夏軍強(qiáng)， 陳　倩， 李　娜， 果　鵬

(1. 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； 2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 防洪抗旱減災(zāi)研究所， 北京 100038)

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現(xiàn)有洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)及改進(jìn)

夏軍強(qiáng)1， 陳倩1， 李娜2， 果鵬1

(1. 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； 2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 防洪抗旱減災(zāi)研究所， 北京 100038)

近年來(lái)城市洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，導(dǎo)致人員傷亡嚴(yán)重，因此研究洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)可為城市洪水風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)參考.全面總結(jié)了已有洪水中人體失穩(wěn)的試驗(yàn)研究及力學(xué)理論分析成果，表明現(xiàn)有基于水槽試驗(yàn)的洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù)不考慮失穩(wěn)機(jī)理，而部分理論分析結(jié)果通常忽略人體所受浮力并且假定來(lái)流沿水深為均勻分布，與實(shí)際情況不符.當(dāng)前較新研究成果盡管克服了上述不足，但忽略歐美人體結(jié)構(gòu)與中國(guó)人體的差異，所以還需進(jìn)一步完善.故有必要對(duì)洪水中人體的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn).采用歐美人體結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，修正了洪水中人體所受浮力的計(jì)算公式.利用已有洪水中真實(shí)人體失穩(wěn)的水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)重新率定了人體起動(dòng)流速公式中的相關(guān)參數(shù)，提出了改進(jìn)后的洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，并用城市洪水的實(shí)測(cè)資料對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證.由于參數(shù)率定時(shí)采用水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其試驗(yàn)條件比真實(shí)洪水過(guò)程簡(jiǎn)單，故所提出的洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)偏于危險(xiǎn).

城市洪水； 人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)； 公式評(píng)價(jià)； 起動(dòng)流速； 參數(shù)率定

全球氣候變化和城市化進(jìn)程加快改變了城市水循環(huán)過(guò)程，加劇了城市暴雨洪澇問(wèn)題[1-2].在我國(guó)由暴雨引發(fā)的城市洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，人員傷亡嚴(yán)重.2012年7月北京發(fā)生特大暴雨洪水，2d內(nèi)造成近80人死亡[3].洪水災(zāi)害已成為當(dāng)今世界最主要的災(zāi)害之一，具有發(fā)生頻率高、影響范圍廣等特點(diǎn)[4].據(jù)國(guó)際災(zāi)難數(shù)據(jù)庫(kù)(EM-DAT)統(tǒng)計(jì)，1986～2015年間，全球共報(bào)道了3 557場(chǎng)次洪水，造成了20.3萬(wàn)人死亡.在水流作用下人體失去穩(wěn)定是導(dǎo)致洪水中人員傷亡嚴(yán)重的重要原因之一.人類活動(dòng)范圍的擴(kuò)大和極端天氣事件的頻繁發(fā)生，加大了人們承受洪水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)[5].因此有必要進(jìn)一步研究洪水中人體的失穩(wěn)條件，提出具有更好適用性的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn).

洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)的研究成果主要是通過(guò)室內(nèi)水槽試驗(yàn)，包括以兒童為測(cè)試對(duì)象的研究[6-7]和以成人為測(cè)試對(duì)象的研究[8-10]；另有一部分成果來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，包括Jonkman等[11]、Chanson等[12]的研究.以往所提出的基于水槽試驗(yàn)成果的洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)大多未涉及人體失穩(wěn)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，而是直接利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到水深流速之積與人的身高體重之積之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系.Jonkman等[11]雖然進(jìn)行了理論分析，但忽略了人體所受浮力并假定來(lái)流沿水深均勻分布，使得所提出的標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際情況不符.

夏軍強(qiáng)等[13]利用人機(jī)工程學(xué)原理，基于中國(guó)人體結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，給出了不同水深下人體所受浮力的計(jì)算方法；并假定來(lái)流沿水深為指數(shù)函數(shù)分布，運(yùn)用河流動(dòng)力學(xué)中的泥沙起動(dòng)理論，推導(dǎo)出洪水中人體滑移和跌倒失穩(wěn)的起動(dòng)流速公式.由于已有水槽試驗(yàn)研究大多以歐美人體為測(cè)試對(duì)象，而歐美人體結(jié)構(gòu)與中國(guó)人體存在差異，因此本文在該工作的基礎(chǔ)上，利用歐美人體結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，修正洪水中人體所受的浮力公式，然后采用已有真實(shí)人體失穩(wěn)的水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)，重新率定起動(dòng)流速公式中的相關(guān)參數(shù).在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)后的洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，并利用已有的歐美城市洪水的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)公式進(jìn)行驗(yàn)證.

1　前人研究成果

影響洪水中人體穩(wěn)定性的因素很多，主要包括洪水要素(水深、流速、水溫、水流脈動(dòng)特性、洪水中挾帶的漂浮物等)，人體生理及心理要素(身高、體重、穿著、年齡及健康程度等)，地面要素(坡度、粗糙度等)，其他條件(能見(jiàn)度、風(fēng)速條件等)4個(gè)方面[11].不同學(xué)者在開(kāi)展洪水中人體穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)盡管采用的控制條件有所不同，但都考慮了以下影響因素：人的身高、體重，來(lái)流的水深及流速，并提出了相應(yīng)的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn).

1.1水槽試驗(yàn)成果

Foster和Cox[6]以6位9～13歲的男孩為試驗(yàn)對(duì)象，研究了洪水中兒童在站立和坐下2種情況時(shí)的穩(wěn)定性.試驗(yàn)結(jié)果表明：坐下比站立時(shí)穩(wěn)定性差；站立時(shí)測(cè)試對(duì)象體重越大穩(wěn)定性越好.因該試驗(yàn)以兒童心理上感到不安全作為失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)，故所得結(jié)果適用范圍有限.Yee[7]通過(guò)水槽試驗(yàn)同樣研究了洪水中兒童的穩(wěn)定性.該試驗(yàn)水槽底坡坡度為1%，測(cè)試對(duì)象為2名男童和2名女童，年齡在4～7歲，試驗(yàn)時(shí)均穿泳裝，不穿鞋.以測(cè)試對(duì)象滑移或跌倒失穩(wěn)不能繼續(xù)試驗(yàn)，或者在來(lái)流沖擊下感到不適作為失穩(wěn)判定條件.試驗(yàn)結(jié)果表明：人體失穩(wěn)時(shí)臨界水深與流速之積受測(cè)試對(duì)象年齡影響變化很大，年齡最小的4號(hào)測(cè)試對(duì)象由于身體尚未發(fā)育完全，抵抗水流沖擊能力遠(yuǎn)小于其他3位年齡較大的測(cè)試者.

Abt等[8]在水槽試驗(yàn)中考慮4種地面材料和2種底坡情況，以簡(jiǎn)化人體模型和20名成人為測(cè)試對(duì)象，研究了成人在洪水中的失穩(wěn)條件.由于真實(shí)人體在水流作用下能調(diào)整站立姿勢(shì)，研究發(fā)現(xiàn)成人抵抗水流沖擊能力比模型高出60%～120%.通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，Abt等[8]得出失穩(wěn)時(shí)水深和流速之積與人的身高體重之積之間的指數(shù)關(guān)系(見(jiàn)表1).表中：hf為水深；Uc為臨界流速；hp，mp分別為人體身高和體重.該公式?jīng)]有考慮洪水中人體失穩(wěn)的動(dòng)力學(xué)機(jī)理.Karvonen等[9]在一個(gè)大型水池中開(kāi)展洪水中人體失穩(wěn)試驗(yàn)，測(cè)試對(duì)象站在可移動(dòng)鋼架平臺(tái)上，利用拖車牽引可移動(dòng)平臺(tái)來(lái)產(chǎn)生人體與水流的相對(duì)運(yùn)動(dòng).通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，Karvonen等[9]按水流情況、人體狀況、鞋底與地面的接觸情況、光線等條件定性將外界環(huán)境劃分為較好、一般、較差3種情況，并提出對(duì)應(yīng)于這3種情況時(shí)的來(lái)流單寬流量與人體身高體重之積之間的線性關(guān)系(見(jiàn)表1).Takahashi等[10]測(cè)量了3名成年人在水流作用下受到的拖曳力及摩擦力等，討論了在不同來(lái)流方向、穿著及地面材料情況下的人體穩(wěn)定性，并給出了不同地面和鞋底的摩擦力系數(shù)及拖曳力系數(shù)的變化范圍.

1.2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)成果

為模擬真實(shí)洪水情況，Jonkman等[11]在英國(guó)Lea河下游一個(gè)渠道內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，該渠道寬70 m，底部為1%的混凝土地面.測(cè)試對(duì)象是一名專業(yè)特技男演員，身高為1.7 m，體重為68 kg.通過(guò)試驗(yàn)，Jonkman等[11]進(jìn)一步解釋了洪水中人體的失穩(wěn)機(jī)理，并將人體概化為長(zhǎng)方體，通過(guò)簡(jiǎn)單力學(xué)分析推導(dǎo)出洪水中人體面對(duì)水流時(shí)的跌倒和滑移失穩(wěn)公式(見(jiàn)表1).表中：μ為鞋底與地面間的摩擦因數(shù)；g為重力加速度；CD為水流拖曳力系數(shù)；B為人體平均寬度；CM，CF為系數(shù)；ρ為水的密度.應(yīng)當(dāng)指出，Jonkman等[11]的分析中沒(méi)有考慮人體所受的浮力作用，但實(shí)際洪水中當(dāng)水深較大時(shí)浮力影響不能忽略.

表1　已有洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)匯總Tab.1　Summary of criteria of human stability in floodwaters

Chanson等[12]用ADV流速儀測(cè)量了2011年1月發(fā)生在布里斯班真實(shí)城市洪水中的水流條件.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明真實(shí)洪水中水深和流速波動(dòng)很大，且人體失穩(wěn)時(shí)來(lái)流單寬流量小于水槽試驗(yàn)值.因此Chanson等[12]認(rèn)為洪水中人體穩(wěn)定性還受水流脈動(dòng)的影響，并提出以瞬時(shí)流速和水深作為洪水中人體失穩(wěn)條件(見(jiàn)表1)，其中U，h為瞬時(shí)流速和水深.

1.3前人試驗(yàn)數(shù)據(jù)及人體失穩(wěn)公式對(duì)比

將已有洪水中人體失穩(wěn)的計(jì)算公式及上述各水槽試驗(yàn)情況進(jìn)行匯總，結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2.試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算曲線比較如圖1所示.圖1中計(jì)算曲線采用歐美成人平均身高(1.77 m)和體重(75.1 kg)繪制，其中Karvonen等[9]公式的計(jì)算曲線，如圖中兩條虛線所示，從上至下分別表示外界環(huán)境較好及較差兩種情況.

表2　已有洪水中人體失穩(wěn)水槽試驗(yàn)情況對(duì)比Tab.2　Comparison of existing experimental conditions

圖1　洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Fig.1　Comparison of different criteria for human stability in floodwaters

對(duì)圖1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：

(1)由于試驗(yàn)條件差異，Abt等[8]試驗(yàn)所得測(cè)試對(duì)象的穩(wěn)定性更好.Abt等[8]試驗(yàn)中測(cè)試對(duì)象有安全帽、鋼繩等防護(hù)措施，且測(cè)試對(duì)象可調(diào)整站立姿勢(shì)以提高抵抗來(lái)流沖擊的能力；而Takahashi等[10]試驗(yàn)中測(cè)試對(duì)象沒(méi)有防護(hù)措施，也不能自由移動(dòng).Karvonen等[9]的試驗(yàn)對(duì)象穿著救生衣，救生衣中存儲(chǔ)的空氣一方面增大了測(cè)試對(duì)象受到的浮力作用，另一方面還增加了人體迎流面的作用面積，從而增大了水流拖曳力的作用.Karvonen等[9]的測(cè)試對(duì)象站在可移動(dòng)鋼架平臺(tái)上，鋼架與鞋底摩擦因數(shù)小，不利于人體穩(wěn)定.測(cè)試對(duì)象衣著和地面粗糙情況的差異，導(dǎo)致Karvonen等[9]所得的測(cè)試對(duì)象穩(wěn)定性在同等來(lái)流條件下也低于Abt等[8]的試驗(yàn)結(jié)果.

(2)Chanson等[12]試驗(yàn)中人體穩(wěn)定性明顯低于水槽試驗(yàn)結(jié)果，這主要是由真實(shí)洪水中水深和流速脈動(dòng)較為劇烈所致.另外，Chanson等[12]試驗(yàn)中測(cè)試對(duì)象年齡均在49歲以上，比上述水槽試驗(yàn)所用成人測(cè)試對(duì)象年齡偏大，故抵抗洪水沖擊的能力相對(duì)較弱.

對(duì)圖1中的曲線分析可知：由于Jonkman等[11]公式中的參數(shù)是由Abt等[8]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)率定得到，取CM=0.16 m2·(s·kg0.5)-1[11]，故Abt等[8]和Jonkman等[11]公式的計(jì)算結(jié)果相差較小，且相比于其他公式而言，兩者的計(jì)算結(jié)果偏于危險(xiǎn)；Karvonen等[9]所提出的較好和較差外界環(huán)境時(shí)的計(jì)算曲線分別與水槽試驗(yàn)和真實(shí)洪水的試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好，但由于只是定性地區(qū)分洪水發(fā)生時(shí)人體所處環(huán)境的好壞，使用時(shí)缺少統(tǒng)一的定量標(biāo)準(zhǔn).同時(shí)Abt等[8]和Karvonen等[9]的公式是基于水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接擬合而提出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并未涉及實(shí)際失穩(wěn)機(jī)理，故計(jì)算精度不高，且適用范圍有限.Jonkman等[11]公式雖基于力學(xué)分析，但對(duì)人體受力和來(lái)流條件做了過(guò)多假設(shè)，即未考慮人體所受浮力和流速沿水深方向應(yīng)為不均勻分布，故計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不符.

2　現(xiàn)有人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)

已有研究表明，洪水中人的失穩(wěn)方式主要有兩種：滑移和跌倒[13-14].當(dāng)來(lái)流水深較小但流速較大時(shí)，容易發(fā)生人體滑移失穩(wěn)，失穩(wěn)條件為作用于人體腿部的水流拖曳力大于腳底與地面之間的摩擦力，見(jiàn)圖2a；跌倒失穩(wěn)通常發(fā)生在來(lái)流水深較大但流速較小的情況下，失穩(wěn)條件為作用力對(duì)人體腳后跟的傾覆力矩大于穩(wěn)定力矩，見(jiàn)圖2b.假設(shè)洪水中的人體面朝來(lái)流方向，則人體在水平方向上主要承受水流拖曳力FD和地面摩擦力FR作用；在垂直方向上承受自身重力Fg、浮力Fb以及地面的支持力FN作用.

a 滑移失穩(wěn)

b 跌倒失穩(wěn)圖2　洪水作用下人體受力示意圖Fig.2　Governing forces acting on a human body in floodwaters

夏軍強(qiáng)等[13]利用河流動(dòng)力學(xué)中泥沙起動(dòng)理論，推導(dǎo)出了洪水中人體發(fā)生滑移及跌倒失穩(wěn)時(shí)的起動(dòng)流速公式，即

滑移：

(1)

跌倒：

(2)

式中：α，β均為待率定的參數(shù)；a1，b1，a2，b2均為人體結(jié)構(gòu)的特征參數(shù).

上述公式推導(dǎo)中，浮力計(jì)算考慮了人體形狀沿水深方向的不規(guī)則性，利用了人機(jī)工程學(xué)的原理，得出不同水深下的人體體積，進(jìn)而求得浮力Fb的計(jì)算公式

(3)

式中：x為來(lái)流水深hf與人體身高h(yuǎn)p之比；a1，b1均為量綱為一的參數(shù)，且滿足a1+b1=1.根據(jù)中國(guó)人的平均身體特征參數(shù)，率定出a1=0.633，b1=0.367；a2，b2均為表征人體體積與體重之間關(guān)系的參數(shù).據(jù)人機(jī)工程學(xué)的統(tǒng)計(jì)資料表明，人體體積Vp與體重mp之間存在一定的線性關(guān)系[15]，一般可表示為Vp=a2mp+b2，通常情況下可取a2= 1.015×10-3m3·kg-1，b2=-4.937×10-3m3.

由于歐美人體結(jié)構(gòu)與中國(guó)人體存在差異，而已有試驗(yàn)研究中大多以歐美人體為測(cè)試對(duì)象，因此本文采用Harless[16]液浸法測(cè)得的人體肢體生物力學(xué)參數(shù)作為歐美人體結(jié)構(gòu)平均尺寸，重新率定浮力計(jì)算式中的參數(shù)a1和b1，得a1= 0.735，b1= 0.265.同時(shí)人體體積雖因胖瘦和體形不同而有所差異，但由于人體密度差別不大，故存在一般的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[15].因此本文歐美人體體積與體重關(guān)系中參數(shù)a2，b2取值與中國(guó)人體相同.

假定洪水中人體體重為60 kg，當(dāng)水深達(dá)到髖部處，即0.47倍身高，此時(shí)人體所受浮力為155 N，達(dá)到人體重力的0.26倍，在這種情況下人體的有效質(zhì)量?jī)H相當(dāng)于44 kg.由此可見(jiàn)，當(dāng)水深較大時(shí)人體所受浮力較大，可抵消一部分的重力作用，故浮力對(duì)洪水中人體穩(wěn)定性影響較大.因此Jonkman等[11]的研究中忽略人體所受的浮力會(huì)帶來(lái)較大偏差，所以有必要在完善現(xiàn)有洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)更精確地考慮人體所受的浮力作用.

3　公式參數(shù)重新率定

將已有洪水中人體失穩(wěn)的水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)按滑移和跌倒失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行劃分，分別重新率定起動(dòng)流速公式(1)及(2)中的參數(shù)α，β.其中，式(1)及(2)中人體結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)采用基于歐美人體尺寸計(jì)算所得值.該率定過(guò)程分為兩部分，首先利用各研究者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別率定參數(shù)α與β，將率定后式(1)，(2)失穩(wěn)流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較，對(duì)公式進(jìn)行驗(yàn)證；然后綜合所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)α，β再次率定，提出改進(jìn)后的洪水中人體失穩(wěn)條件.

3.1不同研究者試驗(yàn)數(shù)據(jù)單獨(dú)率定

Abt等[8]采用20名成人進(jìn)行水槽試驗(yàn)，所得的65組數(shù)據(jù)中有7組發(fā)生在流速大、水深小的急流情況，因此認(rèn)為這7組屬于滑移失穩(wěn)，其余為跌倒失穩(wěn).為便于與Jonkman等[11]公式的率定結(jié)果比較，取坡度為0.015混凝土地面上的14組數(shù)據(jù)進(jìn)行跌倒失穩(wěn)時(shí)的參數(shù)率定.Karvonen等[9]測(cè)試7名成人在水中采用站立、行走、轉(zhuǎn)彎等不同姿勢(shì)時(shí)的穩(wěn)定性，共獲得38組跌倒失穩(wěn)數(shù)據(jù)，考慮到本文所用公式中未考慮轉(zhuǎn)彎情況，故采用除轉(zhuǎn)彎外的34組數(shù)據(jù)進(jìn)行率定.Takahashi等[10]共測(cè)試了3名成人在不同朝向時(shí)站立和坐下時(shí)的穩(wěn)定性，得到滑移和跌倒失穩(wěn)數(shù)據(jù)，本文僅采用面向水流站立時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù).Foster和Cox[6]采用6名兒童進(jìn)行試驗(yàn)共得到14組滑移失穩(wěn)數(shù)據(jù).Yee[7]對(duì)4名兒童進(jìn)行試驗(yàn)，其中4號(hào)測(cè)試對(duì)象僅4歲，其試驗(yàn)結(jié)果受兒童生理及心理因素影響較大，故本文僅采用其他3名年齡較大兒童的試驗(yàn)數(shù)據(jù).因式(1)及式(2)的公式結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，故采用SPSS軟件進(jìn)行參數(shù)率定，得到成人和兒童分別在滑移和跌倒時(shí)的參數(shù)α及β值，以及計(jì)算與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R2，見(jiàn)表3.

表3　已有水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)單獨(dú)率定參數(shù)Tab.3　Calibrated parameters using different experimental data

從表3可看出，起動(dòng)流速公式中參數(shù)α，β率定結(jié)果有所差異，這主要是由于不同研究者的試驗(yàn)條件及測(cè)試對(duì)象的個(gè)體差異所致.在滑移失穩(wěn)公式率定中雖然試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，但公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值仍較為符合(R2>0.5).將本文公式擬合效果與前人進(jìn)行對(duì)比：Abt等[8]建立洪水中人體跌倒失穩(wěn)時(shí)來(lái)流單寬流量與其身高體重之積間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，得到計(jì)算與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)僅為0.48，小于本文相關(guān)系數(shù)0.709；Jonkman等[11]通過(guò)參數(shù)率定方法，得到Abt等[8]試驗(yàn)中滑移和跌倒失穩(wěn)時(shí)計(jì)算與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)分別為0.62和0.46，均小于本文相關(guān)系數(shù)0.630和0.709；同時(shí)Jonkman等[11]還得到Karvonen等[9]試驗(yàn)中測(cè)試對(duì)象跌倒失穩(wěn)時(shí)計(jì)算與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.75，擬合效果同樣低于本文(R2=0.959).將本文改進(jìn)后的起動(dòng)流速公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值繪制于圖3中，可見(jiàn)計(jì)算與實(shí)測(cè)值符合良好，說(shuō)明改進(jìn)后的起動(dòng)流速公式能夠用于洪水中人體失穩(wěn)條件的計(jì)算.

a 跌倒失穩(wěn)

b 滑移失穩(wěn)圖3　不同失穩(wěn)方式下已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)率定結(jié)果Fig.3　Comparisons between calculations using further calibrated formulas and experimental data

3.2所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合率定

為提出改進(jìn)后的洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，需要給定惟一的參數(shù)α及β值，因此，本文匯總上述所有水槽試驗(yàn)中的滑移及跌倒失穩(wěn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)式(1)及(2)中的參數(shù)進(jìn)行率定，結(jié)果見(jiàn)表4.將率定所得參數(shù)代入公式(1)和(2)，同時(shí)取歐美成人平均身高1.77 m，體重75.1 kg，兒童平均身高1.26 m，體重25.5 kg，分別繪制成人和兒童在兩種失穩(wěn)條件下起動(dòng)流速的計(jì)算曲線，如圖4所示.需要指出的是水槽中試驗(yàn)條件比較理想，如水流恒定且不挾帶漂浮物、地面狀況良好、測(cè)試對(duì)象有安全防護(hù)措施等，而真實(shí)洪水中流動(dòng)條件較為復(fù)雜.因此利用表4中參數(shù)計(jì)算的起動(dòng)流速結(jié)果，與真實(shí)洪水中人體失穩(wěn)條件相比，偏于危險(xiǎn).

表4　參數(shù)率定結(jié)果Tab.4　Calibrated parameters using all experimental data

a 滑移失穩(wěn)

b 跌倒失穩(wěn)圖4　成人及兒童在不同失穩(wěn)方式下起動(dòng)流速的計(jì)算曲線Fig.4　Comparisons between experimental data for real human bodies including adults and children and calculations using further calibrated formulas at different instability modes

3.3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

洪水中人體失穩(wěn)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括Jonkman等[11]和Chanson等[12]的研究.Jonkman等[11]通過(guò)上游閘門控制天然渠道內(nèi)的水深及流速進(jìn)行原型試驗(yàn)，共得到4個(gè)失穩(wěn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖5中三角形點(diǎn)所示.Chanson等[12]在真實(shí)洪水中測(cè)量了三組水流條件，如圖5中菱形點(diǎn)所示.其中①點(diǎn)來(lái)流條件下測(cè)試對(duì)象處于安全狀態(tài)，②和③點(diǎn)處測(cè)試對(duì)象失去穩(wěn)定性.利用這些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本文所提出的失穩(wěn)公式進(jìn)行驗(yàn)證，分別繪制歐美成人及兒童的跌倒失穩(wěn)公式計(jì)算曲線.參數(shù)α，β取表4中的綜合前人所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的率定值，結(jié)果如圖5所示.圖5表明，跌倒失穩(wěn)公式計(jì)算曲線與Jonkman等[11]試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，而Chanson等[12]的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于計(jì)算曲線的下方.這主要是由于Jonkman等[11]在天然渠道中試驗(yàn)時(shí)水流條件良好；Chanson等[12]真實(shí)洪水試驗(yàn)中人體穩(wěn)定性明顯低于理論值，這不僅與真實(shí)洪水中水流脈動(dòng)較為劇烈有關(guān)，另外測(cè)試對(duì)象年齡較大也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定影響.故基于水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)率定的參數(shù)用于計(jì)算真實(shí)洪水中人體的失穩(wěn)條件，結(jié)果偏于危險(xiǎn)，與上述分析相符.

圖5　真實(shí)洪水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

Fig.5Comparison between experimental data based on field measurement and calculations using derived formulas for adults and children

4　結(jié)論

近年來(lái)城市洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，導(dǎo)致人員傷亡嚴(yán)重.已有研究表明，洪水作用下行人很容易失去穩(wěn)定，被洪水沖走后極有可能導(dǎo)致直接死亡.本文對(duì)現(xiàn)有的洪水中人體失穩(wěn)公式進(jìn)行改進(jìn)，得到以下成果：

(1)考慮人體結(jié)構(gòu)沿水深方向的不規(guī)則性，利用歐美人體結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，修正了不同水深下人體所受的浮力.將已有洪水中人體失穩(wěn)的水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按不同失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行劃分，重新率定出滑移和跌倒失穩(wěn)公式中的參數(shù)α及β，提出了改進(jìn)后的洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn).

(2)利用已有真實(shí)洪水中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本文公式進(jìn)行驗(yàn)證，表明率定后的公式用于預(yù)測(cè)真實(shí)洪水中人體失穩(wěn)條件時(shí)偏于危險(xiǎn).這是由于真實(shí)城市洪水中的水流條件較水槽試驗(yàn)條件復(fù)雜所致，如水流脈動(dòng)劇烈、可能挾帶漂浮物等.

(3)影響洪水中人體穩(wěn)定性的因素眾多，除水流條件和人體身高體重等特性外，還受測(cè)試對(duì)象的穿著、地面條件等因素影響.因此今后需進(jìn)行更多真實(shí)洪水中的試驗(yàn)，便于提出適用于不同外界環(huán)境時(shí)洪水中人體的起動(dòng)流速公式.

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Evaluation and Further Improvement of Existing Criteria for Human Stability in Floodwaters

XIA Junqiang1, CHEN Qian1, LI Na2, GUO Peng1

(1. State Key Laboratory of Water Resource and Hydropower Engineering Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, China； 2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038， China)

There have been numerous urban flood disasters in recent years, causing considerable loss of life. Therefore, the current investigation can provide a scientific basis for flood risk management for people living in urban areas. This paper reviewed previous investigations into human stability in floodwaters. Most of the existing criteria are empirical; other theoretical analyses usually neglect the effects of body buoyance and non-uniform velocity profile of incoming flow, which does not agree with real situations. Although the latest research results have overcome those deficiencies, further improvement is still required because the adopted approach neglects the difference of body structure attributes between the European and Chinese people. Therefore, it is necessary to improve the criterion of human body stability in floodwaters. This paper modified the existing equation of buoyancy force with the parameters of human body structure of Americans or Europeans. Two parameters in the formulas of incipient velocity were re-calibrated based on existing experimental data and an improved criterion for the stability of children and adults in floodwaters was presented. Finally, the proposed formula was validated in detail against existing field experimental data. Because the control conditions for the laboratory experiments were better than those in real floodwaters, the criterion for human stability proposed in this paper tends to be more dangerous in terms of flood risk management.

urban flood; human body stability; formula evaluation; incipient velocity; parameter calibration

2015-04-22

國(guó)家自然科學(xué)基金(51379156)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201401038)

夏軍強(qiáng)(1974—)，男，教授，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)楹恿鲃?dòng)力學(xué).E-mail：xiajq@whu.edu.cn

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