申报单位:山地科学

筑梦山地,御灾前行——2018年山地科学专题营特色营队活动

主 题 词:防灾减灾

  • 报告时间:2018年7月23日
  • 报告地点:四川成都
  • 活动人数:110人

活动简介

作为世界最大的山地国家,我国山地面积约有666万km2,占国土总面积69.4%,全国约46%的人口在这里繁衍生息。山区潜藏着丰富的森林、矿产、动植物资源,也是崩塌、滑坡山洪、泥石流等自然灾害频发地区,给人类生产生活带来深刻影响。山地专题营以“筑梦山地,御灾前行”为主题,旨在引导营员们学会认知山地空间、了解山地科学,并结合野外科考、模拟实验等课程设置,加深对抵御山地灾害的重要性、科学性的认识,掌握基本的防灾减灾技能,激发对山地研究的科学兴趣,进一步促进更好地认识和改造人类的生存空间。此次活动按照“认知—体验—实践—反思”的思路,分别设置了大师报告、防灾减灾体验、科学小实验、野外科学考察、与青年科学家面对面等活动。营员们通过聆听科普报告和参观体验山地所科技展馆、山地灾害模拟实验厅、四川省防灾减灾教育馆等对我国山区和山地灾害产生基本认识,并在科学导师的指导下自主设计、协同操作、共同探讨,完成了泥石流灾害防治、砂土加固工程防治、土壤及土体分析、无人机低空遥感等科学实验,切身感受了山地科学的魅力。最后,通过前往都江堰水利工程、汶川地震遗址等的野外实地科考,主动验证前期的科学认知和实验感受,用专题营期间所学所感去丰富科学梦想,提高自身抵御和防范自然灾害的能力。通过参与活动,锻炼了营员们的学习思考和实践动手能力,培养了他们面对复杂环境时的分析判力,让大家感受到了团队合作、协同分工的益处。

特色与效果

活动特色: 按照“认知—体验—实践—反思”的思路,完成了从科普报告确立印象、参观体验加深了解,到模拟实验掌握减灾方法,野外考察升华提高的全过程科学实践探索,每个环节既相互独立又顺序承接,让营员们在认识山地和山地灾害的基础上,溯果追因,探索防治和躲避的方法。通过每个环节中的思考讨论,启发营员们独立思考、系统思维,培养他们科学应对和解决问题的能力,使大家既增长了科学知识,又锻炼了实践能力。 活动效果: 通过参观体验、科学实验和科学考察,营员们掌握了山地灾害的基本理论,并将基本理论运用到具体的灾害处置实践,学以致用,全面提升了营员们的独立思考和协同创新能力,锻炼了他们科学的思维方式,培养了开展系统性研究学习的习惯,增强学习的自主性和主动性。同时,也在过程中结识了一批新朋友,激发了对山地科学的浓厚兴趣和科技动手能力,为未来科学人生开启了大门。

活动总结

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    2018年7月23日至29日,2018年青少年高校科学营山地专题营的100名营员走进中科院成都山地灾害与环境研究所,切身感受科研环境和学术氛围,自主设计、合作完成科学小实验,与科研人员一起探寻山地科学的奥秘,达到了预期目的,起到了很好的科学传播效果。

    1.着力强化组织保障,科学制定活动方案

    专题营筹备期间,成都山地所科普与基地处面向全所科技工作者广泛征集了活动方案,从大师报告、科学实验、科考路线等进行了反复论证和评估,并邀请所内长期在科研一线从事科学研究和实验操作的青年科学家担任指导教师。期间,还多次召开研讨会,完善活动细则,确定实施方案,编制各类预案,明确人员职责。同时,还专门编制了活动手册和实验操作手册发放到每一个营员手中,并提前完成了活动所需材料、场地、车辆等的准备工作。

    2.全链条的活动设计,递进式培养科学兴趣

    结果反复论证,最终确定了“认知—体验—实践—反思”的活动思路,分别设置了科学大师报告、防灾减灾体验、科学小实验、野外科学考察、与青年科学家面对面等活动。营员们通过聆听科普报告和参观体验成都山地所科技展馆、山地灾害模拟实验厅、四川省防灾减灾教育馆等对我国山区和山地灾害产生基本认识,并在科学导师的指导下自主设计、协同操作、共同探讨,完成了泥石流灾害防治、砂土加固工程防治、土壤及土体分析、无人机低空遥感等科学实验,切身感受了山地科学的魅力。最后,通过前往都江堰水利工程、5.12汶川地震遗址等的野外实地科考,主动验证前期的科学认知和实验感受,提高自身抵御和防范自然灾害的能力。

    3.注重理论与实践相结合

    在活动中,指导老师先介绍实验原理和基础理论,引导大家从原理角度去设计实验,鼓励营员将所学理论与实践相结合,合作完成实验内容和实验报告的撰写。通过完成不同类型的科学实验,让营员们更深刻地体会到了理论与实践的辩证关系,以及山地科学的魅力,进一步增强了他们对科学研究和科学实验的兴趣。使得他们不仅掌握了基础理论知识、创新学习方法,还要提高了每个人的动手实践能力、独立思考能力,激发了学习的兴趣和欲望。

    4.演进式的实验设计,凸显防灾减灾系统性特征

    按照山地灾害“孕育形成-演变成灾-运动破坏-工程治理”的因果顺序设置了四个实验环节,每个环节既相互独立又前后承接,让营员们在认知山地灾害成灾原理的基础上,溯果追因,探索防治和躲避的方法。通过每个环节试验中的思考讨论,启发营员们在今后学习和思考处置问题时的独立性、系统性,培养他们科学应对和解决问题的能力,使大家既学习了科学知识,又增长了破解难题的能力,更是提高了独立思维和自主创新的能力。

    5.活动成效明显,营员反响良好

    通过参观、考察,营员们认识了我国山地现状,掌握了山地灾害基本理论,再结合亲手完成试验和报告,将理论运用到具体的减灾实践,全面学以致用,提升了营员们的独立思考和协同创新能力,锻炼了他们科学的思维方式,培养了开展系统性研究学习的习惯,增强学习的自主性和主动性,得到了营员们的一致好评。同时,在这个过程中也认识和结交了一批新的朋友,激发了对山地科学的浓厚兴趣和科技动手能力,为未来科学人生开启了大门。

实施方案

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一、活动时间

2018年7月25日 14:00-17:30

二、活动地点

中科院成都山地所综合测试与模拟实验中心

三、活动说明

1.本次活动要求以小组为单位参加,全体营员共分为4组,每组设2名指导教师。

2.实验主要包括土壤结构、土壤酸碱度测定、山地灾害成灾土水、砂土加固工程防治、山地灾害与无人机低空遥感(因特殊环境要求,已在野外考察期间完成实验)等5个板块共计11个项目。

3.各组队员务必服从指导教师安排,遵守实验室操作规则,在指导下先后完成各板块实验的每一个项目。

4.各小组需对每一个实验板块内容给出研究结论和总结报告,待实验完成后交流实验结论、分享心得体会。

四、实验内容

课题一:土壤结构

(一)土壤的组成和土壤结构描述

研究目的:通过野外观察记录,采用传统土壤学研究方法,从土壤结构特性等方面认识土壤。观察土壤组成、土壤结构、土壤团聚体、根系分布和土壤颜色,以及土壤动物等,对土壤本身有更进一步的了解和认识,能够从专业角度分析和判断土壤质地和土壤结构。培养营员的观察能力、描述能力。

实验方法:土壤学描述记录法

实验步骤:根据附件1中土壤组成和土壤结构各要素的具体观察项和描述方法,依次完成土壤基本信息记录表和土壤结构记录表。

(二)土壤团聚体稳定性实验--快速浸润法

实验目的:已知土壤有机质含量和土壤质地会影响土壤团聚体稳定性。土壤有机质主要是作为有机胶体将土壤颗粒粘结成团聚体,大量研究表明土壤有机质含量可以增加土壤团聚体稳定性;土壤质地对团聚体稳定性的影响主要通过土壤中粘粒的无机胶结作用实现,研究表明土壤中粘粒含量增加可以增强土壤团聚体的稳定性。该实验通过营员的观察和亲自动手,更好认识土壤团聚体,理解什么是土壤团聚体稳定性。利用实验提供的不同土地利用方式下采集到的土壤团聚体,营员自行设计实验尝试研究有机质和土壤质地与土壤团聚体稳定性关系,并在动手实验中发现问题,得到解决问题的方法,学习与其他营员的合作与交流。

实验内容:土壤团聚体稳定性实验

实验用品:实验用土壤、培养皿、纱网、滴管、滴管固定架、秒表等。

实验步骤:利用现有样品和实验用品,营员分组后自行设计实验方案和实验具体操作步骤。

(三)土体三相组成百分比测试

实验目的:让学生理解在面对问题的时候,应对的步骤为:问题是什么、需要什么条件才能解决问题、现存的条件有哪些、还需要经过什么样的操作或推理、最后才能解答问题;同时培养学生的团队合作精神,通过团队内的争论、启迪、研讨,得到对待问题的正确处理方法;

实验内容:土体三相(固、液、气)组成百分比测试;

操作过程:

1、通过对土体的仔细观察,了解土体的三相(固、液、气)组成特征,介绍土体固、液、气三相组成的大致状态;

2、介绍试验中可能涉及到的试验辅助器材及其功能;

3、让学生自己设计实验思路、编写实验方案,测试出土体中固、液、气三相组成的相对质量百分含量;

4、启发学生,如何得到土体中固、液、气的相对体积百分含量;

5、填写问题解决思路及自己的感想。

现有工具:环刀、铝盒、手套、温度计、凡士林、电热炉、土工刀、比重瓶、电子天平、游标卡尺、含水率快速测定仪。

动手小实验:现有取自野外山坡面上的土样一包,利用实验室内现场提供的的工具,测量土样的密度,测量土体中土粒、水、气的相对百分含量,给出土体中土粒、水、气的相对体积百分含量。 由营员自行写出设计实验的测试步骤,并完成参数测试。

(四)贡嘎山区土壤类型和特征研究

研究内容:认识土壤分布的垂直地带性;指导营员思考土壤形成的地形、气候、母质和植被等因素影响;学习土壤样品的采集制备方法,学习样品编号和记录。

研究方法:调查法,描述法,土壤剖面法,土壤类型图比对法

实验器材:铁锹,剖面尺,小刀,密封袋,贡嘎山区土壤类型图,洗瓶,土壤pH试纸,铅笔,记录本。

实施步骤:

(1) 利用课题一中土壤结构野外识别方法,判别不同海拔高度上的土壤类型,并记录;

(2) 采用描述记录法对不同海拔高度上的植被分布状况进行记录;

(3) 完成土壤样品的采集工作。

 

课题二:不同类型土壤酸碱度对比实验

1.实验目的:

土壤pH值是土壤溶液中氢离子活度的负对数,是土壤重要的基本性质,也是影响土壤肥力的重要因素之一,它直接影响土壤养分的存在的形态和有效性。我国各类土壤pH值变化范围很大,可用“东南酸,西北碱,南北差异大”这句话来描述。本实验采用比色法和电位法两种方法测定土壤的pH值。比色法便于野外测定,但准确度低(0.5 pH),而电位法多用于实验室,具有准确(0.02 pH)、快速、方便等优点。

2.实验原理

(1)比色法指示剂颜色会随溶液pH值的变化而改变,即指示剂在不同pH值的土壤溶液中会显示不同颜色,据此可测定土壤pH值。

(2)电位法用pH计测定土壤悬浊液pH值时,常用玻璃电极为指示电极,甘汞电极为参比电极。当玻璃电极和甘汞电极插入土壤悬浊液是,构成电池反应,两者之间产生一个电位差,由于参比电极的电位是固定的,因而该电位差的大小决定于溶液中氢离子活度,而氢离子活度的负对数即为pH值,可由pH计直接读出。

3.具体实验步骤

(1)采集土壤样品(三峡库区:已采集,汶川土壤:考察现场采集)

(2)去除大颗粒砂石、杂质,研磨,过筛(研磨棒,土壤筛,土壤样品袋)

(3)试验仪器的准备(天平,大烧杯,玻棒,胶头滴管,蒸馏水,洗瓶,ph试纸)

(4)称量土壤和水分,准备试验

(5)取土样少许与蒸馏水混合,干燥土样水土比为10:1,用玻棒搅拌,静置10分钟,然后用玻棒蘸取少许混合液的上清液,涂抹于pH广泛试纸,10秒钟后与标准比色卡比对读数,如需精确测定,则根据广泛试纸读数,选取合适的pH精密试纸以同样方法测定。

(6) 用pH计测定土壤悬浊液pH值时,常用玻璃电极为指示电极,甘汞电极为参比电极。当玻璃电极和甘汞电极插入土壤悬浊液是,构成电池反应,两者之间产生一个电位差,由于参比电极的电位是固定的,因而该电位差的大小决定于溶液中氢离子活度,而氢离子活度的负对数即为pH值,可由pH计直接读出。

(7)实验结果对比

(8)实验报告撰写注意事项

 

课题三:山地灾害成灾土水课题

(一)成灾土体中气、液、固三相体积组成测定

参与设备:环刀、铝盒、手套、电热炉、土工刀、电子天平、游标卡尺、含水率快速测定仪;

实验内容:

1、通过对土体的仔细观察,了解土体的三相(固、液、气)组成特征,介绍土体固、液、气三相组成的大致状态;

2、介绍试验中可能涉及到的试验辅助器材及其功能;

3、让学生自己设计实验思路、编写实验方案,测试出土体中固、液、气三相组成的相对质量百分含量;

4、让学生自己设计转化公式,计算出土体中固、液、气的相对体积百分含量;

5、根据含水率概念,配制出10%、15%、25%不同含水率的土样;

6、观察、描述不同含水率的土样各自特性;

(二)不同含水率土体强度的直剪实验

  参与设备:40个环刀、5个击实器、40片玻片、四联直剪仪;

实验内容:

1、介绍试样直剪强度概念和土体制样基本操作方法;

2、以1.9g/cm3的干密度,制备不同含水率直剪试样各1个;

3、使用四联直剪仪,采用100KPa法向压力,测得各自含水率土样的抗剪强度;

4、根据测得的抗剪强度,绘制“含水率——抗剪强度关系”图;

5、分析数据结果。

(三)水、震动加载对土体承载力、稳定性的影响

1、在透明砂箱中,铺垫一定厚度的细纱,在砂箱底部设有水力循环系统,在细砂顶部布设有著名景点建筑。将砂箱放置在一段滑动导轨上,利用外在动力系统使得砂箱可以在滑动导轨上左右移动。

2、当砂箱底部无水流时,上部建筑物稳定;

3、当砂箱底部有水流时,上部建筑缓慢失稳;

4、当砂箱底部无水流,出现震动加载时,快速上部建筑失稳;

5、当砂箱底部有水流,且有震动加载时,上部建筑瞬时失稳;

6、向学生解释上部建筑产生缓慢失稳、快速失稳、瞬时失稳等原因,启发学生对土体承载力、稳定性的了解。

(四)泥石流防治坝体工程试验

1、利用研究所自主开发的山地环境简易模型,在泥石流流域上游进行模拟暴雨洪水,卷蚀上游松散砂石,经中游流通去,冲击下游沟道两岸的当地民居住房;

2、参与者使用给定的建筑材料,建筑心中的理想工程,保护沟道两岸的居民不受到山洪泥石流侵害;

3、使得沟道两岸居民收到伤害最小的一组获胜。

4、提高参与者对山区泥石流坝体工程的布设、修建方式的认识,提高山区泥石流灾害的防护意识。

 

课题四:砂土加固工程防治

实验目的:让学生能够对岩土工程加固技术有一个直观的认识,了解岩土工程加固技术, 并启发其思考岩土工程加固技术的原理。同时培养学生的团队合作精神,通过团队内的讨论、试验取得试验的成功。

实验内容:如何让装满砂土的纸杯,在倒立的状态下杯子内的砂土不掉落。

操作过程:

1、介绍试验内容;

2、介绍几种现实工程中的岩土加固技术;

3、让学生自己思考、设计加固方案并动手试验;

4、实验总结:各小组阐述自己的试验结果并解释其原因,谈谈自己的试验感想。

5、填写实验表

试验工具:纸杯、砂土、剪刀、硬纸板、钉子(不同长度)。

 

课题五:山地灾害与无人机低空遥感

(一)无人机类型介绍

1、结构和气动可分为:固定翼,旋翼,复合翼(多旋翼和固定翼)。

2、按功能分类(民用无人机)

其按搭载不同任务设备,民用无人机主要分为以下几类:

1)航测遥感无人机:搭载各类遥感设备,进行遥感测绘作业

2)监控无人机:搭载各类视频监控设备,进行高压线巡查,输油管道巡查等监控作业

3)中继无人机:搭载数据中继设备(中继电台),长距离大范围信息传输

4)载货无人机:提供快捷货运物流服务

5)航拍无人机:照片和影视拍摄

6)验证无人机:等比例模型,用来验证大型飞行器结构和气动布局

7)救护无人机:快捷医疗救护

8)植保无人机:搭载喷淋播种设备,喷撒农药肥料和播种。

9)载人无人机:观光娱乐,城市通勤

(二)无人机低空遥感的特点

1.低空遥感更多采用无人机方式进行拍摄,拍摄投入成本相对大飞机航飞数据价格要低廉,风险小。

2.低空遥感数据精度较高,因为搭载设备属于一般单反相机以及定位精度较高的GPS定位系统进行定位。

3.能快速对目标区域进行反应以及获取高质量数据。

4.基本不受天气条件限制,低空遥感因为拍摄是处于云层下面,所以基本不受天气条件影响。

5.飞机在航行过程中,因为承载能力有限,拍摄设备价格相对低廉,后期处理计算量大。

6.无人机飞行高度较低,所以很容易在对流或者乱流层或者空中风力影响,数据质量拍摄不稳定,数据会模糊不清等现象出现。

7.因为搭载拍摄设备多为数码单反相机,所以每个飞行架次,拍摄的数据承载量不会很大。

8.立体像对数据获取可用率不高,高程误差较大。

由此可见,无人机遥感对于山地突发灾害的数据获取是最优选择。重大工程建设中的前期探测,灾害预防,工程进度评估,水土保持监察,植被恢复状况普查等也可发挥大作为。地震洪水灾区灾情评估,次生灾害普查等领域均为利器。

(三)遥感数据处理

1、拼接

遥感影像是无人机按航线和间距连续拍摄高清晰照片,并按相应曝光点拼接成图。相机拍摄的照片必须保证航向和航间相邻照片有足够的重叠率。

2、校正

利用RTK(Real-time kinematic)实时动态差分法。这是一种新的常用的GPS测量方法,以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度,而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法,它采用了载波相位动态实时差分方法,是GPS应用的重大里程碑,它的出现为工程放样、地形测图,各种控制测量带来了新曙光,极大地提高了外业作业效率。

3、成图

拼接好的原图经过矢量化,裁剪,添加地图三要素。

(四)无人机飞行体验

1、原理讲解

简单讲解各类飞行器的原理和相应的操控理论。

2、模型制作

动手制作一架简单模型飞机。

3、模拟飞行

采用电脑软件模拟飞行。

4、航模带飞

教练带飞固定翼航模。

5、影视拍摄

用四旋翼航拍机拍摄照片和视频。

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