本实验结合大气科学、水文与水资源工程专业培养方案的要求，根据本专业特色专业主干课程《山洪泥石流预警预报》的关键知识点，梳理出从“典型认知”—“综合训练”—“系统探索”三个层次的实验。

（1）通过暴雨山洪灾害的山洪灾害认知学习模块，帮助学生掌握暴雨山洪灾害发生的过程和原理。

帮助学生掌握暴雨山洪灾害发生的外部环境、重要过程、各过程的原理，采用虚拟现实的学习方式，帮助学生深入了解山洪发生的降雨过程、蒸散发过程、下渗过程、坡面汇流及河网汇流过程的基本原理，为系统综合实验奠定基础；

（2）通过水文气象条件设计的综合训练，显著提高学生理解不同水文气象条件对山洪灾害发生综合影响程度的能力。

学生根据自己前期的理解水平，根据暴雨山洪灾害发生的影响因素，采用对照与参数控制法，学生通过控制降雨历时、降雨强度、前期土壤含水量、前期河道流量等关键水文气象因素，理解不同因素对暴雨山洪灾害的影响程度。

（3）通过山洪灾害防治措施的综合训练，探索不同暴雨山洪防治措施的异动与防治效果，提高学生实际山洪防治的能力与水平，培养学生自主创新设计的能力。

在山洪灾害防治措施设计模块，系统随机给学生分配一种水文气象条件，学生自主设计与修改防治措施参数，探索不同植树造林措施、不同拦水坝类型、不同泄洪道对山洪灾害的防治效果与异同，最后分析归纳出不同防治措施的优缺点，并将这些实验结果应用并下一实验环节-山洪灾害综合防治设计-中去，自主设计一套防洪效果最佳的山洪防治措施。

本实验项目包括3个实验环节，具体实验原理如下：

根据水文循环原理，暴雨发生后，扣去蒸散发、土壤下渗等，其余降雨以地表径流、壤中流、地下径流的形式，从高向低汇入河道，其中地表径流的流速最快、壤中流次之、地下径流最慢，河流水位漫过堤坝即发生山洪。任何水文气象条件改变，都会引起山洪规模的变化，其中降雨、土壤湿度、河道流量是最重要的水文气象条件。

图1 山洪水文循环示意图

1）基于SCS-CN模型的产流原理

SCS-CN模型是由美国土壤保持局开发的估算产流的方法。基于水平衡原理，假设：

式中，P一次降水总量，mm；F实际入渗量，mm； Q为径流深，mm；Ia为降水初损，mm；S为土壤潜在最大滞水量，mm；λ为初损系数。

上面方程联合计算推得：

当P≥I_a时，上式有效；当P≤I_a时，Q=0。λ一般取值0.2：

引入 CN 可以推求 S，变化范围在0 ≤CN ≤ 100：

CN值与土壤湿度、土地利用等因素有关，因此根据真实的场次洪水过程，可以构建降水量、土壤湿度、土地利用情况对洪水过程影响机理的实验设计。

2）马斯京根法汇流原理

马斯京根法是常用的汇流计算方法，用线性的马斯京根槽蓄方程与水量平衡方程联解，来进行河道洪水演算。假定河段蓄量S与示储流量Q成线性关系，即：

式中 K是蓄量参数，Q是入流I和出流O的函数，即Q=XI+(I-X)O，X表示入流和出流对槽蓄影响的相对比重；K和X根据所研究的河道特性和洪水特性来决定，并假定为常数。与水量平衡方程联解，得汇流计算公式：

式中 I、O为河段入流、出流，脚码1、2表示时段初、末时刻。C₀、C₁、C₂是马斯京根法参数K和X的函数，其和等于1。

3）山洪防治措施对山洪灾害的防治原理

根据上述的产汇流计算，可得到山洪动态变化过程。山洪防治措施分为工程防洪和非工程防洪措施，短期看工程措施效果明显，但长远看，非工程措施效果持久。对于植树造林非工程措施，主要基于不同植被类型与CN值的关系，通过改变CN值来改变流域产流量，评估不同植树造林措施对山洪防治的效果；对于工程措施，包括上游谷坊坝、中游挡水坝、下游泄洪道，通过增添不同水利工程建筑，修改其设计参数，从而来评估工程措施对山洪防治的效果。

图2 虚拟仿真实验系统原理与知识点

关键知识点：

1. 降雨条件对山洪灾害发生的影响机理

2．前期土壤含水量对山洪灾害发生的影响机理

3．前期河道流量对山洪灾害发生的影响机理

4．不同拦水坝对山洪灾害的防治效果

5．不同泄洪道对山洪灾害的防治效果

6．不同植树造林措施对山洪灾害的防治效果

本实验以真实的山洪灾害实测数据为支撑，由山洪灾害认知→水文气象条件探索实验→不同山洪防治措施防治训练→山洪防治方案综合设计→实验考核，构成山洪防治实验体系。设计开发了暴雨山洪灾害的发生与防治虚拟仿真实验系统，强调实验“探索性、创新性、挑战度”。学生通过对虚拟仿真项目各个实验模块的操作，直观地参与大规模山洪灾害防治，掌握《山洪泥石流预警预报》、《水文预报》等专业核心课程的关键知识点，提升实践创新能力。如图1所示，本实验设计了五个模块、三个虚拟仿真实验环节、十一个实验步骤，涵盖“基本原理、综合设计、探索实践”三层面实验教学内容和能力的培养。本实验的具体实验内容与实验步骤如图1所示。

图1 实验内容与实验步骤

实验步骤

实验准备

1 学生进入“暴雨山洪灾害的发生与防治虚拟仿真实验”，进入主页面，选择“报名参加”，然后登陆“进入实验”，进入本虚拟仿真实验；

2 进入实验选择页面，如图2所示，首先要阅读右上方的实验指南和实验简介。点击右上角的“知识角”，会获取与本实验相关的科技前沿、学术文章以及课程知识点。本实验分为三个实验环节，每一个环节均为激活状态，学生点击任一实验环节，均弹出下拉菜单，从而选择相应的实验。

图2 实验简介

在实验之前，可以先通过实验背景、实验简介、实验流程，了解实验的基本知识，之后点击“山洪灾害认知”下拉菜单的环境认知部分，了解山洪发生的降雨过程、蒸散发过程、下渗过程、坡面汇流及河网汇流过程的基本原理等。配有文字提示和动态过程演示，如图3所示。

图3 山洪发生的环境认知

为了体验一场山洪的真实场景，并理解山洪的发生过程，学生进入“山洪灾害认知”模块下面的山洪灾害过程部分，点击下面的过程动画，可以还原一场真是山洪的灾害过程，让学生体验山洪发生的突发性、危害性等，并配有文字说明，如图4所示。

图4 山洪发生的动态过程

对山洪的发生过程有了一个基本的认知之后，下面进行预习自测，测试对山洪过程的掌握程度，点击底部的实验考核，系统随机提供5道自测题，争取率在80%以上，开始正式开始具体的实验环节，如图5所示。

图5 预习自测

下面分别介绍“水文气象条件探索、山洪灾害防治措施训练、山洪灾害防治方案综合设计”三个实验环节的实验步骤。

实验环节一：水文气象条件探索

实验1：降雨历时对山洪灾害的影响

① 在实验选择页面（如图6所示），点击“水文气象条件探索”，进入降雨条件设计模块

图6水文气象条件探索实验进入界面

②在右边的对话框中，如图6所示，可设置不同降雨历时，其他条件不能改变，设置完毕后，学生可以点击“开始模拟”，模拟过程中，点击“切换视角”，可以实时查看不同视角下的山洪灾害动态过程、桥梁冲毁过程、房屋淹没倒塌过程，同时右上角实时显示山洪发生过程中河道流量、土壤湿度的实时变化过程，可随时点击“跳过”中止山洪动态过程，如图7所示。

图7不同降雨历时改变下的山洪灾害

③山洪模拟结束后，点击“记录簿”，可以查看本次降雨历时下的山洪灾害过程的具体结果与数据，包括记录的本次洪水的降雨量、土壤湿度、河道流量数据，以及流量过程线和土壤湿度变化过程线，如图8所示。

图8不同降雨历时改变下的山洪灾害的记录簿

④ 为了研究不同降雨历时对山洪的影响机理，可以选择多个不同的降雨历时，进行多次模拟，点击在“记录簿”右侧的“分析”模块，可以对多次的结果进行对比分析，归纳降雨历时对山洪洪峰、洪水起始时间的影响程度，如图9所示。

图9 多次结果的对比分析

实验2：降雨强度对山洪灾害的影响

①在降雨条件设计模块中右边的对话框中，可设置不同降雨强度，其他条件不能改变，设置完毕后，学生可以点击“开始模拟”，模拟过程中，点击“切换视角”，可以实时查看不同视角下的山洪灾害动态过程、桥梁冲毁过程、房屋淹没倒塌过程，同时右上角实时显示山洪发生过程中河道流量、土壤湿度的实时变化过程，可随时点击“跳过”中止山洪动态过程，如图10所示。

图10不同降雨强度改变下的山洪灾害

② 山洪模拟结束后，点击“记录簿”，可以查看本次降雨强度下的山洪灾害过程的具体结果与数据，包括记录的本次洪水的降雨量、土壤湿度、河道流量数据，以及流量过程线和土壤湿度变化过程线，如图11所示。

图11不同降雨强度改变下的山洪灾害数据记录簿

③为了研究不同降雨强度对山洪的影响机理，可以选择多个不同的降雨历时，进行多次模拟，点击在“记录簿”右侧的“分析”模块，可以对多次的结果进行对比分析，归纳降雨强度对山洪洪峰、洪水起始时间的影响程度，如图12所示。

图12多次结果的对比分析

实验3 土壤湿度对山洪灾害的影响

① 在实验选择页面（如图6所示），点击“水文气象条件探索”，点击菜单下面“土壤湿度设计”按钮，进入土壤湿度条件设计模块

②在土壤湿度条件设计模块中右边的对话框中，如图13所示，可设置不同土壤湿度，其他条件不能改变，设置完毕后，学生可以点击“开始模拟”，模拟过程中，点击“切换视角”，可以实时查看不同视角下的山洪灾害动态过程、桥梁冲毁过程、房屋淹没倒塌过程，同时右上角实时显示山洪发生过程中河道流量、土壤湿度的实时变化过程，如图14所示，可随时点击“跳过”中止山洪动态过程。

图13土壤湿度修改界面

图14不同土壤湿度改变下的山洪灾害过程

③ 山洪模拟结束后，点击“记录簿”，可以查看本次土壤湿度下的山洪灾害过程的具体结果与数据，包括记录的本次洪水的降雨量、土壤湿度、河道流量数据，以及流量过程线和土壤湿度变化过程线，如图15所示。

图14不同土壤湿度改变下的山洪灾害过程数据记录簿

④为了研究不同土壤湿度对山洪的影响机理，可以选择多个不同的土壤湿度，进行多次模拟，点击在“记录簿”右侧的“分析”模块，可以对多次的结果进行对比分析，归纳降雨强度对山洪洪峰、洪水起始时间的影响程度，界面与图12类似。

实验4 河道流量对山洪灾害的影响

① 在实验选择页面（如图6所示），点击“水文气象条件探索”，点击菜单下面“河道流量设计”按钮，进入河道流量条件设计模块

②在河道流量条件设计模块中右边的对话框中，如图15所示，可设置不同河道流量，其他条件不能改变，设置完毕后，学生可以点击“开始模拟”，模拟过程中，点击“切换视角”，可以实时查看不同视角下的山洪灾害动态过程、桥梁冲毁过程、房屋淹没倒塌过程，同时右上角实时显示山洪发生过程中河道流量、土壤湿度的实时变化过程，可随时点击“跳过”中止山洪动态过程，如图16所示。

图15河道流量修改界面

图16不同河道流量改变下的山洪灾害过程

③ 山洪模拟结束后，点击“记录簿”，可以查看本次河道流量下的山洪灾害过程的具体结果与数据，包括记录的本次洪水的降雨量、土壤湿度、河道流量数据，以及流量过程线和土壤湿度变化过程线，如图17所示。

图17不同河道流量改变下的山洪灾害过程数据记录簿

④为了研究不同河道流量对山洪的影响机理，可以选择多个不同的土壤湿度，进行多次模拟，点击在“记录簿”右侧的“分析”模块，可以对多次的结果进行对比分析，归纳降雨强度对山洪洪峰、洪水起始时间的影响程度，界面与图12类似。

实验5水文气象综合条件对山洪灾害的影响

① 在实验选择页面（如图6所示），点击“水文气象条件探索”，点击菜单下面“水文气象条件综合设计”按钮，进入水文气象条件综合设计模块

②在水文气象综合条件设计模块中右边的对话框中，如图18所示。可改变任何水文气象条件不能改变，设置完毕后，学生可以点击“开始模拟”，模拟过程中，点击“切换视角”，可以实时查看不同视角下的山洪灾害动态过程、桥梁冲毁过程、房屋淹没倒塌过程，同时右上角实时显示山洪发生过程中河道流量、土壤湿度的实时变化过程，可随时点击“跳过”中止山洪动态过程，如图19所示。

图18水文气象条件综合设计修改界面

图19不同水文气象条件改变下的山洪灾害过程

③ 山洪模拟结束后，点击“记录簿”，可以查看本次水文气象条件下的山洪灾害过程的具体结果与数据，包括记录的本次洪水的降雨量、土壤湿度、河道流量数据，以及流量过程线和土壤湿度变化过程线，如图20所示。

图20不同水文气象条件改变下的山洪灾害过程数据记录簿

④为了综合研究不同水文气象条件对山洪的影响机理，可以多次改变不同水文气象条件，进行不同水文气象条件的组合，进行多次模拟，点击在“记录簿”右侧的“分析”模块，可以对多次的结果进行对比分析，归纳水文气象综合条对山洪洪峰、洪水起始时间的影响程度，如图21所示。

图21多次修改不同水文气象条件的结果对比分析

⑤ 点击下方的“小结成绩”，可以查看本实验环节的响应部分（如图22）。

图22 本实验环节的小结成绩

实验环节二：山洪灾害防治措施实践

实验1：植树造林措施防洪实践

① 在“山洪防治措施综合设计”实验场景中，点击下拉菜单的“植树造林防治措施设计”进入本模块，如图23所示，系统随机给学生分配一种可以产生山洪灾害的水文气象条件，具体水文气象信息显示在界面右上角，如图24所示。

图23山洪灾害防治措施实践进入界面

图24山洪爆发的随机水文气象条件

②如图25所示，共有四种植树造林措施可以选择，分别为裸土、草地、农田、灌木转变为森林，以裸土为例，学生可以点击裸土按钮，弹出对话框，设置不同的树龄与森林覆盖度，如图26所示。

图25 不同植树造林措施的选择

图26 不同的树龄与森林覆盖度的设置

③为了判断本次防洪措施的防洪效果，设置完毕之后，点击右下角的“防治监测”按钮，可以查看本次防洪措施下的防洪效果，监测过程中，点击“切换视角”，可以实时查看不同视角下的山洪灾害动态过程、桥梁冲毁过程、房屋淹没倒塌过程，如图27所示，可以随时点击“跳过”按钮结束山洪动态过程。

图27 植树造林措施下的山洪动态过程

④防洪监测模拟结束后，会自动弹出本次措施的防洪效果，如图28所示；本次山洪防治措施的具体参数及其防洪效果的详细数据均记录在后台，点击记录簿，可以查看详细的防洪数据，包括降雨量、土壤含水量、河道流量，以及有无防洪措施的防洪效果对比，具体如图29所示。

图28 植树造林措施下的防洪效果

图29 植树造林措施下的详细防洪数据记录簿

⑤为了对比不同植树造林措施、不同森林参数的山洪防治效果，需要重复②-③步，多次设置不同植树造林措施，对比分析不同植树造林措施的防洪效果。

实验2：谷坊坝防洪措施实践

① 在“山洪防治措施综合设计”实验场景中，点击下拉菜单的“谷坊坝防洪措施设计”进入本模块（如图23所示），系统随机给学生分配一种可以产生山洪灾害的水文气象条件，具体水文气象信息显示在界面右上角，如图30所示。

图30山洪爆发的随机水文气象条件

②经前期的勘测分析，初步判断本区域有两处位置适合建设谷坊坝（如图30所示），已蓝色高亮显示，可以点击任何提示的区域，弹出对话框，设置不同的谷坊坝建设参数，如图31所示。

图31 谷坊坝建设参数的设置

③为了判断本次防洪措施的防洪效果，设置完毕之后，点击右下角的“防治监测”按钮，可以查看本次防洪措施下的防洪效果，监测过程中，点击“切换视角”，可以实时查看不同视角下的山洪灾害动态过程、桥梁冲毁过程、房屋淹没倒塌过程，如图32所示，可以随时点击“跳过”按钮结束山洪动态过程。

图32 谷坊坝防洪措施下的山洪动态过程

图33 谷坊坝措施下的防洪效果

④防洪监测模拟结束后，会自动弹出本次措施的防洪效果，如图33所示；本次山洪防治措施的具体参数及其防洪效果的详细数据均记录在后台，点击记录簿，可以查看详细的防洪数据，包括降雨量、土壤含水量、河道流量，以及有无防洪措施的防洪效果对比，具体如图34所示。

⑤为了对比不同谷坊坝防洪措施的山洪防治效果，需要重复②-④步，多次设置不同谷坊坝数量及参数，对比分析不同谷坊坝措施的防洪效果。

图34 谷坊坝措施下的的详细防洪数据记录簿

实验3：挡水坝措施防洪实践

① 在“山洪防治措施综合设计”实验场景中，点击下拉菜单的“挡水坝防洪措施设计”进入本模块（如图23所示），系统随机给学生分配一种可以产生山洪灾害的水文气象条件，具体水文气象信息显示在界面右上角，如图35所示。

图35本次山洪爆发的随机水文气象条件

②经前期的勘测分析，初步判断本区域有三处位置适合建设挡水坝（如图35所示），已蓝色高亮显示，可以点击任何提示的区域，弹出对话框，设置不同的挡水坝建设参数，如图36所示。

图36 挡水坝建设参数的设置

③为了判断本次防洪措施的防洪效果，设置完毕之后，点击右下角的“防治监测”按钮，可以查看本次防洪措施下的防洪效果，监测过程中，点击“切换视角”，可以实时查看不同视角下的山洪灾害动态过程、桥梁冲毁过程、房屋淹没倒塌过程，如图36所示，可以随时点击“跳过”按钮结束山洪动态过程。

图37 挡水坝防洪措施下的山洪动态过程

④防洪监测模拟结束后，会自动弹出本次措施的防洪效果，如图38所示；本次山洪防治措施的具体参数及其防洪效果的详细数据均记录在后台，点击记录簿，可以查看详细的防洪数据，包括降雨量、土壤含水量、河道流量，以及有无防洪措施的防洪效果对比，具体如图39所示。

图38 挡水坝措施下的防洪效果

图39 挡水坝措施下的的详细防洪数据记录簿

⑤为了对比不同挡水坝防洪措施的山洪防治效果，需要重复②-④步，多次设置不同挡水坝数量及参数，对比分析不同挡水坝措施的防洪效果。

实验4：泄洪道措施防洪实践

① 在“山洪防治措施综合设计”实验场景中，点击下拉菜单的“泄洪道防洪措施设计”进入本模块（如图23所示），系统随机给学生分配一种可以产生山洪灾害的水文气象条件，具体水文气象信息显示在界面右上角，如图40所示。

图40本次山洪爆发的随机水文气象条件

②经前期的勘测分析，初步判断本区域有两处位置适合建设泄洪道（如图40所示），已蓝色高亮显示，可以点击任何提示的区域，弹出对话框，设置不同的泄洪道建设参数，如图41所示。

图41泄洪道防洪措施的建设参数设计

③为了判断本次防洪措施的防洪效果，设置完毕之后，点击右下角的“防治监测”按钮，可以查看本次防洪措施下的防洪效果，监测过程中，点击“切换视角”，可以实时查看不同视角下的山洪灾害动态过程、桥梁冲毁过程、房屋淹没倒塌过程，如图42所示，可以随时点击“跳过”按钮结束山洪动态过程。

图42 泄洪道防洪措施下的山洪动态过程

④防洪监测模拟结束后，会自动弹出本次措施的防洪效果，如图43所示；本次山洪防治措施的具体参数及其防洪效果的详细数据均记录在后台，点击记录簿，可以查看详细的防洪数据，包括降雨量、土壤含水量、河道流量，以及有无防洪措施的防洪效果对比，具体如图44所示。

图43 泄洪道防洪措施下的的防洪效果

⑤为了对比不同泄洪道防洪措施的山洪防治效果，需要重复②-④步，多次设置不同泄洪道数量及参数，对比分析不同泄洪道措施的防洪效果。

图44 泄洪道措施下的的详细防洪数据记录簿

⑥点击下方的“小结成绩”，可以查看本实验环节的响应部分（如图45）。

图45本实验环节的小结成绩

实验环节三：山洪灾害防治方案综合设计

① 在“山洪防治措施综合设计”实验场景中，点击下拉菜单的“综合防洪措施设计”进入本模块，如图46所示，系统给每个学生随机分配一种可以产生山洪灾害的水文气象条件，具体水文气象信息显示在界面右上角，如图47所示。

图46山洪灾害防治综合设计进入界面

图47随机生成的水文气象条件

②如图47所示，前期训练的所有防洪措施，植树造林、谷坊坝、挡水坝、泄洪道措施均已蓝色高亮显示，本环节中，可以点击任何提示的区域，选择任何一种或者多种防洪措施进行建设，设计不同的山洪防治措施综合方案，如图48所示。

图48山洪防治措施综合方案

③为了判断本次防洪综合设计的防洪效果，设置完毕之后，点击右下角的“防治监测”按钮，可以查看本次防洪方案下的防洪效果，监测过程中，点击“切换视角”，可以实时查看不同视角下的山洪灾害动态过程、桥梁冲毁过程、房屋淹没倒塌过程，如图49，可以随时点击“跳过”按钮结束山洪动态过程。

图49本次山洪防治综合方案下的山洪防治过程

④防洪监测模拟结束后，会自动弹出本次设计方案措施的防洪效果，如图50所示；本次山洪防治综合方案的具体参数及其防洪效果的详细数据均记录在后台，点击记录簿，可以查看详细的防洪数据，包括降雨量、土壤含水量、河道流量，以及有无防洪措施的防洪效果对比，具体如图51所示。

图50本次山洪防治综合方案下的山洪防治效果

图51本次山洪防治综合方案下的山洪防治参数及详细数据

⑤为了对比不同防洪方案的防治效果，学生可以对各种防洪措施进行组合，并分析综合防洪效果，最需要重复②-④步，点击方案设计，最终选择适合本次山洪场景的最优一种防洪措施组合，要求在满足防洪的前提下，即洪峰削减百分比超过50%，防洪措施最少为最佳，如图52所示。

图52山洪防治综合设计方案的选择与提交

⑥点击下方的“小结成绩”，可以查看本实验环节的响应部分（如图53）。

图53本实验环节小结报告成绩

实验报告提交与考核

① 完成上面三个的实验环节后，进入实验考核模块，操作者返回主页，查看下方的实验成绩，点击提交，如图54所示，系统将自动生成实验报告和实验考核得分；如图55所示，点击实验报告，可以查看本次实验自动生成的实验报告，本次实验结束。

②实验考核分测试考核、操作步骤、防洪设计考核。各模块为百分制考核，实验全部完成后，导出实验报告，各模块得分通过加权系数，计算出综合成绩。在操作流程中各个操作均有设置分值，以及详细的计分标准。

图54本实验成绩查看与提交

图55最终实验报告