滲流運動虛擬仿真實驗平臺設計與實現

孫曉慶， 卞建民， 王 宇

（吉林大學新能源與環境學院，長春 130021）

0 引 言

滲流運動是自然界水循環的重要環節，對區域水生態環境影響顯著［1-2］。下滲與井流是滲流運動的基本形式之一，土壤水分下滲實驗，對流域產匯流及灌區灌水滲漏系數厘定等研究具有重要意義［3-4］，井流試驗是獲取場地水文地質參數的重要方法［5-6］。下滲實驗與井流實驗教學，對本科生了解土壤水分下滲規律，掌握下滲補給條件下的地下水向井運動理論等具有非常關鍵的支撐作用［7-8］。滲流運動發生在地面以下，受包氣帶與飽和帶介質結構的影響，呈現不同的滲流運動規律，不易觀察，虛擬仿真技術與實踐教學結合有利于解決這一難題。虛擬仿真實驗教學項目，是推進現代信息技術融入實驗教學［9-10］、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間和提升實驗教學質量和水平的重要舉措［11-12］。

綜上所述，借助虛擬仿真技術，設計野外樣品采集、土壤理化性質測定、下滲實驗過程設計與井流實驗等環節，涵蓋下滲實驗的完整環節與交互式模擬降雨等條件下的野外變水頭與潛水、承壓水井流運動，實現滲流運動的具象化展示，幫助學生理解滲流運動及其基礎理論［13-14］，為提升水文地質學科實踐教學效果提供一種有效途徑［15-16］。

1 實驗平臺設計原則

滲流運動虛擬仿真實驗平臺，將理論與實踐緊密結合，以完善實驗教學內容、刻畫滲流運動過程、構建考核評價體系為原則，設計集實驗課前導學、虛擬仿真實操訓練及教學效果測評為一體的教學平臺，為促進線上、線下實踐課程的混合式教學模式提供技術支撐。

（1）完善實驗教學內容。平臺以教學大綱為依據，圍繞水文地質專業人才培養目標，以產出導向為設計理念，完善下滲實驗與井流實驗的教學內容，搭建實驗導學及目的子模塊，為學生預習提供端口，同時彌補因實驗空間、學時等限制，無法開展的樣品采集、理化性質測試等實驗教學環節，有助于本科生對實驗內容形成整體認識，對學生系統化科學實驗研究技能的養成具有一定的促進作用。

（2）滲流運動過程。下滲與井流運動的實驗場所分別為土壤包氣帶與飽和含水層，均位于地面以下，直接觀察較為困難，一般采用室內實驗開展教學過程，但限于實驗裝置的尺寸，難以達到很好的滲流運動效果。實驗平臺重點設計下滲實驗與井流實驗子模塊，精細刻畫定水頭與變水頭水分下滲過程以及野外試驗場地的地下水超采、地下水降落漏斗的動態形成過程，可視化展現實驗全過程，助力學生對滲流運動的深入理解。

（3）構建考核評價體系。實驗平臺在實驗導學、目的、下滲與井流實驗子模塊基礎上，構建實驗效果考核評價體系，從實驗設備種類及功能、實驗條件的設定、實驗數據的記錄及實驗數據的處理等多角度、全過程實現考核評價體系的系統化，為線下實驗教學提供理論與實踐準備。

2 實驗平臺設計

2.1 平臺功能模塊組成

基于實驗平臺設計原則，融合下滲試驗與井流實驗虛擬仿真情景，基于實驗引入和實驗內容及實驗考核，構建滲流運動模擬實驗虛擬仿真平臺，包含主功能模塊，即實驗導學、實驗目的、下滲實驗與井流實驗，每個功能模塊又分為若干個子功能模塊，實驗平臺結構見圖1。

圖1 滲流運動模擬虛擬仿真實驗平臺主要功能模塊結構

2.2 平臺功能模塊

（1）實驗導學與目的。滲流運動模擬虛擬仿真實驗平臺實驗導學子模塊，主要從自然界水循環系統角度，介紹下滲實驗與井流實驗的科學背景，從自然界截取立方體作為水文地質概念模型，設定理想的均質條件，由上之下分布包氣帶、潛水含水層、隔水層、承壓含水層及底板，明確潛水井與承壓水井的布設層位。

基于三維水文地質概念模型，構建包氣帶-飽和帶滲流介質體，探究包氣帶水分下滲規律及飽水帶的滲流過程，是實驗平臺的總體目標。針對下滲實驗，觀察下滲過程的滲潤、滲漏及滲透3 個階段，記錄下滲水量，學會繪制下滲曲線，計算下滲率，掌握下滲規律；針對井流實驗，通過潛水、承壓水的不同井流特征，深入認識地下水滲流場、地下水流運動規律，培養水文地質參數計算能力，鞏固地下水運動的基本理論。

通過實驗導學及目的2 個功能子模塊的學習，為后續虛擬仿真交互實驗內容的開展奠定物理概念基礎，提供背景理論及實驗模型支撐。

（2）下滲與井流實驗。下滲實驗包括定水頭供水下滲與變水頭供水下滲過程模擬，定水頭下滲實驗情景設定為晴天，且介質（土壤）干燥，滲流運動主要發生在包氣帶層位，針對樣品采集、處理及理化性質測定，土柱裝填后的定水頭連續供水下滲過程展開模擬，實驗過程中記錄下滲過程的下滲量及浸潤線遷移距離等數據，用于后續的下滲率求解；變水頭下滲實驗情景設定為降雨天，且介質濕潤，在一定降雨雨強及歷時下，模擬降雨入滲及超滲產流過程，觀察記錄徑流變化數據，分析降水入滲產流及包氣帶下滲能力的變化過程。

井流實驗包括潛水井流與承壓水井流內容，潛水及承壓水的區別在于，抽水井及觀測井的貫穿位置，若井僅貫穿潛水含水層，整體由潛水含水層進水，抽水井抽水僅導致潛水含水層地下水位降低，則為潛水井流，因超采產生潛水水面降落漏斗；若抽水井及觀測井貫穿承壓含水層，則整體由承壓水含水層進水，因承壓水承壓，抽水井抽水前水頭高于承壓水面，為壓力水頭，當抽水后壓力水頭下降，同樣呈現因超采產生的水位降落漏斗。

構建滲流運動模擬虛擬仿真實驗平臺，為學生提供具象化的水分運移觀察端口，變抽象為具體，助力學生對滲流運動過程及理論的深入理解與掌握。

（3）實驗考核與評價。滲流運動模擬虛擬仿真實驗平臺的主體功能模塊為下滲實驗與井流實驗，實驗考核與評價針對2 個實驗的模擬交互操作環節展開，涉及定水頭下滲實驗原理，對下滲階段與對應介質水分形態的考核，對介質容重、含水率及顆粒分析等理化性質指標測定時實驗設備選擇的考核，對裝填土柱時應依據的理化指標的考核，涉及變水頭下滲實驗中，針對不同降雨情景下滲過程識別的考核。此外，對下滲實驗，開展下滲過程中累積下滲量及浸潤線遷移位置的記錄，依據實驗數據處理，獲得下滲率，繪制下滲曲線，明確下滲能力；對井流實驗，潛水及承壓水井流實驗過程，進行抽水井與觀測井的水位埋深測量記錄，及抽水井的流量記錄，依照設定的實驗方案，選擇合適的地下水運動方程，計算水文地質參數。

以上實驗考核內容，與滲流運動模擬虛擬仿真過程的交互式操作步驟合并，構成實驗平臺的考核與評價體系，各部分附一定分值，鼠標點擊反饋給后臺系統，返回獲得的分值，用來檢驗實驗的完成度及正確度。

3 虛擬仿真實驗平臺實現

3.1 平臺主界面

平臺主界面及目錄顯示如圖2 所示。點擊圖2（a）顯示的“點擊進入”按鈕，進入圖2（b）顯示的目錄界面，點擊圖中的各個功能子模塊，可進入對應的實驗內容開展學習。

圖2 實驗仿真平臺的主界面及目錄界面

3.2 實驗導學模塊

點擊圖2（b）中的“實驗導學”按鈕，進入圖3（a）所示的自然界水循環系統及理想化水文地質模型界面。點擊圖3（b）中水文地質概念模型的“包氣帶”“潛水含水層”等專業名詞，界面下方會依次顯示其解釋。

圖3 實驗導學界面

3.3 實驗目的模塊

點擊圖2（b）中的“實驗目的”按鈕，進入實驗總體目標介紹頁面（見圖4（a））。點擊下一步，出現圖4（b）顯示的下滲實驗目標介紹，依次點擊界面上潛水井流與承壓水井流（見圖4（c）），可呈現井流實驗目標介紹。

圖4 實驗目標界面

3.4 下滲實驗模塊

點擊圖2（b）中的“下滲實驗”按鈕，進入下滲實驗內部各子模塊，包含下滲實驗原理、實驗內容與實驗裝置展示，分布見圖5。點擊完成后，可分別進入定水頭與變水頭供水下滲實驗子模塊，各自對應的模塊功能內容見圖6 和圖7。圖5 中，下滲原理設置考核評價內容，進行土柱介質含水情況及水分存在形態與對應下滲階段的選擇，若選擇正確，可進行實驗訓練，點擊完成后，進入實驗內容和實驗裝置界面，分別對定水頭與變水頭供水下滲實驗內容詳細介紹，針對實驗用到的設備依次點擊顯示其功能。

圖5 下滲實驗子模塊組成

圖6 定水頭下滲實驗子模塊組成

圖7 變水頭下滲實驗子模塊組成

在總體實驗原理、實驗內容和實驗裝置介紹基礎上，開展定水頭與變水頭實驗的實訓部分，如圖6、7 所示，顯示系統中實驗的詳細訓練過程。定水頭下滲實驗包括樣品采集（見圖6（b））、理化性質測定（見圖6（c））及裝樣（見圖6（d））、測試（見圖6（f））等環節，測試過程可進行相關的數據記錄（見圖6（f）），為后續下滲曲線繪制及下滲率求解提供數據支撐。

圖7 顯示變水頭供水下滲實驗過程，包括降雨情景下滲過程識別（見圖7（b）），明確不同雨強及其變化條件下的下滲過程（見圖7（a））（此步驟作為實驗考核評價系統的組成之一），在此基礎上進行降雨量與徑流量測定（見圖7（c）），相關記錄數據可利用實驗平臺的自動求解（見圖7（d）），進行雨強變化與下滲過程的曲線繪制。

3.5 井流實驗模塊

點擊圖2（b）中的“井流實驗”按鈕，進入井流實驗內部各子模塊，包括潛水井流與承壓水井流（見圖8），分別點擊對應按鈕，可顯示相應的實驗原理與實驗內容，分別見圖8（b）～（d）。在開展實訓之前，需選擇實驗井的數量及位置、天氣條件，明確實驗裝置種類及功能。實驗需測量選定抽水井及觀測井的水位埋深，記錄實驗數據供水文地質參數求解使用。

圖8 井流實驗子模塊組成

實驗數據處理，需依據所選擇的實驗方案，確定適合的地下水井流運動理論公式，開展水文地質參數的相關計算，所用數據來自實驗獲得的水位埋深等，對應理論公式匯總及部分記錄數據見圖9。

圖9 井流實驗原理及數據記錄展示

4 實驗教學過程設計

為更好地應用滲流運動虛擬仿真實驗平臺，發揮平臺對專業基礎課程實踐教學的支撐作用，開展滲流運動實踐教學過程設計，如圖10 所示。

圖10 滲流運動虛擬仿真實驗平臺實踐教學應用

由圖10 可知，滲流運動虛擬仿真實驗平臺與線下實踐教學的課前預習與導學、課內實訓與操作拓展等各個環節緊密相扣。

滲流運動模擬虛擬仿真平臺的實驗導學，作為實驗課前預習內容，用于了解實驗課內容的學科理論背景，建立實驗訓練的學科范疇理念。平臺的實驗目的介紹對于課堂實訓非常重要，目標明確之下，實訓操作才有的放矢。定水頭實驗在實驗課堂內可借助教學設備完成，由于學時限制，缺失樣品采集及理性指標測定等關鍵環節，采用實驗平臺，在課前預習時開展這2 個環節的詳細的虛擬仿真交互式訓練。實操過程與課堂動手操作相似，可促進實踐動手能力的培養。實驗平臺的變水頭下滲實驗，借助虛擬仿真技術，模擬野外降雨條件下的降雨入滲過程，用于下滲實驗的課堂拓展訓練，在室內下滲實驗操作完成后，開展這部分的實訓練習內容。與下滲實驗類似，井流實驗教學過程，同樣將實驗平臺融于課前預習與課堂拓展中。

4 結 語

基于虛擬仿真技術，開展包氣帶-飽和帶滲流運動實驗設計，實現下滲實驗與井流實驗過程的完整模擬，包括樣品的采集、理化性質的測試及不同氣候條件的設置、變水頭下滲實驗與不同井流方案的選擇等，實驗室內很難實現的過程，在虛擬仿真中得以向學生完整呈現，將包氣帶下滲與地下水向井運動過程具象化展現，有助于學生對下滲理論及地下水向井運動理論的理解與掌握。該實驗設計中，將野外下滲與井流實驗的介質體統一，有利于學生對自然界下滲補給地下水與井流運動的連續過程產生直觀印象，在地表水文學與地下水科學領域的交叉中，激發學生理論與實踐創新意識。本虛擬仿真平臺的實驗教學內容設計與實施，有助于提升水文地質學基礎學科實踐教學水平，符合新時代新背景下社會經濟發展對高素質人才的需求，為工科院校培養創新型人才提供有效途徑。