（1）实验原理

《河道多源补水与清水廊道构建虚拟仿真实验》的实验原理涉及多种关键技术模拟不同水源的补水过程及其对河道水质和生态系统的影响。具体原理如下：

知识点：共 6 个

1)河道及多源补水水体污染物浓度及水质参数

学生学习水体中的主要污染物浓度（如氮、磷、有机物等）和水质指标（如溶解氧、pH值等），掌握排放标准和如何进行补水等。

2）水源模拟

通过虚拟仿真软件，模拟不同类型的水源（如地表水、地下水、再生水等）向河道进行补水的过程。根据实际情况设定不同水源的补水量和频率，模拟在不同时间和空间条件下的补水效果。

3）水质模拟

设定水体中的主要污染物浓度（如氮、磷、有机物等）和水质指标（如溶解氧、pH值等）。模拟通过生态修复技术（如植被、微生物作用等）对水质进行净化的过程。

4）生态系统模拟

设定河道内的生物群落，包括植物、微生物、鱼类等。模拟补水和净化措施对生态系统的影响，观察生态平衡的恢复情况。

5）清水廊道设计

通过构建沿河道的生态缓冲区、人工湿地和植被带，改善水质、恢复生态系统和提升景观价值。

6）元宇宙交互

在实验中，学生可以通过元宇宙交互方式，进入虚拟世界中，沉浸式学习探索不同的河道多源补水的控制策略，更加直观地了解河道水体污染的影响因素和控制策略的效果。同时，学生还可以在通过实验平台进行现实世界中工程实践监控学习，并且可以调整不同水源的补水量和频次，改变实验结果。元宇宙技术则可以将整个河道水体环境以虚拟化的形式呈现，为学生提供更加直观的学习体验。

通过上述技术的融合，可以对河道多源补水与清水廊道构建进行全面的仿真和分析，得到更加准确的河道水体生态系统评估结果。这种虚拟仿真实验可以同时，实验中的人工智能算法可以通过学习和优化，提高预测精度和评估准确性，为实际工程提供科学依据，帮助制定更有效的多源补水和清水廊道建设方案，提升河道治理的效果和可持续性。

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

仿真设计中包括水文模型（输入：流域边界、坡度、土壤类型、植被类型、降水量等，输出：降水、蒸散发量、径流量、地下水补给等，用于模拟水流的动态变化和补水过程）、水质模型（输入：水质数据、污染源数据以及其他规划数据等，输出：温度、氮、COD、磷、DO、金属等，用于模拟水体中污染物的扩散和净化过程）、生态模型（输入：系统植被类型、大肠杆菌、藻类等生态数据，输出：动植物以及微生物群落类型，用于模拟河道内生物群落的结构和动态变化）、计算机仿真软件（选用MIKE软件，设置三个模型模块，用于实验项目的仿真模拟）、元宇宙平台（根据上述模型，利用AR让学生可以在虚拟的空间中进行实验）。

具体场景描述：首先使用仿真软件建立河道的三维模型，包括地形、水文和生态参数。确定不同水源的输入位置和补水方式。设定河道的初始水质、水量和生态系统状态。例如，河道初始水质和生态系统状态会触发不同来源水质的补水方式，从而改变水体中污染物的扩散和净化过程。而水体中污染物的扩散和净化又会输出河道内生物群落的结构和清水廊道设计结果，帮助学生了解河道多源补水与清水廊道对水体生态平衡的影响，如图1所示。

图1 河流多源生态补水配置机制示意图

1) 实验前准备

学生将会根据系统自带的实验手册获得实验的相关背景知识，包括降水量、径流量和蒸散量等要素的水文基础知识、水质管理与监测、河道结构及生物多样性以及多源补水机制和清水廊道构建要素、水质传感器监测原理与技术、人工智能、元宇宙等相关知识。

2) 实验步骤

a.学生进入虚拟仿真实验平台，根据实验任务，完成选择场景、导入相应水文模型、水质模型和生态模型；场景包括：长江流域支流、湖泊干流以及河流上游、中游和下游等。

b.学生点击生成河道三维场景，根据系统内置实验手册设置不同水源的输入位置和补水方式。

c.构建实例不同河道的初始水质、水量和生态系统状态。输入不同水源的水质参数和补水量，以表格形式设置在实验手册中。学生可合理的进行调节，并提供依据。

d.学生对水质模型进行分析，根据该场景类型，点选合适的传感器并在操作平台上放置于合理的安装位置，运行补水和净化过程的模拟。

e.学生根据生态工程要求设定时间步长，记录水质和生态系统的变化情况，选择合理的不同来源补水水量和水质，并在操作平台上进行设置。

f.学生设置本生态系统变化的关键点，需考虑人工湿地结构、植被、景观设计等因素。

g学生根据前面设置中的补水形式、主要净化类型、清水廊道设计方案等，初步判断河流多源补水特征，并根据当地的经济社会发展特点，设置关注点。

h学生启动场景，对生态模型进行分析，在一定时间内河道内生物群落的结构发生的动态变化，补水系统按照设置自动运行，各种环境传感器启动监测，数据每时每刻传输到电脑终端，电脑屏幕显示水质参数的逐时变化情况。

i学生根据环境传感器传输的参数，判断此时河道水体污染净化水平，根据河道水体水质排放等标准，决定是否调整不同水源补水比例和流量，如未改善，继续调整。

j学生记录保存全部实验数据并分析结果,完成试验后，撰写实验报告，完成复述整个实验过程，包括：场景选择、补水形式、清水廊道设计设计、传感器布置、水质控制策略等；并通过实验平台上的数据分析工具，评估河道多源补水水质的时空变化规律；在此基础上，学生深入思考，提出改进建议、或者设计更科学地未来方案，从而巩固和扩展所学知识。

（1）学生交互性操作步骤，共 10 步

（2）交互性步骤详细说明

1) 视频引导和实验教学模块练习

该步骤的主要目标是使学生在进入虚拟仿真实验系统之后，了解系统的界面和功能按钮。用户需要熟悉虚拟仿真实验系统的整体布局和各个功能模块的位置，以及正确操作与对应的讲解和引导功能。例如，用户需要了解如何打开和关闭不同场景，掌握正确操作流程等。

2) 清楚描述不同河流水体质量指标和污染特征

该步骤的主要目标是使学生通过选择各种不同类型的河流，确定周围自然环境，例如降雨量、气候等。然后需要明确该环境的水体质量（Ⅰ-Ⅴ类）和污染体征（有机物污染、重金属污染、富营养化等）。

3）明确了解所选河流场景中的初始水质、水量和生态系统状态，并做出正确选择调整

该步骤的主要目标是让学生了解河流场景中的初始水质、水量和生态系统状态等对后续河道生态系统的影响。例如污水处理厂水体水质按照实际的测定进行补水，地表径流按实际监测并加以设置前置库等技术进行处理，然后进入补水系统，下游湖水直接调水补水等。

4）根据水质模型如何点选合适的传感器并在操作平台上放置于合理的安装位置，运行补水和净化过程的模拟

该步骤的主要目标是让学生了解传感器设备的类型和作用，以及如何对河流水体进行实时监测。用户可以添加传感器设备，例如温湿度传感器、pH传感器，溶氧传感器等，运行补水和净化过程的模拟。

5）掌握如何合理设置不同来源补水水量和水质，并在操作平台上进行设置调控

该步骤的主要目标是让学生掌握不同来源补水水量（0-10*10⁷m³/年）和水质对后续河道生态系统的影响。

6）掌握如何设置预警系统，进行预警信息处理

该步骤的主要目标是让学生了解预警系统的作用和预测精度，以及根据实际情况进行分析处理与预警。如预警等级划分为两级，其中，累计水质类别均较上年同期下降1个类别及以上，并且下降为Ⅲ类以下的，二级预警；累计水质类别均较上年同期下降2个类别及以上，并且下降为Ⅲ类以下的，一级预警。

7）掌握如何根据当地的经济社会发展特点设置补水形式、主要净化类型、清水廊道设计方案等，初步判断河流多源补水特征。

该步骤的主要目标是让学生了解当地的经济社会发展特点，优化设置补水形式、主要净化类型、清水廊道设计方案等，通过初步判断河流多源补水特征，形成适合当地特色的工艺路线。

8）掌握如何在虚拟平台，控制实际实验室的系统，以及如何在虚拟平台，如何模拟不同补水来源流量和比例以及不同生态补水净化方案的效果。

该步骤的主要目标是让学生了解虚实结合要求，现实传感器与虚拟平台的连结，通过大数据系统和深度机器学习来模拟不同补水来源流量（0-50000m³/年）和比例（0-100%）以及不同生态补水净化方案的效果。

9）能够分析并评估河道水体质量，并提出相应的改进方案和建议

根据实验结果和监测数据，对河道补水进行评估和分析，并给出评估结果，提出相应的改进方案和建议，如增加停留时间、加强前期深度净化处理等，以提高河道水体生态功能。

10）实验报告完成度良好，并可进行讨论和分享

根据实验过程和结果，撰写实验报告，包括实验的目的、方法、过程、结果、分析和结论等内容。在讨论和分享环节，学生可以分享自己的实验经验和感受，交流和比较不同室内环境和空气净化设备的优缺点，提高对室内空气质量的认识和理解。

基于CVM和KVM的差异化方案，通过“SDN拓扑搭建和OpenDayLight 操作”，实现实验结果自动化评测功能。该实验结果既可以对错误部分列出错误提示，也可以有效防止了实验文本报告的抄袭，同时减轻教师批改实验报告工作量，可利用评测数据，帮助教师持续改进。评价指标体系设计上，主要从以下四个方面进行：a、知识掌握（40%）：学生对河道水体生态系统的相关知识的掌握程度，包括水质指标、生态效益等。b、能力培养（50%）：学生对虚拟仿真实验系统的操作熟练度和实际操作能力，包括实验系统的开启、关闭、数据监测和处理等；学生对实验结果的分析和总结能力，包括对实验数据的分析和解读，结合相关知识进行讨论和总结的能力。c、价值养成（10%）：学生的团队意识、环保意识等包括与他人合作的能力、沟通与协调能力以及遵守团队规则的能力。结合知识图谱技术，生成可视化能力雷达图，反馈学生在“污染诊断”“AI优化”“工程设计”等模块的薄弱环节。

具体实验结果：

1）在采用不同来源的补水方式时，由于城市污水厂尾水的水质和水量能够有很好的保障，故优先选择污水厂尾水作为首选补水来源。但是，如果选择日蒸发量高，年降水量低的行政区域河流，污水厂尾水无法满足补水水量需求，同时，达到一级排放标准的污水处理厂尾水中氮磷浓度仍然是地表水标准的若干倍，单独补水可能会导致受纳水体的污染压力加重。然而污水厂补水量难以采用高能耗和高基建费用的传统三级强化处理方法，因此需及时检测污水厂尾水水质以及增加其他补水水源。

2）地表径流是入湖河道的天然补给水源，但是初期雨水带来的冲击污染负荷严重威胁着河道水质。城市初期雨水调蓄后的常规做法是输送到污水处理厂或就地简单预处理后排放。因此，在雨季，接纳处理初期雨水能力有限，简单预处理无法保障出水水质在河道容量承受浓度范围内，可以考虑清水廊道建设来满足。

3）在选择不同类型的湿地植物和微生物的情况下，河道水体生态环境受到的影响也不同。例如，挺水植物可能会产生大量的固体废弃物等，需要净化一段时间内开启有机更新，及时移走。

4）在不同的实验条件和操作下，学生对产生的实验结果必须用系统的、整体的思维考虑，不断优化补水方式和清水廊道构建，实现地表水、地下水、降水等不同水源水质的净化和补水策略优化，实现河流水环境生态良性发展。