第五章 问题研究：如何让城市不再“看海”教学设计

《第五章
问题研究：如何让城市不再“看海”》教学设计
课程标准：
　　1.通过野外观察或运用土壤标本，说明土壤的主要形成因素。
　　2.通过野外观察或运用视频、图像，识别主要植被，说明其与自然环境的关系。
　　课标分析：
　　问题研究是对课程标准要求的拓展，拓展的主要内容是植被、土壤与人类活动的关系。问题研究结合土壤的蓄水功能，针对我国很多城市夏季内涝问题，设计“如何让城市不再‘看海’”这一主题，引导学生关注植被、土壤与人类活动的关系，认识人地协调观在人类认识自然、改造自然、利用自然中的重要意义。
　　教材分析：
　　问题研究内容是对本章植被和土壤内容的巩固和拓展，探究自然要素与人类活动的关系。伴随着我国城市化水平的不断提升，城市内涝问题逐渐成为当前社会特别是城市地区的热点话题。教材设计从发挥土壤蓄水功能的角度探讨解决城市“看海”问题的方法，这是对地理原理、地理规律的具体应用。
　　教材主要设计为三个主题：了解城市“看海”与土壤功能缺失的关系；查寻人们为控制城市雨洪所采取的措施或努力；
探索我国大多数城市解决“看海”问题的现实困难和可能的应对措施。城市洪水与土壤蓄水功能缺失主要借助已学地理原理，巩固水循环的过程与意义，特别是土壤在水循环中的作用。“雨水花园”是局部区域雨洪治理措施，而“海绵城市”则是从宏观角度反映城市控制雨洪、利用雨水等应对措施。三个主题由微观到宏观、由问题到对策、由原理到实践，层层递进，带领学生不断加深对问题的理解。
　　学情分析：
　　本章主题是植被、土壤及其与地理环境、人类活动的关系，内容的综合性、实践性都很强，非常适合开展综合性活动教学，培养学生的综合思维和地理实践力。学生学习完植被、土壤的相关基本知识后，探讨植被、土壤利用过程中可能存在的问题，设计了一个需要综合各要素看问题的研究性学习——如何让城市不再“看海”，引导学生学以致用，关注生活中的地理，提升综合分析能力和地理实践力，能够较好地把人地协调观的培养落到实处。
　　教学目标：
　　1.让学生学会运用水循环的过程与意义等地理原理和规律，综合多个自然要素，解释城市洪水与土壤蓄水功能缺失的关系。
　　2.帮助学生学会微观区域和宏观区域分析的方法。“雨水花园”是局部区域雨洪治理措施，而“海绵城市”则是从宏观角度反映城市控制雨洪、利用雨水等应对措施。学生结合两者空间尺度的问题分析，理解不同空间尺度下解决雨洪问题的可行对策。
　　3．指导学生进行野外地理实践活动，结合周边城市的雨洪治理措施或者雨水花园规划等具体区域调查、走访等，了解家乡海绵城市建设的具体方法和途径。
　　教学重点：
　　1.分析土壤蓄水功能缺失对城市洪水的影响，说明土壤对蓄积雨水和减轻洪涝灾害的意义。
　　2.从对雨水下渗、净化、蓄积、利用等方面，说明雨水花园的作用。
　　3.从雨水花园到海绵城市，认识城市雨洪控制思想的发展；结合自然环境，探究建设海绵城市的具体方法和途径。
　　教学难点：
　　引导学生学会辨析，形成批判性思维。例如雨洪的成因不仅要关注到土壤问题，也要明白还有城市快速扩张和气象条件等原因。对城市土壤层的改造不只是考虑雨洪控制，还应综合考虑城市水资源的蓄积和利用、美化城市环境、丰富城市生态系统等方面的需要。海绵城市建设虽然能控制雨洪，但是也会出现建设工程量和投资额皆巨大，对于新建城区相对容易实施，对于已建城区还需考虑对既有生活和生产的影响，难度较大。另外，我国不同地区，城市“看海”问题的原因有差异，解决措施也应有差异。要引导学生立足于当地情况进行具体分析。
　　教学方法：
　　讲授法、资料归纳、合作探究、实验法、调查法等。
　　课时安排：1课时
　　教学过程：
　　情境导入：
　　展示本地城市内涝灾害的视频和图片资料，再结合北京等城市内涝的视频报道。（由近及远、由点及面再现城市内涝的场景）
　　学生简要讨论城市内涝问题对人们的生产生活带来的严重影响。
　　（师：城市雨洪泛滥不仅引发了城市内涝，而且加剧了污染物扩散、水资源匮乏等诸多问题）
　　本节课的研究思路：
　　学习任务一：城市洪水与土壤蓄水功能缺失
　　研究思路：
　　回顾——土壤蓄水功能：
　　土壤具有重要的蓄水、保水功能。大气降水通过下渗将一部分水储存在土壤中，可以有效减少地表径流量，从而减轻城市内涝问题。
　　讨论：城市下垫面改变（即硬化地面增加）对土壤蓄水功能的影响。
　　城镇化和各项“灰色”基础设施建设导致硬化地面增加、湿地锐减，极大改变了下渗等水循环环节，土壤蓄水量下降，呈现汇流加速、径流增加、洪峰加高加快的趋势。
　　对比分析：资料1中给出的“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”，而2012年7月21日北京市发生严重暴雨洪涝灾害时全市“平均降水量170毫米”。
　　如果土壤能够充分发挥蓄水功能，暴雨与排水之间的矛盾可能不会激化，如此严重的城市内涝就可能不发生。
　　思考：城市洪水的成因有很多，请列举出其他的可能原因。
　　讨论回答：如短时间异常强降水、湖泊湿地面积锐减、排水设施滞后等，地面硬化只是其中之一。地面硬化的不良影响也很多，如加剧热岛效应、增加悬浮颗粒物、加剧水污染、浪费水资源等，而导致城市内涝也只是其中之一。
　　研究方法：土壤蓄水功能小实验
　　实验对比硬化地面和自然地表下渗和汇流状况。在室内进行，分别在塑料盒内用小角度倾斜的釉面砖(或下压土)和相同面积、深度的天然带草土块作对比，喷洒相同水量后观测塑料盒内的积水深度及其变化过程的差异。
　　土壤蓄水功能试验
　　讨论、完成书本思考问题：
　　1.大城市大面积土地表面硬化，改变了水循环的哪些环节？
　　需要从以下三个方面进行理解。一是与自然地表对比，结合实验数据，大面积土地表面硬化阻止了下渗，增加雨季的地表径流量，而地下径流量则会下降；二是从整个水循环过程看影响，实际上特大城市大面积硬化地面影响到水循环的所有环节，如热岛效应中蒸发、局地水气输送的改变，雨岛效应中降水的改变等；三是明确主要受影响的环节是下渗，即与自然地表相比，硬化地面对下渗的影响非常显著，这也是导致其他环节变化的关键。
　　2.以北京为例，说明土壤对蓄积雨水和减轻洪涝灾害的意义。
　　分析该问题要结合北京市气候、地形等自然环境特点进行，注意把握好三点：一是资料数据说明“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”，超过了“7.21”北京暴雨全市“平均降水量170毫米”的降水量，说明如果利用好土壤蓄积雨水是可以减轻洪涝灾害的；二是北京多年平均降水量不足700毫米，但降水季节和年际变化大，如果增加土壤对雨水的蓄积，不仅可以减轻洪涝，蓄积的雨水还可以加以利用，解决降水季节和年际变化大导致的水资源不足问题；三是北京地势低平，部分低洼地区容易积水，但北京总体位于华北平原，土层深厚，土壤蓄水能力强。
　　参考资料：
　　什么是硬化地面？
　　硬化地面包括的范围较广，主要是指用水泥、柏油、花岗岩、大理石、釉面砖等不透水的材料铺设的城市道路、广场、商业街、厂区、社区活动区、停车场等地面。
　　小调查——绘制校园硬化地面分布图，思考校园是否存在内涝风险，如有发现问题，可以通过问题研究的学习，提出解决方案。
　　师生小结：城市过度地面硬化是加剧城市内涝的重要原因，但同时地面硬化也是城市发展的必然产物，解决城市内涝问题不能简单地反对地面硬化，而是控制硬化比例，采取措施降低已硬化地面的不良影响。
　　学习任务二：雨水花园
　　研究思路：
　　解决城市不再“看海”问题，先要从小尺度区域和具体技术措施开始。阅读材料发现雨水花园在控制雨洪方面的效果：即“每栋住宅配建30—40平方米的蓄积雨水的场地”“平均减少了75%—80%
的地面雨水径流量”。那么雨水花园是怎么工作的呢？除了能够控制雨洪，还有哪些作用呢？
　　典型雨水花园结构示意图：
　　观察雨水花园的结构，结合水循环知识，分析雨水花园削减地面雨水径流的过程。
　　思考：
　　1.雨水花园自上而下分成哪些层？
　　2.各层的主要功能有哪些？
　　3.为何要设置最大蓄水高度？
　　4.导水管的作用是什么？
　　讨论回答：雨水花园自上而下依次是树皮覆盖层、种植土层、人工填料层、砂层、砾石层。树皮覆盖层可以过滤地表径流，促进下渗；种植土层具有一定的肥力，促进植被生长；种植土层、人工填料层、砂层孔隙较小能过滤污水，起到净化水源的作用；砾石层孔隙较大，能促进地下径流的流动。设置最大蓄水高度利于保障植被的成活率。导水管能引导和输送地下水。
　　研究方法：室外考察——合肥塘西河流域规划雨水公园
　　该公园通过吸水、蓄水、渗水、净水，从生态系统服务出发，通过跨尺度构建水生态基础设施，结合多类具体技术建设水生态基础设施，发挥“海绵城市”核心作用，实现城市与景观、人与自然、人与城市、自然与城市的对话。在这个蓄水量2.7万立方米的公园里，初期雨水经过处理设施的处理后进入人工湿地进一步净化，水体水质得到显著提高，最大限度减少了初期雨水对塘西河及巢湖的污染。
　　结合雨水花园结构图和实地调查、访谈，标注各个部分的主要功能或作用。
　　讨论、完成书本思考问题：
　　1.从对雨水下渗、净化、蓄积、利用等方面，说明雨水花园的作用。
　　结合教材中图5.23，关注以下三点：一是雨水花园与建筑物等设施的位置关系，即雨水花园相对低洼且有出水口；二是雨水花园本身的结构和材料特点；三是雨水路径分斤，即雨水进人或转化为其他水体的过程。总体上说，雨水花园通过滞留雨水和地表径流实现增加下渗，通过植物吸收、土壤和其他填充物过滤与吸附、微生物分解等作用实现净化雨水，通过植物吸收、土壤蓄积作用实现涵养水源，通过浇灌植被、弥补公共用水等实现雨水资源化。
　　2.雨水花园还有哪些作用？
　　可结合城市生态环境问题从三个方面进行：一是分析雨水花园对其他地理要素的影响，例如对空气可以起到增加湿度、调节气温的作用，为鸟类、昆虫、土壤生物提供栖息地，等等；二是分析雨水花园对人类活动的影响，例如提供休闲观赏景观，保护排水管道，降解污染，等等；三是结合所在区域自然环境特征分析其生态功能，例如在山城雨水花园可缓解水土流失，在干旱区雨水花园可抑制沙尘，等等。
　　参考资料：
　　什么是雨水花园？
　　雨水花园又称为生物滞留地，是利用自然或人工形成的地势较低的洼地，通过植物、土壤和微生物系统蓄积、净化雨水的“绿色”设施。
　　师生小结：雨水花园只能解决局部雨洪控制问题，要让城市不再“看海”，还需要从城市所在区域整体出发，系统协调人水矛盾，如建设海绵城市等。
　　学习任务三：海绵城市
　　研究思路：
　　我国城镇化过程中人水矛盾的主要表现：一是城市建设改变了河湖水系格局和局部地形，导致河湖调蓄能力降低，城市洪涝灾害频发；二是城市污染物排放负荷超过了河湖水环境承载能力，产生了水环境、水生态恶化问题，并加剧水资源短缺；三是水资源供需压力日趋明显，城市水资源短缺问题普遍，全国有400余座城市缺水。
　　海绵城市示意图：
　　结合以上思考和观察海绵城市示意图，完成下列思考问题。
　　思考：
　　1.雨水花园可布置在图中哪些地区？
　　2.树木、草坪、湿地公园、拦水坝、湖泊和河流对控制雨洪的作用分别是什么？
　　3.污水处理厂的作用是什么？还有哪些事物能起到净化水体的作用？
　　4.雨洪发生后，土壤在控制、净化、存储、释放水体过程中分别起到什么作用？
　　5.图中箭头所示的循环过程和水循环过程有什么联系和区别？
　　讨论回答：结合上图，可以看出雨水花园可布置于城市河流上游地区，对雨洪起到调控作用。树木、草坪能促进下渗，将雨洪储存于土壤中；湿地公园、湖泊和河流等水体可以直接蓄积雨洪；拦水坝是工程措施蓄积和利用雨洪。污水处理厂能净化受到污染的雨洪；树木、草坪、湿地公园、湖泊都可以起到净化雨洪的作用。雨洪发生后，土壤可以分别起到蓄积雨洪、净化雨水、储存雨水和通过地下径流为城市供水等功能。图中箭头所示的循环过程利用了水循环原理，但是又进行了改造，既能缓解城市雨洪灾害，又能净化、蓄积和利用雨洪所产生的雨水。
　　教师总结：海绵城市建设所体现的雨洪控制方式主要是一种理念的转变，即应该最大限度地保护城市开发前的“海绵”要素，如原有的河流、湖泊、湿地、坑塘、沟渠等水生态敏感区，并留有足够涵养水源、吸纳强降雨的林地、草地、湖泊、湿地，维持城市开发前的自然水文特征。其次，合理控制开发强度，并通过低影响的设施建设，控制城市硬化土地面积，促进雨水的渗透、储存和净化，最大限度地维持或恢复城市开发前的自然水文循环。
　　通过海绵城市建设，希望城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”。同时实现雨水资源化，即在下雨时吸水、渗水、蓄水、净水，需要时能够将水“释放”并加以利用。我们的最终目标在于提升城市生态系统功能，而非简单地从工程上防治洪涝灾害。
　　讨论、完成书本思考问题：
　　1.推想海绵城市地面材料的特点。
　　分析教材中图5.24，要注意三点：一是地面材料特点要从功能出发进行推测，即要实现滞、渗、蓄、净等功能，关键是渗；二是从结构上推测，要实现上述功能，海绵城市地面材料必须具备类似土壤的结构，特别是多孔隙的特点；三是满足交通、建筑等对地面的要求，因而又要具备土壤不具备的结构特点，如抗压、耐磨、不易被侵蚀等。
　　2.从雨水花园到海绵城市，对城市雨洪控制的思想有哪些发展？
　　可以从三个方面进行分析：一是对比雨水花园和海绵城市示意图，海绵城市关注的空间尺度更大，地理要素更加综合，对水循环过程考虑更完善，具备环境、经济和社会等多样的功能，说明海绵城市控制雨洪具有跨尺度、综合性、全时段、全要素的特点；二是海绵城市更侧重于对原有自然水生态系统的保护和恢复，力求通过生态建设使城市自然水循环能够保持原有的水文特征；三是海绵城市本质上是一种城市可持续建设模式，雨洪控制是其目标之一而非全部，海绵城市最终要实现城市防洪治涝、水资源利用、水环境保护与水生态修复的有机结合，使城市能够减缓或降低自然灾害和环境变化的影响，具有良好的弹性和可恢复性。
　　3.在什么自然条件下的城市宜建海绵城市？
　　从海绵城市建设的目标出发进行逆向思维。例如，海绵城市建设的目标之一就是控制雨洪，因而多暴雨、地势低平的城市宜建海绵城市；又如，海绵城市建设追求雨水资源化，因而降水季节变化大，容易形成旱灾的地区宜建海绵城市；等等。此题分析要避免认识误区，作为一种城市可持续建设模式，海绵城市建设具有广泛的地区适用性，因而不能草率地说没有明显雨洪的地区如干旱地区不适宜建设海绵城市。
　　参考资料：
　　我国城镇化过程中人水矛盾有哪些表现？
　　我国城镇化过程中人水矛盾的主要表现：一是城市建设改变了河湖水系格局和局部地形，导致河湖调蓄能力降低，城市洪涝灾害频发；二是城市污染物排放负荷超过了河湖水环境承载能力，产生了水环境、水生态恶化问题，并加剧水资源短缺；三是水资源供需压力日趋明显，城市水资源短缺问题普遍，全国有400余座城市缺水。
　　师生小结：相对于雨水花园，海绵城市是一个着眼全局、系统解决城市“看海”问题的可持续城市建设模式。从雨洪管理的角度看，其内涵是：现代城市应该具有像海绵一样吸纳、净化和利用雨水的功能，以及应对气候变化、极端降雨的防灾减灾、维持生态功能的能力。
　　课后拓展:
　　课后可以结合周边环境进行雨水花园或者海绵城市建设的开展考察实践活动。考察结束后交流展示成果。学生要能够运用科学的语言、准确的图像、正确的逻辑关系表达个人或小组论证的结果，对他人的研究成果进行点评，对自己的研究过程进行反思，对如何充分发挥植被、土壤的拦蓄功能让城市不再“看海”，达成开放而有方向性的共识，从而加深对海绵城市建设的理解，在合作学习中起到共同收获和进步的效果。
　　思维导图：
　　附：
　　地理实践活动：
　　塘西河考察
　　一、塘西河
　　流域概况
　　塘西河自南艳湖至入湖口全长12.7千米，现状河底高程6.5～18.2米，河底宽3～10米。塘西河横埠以上为丘陵岗地区，以下为圩区。滨湖新区开发之前，由于多年未经治理，堤防或岸坡杂草丛生，河道淤积阻水严重，防洪标准仅为5～10年一遇。塘西河入巢湖口段有部分民房，分布在塘西河口以上沿河100米范围内。因生产生活污水排放和缺乏水源补给，塘西河水体污染严重，河流生态环境较差。
　　在上图中标出南艳湖、巢湖的位置，绘出塘西河。
　　河道治理规划思路
　　塘西河除具有行洪、蓄水、生态等功能外，还应尽量保持河道的自然特征，兼顾滨水景观建设，满足亲水要求。
　　二、合肥塘西河流域规划雨水公园
　　该公园通过吸水、蓄水、渗水、净水，从生态系统服务出发，通过跨尺度构建水生态基础设施，结合多类具体技术建设水生态基础设施，发挥“海绵城市”核心作用，实现城市与景观、人与自然、人与城市、自然与城市的对话。在这个蓄水量2.7万立方米的公园里，初期雨水经过处理设施的处理后进入人工湿地进一步净化，水体水质得到显著提高，最大限度减少了初期雨水对塘西河及巢湖的污染。
　　绘制雨水花园简要结构图，标注各个部分的主要功能或作用。
　　三、合肥塘西河沙滩公园
　　塘西河沙滩公园样板段与造型别致的合肥“鸟巢”合肥美术馆隔河相望，沙滩全长约500米，平均宽在40—45米，总面积达到2.55万平方米。相比天鹅湖的沙滩，此次铺设塘西河沙滩公园所用的沙规格更高，全部是货真价实的福建优质海沙。
　　1.细心的市民发现，塘西河沙滩中的沙近些年正在不断变少，请分析可能原因，并提出解决办法。
　　在沙滩临水一侧，工人们已经用装有普通黄沙的黑色无纺布袋一层层码放，修筑了一个堤坝状的缓坡，等将来公园注水后，这些无纺布袋沙堤将全部被浸没在水下，这就是生态沙堤。
　　2.请推测生态沙堤的主要功能。
　　3.塘西河公园除了生态功能以外，还有哪些社会经济功能？
　　四、整理观察到的河道治理方法
　　参考答案
　　二、绘制雨水花园简要结构图，标注各个部分的主要功能或作用。要标出如何进入雨水花园和如何出去，如何进行泥沙过滤，如何进行污染净化。
　　三、1.风力侵蚀、流水侵蚀、人为挖沙等，定期补充沙源、修筑堤坝和挡风设施（如防风林木）等。
　　2.首先它是防护堤，可以防止海沙在河水的冲击下被顺坡冲淌走；其次它是很好的过滤装置，防止因降雨导致的地下水上涨反渗，污染沙滩；最后它台阶式的下降，也给亲水游玩者提醒，防止溺水事故。
　　3.休闲旅游，商业，提高周边住房品质，带动房地产开发，等等。
　　四、整理观察到的河道治理方法：塘西河以下游建闸挡洪、设站排水、洼地蓄水和中游疏浚河道、排泄洪水及上游疏通水系、生态补水等组合治理措施为基础，通过控制节点水位，构建全线平地束水、纵向低堰跌水、横向水岸相映的动态滨水空间和生态湿地廊道景观。河道采用不规则复式断面，设置汀步、叠水并维持河道弯曲和缓坡自然接岸。河道两岸用地高程要高于设计洪水位0.5米。