城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害期間居民步行安全閾值研究

李航 陳鵬

摘要：城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)對居民出行安全產(chǎn)生了極大的影響。以長春市南關(guān)區(qū)為研究區(qū)，以居民水中行走安全為研究對象，采用居民水中行走試驗(yàn)與問卷調(diào)查方法，構(gòu)建了居民步行與水深、流速間的函數(shù)關(guān)系，確定其水中行走的安全閾值。研究結(jié)果表明：當(dāng)水深0.5 m，水流速度0.5 m/s時(shí)，人在水中可以通行;水深0.5 m，水流速度1.0 m/s時(shí)，人在水中行走較困難;當(dāng)水深達(dá)到1 m以上，水流速度達(dá)到1.5 m/s以上，人將無法通行;水深0～1.5 m、流速0～1.5 m/s界線范圍是居民出行安全范圍。研究結(jié)果可為城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：居民水中行走;安全閾值;城市內(nèi)澇;問卷調(diào)查;災(zāi)害預(yù)警

中圖法分類號(hào)：TU992文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.001

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）07 - 0006 - 05

近些年，城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，給居民日常出行帶來極大困擾。2008年以來，中國多個(gè)城市都發(fā)生了不同程度的內(nèi)澇災(zāi)害，道路積水深度在50 cm以上的城市達(dá)到60%，積水超過半小時(shí)的城市占比將近80%，其中內(nèi)澇災(zāi)害較重的城市有大連、北京、武漢、杭州、鄭州、天津、哈爾濱、長春等。例如在2012年7月21日北京市遭遇了歷史以來最大的城市內(nèi)澇災(zāi)害，全市平均降雨量164 mm，房山區(qū)河北鎮(zhèn)達(dá)到460 mm，受災(zāi)人口達(dá)190余萬人，經(jīng)濟(jì)損失近百億元，造成79人遇難;長春市南關(guān)區(qū)2019年6月2日、7月16日、8月18日，因暴雨導(dǎo)致多條道路大面積積水，市區(qū)部分一樓住戶與地下室進(jìn)水，在東北師范大學(xué)門前積水深度超1.5 m，多輛車被淹，人員被困，生命受到威脅。由此可見，內(nèi)澇災(zāi)害不僅給城市居民出行帶來影響，也給城市居民的生命、財(cái)產(chǎn)及基礎(chǔ)設(shè)施等造成巨大損失。

目前，針對城市內(nèi)澇災(zāi)害相關(guān)研究主要集中在城市內(nèi)澇數(shù)值模型構(gòu)建[1-3]、風(fēng)險(xiǎn)評估[4-6]、脆弱性評估[7-11]、損失評估[12-14]及應(yīng)急管理[15-17]等方面。雖然學(xué)者在上述研究內(nèi)容上取得了諸多成果，但有關(guān)居民對發(fā)生城市內(nèi)澇時(shí)的水深、流速等方面的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知研究稍顯缺乏，因此，開展居民水中行走安全閾值試驗(yàn)研究，不僅可以提高居民對發(fā)生城市內(nèi)澇時(shí)水深與流速大小的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知程度，亦可為城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害預(yù)警提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南關(guān)區(qū)是吉林省長春市下轄區(qū)，位于長春市區(qū)東南部，是長春市的南大門。南關(guān)區(qū)西起人民大街與朝陽區(qū)接壤，北至新發(fā)路、上海路、光復(fù)路與寬城區(qū)相接，東臨伊通河與二道區(qū)隔河相望，南至新立城鎮(zhèn)、永春鄉(xiāng)邊界與長春凈月經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、長春高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)為鄰，全區(qū)人口66萬人，面積497 km2。隨著近些年全球氣候變化及城市快速發(fā)展，導(dǎo)致研究區(qū)頻發(fā)內(nèi)澇災(zāi)害，分析歷史內(nèi)澇災(zāi)害數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)道路積水最深處達(dá)1.5 m左右，已經(jīng)給城市居民生命安全、財(cái)產(chǎn)及基礎(chǔ)設(shè)施造成了嚴(yán)重?fù)p失。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了減少內(nèi)澇災(zāi)害對城市居民生命、財(cái)產(chǎn)造成的損失，提高居民出行安全閾值認(rèn)識(shí)度，設(shè)計(jì)了居民水中行走試驗(yàn)，以確定水深、流速對居民步行的影響程度，分析居民水中行走的困難度閾值，以確定居民水中行走的安全閾值。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與人員

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主控臺(tái)主要控制試驗(yàn)過程中水流速度與水深，完全由電腦控制臺(tái)控制，并由試驗(yàn)員進(jìn)行監(jiān)控。玻璃水槽寬1.0 m，長30.0 m，模型流量300 L/s。水槽由進(jìn)水段、工作段、尾門控制段3部分組成，主要用于水工建筑物局部水流的斷面模型試驗(yàn)及水深、水流速度測定。水槽底部采用瀝青鋪裝，盡量與實(shí)際道路參數(shù)一致，以保證水槽底部糙率參數(shù)精確率定。

2.2.2 試驗(yàn)人員

本試驗(yàn)主要是為了確定試驗(yàn)者在水中步行困難程度的步行速度臨界值。選取的試驗(yàn)對象為小學(xué)生、青年人、中年人、老年人，參與試驗(yàn)的小學(xué)生、青年人、中年人、老年人體型大約為全國小學(xué)生、青年人、中年人、老年人平均體型（表1）。試驗(yàn)方法主要是讓試驗(yàn)對象在水中逆流與順流行走，并測定試驗(yàn)者在逆流與順流環(huán)境下行走的水深與流速，并確定試驗(yàn)者水中步行困難度閾值。

表1 試驗(yàn)者情況

[類型 年齡/歲 體重/kg 身高/cm 人數(shù)/人 行走距離/m 試驗(yàn)方案 小學(xué)生 8～12 30～45 125～155 10 15 順流、逆流行走 青年人 18～24 55～75 168～175 10 15 順流、逆流行走 中年人 30～50 55～75 168～175 10 15 順流、逆流行走 老年人 55～70 55～75 168～175 10 15 順流、逆流行走 ]

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

（1） 選定若干試驗(yàn)者進(jìn)行水中行走試驗(yàn)，包括青年、小學(xué)生、中年人、老年人各10名，其身高、體重、身體狀況都屬于全國同等年齡中平均狀態(tài)。

（2）利用水槽控制平臺(tái)進(jìn)行水流速度、水深與流量控制，同時(shí)，試驗(yàn)者在不同水深、流速等條件下進(jìn)行順流、逆流行走，同時(shí)測定并記錄居民水中行走困難度閾值。

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1 實(shí)地調(diào)查

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，其中包括研究區(qū)的道路情況、易受內(nèi)澇影響區(qū)域及歷史內(nèi)澇情況等。依據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行水槽參數(shù)設(shè)定，使其與實(shí)際路段情況盡量一致，從而保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性與有效性。

2.4.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)前設(shè)備準(zhǔn)備主要包括水槽主控平臺(tái)調(diào)試、水槽泵閘開啟、水槽參數(shù)設(shè)定、水槽中試驗(yàn)者步行距離設(shè)定及試驗(yàn)前準(zhǔn)備。其中，水槽參數(shù)設(shè)定分別為：水深0.1～1.5 m與流速0.1～1.5 m/s作為試驗(yàn)者水中行走的水深與流速變化值。

2.4.3 試驗(yàn)過程

依據(jù)上述試驗(yàn)前準(zhǔn)備、試驗(yàn)者選取及設(shè)備初始參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行試驗(yàn)者分組，即按照試驗(yàn)者年齡分為：小學(xué)生組、青年組、中年組、老年組，每組人數(shù)為10人，試驗(yàn)者按年齡從小到大依次進(jìn)行水中行走試驗(yàn)，每組試驗(yàn)者行走的水深、水流速度分別在0.1～1.5 m，0.1～1.5 m/s之間進(jìn)行變化，并對每個(gè)試驗(yàn)者水中行走過程受不同水深、流速的影響程度進(jìn)行記錄，獲取試驗(yàn)者水中行走困難度閾值（圖1）。

3 結(jié)果分析

在保證試驗(yàn)者人身安全的前提下，并未進(jìn)行極值試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果（表2）表明：試驗(yàn)者在水中行走時(shí)，步行速度隨著水流、水深增加而逐漸降低，即試驗(yàn)者水中行走的困難程度隨水深和流速的增加而變得越來越困難，這表明流速、水深對居民出行影響較大[18-19]。從圖2可以看出：當(dāng)積水水深、流速分別為0.1～0.3 m、0.1～0.5 m/s時(shí)，對居民水中行走影響不大，可以通行;當(dāng)水深、流速達(dá)到0.5～1.0 m、0.5～1.0 m/s時(shí)，對居民水中行走影響較大，此時(shí)居民水中通行困難;當(dāng)?shù)缆贩e水水深、流速達(dá)到1.0 m與1.5 m/s以上時(shí)，對居民水中行走影響非常大，積水較重區(qū)域居民不能通行。

3.1 居民行走與水深、流速關(guān)系分析

城市暴雨導(dǎo)致道路積水的水深與流速是影響居民出行過程中的重要因素。通過實(shí)地問卷調(diào)查與試驗(yàn)以及參考現(xiàn)有研究[18-19]，結(jié)果表明：當(dāng)?shù)缆贩e水水深在0.5 m，水流速度在0.5 m/s時(shí)，人在水中可以通行;水深在0.5 m，水流速度在1.0 m/s時(shí)，人在水中行走較困難;當(dāng)水深達(dá)到1 m以上，水流速度達(dá)到1.5 m/s以上，人將無法通行，此時(shí)應(yīng)選擇其他道路。居民在道路積水中步行困難度與水深、流速關(guān)系見表3。

3.2 居民水中行走安全性分析

（1）水中步行速度最大可能值范圍。依據(jù)圖3～4所示安全率的范圍得出步行最大可能范圍[19]，并結(jié)合試驗(yàn)與問卷調(diào)查結(jié)果分析，可以看出：居民水中行走最大可能閾值、安全率與步行速度大部分都與實(shí)際問卷調(diào)查結(jié)果值基本一致，大部分?jǐn)?shù)值分布在水深0～1.5 m、流速0～1.5 m/s范圍內(nèi)，即居民水中步行能通過的安全界線范圍內(nèi)。

（2）試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)者在水中行走的水流速度、水深對試驗(yàn)者步行速度的影響程度基本符合實(shí)際問卷調(diào)查結(jié)果。其中誤差存在的原因是試驗(yàn)?zāi)M路段與實(shí)際路段條件、環(huán)境條件無法達(dá)到完全一致。

4 結(jié) 論

城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害是中國諸多城市爆發(fā)的“城市病”，已經(jīng)給居民出行及城市可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)重影響。及時(shí)掌握城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害對居民出行安全的影響程度，不僅能夠保證居民安全出行，且可為城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供決策依據(jù)。本文以長春市南關(guān)區(qū)為例，采用了居民水中行走試驗(yàn)與問卷調(diào)查方法，獲取居民水中行走困難度閾值，以確定居民水中安全行走閾值。研究結(jié)果顯示：水深0.5 m時(shí)，水流速度0.5 m/s時(shí)，人在水中可以通行;水深0.5 m時(shí)，水流速度1.0 m/s時(shí)，人在水中行走較困難;當(dāng)水深達(dá)到1 m以上，水流速度達(dá)到1.5 m/s以上，人將無法通行;以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建居民步行與水深、流速間的函數(shù)關(guān)系，確定居民在水深0～1.5 m、流速0～1.5 m/s界線范圍是居民出行安全范圍。

本文雖通過試驗(yàn)方法確定了居民水中行走安全閾值，但在試驗(yàn)時(shí)受相關(guān)參數(shù)設(shè)定方式限制，導(dǎo)致試驗(yàn)?zāi)M路段與實(shí)際路段存在一定偏差，會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果存在一定影響。另外，由于受試驗(yàn)條件限制，目前僅開展居民在水行走試驗(yàn)確定其水中行走的安全閾值研究，在未來研究中將進(jìn)一步改進(jìn)試驗(yàn)條件，開展車輛水中行走試驗(yàn)，確定車輛水中通行安全閾值。同時(shí)改進(jìn)居民水中行走試驗(yàn)過程及相關(guān)參數(shù)設(shè)定，包括增加試驗(yàn)者鞋底材質(zhì)、花紋、鞋底接觸面積、壓力、摩擦力等內(nèi)容設(shè)計(jì)，以提高試驗(yàn)精度，更好地為提高居民出行安全及城市內(nèi)澇災(zāi)害應(yīng)急管理服務(wù)。

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（編輯：江 文）

Study on pedestrian travel safety threshold during urban rainstorm and

waterlogging disaster

LI Hang，? CHEN Peng

（College of Tourism and Geography Science， Jilin Normal University， Siping? 136000， China）

Abstract： Frequent urban waterlogging disasters cause bad effects on pedestrian travel safety. Taking Nanguan District of Changchun City as the research area， we explored pedestrian water walking safety by indoor experiment and questionnaire survey and the functional relationship between pedestrian walking velocity， water depth and flow velocity and the safety threshold of their water walking was determined. The research results showed that：? ①When water depth is 0.5m and the water velocity is 0.5m/s， people could walk through the water; when water depth is 0.5m and the water velocity is 1.0m/s， it was difficult for people to walk through water; when water depth is over 1m and water velocity is over 1.5m/s ， people could not walk through the water ;? ②Water depth 0～1.5m and flow velocity 0～1.5m/s was the safe range for pedestrian travel. The research results can provide decision-making basis for urban waterlogging disaster warning.

Keywords： pedestrian walking through water;safety threshold; urban waterlogging; questionnaire survey;disaster warning