由“水簾洞”引發(fā)的探索

沈亦飛

兩種不同的屋面排水方式

屋面排水目前主要有兩種方式：重力式排水和虹吸流排水。平常，我們看到一些老式住宅樓屋檐下懸掛著排水槽（檐溝）和落水管，采用的就是重力式排水；而體育場(chǎng)和空港、火車(chē)站等現(xiàn)代大型建筑采用的則是虹吸流排水——這就是我研究的重點(diǎn)。重力式排水所遵循的原理就是我們耳熟能詳?shù)摹八吞幜鳌保欢缥髋潘畡t利用的是虹吸現(xiàn)象，使雨水管內(nèi)形成負(fù)壓，將屋面雨水抽吸排盡。虹吸流排水達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)，管內(nèi)空間理論上100%被水流占據(jù)，流速達(dá)到最大，是一種十分高效的排水方式。相比之下，重力式排水的效率要低很多，因?yàn)楣軆?nèi)水流下行，為了保證壓力平衡，需要有空氣上行。所以，雨水理論上是貼著管壁流下，只占據(jù)30%左右的管內(nèi)空間。

一套虹吸流排水系統(tǒng)的排水能力可以由設(shè)計(jì)重現(xiàn)期量化，即將該系統(tǒng)的最大排水能力換算成所能應(yīng)對(duì)的最大降雨強(qiáng)度，再將此降雨強(qiáng)度換算成重現(xiàn)期。所謂重現(xiàn)期，不太嚴(yán)格地講，就是這么大的雨多少年一遇。設(shè)計(jì)重現(xiàn)期越大，證明系統(tǒng)排水能力越強(qiáng)。但是，因?yàn)樵O(shè)計(jì)重現(xiàn)期是由虹吸流排水滿負(fù)荷狀態(tài)下計(jì)算得來(lái)，所以如果實(shí)際降雨重現(xiàn)期超出了設(shè)計(jì)值，多余的雨水就會(huì)形成溢流。而虹吸流排水受制于其本身的特點(diǎn)，對(duì)這部分多余的雨水沒(méi)有調(diào)節(jié)能力，這也就是許多大型建筑物變成“水簾洞”的原因。嘗試解決屋面排水溢流問(wèn)題

面對(duì)大型建筑屋面排水溢流這個(gè)問(wèn)題，我首先想到的就是擴(kuò)大虹吸流排水系統(tǒng)的規(guī)模。但在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，虹吸流排水系統(tǒng)需要當(dāng)?shù)囟嗄杲y(tǒng)計(jì)累積的氣象數(shù)據(jù)和精確的水力計(jì)算。所以，對(duì)于某一建筑，需要尋找最為合適的虹吸流排水系統(tǒng)，不能主觀隨意擴(kuò)大或者縮小。另外，如果一味地?cái)U(kuò)大規(guī)模，會(huì)使虹吸流排水在正常情況下難以達(dá)到滿管流的狀態(tài)，降低其工作效率，再加上造價(jià)高昂，就算能防止極端天氣下的屋面雨水溢流，也得不償失。

于是，關(guān)于如何解決溢流問(wèn)題，我查閱了許多文獻(xiàn)。國(guó)家《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中提到，“虹吸流排水系統(tǒng)需要設(shè)置溢流設(shè)施，即在虹吸流排水系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)對(duì)超設(shè)計(jì)重現(xiàn)期降雨的時(shí)候開(kāi)啟，從而防止雨水溢流的設(shè)施”。但分析現(xiàn)有的幾種溢流設(shè)施之后，我發(fā)現(xiàn)它們普遍存在效率低下、對(duì)虹吸流排水有干擾等缺陷。因此，我也找到了問(wèn)題的關(guān)鍵——如何設(shè)計(jì)出一種高效的溢流設(shè)施？

高效的溢流設(shè)施設(shè)計(jì)成功

后來(lái)，我的靈感來(lái)自于一種反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，即某一系統(tǒng)根據(jù)輸入條件的不同，相應(yīng)地發(fā)生變化。就好比植物葉片上的氣孔控制植物的蒸騰作用，氣孔的開(kāi)閉受反饋調(diào)節(jié)。當(dāng)植物體內(nèi)的水分多時(shí)，氣孔處的保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)的高滲細(xì)胞液會(huì)使水分滲透進(jìn)入細(xì)胞，從而使保衛(wèi)細(xì)胞膨脹，氣孔開(kāi)啟，加快蒸騰作用的速率；而當(dāng)植物缺水時(shí)，保衛(wèi)細(xì)胞通過(guò)滲透作用收縮，使氣孔變小或者關(guān)閉，減慢蒸騰作用的速率。我想，是否可以設(shè)計(jì)一種受雨水量（屋頂天溝中的積水深度）反饋調(diào)節(jié)的裝置，正常情況下不開(kāi)啟，而在虹吸流排水滿負(fù)荷之后，若雨水積水深度達(dá)到一個(gè)臨界值，便自動(dòng)開(kāi)啟呢？后來(lái)我發(fā)現(xiàn)，植物氣孔的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制通過(guò)水的滲透作用實(shí)現(xiàn)，而我的溢流裝置的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制可以通過(guò)重力反向平衡原理實(shí)現(xiàn)。

該原理和杠桿原理有些相似，在雨水管的入口（雨水斗）處設(shè)置一個(gè)密封芯，其中有一個(gè)配重與一個(gè)密封墊通過(guò)齒輪和傳動(dòng)桿相連，需要與配重平衡的則是水施加在密封墊上的壓力。當(dāng)水的壓力超過(guò)配重的重力時(shí)，密封墊就會(huì)開(kāi)啟，排出雨水；當(dāng)天溝水位降低，水的壓力減小時(shí)，密封墊又會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，從而保證虹吸流排水能最大限度地發(fā)揮工作效率。虹吸流排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決定了當(dāng)天溝水位達(dá)到什么高度時(shí)，溢流雨水斗應(yīng)當(dāng)開(kāi)啟，參與排水。而通過(guò)調(diào)整配重的大小，可以將溢流雨水斗調(diào)整到對(duì)應(yīng)高度再開(kāi)啟。

為了驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)的可行性，我利用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件Fluent對(duì)溢流雨水斗全程的工作狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬，并且設(shè)計(jì)出了實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果都表明，這一設(shè)計(jì)是完全可行的。

倫敦科學(xué)之旅受益匪淺

后來(lái)，我很幸運(yùn)地被中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)選派參加2015年第57屆倫敦國(guó)際青年科學(xué)論壇，并順利地在論壇上展示了自己的研究成果。在倫敦，給我觸動(dòng)最大的便是這個(gè)論壇提供的寬廣視野。一位來(lái)自赫瑞·瓦特大學(xué)的教授作了關(guān)于碳捕捉和儲(chǔ)存的講座，介紹了一種未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)的捕捉碳排放的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以將二氧化碳儲(chǔ)存在地下，循環(huán)另作他用，如作為建筑材料，從而有效減緩溫室效應(yīng)。另一位來(lái)自帝國(guó)理工學(xué)院的教授向我們介紹了基因在導(dǎo)致肥胖中的作用，更正了我們一直認(rèn)為的“肥胖人士好吃懶做，越吃越胖”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。

最有趣的要屬來(lái)自肯特大學(xué)的教授作的關(guān)于肥皂泡的講座。他向我們介紹了肥皂泡為什么是圓的——最穩(wěn)定的狀態(tài)，一定是表面積最小的時(shí)候。同時(shí)，許多最小值的問(wèn)題也被他借助肥皂泡的這個(gè)性質(zhì)，用常人難以想象的“實(shí)驗(yàn)法”輕松解決（實(shí)驗(yàn)法在奧數(shù)解題中基本上不會(huì)用到）。許多時(shí)候，靈感就在我們身邊，就看我們有沒(méi)有智慧去發(fā)現(xiàn)。

通過(guò)我的研究課題和倫敦論壇這個(gè)平臺(tái)，我聆聽(tīng)了來(lái)自各學(xué)科的精英的精彩報(bào)告和講座，參觀了英國(guó)的前沿科研機(jī)構(gòu)和高等學(xué)府，結(jié)識(shí)了世界各地許多同樣熱愛(ài)科學(xué)的同齡人，也獲得了有價(jià)值的思考。我也希望，自己能在學(xué)習(xí)科學(xué)的道路上走得更遠(yuǎn)。

（責(zé)任編輯：陸艷 責(zé)任校對(duì)：白玉磊）