城市暴雨内涝灾害期间居民步行安全阈值研究

李航 陈鹏

摘要：城市内涝灾害频发对居民出行安全产生了极大的影响。以长春市南关区为研究區，以居民水中行走安全为研究对象，采用居民水中行走试验与问卷调查方法，构建了居民步行与水深、流速间的函数关系，确定其水中行走的安全阈值。研究结果表明：当水深0.5 m，水流速度0.5 m/s时，人在水中可以通行;水深0.5 m，水流速度1.0 m/s时，人在水中行走较困难;当水深达到1 m以上，水流速度达到1.5 m/s以上，人将无法通行;水深0～1.5 m、流速0～1.5 m/s界线范围是居民出行安全范围。研究结果可为城市内涝灾害风险预警提供决策依据。

关键词：居民水中行走;安全阈值;城市内涝;问卷调查;灾害预警

中图法分类号：TU992文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.001

文章编号：1006 - 0081（2021）07 - 0006 - 05

近些年，城市内涝灾害频发，给居民日常出行带来极大困扰。2008年以来，中国多个城市都发生了不同程度的内涝灾害，道路积水深度在50 cm以上的城市达到60%，积水超过半小时的城市占比将近80%，其中内涝灾害较重的城市有大连、北京、武汉、杭州、郑州、天津、哈尔滨、长春等。例如在2012年7月21日北京市遭遇了历史以来最大的城市内涝灾害，全市平均降雨量164 mm，房山区河北镇达到460 mm，受灾人口达190余万人，经济损失近百亿元，造成79人遇难;长春市南关区2019年6月2日、7月16日、8月18日，因暴雨导致多条道路大面积积水，市区部分一楼住户与地下室进水，在东北师范大学门前积水深度超1.5 m，多辆车被淹，人员被困，生命受到威胁。由此可见，内涝灾害不仅给城市居民出行带来影响，也给城市居民的生命、财产及基础设施等造成巨大损失。

目前，针对城市内涝灾害相关研究主要集中在城市内涝数值模型构建[1-3]、风险评估[4-6]、脆弱性评估[7-11]、损失评估[12-14]及应急管理[15-17]等方面。虽然学者在上述研究内容上取得了诸多成果，但有关居民对发生城市内涝时的水深、流速等方面的风险认知研究稍显缺乏，因此，开展居民水中行走安全阈值试验研究，不仅可以提高居民对发生城市内涝时水深与流速大小的风险认知程度，亦可为城市暴雨内涝灾害预警提供决策依据。

1 研究区概况

南关区是吉林省长春市下辖区，位于长春市区东南部，是长春市的南大门。南关区西起人民大街与朝阳区接壤，北至新发路、上海路、光复路与宽城区相接，东临伊通河与二道区隔河相望，南至新立城镇、永春乡边界与长春净月经济开发区、长春高新技术产业开发区为邻，全区人口66万人，面积497 km2。随着近些年全球气候变化及城市快速发展，导致研究区频发内涝灾害，分析历史内涝灾害数据发现：研究区道路积水最深处达1.5 m左右，已经给城市居民生命安全、财产及基础设施造成了严重损失。

2 研究方法及数据来源

2.1 试验目的

为了减少内涝灾害对城市居民生命、财产造成的损失，提高居民出行安全阈值认识度，设计了居民水中行走试验，以确定水深、流速对居民步行的影响程度，分析居民水中行走的困难度阈值，以确定居民水中行走的安全阈值。

2.2 试验设备与人员

2.2.1 试验设备

试验主控台主要控制试验过程中水流速度与水深，完全由电脑控制台控制，并由试验员进行监控。玻璃水槽宽1.0 m，长30.0 m，模型流量300 L/s。水槽由进水段、工作段、尾门控制段3部分组成，主要用于水工建筑物局部水流的断面模型试验及水深、水流速度测定。水槽底部采用沥青铺装，尽量与实际道路参数一致，以保证水槽底部糙率参数精确率定。

2.2.2 试验人员

本试验主要是为了确定试验者在水中步行困难程度的步行速度临界值。选取的试验对象为小学生、青年人、中年人、老年人，参与试验的小学生、青年人、中年人、老年人体型大约为全国小学生、青年人、中年人、老年人平均体型（表1）。试验方法主要是让试验对象在水中逆流与顺流行走，并测定试验者在逆流与顺流环境下行走的水深与流速，并确定试验者水中步行困难度阈值。

表1 试验者情况

[类型 年龄/岁 体重/kg 身高/cm 人数/人 行走距离/m 试验方案 小学生 8～12 30～45 125～155 10 15 顺流、逆流行走 青年人 18～24 55～75 168～175 10 15 顺流、逆流行走 中年人 30～50 55～75 168～175 10 15 顺流、逆流行走 老年人 55～70 55～75 168～175 10 15 顺流、逆流行走 ]

2.3 试验内容设计

（1） 选定若干试验者进行水中行走试验，包括青年、小学生、中年人、老年人各10名，其身高、体重、身体状况都属于全国同等年龄中平均状态。

（2）利用水槽控制平台进行水流速度、水深与流量控制，同时，试验者在不同水深、流速等条件下进行顺流、逆流行走，同时测定并记录居民水中行走困难度阈值。

2.4 试验方法

2.4.1 实地调查

为了保证试验数据的准确性，需进行实地调查，其中包括研究区的道路情况、易受内涝影响区域及历史内涝情况等。依据实地调查结果进行水槽参数设定，使其与实际路段情况尽量一致，从而保证试验数据的正确性与有效性。

2.4.2 试验准备

试验前设备准备主要包括水槽主控平台调试、水槽泵闸开启、水槽参数设定、水槽中试验者步行距离设定及试验前准备。其中，水槽参数设定分别为：水深0.1～1.5 m与流速0.1～1.5 m/s作为试验者水中行走的水深与流速变化值。

2.4.3 试验过程

依据上述试验前准备、试验者选取及设备初始参数设定，进行试验者分组，即按照试验者年龄分为：小学生组、青年组、中年组、老年组，每组人数为10人，试验者按年龄从小到大依次进行水中行走试验，每组试验者行走的水深、水流速度分别在0.1～1.5 m，0.1～1.5 m/s之间进行变化，并对每个试验者水中行走过程受不同水深、流速的影响程度进行记录，获取试验者水中行走困难度阈值（图1）。

3 结果分析

在保证试验者人身安全的前提下，并未进行极值试验。试验结果（表2）表明：试验者在水中行走时，步行速度随着水流、水深增加而逐渐降低，即试验者水中行走的困难程度随水深和流速的增加而变得越来越困难，这表明流速、水深对居民出行影响较大[18-19]。从图2可以看出：当积水水深、流速分别为0.1～0.3 m、0.1～0.5 m/s时，对居民水中行走影响不大，可以通行;当水深、流速达到0.5～1.0 m、0.5～1.0 m/s时，对居民水中行走影响较大，此時居民水中通行困难;当道路积水水深、流速达到1.0 m与1.5 m/s以上时，对居民水中行走影响非常大，积水较重区域居民不能通行。

3.1 居民行走与水深、流速关系分析

城市暴雨导致道路积水的水深与流速是影响居民出行过程中的重要因素。通过实地问卷调查与试验以及参考现有研究[18-19]，结果表明：当道路积水水深在0.5 m，水流速度在0.5 m/s时，人在水中可以通行;水深在0.5 m，水流速度在1.0 m/s时，人在水中行走较困难;当水深达到1 m以上，水流速度达到1.5 m/s以上，人将无法通行，此时应选择其他道路。居民在道路积水中步行困难度与水深、流速关系见表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围。依据图3～4所示安全率的范围得出步行最大可能范围[19]，并结合试验与问卷调查结果分析，可以看出：居民水中行走最大可能阈值、安全率与步行速度大部分都与实际问卷调查结果值基本一致，大部分数值分布在水深0～1.5 m、流速0～1.5 m/s范围内，即居民水中步行能通过的安全界线范围内。

（2）试验误差。试验者在水中行走的水流速度、水深对试验者步行速度的影响程度基本符合实际问卷调查结果。其中误差存在的原因是试验模拟路段与实际路段条件、环境条件无法达到完全一致。

4 结 论

城市暴雨内涝灾害是中国诸多城市爆发的“城市病”，已经给居民出行及城市可持续发展带来了严重影响。及时掌握城市暴雨内涝灾害对居民出行安全的影响程度，不仅能够保证居民安全出行，且可为城市内涝灾害风险预警提供决策依据。本文以长春市南关区为例，采用了居民水中行走试验与问卷调查方法，获取居民水中行走困难度阈值，以确定居民水中安全行走阈值。研究结果显示：水深0.5 m时，水流速度0.5 m/s时，人在水中可以通行;水深0.5 m时，水流速度1.0 m/s时，人在水中行走较困难;当水深达到1 m以上，水流速度达到1.5 m/s以上，人将无法通行;以此为基础，构建居民步行与水深、流速间的函数关系，确定居民在水深0～1.5 m、流速0～1.5 m/s界线范围是居民出行安全范围。

本文虽通过试验方法确定了居民水中行走安全阈值，但在试验时受相关参数设定方式限制，导致试验模拟路段与实际路段存在一定偏差，会对试验结果存在一定影响。另外，由于受试验条件限制，目前仅开展居民在水行走试验确定其水中行走的安全阈值研究，在未来研究中将进一步改进试验条件，开展车辆水中行走试验，确定车辆水中通行安全阈值。同时改进居民水中行走试验过程及相关参数设定，包括增加试验者鞋底材质、花纹、鞋底接触面积、压力、摩擦力等内容设计，以提高试验精度，更好地为提高居民出行安全及城市内涝灾害应急管理服务。

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（编辑：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