由“水簾洞”引發的探索

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；而體育場和空港、火車站等現代大型建筑采用的則是虹吸流排水——這就是我研究的重點。重力式排水所遵循的原理就是我們耳熟能詳的“水往低處流”；而虹吸流排水則利用的是虹吸現象，使雨水管內形成負壓，將屋面雨水抽吸排盡。虹吸流排水達到滿負荷時，管內空間理論上100%被水流占據，流速達到最大，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，因為管內水流下行，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30%左右的管內空間。

一套虹吸流排水系統的排水能力可以由設計重現期量化，即將該系統的最大排水能力換算成所能應對的最大降雨強度，再將此降雨強度換算成重現期。所謂重現期，不太嚴格地講，就是這么大的雨多少年一遇。設計重現期越大，證明系統排水能力越強。但是，因為設計重現期是由虹吸流排水滿負荷狀態下計算得來，所以如果實際降雨重現期超出了設計值，多余的雨水就會形成溢流。而虹吸流排水受制于其本身的特點，對這部分多余的雨水沒有調節能力，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題

面對大型建筑屋面排水溢流這個問題，我首先想到的就是擴大虹吸流排水系統的規模。但在設計的過程中，虹吸流排水系統需要當地多年統計累積的氣象數據和精確的水力計算。所以，對于某一建筑，需要尋找最為合適的虹吸流排水系統，不能主觀隨意擴大或者縮小。另外，如果一味地擴大規模，會使虹吸流排水在正常情況下難以達到滿管流的狀態，降低其工作效率，再加上造價高昂，就算能防止極端天氣下的屋面雨水溢流，也得不償失。

于是，關于如何解決溢流問題，我查閱了許多文獻。國家《建筑給水排水設計規范》中提到，“虹吸流排水系統需要設置溢流設施，即在虹吸流排水系統無法應對超設計重現期降雨的時候開啟，從而防止雨水溢流的設施”。但分析現有的幾種溢流設施之后，我發現它們普遍存在效率低下、對虹吸流排水有干擾等缺陷。因此，我也找到了問題的關鍵——如何設計出一種高效的溢流設施？

高效的溢流設施設計成功

后來，我的靈感來自于一種反饋調節機制，即某一系統根據輸入條件的不同，相應地發生變化。就好比植物葉片上的氣孔控制植物的蒸騰作用，氣孔的開閉受反饋調節。當植物體內的水分多時，氣孔處的保衛細胞內的高滲細胞液會使水分滲透進入細胞，從而使保衛細胞膨脹，氣孔開啟，加快蒸騰作用的速率；而當植物缺水時，保衛細胞通過滲透作用收縮，使氣孔變小或者關閉，減慢蒸騰作用的速率。我想，是否可以設計一種受雨水量（屋頂天溝中的積水深度）反饋調節的裝置，正常情況下不開啟，而在虹吸流排水滿負荷之后，若雨水積水深度達到一個臨界值，便自動開啟呢？后來我發現，植物氣孔的反饋調節機制通過水的滲透作用實現，而我的溢流裝置的反饋調節機制可以通過重力反向平衡原理實現。

該原理和杠桿原理有些相似，在雨水管的入口（雨水斗）處設置一個密封芯，其中有一個配重與一個密封墊通過齒輪和傳動桿相連，需要與配重平衡的則是水施加在密封墊上的壓力。當水的壓力超過配重的重力時，密封墊就會開啟，排出雨水；當天溝水位降低，水的壓力減小時，密封墊又會自動關閉，從而保證虹吸流排水能最大限度地發揮工作效率。虹吸流排水系統的設計決定了當天溝水位達到什么高度時，溢流雨水斗應當開啟，參與排水。而通過調整配重的大小，可以將溢流雨水斗調整到對應高度再開啟。

為了驗證這一設計的可行性，我利用流體動力學計算軟件Fluent對溢流雨水斗全程的工作狀態進行了數學模擬，并且設計出了實物模型進行實驗。結果都表明，這一設計是完全可行的。

倫敦科學之旅受益匪淺

后來，我很幸運地被中國科學技術協會選派參加2015年第57屆倫敦國際青年科學論壇，并順利地在論壇上展示了自己的研究成果。在倫敦，給我觸動最大的便是這個論壇提供的寬廣視野。一位來自赫瑞·瓦特大學的教授作了關于碳捕捉和儲存的講座，介紹了一種未來可能實現的捕捉碳排放的技術。這項技術可以將二氧化碳儲存在地下，循環另作他用，如作為建筑材料，從而有效減緩溫室效應。另一位來自帝國理工學院的教授向我們介紹了基因在導致肥胖中的作用，更正了我們一直認為的“肥胖人士好吃懶做，越吃越胖”的錯誤觀點。

最有趣的要屬來自肯特大學的教授作的關于肥皂泡的講座。他向我們介紹了肥皂泡為什么是圓的——最穩定的狀態，一定是表面積最小的時候。同時，許多最小值的問題也被他借助肥皂泡的這個性質，用常人難以想象的“實驗法”輕松解決（實驗法在奧數解題中基本上不會用到）。許多時候，靈感就在我們身邊，就看我們有沒有智慧去發現。

通過我的研究課題和倫敦論壇這個平臺，我聆聽了來自各學科的精英的精彩報告和講座，參觀了英國的前沿科研機構和高等學府，結識了世界各地許多同樣熱愛科學的同齡人，也獲得了有價值的思考。我也希望，自己能在學習科學的道路上走得更遠。

（責任編輯：陸艷 責任校對：白玉磊）