現(xiàn)有洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)的評價及改進

夏軍強， 陳　倩， 李　娜， 果　鵬

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室， 湖北 武漢 430072； 2. 中國水利水電科學(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)的評價及改進

夏軍強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)國家重點實驗室， 湖北 武漢 430072； 2. 中國水利水電科學(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)的試驗研究及力學(xué)理論分析成果，表明現(xiàn)有基于水槽試驗的洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù)不考慮失穩(wěn)機理，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流沿水深為均勻分布，與實際情況不符.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)與中國人體的差異，所以還需進一步完善.故有必要對洪水中人體的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)進行改進.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算公式.利用已有洪水中真實人體失穩(wěn)的水槽試驗數(shù)據(jù)重新率定了人體起動流速公式中的相關(guān)參數(shù)，提出了改進后的洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，并用城市洪水的實測資料對其進行驗證.由于參數(shù)率定時采用水槽試驗數(shù)據(jù)，其試驗條件比真實洪水過程簡單，故所提出的洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)偏于危險.

城市洪水； 人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)； 公式評價； 起動流速； 參數(shù)率定

全球氣候變化和城市化進程加快改變了城市水循環(huán)過程，加劇了城市暴雨洪澇問題[1-2].在我國由暴雨引發(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[4].據(jù)國際災(zāi)難數(shù)據(jù)庫(EM-DAT)統(tǒng)計，1986～2015年間，全球共報道了3 557場次洪水，造成了20.3萬人死亡.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.人類活動范圍的擴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[5].因此有必要進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室內(nèi)水槽試驗，包括以兒童為測試對象的研究[6-7]和以成人為測試對象的研究[8-10]；另有一部分成果來自現(xiàn)場試驗，包括Jonkman等[11]、Chanson等[12]的研究.以往所提出的基于水槽試驗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)的動力學(xué)機制，而是直接利用試驗數(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)驗關(guān)系.Jonkman等[11]雖然進行了理論分析，但忽略了人體所受浮力并假定來流沿水深均勻分布，使得所提出的標(biāo)準(zhǔn)與實際情況不符.

夏軍強等[13]利用人機工程學(xué)原理，基于中國人體結(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算方法；并假定來流沿水深為指數(shù)函數(shù)分布，運用河流動力學(xué)中的泥沙起動理論，推導(dǎo)出洪水中人體滑移和跌倒失穩(wěn)的起動流速公式.由于已有水槽試驗研究大多以歐美人體為測試對象，而歐美人體結(jié)構(gòu)與中國人體存在差異，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，然后采用已有真實人體失穩(wěn)的水槽試驗數(shù)據(jù)，重新率定起動流速公式中的相關(guān)參數(shù).在此基礎(chǔ)上提出改進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)場實測數(shù)據(jù)對公式進行驗證.

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(能見度、風(fēng)速條件等)4個方面[11].不同學(xué)者在開展洪水中人體穩(wěn)定性試驗時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水槽試驗成果

Foster和Cox[6]以6位9～13歲的男孩為試驗對象，研究了洪水中兒童在站立和坐下2種情況時的穩(wěn)定性.試驗結(jié)果表明：坐下比站立時穩(wěn)定性差；站立時測試對象體重越大穩(wěn)定性越好.因該試驗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]通過水槽試驗同樣研究了洪水中兒童的穩(wěn)定性.該試驗水槽底坡坡度為1%，測試對象為2名男童和2名女童，年齡在4～7歲，試驗時均穿泳裝，不穿鞋.以測試對象滑移或跌倒失穩(wěn)不能繼續(xù)試驗，或者在來流沖擊下感到不適作為失穩(wěn)判定條件.試驗結(jié)果表明：人體失穩(wěn)時臨界水深與流速之積受測試對象年齡影響變化很大，年齡最小的4號測試對象由于身體尚未發(fā)育完全，抵抗水流沖擊能力遠小于其他3位年齡較大的測試者.

Abt等[8]在水槽試驗中考慮4種地面材料和2種底坡情況，以簡化人體模型和20名成人為測試對象，研究了成人在洪水中的失穩(wěn)條件.由于真實人體在水流作用下能調(diào)整站立姿勢，研究發(fā)現(xiàn)成人抵抗水流沖擊能力比模型高出60%～120%.通過對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，Abt等[8]得出失穩(wěn)時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)的動力學(xué)機理.Karvonen等[9]在一個大型水池中開展洪水中人體失穩(wěn)試驗，測試對象站在可移動鋼架平臺上，利用拖車牽引可移動平臺來產(chǎn)生人體與水流的相對運動.通過對試驗結(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，并提出對應(yīng)于這3種情況時的來流單寬流量與人體身高體重之積之間的線性關(guān)系(見表1).Takahashi等[10]測量了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)場實測成果

為模擬真實洪水情況，Jonkman等[11]在英國Lea河下游一個渠道內(nèi)進行試驗，該渠道寬70 m，底部為1%的混凝土地面.測試對象是一名專業(yè)特技男演員，身高為1.7 m，體重為68 kg.通過試驗，Jonkman等[11]進一步解釋了洪水中人體的失穩(wěn)機理，并將人體概化為長方體，通過簡單力學(xué)分析推導(dǎo)出洪水中人體面對水流時的跌倒和滑移失穩(wěn)公式(見表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]的分析中沒有考慮人體所受的浮力作用，但實際洪水中當(dāng)水深較大時浮力影響不能忽略.

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流速儀測量了2011年1月發(fā)生在布里斯班真實城市洪水中的水流條件.實測數(shù)據(jù)表明真實洪水中水深和流速波動很大，且人體失穩(wěn)時來流單寬流量小于水槽試驗值.因此Chanson等[12]認(rèn)為洪水中人體穩(wěn)定性還受水流脈動的影響，并提出以瞬時流速和水深作為洪水中人體失穩(wěn)條件(見表1)，其中U，h為瞬時流速和水深.

1.3前人試驗數(shù)據(jù)及人體失穩(wěn)公式對比

將已有洪水中人體失穩(wěn)的計算公式及上述各水槽試驗情況進行匯總，結(jié)果分別見表1和表2.試驗數(shù)據(jù)及計算曲線比較如圖1所示.圖1中計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)水槽試驗情況對比Tab.2　Comparison of existing experimental conditions

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

對圖1中試驗數(shù)據(jù)分析可知：

(1)由于試驗條件差異，Abt等[8]試驗所得測試對象的穩(wěn)定性更好.Abt等[8]試驗中測試對象有安全帽、鋼繩等防護措施，且測試對象可調(diào)整站立姿勢以提高抵抗來流沖擊的能力；而Takahashi等[10]試驗中測試對象沒有防護措施，也不能自由移動.Karvonen等[9]的試驗對象穿著救生衣，救生衣中存儲的空氣一方面增大了測試對象受到的浮力作用，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]的測試對象站在可移動鋼架平臺上，鋼架與鞋底摩擦因數(shù)小，不利于人體穩(wěn)定.測試對象衣著和地面粗糙情況的差異，導(dǎo)致Karvonen等[9]所得的測試對象穩(wěn)定性在同等來流條件下也低于Abt等[8]的試驗結(jié)果.

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

對圖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]公式的計算結(jié)果相差較小，且相比于其他公式而言，兩者的計算結(jié)果偏于危險；Karvonen等[9]所提出的較好和較差外界環(huán)境時的計算曲線分別與水槽試驗和真實洪水的試驗數(shù)據(jù)符合較好，但由于只是定性地區(qū)分洪水發(fā)生時人體所處環(huán)境的好壞，使用時缺少統(tǒng)一的定量標(biāo)準(zhǔn).同時Abt等[8]和Karvonen等[9]的公式是基于水槽試驗數(shù)據(jù)直接擬合而提出的經(jīng)驗關(guān)系，并未涉及實際失穩(wěn)機理，故計算精度不高，且適用范圍有限.Jonkman等[11]公式雖基于力學(xué)分析，但對人體受力和來流條件做了過多假設(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，故計算結(jié)果與實際情況不符.

2　現(xiàn)有人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)的改進

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)來流水深較小但流速較大時，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，見圖2a；跌倒失穩(wěn)通常發(fā)生在來流水深較大但流速較小的情況下，失穩(wěn)條件為作用力對人體腳后跟的傾覆力矩大于穩(wěn)定力矩，見圖2b.假設(shè)洪水中的人體面朝來流方向，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

夏軍強等[13]利用河流動力學(xué)中泥沙起動理論，推導(dǎo)出了洪水中人體發(fā)生滑移及跌倒失穩(wěn)時的起動流速公式，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，浮力計算考慮了人體形狀沿水深方向的不規(guī)則性，利用了人機工程學(xué)的原理，得出不同水深下的人體體積，進而求得浮力Fb的計算公式

(3)

式中：x為來流水深hf與人體身高hp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)人機工程學(xué)的統(tǒng)計資料表明，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)與中國人體存在差異，而已有試驗研究中大多以歐美人體為測試對象，因此本文采用Harless[16]液浸法測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，重新率定浮力計算式中的參數(shù)a1和b1，得a1= 0.735，b1= 0.265.同時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取值與中國人體相同.

假定洪水中人體體重為60 kg，當(dāng)水深達到髖部處，即0.47倍身高，此時人體所受浮力為155 N，達到人體重力的0.26倍，在這種情況下人體的有效質(zhì)量僅相當(dāng)于44 kg.由此可見，當(dāng)水深較大時人體所受浮力較大，可抵消一部分的重力作用，故浮力對洪水中人體穩(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帶來較大偏差，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)的水槽試驗數(shù)據(jù)按滑移和跌倒失穩(wěn)機制進行劃分，分別重新率定起動流速公式(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算所得值.該率定過程分為兩部分，首先利用各研究者的試驗數(shù)據(jù)分別率定參數(shù)α與β，將率定后式(1)，(2)失穩(wěn)流速計算值與實測值比較，對公式進行驗證；然后綜合所有試驗數(shù)據(jù)對參數(shù)α，β再次率定，提出改進后的洪水中人體失穩(wěn)條件.

3.1不同研究者試驗數(shù)據(jù)單獨率定

Abt等[8]采用20名成人進行水槽試驗，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)進行跌倒失穩(wěn)時的參數(shù)率定.Karvonen等[9]測試7名成人在水中采用站立、行走、轉(zhuǎn)彎等不同姿勢時的穩(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)進行率定.Takahashi等[10]共測試了3名成人在不同朝向時站立和坐下時的穩(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的試驗數(shù)據(jù).Foster和Cox[6]采用6名兒童進行試驗共得到14組滑移失穩(wěn)數(shù)據(jù).Yee[7]對4名兒童進行試驗，其中4號測試對象僅4歲，其試驗結(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數(shù)據(jù).因式(1)及式(2)的公式結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，故采用SPSS軟件進行參數(shù)率定，得到成人和兒童分別在滑移和跌倒時的參數(shù)α及β值，以及計算與實測值的相關(guān)系數(shù)R2，見表3.

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

從表3可看出，起動流速公式中參數(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條件及測試對象的個體差異所致.在滑移失穩(wěn)公式率定中雖然試驗數(shù)據(jù)有限，但公式計算值與實測值仍較為符合(R2>0.5).將本文公式擬合效果與前人進行對比：Abt等[8]建立洪水中人體跌倒失穩(wěn)時來流單寬流量與其身高體重之積間的經(jīng)驗關(guān)系，得到計算與實測值相關(guān)系數(shù)僅為0.48，小于本文相關(guān)系數(shù)0.709；Jonkman等[11]通過參數(shù)率定方法，得到Abt等[8]試驗中滑移和跌倒失穩(wěn)時計算與實測值的相關(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Jonkman等[11]還得到Karvonen等[9]試驗中測試對象跌倒失穩(wěn)時計算與實測值的相關(guān)系數(shù)為0.75，擬合效果同樣低于本文(R2=0.959).將本文改進后的起動流速公式計算值與實測值繪制于圖3中，可見計算與實測值符合良好，說明改進后的起動流速公式能夠用于洪水中人體失穩(wěn)條件的計算.

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所有試驗數(shù)據(jù)綜合率定

為提出改進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中的滑移及跌倒失穩(wěn)數(shù)據(jù)，分別對式(1)及(2)中的參數(shù)進行率定，結(jié)果見表4.將率定所得參數(shù)代入公式(1)和(2)，同時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)條件下起動流速的計算曲線，如圖4所示.需要指出的是水槽中試驗條件比較理想，如水流恒定且不挾帶漂浮物、地面狀況良好、測試對象有安全防護措施等，而真實洪水中流動條件較為復(fù)雜.因此利用表4中參數(shù)計算的起動流速結(jié)果，與真實洪水中人體失穩(wěn)條件相比，偏于危險.

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)方式下起動流速的計算曲線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)場試驗數(shù)據(jù)驗證

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

圖5　真實洪水實測數(shù)據(jù)驗證

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.本文對現(xiàn)有的洪水中人體失穩(wěn)公式進行改進，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)的水槽試驗數(shù)據(jù)，按不同失穩(wěn)機制進行劃分，重新率定出滑移和跌倒失穩(wěn)公式中的參數(shù)α及β，提出了改進后的洪水中人體失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn).

(2)利用已有真實洪水中的試驗數(shù)據(jù)對本文公式進行驗證，表明率定后的公式用于預(yù)測真實洪水中人體失穩(wěn)條件時偏于危險.這是由于真實城市洪水中的水流條件較水槽試驗條件復(fù)雜所致，如水流脈動劇烈、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，還受測試對象的穿著、地面條件等因素影響.因此今后需進行更多真實洪水中的試驗，便于提出適用于不同外界環(huán)境時洪水中人體的起動流速公式.

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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

國家自然科學(xué)基金(51379156)；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(201401038)

夏軍強(1974—)，男，教授，工學(xué)博士，主要研究方向為河流動力學(xué).E-mail：xiajq@whu.edu.cn

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