由“水帘洞”引发的探索

沈亦飞

两种不同的屋面排水方式

屋面排水目前主要有两种方式：重力式排水和虹吸流排水。平常，我们看到一些老式住宅楼屋檐下悬挂着排水槽（檐沟）和落水管，采用的就是重力式排水；而体育场和空港、火车站等现代大型建筑采用的则是虹吸流排水——这就是我研究的重点。重力式排水所遵循的原理就是我们耳熟能详的“水往低处流”；而虹吸流排水则利用的是虹吸现象，使雨水管内形成负压，将屋面雨水抽吸排尽。虹吸流排水达到满负荷时，管内空间理论上100%被水流占据，流速达到最大，是一种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，因为管内水流下行，为了保证压力平衡，需要有空气上行。所以，雨水理论上是贴着管壁流下，只占据30%左右的管内空间。

一套虹吸流排水系统的排水能力可以由设计重现期量化，即将该系统的最大排水能力换算成所能应对的最大降雨强度，再将此降雨强度换算成重现期。所谓重现期，不太严格地讲，就是这么大的雨多少年一遇。设计重现期越大，证明系统排水能力越强。但是，因为设计重现期是由虹吸流排水满负荷状态下计算得来，所以如果实际降雨重现期超出了设计值，多余的雨水就会形成溢流。而虹吸流排水受制于其本身的特点，对这部分多余的雨水没有调节能力，这也就是许多大型建筑物变成“水帘洞”的原因。尝试解决屋面排水溢流问题

面对大型建筑屋面排水溢流这个问题，我首先想到的就是扩大虹吸流排水系统的规模。但在设计的过程中，虹吸流排水系统需要当地多年统计累积的气象数据和精确的水力计算。所以，对于某一建筑，需要寻找最为合适的虹吸流排水系统，不能主观随意扩大或者缩小。另外，如果一味地扩大规模，会使虹吸流排水在正常情况下难以达到满管流的状态，降低其工作效率，再加上造价高昂，就算能防止极端天气下的屋面雨水溢流，也得不偿失。

于是，关于如何解决溢流问题，我查阅了许多文献。国家《建筑给水排水设计规范》中提到，“虹吸流排水系统需要设置溢流设施，即在虹吸流排水系统无法应对超设计重现期降雨的时候开启，从而防止雨水溢流的设施”。但分析现有的几种溢流设施之后，我发现它们普遍存在效率低下、对虹吸流排水有干扰等缺陷。因此，我也找到了问题的关键——如何设计出一种高效的溢流设施？

高效的溢流设施设计成功

后来，我的灵感来自于一种反馈调节机制，即某一系统根据输入条件的不同，相应地发生变化。就好比植物叶片上的气孔控制植物的蒸腾作用，气孔的开闭受反馈调节。当植物体内的水分多时，气孔处的保卫细胞内的高渗细胞液会使水分渗透进入细胞，从而使保卫细胞膨胀，气孔开启，加快蒸腾作用的速率；而当植物缺水时，保卫细胞通过渗透作用收缩，使气孔变小或者关闭，减慢蒸腾作用的速率。我想，是否可以设计一种受雨水量（屋顶天沟中的积水深度）反馈调节的装置，正常情况下不开启，而在虹吸流排水满负荷之后，若雨水积水深度达到一个临界值，便自动开启呢？后来我发现，植物气孔的反馈调节机制通过水的渗透作用实现，而我的溢流装置的反馈调节机制可以通过重力反向平衡原理实现。

该原理和杠杆原理有些相似，在雨水管的入口（雨水斗）处设置一个密封芯，其中有一个配重与一个密封垫通过齿轮和传动杆相连，需要与配重平衡的则是水施加在密封垫上的压力。当水的压力超过配重的重力时，密封垫就会开启，排出雨水；当天沟水位降低，水的压力减小时，密封垫又会自动关闭，从而保证虹吸流排水能最大限度地发挥工作效率。虹吸流排水系统的设计决定了当天沟水位达到什么高度时，溢流雨水斗应当开启，参与排水。而通过调整配重的大小，可以将溢流雨水斗调整到对应高度再开启。

为了验证这一设计的可行性，我利用流体动力学计算软件Fluent对溢流雨水斗全程的工作状态进行了数学模拟，并且设计出了实物模型进行实验。结果都表明，这一设计是完全可行的。

伦敦科学之旅受益匪浅

后来，我很幸运地被中国科学技术协会选派参加2015年第57届伦敦国际青年科学论坛，并顺利地在论坛上展示了自己的研究成果。在伦敦，给我触动最大的便是这个论坛提供的宽广视野。一位来自赫瑞·瓦特大学的教授作了关于碳捕捉和储存的讲座，介绍了一种未来可能实现的捕捉碳排放的技术。这项技术可以将二氧化碳储存在地下，循环另作他用，如作为建筑材料，从而有效减缓温室效应。另一位来自帝国理工学院的教授向我们介绍了基因在导致肥胖中的作用，更正了我们一直认为的“肥胖人士好吃懒做，越吃越胖”的错误观点。

最有趣的要属来自肯特大学的教授作的关于肥皂泡的讲座。他向我们介绍了肥皂泡为什么是圆的——最稳定的状态，一定是表面积最小的时候。同时，许多最小值的问题也被他借助肥皂泡的这个性质，用常人难以想象的“实验法”轻松解决（实验法在奥数解题中基本上不会用到）。许多时候，灵感就在我们身边，就看我们有没有智慧去发现。

通过我的研究课题和伦敦论坛这个平台，我聆听了来自各学科的精英的精彩报告和讲座，参观了英国的前沿科研机构和高等学府，结识了世界各地许多同样热爱科学的同龄人，也获得了有价值的思考。我也希望，自己能在学习科学的道路上走得更远。

（责任编辑：陆艳 责任校对：白玉磊）