暴雨山洪灾害的发生与防治虚拟仿真实验

暴雨山洪灾害是我国“十三五”及“十四五”计划重点要解决的水文气象灾害，也是近年来国内外研究的热点问题，目前水利与气象部门都亟需深刻理解山洪灾害动态过程及熟悉灾害防治等方面经验的学生和人才。南京信息工程大学是国家“双一流”建设高校，是江苏高水平大学建设重点支持高校，水利工程学科是学校重点培育学科，依托大气科学全国双一流建设学科发展迅速，被泰晤士高等教育学科评级中心评为A级学科，2021年入选软科世界双一流学科排行榜。水利工程学科集中了一批国内外在水文气象防灾减灾具有一定影响力的专业人才，开发了“三张图”山洪灾害预警系统，在山洪灾害预警与防治措施研究方面一直处于国内外领先水平。依托江苏省“地球科学虚拟仿真实验教学共享平台”，在“能实不虚，虚实融合”的实践教学理念指导下，坚持对虚拟仿真实验教学平台、课程体系等方面积极进行教学改革和探索，开发了暴雨山洪灾害的发生与防治虚拟仿真实验教学系统，该系统深入浅出地解释说明了水文气象条件对山洪灾害发生的影响机制，学生可以自主设计不同防治措施应对山洪灾害，受到师生一致好评。山洪灾害是我国洪涝灾害致人死亡的主要灾种：20世纪90年代，全国每年因山洪灾害死亡1900～3700人，约占洪涝灾害死亡人数的62%～69%；2000年～2010年，山洪灾害死亡人数平均每年1079人，占洪涝灾害死亡人数的65%～92%（其中2010年为92%，死亡失踪3887人）；2011年-2015年山洪灾害年均死亡人数400人，占洪涝灾害死亡人数的60%-75%。暴雨山洪灾害突发性强，破坏力大，预报预警难，且多发生在偏远山区，交通不便、通讯不畅，是我国防汛工作的难点和薄弱环节。因此，实际教学中，不可能在真实环境事件时去还原危险大、破坏强的突发山洪灾害动态过程，必须借助虚拟仿真技术来还原真实的山洪暴发场景，基于实测暴雨山洪数据，利用最新暴雨山洪预警预报技术构建一个暴雨山洪防治的虚拟仿真实验。为了培养具有山洪灾害防治实践经验的人才，开展不同水文气象条件下暴雨山洪灾害发生与防治的虚拟仿真实验教学是非常必要的。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，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。项目设计了五个模块、三个虚拟仿真实验环节、十多个实验步骤，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。下图为虚拟仿真实验的主页面.图1 虚拟仿真实验主页面

开始试验

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

END

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

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

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

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

END

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

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

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

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

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

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，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

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

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

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

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。

为了对比不同谷坊坝防洪措施的山洪防治效果，需要重复，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

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

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

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

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

为了对比不同挡水坝防洪措施的山洪防治效果，需要重复，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

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

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

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

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

为了对比不同泄洪道防洪措施的山洪防治效果，需要重复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

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

END

实验环节三：山洪灾害防治方案综合设计

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

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

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

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

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，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

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

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。

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

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