基于城市内涝的综合治理与研究科教方案

活动背景

近年来，极端天气频繁出现，连续性强降雨极容易造成城市排水系统瘫痪，导致城市内涝，对人民的生命和财产安全产生威胁。本方案设计来自于生活，具有很强的现实意义，可培养学生的创新精神、实践能力及社会责任感。

活动目标

知识目标 学会数据测量并用数学图表进行综合分析；学习材料学、工程学相关知识，制作城市内涝简易演示模型；通过撰写调查报告提升写作能力和语言表达能力。

能力目标 学会利用头脑风暴多角度解决问题；培养一专多能、能跨学科深度融合、相互协作的专业辅导团队。

态度目标 培养学生勇于克服困难及敢于向未知领域进军的学术精神，进一步弘扬科学家精神；培养学生的批判思维，提升学生对事物的辨别能力。

情感目标 通过理解科学与环境的关系，感受科技的力量，培养团队合作精神和社会责任感。

活动难点

活动需要外出探究，存在安全风险，需提前策划好活动的各个环节，确保活动有序推进；方案设计时间跨度较长，需统筹安排。

活动对象、时间、地点

活动对象：高一、高二年级“天翊”科技创新社团骨干成员约50 人，根据活动实施情况进行人员分组。

时间：2021 年1 月—2022 年9月，利用科学影像活动课、综合实践课、通用技术课，以及周末及寒暑假等空余时间。

地点：学校科技创新活动室、峨眉山市住建局、环境保护局、档案局、图书馆，以及城区、河道及湿地公园等。

活动过程

储备知识，准备实施（2021 年1—2 月）

任务1. 利用集中开题论证会向师生展示城市内涝现象，让大家初步了解城市内涝现状，为深入研究治理城市内涝做好分组及前期准备工作。

任务2. 组织主题班会或集队活动，让全校师生知晓此事，争取师生最大的支持。

任务3. 安排科技辅导员提前自学城市内涝相关知识，为后续辅导学生作准备。

任务4. 组织学生从图书馆、互联网获取城市内涝相关知识。

任务5. 利用调查问卷或分发科普宣传单等方式，在校园、城市公共场所向师生及市民普及城市内涝相关知识。

设计意图 做好活动推广，储备充足的知识。

活动 1. 现状调查，查找成因（2021 年3—4 月）

通过采访当地住建局专家、环境专家，网上查阅资料，在市图书馆查阅《峨眉山市志》，详细了解城市管网建设现状，组织学生实地测量雨水管粗细、雨水口数量、路面坡度及出水口水平落差。调研结果显示：乐山市、峨眉山市的城市管网34% 建于20 世纪90 年代，66% 建于2010 年以后，1/3 的城市管网待整改，这些老旧管道使用雨污混流方式，同时还存在地下排水管管径小、雨水管破损及堵塞严重等情况，经常出现排水不畅的现象。

设计意图 通过走访专家、实地调查和测量相关数据，就存在的问题提出合理的整改措施和意见，培养学生分析问题、解决问题的综合能力。

活动 2. 制作模型，实验印证（2021 年4—5 月）

在前期城市管网建设调查的基础上，准备材料制作城市道路仿真模型，通过模型对城市内涝现象进行研究，避免无法实地调查的缺点。

任务 1. 设计制作城市内涝简易演示模型

学生根据调查情况， 首先绘制模型草图，再准备制作模型所需材料（海绵、透明玻璃胶及胶枪、12 mm 直角弯头、12 mm 三通、12 mm 转6 mm 弯头、矿泉水瓶、PVC 板、5 000 mL 量桶、人字梯、∅6 软管2 m、∅12 软管2 m），然后按草图尺寸利用工具切割材料进行拼装和粘接，最终完成城市内涝演示模型制作，并在后期演示过程中根据实际情况对模型进行修改。

设计意图 考核学生对材料学、工程学、数学等知识的应用能力，培养学生动手、动脑等综合能力。

任务 2. 探究排水管管径、雨水口数量、道路坡度对城市内涝的影响

实验1. 更换排水管（ 管径6 mm 和12 mm）， 分别将16 mm的雨水开关开至2/3 和全开，测试排完5 000 mL 水所需时间，研究排水管粗细及开关开合程度对城市内涝的影响。结果表明，排水管径越大，排水用时越短（表1）；雨水开关全开，6 mm 管径的路面出现内涝，12 mm 管径路面仅出现少量积水，说明排水管管径是城市内涝的影响因素之一。

实验2. 增加路面雨水收集口的数量（由2 个增至4 个），研究雨水口数量对排水的影响。研究发现，用12 mm 管径的水管排水，在雨水开关全开的情况下，2 个雨水孔和4个雨水孔的排水时间相差不大（表2），说明排水管排水能力已达到峰值，也即是说，如果雨水量大于排水量，雨水孔数量对排水效果的影响将降低。

实验3. 选取一段封闭城市道路描点实测坡度，对模型进行修改，探究路面坡度对排水的影响。

仪器测量发现，道路从中间到两边存在3 ～ 5°的坡度，室内实验也表明带坡度的路面排水用时更少（表3），说明在不影响行车安全的情况下，路面带一定坡度的设计更利于雨水向雨水口汇集，提升排水效果。

实验结论：排水管粗细、路面坡度、雨水口数量均会对城市内涝产生一定的影响。

设计意图 学生以现有模型为依托，通过对照实验获取相关数据，进行深入分析后得出科学的实验结论，模型法是中学生科学探究活动中最常用、最直观、最高效的方法。

活动 3. 实地研学考察，探秘海绵城市（2021 年6—7 月）

在研究过程中提出新问题：城市是否能像海绵一样吸水呢？师生通过网上查阅资料，学习海绵城市相关知识，了解到海绵城市在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”——下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时再将蓄存的水释放并加以利用。由于海绵城市只在我国部分城市试点，比如重庆、青岛，需安排学生利用暑期研学进行实地考察。调查发现，海绵城市涵盖城市道路、公共建筑、住宅、广场、公园绿地、下凹绿地、雨水湿塘、透水路面等吸水设施，当大量雨水被吸收后，可有效避免城市内涝。在旧城区建设海绵城市存在局限性，但借鉴海绵城市元素，与旧城区地下管网改造相结合，具有较高的可行性。

设计意图 通过研学活动，激发学生学习的主动性。

活动 4. 生态湿地，调水防涝（2021 年7—8 月）

研究过程中有学生提出疑问，湿地公园和城市内涝治理有没有直接联系？带着这个问题，师生对峨眉山市东湖湿地公园进行了调查，发现湿地公园有调蓄雨涝的作用，湿地公园湖边种植的水竹、浮萍等水生植物还可净化湖水。另外，从城建局、环保局了解到，由于资金、技术等问题，峨眉山市尚未进行海绵城市建设，但可对现有绿地、河流、排水管网等进行整合，通过建设湿地公园，利用低洼地承接、过滤雨水，形成蜂窝状的海绵系统，减少城市路面积水，避免城市内涝发生。

调查结论：湿地公园可为城市提供水源、调节径流、补充地下水、保护生物多样性，与海绵城市建设相比，局限性少，建设成本较低，值得大力推广。

设计意图 通过调查活动，让学生将书本所学知识迁移到生活实践中，培养学生的观察能力和分析能力。

活动 5. 河道治理，以疏为主（2021 年8—10 月）

暴雨时，经常遇到河道里的水漫过路面的现象，个别地方还会出现雨水口返水现象，如何有效避免出现这些现象呢？安排学生熟悉城市内河道分布，测量河道宽度和深度，收集整理相关数据，并在汛期观察河道水位，做好记录并分析原因。调查发现，峨眉河上有3 座桥梁、3 座拦水坝，枯水季时，拦水坝关闭，河水可达4 ～ 5 m 深；丰水季时，打开拦水坝提前放水，当暴雨来临时，河道可让更多的水量安全通过。利用城市河道调节蓄水量，在保证水资源充分利用的前提下，还可起到预防城市内涝的作用。

调查结论：需拓宽河道狭窄段，确保水流通畅；定期清淤，增加河道容积率；尽量增大雨水出水口落差梯度，防止河水倒灌；完善河长制，安排河段长定期巡河，发现隐患及时整改。

设计意图 让学生量一量、测一测，学会测绘基本技巧，并提出应对措施，进一步增强学生分析问题、解决问题的能力。

活动 6. 头脑风暴，完善举措（2021 年11 月）

根据前期研究成果，策划一场辩论会，利用头脑风暴方式找出城市内涝治理的有效办法，形成定案，为向当地政府相关职能部门建言献策作好准备。

成果形成与展示阶段（2021年12 月—2022年9月）

撰写科学调查报告、制作PPT进班推广研究成果；由学校“天翊”科学影像社团负责收集整理视频素材，制作科学探究纪录片参加全国青少年科学影像节， 进一步推广研究成果。

由峨眉山市吴勇科技教育工作室科技教师组成考核小组，根据各小组完成情况、取得的创新成果，以鼓励为主，评选出优秀个人和优秀小组。

该项目参与了第36 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科教创新成果线上交流活动