基于城市內(nèi)澇的綜合治理與研究科教方案

朱儒斌

活動(dòng)背景

近年來(lái)，極端天氣頻繁出現(xiàn)，連續(xù)性強(qiáng)降雨極容易造成城市排水系統(tǒng)癱瘓，導(dǎo)致城市內(nèi)澇，對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅。本方案設(shè)計(jì)來(lái)自于生活，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力及社會(huì)責(zé)任感。

活動(dòng)目標(biāo)

知識(shí)目標(biāo) 學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)測(cè)量并用數(shù)學(xué)圖表進(jìn)行綜合分析；學(xué)習(xí)材料學(xué)、工程學(xué)相關(guān)知識(shí)，制作城市內(nèi)澇簡(jiǎn)易演示模型；通過(guò)撰寫調(diào)查報(bào)告提升寫作能力和語(yǔ)言表達(dá)能力。

能力目標(biāo) 學(xué)會(huì)利用頭腦風(fēng)暴多角度解決問(wèn)題；培養(yǎng)一專多能、能跨學(xué)科深度融合、相互協(xié)作的專業(yè)輔導(dǎo)團(tuán)隊(duì)。

態(tài)度目標(biāo) 培養(yǎng)學(xué)生勇于克服困難及敢于向未知領(lǐng)域進(jìn)軍的學(xué)術(shù)精神，進(jìn)一步弘揚(yáng)科學(xué)家精神；培養(yǎng)學(xué)生的批判思維，提升學(xué)生對(duì)事物的辨別能力。

情感目標(biāo) 通過(guò)理解科學(xué)與環(huán)境的關(guān)系，感受科技的力量，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神和社會(huì)責(zé)任感。

活動(dòng)難點(diǎn)

活動(dòng)需要外出探究，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，需提前策劃好活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，確保活動(dòng)有序推進(jìn)；方案設(shè)計(jì)時(shí)間跨度較長(zhǎng)，需統(tǒng)籌安排。

活動(dòng)對(duì)象、時(shí)間、地點(diǎn)

活動(dòng)對(duì)象：高一、高二年級(jí)“天翊”科技創(chuàng)新社團(tuán)骨干成員約50 人，根據(jù)活動(dòng)實(shí)施情況進(jìn)行人員分組。

時(shí)間：2021 年1 月—2022 年9月，利用科學(xué)影像活動(dòng)課、綜合實(shí)踐課、通用技術(shù)課，以及周末及寒暑假等空余時(shí)間。

地點(diǎn)：學(xué)?？萍紕?chuàng)新活動(dòng)室、峨眉山市住建局、環(huán)境保護(hù)局、檔案局、圖書館，以及城區(qū)、河道及濕地公園等。

活動(dòng)過(guò)程

儲(chǔ)備知識(shí)，準(zhǔn)備實(shí)施（2021 年1—2 月）

任務(wù)1. 利用集中開(kāi)題論證會(huì)向師生展示城市內(nèi)澇現(xiàn)象，讓大家初步了解城市內(nèi)澇現(xiàn)狀，為深入研究治理城市內(nèi)澇做好分組及前期準(zhǔn)備工作。

任務(wù)2. 組織主題班會(huì)或集隊(duì)活動(dòng)，讓全校師生知曉此事，爭(zhēng)取師生最大的支持。

任務(wù)3. 安排科技輔導(dǎo)員提前自學(xué)城市內(nèi)澇相關(guān)知識(shí)，為后續(xù)輔導(dǎo)學(xué)生作準(zhǔn)備。

任務(wù)4. 組織學(xué)生從圖書館、互聯(lián)網(wǎng)獲取城市內(nèi)澇相關(guān)知識(shí)。

任務(wù)5. 利用調(diào)查問(wèn)卷或分發(fā)科普宣傳單等方式，在校園、城市公共場(chǎng)所向師生及市民普及城市內(nèi)澇相關(guān)知識(shí)。

設(shè)計(jì)意圖 做好活動(dòng)推廣，儲(chǔ)備充足的知識(shí)。

活動(dòng) 1. 現(xiàn)狀調(diào)查，查找成因（2021 年3—4 月）

通過(guò)采訪當(dāng)?shù)刈〗ň謱＜?、環(huán)境專家，網(wǎng)上查閱資料，在市圖書館查閱《峨眉山市志》，詳細(xì)了解城市管網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀，組織學(xué)生實(shí)地測(cè)量雨水管粗細(xì)、雨水口數(shù)量、路面坡度及出水口水平落差。調(diào)研結(jié)果顯示：樂(lè)山市、峨眉山市的城市管網(wǎng)34% 建于20 世紀(jì)90 年代，66% 建于2010 年以后，1/3 的城市管網(wǎng)待整改，這些老舊管道使用雨污混流方式，同時(shí)還存在地下排水管管徑小、雨水管破損及堵塞嚴(yán)重等情況，經(jīng)常出現(xiàn)排水不暢的現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖 通過(guò)走訪專家、實(shí)地調(diào)查和測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，就存在的問(wèn)題提出合理的整改措施和意見(jiàn)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力。

活動(dòng) 2. 制作模型，實(shí)驗(yàn)印證（2021 年4—5 月）

在前期城市管網(wǎng)建設(shè)調(diào)查的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)備材料制作城市道路仿真模型，通過(guò)模型對(duì)城市內(nèi)澇現(xiàn)象進(jìn)行研究，避免無(wú)法實(shí)地調(diào)查的缺點(diǎn)。

任務(wù) 1. 設(shè)計(jì)制作城市內(nèi)澇簡(jiǎn)易演示模型

學(xué)生根據(jù)調(diào)查情況， 首先繪制模型草圖，再準(zhǔn)備制作模型所需材料（海綿、透明玻璃膠及膠槍、12 mm 直角彎頭、12 mm 三通、12 mm 轉(zhuǎn)6 mm 彎頭、礦泉水瓶、PVC 板、5 000 mL 量桶、人字梯、?6 軟管2 m、?12 軟管2 m），然后按草圖尺寸利用工具切割材料進(jìn)行拼裝和粘接，最終完成城市內(nèi)澇演示模型制作，并在后期演示過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行修改。

設(shè)計(jì)意圖 考核學(xué)生對(duì)材料學(xué)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)等知識(shí)的應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦等綜合能力。

任務(wù) 2. 探究排水管管徑、雨水口數(shù)量、道路坡度對(duì)城市內(nèi)澇的影響

實(shí)驗(yàn)1. 更換排水管（ 管徑6 mm 和12 mm）， 分別將16 mm的雨水開(kāi)關(guān)開(kāi)至2/3 和全開(kāi)，測(cè)試排完5 000 mL 水所需時(shí)間，研究排水管粗細(xì)及開(kāi)關(guān)開(kāi)合程度對(duì)城市內(nèi)澇的影響。結(jié)果表明，排水管徑越大，排水用時(shí)越短（表1）；雨水開(kāi)關(guān)全開(kāi)，6 mm 管徑的路面出現(xiàn)內(nèi)澇，12 mm 管徑路面僅出現(xiàn)少量積水，說(shuō)明排水管管徑是城市內(nèi)澇的影響因素之一。

實(shí)驗(yàn)2. 增加路面雨水收集口的數(shù)量（由2 個(gè)增至4 個(gè)），研究雨水口數(shù)量對(duì)排水的影響。研究發(fā)現(xiàn)，用12 mm 管徑的水管排水，在雨水開(kāi)關(guān)全開(kāi)的情況下，2 個(gè)雨水孔和4個(gè)雨水孔的排水時(shí)間相差不大（表2），說(shuō)明排水管排水能力已達(dá)到峰值，也即是說(shuō)，如果雨水量大于排水量，雨水孔數(shù)量對(duì)排水效果的影響將降低。

實(shí)驗(yàn)3. 選取一段封閉城市道路描點(diǎn)實(shí)測(cè)坡度，對(duì)模型進(jìn)行修改，探究路面坡度對(duì)排水的影響。

儀器測(cè)量發(fā)現(xiàn)，道路從中間到兩邊存在3 ～ 5°的坡度，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)也表明帶坡度的路面排水用時(shí)更少（表3），說(shuō)明在不影響行車安全的情況下，路面帶一定坡度的設(shè)計(jì)更利于雨水向雨水口匯集，提升排水效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：排水管粗細(xì)、路面坡度、雨水口數(shù)量均會(huì)對(duì)城市內(nèi)澇產(chǎn)生一定的影響。

設(shè)計(jì)意圖 學(xué)生以現(xiàn)有模型為依托，通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行深入分析后得出科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，模型法是中學(xué)生科學(xué)探究活動(dòng)中最常用、最直觀、最高效的方法。

活動(dòng) 3. 實(shí)地研學(xué)考察，探秘海綿城市（2021 年6—7 月）

在研究過(guò)程中提出新問(wèn)題：城市是否能像海綿一樣吸水呢？師生通過(guò)網(wǎng)上查閱資料，學(xué)習(xí)海綿城市相關(guān)知識(shí)，了解到海綿城市在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”——下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)再將蓄存的水釋放并加以利用。由于海綿城市只在我國(guó)部分城市試點(diǎn)，比如重慶、青島，需安排學(xué)生利用暑期研學(xué)進(jìn)行實(shí)地考察。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，海綿城市涵蓋城市道路、公共建筑、住宅、廣場(chǎng)、公園綠地、下凹綠地、雨水濕塘、透水路面等吸水設(shè)施，當(dāng)大量雨水被吸收后，可有效避免城市內(nèi)澇。在舊城區(qū)建設(shè)海綿城市存在局限性，但借鑒海綿城市元素，與舊城區(qū)地下管網(wǎng)改造相結(jié)合，具有較高的可行性。

設(shè)計(jì)意圖 通過(guò)研學(xué)活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

活動(dòng) 4. 生態(tài)濕地，調(diào)水防澇（2021 年7—8 月）

研究過(guò)程中有學(xué)生提出疑問(wèn)，濕地公園和城市內(nèi)澇治理有沒(méi)有直接聯(lián)系？帶著這個(gè)問(wèn)題，師生對(duì)峨眉山市東湖濕地公園進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)濕地公園有調(diào)蓄雨澇的作用，濕地公園湖邊種植的水竹、浮萍等水生植物還可凈化湖水。另外，從城建局、環(huán)保局了解到，由于資金、技術(shù)等問(wèn)題，峨眉山市尚未進(jìn)行海綿城市建設(shè)，但可對(duì)現(xiàn)有綠地、河流、排水管網(wǎng)等進(jìn)行整合，通過(guò)建設(shè)濕地公園，利用低洼地承接、過(guò)濾雨水，形成蜂窩狀的海綿系統(tǒng)，減少城市路面積水，避免城市內(nèi)澇發(fā)生。

調(diào)查結(jié)論：濕地公園可為城市提供水源、調(diào)節(jié)徑流、補(bǔ)充地下水、保護(hù)生物多樣性，與海綿城市建設(shè)相比，局限性少，建設(shè)成本較低，值得大力推廣。

設(shè)計(jì)意圖 通過(guò)調(diào)查活動(dòng)，讓學(xué)生將書本所學(xué)知識(shí)遷移到生活實(shí)踐中，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和分析能力。

活動(dòng) 5. 河道治理，以疏為主（2021 年8—10 月）

暴雨時(shí)，經(jīng)常遇到河道里的水漫過(guò)路面的現(xiàn)象，個(gè)別地方還會(huì)出現(xiàn)雨水口返水現(xiàn)象，如何有效避免出現(xiàn)這些現(xiàn)象呢？安排學(xué)生熟悉城市內(nèi)河道分布，測(cè)量河道寬度和深度，收集整理相關(guān)數(shù)據(jù)，并在汛期觀察河道水位，做好記錄并分析原因。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，峨眉河上有3 座橋梁、3 座攔水壩，枯水季時(shí)，攔水壩關(guān)閉，河水可達(dá)4 ～ 5 m 深；豐水季時(shí)，打開(kāi)攔水壩提前放水，當(dāng)暴雨來(lái)臨時(shí)，河道可讓更多的水量安全通過(guò)。利用城市河道調(diào)節(jié)蓄水量，在保證水資源充分利用的前提下，還可起到預(yù)防城市內(nèi)澇的作用。

調(diào)查結(jié)論：需拓寬河道狹窄段，確保水流通暢；定期清淤，增加河道容積率；盡量增大雨水出水口落差梯度，防止河水倒灌；完善河長(zhǎng)制，安排河段長(zhǎng)定期巡河，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)整改。

設(shè)計(jì)意圖 讓學(xué)生量一量、測(cè)一測(cè)，學(xué)會(huì)測(cè)繪基本技巧，并提出應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

活動(dòng) 6. 頭腦風(fēng)暴，完善舉措（2021 年11 月）

根據(jù)前期研究成果，策劃一場(chǎng)辯論會(huì)，利用頭腦風(fēng)暴方式找出城市內(nèi)澇治理的有效辦法，形成定案，為向當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)職能部門建言獻(xiàn)策作好準(zhǔn)備。

成果形成與展示階段（2021年12 月—2022年9月）

撰寫科學(xué)調(diào)查報(bào)告、制作PPT進(jìn)班推廣研究成果；由學(xué)?！疤祚础笨茖W(xué)影像社團(tuán)負(fù)責(zé)收集整理視頻素材，制作科學(xué)探究紀(jì)錄片參加全國(guó)青少年科學(xué)影像節(jié)， 進(jìn)一步推廣研究成果。

由峨眉山市吳勇科技教育工作室科技教師組成考核小組，根據(jù)各小組完成情況、取得的創(chuàng)新成果，以鼓勵(lì)為主，評(píng)選出優(yōu)秀個(gè)人和優(yōu)秀小組。

該項(xiàng)目參與了第36 屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科教創(chuàng)新成果線上交流活動(dòng)