一、為什么要關(guān)注洪水防治？從“認(rèn)知危機(jī)”到“科技使命”演講人為什么要關(guān)注洪水防治？從“認(rèn)知危機(jī)”到“科技使命”01高中科技實(shí)踐的“四步設(shè)計(jì)法”：從“觀察”到“落地”02洪水防治設(shè)計(jì)的底層邏輯：從“因果鏈”到“解決方案樹”03總結(jié)與展望：用科技實(shí)踐書寫“青春防汛圖”04目錄2025高中科技實(shí)踐之洪水防治設(shè)計(jì)課件各位同學(xué)、老師：大家好！作為一名從事水利工程與青少年科技教育十余年的工作者，我曾在2021年鄭州“720”特大暴雨后參與過基層防洪救災(zāi)，也帶領(lǐng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)連續(xù)三年在“全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽”中斬獲水利類獎(jiǎng)項(xiàng)。今天，我想以“洪水防治設(shè)計(jì)”為主題，與大家共同探討如何用科技思維解決這一全球性難題——這不僅是一次知識(shí)的傳遞，更是一次“用青春智慧守護(hù)家園”的實(shí)踐啟蒙。01為什么要關(guān)注洪水防治？從“認(rèn)知危機(jī)”到“科技使命”1洪水：威脅人類生存的“自然之怒”全球氣候變暖背景下，極端降雨事件頻率增加30%（IPCC第六次評(píng)估報(bào)告）。我國(guó)作為季風(fēng)氣候顯著的國(guó)家，70%的國(guó)土面積受洪水威脅，近十年年均因洪災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失超2000億元（水利部2023年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。2023年京津冀“731”暴雨中，海河流域單日最大降雨量達(dá)1003毫米，相當(dāng)于北京年均降水量的1.5倍，這正是洪水“不可預(yù)測(cè)性”與“破壞性”的集中體現(xiàn)。2傳統(tǒng)防治的“瓶頸”與科技實(shí)踐的“破局點(diǎn)”傳統(tǒng)防洪依賴“高壩大堤”的工程思維，但這種“對(duì)抗自然”的模式存在三大局限：生態(tài)代價(jià)高：硬化河道導(dǎo)致生物棲息地破壞，2020年長(zhǎng)江流域調(diào)查顯示，部分河段水生生物種類減少40%；成本邊際遞減：超標(biāo)準(zhǔn)洪水（如百年一遇）需投入數(shù)倍資金，卻仍可能“一潰全輸”；適應(yīng)性不足：城市化帶來的“熱島效應(yīng)”改變局地降雨規(guī)律，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)（如重現(xiàn)期）已難以匹配現(xiàn)實(shí)需求。而科技實(shí)踐的核心，正是用“系統(tǒng)思維+創(chuàng)新工具”突破這些局限。例如，我們團(tuán)隊(duì)曾指導(dǎo)學(xué)生用無人機(jī)航拍結(jié)合GIS（地理信息系統(tǒng)）分析某縣域河網(wǎng)密度，發(fā)現(xiàn)因填湖造地導(dǎo)致的行洪通道縮減率高達(dá)25%——這為后續(xù)“恢復(fù)滯洪區(qū)”方案提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。02洪水防治設(shè)計(jì)的底層邏輯：從“因果鏈”到“解決方案樹”1洪水形成的“三維因果鏈”要設(shè)計(jì)防治方案，必先理解洪水如何“生成-演進(jìn)-成災(zāi)”。我們可以從三個(gè)維度拆解：1洪水形成的“三維因果鏈”1.1自然驅(qū)動(dòng)層：降雨-產(chǎn)流-匯流的“能量傳遞”洪水本質(zhì)是地表徑流的“異常集聚”。以山地丘陵區(qū)為例，短歷時(shí)強(qiáng)降雨（如1小時(shí)50毫米以上）超過土壤入滲能力（一般黏土最大入滲率約20毫米/小時(shí)），形成超滲產(chǎn)流；地表徑流沿坡度＞5的坡面（匯流速度約0.5-1米/秒）向溝谷匯集，最終在河道形成洪峰。1洪水形成的“三維因果鏈”1.2人為影響層：“城市化”與“生態(tài)破壞”的雙重放大硬質(zhì)化地面（如水泥、瀝青）使下滲率從自然狀態(tài)的60%降至5%以下，徑流系數(shù)（徑流量/降雨量）從0.3提升至0.8；植被破壞使坡面侵蝕模數(shù)（單位面積土壤流失量）從500噸/平方公里年增至2000噸以上，加劇河道淤積（如黃河下游年均淤積泥沙4億噸）。圍湖造田、河道硬化導(dǎo)致調(diào)蓄能力下降——洞庭湖近50年面積縮減40%，調(diào)蓄容積減少110億立方米；1洪水形成的“三維因果鏈”1.3成災(zāi)觸發(fā)層：“暴露度”與“脆弱性”的疊加洪水是否成災(zāi)，取決于“承災(zāi)體”的分布與抗災(zāi)能力。例如，某鎮(zhèn)將農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)、居民區(qū)集中布局于河道兩側(cè)50米內(nèi)（暴露度高），且房屋地基僅高于常水位0.5米（脆弱性高），則小洪水也可能造成重大損失。2防治設(shè)計(jì)的“三大策略矩陣”基于因果鏈分析，我們可構(gòu)建“工程-生態(tài)-智慧”三位一體的防治策略：|策略類型|核心思路|典型技術(shù)/實(shí)踐方向|高中可操作場(chǎng)景||----------------|---------------------------|----------------------------------|------------------------------------||工程調(diào)控|主動(dòng)引導(dǎo)洪水路徑與能量|分洪道、滯洪區(qū)、調(diào)蓄池|縮尺模型模擬分洪效果||生態(tài)修復(fù)|增強(qiáng)自然系統(tǒng)的“彈性”|海綿城市（透水鋪裝、生物滯留池）、植被緩沖帶|校園透水路面改造設(shè)計(jì)、坡面植被配置實(shí)驗(yàn)||智慧預(yù)警|用數(shù)據(jù)降低“不確定性”|氣象-水文耦合模型、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)|基于Arduino的水位/雨量監(jiān)測(cè)裝置制作|03高中科技實(shí)踐的“四步設(shè)計(jì)法”：從“觀察”到“落地”1第一步：?jiǎn)栴}定位——用“田野調(diào)查”鎖定關(guān)鍵痛點(diǎn)1實(shí)踐的起點(diǎn)是“真問題”。以某山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為例，我們的學(xué)生團(tuán)隊(duì)曾通過以下步驟定位問題：2歷史災(zāi)情梳理：收集近20年洪水記錄（如1998年、2016年、2022年），繪制“洪災(zāi)頻率-損失”散點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)“小流域山洪”是主災(zāi)型；3現(xiàn)場(chǎng)踏勘：用手持GPS測(cè)量河道斷面（寬深比）、坡度，發(fā)現(xiàn)部分河段因采砂導(dǎo)致河床下切3米，反而加劇兩岸崩塌；4訪談居民：記錄“最易積水點(diǎn)”（如村口老橋處）、“現(xiàn)有措施缺陷”（如防洪堤高度不足，且未延伸至支流匯入口）。5這一步的關(guān)鍵是“用數(shù)據(jù)說話”——學(xué)生們?cè)騼H憑“老人說”認(rèn)為“上游水庫(kù)能防洪”，后通過水文站數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該水庫(kù)僅能調(diào)節(jié)50%的來水量，最終修正了設(shè)計(jì)方向。2第二步：原理驗(yàn)證——用“模型實(shí)驗(yàn)”量化效果高中階段可借助“縮尺物理模型+數(shù)字模擬”雙軌驗(yàn)證。例如，我們指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)的“小流域防洪模型”：物理模型：按1:200比例制作流域地形（用泡沫板雕刻，覆蓋黏土模擬土壤），用蠕動(dòng)泵控制降雨強(qiáng)度（0.5L/min模擬50毫米/小時(shí)），觀測(cè)不同方案（如增設(shè)滯洪塘、修復(fù)植被緩沖帶）下的洪峰削減率；數(shù)字模擬：使用免費(fèi)軟件HEC-RAS（美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)開發(fā)的水文模型），輸入地形、糙率（反映地表對(duì)水流的阻力）等參數(shù)，對(duì)比“現(xiàn)狀”與“設(shè)計(jì)方案”的水位-流量關(guān)系曲線。某次實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)“單一增加堤壩高度”僅能削減15%的洪峰，而“堤壩+上游滯洪塘”組合可削減40%——這正是“系統(tǒng)思維”的價(jià)值所在。3第三步：方案設(shè)計(jì)——用“多目標(biāo)優(yōu)化”平衡需求洪水防治需平衡“安全-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)”三大目標(biāo)。以“某社區(qū)內(nèi)澇防治”為例，學(xué)生團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)方案如下：3第三步：方案設(shè)計(jì)——用“多目標(biāo)優(yōu)化”平衡需求3.1工程措施（安全優(yōu)先）改造排水管網(wǎng)：將原有DN600（直徑600毫米）管道升級(jí)為DN800，同時(shí)在低洼處增設(shè)3座雨水調(diào)蓄池（單池容積50立方米）；建設(shè)“韌性堤岸”：采用“石籠+植草”復(fù)合結(jié)構(gòu)（石籠提供強(qiáng)度，植草增加糙率、減少?zèng)_刷），替代原有的混凝土擋墻。3第三步：方案設(shè)計(jì)——用“多目標(biāo)優(yōu)化”平衡需求3.2生態(tài)措施（可持續(xù)性）屋頂綠化：社區(qū)3棟建筑屋頂鋪設(shè)5厘米厚種植土（可滯留20毫米降雨），搭配佛甲草（耐旱且根系淺）；生物滯留池：在廣場(chǎng)周邊設(shè)置下凹式綠地（低于地面20厘米），填充“粗砂-碎石”濾層（滲透系數(shù)＞10毫米/分鐘），既凈化雨水又補(bǔ)充地下水。3第三步：方案設(shè)計(jì)——用“多目標(biāo)優(yōu)化”平衡需求3.3智慧措施（動(dòng)態(tài)響應(yīng)）搭建監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)：在調(diào)蓄池、易澇點(diǎn)安裝水位傳感器（精度±1厘米），通過LoRa（低功耗廣域網(wǎng)）傳輸數(shù)據(jù)至社區(qū)管理平臺(tái)；開發(fā)預(yù)警APP：結(jié)合氣象預(yù)報(bào)（如未來2小時(shí)降雨量）與實(shí)時(shí)水位，當(dāng)“調(diào)蓄池水位＞80%+預(yù)報(bào)降雨＞20毫米”時(shí)，自動(dòng)推送“避免低洼區(qū)域活動(dòng)”提示。4第四步：實(shí)踐落地——從“紙上學(xué)”到“手中做”科技實(shí)踐的終極目標(biāo)是“解決真實(shí)問題”。我們的學(xué)生團(tuán)隊(duì)曾與當(dāng)?shù)厮块T合作，將設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于某鄉(xiāng)村的“防洪微改造”：社區(qū)參與：組織村民培訓(xùn)“如何清理雨水口”“調(diào)蓄池日常巡查要點(diǎn)”，將“技術(shù)方案”轉(zhuǎn)化為“社區(qū)共識(shí)”；材料選擇：優(yōu)先使用本地材料（如河道卵石制作石籠、鄉(xiāng)土灌木（如紫穗槐）作為緩沖帶植被），降低成本且易維護(hù)；效果評(píng)估：改造后次年遭遇50毫米短歷時(shí)降雨，原易澇點(diǎn)積水深度從60厘米降至15厘米，村民反饋“心里踏實(shí)多了”。04總結(jié)與展望：用科技實(shí)踐書寫“青春防汛圖”總結(jié)與展望：用科技實(shí)踐書寫“青春防汛圖”回顧今天的內(nèi)容，我們從洪水的“威脅與挑戰(zhàn)”出發(fā)，拆解了其形成的“三維因果鏈”，構(gòu)建了“工程-生態(tài)-智慧”的防治策略，并通過“四步設(shè)計(jì)法”將理論轉(zhuǎn)化為可操作的實(shí)踐方案。這其中的核心，是“用科學(xué)方法理解自然規(guī)律，用創(chuàng)新思維平衡人類需求與生態(tài)安全”——這正是科技實(shí)踐的魅力所在。作為新時(shí)代的青少年，你們手中的不是簡(jiǎn)單的模型或代碼，而是改變世界的“科技鑰匙”。未來，當(dāng)你們用無人機(jī)測(cè)繪河網(wǎng)、用傳感器搭建預(yù)警系統(tǒng)、用植物配置修復(fù)生態(tài)