南方红壤区生态清洁小流域综合治理虚拟仿真实验

南方红壤区生态清洁小流域综合治理虚拟仿真实验

南方红壤区生态清洁小流域综合治理虚拟仿真实验指导书

预习环节

本实验项目包括 个模块,14 步交互性操作步骤(图 1)。

图 实验流程图
首次登录实验(图 2、图 3)后,通过简要了解实验简介(图 4),
可随即进入以下四个模块的实验学习。交互性步骤详情如下:

图 实验平台欢迎界面

图 实验平台初始界面

图 实验简介界面
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步骤1:治理规律认知(分值:5 分,建议用时 5 分钟) 

知识点:
1)土壤侵蚀基本规律;
2)小流域综合治理;
3)生态服务功能。
操作目的:
掌握与生态清洁小流域综合治理相关的基础知识点,为顺利开展实验内容奠定基础。
操作过程:
进入实验界面(5-1),可通过界面左侧导航菜单浏览“土壤侵蚀成因”“小流域综合治理”“生态服务功能”等知识概念,学习相关背景知识和对比易混淆的知识点间的异同点。预习完毕,点击“基础知识自测”,系统从题库中随机选择一组判断或单项题,以评测学生对知识点的掌握情况(5-2)。
操作结果:
通过上述操作,学生能够熟悉并掌握涉及土壤侵蚀基本规律、小流域综合治理、生态服务功能等内容的基本概念。凡测试成绩达标者(≥总得分的 60%),自动开启正式模块二、三、四的实验内容(2~14)。


END

现状问题与分区

1

步骤2:现状数据采集(分值:10 分,建议用时 10 分钟)

知识点:
1)流域调查的基本要素(地形、植被、土壤、气象水文、侵蚀、农林经济);
2)流域调查的常见数据采集方法。
操作目的:
掌握流域调查的空天地一体化技术手段及数据采集方法。同时获取到流域的基本现状数据,例如:地形特征(高程、坡度、坡向等)、植被特征(树种组成、植被覆盖度等)、土壤属性、气象水文水质状况、侵蚀状况(侵蚀沟道长度等)和林农经济产业现状,以便为小流域现状问题分析、小流域治理的功能定位及治理措施配置等后续实验步骤,提供基础数据支持。
操作过程:
现状数据采集功能模块(6-1)中,选择对应的小流域现状数据的调查,开展对流域的六大基本要素信息(地形、植被、土壤、气象水文、侵蚀、农林经济)的采集工作。详细实验操作如下:

1)地形调查:
在数据采集工具包中选择无人机6-1),对研究区开展拍测量(出现无人机飞行动画)(6-2),并获取地形信息。无人机航拍结束后,将依次生成高程、坡度、坡向图(6-3),并存入信息记录表文件夹。


2)植被调查:
选择并拖动工具箱中样方图标,放置于流域内任意位置(20m×20 m)(6-4)。通过不同视角(可以选择平视、俯视、仰视等视角)的观察记录并拍照留存(6-5),分析数据获取林分类型、树高、胸径、郁闭度等关键信息(6-6),并保存调查数据(6-7。 




3)土壤调查:选择工具箱中剖面铲,放置于流域内任意位置(6-8),进行土壤调查获取土壤属性数据(6-9),并保存调查数据(图6-10)。



4)气象水文调查:
选择工具箱中水文观测相关设备(6-11),将量水堰、气象站、水位计等主要气象水文观测设备放置在小流域下游的主河道中(6-12)。
 
测流堰的采集区域获取气象水文水质相关数据,并保存调查结果到文件夹中(6-13)。 


5)侵蚀沟调查:
进入坡面侵蚀沟观测场景,选择工具箱中测尺,通过分段测量侵蚀沟道的宽度、深度和长度(6-14),获取侵蚀沟相关信息并记录(6-15)。 


6)林农产品调查
在“农林产品调查”功能模块中,调查小流域中的农林产品种类、产量、销售额等(6-16),并保存到信息记录表文件夹(6-17)。
 

操作结果:通过上述操作,理清流域基本状况,获取相应参数,为后续流域发展定位提供数据支持。
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步骤 3:现状问题分析(分值:8 分,建议用时 8 分钟)

知识点:
小流域基本特征与问题类别及其分析手段。其中,
1)基本特征类别为:自然环境特征;土壤侵蚀问题;植被问题;污染问题。
2)分析手段:
通过对小流域基本地形、流域形状、河网形态结构进行观察分析得出小流域当前的自然环境特征
通过对侵蚀类型、沟谷类型、沟壑特征的观察,以及对土壤侵蚀强度的判断分析得出小流域当前存在的土壤侵蚀问题
通过对小流域的植被类型、植物生长状况、植被覆盖度、生物多样性、年龄结构的分析和提取,得出小流域当前存在的植被问题
通过对水质状况、泥沙含量、缓冲带的测量,以及对污染物来源的调研,得出小流域当前存在的污染问题
操作目的:
掌握小流域特征分析的基本手段,达到熟练判断小流域现状与问题分析的能力,为后续小流域的综合治理做好铺垫。
操作过程
根据前一步骤采集数据,先后进入“自然环境特征”“土壤侵蚀问题”“植被问题”和“污染问题”四个页面,进行小流域现状问题的分析操作。
1)“自然环境特征”分析17
分别对“基本地形”“流域形状”“河网形态结构”等项目勾选出合适的选项,完成小流域自然环境特征分析(图 7-1)。各项目的具体选项列举如下:
⚫ 基本地形:平原、高原、丘陵、山地、盆地
⚫ 流域形状:扇形、狭长形、楔形
⚫ 河网形态结构:树枝状水系、羽状水系、平行状水系、放射状水系 

2)“土壤侵蚀问题”分析
分别对“侵蚀类型”“侵蚀强度”“沟壑特征”等项目勾选出合适的选项,完成小流域土壤侵蚀问题分析(图 7-2)。各项目的具体选项列举如下:
⚫ 侵蚀类型:水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀
⚫ 侵蚀强度:微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀
⚫ 侵蚀特征:细沟、浅沟、切沟、冲沟

3)“植被问题”分析
分别对“植被类型”“植被覆盖度”“年龄结构”“植物生长状况”“生物多样性”等项目勾选出合适的选项,完成小流域植被问题分析(图 7-3)。各项目的具体选项列举如下:
⚫ 林分类型:针叶林、阔叶林、针阔混交林、灌木林、裸地
⚫ 植被覆盖度:<30%30-50%50-75%、>75%
⚫ 年龄结构:幼龄林、中龄林、成熟林、过熟林
⚫ 植物生长状况:植被长势差、病虫害严重、大面积倒伏、枝繁叶茂
⚫ 生物多样性:树种单一、少量混交林、物种丰富

4)“污染问题”分析
分别对“水质状况”“缓冲带”“污染物来源”等项目勾选出合适的选项,完成小流域面源污染问题分析(图 7-4)。各项目的具体选项列举如下:
⚫ 水质状况:轻度富营养化、中度富营养化、重度富营养化
⚫ 缓冲带:无缓冲带、缓冲带破损严重、缓冲带完整
⚫ 污染物来源:农业用地、生活污水、工业废水

操作结果:
明确小流域当前主要存在的自然环境特征、土壤侵蚀问题、植被问题、污染问题,以便为接下来在综合治理前的小流域功能定位的确定(步骤 4)奠定基础。
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步骤 4:小流域功能定位(分值:4 分,建议用时 1 分钟)

知识点:
生态清洁小流域的主要类型和概念。详情如下:
1)水源保护型:以优先有效防止面源污染物进入水体,保护水源,净化水质,实现小流域内土地生产力提升为主要目标的生态清洁小流域建设。
2)和谐宜居型以优先加强植被建设,采取综合措施,促进森林康养、村庄整洁为主要目标的生态清洁小流域建设。
3)绿色产业型以优先防治流域土壤侵蚀,提高水源涵养能力,增加植被覆盖率为主要目标的生态清洁小流域建设。
操作目的:
在小流域现状分析的基础上,综合判断生态清洁小流域的功能定位,为后期治理结果评价提供方向。
操作过程:
对比分析三种功能定位的生态清洁小流域之间的差异,并选择任一类型(图 8)。

操作结果:
确定小流域治理与发展的功能定位,以便有针对性的开展小流域三大治理区(预防保护区、综合治理区、生态修复区)划分工作(骤 5)。
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步骤 5:小流域治理区域划分(分值:7 分,建议用时 5 分钟) 

知识点
生态清洁小流域三类治理分区的概念及划分依据。详情如下:
1)预防保护区:小流域内人类活动和人为破坏较少,自然植被较好,以生态系统自然修复、封育保护为主,辅以少量人工治理的区域。一般分布在小流域上游及两侧山体上部。
2)综合治理区:小流域内人类活动较为频繁,以水土流失治理为主,同步推进面源污染防治、人居环境整治、特色产业培育的区域。一般分布在小流域中下游及生产生活集中的区域。
3)生态修复区:以沟(河)道和岸坡的近自然修复为主,同步推进生态岸线、生物栖息地、生物多样性、生态景观的保护修复和水系连通,有效修复沟(河)道水生态的区域。一般分布在沟(河)道及其两侧、湖库、塘堰周边人类活动影响较为频繁的区域。
操作目的
根据小流域发展定位,结合生态清洁小流域的三大分区治理理念,通过“笔刷”或“框选”的操作方法,确定小流域内预防保护区、综合治理区和生态修复区的边界。
操作过程
在小流域平面网格图上,点击“笔刷”或“框选”,在网格图上确定分区类型;在“笔刷”模式下,可以对单个网格进行分区的设置,在“框选”模式下,可以实现对多个网格的分区设置(图 9-1)。结合小流域的综合调查信息和平面图,依次对预防保护区、综合治理区、生态修复区进行勾画(图 9-2)。确定完成三区划分之后,系统通过对比最优的三区划分边界范围,会给出学生的三区划分准确率(图 9-3)。准确率数据将是后续“综合规划设计”(步骤 11)的基础条件。如果学生认为正确率太低需要重做,可重复操作,直至得到满意的三区划分正确率为止。
操作结果
在小流域网格图上,完成三个治理区(预防保护区、综合治理区和生态修复区)的划分,为后续分区改造方案的制定奠定基础。 


END

模块三:小流域综合治理 

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步骤 6:预防保护区封育与改造(分值:7 分,建议用时 10 分钟)

知识点:
预防保护区封育与改造的主要树种类型及方法。
操作目的:
掌握预防保护区封育与改造的基本方法和技术手段。
操作过程
在小流域内(10-1),根据指引进入预防保护区场景(10-2),查看各树种信息,根据树木长势、病虫害特征等,判断是否进行间伐处理。
间伐完成之后,查看资源库中的树种特征,选择合适的树木并拖到林地上进行补植,窗口内实时显示覆盖度、生物多样性指数和植被净生产力(10-3)。学生需要经过间伐-补植的反复操作,使各个指标达到目标值。 


操作结果:
获得预防保护区治理后不同树种类型的配置,与其相对应的覆盖度、生物多样性指数和植被净初级生产力数据,用于生态清洁小流域治理的综合规划设计(步骤 11)。
2

步骤 7:综合治理区工程措施(分值:10 分,建议用时 6 分钟) 

知识点:
1)水土保持工程治理措施的主要类型、布设方法及其对水土流失的影响。
2)工程治理措施主要类型:水平梯田、水平阶、鱼鳞坑。
操作目的:
使学生熟悉水土保持工程治理措施的主要类型和常见规格,掌握水土保持工程治理的常见技术手段。
操作过程
小流域综合治理模块下进入治理区工程措施治理界面11-1),可在该操作界面右下角资源库中点击各工程措施图标查看 3 种主要工程措施水平梯田水平阶鱼鳞坑的基本特征及所需设计的规格参数(11-2)。 

点击各工程措施图标,结合界面右上角展示的措施对流域径流量和产沙量的作用结果(11-3),设置不同的措施参数探索各措施对流域径流量和产沙量的影响,并设计相应的工程措施(11-4)。
根据设定的流域治理目标规划适宜的减流、减沙工程措施,把最优的措施方案保存到措施库中。



操作结果:
此步骤得到治理区坡面的工程措施方案,获得工程措施对流域产流产沙的影响数据,用于生态清洁小流域治理的综合规划设计环节。
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步骤 8:生态治理区林草治理措施(分值:10 分,建议用时 7 分钟)

知识点:
水土保持林草措施配置类型、方法及作用。
优选的林草配置模式:深根性、耐贫瘠针叶树种混交;冠幅较大的树种混交;多层林配置模式(增加截留,减少径流)。
操作目的:
帮助学生掌握林草措施配置,熟练运用生态治理区土壤侵蚀控制的基本技术手段。
操作过程
在“小流域综合治理”模块下进入“治理区林草治理措施”界面(12-1),先浏览该操作界面右下角经济树种的种类和特征,了解用于南方红壤区小流域综合治理的主要经济树种(12-2)。
通过键盘方向操作浏览治理区的地形地貌特征,根据“适地适树”原则选择适宜的树种和树种配置模式用于小流域治理(12-3)。
可进行尝试用单一树种或多树种配置进行流域治理,在设置好树种,设置数量与间距后,点击开始种植即可在界面右上角获得当前树种类型和配置模式对径流量、产沙量和林果产量的影响(12-4),并可通过键盘方向操作浏览治理区全景和局部的种植情况(12-5)。
获得满意的树种配置模式后可通过操作界面右下角的“提交”模块将相应措施保存在措施库中。
操作结果:
掌握不同林草措施对流域的径流量、产沙量和林果产量的影响,获取适宜的林草配置模式,将该环节的实验结果用于生态清洁小流域治理的综合规划设计环节。 





4

步骤 9:生态修复区缓冲带治理(分值:10 分,建议用时 6 分钟)

知识点:
缓冲带类型与配置方法。
缓冲带类型:乔木林地、灌木林地、草地。
操作目的:
选择合适的生态保护区缓冲带控制范围,明确面源污染控制目标,使学生掌握面源污染控制的方法。
操作过程
在“小流域综合治理”模块下进入“修复区缓冲带治理”界面(13-1),在该操作界面内通过键盘操作查勘生态修复区及其周边环境的土地利用、地形地貌等特征(13-2)。
在操作界面右下角的资源库中了解缓冲带类型的特征(乔木林、灌木林、草地、乔灌草组合,13-3)。
尝试选择不同的缓冲带类型并更改缓冲带宽度,通过操作界面右上角实时联动的“氮磷截留率曲线”了解相应治理措施的治理效果(13-4)。
根据氮磷截留率与缓冲带宽度的关系曲线,判断最优河岸缓冲带类型和宽度范围,保存相应措施后提交到措施库中。



操作结果:
获得生态保护区面源污染控制最优缓冲带类型和宽度。
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步骤 10:生态修复区河岸护坡治理(分值:5 分,建议用时 5 分钟) 

知识点:
生态修复区河岸护坡措施类型与配置模式。
操作目的:
使学生掌握生态保护区提高河岸边坡稳定性的方法。
操作过程
在小流域综合治理模块下进入“修复区缓冲带治理”界面(14-1),进入该界面后可以通过操作键盘方向键查看修复区的河堤和周边土地利用等环境特征(14-2);浏览界面右下角的资源库认识主要的护坡类型,并通过鼠标左键将不同的护坡拖至河岸边坡,根据界面右上角与治理措施联动的河岸边坡稳定性随年限的变化曲线,了解和掌握不同护坡类型对边坡的防护效果(14-3);根据实验设计选择其中一种护坡类型应用至河岸坡,同时可结合键盘操作查看护坡应用在河岸坡与周边环境的整体融合效果,最后点击应用将合适的措施后保存到措施库中(14-4)。
操作结果:
获得适合当前功能定位的最佳河岸护坡类型。


14-2 修复区的河堤和环境特征


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步骤 11:小流域治理综合规划设计(分值:20 分,建议用时 20 分钟)

知识点:
生态清洁小流域治理措施的搭配与空间布局。
操作目的:
使学生掌握根据小流域功能定位去设计合理的综合治理规划。
操作过程
在小流域综合治理模块下进入“综合规划设计”界面(15-1),在该界面下可看到“现状问题与分区时操作的三区划分结果”,然后通过查看界面右上角措施记录表回顾的前面几个措施设计步骤中筛选好的措施,并查看“措施记录表”中各项措施的“代码”(
15-2)。
查看完措施记录后点击关闭,可利用鼠标左键选取操作界面的各治理类型下单项治理措施的代码(15-3)。
应用措施时,先点击相应的措施类型,然后选择单项措施的“代码”,再通过“笔刷”将相关措施交错镶嵌布置或利用“框选”功能快速将同一措施布置在大的空间内(15-4),布置完成的网格会出现相应的措施代码,直到完成整个小流域的治理规划,或利用一键设置功能随机将单项措施布置在小流域的网格图上,如想重新布置相应措施,可以点击“重置”按钮重新开始布置。
④布置完成后点击“确定”按钮,完成治理措施在小流域内的应用。




操作结果
在小流域网格图上,根据设定的功能目标,完成治理规划,形成小流域综合治理规划图。 
END

模块四:小流域治理效果评估 

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步骤 12:小流域治理效果动态模拟(分值:3 分,建议用时 5 分钟) 

知识点:
生态清洁小流域治理效果。
操作目的:
掌握小流域治理后生态景观变化过程。
操作过程
在治理效果评估模块下进入“治理效果模拟”界面(16-1),在该界面下可以从左侧的导航观察分析措施应用后小流域的侵蚀沟发育状况(16-2)、植被长势状况(16-3)和河流水环境状况(16-4)等。



操作结果:获得流域治理效果图。
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步骤 13:小流域治理效果评估(分值:3 分,建议用时 5 分钟)

知识点:
生态清洁小流域三种功能定位的关键评价指标。
操作目的:
根据生态服务功能评价指标掌握评估生态清洁小流域的核心指
标。
操作过程:
在治理效果评估模块下“治理效果模拟”界面的左侧导航栏进入“治理效果评估界面”(17-1),在该界面可以获取当前治理方案的总得分、治理前后 6 个评价小流域治理效果的关键指标的变化特征,以及通过小流域评价指标雷达图获取哪个关键指标有待加强。
完成效果评估后可以点击界面右侧“查看评价指标”按钮(17-2),在该界面查看流域治理前后指标变化情况,判断土壤侵蚀强度、生物多样性指数、水质质量等级、植被净初级生产力、林农产品供给能力是否满足发展定位,以及各功能定位间的指标差异特征。
操作结果:
获得小流域治理后不同指标的评估结果,生成小流域评价指标雷达图。

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步骤 14:小流域治理方案优化(分值:5 分,建议用时 5 分钟)

知识点:
小流域治理方案优化的基本流程。
操作目的:
分析影响流域功能定位的关键指标体系,提出改善治理方案的方法,形成最佳治理方案。
操作过程
完成功能定位评价后可以在治理效果评估模块下切换到“治理方案优化”界面查看已形成的流域治理方案(18-1),在该界面下可以通过拉动滚动条,查看方案优化前以及历史设计的方案的各个步骤或者措施效果得分,了解各个步骤或者措施治理效果情况。
如果设计方案成绩理想,可勾选该方案后提交方案(18-2),提交方案后会出现弹窗,通过拉动滚动条查看该方案在各个实验环节的得分和评价(18-3)。
如果方案不理想,可以选取该治理方案,通过方案优化路径进入需要优化的措施环节(18-4)。
进入优化界面后(18-5)可以查看各类措施的具体得分情况,并选取得分较低的治理措施的各个步骤按照前面各个环节对应的操作步骤进行优化,对自己不满意的步骤优化改善后,可提交实验报告。


18-3 治理方案各个实验环节的得分情况

操作结果:
获得满足流域功能定位的最佳治理方案。
END