实验原理
实验一:降雨、蒸发及下渗试验

动画演示三层蒸散发模式的微观过程,如图1所示;


图1 三层蒸发模式微观过程


(1)掌握流域蒸散发机制及影响因素,如图2所示;


图2 三层蒸发模式的蒸发量计算


(2)模拟土壤剖面,展示土壤中水分的存在形式和变化过程,如图3所示,分析不同雨强和下垫面条件下的下渗率随时间的变化规律,深入认识水分下渗的三个阶段,如图4所示;


图3 土壤剖面示意图



图4 渗润、渗漏和渗透示意图


(3)虚拟河道纵剖面,如图5所示,动画展示泥沙在河水中的运移,如图6所示。


图5 河道剖面示意图


图6 河流中的泥沙运移示意图


实验二:洪水预报仿真实验

(1)掌握蓄满产流、超渗产流的产流条件及微观机理,如图7、图8所示。运用蓄水容量曲线法计算蓄满产流的产流量,运用初损后损法计算超渗产流的产流量。


图7 不同雨强下的蓄满产流过程模拟


图8 不同下渗能力的超渗产流模拟


(2)模拟河网汇流和坡面汇流过程,如图9所示,掌握单位线法计算汇流过程线,并进行单位线的时段转换;

图9 河网汇流和坡面汇流实→设→虚过程


实验三:洪水演进调控实验

(1)掌握马斯京根法推求洪水过程,如图11所示,使用特征河长法计算特征河长,运用试算法调参,如图10所示,模拟不同河型和河底比降下河道洪水演进过程,分析比较不同槽蓄关系下河道洪水演进过程。


图10 试算法调参流程


图11 马斯京根法推求洪水过程


(2)掌握水库特征水位及特征库容概念,如图12所示,用试算法计算水库调节下泄流量过程,如图13所示。


图12 水库特征水位及库容示意图



图13 流量演算过程图


实验方法
(1)基于任务驱动的探索式实验

以解决洪水调控问题为驱动,学生可以通过自由组合、自主搭建,开展不同暴雨洪水、不同模型方法、不同水库工况、不同调控目标下的洪水调控实验,探究并深入理解各种变化情况下的洪水形成及演进调控规律。

(2)基于虚拟场景的沉浸式实验

通过全流域地形地貌及水文现象高度还原与虚拟仿真,学生可以沉浸式感知水循环全过程,开展流域暴雨洪水调控全过程仿真,进一步巩固知识点,提升学生动手操作技能。

(3)基于多元互动的研讨式实验

建立微信群、QQ群、开放实验室等多种实验学习交流平台,通过人机互动、师生互动、生生互动,分组研讨,探究研判实验过程及结果,加深学生对实验过程及知识的理解,提高实验学习效果。

(4)基于过程容错的评估式实验

通过在实验教学的每个步骤上设置相应的容错机制,让学生在一定的可错范围内进行自我评估与调整,提高学生学习和操作的独立性,使实验过程更具开放性和引导性。

实验方法示意图如图14所示。


图14 实验方法示意图