南通大学虚拟仿真实验教学共享平台

实验介绍

实验必读

实验教学目标
实验原理
实验教学过程与实验方法
实验步骤
实验结果与结论

本项目依托省部共建“地表过程实验室”、“地理工程技术研究所”，融合水文学领域发展需求和南通大学地理科学学院科技团队与教学团队的科研成果，自主研发了“基于水文循环的地下水开采优化设计虚拟仿真实验”。该实验采用沉浸式的互动体验改善传统理论或教具的不足，达到“以虚补实，能实不虚，虚实结合”的教学效果，进一步丰富和完善水文学教学过程，是未来学科建设中的重点和特色内容。本项目的实验目的如下：1．了解水文地质野外调查的基本思路2．熟悉参数实验基本原理及实验方法3．掌握由于地下水过量开采引起的环境地质灾害成因及防治手段4．培养地下水开采方案设计及管理评价的能力5．培养野外勘察能力、思维判断与分析能力、灾害风险评估能力、管理决策能力、跨学科思维能力、对新技术的学习能力；培养可持续发展观、创新精神、科学严谨的工作态度；建立水资源保护的社会责任感。上述实验目的的达成有助于学生毕业后快速适应水文监测、水文地质勘察、地下水开采设计等工作，或从事地下水资源评价等研究工作。为毕业生成长为高层次应用型“新工科”人才奠定了重要的基础。

（1）基本理论地下水资源评价是在一定的天然和人工条件下，对地下水资源的质和量在使用价值和经济效益等方面进行综合分析、计算和论证。通过地下水渗流实验、地下水抽水试验及地下水开采试验的已知地下水动态（地下水位）的拟合，有助于让学生进一步识别水文地质条件，如水文地质参数、地下水循环特征、均衡项等，获得对地下水资源动态规律及评价过程的形象化认识。本项目依托南通大学地理科学学院特色专业-地理科学，结合真实数据、场景（项目以长三角典型区的真实场景和数据为制作原型，结合了长三角区域水文地质的基础数据，在江苏省地质工程勘察院南通分院工程师的指导和帮助下）开发而成。仿真了长三角典型区作为主要研究区，学生可以切换多种水文地质场景，置身虚拟环境中，进行模拟实验。通过分析区域地下水循环特征，运用地下水优化管理模型及工具，对地下水开采进行优化管理并获取反馈。实验中参数获取、开采设计、灾害控制三个核心目标环节环环相扣。实验兼具开放性、探究性学习、竞争式实验、根据学生开采方案优化指标的完成情况自动打分，并出具实验报告。 （2）地下水抽水试验基本原理抽水试验的目的是确定含水层参数，包括含水层及越流层的水文地质参数：渗透系数K、导水系数T、给水度、弹性释水系数、导压系数a、弱透水层渗透系数K、越流系数b、越流因素B、影响半径R等。通过测定井孔涌水量及其与水位下降（降深）之间的关系，分析确定含水层的富水程度、评价井孔的出水能力等。 （3）地下水开采评价模拟原理地下水开采评价模拟的基本思想是将描述地下水系统状态的连续函数在时间、空间上离散化，并求该函数在有限个离散点上的近似值。是一种求解微分方程定解问题的近似方法。以地下水运动的微分方程的定解问题为基础，将表示水位随时间和空间连续变化的函数离散化，求得函数在有限节点（或结点）上的近似值。这类模型称为地下水数值模拟模型

本实验设置4个模块实验内容：模块一：水文地质资料（地质图、水文地质图、水文地质与工程地质钻孔柱状图等）的读图能力和水文地质参数理解能力；模块二：开展虚拟抽水和虚拟钻探实验；模块三：用地下水开采量数据、地下水长观数据、分层抽水实验数据、分层标测量等数据，以及水文地质参数等，构建水文地质概念模型，建立地下水开采—水位下降的相关关系；模块四：地下水开采虚拟调控实验和优化设计，包括根据不同地质环境保护目标，设定不同水文地质单元地下水开采层以及开采量限制方案，根据地下水水位降落漏斗、地面沉降状况及可能发生的环境地质灾害，采取相应的防治措施。该实验教学项目属于《水文学》课程，共计2个实验学时，其中，地质环境漫游认知0.5个学时，参数获取0.5个学时，开采优化实验与练习0.5个学时，地下水开采方案优化管理0.5个学时。通过三维仿真技术，虚拟地质场景及实验情境，学生可在整个场景和情境中进行交互性操作17步。 实验流程为：登录系统→获取实验指导书→地质环境漫游认知→抽水实验及钻探实验→开采实验→地下水开采方案优化→实验结论→实验结束→教师发布成绩→退出系统。步骤1：场地漫游点击进入漫游场景界面，任意点击四个典型区（“集中居民区”、“沿河区”、“滨海区”和“郊区”）之一，弹出该区域的缩略图，分别进入四个典型区，了解典型区的地形地貌、水文地质、抽水井概况。地图四周有高亮提示点，学生可点击并快速传送至观察点。4个区域共16个地貌、地质及水文观察点。分别进入各个场景，运用工具背包中的水位仪现场测量水位并记录地下水位数据，采样器移动至井口位置，采集地下水样品，将水质测量仪，测量水样水质并记录水质现场测试指标（pH、TDS、EC）并获取地下水质参数。为节省时间，重复的水质测试将跳过。步骤2：水文循环认知进入沿河区场景，进入水文循环观察点，了解地表水与地下水转换关系。在天然条件下，浅层地下水与河水存在一定的交互关系，丰水期河水受大气降水补给，河水位高于地下水位，河水补给地下水；枯水期，补给量减少，河水受蒸发作用明显，当河水位低于地下水位时，地下水补给河水。二者的水力联系存在滞后性，并且还受控于地下水与地表水之间的距离，距离渐远水力联系渐弱。步骤3：预习自测在场景漫游的基础上，完成预习自测题。步骤4：抽水试验点选择进入抽水实验界面，学生首先通过沙盘图任意选择子区抽水实验位置，鼠标放在子区可查看已选实验点，学生结合左上角的区域剖面图选择合适的点位进行虚拟抽水实验。选择完4个测区后，任选一个典型区进行抽水实验。若需要进行重复实验，可回到沙盘重新选择。步骤5：抽水试验原理认知进入抽水实验场景，学习抽水实验原理及基本方法。并进行抽水实验仪器认知，了解水泵、抽水井、水位计及矩形堰的概况及使用原理，学习完成后进入抽水实验场地。步骤6：抽水实验仪器组装依次将井、矩形堰、水泵及水位计放置到高亮位置，完成抽水实验准备工作后，点击确定开始抽水实验，右上方分别放置秒表、水位计及流量计。待水位计与流量计数值稳定后，在左侧数据记录表记录水位及涌水量数据，点击确定，记录下一组数据，其中降深数据通过计算得出。步骤7：获取涌水量-降深曲线记录3组抽水实验数据，随后根据数据获取降深及涌水量随时间变化曲线，学生观察该曲线，了解抽水实验涌水量及降深随时间变化的特征。由曲线图可知，随着抽水过程的不断进行，抽水过程主要分三个阶段，大降深阶段、小降深阶段及水位恢复阶段。步骤8：虚拟钻探实验走到钻探实验场地，本步骤可点击高亮放置钻机，观察钻探及岩芯采集过程。根据钻探实验结果，观察区域地层岩性柱状图，学生点击高亮部分，出现对应的岩性描述，进一步了解区域地层岩性特征。钻孔实验完成，点击确定查看区域抽水实验及钻孔实验参数计算结果。步骤9：确定开采目标进入开采优化实验界面，在漫游及参数实验的基础上选择1个目标进行地下水开采方案设计。步骤10：选择开采点位进入沙盘观察区域水井分布，在野外漫游的基础上设计最佳开采方案、保障需水量的同时控制成本，避免次生灾害的发生。任选2到3眼井设计开采方案，开采井不建议选择同一区位，若两眼井选择在同一区位，则提示【请选择不同区域内的井进行实验】。步骤11：参数赋值井口选择完毕，开始开采实验，点击已选井口进入开采实验场景。本步骤可点击高亮位置进行参数选取，根据场景漫游及参数获取结果分别填写实验参数步骤12：降深与开采量关系认知根据开采量设置获取降深与开采量关系曲线，结合开采井的最大、最小涌水量及地下水埋深红线，在保障开采量最大基础上获取最佳开采量。如图可知，本次设计的开采量在合理开采量区间之外，超出最大可开采量。根据目标选择拟开采井并输入开采量，需考虑用水目标、水质及用水成本，开采实验开始后观察地下水剖面流场特征，根据开采量的不同，系统提供开采量-降深算法，展现不同开采条件下，地下水降深的不同的状态，观看地下水位下降动画，右下角可观看该抽水井相关信息，按需要可重复播放动画。步骤13：地下水开采结果评估若符合用水需求则提示【本次设计的开采量合理】，若少于用水需求则提示【本次设计的开采量无法满足用水目标】，学生需重新输入开采量；若超过最大可开采量，则提示【您本次设计的开采量超过最大需水量，导致环境地质灾害的发生】。步骤14：环境地质灾害认知根据不同的场景和开采设计方案，了解不同的环境地质灾害，学生可通过资料库查看地质灾害基本概念、特征及防治措施。步骤15：地质灾害防治措施选取根据地下水开采现状及问题，选择合适的地质灾害防治手段。步骤16：灾害防治措施效果观察地质灾害防治措施对地下水位恢复的影响，通过预测的水位数据对比不同的防治措施效果。重复上述实验过程，完成本次地下水开采方案设计。步骤17：查看实验报告及得分目标完成后，查看实验报告、实验得分及成绩柱状图。学生可进行重复实验刷分，获取最佳地下水管理方案。

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基于水文循环的地下水开采优化设计虚拟仿真实验

基于水文循环的地下水开采优化设计虚拟仿真实验

实验简介：

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