——学校排涝问题的解决方案

  摘 要：学校STEM活动小组决定对校园降雨积水问题展开研究，了解形成的原因，探究解决的方法。经过一段时间对学校实际情况地调查与测量，并上网查阅一些资料，也通过实验得到了一些数据，STEM活动小组对解决我们学校的内涝问题、建设 “海绵校园”提供了自己的看法与建议。一、测量调查学校现有排水管道，计算所能承受的最大降水量，二、计算学校人工池塘的蓄水作用，三、估算学校可含水土壤的理论含水量，四、探讨由于地形问题造成的学校局部积水问题。
　　关键词：STEM课程；排水；海绵校园
　　最近几十年来我国的经济飞速发展，一大批城市也在飞快速建设中，不但城市规模在不断地扩大中，而且城市的各种功能日趋完善。我们在看到这种喜人的变化同时，一种不太和谐的现象近来也越来越频繁，这就是城市内涝，去城市 “看海”已经是我们满含泪水的笑点。我们的家乡所处城市位于长江下游，大运河边，最近几年的夏天也出现了不同程度的内涝，我们的学校虽在城乡结合部，偶尔也会出现了一些积水。学校STEM活动小组决定对这个问题展开研究，了解形成的原因，并探究解决的方法。经过一段时间对学校实际情况地调查与测量，并上网查阅一些资料，也通过实验得到了一些数据，STEM小组对解决我们学校的内涝问题建设 “海绵校园”提供了自己的看法与建议。
　　一、 测量调查学校现有排水管道，计算所能承受的最大降水量（数字、物理、地理）

















　　STEM活动小组调查学校现有的排水管网，发现学校对外排水管道只有一根，为混凝土管（CP），地下管长约25m，管径30cm。由于排水管因埋设于地下，排水速度不便于测量，我们便上网搜索国家《室处排水设计规范》GB50014-2006，按此标准进行推算。国家标准规定雨水管道和合流管道在满流时的最大流速为0.75m/s，可计算得12小时内管道的最大排水量为：
　　流速*管面积*时间
　　0.75m/s*π*(0.3/2)2*3600s*12=2289m3
　　在档案室查询学校占地面积为65亩，可计算出12小时内可承受的最大降水量为：
　　排水总体积/总面积
　　2289m3/（65*667m2）=0.05279m=52.79mm
　　初步理论计算可知12小时内降水量超过52.79mm（对照气象局降水量等级标准图1）即12小时内达暴雨级别，学校就可能出现内涝。
　　二、 计算学校人工池塘的蓄水作用（数学、物理）
　　STEM活动小组发现在降水天气中，学校的人工池塘也有着巨大的作用，一般的小到中雨时，学校所有的雨水基本都由管渠流入到池塘中，不会向外排水，小组成员决定测量并计算该池塘的最大蓄水量。在正常晴朗天气中，经测量池塘水面到排水管口高度约为0.6m，池塘面积为不规则的圆形，不容易测量面积。小组成员经过讨论，参照物理课本上测量鞋底面积的方法（如右图2），将学校池塘分成很多个1m宽的梯形，用软绳测出所有的长度972m，参照梯形面积计算公式（如图3），就可以粗略测量出池塘的面积：










　　1/2*L1*1m+1/2*(L1+L2)*1m+1/2(L2+L3)*1m+...=（L1+L2+L3+....）*1m=972m*1m=972m2
　　可计算得蓄水体积为：
　　972m2*0.6m=583m3
　　583m3/(65*667m2)=0.01345m=13.45mm
　　以此为计算可得，12小时降水量在13.45mm范围内(中雨以下），学校所有雨水基本都可流入池塘，无需向外排水。
　　三、 估算学校可含水土壤的理论含水量（物理、数学）
　　STEM活动小组实际调查中还发现学校用地面积只要包括以下几类：无任何蓄水功能的各建筑物和硬质地面、少量蓄水的足球场、可适当蓄水的花圃与草地、蓄水的池塘(已在前面进行了测算）。无蓄水功能的所有区域降水都通过各类管道明渠输送到学校蓄水池，足球场需要尽快排水使用，故不能作为增加蓄水功能的区域，因此小组成员决定重点讨论与计算学校绿化用地的蓄水功能对积水排涝的影响。小组成员查阅资料了解到，本地区降水主要影响40cm以上浅层土，为了得到这些绿化用地的理论可蓄水量，小组成员在正常晴朗天气，在校园的角落挖取40cm深20cm长20cm宽的土壤，用木板钉成20cm长20 cm宽的木箱，底部用铁纱网覆盖，将取得的土壤尽可能按原排列层次放入木箱，并压实到原深度40cm，称得其质量为m1。悬空放置后从上部用水壶缓慢加水，当有水从下部纱网渗出时停止加水，称得其质量为m2。计算可得每0.04m2土壤含水质量为m2-m1约0.4kg，在学校档案室查询所有绿化用地面积为21482m2，可计算得学校绿化用地可蓄水的降水量为：
　　绿化总面积/实验面积*实验面积蓄水质量/水密度
　　21482m2/0.04*(0.4kg/1000kg.m-3）=214.8m3
　　蓄水体积/总面积
　　214.8m3/（65*667m2）=0.00495m=4.95mm
　　理论计算学校绿化地可蓄的降水量为4.95mm，即在小雨范围内，降水可由绿化地吸收不会流入池塘。
　　四、 探讨由于地形问题造成的学校局部积水问题(物理、化学、数学）
　　STEM活动小组在降雨天发现，有时降水量并不多，学校蓄水池塘没有达到最大蓄水量，对外排水管还未排水，但学校有些区域已经出现积水现象。小组成员讨论认为这些区域积水是局部地势较低造成地排水不畅，该怎样测量这些区域与其他相邻区域的高低差？小组结合八年级物理重力与液体压强知识，认为可以利用连通器原理去实际测量（如图4），在几米长的塑料软管加入红色的水，利用液面相平的原理来测定相邻地的等高点，再用钢卷尺测出实际积水点偏低2cm到5cm不等，明确这些地区积水是地势低洼造成。对于这些区域可以去再次整理地面，无法改动地面状况的可以增加一些排水明渠，确实因实际情况无法改变的可以在地面铺设渗水性能较好的材料。小组成员进一步搜集本地区常见的路面材料进行实验，将收集到的材料（水泥路面、防滑大理石、沥青路面、面包砖、仿古青砖）切割成矩形，四边加设20cm高的玻璃板，用玻璃胶进行固定，并在所有的缝隙填胶防漏，静放24小时后等玻璃胶凝固成型，然后加入15cm深的水，2小时后测量剩余水深，并反复多次测量比较得不同材料2小时的渗水量约为：水泥0.1cm、大理石0cm、面包砖15cm，仿古青砖约7cm，沥青0cm，结合实验数据，小组成员认为，对于一些非主要干道或非主要活动区域可采用渗水性能最好的面包砖，如再考虑到美观可仿古青砖也是不错的选择。













　　综合上述所有调查、测量及相关的实验，STEM活动小组对学校排水、建设 “海绵校园”提出如下综合性的意见：1、在小雨范围内，校园内所有降水可由绿化地吸纳，而绿化用地要多使用本地有机土减少地层下的建设垃圾以提高土地蓄水量；2、在大雨范围内，校园降水可通过管渠流入池塘，无需向外排水，学校的池塘要定期清理淤泥以提高蓄水能力，现有所有排水明渠要定期清理以增加流水速度；3、在暴雨气象条件下，绿化地和池塘正常蓄水，排管满流排水，也不会形成积水，但遇大暴雨及特大暴雨可能会形成积水，如有条件可将30cm水泥管扩容为50cm以上管道或增加另一条排水管；4、学校一些低洼地可使用渗水能力强的面包砖或仿古青砖，以减少局部地区的积水。
　　在本次调查实践活动中，STEM活动小组成员，分工合作，上网查问了大量资料，在明确目地的前提下知道了怎样搜集有用的资料数据，能调用各学科（数学、物理、地理、化学）的知识去解决现有问题，并能动手运用各种工程材料完成实验得到第一手数据，对创建“海绵学校”提出了合理化的建议，充分了体现STEM 教育有九大核心特征：跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性、技术增强性。小组成员在活动中学到了知识，锻炼了动手能力，能进行分工协作，学会了交流与共享，各个方面素质都得到提高，充分体现了STEM课程的理念与宗旨。
　　参考文献：
　　[1]《室处排水设计规范》
　　[2]《现代农业科技》 土壤含水量在不同天气气候条件下的变化规律    陈明
　　[3]《海绵城市》  许剑珩  谢迓仔

• 【发布时间】2021/1/6 10:29:45
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