根据环境工程专业对《生态修复理论与工程》、《环境生物技术与应用》、《环境工程实验》、《水污染控制工程(1)》、《水污染控制工程(2)》）、（《环境工程设计基础与方法》、《环境微生物》等相关专业课程的授课要求，通过本次实验，学生应达到的知识与能力如下：

（1）掌握人工湿地基本理论和知识，掌握人工湿地工艺特点、单元设施基本组成和内部结构特点的理论知识，掌握人工湿地中植物、基质和微生物针对不同污染物的水质净化原理和机制，深入理解人工湿地净化水质相关的发展史和前沿科技应用。学生在对该门实验课程的学习目标和基本理论有清晰认识的基础上，产生关于人工湿地学术前沿的浓厚的学习兴趣。

（2）通过三因素影响的探究实验阶段，深刻理解水力停留时间、长宽比、水力负荷等基本概念及其作用，掌握操作参数对人工湿地水质净化效果的影响规律。达到掌握人工湿地相关的工程专业知识的水平，提升人工湿地设计参数设定、出水水质提升等相关的能力技巧，形成人工湿地水质净化效果提升的创新实践精神和探索意识。

（3）通过自主设计阶段的虚拟仿真过程，掌握人工湿地设计方法与流程的专业技能，充分提升学生的实验能力和工程实践经验，成为污染生态修复、自然生态环境维护、生态设计与规划等方面工作的复合型专业技能人才。

人工湿地技术是在预先开挖、覆有防渗层的土坑中，填入具有一定粒径和渗透性的天然砂石、土壤或人工填料作为基质，并种植特定的水生植物，形成基质、植物和微生物共有的生态系统。当污水水体流经人工湿地时，基质主要提供物理截留和化学吸附、沉淀作用，而植物和微生物主要提供生物吸收和生物转化作用，通过三者的协同作用，不同类型的污染物被有效去除。根据水位在基质上部还是内部，人工湿地可分为表面流和潜流人工湿地；潜流人工湿地根据水流方向分为水平潜流、垂直潜流人工湿地。在设计过程中，不同设计参数会影响其运行效果。

图1 人工湿地原理图

（出处：Jan Vymazal 等，中国给水排水，2021,37(02),25-3）

本实验项目以某真实湿地为原型进行虚拟仿真，增设预处理和后处理单元，对仿真模型进行深入剖析，通过半剖、半透视等技术手段，直观展示人工湿地的具体构造，处理原理、流程组成等方面，全面认识学习人工湿地。通过对人工湿地生态修复技术设计虚拟仿真实验，学生基本掌握不同类型人工湿地的基本特点、植物、微生物以及基质对不同污染物的去除机理、不同进水水质条件下人工湿地的模式和设计方法。

本虚拟仿真实验教学中，根据人工湿地的理论和专业知识提供6个知识点：

① 工艺流程

图2 工艺流程图

预处理单元：为了满足人工湿地进水要求及减轻湿地污染负荷，在人工湿地前端设置预处理单元。

人工湿地单元：人工湿地是由人工建造和控制运行的洼地，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。

后处理单元：为了满足出水达标排放或回用要求，在人工湿地后设置后处理单元。

② 人工湿地的组成和内部结构

包括：人工湿地池体和防渗膜、基质（如土壤、砂、砾石）、水生植物、污水水体、微生物膜、进水和出水设施。

③ 人工湿地的类型及特点

包括：表面流人工湿地、水平流潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。

④ 人工湿地的净化原理

对悬浮物：阻截作用、微生物水解和微生物和植物吸收。

对溶解性有机物：吸附、吸收及生物代谢降解。

对氮：植物和微生物同化吸收、亚硝化和硝化作用以及反硝化作用。

对磷：植物和微生物同化吸收、沉淀、沉降。

对重金属：吸收和富集作用、聚集、沉降。

⑤ 人工湿地设计参数对污染物去除率的影响机制

主要设计参数包括水力负荷（q）、水力停留时间（τ）、长宽比（r）和植物选配、基质选配等。

⑥ 人工湿地的设计计算流程和运行处理效果与评价

人工湿地设计步骤主要包括：湿地类型的选择、设计参数的确定和人工湿地单元尺寸的计算（有机物负荷、水力负荷、水位、水力停留时间以及几何尺寸等）、进出水系统布置、植物的选择等。针对某一进水条件，在确定其关键设计参数和主要的尺寸后，仿真实验根据模型计算其污染物出水浓度和去除效率，用于评价设计效果。

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

①结构仿真度（93.3%）

构建了人工湿地3D结构模型，包括植物、水体、基质、池体和防渗层、进出水系统。在静态展示阶段，学生可通过拆解、剖面、视角旋转和平移等方式直观认识人工湿地内部组成和结构，掌握各部分特点和功能。仿真度体现如下：

②场景仿真度（93.6%）

在工程实景阶段，在3D结构模型基础上增加真实场景的虚拟现实，通过引导介绍、平移、视角转动等方式，让学生自主认识人工湿地工程样貌。仿真度体现如下：

* 见结构仿真度。

③运行机理仿真度（91.3%）

在动态展示和净化原理展示阶段，构建水体流动的仿真和污染物粒子去除的动态动画模型，制作5种污染物的净化途径，让学生全面、清晰、直观地掌握人工湿地内部的动态机制。仿真度体现如下：

* 数据显示，模型解释力可达95%置信程度。

④探索过程仿真度（91.4%）

在人工湿地的探究实验中，采用了基于人工湿地的一级反应机理数学模型（利用环境课题组人工湿地工程的实际处理效果数据结合人工湿地的最新研究成果的特性所提出的半机理、半经验出水水质计算模型），具有极高的实验条件和实验过程自由度，使得学生可以自主探索设计参数对不同人工湿地的影响。仿真度体现如下：

* 数据显示，模型解释力可达97.5%置信程度。

⑤设计过程仿真度(92.2%)

在设计应用中，构建人工湿地的动态模型，模型随着学生的调节而做出相应的变化。引导学生完成常规设计步骤。在学生自主设计某方案后，可通过实时的出水水质评价当前设计条件下的系统污水处理效果。

实验教学过程分为三个阶段：

① 第一阶段介绍了背景知识，包括人工湿地相关的基础知识和虚拟工程实景的虚拟体验，以及人工湿地静态结构、净化机理的直观认识。

该阶段学生自主点击学习和体验，采用互动思考题对学生进行考查，达到深入掌握人工湿地基本类型/组成/结构、污染物净化原理、净化后水质等基本内容。通过该阶段，学生对该门实验课程的学习目标有清晰认识的基础上，提供人工湿地最新前沿科技文献推送供学生宣读，激发学生浓厚的学习兴趣。

② 第二阶段为探究实验，重点以水力负荷、长宽比和水力停留时间三个设计参数为探究对象，考察三种不同类型的人工湿地在不同的操作参数下，对五种典型水质指标的影响规律。

该阶段学生自主选取人工湿地类型及其对应的设计参数，并获得不同的影响规律曲线和最佳设计参数，能够充分训练学生关于人工湿地设计参数设定、出水水质提升等相关能力技巧，激发学生的创新实践精神和探索意识。

③ 第三阶段为工程实践阶段，利用基本理论知识和探究实验阶段得到的规律，对实际工程问题进行自主设计，得到满足要求的出水水质，并形成设计报告。

该阶段学生根据实际污水水质和出水水质要求，自主选择预处理单元、后处理单元和湿地类型，自主设计人工湿地的典型操作参数，形成最终的设计报告和出水水质。该过程学生可多次操作，并依据基本操作、设计结果和探究实验结果的吻合程度、设计结果的重复度等进行迭代赋分，充分提升学生的实验能力和工程实践经验。

实验教学过程凝练如下：

图3 实验教学过程

（2）实验方法

实验过程中依据不同的教学阶段，采用差异化的实验方法进行。

背景知识阶段使用的实验方法主要包括：观察法、比较法和分类法。

不同因素探究实验阶段使用的实验方法主要包括：比较法、分类法、控制变量法和归纳法。

自主设计的工程实践阶段使用的实验方法主要包括：观察法、比较法、归纳法和自主设计法。实验过程中采用的方法主要包括：观察法、比较法、分类法、控制变量法、归纳法和自主设计法。

交互性步骤详细说明

本虚拟仿真实验教学项目分为3个阶段和15个交互性操作步骤。其中，阶段一为背景知识部分，学生通过虚拟仿真实验软件学习人工湿地基础知识、观察工程案例实景和3D静态模型漫游，同时学生通过软件观察3D动态模型运行、学习人工湿地净化机理并完成互动思考题。阶段二为探究实验部分，学生可组成研究小组，利用虚拟仿真实验软件，研究在同一进水条件下，不同类型的人工湿地，其主要的设计参数（水力负荷q、水力停留时间τ和长宽比r）对出水水质的影响。阶段三为设计应用部分，学生在了解关键设计参数（q、τ、r）对人工湿地污染物去处理影响机制后，针对软件生成的污水案例，根据人工湿地尺寸设计计算流程进行人工湿地设计，遴选需求的前后处理工艺，并利用水质计算模型进行模拟运行，得到出水水质。

阶段一：背景知识

步骤1：实验背景

操作目的：

学生在进行虚拟仿真项目之前，掌握传统授课下人工湿地的理论要点，使学生在后续的三维浏览、自主设计、深入探究这些实践过程中达到理论与实践相结合的效果，加强学生对人工湿地系统的理解。

操作过程：

学生进入虚拟仿真实验后，首先回顾《生态修复理论与工程》、《生态学》、《环境微生物学》、《水污染控制工程》、《环境工程设计基础与方法》等专业课程的知识点，学生通过简洁明了的知识点介绍，初步了解人工湿地。

（a）实验背景介绍：

单击软件首页左上角“实验简介”，进入背景介绍的菜单页面，选择“实验背景”，学生在该步骤中了解实验课程的背景、人工湿地一般流程、基本组成和影响因素，建立起对人工湿地处理系统的基本概念。

（b）实验目的介绍：

单击软件首页左上角“实验简介”，进入背景介绍的菜单页面，选择“实验目的”，学生在该步骤中了解本实验课程的目的，明确整体目标导向。

（c）实验流程介绍：

单击软件首页左上角“实验简介”，进入背景介绍的菜单页面，选择“实验流程”，学生在该步骤中了解本实验课程的大致流程，明确实验内容。

操作结果：

步骤1的目的是让学生在进行后续步骤前了解基本的实验框架和基础概念，复习已有知识，帮助学生回忆。因此，在学生浏览步骤1中的各个操作时，后台计时学生的停留时间，作为学生自主学习的一个指标。如果系统检测到学生过快通过该步骤，系统助手将进行提示，给出返回并重新阅读的选项。此部分算作操作成绩，按停留时长直接不得分或得满分。

步骤2：工程实景

操作目的：

利用虚拟的工程实景，让学生对人工湿地工艺系统有一个整体性的了解和把握，人工湿地技术在实际应用过程中除了该技术本身还包括预处理单元和后处理单元。

操作过程：

在学生了解人工湿地基本知识后，软件根据实际人工湿地工程制作人工湿地虚拟实景，给学生展现人工湿地的场景，方便学生在后续的虚拟仿真过程中联系实际工程案例，提高虚拟仿真实验项目的整体仿真度。

首先，点击软件主页“原理认知”的菜单页面，在下拉菜单中单击“工程实景”。系统小助手会在此向学生展示一处典型人工湿地的模拟场景。该场景地处居民住宅区外绿化地区，由预处理、人工湿地主体和后处理三部分组成。学生可以观察到人工湿地一般占地较大，且其本身与周围绿化环境融为一体，污水由预处理前端进入、经过人工湿地、再由后处理单元出水。

学生可通过界面提示操作前后左右及远近移动镜头对全景图的每个环境进行观察，通过半剖、半透视等不同视角，直观感受人工湿地的内部结构。

操作结果：

步骤2的主要目的是让学生直观地掌握人工湿地工艺的基本流程和其所处的典型场景。在学生浏览步骤2中的各个操作时，后台计时学生的停留时间，作为学生自主学习的一个指标。如果系统检测到学生过快通过该步骤，系统助手将进行提示，给出返回并重新阅读的选项。此部分算作操作成绩，按停留时长直接不得分或得满分。

步骤3：流程拆解

操作目的：

在工程全景示意图的基础上，对每个环节进行额外的拆解细分，让学生对人工湿地工艺系统的每个环节有一定的认识，明确各环节包含的工艺种类和作用。

操作过程：

在学生了解人工湿地工艺的基本流程和其所处的典型场景后，可以在主页的“原理认知”选项卡的下拉菜单“工程实景”下单击实景图中的三个标签，分别对各部分包含的工艺进行单独的解说，明确各工艺的适用场景。以下为“预处理”选项卡打开后的部分展示部分。

页面中央为工艺示意图，方便学生直观理解工艺设计，下方则是该单元在整个人工湿地系统中产生的作用。学生了解完前处理工艺后，可以回到实景界面点击下一个流程（“后处理”选项卡）学习，也可以通过页面右下角“进入后处理单元”进行学习。以下为“后处理”选项卡打开后的部分展示部分。

学生可以在学习后处理流程后从主页“原理认知”菜单下的“人工湿地类型”选项进入人工湿地种类的学习，也可以点击页面右下角“进入人工湿地”按键学习。点击页面左上角可切换湿地类型。

学生可以点击页面上方三个按键切换不同的人工湿地种类进行学习。页面中部为人工湿地3D模拟图像，下方为流态描述，页面右方展示了对应人工湿地下的运行特点。

点击页面右下方“进入湿地植物”按键后，可以学习不同湿地植物的生长特性及对污水的净化能力，页面中部则是对应的湿地植物实物图，以便于学生理解。点击左右切换键可更换水生植物类型。

学生可以点击页面上方三个按键切换不同的人工湿地种类进行学习。页面中部为人工湿地3D模拟图像，下方为流态描述，页面右方展示了对应人工湿地下的运行特点。

点击页面右下方“进入湿地植物”按键后，可以学习不同湿地植物的生长特性及对污水的净化能力，页面中部则是对应的湿地植物实物图，以便于学生理解。点击左右切换键可更换水生植物类型。

点击页面右下方“植物选择要求”，学生可以了解到具体的湿地植物与湿地种类的匹配条件。

操作结果：

步骤3的主要目的是让学生明确整个系统中的每一个分环节的具体作用，为后续整个湿地方案设计环节提供理论指导和依据。在学生浏览步骤3中的各个操作时，后台计时学生的停留时间，作为学生自主学习的一个指标。如果系统检测到学生过快通过该步骤，系统助手将进行提示，给出返回并重新阅读的选项。此部分算作操作成绩，按停留时长直接不得分或得满分。

步骤4：流动模型（净化机理）

操作目的：

通过仿真技术的特殊性，在人工湿地3D静态模型的基础上，在场景内使用动态效果展现水流的方向。同时，人工湿地净化机理涉及到物理作用、化学作用、微生物作用和植物作用，基质、植物、微生物对于悬浮物、有机物、氮、磷和重金属污染物的去除途径均有所不同。因此，构建人工湿地净化机理的动态模型展现这些污染物在人工湿地中的净化机理。

操作过程：

学生可以通过步骤3末尾页面的“进入净化原理”按键，也可以通过软件主页“原理认知”的菜单页面下属“净化机理”选项进入模型界面。主界面中的流动模型，可以清晰地看到人工湿地运行过程中，水体和典型污染粒子的流动状态。为了进一步了解典型污染物的净化机理，该页面下方为学生提供了五种典型污染物的净化机理动画，学生也可以通过单击“N去除机制”、“P去除机制”、“重金属去除机制”、“有机物去除机制”和“悬浮颗粒物去除机制”按钮，看到其净化过程的主要途径。

点击页面下方“查看去除机理”按键，可以获得背景介绍音声的文本，跟随讲解音画同步学习污染物在人工湿地系统中的去除机理。

操作结果：

步骤4的主要目的是让学生直观地了解人工湿地技术对有机物、悬浮物、总氮、总磷和重金属的去除过程和净化机理。在学生浏览步骤4中的各个操作时，后台计时学生的停留时间，作为学生自主学习的一个指标。如果系统检测到学生过快通过该步骤，系统助手将进行提示，给出返回并重新阅读的选项。此部分算作操作成绩，按停留时长直接不得分或得满分。

步骤5：互动思考题

操作目的：

互动思考题是在学生进入虚拟仿真软件，经过软件中的基础知识介绍、人工湿地3D模型的静态和动态场景漫游之后，进行自主案例设计之前进行的测验。该层次考核的目的是判断学生是否有足够的知识储备进行人工湿地的案例设计，同时帮助学生巩固人工湿地知识，从而保证虚拟仿真实验的效果。

操作过程：

学生可以通过步骤4界面末尾的“进入环节测试”按键进入互动思考题的跳出界面。互动思考题将软件题库中的各类选择题按照一定类型比例随机调用，用于对学生的知识点考核。

操作结果：

学生在完成10道互动思考题的选择后，选择提交，软件随即自动界面打分，界面分值为每题10分，总分为100分。学生得分不足100分时，可以通过“回看错题”，查看错误的题目。系统将给出错题的正确提示。该步骤可以重复进行，后台计分程序按照平均统计原则计分。直至学生达到满分后，停止统计计分，此时分值为学生的最终得分。该计分方式保证了学生可以重复学习直至完全掌握知识点；同时，记录了学生在完全掌握之前的得分历程，客观反映每位学生的学习情况。此部分算作预习成绩，按多级计分制。互动思考题目标要让学生得到满分（完全掌握）。学生可以反复操作（每次随机生成10题）。每次操作中，每题10分，总分100。在得100分后，统计每操作计入加权分。设学生操作n次，每次xi分值，则，最得分

阶段二：探究实验

步骤6：探究水力负荷对不同人工湿地的影响

操作目的：

水力负荷q指的是进水流量Q与人工湿地占地面积A的比值，即q=Q/A。通常情况下，若q过高，则系统对污染物的去除速率不及进水携带的污染物，导致出水祛除了下降。因此在一定范围内，污染物去除率随着q减小而增大，但是q过小，会造成占地面积过大，导致基建成本过大。

通过控制变量法，学生可设置不同水力负荷对相同的水质水量条件进行人工湿地处理，观察各个指标出水变化，从而了解水力负荷对这些指标的影响规律。

操作过程：

仿真实验选取水力负荷、长宽比和水力停留时间作为最主要的三个影响参数。采用控制变量法来进行探究。学生根据指定的水质水量条件输入仿真实验软件，在长宽比和水力停留时间不变的前提下，通过设置不同的水力负荷，记录出水效果。最后通过观察实验结果得出实验结论。

（a）人工湿地类型选择：

水力负荷条件对于不同的人工湿地具有不同的影响效果。学生可以针对一种关注的人工湿地进行探究，也可选择多种人工湿地进行对比。首先，在仿真软件主界面单击“污染物去除方法探究”，在下拉菜单中选择人工湿地种类（此处选择“自由表面流人工湿地”为例）。

（b）选择考察因素：

选择人工湿地种类后，随机生成污水水质。点击“确定”后进入探究模块，选择对应的水生植物。学生在输入合理的设计参数后可以勾选以确定需要控制的变量，这里勾选“湿地长宽”和“水力停留时间”。

长宽比和水力停留时间设置为一个确定值。软件给出建议的给定值为：

（c）计算出水结果：

输入合适设计参数后，点击右下角“进入模拟处理”，软件根据学生选择的人工湿地类型、指定的长宽比和水力停留时间，以及初始的水力负荷，计算五个水质指标的出水情况。

（d）改变考察因素并记录实验结果：

学生点击右下角“保存数据”，在弹出界面内通过“重新设计”回到水力负荷调节模块，将水力负荷调至需要变化的值，并重新点击“进入模拟处理”计算出水结果。重复此过程直到学生预设探究值使用完毕。

操作结果：

通过单击“保存数据”按钮，记录本次试验所有结果。此部分算作操作成绩，按照偏离值来计算分值，偏离理论最佳范围越大，分数越低。

步骤7：确定最佳水力负荷

操作目的：

水力负荷q指的是进水流量Q与人工湿地占地面积A的比值，即q=Q/A。通常情况下，若q过高，则系统对污染物的去除速率不及进水携带的污染物，导致出水祛除了下降。因此在一定范围内，污染物去除率随着q减小而增大，但是q过小，会造成占地面积过大，导致基建成本过大。

操作过程：

通过前一个步骤中得到的实验数据，在最终数据组的页面点击“保存数据”进行图像绘制，学生可以得到水力负荷参数对于不同水质指标的影响变化情况。得到水力负荷对污染物出水变化的影响。

操作结果：

学生针对一种人工湿地的探究实验后，可自动生成探究实验报告。报告中记录了该实验的条件，以及不同水力负荷下的人工湿地设计尺寸和各水质指标的出水情况。学生在报告中需写出最佳参数取值和报告总结。此部分生成实验报告，按照偏离值来计算分值，偏离理论最佳范围越大，分数越低。

步骤8：探究长宽比对不同人工湿地的影响

操作目的：

长宽比r指的是人工湿地单元长度L与宽度W的比值，即r=L/W。r过小，人工湿地宽度就过大，容易出现进水和出水不均匀的现象；若r过大，则过水截面过小，流速过大，污染处理效果变差。

通过控制变量法，学生可设置不同长宽比对相同的水质水量条件进行人工湿地处理，观察各个指标出水变化，从而了解长宽比对这些指标的影响规律。

操作过程：

（a）人工湿地类型选择：

长宽比条件对于不同的人工湿地具有不同的影响效果。学生可以针对一种关注的人工湿地进行探究，也可选择多种人工湿地进行对比。首先，在仿真软件主界面单击“污染物去除方法探究”，选择人工湿地种类（此处选择“自由表面流人工湿地”为例）。

（b）选择考察因素：

选择人工湿地种类后，随机生成污水水质。点击“确定”后进入探究模块，选择对应的水生植物。学生在输入合理的设计参数后可以勾选以确定需要控制的变量，这里勾选“水力停留时间”和“水力负荷”。

水力负荷和水力停留时间设置为一个确定值。软件给出建议的给定值为：

（c）计算出水结果：

点击右下角“进入模拟处理”，软件根据学生选择的人工湿地类型、指定的水力负荷和水力停留时间，以及初始的长宽比，计算五个水质指标的出水情况。

（d）改变考察因素并记录实验结果：

学生点击右下角“保存数据”，在弹出界面内通过“重新设计”回到水力负荷调节模块，将长宽比调至需要变化的值，并重新点击“进入模拟处理”计算出水结果。重复此过程直到学生预设探究值使用完毕。

操作结果：

通过单击“保存数据”按钮，记录本次试验所有结果。此部分算作操作成绩，按照偏离值来计算分值，偏离理论最佳范围越大，分数越低。

步骤9：确定最佳长宽比

操作目的：

长宽比r指的是人工湿地单元长度L与宽度W的比值，即r=L/W。r过小，人工湿地宽度就过大，容易出现进水和出水不均匀的现象；若r过大，则过水截面过小，流速过大，污染处理效果变差。

操作过程：

通过前一个步骤中得到的实验数据，进行图像绘制，学生可以绘制长宽比参数对于不同水质指标的影响变化情况。

得到长宽比对悬浮物（SS）、有机物（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）和重金属出水变化的影响：

操作结果：

学生在一次探究实验后，可自动生成探究实验报告。报告中记录了该实验的条件，以及不同长宽比下的人工湿地设计尺寸和各水质指标的出水情况。学生在报告中需写出最佳参数取值和报告总结。此部分生成实验报告，按照偏离值来计算分值，偏离理论最佳范围越大，分数越低。

步骤10：探究水力停留时间对不同人工湿地的影响

操作目的：

水力停留时间（τ）指的是污水在人工湿地中的计算平均流动时间，即人工湿地有效容积V与进水流量Q的比值，τ=V/Q。通常来说，τ过短，污染物没有足够的时间与微生物、植物接触反应，水质处理效果则不佳，出水甚至不达标；τ过长，水质处理效果虽然会提高，但一味的延长HRT也会造成能源和资源的浪费。

通过控制变量法，学生可设置不同水力停留时间对相同的水质水量条件进行人工湿地处理，观察各个指标出水变化，从而了解水力停留时间对这些指标的影响规律。

操作过程：

（a）人工湿地类型选择：

水力停留时间条件对于不同的人工湿地具有不同的影响效果。学生可以针对一种关注的人工湿地进行探究，也可选择多种人工湿地进行对比。首先，在仿真软件主界面单击“污染物去除方法探究”，选择人工湿地种类（此处选择“自由表面流人工湿地”为例）。

（b）选择考察因素：

选择人工湿地种类后，随机生成污水水质。点击“确定”后进入探究模块，选择对应的水生植物。学生在输入合理的设计参数后可以勾选以确定需要控制的变量，这里勾选“长宽比”和“水力负荷”。

水力负荷和长宽比设置为一个确定值。软件给出建议的给定值为：

（c）计算出水结果：

点击右下角“进入模拟处理”，软件根据学生选择的人工湿地类型、指定的水力负荷和长宽比，以及初始的水力停留时间，计算五个水质指标的出水情况。

（d）改变考察因素并记录实验结果：

学生点击右下角“保存数据”，在弹出界面内通过“重新设计”回到水力负荷调节模块，将水力停留时间调至需要变化的值，并重新点击“进入模拟处理”计算出水结果。重复此过程直到学生预设探究值使用完毕。

操作结果：

通过单击“保存数据”按钮，记录本次试验所有结果。此部分算作操作成绩，按照偏离值来计算分值，偏离理论最佳范围越大，分数越低。

步骤11：确定最佳水力停留时间

操作目的：

水力停留时间（τ）指的是污水在人工湿地中的计算平均流动时间，即人工湿地有效容积V与进水流量Q的比值，τ=V/Q。通常来说，τ过短，污染物没有足够的时间与微生物、植物接触反应，水质处理效果则不佳，出水甚至不达标；τ过长，水质处理效果虽然会提高，但一味的延长HRT也会造成能源和资源的浪费。

操作过程：

通过前一个步骤中得到的实验数据，进行图像绘制，学生可以绘制水力停留时间参数对于不同水质指标的影响变化情况。

得到水力停留时间对悬浮物（SS）、有机物（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）和重金属出水变化的影响：

操作结果：

学生在一次探究实验后，可自动生成探究实验报告。报告中记录了该实验的条件，以及不同长宽比下的人工湿地设计尺寸和各水质指标的出水情况。学生在报告中需写出最佳参数取值和报告总结。此部分生成实验报告，按照偏离值来计算分值，偏离理论最佳范围越大，分数越低。

阶段三：设计应用

步骤12：进水条件和出水要求确定

操作目的：

确定进水的水质水量条件（包括5个水质指标），以及出水水质要求，作为后续设计的对象和目标。

操作过程：

主界面点击“湿地方案设计”模块，进入模块后，学生在系统引导下仔细阅读页面提供的进水条件，及时做出判断。

（a）确定进水条件：

首先，需要确定设计的进水条件。进水条件包括水量和COD（溶解性有机物）、SS（悬浮物）、TN（总氮）、TP（总磷）、重金属的进水浓度。系统在给定范围内随机显示进水条件。

（b）确定出水标准：

通过两种方式确定出水标准，一是通过软件内置的常用出水标准，例如《污水综合排放标准》、《地表水环境质量标准》、《农田灌溉水质标准》等，直接选择；二是通过学生自定义输入。

操作结果：

在给定范围内，确定进水水质水量条件和出水要求。此部分赋分按照5个指标，每一个指标满足质量标准要求可得一分，不满足不得分；最高可得5分。

步骤13：人工湿地、植物种类、前后工艺选型

操作目的：

根据给定的水质水量条件以及特殊要求，对不同的人工湿地进行选型；同时针对不同的人工湿地进行水生植物的选型。

操作过程：

（a）人工湿地类型选择

在确认进水条件和出水标准后，学生点击“开始设计”，选择需要进行试验的湿地类型（表面流人工湿地、水平潜流人工湿地或者垂直流潜流系统，此处选择“表面流人工湿地”），同时给出“帮助”按钮，在单击按钮后，展示不同类型湿地的差异。

（b）常用水生植物和前后处理工艺选用

确定人工湿地类型完成后进入植物场景。实际过程中不同的植物对不同湿地的去除效果存在差异，但是影响不大，本次设计中，仅考察学生是否了解不同类型人工湿地在选择植物中上的差异。在本次虚拟仿真项目中，潜流人工湿地可选择芦苇、蒲草、荸荠、莲、水芹、水葱、茭白、香蒲、千屈菜、菖蒲、水麦冬、风车草、灯芯草等挺水植物。表流人工湿地可选择菖蒲、灯芯草等挺水植物；浮萍、睡莲等浮水植物；伊乐藻、茨藻、金鱼藻、黑藻等沉水植物。选择完成后会生成具种植有不同植物的人工湿地场景。前后处理工艺根据前一步水质描述来为学生的选择提供依据。

操作结果：

在确定了人工湿地设计的水质水量条件和出水要求之后，学生通过之前模块的理论知识和探索模块中得到的结论，自行选取不同类型的人工湿地。同时根据选取的人工湿地，学生选取相应的水生植物和前、后处理工艺。此部分赋分按照：（1）选择适宜的人工湿地类型，可得4分；（2）对应的湿地类型下，正确选择植物类型可得3分；（3）每错选一种植物类型，扣1分；（4）每错选一种前后处理工艺，扣1分，全选对得3分。最高得分10分。

步骤14：自主确定设计参数并计算人工湿地尺寸

操作目的：

在选型人工湿地后，学生根据探索模块得到的不同设计参数对出水效果的影响规律，设计人工湿地的具体尺寸，包括其平面的长度和宽度、水体的有效水深等。

操作过程：

（a）平面面积A计算

学生根据不同的进水水质，选择水力负荷参数，并计算平面面积。水力负荷为人工湿地单位占地面积、单位时间内接收的污水量，若水力负荷过低，则系统中的生物得不到足够的养分（污染物），无法维持生长；若水力负荷过高，则系统对污染物的去除速率不及进水携带的污染物，导致出水水质差。

一般来说，表面流人工湿地水力负荷一般为0.2 m³/（m²d）以下，水平潜流人工湿地水力负荷一般为0.2 m³/（m²d），垂直潜流人工湿地水力负荷一般为0.2 m³/（m²d）。

水力负荷计算公式为：

q=Q/A

q为水力负荷，m³/（m²d）

Q为进水水量，m³/d

A为人工湿地占地面积，m²。

（b）长宽L*W尺寸计算

学生根据自主设定的长宽比，计算人工湿地的长和宽。长宽比过小，人工湿地宽度就过大，容易出现进水和出水不均匀的现象；若长宽比多大，则过水截面过小，流速过大，污染处理效果变差。

长宽计算公式为

r=L/W

L=(r*A)^(1/2)

W=(A/r)^(1/2)

r为长宽比，

L为池长，m，

W为池宽，m，

A为人工湿地占地面积，m²

（c）有效水深/基质厚度h的计算

学生根据自主设定的水力停留时间，结合之前的平面面积，计算表面流人工湿地的水深或潜流人工湿地的基质厚度。水力停留时间是污水在人工湿地设施中的计算平均停留时间，若水力停留时间过小，则污水中的污染物没有足够的时间参与物理、化学、生物反应，即随着出水排出，造成出水水质差；若水力停留时间过大，则可能出现微生物衰亡导致溶出物进入水体中，且磷酸盐、重金属沉淀反应的逆反应现象也会显现，造成出水水质差。

水力停留时间计算

τ=V/Q=Ah/Q

τ为水力停留时间，d，

V为人工湿地有效容积m³，

Q为进水流量，m³/d，

A为占地面积，m²，

h为有效水深，m。

操作结果：

根据学生设计参数的选择与计算，确定了所选人工湿地的长度、宽度和有效水深等信息。此部分赋分按照：（1）基础分10，满足人工湿地设计规范里设计参数和尺寸的基本要求区间可得基础分10分；（2）质量迭代分5，参数能满足7、9和11步中确定的最佳区间，可得5分，偏离最佳区间越大，质量迭代分越低。

步骤15：设计出水预测

操作目的：

软件根据设计参数计算出水水质，并生成出水报告。

操作过程：

在完成人工湿地设计后，点击开始进行进水的处理，观察出水水质情况，人工湿地运行结束后，对碳、氮、磷以及重金属等不同污染物的去除效果数据（出水水质）将展示出来。出水运行采用的是根据实际案例数据得到的半机理、半经验数学模型。

Co=Ci*exp(-k)

k=f(k_A, a₁, q₀, b₁, a₂, τ₀, b₂, a₃, r₀, b₃, C_i, a₄; q, τ, r, C_i)

其中，C_o为某污染物的出水浓度；

C_i为某污染物的进水浓度；

k为污染物的衰减系数，k的确定由一系列参数和q, τ, r, C_i共同决定；

q为水力负荷；τ为水力停留时间；r为长宽比；C_i为进水浓度；

k_A, a₁, q₀, b₁, a₂, τ₀, b₂, a₃, r₀, b₃, C_i, a₄为确定k的一系列参数。

操作结果：

根据给定的进水水质水量条件和学生自主设计的人工湿地尺寸，计算了人工湿地出水水质，并形成水质报告。同时对于给定的出水要求进行比较。此部分赋分按照：设计次数最多允许3次，（1）基础分5，以3次设计过程中最好的出水水质结果为判断依据，出水能达到设计出水水质可得基础分满分6分，每出现一个指标不达标扣1分。（2）实验能力质量分3，第1次设计得到的出水水质达标可得3分，第2次设计才达标得2分，第3次设计才达标得1分。（3）能力提升质量分3，三次设计结果均达标且相差不大，可得3分；3次设计结果均逐步提升且最后达标，可得2分；第2次或第3次设计结果不及前面几次的设计结果（不达标），不得分。