渗流运动虚拟仿真实验平台设计与实现

孙晓庆， 卞建民， 王 宇

（吉林大学新能源与环境学院，长春 130021）

0 引 言

渗流运动是自然界水循环的重要环节，对区域水生态环境影响显著［1-2］。下渗与井流是渗流运动的基本形式之一，土壤水分下渗实验，对流域产汇流及灌区灌水渗漏系数厘定等研究具有重要意义［3-4］，井流试验是获取场地水文地质参数的重要方法［5-6］。下渗实验与井流实验教学，对本科生了解土壤水分下渗规律，掌握下渗补给条件下的地下水向井运动理论等具有非常关键的支撑作用［7-8］。渗流运动发生在地面以下，受包气带与饱和带介质结构的影响，呈现不同的渗流运动规律，不易观察，虚拟仿真技术与实践教学结合有利于解决这一难题。虚拟仿真实验教学项目，是推进现代信息技术融入实验教学［9-10］、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间和提升实验教学质量和水平的重要举措［11-12］。

综上所述，借助虚拟仿真技术，设计野外样品采集、土壤理化性质测定、下渗实验过程设计与井流实验等环节，涵盖下渗实验的完整环节与交互式模拟降雨等条件下的野外变水头与潜水、承压水井流运动，实现渗流运动的具象化展示，帮助学生理解渗流运动及其基础理论［13-14］，为提升水文地质学科实践教学效果提供一种有效途径［15-16］。

1 实验平台设计原则

渗流运动虚拟仿真实验平台，将理论与实践紧密结合，以完善实验教学内容、刻画渗流运动过程、构建考核评价体系为原则，设计集实验课前导学、虚拟仿真实操训练及教学效果测评为一体的教学平台，为促进线上、线下实践课程的混合式教学模式提供技术支撑。

（1）完善实验教学内容。平台以教学大纲为依据，围绕水文地质专业人才培养目标，以产出导向为设计理念，完善下渗实验与井流实验的教学内容，搭建实验导学及目的子模块，为学生预习提供端口，同时弥补因实验空间、学时等限制，无法开展的样品采集、理化性质测试等实验教学环节，有助于本科生对实验内容形成整体认识，对学生系统化科学实验研究技能的养成具有一定的促进作用。

（2）渗流运动过程。下渗与井流运动的实验场所分别为土壤包气带与饱和含水层，均位于地面以下，直接观察较为困难，一般采用室内实验开展教学过程，但限于实验装置的尺寸，难以达到很好的渗流运动效果。实验平台重点设计下渗实验与井流实验子模块，精细刻画定水头与变水头水分下渗过程以及野外试验场地的地下水超采、地下水降落漏斗的动态形成过程，可视化展现实验全过程，助力学生对渗流运动的深入理解。

（3）构建考核评价体系。实验平台在实验导学、目的、下渗与井流实验子模块基础上，构建实验效果考核评价体系，从实验设备种类及功能、实验条件的设定、实验数据的记录及实验数据的处理等多角度、全过程实现考核评价体系的系统化，为线下实验教学提供理论与实践准备。

2 实验平台设计

2.1 平台功能模块组成

基于实验平台设计原则，融合下渗试验与井流实验虚拟仿真情景，基于实验引入和实验内容及实验考核，构建渗流运动模拟实验虚拟仿真平台，包含主功能模块，即实验导学、实验目的、下渗实验与井流实验，每个功能模块又分为若干个子功能模块，实验平台结构见图1。

图1 渗流运动模拟虚拟仿真实验平台主要功能模块结构

2.2 平台功能模块

（1）实验导学与目的。渗流运动模拟虚拟仿真实验平台实验导学子模块，主要从自然界水循环系统角度，介绍下渗实验与井流实验的科学背景，从自然界截取立方体作为水文地质概念模型，设定理想的均质条件，由上之下分布包气带、潜水含水层、隔水层、承压含水层及底板，明确潜水井与承压水井的布设层位。

基于三维水文地质概念模型，构建包气带-饱和带渗流介质体，探究包气带水分下渗规律及饱水带的渗流过程，是实验平台的总体目标。针对下渗实验，观察下渗过程的渗润、渗漏及渗透3 个阶段，记录下渗水量，学会绘制下渗曲线，计算下渗率，掌握下渗规律；针对井流实验，通过潜水、承压水的不同井流特征，深入认识地下水渗流场、地下水流运动规律，培养水文地质参数计算能力，巩固地下水运动的基本理论。

通过实验导学及目的2 个功能子模块的学习，为后续虚拟仿真交互实验内容的开展奠定物理概念基础，提供背景理论及实验模型支撑。

（2）下渗与井流实验。下渗实验包括定水头供水下渗与变水头供水下渗过程模拟，定水头下渗实验情景设定为晴天，且介质（土壤）干燥，渗流运动主要发生在包气带层位，针对样品采集、处理及理化性质测定，土柱装填后的定水头连续供水下渗过程展开模拟，实验过程中记录下渗过程的下渗量及浸润线迁移距离等数据，用于后续的下渗率求解；变水头下渗实验情景设定为降雨天，且介质湿润，在一定降雨雨强及历时下，模拟降雨入渗及超渗产流过程，观察记录径流变化数据，分析降水入渗产流及包气带下渗能力的变化过程。

井流实验包括潜水井流与承压水井流内容，潜水及承压水的区别在于，抽水井及观测井的贯穿位置，若井仅贯穿潜水含水层，整体由潜水含水层进水，抽水井抽水仅导致潜水含水层地下水位降低，则为潜水井流，因超采产生潜水水面降落漏斗；若抽水井及观测井贯穿承压含水层，则整体由承压水含水层进水，因承压水承压，抽水井抽水前水头高于承压水面，为压力水头，当抽水后压力水头下降，同样呈现因超采产生的水位降落漏斗。

构建渗流运动模拟虚拟仿真实验平台，为学生提供具象化的水分运移观察端口，变抽象为具体，助力学生对渗流运动过程及理论的深入理解与掌握。

（3）实验考核与评价。渗流运动模拟虚拟仿真实验平台的主体功能模块为下渗实验与井流实验，实验考核与评价针对2 个实验的模拟交互操作环节展开，涉及定水头下渗实验原理，对下渗阶段与对应介质水分形态的考核，对介质容重、含水率及颗粒分析等理化性质指标测定时实验设备选择的考核，对装填土柱时应依据的理化指标的考核，涉及变水头下渗实验中，针对不同降雨情景下渗过程识别的考核。此外，对下渗实验，开展下渗过程中累积下渗量及浸润线迁移位置的记录，依据实验数据处理，获得下渗率，绘制下渗曲线，明确下渗能力；对井流实验，潜水及承压水井流实验过程，进行抽水井与观测井的水位埋深测量记录，及抽水井的流量记录，依照设定的实验方案，选择合适的地下水运动方程，计算水文地质参数。

以上实验考核内容，与渗流运动模拟虚拟仿真过程的交互式操作步骤合并，构成实验平台的考核与评价体系，各部分附一定分值，鼠标点击反馈给后台系统，返回获得的分值，用来检验实验的完成度及正确度。

3 虚拟仿真实验平台实现

3.1 平台主界面

平台主界面及目录显示如图2 所示。点击图2（a）显示的“点击进入”按钮，进入图2（b）显示的目录界面，点击图中的各个功能子模块，可进入对应的实验内容开展学习。

图2 实验仿真平台的主界面及目录界面

3.2 实验导学模块

点击图2（b）中的“实验导学”按钮，进入图3（a）所示的自然界水循环系统及理想化水文地质模型界面。点击图3（b）中水文地质概念模型的“包气带”“潜水含水层”等专业名词，界面下方会依次显示其解释。

图3 实验导学界面

3.3 实验目的模块

点击图2（b）中的“实验目的”按钮，进入实验总体目标介绍页面（见图4（a））。点击下一步，出现图4（b）显示的下渗实验目标介绍，依次点击界面上潜水井流与承压水井流（见图4（c）），可呈现井流实验目标介绍。

图4 实验目标界面

3.4 下渗实验模块

点击图2（b）中的“下渗实验”按钮，进入下渗实验内部各子模块，包含下渗实验原理、实验内容与实验装置展示，分布见图5。点击完成后，可分别进入定水头与变水头供水下渗实验子模块，各自对应的模块功能内容见图6 和图7。图5 中，下渗原理设置考核评价内容，进行土柱介质含水情况及水分存在形态与对应下渗阶段的选择，若选择正确，可进行实验训练，点击完成后，进入实验内容和实验装置界面，分别对定水头与变水头供水下渗实验内容详细介绍，针对实验用到的设备依次点击显示其功能。

图5 下渗实验子模块组成

图6 定水头下渗实验子模块组成

图7 变水头下渗实验子模块组成

在总体实验原理、实验内容和实验装置介绍基础上，开展定水头与变水头实验的实训部分，如图6、7 所示，显示系统中实验的详细训练过程。定水头下渗实验包括样品采集（见图6（b））、理化性质测定（见图6（c））及装样（见图6（d））、测试（见图6（f））等环节，测试过程可进行相关的数据记录（见图6（f）），为后续下渗曲线绘制及下渗率求解提供数据支撑。

图7 显示变水头供水下渗实验过程，包括降雨情景下渗过程识别（见图7（b）），明确不同雨强及其变化条件下的下渗过程（见图7（a））（此步骤作为实验考核评价系统的组成之一），在此基础上进行降雨量与径流量测定（见图7（c）），相关记录数据可利用实验平台的自动求解（见图7（d）），进行雨强变化与下渗过程的曲线绘制。

3.5 井流实验模块

点击图2（b）中的“井流实验”按钮，进入井流实验内部各子模块，包括潜水井流与承压水井流（见图8），分别点击对应按钮，可显示相应的实验原理与实验内容，分别见图8（b）～（d）。在开展实训之前，需选择实验井的数量及位置、天气条件，明确实验装置种类及功能。实验需测量选定抽水井及观测井的水位埋深，记录实验数据供水文地质参数求解使用。

图8 井流实验子模块组成

实验数据处理，需依据所选择的实验方案，确定适合的地下水井流运动理论公式，开展水文地质参数的相关计算，所用数据来自实验获得的水位埋深等，对应理论公式汇总及部分记录数据见图9。

图9 井流实验原理及数据记录展示

4 实验教学过程设计

为更好地应用渗流运动虚拟仿真实验平台，发挥平台对专业基础课程实践教学的支撑作用，开展渗流运动实践教学过程设计，如图10 所示。

图10 渗流运动虚拟仿真实验平台实践教学应用

由图10 可知，渗流运动虚拟仿真实验平台与线下实践教学的课前预习与导学、课内实训与操作拓展等各个环节紧密相扣。

渗流运动模拟虚拟仿真平台的实验导学，作为实验课前预习内容，用于了解实验课内容的学科理论背景，建立实验训练的学科范畴理念。平台的实验目的介绍对于课堂实训非常重要，目标明确之下，实训操作才有的放矢。定水头实验在实验课堂内可借助教学设备完成，由于学时限制，缺失样品采集及理性指标测定等关键环节，采用实验平台，在课前预习时开展这2 个环节的详细的虚拟仿真交互式训练。实操过程与课堂动手操作相似，可促进实践动手能力的培养。实验平台的变水头下渗实验，借助虚拟仿真技术，模拟野外降雨条件下的降雨入渗过程，用于下渗实验的课堂拓展训练，在室内下渗实验操作完成后，开展这部分的实训练习内容。与下渗实验类似，井流实验教学过程，同样将实验平台融于课前预习与课堂拓展中。

4 结 语

基于虚拟仿真技术，开展包气带-饱和带渗流运动实验设计，实现下渗实验与井流实验过程的完整模拟，包括样品的采集、理化性质的测试及不同气候条件的设置、变水头下渗实验与不同井流方案的选择等，实验室内很难实现的过程，在虚拟仿真中得以向学生完整呈现，将包气带下渗与地下水向井运动过程具象化展现，有助于学生对下渗理论及地下水向井运动理论的理解与掌握。该实验设计中，将野外下渗与井流实验的介质体统一，有利于学生对自然界下渗补给地下水与井流运动的连续过程产生直观印象，在地表水文学与地下水科学领域的交叉中，激发学生理论与实践创新意识。本虚拟仿真平台的实验教学内容设计与实施，有助于提升水文地质学基础学科实践教学水平，符合新时代新背景下社会经济发展对高素质人才的需求，为工科院校培养创新型人才提供有效途径。