南方山区浅层滑坡植物防治虚拟仿真实验

滑坡是指斜坡上的岩土体，在重力作用下，沿着某一滑动面，整体或者分散地顺坡向下滑动的现象。滑坡作为南方山丘区极为重要的一种水土流失形式，与泥石流、崩塌共同形成了“三大山地灾害”，严重威胁着山区群众的生产、生活和生态安全。按照滑坡体厚度滑坡可分为浅层滑坡和深层滑坡。对于浅层滑坡而言，应用传统的土木工程措施进行防治，不仅造价高昂、施工复杂、使用寿命短暂等问题，更重要的是面广量大，杯水车薪。至今始终没有得到妥善的解决。如何采取低廉的、高效的防护措施已成为浅层滑坡治理的重要研究内容。近年来，植被防治措施对控制坡面水土流失与坡体失稳机理的研究受到广泛关注。森林植被一方面通过纵、横向根系的穿插和固持作用，提高山坡的稳定性，防止滑坡的发生；另一方面，通过强大的林冠蒸腾耗水，降低土壤含水量、防止土壤水分在滑动面的汇集，有效提高滑体的稳定性。与传统土木工程措施相比，森林植被措施对浅层滑坡的防治有着更加突出的优点。一方面，森林植被措施避免了对生态环境的破坏，生态系统的完整性和景观美化度得到提高。另一方面，植被护坡造价低，固坡功能可以长期持续发挥。因此，采用森林植被措施抑制浅层滑坡，已成为当前山区浅层滑坡治理的一项重要工作。

南京林业大学水土保持与荒漠化专业贯彻“绿水青山就是金山银山”的理念，按照新农科建设要求，构建与南方水土保持迫切需求相适应的培养体系，培养学生具备水土保持与荒漠化防治领域高级专业技术人才应有的创新精神、职业素养和健 全人格的复合应用型人才。本专业所依托的水土保持与荒漠化防治学科起源于1952年,2000年获硕士学位授予权，2001年获博士学位授予权，是我国南方第一个博士学位授权学科。具有水土保持与荒漠化防治国家林业局重点学科和江苏省水土保持与生态修复重点实验室，江苏省优势学科和省协同创新中心，江苏省优秀科技创新团队，也是江苏省水土保持学会挂靠单位。本项目的主体内容“南方山区浅层滑坡植物防治”是团队在南方山区植物恢复相关科研项目中积累的长期成果，是科研反哺教学的典型案例。主持的项目“长江中下游山丘区森林植被恢复与重建技术”，“基于生态边界层理论的黄淮海平原林业生态工程技术”曾获国家科技进步二等奖。

南方山区浅层滑坡植物防治虚拟仿真实验是水土保持与荒漠化防治专业核心课程《土壤侵蚀原理》的综合实验。由于滑坡发生的特殊性，无法通过实体实验得到实现，建立“南方山区浅层滑坡植物防治虚拟仿真实验”，按照“虚实结合”的设计理念，学生在线下实体实验的基础上，围绕南方土石山区浅层滑坡区植被防治措施的各个环节，筛选适用于南方土石山区滑坡防治的植物类型及其配置模式，掌握根系对土壤的固持功能，以及林木生长耗水规律及其对浅层滑坡的防治作用，有着极为重要的现实需求。针对不同的浅层滑坡特点，采用相应的植被措施进行修复与加固具有重要意义。

本实验本着“能实不虚、虚实结合”的原则，以学生为主体，通过场景再现和过程仿真的形式，理解浅层滑坡影响因素，根系生长与抗剪抗拉、林木生长耗水规律等基础知识，培养学生设计植物防治滑坡方案的能力。系统融“虚拟与现实”、“理论与实践”于一体，采用“探究性实验+自主性设计”的实验教学方法，通过场景模拟展现不同特征的三维坡面，克服地理空间的限制，实现根系生长仿真，林木蒸腾耗水模拟，激发学生兴趣，促使学生自主学习、自主设计防治方案，充分调动学生学习的积极性和主动性，使学生在学习和反思的交互的过程中，架构自己的知识体系，实现知识的有效迁移，从而实现培养具备解决复杂问题的能力和创新思维的高层次专门人才的目标。

仿真度高：具体指内容真、场景与原理真。内容真：本项目的教学内容是水土保持与荒漠化防治专业开设的“土壤侵蚀原理”课程的基本单元，教学目标和教学要求与真实课程完全一致；场景与原理真：系统是基于国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目，开展了近十年实验，获取了大量真实可靠根系生长数据、林木蒸腾耗水数据，通过数学建模建立根系抗剪抗拉、林木蒸腾耗水与边坡稳定性的关系，因此虚拟仿真实验结果真实可靠。

   交互性强：系统设立滑坡风险评估、林木生长固坡分析、植物防治实践等三个环节，让实验者以第一人称视角自然快速地融入场景中，身临其境地体验环节。滑坡风险评估环节，学生通过观察判断法了解坡体的特征参数，对坡体稳定性作出初步的定性评估，判断结束后，系统自动评分，实现人机交互。林木固坡分析环节，运用控制变量法，可以在树种筛选、密度调控、固土优化3个子环节之间反复多次操作。每个子环节学生自主设计3个对比实验方案，探索植物根系生长过程对坡体稳定性的影响，实现自我评价与提升。植物防治实践环节，系统给定特定场景的参数以及任务要求。学生在分析场景参数的基础上，查看林木固坡分析环节的结果，也可以查看其他同学的试验结果。分析规律后，在特定坡面设计树种、搭配比例、及栽植模式等，通过对比结果，实现生生交互。

本实验从单因素辨析、多因素综合到方案设计三个不同层次展开，涉及原理、方法、技术三个方面，培养学生研究学习与防治减灾能力。

1）通过植物防治虚拟仿真实验，巩固和加深学生对所学课程《土壤侵蚀原理》、《山地灾害防治工程学》和《土力学》等基础理论知识的理解

2）通过滑坡风险评估环节，学生了解滑坡发生的机制及影响滑坡的重要因素，独立完成滑坡风险评估。

3）模拟根系生长过程，理解并掌握林木根系生长规律、根系抗拉/抗剪能力与浅层滑坡关系，掌握树种选择与密度控制对边坡稳定的影响作用。

4）模拟林木蒸腾耗水过程，了解林木蒸腾作用与土壤含水量变化规律，理解并掌握土壤含水量变化与边坡稳定性之间的关系。

5）通过虚拟植物防治环节，理解并掌握不同混交比例、树种配置和密度设置对浅层滑坡防治效果，提高学生独立设计植物防治措施能力。

（1）专业与年级要求

专业要求：水土保持与荒漠化防治及林学、地学、生态学等相关专业

年级要求：大二至大四的本科生

（2）基本知识和能力要求

基本知识：具备一定的高等数学、气象学、土壤学、植物学、生态学、土力学、工程力学等相关基础知识

能力要求：掌握基本的计算机操作，具备初步的专业分析能力

（1）课程预习：

该环节是在学生掌握相关基础知识后，进行植物防治虚拟仿真实验之前进行。目的是判断学生是否已具备足够的知识储备进行植物防治实验，从而保证虚拟仿真实验效果。本环节设计选择题与判断题，共10题，每题10分，满分100分。课程预习环节成绩占最终考核成绩的20%。

（2）实验步骤：

本环节考核判断学生是否按照实验引导和标准流程进行实验，是否对实验参数、过程、结果有着清晰认识，能够准确得出实验结论。采用过程考核方式，记录学生每一步的操作及方案，并对每步过程进行评分，考核学生对实验步骤的熟练程度。本环节满分为100分，占最终考核成绩的80%。