴重的是,由于伴隨城市發(fā)展占地需要,河道調(diào)蓄庫容銳減,防洪排澇能力不斷降低,即使降雨強度和排水標準不變,仍會造成水位雍高。同時城市下墊面不透水面積和比率增加,造成降雨積水匯流增快,加之不少開發(fā)商以鄰為壑,片面考慮自身的安全和景觀,造成整體性、區(qū)域性的地面積水成倍增加,極大地增加了地下空間水淹風險。

考慮到城市發(fā)展導致洪澇災害的加劇,下墊面不透水率增加、河網(wǎng)水面率及蓄排能力降低等城市環(huán)境要素的變化,諸如北京、上海、廣州、成都等超大城市逐漸重視地下軌道交通的水淹問題,擬通過構建數(shù)學模型,測算各出入口、風亭井、進出場洞口、車輛停車場等地下與地面連通部位的可能淹沒水深和防淹高程。但由于城市建設呈動態(tài)發(fā)展狀態(tài),相應的邊界條件非常復雜,水深測算理論模型構建和參數(shù)選取的人為概化、假設與實際情況可能相差較大,又缺少相應的跟蹤監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。

2.4.2.2 地下空間水淹機理和防災避險的復雜性

城市地下空間和地面空間分布及連通的復雜性、多樣性是導致地下空間水災害性狀的多樣性和復雜性的根源。以上海為例,至2020年已建成的地下軌道交通網(wǎng)僅人行出入口總計達2 000多個(還不包括地鐵相連通的各類建筑地下空間的出入口),并且連通口的種類繁多(包括:出入口、通風井口、停車場進出洞口、應急疏散通道、無障礙電梯、下沉式廣場、相鄰地下空間連通口、電纜溝等),分布范圍廣,分布環(huán)境情況各異。根據(jù)公開報道和文獻查閱可知,地面積水進入地下空間的途徑多樣,有從地鐵出入口侵入、有從地鐵停車場洞口灌入正線、有從電纜溝侵入車站、有從下沉式廣場灌入車站、有從墻面裂縫滲入等多種方式。

諸如城市軌道交通、地下城市綜合體、地下綜合管廊等,空間分布范圍廣、空間組成及形態(tài)復雜,在遭遇水淹后,浸水路徑復雜多樣,浸水過程呈隨機性。僅常規(guī)地下車庫出入口和地鐵人行出入口就包括斜坡、階梯、平廊、轉(zhuǎn)角、垂直通道等多種形式,難以窮盡。這給研究地下空間中洪澇發(fā)展的時空分布特點帶來較大困難。同時,水淹路徑形態(tài)問題的研究,對于災害發(fā)展狀態(tài)下指導和判斷人員避險、減少人員傷亡又極為重要。

根據(jù)婁廈等[10]和夏軍強等[22]研究成果,洪水沿落差較大的階梯、洞口灌入地下空間將引起較大的局部流速,給人員逃生造成極大的困難。由于人員位于地下空間中,受環(huán)境的限制,既無法識別方向,又無法判斷洪澇災害發(fā)生的演進過程。對于分布復雜的地下空間,如何準確發(fā)布城市洪澇災害信息?如何有效預警預報地下空間的洪水入侵?如何明確指示逃生路線和避難場所?如何引導人員安全撤離?如何設置安全避難場所?諸多問題均值得深入系統(tǒng)研究。

2.4.2.3 災害因子和地下空間各子系統(tǒng)耦合關系的不確定性

城市動態(tài)發(fā)展引起地下空間外部環(huán)境的不穩(wěn)定性,導致災害成因呈動態(tài)不確定性變化,造成風險識別、指標體系和評估結(jié)果與實際情況存在一定程度的不符,是目前地下空間洪澇災害風險評估的難點之一。

地下空間洪澇災害內(nèi)、外部多種影響因子和子系統(tǒng)耦合視角下的綜合風險研究目前仍處于理論探索階段,存在大量的經(jīng)驗性、特定性的主觀定性判斷,普適性的耦合模型及實證研究很少。由于災害影響因子和子系統(tǒng)相互耦合存在復雜性和不確定性,相互關聯(lián)的機理仍不明確,導致理論模型和評估方法研究的困難,尚未形成權威、公認的研究范式,在理論框架和方法模型上難以有效地銜接城市綜合防災規(guī)劃和應急管理[23]。

2.4.3 工程活動或周邊水環(huán)境特征變化導致的水災害問題解析

涉水(臨水、穿河)而建的地下空間受到水環(huán)境特征因素的影響會極大增加建設和運行的安全風險。從國內(nèi)公開報道的案例事件可知,地下工程水災害事故造成的災害損失和災后恢復難度極大。下面引用幾個代表性的典型案例進行說明。

上海市2003年7月地鐵4號線建設期間,位于董家渡位置隧道塌陷引起土體大范圍流失,黃浦江水直接灌入正在施工的隧道,造成上部多棟建筑嚴重破損和變形,伴生黃浦江防汛墻坍塌造成江水漫溢,工程修復難度極大,最終修復時間達34個月[19]。

杭州市2008年11月地鐵1號線建設期間,蕭山區(qū)風情大道湘湖站施工過程中發(fā)生基坑失穩(wěn),造成周邊道路嚴重塌陷,相鄰河水倒灌,造成重大人員傷亡和災害損失[20];2022年5月地鐵1號線金沙湖站相鄰下沉式廣場為了提升抗浮安全能力,需新增抗浮樁基,前期進行地質(zhì)勘探鉆孔,打穿底板引起管涌,相鄰人工湖水沿地層通過鉆孔從下沉廣場倒灌入地鐵車站,淹沒了站臺,造成線路停運。

鄭州市2021年“7·20”特大暴雨事件中運營的地鐵5號線五龍口停車場擋水圍墻被澇水沖毀,相鄰排水溝失去排水功能,周邊地表積水迅速從停車場灌入正線,造成重大人員傷亡和災害損失[24]。

以上典型案例僅是大量涉水地下空間和地下工程發(fā)生水災害風險事件中的滄海一粟。從風險事件發(fā)生的災害形態(tài)歸納,主要需解決2類科技問題:

(1)涉水地下空間建設過程中的各類工程作業(yè)活動(鉆孔、明挖、暗挖、沉樁、加載等)對城市區(qū)域防洪排澇設施(堤防、泵、閘、排水管等)造成影響,降低了環(huán)境應對洪澇災害的能力。

(2)涉水地下空間處于外部水環(huán)境(江、海、河、湖)持續(xù)作用下的影響,產(chǎn)生滲壓、管涌、上浮、沉降等風險問題,以及外部水環(huán)境與地下空間之間相互作用下產(chǎn)生的水體倒灌侵入問題。

3 水災害防治領域科技發(fā)展展望

基于城市地下空間水災害防治科學和技術問題總體框架,從科學問題、關鍵技術和解決路徑方面展望地下空間水災害防治領域的科技發(fā)展。

科學問題——全面認知地下空間水災害的核心本質(zhì)和相應的科學問題,系統(tǒng)分析致災因素。深入研究地下空間水災害系統(tǒng)結(jié)構特征及災害性狀,剖析災害系統(tǒng)與外部環(huán)境的響應和作用關系,以及災害系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)響應的相互作用關系。

關鍵技術——攻克城市地下空間水災害防治技術。探索適應城市環(huán)境動態(tài)變化的地下空間洪澇災害評估方法,提出公認的評估范式,在理論框架和方法模型上有效銜接城市綜合防災規(guī)劃和應急管理。加強對涉水地下空間建設和運行的常態(tài)化監(jiān)控,一方面要避免地下工程活動對城市防洪體系和設施的破壞,另一方面要避免地表(下)水體對地下工程活動的影響以及地表(下)水環(huán)境特征變化對地下空間結(jié)構造成的損傷。

解決路徑——隨著城市化區(qū)域極端降雨、超標準洪水和超過城市排水標準的災害事件增多,應對城市發(fā)展引起環(huán)境變化的不確定性,需提高氣候和環(huán)境變化適應性的地下空間防汛韌性能力,加強適應性技術研發(fā)及管理策略,建立適應性應對水災害綜合管理模式[25],提升地下空間抵御洪澇災害的能力。在保證地下空間各子系統(tǒng)應對洪澇災害基本的剛性防御能力的前提下,更迫切需要提升城市及地下空間應對災害的韌性能力,包括預警預報及時性和準確性、應急能力、避險和搶險能力等,降低災后恢復時間和減少災損。特別是應對復雜隨機的災害耦合現(xiàn)象,更需要通過韌性能力解耦以適應災害的應對。其中應急能力包括靜態(tài)能力和動態(tài)能力,靜態(tài)能力為應對災害的基礎能力,動態(tài)能力包括信息搜集能力、應急救援能力、整合資源能力、維護穩(wěn)定能力和善后處理能力,以及適應城市發(fā)展產(chǎn)生的環(huán)境持續(xù)動態(tài)變化的能力。

4 結(jié)論及建議

城市地下空間水災害問題是一項極其復雜的難題,也是一項涉及地下空間水災害防治領域的系統(tǒng)性問題。雖然針對一些普適問題(如洪澇問題)許多學者進行了研究,但由于城市空間和環(huán)境隨發(fā)展演變的不穩(wěn)定性,顯現(xiàn)出單一問題研究的片面性,并且安全的概念也在發(fā)展,有必要站在全局的視域,系統(tǒng)性研究城市地下空間水災害的根源和解決災害的途徑。

前瞻性地思考城市地下空間水災害防治領域的科技發(fā)展路線,厘清其中的核心科學問題和關鍵技術問題及其實現(xiàn)路徑,能為該領域的科技戰(zhàn)略發(fā)展和管理決策提供依據(jù)。但梳理的科技問題和關鍵技術并不能包羅萬象,初步篩選當前關鍵的、主要的問題作為基礎,進行前瞻布局,在今后隨著該領域的發(fā)展,相信自然會形成補充和完善。地下空間只是城市全域空間布局中的一部分,相應梳理的科技問題和關鍵技術問題并不是單一的和獨立的,有些關鍵問題相互之間存在較強的關聯(lián)性和響應性,耦合因素導致問題研究的難度大和復雜性。

科學規(guī)劃城市地面及地下空間布局,避免地下空間無序開發(fā)。地下空間規(guī)劃基于功能需求,統(tǒng)籌考慮洪澇影響和應災能力,解決現(xiàn)狀地下空間無序開發(fā)和搶占空間導致的災害問題。