海平面上升环境下的海堤防护虚拟仿真实验

负责人:龚政 专业:港口航道和海岸工程 查看项目
河海大学 海平面上升环境下的海堤防护虚拟仿真实验

增强海平面上升环境下的海堤防护能力,是保障沿海地区防洪安全的基础。团队基于参与的国家重大工程建设,采用虚拟仿真技术,设计了“资料调查分析-防护方案设计-防护方案评价”三个实验环节,将立德树人融入教学全过程,着重解决教学过程中无法具象的知识难点,克服实体实验直观展示难度大、风暴观测风险高等不足。

河海大学 海平面上升环境下的海堤防护虚拟仿真实验

河海大学

实验简介:

增强海平面上升环境下的海堤防护能力,是保障沿海地区防洪安全的基础。团队基于参与的国家重大工程建设,采用虚拟仿真技术,设计了资料调查分析-防护方案设计-防护方案评价三个实验环节,将立德树人融入教学全过程,着重解决教学过程中无法具象的知识难点,克服实体实验直观展示难度大、风暴观测风险高等不足。

实验背景:

风暴潮是指由于强大的大气扰动,如强风和气压骤变所引起的海平面异常上升现象,常会在近岸地区诱发强烈的动力作用,可以在短时间内引起大量泥沙运动,对海岸岸滩演变及海岸建筑物造成极大的灾害性影响。风暴潮灾害居海洋灾害之首位,世界上绝大多数因强风暴引起的特大海岸灾害都是由风暴潮造成的。例如,19532月发生在荷兰沿岸的强大风暴潮,使风暴潮水位高出正常潮位3米多。洪水冲毁了防护堤,淹没土地80万英亩,导致2000余人死亡(图1)。又如2017年台风天鸽,登陆时恰逢天文大潮,为珠海、香港、澳门等地区带来重大破坏,造成了24人死亡和68.2亿美元经济损失。全球变暖、海平面上升环境下,台风灾害已位居海洋灾害之首,并且其频率及强度仍在逐年增加。海堤是保护陆域人民生命及财产安全的第一道屏障,增强海平面上升环境下的海堤防护能力,是提高沿海地区防灾减灾能力的迫切需求。

设计原则:

实验秉承能实不需原则,坚持以学生为中心的教学理念,贯彻以教师为引导,以任务为主线,以学生为主体三位一体的指导方针,融入两性一度金课标准。将一个海堤防护方案设计拆解为海洋调查资料分析、海堤防护方案设计和海堤防护方案评价三个模块,任务难度任务层层递进。着重解决在实际教学过程中无法具象的知识难点,克服实践教学环节风险高、难以操作等难点。实验中,通过教师引导、任务设置、模块分解,学生自主独立地完成海洋调查资料分析、海堤防护方案设计以及防护方案综合评价等各模块任务,明确每一个模块的具体要求、实验目标,提升学生在海堤防护方案设计中的自主学习能力、实践能力以及综合分析能力,设置了部分多种防护措施组合方案设计,培养学生的创新意识。

实验目标:

海堤防护设计涉及知识点较多,涵盖海洋动力、海洋结构物以及动力-结构物相互作用等。传统课程教学过程中,这些知识点往往较为抽象及枯燥,学生对知识点间的串联难度大,学习成本高。本虚拟仿真实验将动力和结构相结合,将海堤防护设计拆解为多个模块,并以链条式方法设计实验模块,对不同知识点进行集成,提高学生对多知识点的理解程度,支撑复合型人才培养需求,拓展教学内涵,是对传统教学方法、资源的有效延伸与拓展。具体而言,实验包括如下几点教学目标:

1)促进学生对不同课程交叉知识点的融会贯通;

2)培养学生自主式、探究式海堤防护方案的设计能力,加强前瞻意识;

3)增强学生专业技能,树立工程价值观,强化社会责任意识。

实验要求:

模块一实验要求:

掌握在不同防护等级下,设计波浪的计算方法

实验不同海平面高度与设计波浪组合,观察波浪的传播与变形

分析不同实验条件下,堤前波高、波浪爬高等参数的变化

模块二实验要求:

了解不同海堤防护措施特性

掌握不同海堤防护措施参数设计及其消浪效果实验分析方法

探索组合方案参数设计及消浪效果(探索性环节)

模块三实验要求:

掌握海堤防护方案的安全经济性分析方法

了解海堤防护措施的多因素综合评价方法

港口航道和海岸工程虚拟仿真实验

海洋动力虚拟仿真实验

海洋调查虚拟仿真实验

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