城市洪澇中人體失穩(wěn)機(jī)理與判別標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展

夏軍強(qiáng)，董柏良，周美蓉，王小杰，夏 軍

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

洪澇災(zāi)害是當(dāng)今人類面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，通常會(huì)造成巨大的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)國(guó)際災(zāi)難數(shù)據(jù)庫(kù)(EM-DAT)統(tǒng)計(jì)，2000—2020年間全球共發(fā)生自然災(zāi)害8 591次，其中洪澇災(zāi)害發(fā)生次數(shù)最多，共計(jì)3 451次，占災(zāi)害總數(shù)的40.2%[1]。近年來(lái)中國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，城市化在聚集人口及財(cái)富的同時(shí)，也對(duì)城市產(chǎn)匯流過(guò)程帶來(lái)一系列的影響，使得城市孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)上升且對(duì)洪澇災(zāi)害的承載能力減弱[2]。2011—2018年間，中國(guó)年均有154座縣市發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。2012年北京“7·21”特大暴雨造成的洪澇災(zāi)害，導(dǎo)致77人死亡，6萬(wàn)人被迫撤離，直接經(jīng)濟(jì)損失116.4億元[4]。2016年7月1—6日，武漢累計(jì)降水高達(dá)560.5 mm，突破有氣象記錄以來(lái)單周累計(jì)降水量最大值，短時(shí)間強(qiáng)降水超過(guò)了排水系統(tǒng)的抽排能力，中心城區(qū)162處道路出現(xiàn)漬水，地下通道、地鐵站等多個(gè)地下空間被淹[5]。在快速城市化與氣候變化雙重影響下，當(dāng)前極端暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率增加，不僅影響城市交通，而且危及群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的突出瓶頸[6-7]。

開(kāi)展洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以科學(xué)量化危險(xiǎn)等級(jí)與受災(zāi)程度，為城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)[8]。行人是洪澇災(zāi)害中的主要受災(zāi)對(duì)象，洪澇災(zāi)害中行人的危險(xiǎn)程度可以通過(guò)洪水作用下人體穩(wěn)定性來(lái)定量反映。在開(kāi)展洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，需要將宏觀的洪水要素時(shí)空分布特征與人體失穩(wěn)的微觀動(dòng)力學(xué)機(jī)制相結(jié)合，進(jìn)而具體量化洪澇災(zāi)害中行人的危險(xiǎn)程度[9-12]。此外，洪澇災(zāi)害發(fā)生后居民逃生路線的選取，必須依賴于估算每條逃生路線上行人的洪水風(fēng)險(xiǎn)，因而洪水中人體失穩(wěn)計(jì)算公式在逃生路線優(yōu)選研究中得到了充分應(yīng)用[13-14]。行人作為城市洪澇災(zāi)害中的典型承災(zāi)體，僅以水力要素作為判別依據(jù)，難以充分反映其在洪水作用下的危險(xiǎn)等級(jí)或安全程度。已有研究表明洪水作用下行人的安全程度受水流條件(水深、流速、水流流態(tài)、紊動(dòng)特性、漂浮物等)[14-15]、人體特征參數(shù)(身高、體重、年齡與健康程度)[16-17]、路面情況(坡度、粗糙程度)[18-19]以及其他要素(能見(jiàn)度、風(fēng)速)[20]等多方面因素的影響。目前基于水力要素的洪水中人體失穩(wěn)判別方法，已經(jīng)列入洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相關(guān)規(guī)范中。日本與澳大利亞等國(guó)家基于水深及流速，給出了洪水作用下人體危險(xiǎn)程度的計(jì)算曲線[21-22]。2017年中國(guó)發(fā)布了《城市防洪應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則：SL754—2017》[23]，該導(dǎo)則中采用洪水要素確定洪水中人體的危險(xiǎn)程度及劃分閾值。現(xiàn)有洪水中人體失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)普遍存在經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)、機(jī)理研究不夠深入、普適性較差等缺點(diǎn)，有必要對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行總結(jié)與比較。

洪水中人體失穩(wěn)機(jī)理及判別標(biāo)準(zhǔn)，是開(kāi)展城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及逃生避險(xiǎn)決策等研究的重要依據(jù)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)這方面研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。本文系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外洪水中人體失穩(wěn)機(jī)理與判別標(biāo)準(zhǔn)的研究成果，重點(diǎn)分析現(xiàn)有失穩(wěn)判別公式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，同時(shí)展望洪水中行人失穩(wěn)后續(xù)研究的主要方向。

1 洪水中行人失穩(wěn)機(jī)理與判別標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀

影響洪水中人體穩(wěn)定性的因素較多，不同學(xué)者在開(kāi)展失穩(wěn)機(jī)理研究時(shí)通常選取來(lái)流水深及流速、人體身高及體重作為基本參數(shù)，開(kāi)展不同尺度的水槽試驗(yàn)、力學(xué)分析及兩者相結(jié)合的研究，提出了洪水作用下人體失穩(wěn)機(jī)理及其判別標(biāo)準(zhǔn)[24]。

1.1 洪水中人體失穩(wěn)的水槽試驗(yàn)研究

水槽試驗(yàn)是獲取洪水中行人失穩(wěn)臨界條件最直觀且較為準(zhǔn)確的方法。為揭示不同因子對(duì)洪水中人體穩(wěn)定性的影響，過(guò)去40 a中很多學(xué)者開(kāi)展了一系列的概化水槽試驗(yàn)研究。表1列出了這些研究的試驗(yàn)設(shè)施、測(cè)試對(duì)象、試驗(yàn)水流條件及所采用的失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)。Foster和Cox[25]較早采用水槽試驗(yàn)研究了洪水中兒童不同姿勢(shì)下的穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，站立狀態(tài)下的穩(wěn)定性隨體重的增加而增加，行走狀態(tài)下人體穩(wěn)定性相較于站立狀態(tài)下有所降低，坐下時(shí)人體的穩(wěn)定性最差。由此可以推測(cè)，如行人在洪水中跌倒，就難以起身恢復(fù)站立姿勢(shì)[26]。Yee[27]以2名男童與2名女童為研究對(duì)象，開(kāi)展了真實(shí)人體失穩(wěn)的水槽試驗(yàn)。由于試驗(yàn)對(duì)象年齡較小，失穩(wěn)時(shí)臨界水深與流速的乘積受測(cè)試者年齡影響較大。Abt等[18]基于水槽試驗(yàn)研究了洪水中不同地面材料與坡度下成人的失穩(wěn)條件，結(jié)果表明水深較大時(shí)測(cè)試對(duì)象主要因?yàn)榱夭黄胶舛l(fā)生跌倒失穩(wěn)，該工況下人體穩(wěn)定程度不受地表粗糙程度影響。高橋重雄等[28]測(cè)定了3名成年人在水流作用下的受力情況，給出了不同情況下摩擦力與拖曳力系數(shù)的變化范圍，同時(shí)分析了不同來(lái)流方向、地面材料與測(cè)試者穿著對(duì)洪水中人體穩(wěn)定程度的影響。

表1 洪水中人體失穩(wěn)的試驗(yàn)情況比較Table 1 Comparison of the parameters in experiments of human instability in floodwaters

受城市地形影響，洪水通常沿街道向地勢(shì)較低方向演進(jìn)，加之城市硬化路面的糙率較小，城市洪水一般呈現(xiàn)出水深小、流速大等特點(diǎn)。針對(duì)該情況Russo[29]開(kāi)展了相關(guān)的水槽試驗(yàn)，研究不同能見(jiàn)度、街道縱坡以及行走方向下洪水中人體的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明行人垂直于水流方向穿過(guò)淹沒(méi)道路最為困難。Martínez-Gomariz等[17]對(duì)Russo[29]的水槽試驗(yàn)進(jìn)行了復(fù)演，進(jìn)一步考慮了不同鞋子類型、人體雙手是否被占用以及不同測(cè)試對(duì)象在試驗(yàn)過(guò)程中心理感受的影響，該研究發(fā)現(xiàn)洪水中行人穿著拖鞋時(shí)穩(wěn)定性最差，而能見(jiàn)度條件對(duì)人體穩(wěn)定性影響不大。此外Chanson等[30]分析了2011年1月澳大利亞布里斯班發(fā)生城市洪水時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)真實(shí)洪水中水深與流速均波動(dòng)很大，人體發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的臨界單寬流量普遍小于水槽試驗(yàn)值，因此推測(cè)洪水的紊動(dòng)特性對(duì)人體穩(wěn)定性存在一定的影響，并以此為依據(jù)建立了以瞬時(shí)流速與水深為變量的洪水中人體失穩(wěn)條件。城市地下空間在洪澇災(zāi)害中容易受淹，人員沿樓梯逃生的穩(wěn)定性與速度對(duì)洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估至關(guān)重要。Ishigaki等[31-32]及Kotani等[33]采用具有樓梯結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)水槽，開(kāi)展了一系列洪水中真人失穩(wěn)研究，并給出了相應(yīng)的穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)有洪水中人體失穩(wěn)的水槽試驗(yàn)研究普遍存在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、試驗(yàn)流態(tài)與真實(shí)洪水流態(tài)不一致、受測(cè)試對(duì)象生理及心理因素影響較大等缺點(diǎn)。如圖1所示，不同試驗(yàn)結(jié)果的分散程度較大，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合后得到公式的相關(guān)系數(shù)較低(R2=0.39)，因此，僅可認(rèn)為人體身高和體重之積(hpmp，hp為身高，mp為體重)與洪水中人體失穩(wěn)時(shí)的臨界單寬流量(Uchf，Uc為人體失穩(wěn)時(shí)的起動(dòng)流速，hf為水深)存在一定的正相關(guān)關(guān)系。Foster和Cox[25]與Yee[27]的試驗(yàn)對(duì)象為兒童，且以心理上感覺(jué)不安全作為失穩(wěn)的判別標(biāo)準(zhǔn)，因而研究所得的失穩(wěn)條件較實(shí)際情況偏安全。Martínez-Gomariz等[17]研究了行人穿過(guò)涉水街道時(shí)的穩(wěn)定性，相比其他人體保持靜止的試驗(yàn)工況，該成果得到人體失穩(wěn)時(shí)的臨界單寬流量偏小。此外，為了保證洪水中測(cè)試對(duì)象的安全，試驗(yàn)中采取了較為全面的安全措施(如帶頭盔、穿救生衣等)，加之室內(nèi)水槽難以充分反映實(shí)際城市洪水較為復(fù)雜的流態(tài)，故這些試驗(yàn)結(jié)果偏于安全。鑒于水槽試驗(yàn)研究可能存在上述不足，Chanson和Brown[34]重新分析了澳大利亞布里斯班洪水的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料[30]，提出了更加保守的洪水中人體穩(wěn)定性的判別依據(jù)。

圖1 現(xiàn)有洪水中人體失穩(wěn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總Fig.1 Summary of experimental data of human instability in floodwaters

1.2 洪水中人體失穩(wěn)的受力分析研究

為揭示洪水作用下人體的失穩(wěn)機(jī)理，不同學(xué)者開(kāi)展了洪水作用下人體失穩(wěn)的受力分析研究。這些研究通常對(duì)人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，即不考慮人體關(guān)節(jié)的移動(dòng)以及重心的調(diào)整，而將人體概化成具有一定結(jié)構(gòu)的剛體。同時(shí)該類研究往往假定人體靜止，以便采用靜力學(xué)方法建立臨界失穩(wěn)狀態(tài)下的受力平衡或力矩平衡關(guān)系。如圖2所示，早期研究?jī)H將人體概化為均質(zhì)的單一幾何體，難以有效反映人體在水流中的受力情況。洪水中人體主要有跌倒與滑移2種失穩(wěn)模式[19-20,37-38]。Keller和Mitsch[39]將人體概化成均質(zhì)垂直圓柱體，通過(guò)建立圓柱體跌倒或滑移失穩(wěn)時(shí)的力學(xué)平衡關(guān)系推導(dǎo)相應(yīng)的起動(dòng)流速公式。Lind等[40]將洪水中的人體概化為圓柱體、長(zhǎng)方體與復(fù)合圓柱體，推導(dǎo)人體跌倒失穩(wěn)時(shí)臨界單寬流量的計(jì)算公式，還基于Abt等[18]和Karvonen等[35]的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)已有公式的計(jì)算精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。這些研究發(fā)現(xiàn)來(lái)流水深、流速以及人體身高、體重是判斷洪水中人體穩(wěn)定性最關(guān)鍵的要素，地面類型以及坡度的影響較小。Walder等[41]提出了一個(gè)適用于不同人群的洪水作用下人體滑移失穩(wěn)計(jì)算公式，并用于分析由泥石流引發(fā)的次生洪澇災(zāi)害帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。由于該公式假設(shè)水深僅淹沒(méi)人體踝關(guān)節(jié)，因而未考慮水流的浮力作用。為了更好地反映人體特征，更加復(fù)雜的人體幾何模型被用于洪水中人體失穩(wěn)分析。Milanesi等[42]將人體概化為3個(gè)圓柱體組成的復(fù)合模型，并基于力學(xué)平衡關(guān)系推導(dǎo)洪水中人體的穩(wěn)定性，相較于其他公式，該公式在保證精度的同時(shí)涉及的參數(shù)較少。此外該研究還考慮了地面坡度與水流密度對(duì)人體穩(wěn)定性的影響。Arrighi等[14]提出了一個(gè)由水流與人體特征構(gòu)成的量綱一參數(shù)作為失穩(wěn)判別依據(jù)，同時(shí)采用三維流體力學(xué)模型計(jì)算了洪水作用下人體周邊的水流要素，計(jì)算結(jié)果表明水流弗勞德數(shù)與人體的淹沒(méi)程度是評(píng)估洪水中人體穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。

1.3 受力分析與水槽試驗(yàn)相結(jié)合的研究

基于力學(xué)分析的研究成果通常對(duì)水流條件、人體結(jié)構(gòu)及人體受力情況進(jìn)行了較多簡(jiǎn)化或假設(shè)，為反映這些因素的影響需要引入一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，但這些參數(shù)的確定又依賴于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，故基于純力學(xué)分析的研究成果往往難以準(zhǔn)確評(píng)估洪水作用下人體的穩(wěn)定程度。有必要將力學(xué)分析與水槽試驗(yàn)相結(jié)合，采用力學(xué)分析精確刻畫(huà)人體失穩(wěn)的動(dòng)力學(xué)條件，從而構(gòu)建失穩(wěn)狀態(tài)下的判別公式，同時(shí)結(jié)合水槽試驗(yàn)結(jié)果率定公式中的相關(guān)參數(shù)。該方面研究主要以Jonkman和Penning-Rowsell[20]與Xia等[37-38]的研究成果為代表。Jonkman和Penning-Rowsell[20]在英國(guó)Lea河的一個(gè)渠道中開(kāi)展了試驗(yàn)研究，并發(fā)現(xiàn)小水深大流速情況下滑移失穩(wěn)是最主要的失穩(wěn)模式。相較于以往的水槽試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更能模擬真實(shí)的洪水流態(tài)?；谠囼?yàn)結(jié)果，Jonkman和Penning-Rowsell[20]將人體概化為長(zhǎng)方體進(jìn)行受力分析，進(jìn)一步揭示了不同水流條件下洪水中人體失穩(wěn)機(jī)理，并提出了滑移與跌倒失穩(wěn)時(shí)的計(jì)算公式。Xia等[37]基于受力分析，采用基于人體工程學(xué)的數(shù)據(jù)計(jì)算不同水深下人體所受的浮力，結(jié)合河流動(dòng)力學(xué)中泥沙起動(dòng)的理論，推導(dǎo)出滑移及跌倒失穩(wěn)時(shí)洪水中人體的起動(dòng)流速公式，同時(shí)采用小比尺的人體模型開(kāi)展水槽試驗(yàn)，率定了公式中的相關(guān)參數(shù)。Xia等[38]在后續(xù)研究中進(jìn)一步分析了路面坡度對(duì)洪水中人體穩(wěn)定性的影響，提出了考慮坡度影響的穩(wěn)定性計(jì)算公式，同時(shí)采用250余組概化水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)率定公式中的相關(guān)參數(shù)。

2 不同洪水中人體失穩(wěn)判別公式的比較

國(guó)內(nèi)外提出的洪水中人體失穩(wěn)判別公式主要可以分為2類：基于水流要素的簡(jiǎn)單函數(shù)關(guān)系、綜合考慮水流要素與人體特征的失穩(wěn)判別公式。本節(jié)主要對(duì)不同失穩(wěn)計(jì)算公式的類型、適用范圍、涉及的假定進(jìn)行總結(jié)，便于研究人員根據(jù)需要選用合適的失穩(wěn)判別公式。

2.1 基于水流要素的簡(jiǎn)單函數(shù)關(guān)系

2.1.1 以水深與流速為主要判別依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

水深(hf)與流速(Uf)是評(píng)估洪澇災(zāi)害嚴(yán)重程度的2個(gè)主要參數(shù)。隨著洪水水深的增加，行人在水流拖曳力的作用下更容易發(fā)生跌倒失穩(wěn)甚至漂浮，進(jìn)而直接威脅到行人的生命安全。如表2所示，目前以水深與流速為依據(jù)的洪水中人體失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)較多，但不同學(xué)者提出的判別閾值差異較大且經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)。SCARM[22]認(rèn)為水深大于1.20～1.50 m時(shí)可能導(dǎo)致人體失穩(wěn)。國(guó)內(nèi)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市防洪應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則：SL754—2017》[23]分別考慮了內(nèi)澇積水與洪水對(duì)人體的危險(xiǎn)性，針對(duì)內(nèi)澇積水時(shí)流速較小的特點(diǎn)，以淹沒(méi)水深為依據(jù)劃分了3個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)，用于城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防洪應(yīng)急預(yù)案編制。實(shí)際上洪水中人體所受的水流拖曳力隨著流速的增加而增加，水深較小而流速較大時(shí)人體在水流拖曳力的作用下容易發(fā)生滑移失穩(wěn)，水深較大時(shí)在較小的流速作用下即可能導(dǎo)致人體發(fā)生跌倒失穩(wěn)。因此，選取固定的水深與流速作為失穩(wěn)判別閾值，難以準(zhǔn)確反映人體在不同洪水條件下的穩(wěn)定性。針對(duì)此不足，Chanson和Brown[34]基于對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，考慮了真實(shí)洪水較為強(qiáng)烈的紊動(dòng)特性對(duì)人體穩(wěn)定性的影響，提出了較為保守的失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)來(lái)流流速小于1 m/s且水深小于0.27 m時(shí)可認(rèn)為人體安全；當(dāng)水深小于0.3 m且流速小于3.0hf～7.4hf認(rèn)為人體在洪水中較為安全。Russo等[43]針對(duì)城市洪澇中水深較小且流速較大的特點(diǎn)，根據(jù)水流流速大小劃分了3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

表2 以水深或流速為依據(jù)的洪水中人體穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)匯總Table 2 Summary of stability criteria using limiting water depths or flow velocities

2.1.2 以單寬流量為主要判別依據(jù)的函數(shù)關(guān)系

單寬流量(Ufhf)能夠體現(xiàn)水深與流速這2個(gè)主要致災(zāi)因子，因此能夠更加準(zhǔn)確地評(píng)估洪水作用下人體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)程度。由表3可以看出，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為當(dāng)水流單寬流量達(dá)到0.5 m2/s附近時(shí)人體將發(fā)生失穩(wěn)。英國(guó)Defra和EA 2個(gè)機(jī)構(gòu)組織編寫(xiě)的洪水中人體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告[45]中采用危險(xiǎn)率公式作為評(píng)估洪水中人體危險(xiǎn)程度的依據(jù)，該公式涉及水深、流速及漂浮物因子，根據(jù)計(jì)算所得的危險(xiǎn)率劃分出4個(gè)洪水危險(xiǎn)等級(jí)。國(guó)內(nèi)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市防洪應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則：SL754—2017》[23]以單寬流量為依據(jù)將洪水風(fēng)險(xiǎn)劃分為低、中、高3個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)。澳大利亞[26]與日本[21]等國(guó)家均采用水深及流速的組合曲線判別洪水中人體危險(xiǎn)程度。澳大利亞[26]根據(jù)水深和流速劃分了4個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)，并給出了成人與兒童避險(xiǎn)的極限曲線。盡管使用基于水流要素的簡(jiǎn)單函數(shù)關(guān)系來(lái)判別洪水中人體的穩(wěn)定程度較為方便，但此類方法經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，而且不能充分反映不同人群身高、體重等人體特征參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響，因而公式的適用范圍相對(duì)較窄。綜合考慮水深與流速的關(guān)系式，相比僅考慮單因素的失穩(wěn)判別關(guān)系，能夠更加充分體現(xiàn)水流要素對(duì)人體穩(wěn)定性的綜合影響，因而具有更強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。此外由于對(duì)人體失穩(wěn)的定義不同，導(dǎo)致不同標(biāo)準(zhǔn)選取的失穩(wěn)閾值差別較大。

表3 以單寬流量為主要依據(jù)的洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)匯總Table 3 Summary of stability criteria using different limiting unit-width discharges

2.2 綜合考慮水流要素與人體特征的失穩(wěn)判別公式

根據(jù)研究方法不同，洪水中人體失穩(wěn)公式主要可以分為基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合關(guān)系與基于力學(xué)理論推導(dǎo)的計(jì)算公式2類?；跀?shù)據(jù)擬合與經(jīng)驗(yàn)分析等方法建立的失穩(wěn)公式缺乏足夠的力學(xué)機(jī)理，通常僅適用于某一類特定的研究對(duì)象，難以評(píng)估洪水中不同人群的風(fēng)險(xiǎn)程度。Abt等[18]通過(guò)擬合水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了洪水中人體失穩(wěn)時(shí)的臨界單寬流量與人體身高體重之間的指數(shù)關(guān)系。Karvonen等[35]根據(jù)水流條件、人體狀況、鞋底與地面的接觸情況等將環(huán)境分為較好、一般、較差3個(gè)等級(jí)，認(rèn)為人體失穩(wěn)的臨界單寬流量與人體的身高體重之間的乘積存在線性關(guān)系，且該線性關(guān)系會(huì)隨著環(huán)境條件的變化而變化?；诶碚撏茖?dǎo)的洪水中人體失穩(wěn)計(jì)算公式由于考慮了失穩(wěn)時(shí)的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，因而公式的適用范圍較廣。Keller和Mitsch[39]與Lind等[40]基于力學(xué)分析分別建立了人體滑移失穩(wěn)與跌倒失穩(wěn)的計(jì)算公式。Jonkman和Penning-Rowsell[20]基于理論推導(dǎo)建立了跌倒失穩(wěn)與滑移失穩(wěn)時(shí)人體穩(wěn)定性的計(jì)算公式，但由于公式中忽略了人體浮力的影響并假定來(lái)流沿水深呈均勻分布，因而無(wú)法準(zhǔn)確判別大水深條件下人體的穩(wěn)定性。Xia等[37]建立的公式考慮了水流浮力、流速沿水深不均勻分布等情況的影響，更加符合實(shí)際情況。Arrighi等[14]建立了以人體身高、寬度和水深為變量的量綱一參數(shù)形式的人體失穩(wěn)臨界閾值，當(dāng)由水流弗勞德數(shù)計(jì)算的參數(shù)大于該閾值時(shí)即認(rèn)為人體失穩(wěn)。將不同公式與洪水中人體穩(wěn)定性的試驗(yàn)結(jié)果繪制于圖3，當(dāng)實(shí)際洪水的水流參數(shù)位于公式曲線下方時(shí)即可認(rèn)為人體安全。

圖3 洪水中人體失穩(wěn)的臨界曲線Fig.3 Criteria for human instability in floodwaters

Abt等[18]、Karvonen等[35]提出的公式與Jonkman和Penning-Rowsell[20]提出的人體滑移失穩(wěn)狀態(tài)下計(jì)算公式具有相同的形式，即當(dāng)水流單寬流量大于由人體身體參數(shù)組成的某一判別閾值時(shí)即認(rèn)為人體發(fā)生失穩(wěn)。相比采用固定單寬流量判別洪水中人體的穩(wěn)定性，這些公式能夠更好地反映不同人體特征的影響，因而具有廣泛的適用性。圖3還可以看出，人體失穩(wěn)時(shí)的水流條件與水深、流速均密切相關(guān)，因此，表2中僅考慮水深或流速的穩(wěn)定性判別關(guān)系的精度較低，難以精確計(jì)算洪水中人體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)程度。Jonkman和Penning-Rowsell[20]與Xia等[37]提出的計(jì)算公式區(qū)分了人體在洪水中跌倒與滑移2種失穩(wěn)狀態(tài)，相較于其他公式考慮了更加復(fù)雜的力學(xué)機(jī)理，但由于涉及的參數(shù)較多因而在實(shí)際使用中相對(duì)復(fù)雜，見(jiàn)表4。此外，現(xiàn)有的洪水中人體失穩(wěn)試驗(yàn)結(jié)果多在國(guó)外開(kāi)展，其試驗(yàn)人員的身體特征參數(shù)與中國(guó)群眾略有不同，直接使用這些研究成果指導(dǎo)中國(guó)的洪水應(yīng)急避險(xiǎn)與防災(zāi)減災(zāi)工作可能會(huì)帶來(lái)額外的風(fēng)險(xiǎn)[48]。

表4 洪水中人體失穩(wěn)公式匯總Table 4 Summary of human instability formulas

3 結(jié)論及展望

洪水作用下人體的穩(wěn)定性計(jì)算是開(kāi)展城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要內(nèi)容。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列洪水中人體失穩(wěn)的水槽試驗(yàn)與理論分析研究，并將提出的判別標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與應(yīng)急避難決策。影響洪水中人體穩(wěn)定性的主要水流參數(shù)為水深與流速，基于水流參數(shù)的失穩(wěn)判別關(guān)系由于形式較為簡(jiǎn)單因而使用較為方便；基于單寬流量的判別關(guān)系能夠較為充分地反映主要水流致災(zāi)因子，因而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果擬合程度較好。除了水流要素外，人體的身高、體重、站立角度，地面坡度及水流漂浮物等均會(huì)對(duì)洪水中人體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。為反映這些要素的綜合影響并建立更具普適性的失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)，眾多學(xué)者基于數(shù)據(jù)擬合與理論推導(dǎo)等方法建立了洪水中人體失穩(wěn)的計(jì)算公式。但現(xiàn)有公式通常存在適用范圍窄、研究條件與實(shí)際洪水條件差距大、不能有效評(píng)估當(dāng)前城市洪澇災(zāi)害中群眾面臨的突出威脅等缺點(diǎn)。今后需要從以下幾方面進(jìn)一步完善洪水作用下人體的失穩(wěn)機(jī)理與判別標(biāo)準(zhǔn)研究，并推動(dòng)相關(guān)研究成果的實(shí)際應(yīng)用，最大程度地降低城市洪澇災(zāi)害可能帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失：

(1) 揭示真實(shí)洪水中行人在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的失穩(wěn)機(jī)理及判別標(biāo)準(zhǔn)。洪水中群眾的避難逃生是洪澇風(fēng)險(xiǎn)管理與防災(zāi)減災(zāi)亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。目前對(duì)于行人在洪水中失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)缺乏力學(xué)機(jī)理研究，以往研究多基于真人水槽試驗(yàn)，試驗(yàn)工況較少且與實(shí)際洪水的流動(dòng)特點(diǎn)差別較大，研究成果缺乏普適性。有必要研究真實(shí)洪水中行人在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的失穩(wěn)機(jī)理與判別標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而指導(dǎo)居民選擇合理的避難措施，增強(qiáng)應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害的能力。

(2) 開(kāi)展過(guò)水樓梯上行人的穩(wěn)定性及判別標(biāo)準(zhǔn)研究。城市地鐵站、地下商場(chǎng)等地下空間由于其地勢(shì)與空間結(jié)構(gòu)的特殊性極易遭受洪澇災(zāi)害。洪水沿樓梯灌入地下空間將引起較大的局部流速，給群眾逃生造成極大的困難。有必要研究行人在漫水樓梯上逃生的失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)，基于力學(xué)分析及概化水槽試驗(yàn)建立人體沿漫水樓梯逃生的穩(wěn)定性公式，為城市地下空間受淹時(shí)群眾逃生避險(xiǎn)措施選擇提供科學(xué)依據(jù)。

(3) 構(gòu)建實(shí)際洪水中人體失穩(wěn)的數(shù)據(jù)庫(kù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于真實(shí)洪水中人體失穩(wěn)的試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料較少，未來(lái)需要依靠大數(shù)據(jù)技術(shù)獲取互聯(lián)網(wǎng)上城市洪水中人體失穩(wěn)的影像資料，估算失穩(wěn)時(shí)的水流條件以及人體的身高、體重等特征參數(shù)，進(jìn)而建立實(shí)際洪水中人體失穩(wěn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步支持該領(lǐng)域的科學(xué)研究及工程應(yīng)用。

(4) 深入研究洪水中行人站立姿勢(shì)調(diào)整對(duì)其危險(xiǎn)性的影響?，F(xiàn)有洪水中人體失穩(wěn)研究成果難以指導(dǎo)群眾采取合理的措施降低洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，未來(lái)需要引入運(yùn)動(dòng)力學(xué)的手段研究人體在洪水中行走時(shí)肌肉、關(guān)節(jié)的受力情況，獲得洪水中行走的最優(yōu)姿勢(shì)，以提高群眾應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的能力。此外還需要引入人體姿態(tài)檢測(cè)技術(shù)，獲得人體在洪水中行走的最危險(xiǎn)姿態(tài)并開(kāi)展該狀態(tài)下的受力分析研究。

(5) 推動(dòng)洪水中人體失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用。為了降低特大暴雨洪澇災(zāi)害中的人員及財(cái)產(chǎn)損失，需要在城市洪澇高精度水動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上結(jié)合行人失穩(wěn)的判別公式，建立洪澇災(zāi)害的綜合分析模擬系統(tǒng)。預(yù)測(cè)地表與重要地下基礎(chǔ)設(shè)施的洪澇過(guò)程及行人危險(xiǎn)程度的時(shí)空分布特點(diǎn)，指導(dǎo)防洪預(yù)案編寫(xiě)并提出具體的防洪減災(zāi)措施，最大程度地降低洪澇災(zāi)害帶來(lái)的不利影響。