暴雨山洪灾害的发生与防治虚拟仿真实验

实验要求

（1）专业与年级要求水文与水资源工程、大气科学（水文气象方向）、应用气象学本科专业三年级学生

（2）基本知识和能力要求具有水文学、水利工程概论、山洪泥石流预警预报等基础与常识，具备统计分析和仪器操作能力。本实验项目，既适用于在校专业学生，也可适用于相关专业学生、水利、气象、地质等研究与管理部门的技术人员，或从事与水文气象灾害相关的人员。从已使用过的学生反馈的情况来看，均能达到预期目标，具有比较好的学习效果。

成果支撑

本教学团队组建于2014年，共同承担《山洪泥石流预警预报》及实践实验课程的讲授和教学研究工作，致力于精品课程与教材建设，本课程每年开课2次，截至目前共完成10余轮的教学任务。课程负责人王洁，获得日本国立山梨大学水文专业博士学位，曾在日本综合流域国际研究中心工作一年。作为主要负责人成功申报“水利工程”一级学术硕士点、“水文气象”二级博士点、“土木水利”专业硕士点，参与完成了校级和省级特色专业教材建设等多项教改项目，参编多本专业教材，发表教改论文2篇。曾获全国水利类青年教师竞赛二等奖，指导本科生国家级水利创新设计竞赛、省级及以上创新创业项目10余项，多次被评为优秀班主任、优秀论文指导老师等荣誉称号。主要从事山洪泥石流灾害预报、水文模型开发等方面的科学研究，在国内外核心期刊上发表学术论文30余篇，授权专利与软著多项，承担国家自然科学基金、河北省科技厅重点研发项目、江苏省水利科技项目以及省市水文局与气象局委托项目多项，项目总经费达200余万元。课题组成员不断地进行探索和创新，并已取得许多具有自主知识产权的创新性成果，多项成果已在相关的具体国家山洪预警预报项目中推广应用。

教研情况：

一、主持的教学研究课题

1、大学生创新创业训练计划项目：淮河下游地区全球气候模式GCM评估及未来降水预测研究，2017；

2、本科生气象类实验课程创新项目：南京地区历史降水变化趋势及成因分析，南京信息工程大学，2015。

二、教学研究论文

1、王洁：立足水文气象专业，优化水文测验实习，文教资料，2015,30:156-157.

三、获得的教学表彰/奖励

1、2019年，华维杯首届全国大学生农业水利工程及相关专业创新设计大赛三等奖（指导老师）

2、2019年，第六届全国大学生水利创新设计大赛二等奖（指导老师）

3、2019年，南京信息工程大学青年教师授课竞赛三等奖

4、2017年南京信息工程大学2017届本科优秀毕业论文二等奖；

5、2016年南京信息工程大学优秀本科毕业论文指导教师科研情况：

（1）近五年来承担的学术研究课题

1、2019.06-2022.06，河北省重点研发计划项目，基于天气雷达和动态阈值的山洪灾害预警技术研究（19275408D），课题，主持

2、2018/04-2019/12，淮河流域气象开放基金（HRM201703），基于GRACE卫星水储量变化的淮河流域干旱预警研究，主持

3、2016/01-2018/12，国家自然科学基金青年项目（41501029），考虑植被时空动态的流域分布式水沙模型研究及应用，主持。

4、2018/01-2019/01，河北省气象局项目，河北省山洪动态阈值研究，主持。

5、2017/1-2020/12，国家自然科学基金面上项目(41671022)，江淮流域极值降水发生时间的特征及其与区域水分循环变异的关系，主研。

（2）发表的学术论文

1、Wang, J.; Ning, S.; Khujanazarov, T. Modeling Hydrological Appraisal of Potential Land Cover Change and Vegetation Dynamics under Environmental Changes in a Forest Basin. Forests 2018, 9, 451.（SCI二区）

2、Wang, J.; Hiroshi, I.; Ning, S.; Khujanazarov, T.; Yin, G.; Guo, L. Attribution Analyses of Impacts of Environmental Changes on Streamflow and Sediment Load in a Mountainous Basin, Vietnam. Forests 2016, 7, 30.（SCI二区）

3、Ning, S.; Wang, J.; Jin, J.; Ishidaira, H. Assessment of the Latest GPM-Era High-Resolution Satellite Precipitation Products by Comparison with Observation Gauge Data over the Chinese Mainland. Water 2016, 8, 481.（SCI）

4、Li, S.; Wang, G.; Sun, S.; Chen, H.; Bai, P.; Zhou, S.; Huang, Y.; Wang, J.; Deng, P. Assessment of Multi-Source Evapotranspiration Products over China Using Eddy Covariance Observations. Remote Sens. 2018, 10, 1692.（SCI二区）

5、王洁，张建梅，宁少尉，王浩：基于GRACE重力卫星云南陆地水储量变化的降尺度分析，水电能源科学，2018，36（10），1-5

实验背景

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。大气科学在教育部一级学科评估中蝉联全国第一、获评 A+等级。气象学为国家重点学科，地球科学、环境科学与生态学、工程学、计算机科学4个学科跻身 ESI 学科排名全球前 1%。 2013 年“大气科学与环境气象实验教学中心”和“大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学中心”获批为国家级示范中心； 2016 年“地球科学虚拟仿真实验教学共享平台”获批为江苏省唯一的地学类省级共享平台。多年来，学校在“能实不虚，虚实融合”的实践教学理念指导下，坚持对实验教学平台、课程体系等方面积极进行教学改革和探索，并取得了丰硕成果。水文与水资源工程学院成立我国第一个水文气象本科学院，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。

设计原则

1、山洪灾害发生在的山区，具有暴涨暴落、预见期短、极度危险、预报困难等特点。山区地势陡峭，暴雨来临后，扣去蒸散发量、土壤下渗量等，其余的水沿坡面、土壤从高向低汇流，以地表水、壤中流、地下径流的形式汇入河道，河流水位超过河流堤坝高度即发生山洪灾害。山洪灾害的发生不仅与降雨量有关，还与前期土壤含水量、河道流量、下垫面覆盖等因素有关。针对山洪发生的过程，采取不同的山洪灾害防治措施，具有不同的防治效果。

2、知识点：共7个（1）降雨量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）山洪灾害动态过程的再现（5）不同拦水坝及其高度对山洪灾害的防治效果（6）不同泄洪道对山洪灾害的防治效果（7）不同植树造林措施对山洪灾害的防治效果根据以上知识点，本实验项目主要包括 “实验准备”、“山洪认知”（知识点4）、“水文气象条件设计”（知识点1-3）、“山洪灾害防治措施设计”（知识点5-7）、“实验考核”五个模块、三个实验环节和 22个操作步骤。五大模块与各知识点关系的具体如图1所示。图1实验各模块与实验知识点关系图

3、核心要素的仿真度实验中的地形、下垫面覆盖、土壤、降水数据均为实际观测，地形地势相关的参数均可以据此观测数据计算出来，具有较高仿真度。根据实验设计要求，本项目中的高程、坡度、水系、流向等均可以由实测的数字高程模型数据计算得到，是对地形地貌的高度仿真，仿真度较高；山区流域的产汇流模拟均是基于数据的数字化水文模拟，具有很好的仿真度。具体的仿真过程有：地形、降雨、水系以及洪水发生过程中的水体形态。

实验目标

本实验结合水文与水资源工程专业、大气科学（水文气象）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，帮助学生了解和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的综合影响程度。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。

成绩评定

实验考核分为两块：

一是主观部分：题库中随机抽取10道题目，考查学生对山洪机理及防治的认识程度，占总成绩30%；

二是客观部分：学生做完实验后，应该生成实验报告，根据实验操作与结果的合理性，自动给出分数，此部分占70%。Ø 点击“实验考核”按钮，弹出界面。Ø 该界面中为选择题库，根据提供题库，每次随机10道题目进行显示。Ø 点击“提交”按钮关闭界面。

学情分析

学习完成情况

共有人次参与学习

其中人次完成

共有人次未完成