強化實踐能力的環境水文地質學教學模式探索

劉 瑩

（山東大學，濟南 250100）

環境水文地質學是研究自然環境中水與地質條件及人類活動的相互關系及作用結果，并據此對水資源與水環境進行保護、控制和改造的學科[1]。環境水文地質學為環境工程的規劃、設計、施工和管理提供重要的基礎數據和分析成果。精確合理的水文地質條件分析和預測，為水資源開發利用和地質生態環境保護提供重要保障。例如，飲用水源地和取水口的選擇、洪水防御工事的建設、城市雨污排泄管網的設計和施工、污水廠構筑物的高程布置、污染水體的溯源和治理、水庫庫容的計算、土壤和地下水污染的修復、固體廢棄物處理過程中的地下水污染防控工程，以及大氣污染的環境沉降研究等，都需要應用環境水文地質學的理論知識和分析方法。因此，環境水文地質學是一門綜合性很強的學科，該門課程知識面廣、理論性強、實用性高。

進入21 世紀以來，人類的工業生產持續破壞全球地表植被并加劇溫室效應，導致全球洪澇災害及次生地質災害頻繁出現。以我國為例，2020 年全國16 個省區198條河流發生超警以上洪水；重慶綦江上游干流及四川大渡河支流小金川甚至發生了超歷史洪水。防洪排澇規劃是保障經濟可持續性發展和人民生命財產安全的重要工程技術手段，也是全球環境工程領域的研究熱點[2]。而利用環境水文地質學知識進行洪水的合理預測，是防洪排澇規劃的基石。因此，環境水文地質學在環境工程中的重要性日益凸顯。

環境水文地質學課程是教育部高等學校環境科學與工程類專業教學指導委員會推薦的專業基礎課程，也是環境工程專業多門核心課程的重要先修課。目前大多數高校的環境工程專業，直接使用水文地質專業編制的教材，教材的理論性較強，與環境工程專業的工程實踐聯系不夠緊密。學生普遍反映課程難學，而在實際工作中需要應用水文地質學知識解決問題時卻找不到切入點。也有少數高校使用專門的環境水文地質學教材，但近年來環保法規日趨嚴格，氣候條件也在不斷變化，而教材的更新有一定的滯后性，授課過程中講授的某些公式和方法，學生就業后發現已經不再適用于最新的工程要求。因此，環境水文地質學課程的教學模式，不僅要兼顧理論深度和工程實踐能力，還要與時俱進，依據環保領域的新理念和新形勢及時進行調整，從而更好地服務于環境工程專業培養高素質應用復合型人才的需求。

一、現有的環境水文地質學教學模式存在的幾點問題

作為一門對學生的綜合能力要求很高的課程，目前的環境水文地質學教學模式還有如下幾個方面有待改進。

（一）理論與實踐結合程度不足

在我國積極推行工程教育專業認證的大趨勢下，環境工程專業的學生培養目標更關注學生畢業后能夠達到的職業成就及可持續發展潛力。目前環境工程專業的水文地質學課程教學模式以理論知識講解為主，以習題作為知識點的主要載體，直接給出設計資料讓學生進行理論計算。很多學生習題解答得非常順利，但由于教材中沒有具體的工程案例和工作方法，學生在工作中無法將習題直接套用于實際工程。例如，學生可以熟練利用頻率分析計算出洪水流量，但卻不清楚在防洪排澇規劃的哪個具體步驟中使用這一洪水流量。再如，目前全世界防洪排澇規劃的目標區域已經從大中型城市逐步轉變為中小型城市和鄉鎮。在針對小城鎮進行洪峰流量設計時，通常并不像大中城市一樣有多年實測資料，實際工作中通常是查詢流域內相關等值曲線，再結合地區公式進行設計計算。課堂講授的依據20 至30 年實測資料進行頻率計算的設計方法并不適用，導致學生畢業后在實際工作中不能熟練調取資料，也不清楚依據等值曲線估算經驗參數時的取值原則，有時也會出現地區公式調用不恰當的現象。因此，應當在教學過程中補充適用于多種水文地質條件的多元化、實用性工程設計工作方法。

（二）教學內容的時效性落后

環境水文地質學的知識體系，應當隨著氣候條件、經濟水平和行業規范的變化而不斷更新，但現有的環境水文學教材和教學模式時效性明顯不足。例如，隨著極端降水事件的頻發，許多城市都開展了暴雨強度公式修編工作。對于已經積累了足夠長年限雨量資料的城市，新修編的暴雨強度公式中選樣方法會采取“年最大值法”，而非教材中推薦的“年多個樣法”，雨量資料的年限數目也比現有教材中的規定值更大。再如，隨著南水北調工程的實施，北方許多城市的飲用水源從地下水轉換為地表水，環境水文地質學的研究重點也從充分開發地下水資源保障生產生活需求，轉變為生態水文涵養、地下水污染防控及地面塌陷和海水倒灌治理等方向。又如，海綿城市作為城市應對極端環境條件的有力工具，是近年來城市建設和開發的工作重點。其目的是通過完善水生態基礎設施，將城市構建為具有吸水、蓄水、凈水和釋水功能的海綿體[3]。海綿城市的大部分工作任務是由環境工程專業的畢業生來完成的，規劃和建設過程中需要頻繁地應用水文地質學知識。然而目前環境工程專業的水文地質學教學內容并未涉及海綿城市，學生不了解所學的水文學知識與海綿城市的結合點，在畢業后無法更好地服務于城市建設和改造的各項工作。

（三）教學過程中水文分析軟件使用率很低

水文頻率計算是洪水、平水和枯水預報的基礎，也是環境水文地質學的核心知識之一。但目前教材編寫和課堂講授過程中，普遍采用傳統的坐標紙繪制法完成上述內容。隨著分析繪圖軟件的普及，實際工程實踐中，普遍采用Excel+Origin 軟件相結合的方式，進行水文頻率曲線的計算、繪制和擬合。課堂上沒有接觸過上述軟件的學生，在今后的工作中會出現效率低、“上手”慢的問題。另外，隨著環保工程關注的時空尺度日趨擴大，在分析解決整個城市甚至整個流域的問題時，需要使用專門的降水和徑流模擬軟件，針對目標區域內的水文、水力和水質情況進行高精度的模擬，在此基礎上提出系統化的方案[4]。而目前各高校的環境水文地質學課堂上很少涉及上述軟件。

二、環境水文地質學教學模式新探索

針對環境水文地質學現有教學模式存在的問題，筆者在2017 年至2021 年期間，以山東大學環境工程專業的大二學生為授課對象，針對環境水文地質學的教學模式進行了以下3 個方面的探索和革新，并取得了較好的教學效果。

（一）構建基于成果導向教育的教學體系和評價方式

成果導向教育（Outcomes-based Education，OBE）是工程教育專業認證的核心理念[5]。以學生畢業時和工作中應達到的能力為指標，反饋指導授課內容。因此，在環境水文地質學的教學過程中，依據學生學習本門課程后應當達成的工程實踐能力設置教學目標，依據能力目標設置課程考核的評分體系。授課過程中，從環境工程專業學生在工程實踐中承擔的具體任務出發，首先講授不同任務的工作流程和步驟，再深入講授具體工作步驟中涉及的水文學理論和統計方法。最后通過布置工程設計任務加深學生對于水文學理論的理解，并對學生的學習效果進行檢驗，依據學生的設計方案體現出的工作能力進行評分，據此計算學生每個能力目標的達成度。根據學生能力目標的達成情況，為每個學生提出針對性建議，提高學生的學習效果。

以小流域暴雨洪峰流量計算的講授為例，具體的授課模式如圖1 所示。授課過程中強化“資料整理和檢索—查閱國家/地方性標準和法規—參照相關行業的設計手冊—經驗參數查詢—水文頻率計算—設計結果校核—應用于具體工程措施”的規范化工作流程。授課過程中還要使學生明確通過水文計算獲得的理論數值，到底應用于工程設計的哪個具體階段。教學過程中給學生布置了一個依據山區城鎮洪峰流量進行河道拓寬防洪排澇的工程案例，針對學生的設計完成情況，分析學生能力目標的達成度。由圖2 可知，資料分析能力達成度較低的學生，相應的水文計算能力達成度也較低。這是因為水文資料整理的詳盡性直接決定了水文頻率計算樣本組成的合理性。該班學生資料分析能力、水文計算能力、方案設計能力和軟件使用能力達成度的平均值分別為85.7%、87.7%、89.8%和84.3%。總體來講，學生的軟件使用能力達成度最低，提示在后續授課過程中要進一步強化訓練學生的軟件使用能力。

圖1 基于成果導向教育的教學體系舉例

圖2 學生能力目標達成度分析舉例

此外，在授課過程中，還要幫助學生掌握環境水文地質學應用于工程實踐時，了解哪些工作原則是不可變、必須遵守的，哪些工作方法是可以靈活調整的。仍以暴雨強度公式修編為例，實測暴雨樣本數量必須高于規定值（通常為40），即樣本容量不能縮減這是不可變原則。具有暴雨實測值的年份數目達到或超過40 時，可以每年只選擇1 個降雨量最大值，構成樣本系列進行水文頻率計算；具有暴雨實測值的年份數目小于40 時，可以如教材所述，選擇具有代表性的n 年，每年選擇6～8 場暴雨的降水量數值，由（6～8）×n＞40 個數據構成樣本系列進行水文頻率計算。通過上述教學模式的改革，提升學生因地制宜靈活分析解決實際工程問題的能力。

（二）與時俱進調整授課重心和豐富教學內容

傳統水文地質學針對地下水的研究重點是水井周圍含水層的開發及應用，其目的在于最大限度保障工農業生產的需求；而新時代水文地質學針對地下水的研究重點轉換為地質生態災害的預防和地質穩定性保護[6]。另外，新時代水文地質學的根本研究目標，已經從最初的局部性問題，逐漸拓展為全局性問題[7]。因此，環境水文地質學的授課側重點也需要進行相關調整。例如，開展水井抽水試驗的主要目的，已經從研究井的出水量轉變為測定水文地質參數（如滲透系數等），研究結果可以用于指導地下水污染的修復。再如，在研究地表水和地下水時，要著重分析包括水圈、大氣圈、巖石圈和生物圈在內的多圈層之間的相互作用，研究結果用于指導水資源綜合規劃和環境生態系統保護。再如，環境水文地質學不再局限于關注水量的時空變化，還要關注水質的凈化。這些都需要在教學過程中及時調整和豐富授課內容。

隨著環保政策法規的修訂和新增，水文統計的計算公式、經驗參數取值原則等內容也在隨時調整。無論是采用傳統的水文地質專業教材還是專門的環境水文地質學教材進行授課，依據新政策法規的出臺而開展的教材修訂和出版工作都需要一定的時間。因此，在水文地質學的教材講授過程中不可避免會有一些陳舊知識點。例如，最新的GB 50014—2021《室外排水設計標準》已經將雨水管渠流量計算公式進行了修訂，修訂后的雨水管渠設計流量增大，對城市排水的保障率更高。但目前各高校普遍使用的教材中仍沿用修訂前設計流量值偏小的版本。再如，隨著國民經濟的發展，環境工程的設計和施工過程，已經修正了過往主要關注成本控制的設計理念，轉為側重于保障工程效果。這直接導致在應用環境水文地質學理論指導工程實踐時，設計參數的取值原則發生變化。比如，暴雨的設計重現期的取值規定已經普遍提升。因此，需要在授課過程中及時調整和更新陳舊知識點，給學生講授相關修訂的原則和意義，督促學生形成查詢設計規范的工作習慣。

最后，針對海綿城市這一與環境水文地質學聯系非常緊密的新興工程熱點，在教學過程中設置專題講座。海綿城市的核心工作是對城市的低影響開發，以期實現城市像海綿一樣對環境變化與自然災害具有“彈性適應”能力。海綿城市的主要工作內容包括：最大限度保護原有河湖水系和生態體系；維持城市開發前的自然水文特征；修復被破壞的水生態系統；通過防洪排澇的規劃和雨污排放系統的構建，減輕暴雨徑流對城市運行的影響[8]。教學過程中通過專題講座，幫助學生了解用于評價海綿城市建設效果的水文學指標；掌握城市生態斑塊識別與生態廊道構建的基本原則；熟練應用水文地質學知識進行城市水系（包括供水、節水、污水、回用水、雨水和河道）綜合規劃。

（三）強化訓練學生的軟件使用能力

為提升學生的軟件使用能力，通過課堂訓練、課后作業和案例實操，訓練學生熟練使用Excel 軟件進行水文地質資料的整理、排序和計算，和使用Origin 軟件進行水文頻率曲線的繪制和擬合。基于開源的暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model，SWMM），訓練學生進行簡單流域水文模擬。通過案例講授，幫助學生掌握利用MATLAB 和SPSS 軟件開展水文學資料相關性分析、水庫庫容模擬和徑流預測的工作方法。通過提升學生對水文地質分析相關軟件的理論水平和操作技能，全面提高學生直面工程實踐的工作能力，提升學生在就業過程中的核心競爭力。

三、結束語

鑒于目前高校環境水文地質學課程教學過程中普遍存在的共性問題，以提高學生的工程實踐能力為主要教學目標，對教學模式開展研究和探索，為高校環境水文地質學的教學提供可借鑒的經驗。以工程案例為知識載體，調整教學和評價體系、提高課程的時效性，提升學生對工程軟件的使用能力，幫助學生開闊視野，充分調動學生學習積極性，培養學生理論與實踐相結合的綜合專業能力。針對從事環保工程實踐工作的2021 級畢業生開展的回訪表明，該門課程的新教學模式有助于學生開闊視野，梳理實踐工作思路，更好地建立起理論知識與實際環保工程之間的聯系，提升了學生的專業素養和工作能力。