水域救援激流水道技術(shù)要求與實踐

戴曉兵 王立杰 周望武

在全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)的大背景下，國家應(yīng)急管理部消防救援局組建了8 支水域救援大隊，各省市根據(jù)洪澇災(zāi)害特點成立了專業(yè)水域救援隊伍，并引進(jìn)國外水域救援技術(shù)和裝備，開展水域救援專業(yè)技能培訓(xùn)，提升了水域救援能力。總體而言，面對水域事故突發(fā)性、環(huán)境危險性和時間緊迫性等復(fù)雜多變的特點，水域救援人員普遍存在理論知識不足、培訓(xùn)場地匱乏、實操訓(xùn)練偏少的問題，導(dǎo)致救援能力不足且救援技術(shù)相對薄弱。據(jù)統(tǒng)計2018年12月至2021年9月，消防救援隊伍在水域救援行動中有15 名救援隊員傷亡[1][2]。結(jié)合實際情況，國務(wù)院對“十四五”時期安全生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)等工作進(jìn)行全面部署，2021年12月印發(fā)《“十四五”國家應(yīng)急體系規(guī)劃》，明確提出建設(shè)國家級水域救援專業(yè)訓(xùn)練基地的要求。

1 水域救援流態(tài)特性

水域救援過程中，水域災(zāi)害場景常見復(fù)雜且非常危險的水流流態(tài)主要包括：沸騰線、翻滾流、微笑流、皺眉流、覆蓋流、漩渦流、回流區(qū)及V 字流等。

1.1 沸騰線

沸騰線通常發(fā)生在滾水壩、攔水閘、低水頭溢流堰等泄水建筑物的下游水域處，主要流態(tài)特征表現(xiàn)為：水流以跌流或挑流的形式射入下游水體中，在水流剪切與拖曳作用下，下游水體形成快速運動的表面橫軸漩滾（見圖1），同時水流挾帶大量空氣，使得水體內(nèi)部大量摻氣，含氣量可達(dá)到40%～50%，水體密度降低，浮力顯著減小，遇險人員極易因水流拖曳和浮力不足而被閉鎖在漩滾區(qū)內(nèi)難以自行脫困，是最常遇見的極度危險水流。

投資開發(fā)前期應(yīng)充分了解擬投資東道國國家電力公司(購電方)資金實力，其是否具備足夠的資金支付相關(guān)電費，同時應(yīng)了解國家電力公司終端用戶電價情況，若該國為了保障終端用戶電力需求，實行大額電費補貼，則很可能出現(xiàn)電費倒掛情況，一旦政府補貼不到位，該國電力公司資金狀況將面臨較大問題。

圖1 沸騰線立面流態(tài)

1.2 翻滾流

在天然河道中，水流經(jīng)過斜坡段時獲得落差，勢能轉(zhuǎn)化動能，速度急劇增大，并呈現(xiàn)為急流流態(tài)。當(dāng)水流流經(jīng)河床變坡處或溝槽處、并以水躍形式從急流過渡到緩流時，水躍躍首的表面橫軸漩滾區(qū)即為翻滾流（見圖2）。當(dāng)遇險人員被卷入表面漩滾時難以自行脫困。

圖2 翻滾流立面流態(tài)

1.3 微笑流

在天然河道中，水流常常遇到高出水面的橋墩、孤石等障礙物阻擋，在障礙物迎水面形成滯點且水面壅高；壅高水流在重力作用下沿著障礙物兩側(cè)邊壁產(chǎn)生側(cè)向繞流，并且在脫離邊壁后形成分離漩渦。微笑流流態(tài)特征主要表現(xiàn)為：障礙物迎水面水面壅高，壓力增大，流線側(cè)向彎曲；障礙物兩側(cè)水面凹陷形成分離漩渦，邊壁壓力降低（見圖3）。遇險人員被水流擠壓在障礙物迎水面，或卷入分離漩渦后吸貼在障礙物壁面或底部，難以自然流出。

圖3 微笑流平面流態(tài)

水域救援訓(xùn)練設(shè)施主要由游泳池（蓄水池）、激流水道、水泵及供配電系統(tǒng)、訓(xùn)練配套用房及水域救援器材裝備等部分構(gòu)成，激流水道是最重要的組成部分，也是關(guān)鍵所在。激流水道是用于模擬天然河道中水域災(zāi)害場景的水流流態(tài)、為水域救援人員提供專業(yè)技能培訓(xùn)的特殊人工水渠。激流水道為救援人員提供安全、便利的實操訓(xùn)練場地，避免在復(fù)雜多變的天然河道訓(xùn)練時發(fā)生不必要的人身傷亡事故[3][4]。

當(dāng)水流受到巖壁、直立河岸等障礙物的正面阻擋，水流向上爬高形成涌浪，障礙物壁面壓力增大。一方面涌浪在最高處產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)水流跌落時與底部水流發(fā)生碰撞形成激濺水流，另一方面水面壅高后沿著障礙物壁面?zhèn)认蛄鲃?，形成?cè)向回流區(qū)。尤其當(dāng)河床局部向下凹陷或障礙物壁面倒懸，水流具有向下運動的空間時，一部分水流向上運動形成涌浪，另一部分水流向下運動形成螺旋流（見圖4）。遇險人員被水流擠壓在障礙物壁面，或被螺旋流卷入后吸貼在側(cè)壁或底部，難以自行脫困。

1.4 皺眉流

后來，袁紹攻打曹操。為了報答曹操的照顧，關(guān)羽便殺了袁紹的兩位大將顏良和文丑，幫助曹操取得了勝利。這時，劉備給關(guān)羽寫了一封書信，告訴他自己現(xiàn)在身在袁紹營中。關(guān)羽接到書信后，非常欣喜，立刻就向曹操告辭?？墒遣懿俨辉戈P(guān)羽離開，就故意避而不見。關(guān)羽就把曹操以前送給他的美女和財物全部留下，又將自己的“漢壽亭侯”大印掛在營中，留給曹操一封信，單人匹馬護(hù)送著兩位嫂嫂找劉備去了。

圖4 皺眉流立面流態(tài)

1.5 覆蓋流

在天然河道中，平緩水流經(jīng)過斜坡段時獲得落差，流速增大；或者，湍急水流經(jīng)過平坡或逆坡段時，流速減小，水流呈現(xiàn)為波狀水躍流態(tài)即為覆蓋流（見圖5）。覆蓋流流態(tài)特征主要表現(xiàn)為：流速較高的底部水流間歇性地向上躍起形成涌浪，水流表面無顯著漩滾，或表面漩滾呈現(xiàn)翻轉(zhuǎn)停滯狀態(tài)，水流以類似于駐波的形式向下游推進(jìn)，直至表面波動能量衰減完成。覆蓋流主要用于舟艇操控訓(xùn)練。

圖5 覆蓋流立面流態(tài)

1.6 漩渦流

在河岸轉(zhuǎn)彎處、凹陷區(qū)域或凸出障礙物的下游區(qū)域，由于外側(cè)湍急水流強烈的剪切作用，內(nèi)側(cè)水體被卷吸和拖曳進(jìn)入下游河道，內(nèi)側(cè)水體流失、水位降低，當(dāng)外側(cè)水位高于內(nèi)側(cè)水位時，在重力作用下產(chǎn)生由外而內(nèi)的運動水流，即漩渦流（見圖6）。漩渦流的流動特征主要表現(xiàn)為水流沿著壁面作相對封閉的運動，與外側(cè)運動水流的交換量較小，漩渦中心區(qū)水面凹陷，遇險人員難以自然流出。

圖6 漩渦流平面流態(tài)

1.7 回流

沸騰線訓(xùn)練時，救援人員采用的入水方式主要有跨步式入水、魚躍淺跳式入水、團(tuán)身式入水和探滑式入水，為確保入水時救援人員不沖撞水道底板，訓(xùn)練區(qū)域最小水深不應(yīng)小于2m。沸騰線壅水結(jié)構(gòu)可采用滾水壩型式，上下游水面總落差宜控制在0.8m～1.5m 之間，挑射水流入水速度4m/s～5m/s，入水角不宜大于60 °；訓(xùn)練區(qū)域水面寬度不宜小于8m，長度不宜小于10m。

圖7 回流平面流態(tài)圖

1.8 V 字流

智慧城市的發(fā)展其實經(jīng)歷了多個階段，而每一輪發(fā)展都是伴隨著IT及信息技術(shù)的重大突破而產(chǎn)生。上世紀(jì)90年代以信息化和全球化為核心的美國新經(jīng)濟(jì)時代，美國副總統(tǒng)戈爾提出了數(shù)字城市的概念，這是智慧城市最早的雛形和發(fā)展基礎(chǔ)。而在2000年Wi-Fi技術(shù)被提出，并得到快速發(fā)展的階段，無線城市隨之應(yīng)運而生。在之后的幾年中物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)概念誕生，將數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備連接起來，進(jìn)行智能分析，由此智慧城市得以取得快速的發(fā)展。未來也許在城市互聯(lián)、國家互聯(lián)、能源互聯(lián)領(lǐng)域?qū)⒖赡苋〉弥卮笸黄频臅r候，智慧地球也將由概念走向現(xiàn)實。

圖8 倒V 字流平面流態(tài)圖

2 激流水道技術(shù)要求

在障礙物下游面，水流脫離邊壁后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反、周期性左右擺動、并且向下游流動的漩渦（亦稱回流區(qū)/卡門渦街）。在回流區(qū)內(nèi)，水流流態(tài)平緩，流速顯著小于外側(cè)，可作為救援人員休息、觀察或等待救援的區(qū)域。

新中國成立后，黨和政府十分重視農(nóng)業(yè)科技推廣工作。首先，搭建起農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)部門。在各省市農(nóng)業(yè)廳、局設(shè)立了推廣處、科，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；其次，制定農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣相關(guān)法律。在此期間，《農(nóng)業(yè)科技推廣方案》《關(guān)于農(nóng)業(yè)科技推廣站工作的指示》《1956—1967年全國農(nóng)業(yè)發(fā)展綱要(修正草案)》等法律法規(guī)為農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣指明了方向，界定了農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣的職能部門及各部門工作職責(zé)。

激流水道一般應(yīng)設(shè)置沸騰線、翻滾流、微笑流、皺眉流、覆蓋流、漩渦流、回流和V 字流等主要水域災(zāi)害場景救援訓(xùn)練功能區(qū)，具備舟艇操控、車船覆沒救援和水面障礙物翻越等訓(xùn)練條件，同時滿足理論知識教學(xué)、水流形態(tài)識別、基礎(chǔ)體能訓(xùn)練、救援技術(shù)和自救方法、救援組織與指揮等功能要求[5]。

2.1 沸騰線

在河岸轉(zhuǎn)彎處、凹陷區(qū)域、凸出于岸邊或高于水面的障礙物下游區(qū)域，由于外側(cè)湍急水流的剪切和拖曳作用，帶動內(nèi)側(cè)水體形成多個相對封閉的環(huán)向流動，即回流區(qū)。該區(qū)域內(nèi)的水流大多呈現(xiàn)為緩流流態(tài)（見圖7）；對于位于河道中間的橋墩、孤石等障礙物而言，水流從障礙物兩側(cè)經(jīng)過后，在障礙物下游面形成流速相對緩慢的回流區(qū)。回流區(qū)可作為救援人員休息、觀察或遇險人員等待救援的區(qū)域。

2.2 翻滾流

翻滾流宜設(shè)置在平直段，翻滾流應(yīng)符合穩(wěn)定水躍標(biāo)準(zhǔn)，前緣收縮斷面流速宜大于4m/s，沿程水深不宜小于0.2m，通?？衫靡欢?∶5～1∶10 的斜坡獲得1.0m 左右的落差。訓(xùn)練區(qū)域最小水深不應(yīng)小于0.8m，水面寬度不宜小于4m，長度不宜小于10m。

當(dāng)水流遭遇兩側(cè)障礙物阻滯時，在障礙物下游區(qū)域形成尖端朝向下游的倒“V”字流，V 字外側(cè)水流流速變緩，或呈現(xiàn)為回流流態(tài)（見圖8）；當(dāng)水流遭遇到孤立于水中的障礙物時，在障礙物下游區(qū)域形成尖端朝向上游的正“V”字流，V 字內(nèi)側(cè)水流流速變緩，或呈現(xiàn)為回流流態(tài)。

2.3 覆蓋流

覆蓋流宜設(shè)置在平直段，覆蓋流應(yīng)符合波狀水躍標(biāo)準(zhǔn)，前緣收縮斷面流速宜大于3m/s，水深宜大于0.8m，通常可利用一段1∶5～1∶10 的斜坡獲得0.5m左右的落差。訓(xùn)練區(qū)域最小水深不應(yīng)小于0.8m，水面寬度不宜小于4m，長度不宜小于10m。

中國的喪葬文化中一直存在著簡喪薄葬與隆喪厚葬的對立，這既與社會經(jīng)濟(jì)狀況相關(guān)聯(lián)，更與文化風(fēng)俗信仰密不可分?；\統(tǒng)地說來，原始先民限于經(jīng)濟(jì)條件實行最原始意義上的簡喪薄葬，殷商重鬼神而實行隆喪厚葬；西周用禮制文化弱化與約束殷商舊制，春秋戰(zhàn)國禮崩樂壞厚葬之風(fēng)又有所抬頭，至秦代達(dá)到一個厚葬高峰；漢代儒學(xué)推崇孝文化，隆喪厚葬之風(fēng)興盛；魏晉南北朝時代戰(zhàn)亂形勢促使簡喪薄葬盛行，至唐代經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)厚葬之風(fēng)再盛；宋元明清時代由于封建制度定型、朝廷等級制度森嚴(yán)，從而進(jìn)入喪葬相對守制的常態(tài)階段。因此，喪葬主張因時代不同、經(jīng)濟(jì)狀況不同和文化習(xí)俗不同而呈現(xiàn)出各自特點。

2.4 微笑流

微笑流宜設(shè)置在平直段，障礙物迎水面應(yīng)為連續(xù)光滑曲面，宜采用圓弧曲面或橢圓曲面，傾角宜為60 °～90 °，與水流運動方向垂直，寬度不宜小于2m，長度宜大于0.5m。障礙物上游水流呈緩流流態(tài)，行近流速不宜小于2m/s，最小水深不宜小于0.5m。障礙物下游回流區(qū)水深不應(yīng)小于0.8m。下游訓(xùn)練區(qū)域水面寬度不宜小于6m，長度不宜小于10m。

2.5 皺眉流

皺眉流障礙物迎水面應(yīng)為連續(xù)光滑曲面，宜為直立面或倒懸面。障礙物上游水流呈緩流流態(tài)，行近流速不宜小于2m/s，最小水深不宜小于0.5m。訓(xùn)練區(qū)域最小水深不宜小于1.5m，水面寬度不宜小于4m，長度不宜小于10m。

2.6 漩渦流

漩渦流可設(shè)置在封閉的凹型區(qū)域內(nèi)，缺口開口長度和寬度不宜小于2m，邊側(cè)流速可取2m/s～4m/s。訓(xùn)練區(qū)域水深可取0.5m～1.5m，水面寬度不宜小于4m，長度不宜小于5m。

2.7 回流

在微笑流障礙物背水面、皺眉流障礙物邊側(cè)或水道邊墻折轉(zhuǎn)角等區(qū)域，通常會形成流速緩慢的回流，水流呈緩流流態(tài)。訓(xùn)練區(qū)域水深可取0.5m～1.5m，水面寬度不宜小于2m，長度不宜小于4m。

2）為整個課程完成后的教學(xué)反思。通過整個課程的教學(xué)實踐，考察課程目標(biāo)的完成效果，即將理論知識與工程實踐相結(jié)合的教學(xué)方式是否達(dá)到預(yù)期的目的，效果如何，課程計劃的執(zhí)行情況，等等?？偨Y(jié)其中的不足之處與可取之處，積累教學(xué)經(jīng)驗，為后續(xù)的課程教學(xué)提供指導(dǎo)。

2.8 夾角流（V 字流）

V 字流宜設(shè)置成尖端朝向下游的倒“V”字流，夾角流內(nèi)側(cè)水流呈急流流態(tài)，外側(cè)水流呈緩流流態(tài)。夾角流夾角宜小于90 °，斜長宜大于4m；訓(xùn)練區(qū)域水深可取0.5m～1.5m。

2.9 舟艇操控

沖鋒舟/摩托艇在水域救援中是必不可少的重要交通工具，發(fā)揮著不可替代的作用，舟艇操控是應(yīng)急救援人員必備的基本技能之一。舟艇操控訓(xùn)練區(qū)段應(yīng)設(shè)置有彎道和直道，最小水面寬度不應(yīng)小于3m，訓(xùn)練長度不宜小于50m，應(yīng)設(shè)置回旋區(qū)和停泊休整區(qū)，最小水域面積不宜小于6m ×6m。水道最大流速3m/s～5m/s，最小水深不宜小于0.8m，最大涌浪高度不宜大于1.5m。

以前，在醫(yī)院的門診預(yù)約系統(tǒng)中，按照每位患者4分鐘就診時間來籠統(tǒng)分配號源。但是，不同?？铺攸c不同，不同醫(yī)生看病習(xí)慣不同，接診的規(guī)律和速度都會不一樣，醫(yī)院管理層也希望進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)約管理，更加精細(xì)化控制醫(yī)院人流。

2.10 車船覆沒救援

車船覆沒救援訓(xùn)練區(qū)域可設(shè)置在回流區(qū)、舟艇操控回旋區(qū)或停泊休整區(qū)。水深可取0.5m～1.5m，水面寬度不宜小于2m，長度不宜小于5m。

2.11 水面障礙物翻越

水面障礙物翻越可設(shè)置在微笑流兩側(cè)過水通道內(nèi)，宜利用預(yù)留卡槽固定水面障礙物，并便于拆裝。水面障礙物應(yīng)漂浮于水面，寬度不宜小于2m，長度宜大于0.5m；水流呈緩流流態(tài)，流速可取2m/s，最小水深不宜小于0.5m。

3 應(yīng)用實例

為了常態(tài)化開展救援人員水域救援能力專業(yè)訓(xùn)練，更好地履行起應(yīng)急救援的社會責(zé)任，湖南省消防救援總隊在國內(nèi)率先啟動水域救援訓(xùn)練設(shè)施建設(shè)，技術(shù)人員對激流水道體型進(jìn)行了水力學(xué)物理模型試驗[6][7]及數(shù)值模擬的論證工作，項目于2021年9月啟動建設(shè)，2022年5月建成投入運行，是國內(nèi)第一座規(guī)模最大、訓(xùn)練科目最全、完全依托自有技術(shù)設(shè)計的水域救援訓(xùn)練設(shè)施項目。項目經(jīng)過水域救援專家及救援人員的實訓(xùn)體驗，水道流態(tài)設(shè)計滿足實操訓(xùn)練要求。

利用激流水道形成的水域災(zāi)害場景，對救援人員開展實景式的理論知識教學(xué)、水流形態(tài)識別和基礎(chǔ)體能訓(xùn)練，尤其針對沸騰線等兇險場景開展救援和脫困訓(xùn)練，顯著提高水域救援人員的專業(yè)技術(shù)能力，提高激流水域救援的成功率和救援人員的安全保障系數(shù)；通過遞進(jìn)式調(diào)控水道流量，有利于救援指揮人員對災(zāi)害場景進(jìn)行安全風(fēng)險等級評價，有利于救援和訓(xùn)練方案的制定與實施，有效地避免人身傷亡事故的發(fā)生。

項目總占地面積5000m2，其中水道水域面積1400m2，水道長153m，寬4.5m～10m，深2m，總水面落差5m，最大水深2.5m，設(shè)計流速0.5m/s～3.5m/s，設(shè)計總供水流量14m3/s。激流水道總體布局見圖9，水流流態(tài)包括沸騰線、微笑流、V 字流、翻滾流、皺眉流、覆蓋流、漩渦流和回流8 種流態(tài)，并設(shè)置了車船覆沒救援和舟艇訓(xùn)練區(qū)，以及設(shè)計深度12m 的潛水救援訓(xùn)練區(qū)（見圖10～圖17），主要水流流態(tài)訓(xùn)練區(qū)水力條件見表1[8]。

綜上所述，對復(fù)發(fā)性分泌性中耳炎患者采用咽鼓管吹張注入地塞米松結(jié)合口服藥物進(jìn)行治療的臨床方法能顯著提高患者的臨床治療效果，并降低患者治療后的復(fù)發(fā)率，尤其適合有全身使用激素禁忌證的患者及不接受鼓膜切開鼓室置管的患者，值得臨床廣泛推廣應(yīng)用。同時咽鼓管吹張技術(shù)亦是近年來國內(nèi)新開展咽鼓管球囊擴(kuò)張技術(shù)治療分泌性中耳炎的基礎(chǔ)原理，操作簡單，損傷小，不需住院，醫(yī)療費用相對較低，可減輕患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，非常適合基層醫(yī)院的推廣。但該研究方法樣本不大，以及遠(yuǎn)期效果還需更多臨床樣本觀察。

表1 水流流態(tài)訓(xùn)練區(qū)水力條件

圖9 激流水道總體布局

圖10 沸騰線流態(tài)

圖11 微笑流流態(tài)

圖12 V 字流流態(tài)

圖13 翻滾流流態(tài)

圖14 皺眉流流態(tài)

圖15 覆蓋流流態(tài)

圖16 回流區(qū)流態(tài)

圖17 舟艇操控訓(xùn)練區(qū)流態(tài)

4 結(jié)語

我國水域救援訓(xùn)練設(shè)施建設(shè)尚處在起步階段，激流水道體型設(shè)計時可供參考的資料較少，水流流態(tài)水力指標(biāo)與進(jìn)階式考核訓(xùn)練要求之間的匹配關(guān)系有待進(jìn)一步深化研究。通過本項目的實踐與探索，為水域救援訓(xùn)練設(shè)施建設(shè)、進(jìn)階式訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)與方法、考核評價體系、安全風(fēng)險評估以及激流水道水力設(shè)計方法等標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)提供全面系統(tǒng)的寶貴技術(shù)參數(shù)，同時為后續(xù)水域救援訓(xùn)練設(shè)施建設(shè)提供技術(shù)支撐。