實驗簡介：

暴雨山洪災害是我國“十三五”及“十四五”計劃重點要解決的水文氣象災害，也是近年來國內(nèi)外研究的熱點問題，目前水文與氣象部門都亟需深刻理解山洪災害動態(tài)過程及熟悉災害防治等方面經(jīng)驗的學生和人才。暴雨山洪災害突發(fā)性強，破壞力大，造成損失巨大，預報預警難，且多發(fā)生在偏遠山區(qū)，交通不便、通訊不暢，是我國防汛工作的難點和薄弱環(huán)節(jié)，已成為我國防災減災工作中的一個突出問題。全國每年因山洪災害死亡幾千人，占洪澇災害死亡人數(shù)的70%左右，因此必須把防治山洪災害擺在重要位置。但由于山洪災害事件具有突發(fā)性、破壞性極強和不可重復等的特點，實際教學中，不可能在真實環(huán)境事件時去還原山洪災害動態(tài)過程，因此開展不同水文氣象條件下暴雨山洪災害發(fā)生與防治的虛擬仿真實驗教學項目的建設(shè)是非常重要和必要的。

實驗背景：

南京信息工程大學是國家“雙一流”建設(shè)高校，是江蘇高水平大學建設(shè)重點支持高校。 大氣科學在教育部一級學科評估中蟬聯(lián)全國第一、獲評 A+等級。氣象學為國家重點學科，地球科學、環(huán)境科學與生態(tài)學、工程學、計算機科學4個學科躋身 ESI 學科排名全球前1%。 2013年“大氣科學與環(huán)境氣象實驗教學中心”和“大氣科學與氣象信息虛擬仿真實驗教學中心”獲批為國家級示范中心；2016年“地球科學虛擬仿真實驗教學共享平臺”獲批為江蘇省唯一的地學類省級共享平臺。 多年來，學校在“能實不虛，虛實融合”的實踐教學理念指導下，堅持對實驗教學平臺、課程體系等方面積極進行教學改革和探索，并取得了豐碩成果。水文與水資源工程學院成立我國第一個水文氣象本科學院，集中了一批國內(nèi)外在水文氣象防災減災具有一定影響力的專業(yè)人才，開發(fā)了“三張圖”山洪災害預警系統(tǒng)，在山洪災害預警與防治措施研究方面一直處于國內(nèi)外領(lǐng)先水平。

設(shè)計原則：

1、山洪災害發(fā)生在的山區(qū)，具有暴漲暴落、預見期短、極度危險、預報困難等特點。山區(qū)地勢陡峭，暴雨來臨后，扣去蒸散發(fā)量、土壤下滲量等，其余的水沿坡面、土壤從高向低匯流，以地表水、壤中流、地下徑流的形式匯入河道，河流水位超過河流堤壩高度即發(fā)生山洪災害。山洪災害的發(fā)生不僅與降雨量有關(guān)，還與前期土壤含水量、河道流量、下墊面覆蓋等因素有關(guān)。針對山洪發(fā)生的過程，采取不同的山洪災害防治措施，具有不同的防治效果。

2、知識點：共7個（1）降雨量對山洪災害發(fā)生的影響機理（2）前期土壤含水量對山洪災害發(fā)生的影響機理（3）前期河道流量對山洪災害發(fā)生的影響機理（4）山洪災害動態(tài)過程的再現(xiàn)（5）不同攔水壩及其高度對山洪災害的防治效果（6）不同泄洪道對山洪災害的防治效果（7）不同植樹造林措施對山洪災害的防治效果根據(jù)以上知識點，本實驗項目主要包括“實驗準備”、“山洪認知”（知識點4）、“水文氣象條件設(shè)計”（知識點1-3）、“山洪災害防治措施設(shè)計”（知識點5-7）、“實驗考核”五個模塊、三個實驗環(huán)節(jié)和22個操作步驟。五大模塊與各知識點關(guān)系的具體如圖1所示。圖1實驗各模塊與實驗知識點關(guān)系圖

3、核心要素的仿真度實驗中的地形、下墊面覆蓋、土壤、降水數(shù)據(jù)均為實際觀測，地形地勢相關(guān)的參數(shù)均可以據(jù)此觀測數(shù)據(jù)計算出來，具有較高仿真度。根據(jù)實驗設(shè)計要求，本項目中的高程、坡度、水系、流向等均可以由實測的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)計算得到，是對地形地貌的高度仿真，仿真度較高；山區(qū)流域的產(chǎn)匯流模擬均是基于數(shù)據(jù)的數(shù)字化水文模擬，具有很好的仿真度。具體的仿真過程有：地形、降雨、水系以及洪水發(fā)生過程中的水體形態(tài)。

實驗目標：

本實驗結(jié)合水文與水資源工程專業(yè)、大氣科學（水文氣象）培養(yǎng)方案的要求，根據(jù)本專業(yè)特色專業(yè)主干課程《山洪泥石流預警預報》的關(guān)鍵知識點，梳理出從“典型認知”—“綜合訓練”—“系統(tǒng)探索”三個層次的實驗。

（1）通過暴雨山洪災害的山洪災害認知學習模塊，幫助學生了解和掌握暴雨山洪災害發(fā)生的過程和原理。幫助學生掌握暴雨山洪災害發(fā)生的外部環(huán)境、重要過程、各過程的原理，采用虛擬現(xiàn)實的學習方式，幫助學生深入了解山洪發(fā)生的降雨過程、蒸散發(fā)過程、下滲過程、坡面匯流及河網(wǎng)匯流過程的基本原理，為系統(tǒng)綜合實驗奠定基礎(chǔ)；

（2）通過水文氣象條件設(shè)計的綜合訓練，顯著提高學生理解不同水文氣象條件對山洪災害發(fā)生的綜合影響程度。學生根據(jù)自己前期的理解水平，根據(jù)暴雨山洪災害發(fā)生的影響因素，采用對照與參數(shù)控制法，學生通過控制降雨歷時、降雨強度、前期土壤含水量、前期河道流量等關(guān)鍵水文氣象因素，理解不同因素對暴雨山洪災害的影響程度。

（3）通過山洪災害防治措施的綜合訓練，探索不同暴雨山洪防治措施的異動與防治效果，提高學生實際山洪防治的能力與水平，培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新設(shè)計的能力。在山洪災害防治措施設(shè)計模塊，系統(tǒng)隨機給學生分配一種水文氣象條件，學生自主設(shè)計與修改防治措施參數(shù)，探索不同植樹造林措施、不同攔水壩類型、不同泄洪道對山洪災害的防治效果與異同，最后分析歸納出不同防治措施的優(yōu)缺點，并將這些實驗結(jié)果應(yīng)用并下一實驗環(huán)節(jié)-山洪災害綜合防治設(shè)計-中去，自主設(shè)計一套防洪效果最佳的山洪防治措施。

實驗要求：

（1）專業(yè)與年級要求水文與水資源工程、大氣科學（水文氣象方向）、應(yīng)用氣象學本科專業(yè)三年級學生

（2）基本知識和能力要求具有水文學、水利工程概論、山洪泥石流預警預報等基礎(chǔ)與常識，具備統(tǒng)計分析和儀器操作能力。本實驗項目，既適用于在校專業(yè)學生，也可適用于相關(guān)專業(yè)學生、水利、氣象、地質(zhì)等研究與管理部門的技術(shù)人員，或從事與水文氣象災害相關(guān)的人員。從已使用過的學生反饋的情況來看，均能達到預期目標，具有比較好的學習效果。