在国家大力倡导环境保护以及习近平总书记生态文明思想的指引下，以“三废”控制和治理为主要发展要素的环境工程行业正处于蓬勃发展的黄金时期。鉴于环境工程专业典型的交叉学科和工程学科特征，要求培养学生具有掌握环境监测、环境影响评价、污染物防治等理论知识和技能,并具有分析和解决复杂环境问题的能力，用人单位非常注重考察毕业生对这些专业知识和技能的掌握，通过本虚拟仿真实验能够再现真实场景，演示南京地区的水文水质变化、水样的采集与分析，水体污染的成因与治理等内容，让学生有接近真实的体验，巩固学生的专业知识，提高学生的专业技能。
环境工程专业核心课程《环境监测》、《环境生态学》、《环境影响评价》、《水污染治理技术》等均为环境工程专业的主干课程，课程要求学生掌握包括环境监测、水污染控制和生态治理方面的理论知识和实践能力，掌握布点采样和现场分析过程，通过数据结果判断河流污染状况，并能正确运用这些知识完成河流水体污染治理。通过本实验要达到的教学目标如下：
（1）了解南京地区水系形成和演化受到长江变迁和人类活动的深刻影响，并能利用模型计算和预测污水排放对水环境质量产生的影响，掌握局部和整体的联系，了解水文水质变迁的影响因素。
（2）以长江南京段为例，通过三维场景、动画演示，了解长江南京段的水体功能分区，掌握水质监测断面分类和设置、主要监测断面的分布、采样垂线和采样点位的设置、深水区现场采样和测定项目等理论知识和实践技能。
（3）通过三维场景、动画演示，分析和判断典型黑臭河道的主要污染来源，并通过河流二维衰减模型计算污水排放对水质产生的影响。
（4）掌握工程界常用的黑臭河道治理技术及原理，通过交互操作和动画演示，重点掌握合流制和分流制雨污收集管道的特点和利弊，理解和掌握截污井的结构和工作原理。
（5）通过仿真实验操作，培养学生的知识应用能力、思维判断与分析能力；培养学生具有创新精神、科学严谨的工作态度；具有环境污染治理、建立生态文明社会的社会责任感。
上述实验教学目标的达成有助于学生毕业后快速适应水体环境监测、水体污染综合治理等工作，为毕业生成长为高层次应用型“新工科”人才奠定重要的基础。
1）南京市水文水系变化及成因实验原理
南京地区水系属于长江下游水系，河流湖泊发育较丰富，但由于受气候变化、人为活动等因素的影响，水文水系随大时间尺度的发展和演化具有明显的特征。本实验将这种发展和演变的过程以动画的形式呈现，使学生对南京地区水文水系变化有一个直观认识，并探索引起这些变化的主要因素以及这些变化给区域水质造成的影响。
2）南京市水质变化过程和趋势
南京主要水体水质指标数据、河流湖泊流量和水量、污水排放量、主要污染物总量等数据来自2000-2020年《南京市环境状况公报》、《南京市水资源公报》、和《南京市统计年鉴》等资料。
通过污染综合指数的计算方法，总结南京地区20年来主要水体水质变化过程和趋势。污染综合指数计算方法见图1。
图1 污染综合指数计算方法
3）南京市主要水体水质变化趋势预测
灰色模型（grey models）是通过少量的、不完全的信息，建立灰色微分预测模型，对事物发展规律作出模糊性的长期描述，被广泛应用于各种预测。通过对工业废水、生活污水排放量、污染物排放量、水流量进行预测，让学生探讨利用GM(1,1)模型，预测南京主要水体水质变化趋势。公式1和2分别是工业废水和污染物排放量的预测公式，灰色模型的构建基于下述两个重要的变量废水排放量（Qgt）和污染物排放总量（Wgt）的预测。
（公式1）
（公式2）
式中： Pit---i行业工业用水重复率；R---污水处理率；
Vit---第t年该地区i行业工业产值，万元/a；
dit---万元产值废水排放量；m---某种污染物浓度，mg/L。
4）水质监测流程实验原理
水质监测是分析水质变化过程和进行水质评价的基础，水质监测流程如图2。
图2 水质监测流程
以长江南京段和秦淮河为例，通过二维和三维场景演示，重点学习和掌握在具体的河流条件下是如何进行监测点的优化布设以及现场采样的，通过仿真实验操作，提高学生水质监测方案的实施能力。
5）污染排放对水质影响分析实验原理
以南京秦淮河七里街河段为场景，识别场景中存在的主要污染源，并根据沿岸污水排入量、污染物浓度和河水流量等数据，利用河流二维稳态衰减模型（公式3），计算污水岸边直排给该河流水质带来的影响。
（公式3）
x---预测点离排放点的距离，m； y---预测点离排放口的横向距离，m；
C---预测点(x，y)处污染物的浓度，mg/L；cp---污水中污染物的浓度mg/L
Qp---污水流量，m3/s；ch---河流上游污染物的浓度(本底浓度)，mg/L；
H---河流平均水深，m； My---河流横向混合(弥散)系数，m2/s；
u---河流流速，m/s；B---河流平均宽度，m；
π---圆周率。
6）水质综合治理实验原理
以南京长江段岸线为例，通过截污控源、污水处理、构建生态驳岸、恢复水生态自净系统等综合治理措施，取得的治理成效，深刻体会习近平总书记提出的“绿水青山就是金山银山”的生态文明思想，融入课程思政的元素。
实验内容
分四个模块，
模块一、南京地区水文水质变化
图片文字动画，展示南京地区河流和湖泊的变迁，并分析其影响因素。
模块二、水体环境质量监测
水文变化和人为活动影响下，南京地区水体环境质量的变化，以及水环境监测方案制定和实施。
模块三、水体污染综合治理
介绍典型黑臭水体的治理技术以及实施；让学生根据不同的水质指标和水体功能要求，学会自主设计治理方案。
模块四、山水层林
综合治理效果，南京呈现出山水层林的美好人居环境
实验操作
第一部分：水文水质变化介绍
进入实验，以南京水体为研究对象，学生可以通过时间轴的变化，多方位认识南京地区水文水质的历史变化，主要包含：河湖变迁，水质变化。通过该步骤的学习，学生可以系统了解南京地区水文水质变化过程。
第二部分:长江沿岸污染源识别
在场景中，识别主要污染源和对应的各类污染物，进行交互性学习，让学生深刻认识水质下降的原因。
第三部分：监测断面设置
根据监测断面的型和设置要求，结合长江南京段沿岸工业、农业以及饮用水源地分布等情况，进行典型监测断面的设置和练习。
第四部分：采样垂线和采样点位设置
设置长江、秦淮河三维场景，改变河流的宽度和深度，让学生练习采样垂线、采样点位的设置。
第五部分：现场测定项目
学生通过三维实景沉浸式感受，了解透明度现场测定的方法，设置长江采样场景，进行透明度测定操作、透明度测定数据的读取。
用图片、文字、三维动画、选择交互等方式将地表水监测的各个步骤形象生动的体现出来。
第六部分：现场采集样品
学生选择必要的采样工具，按照既有设定的采样方案进行采样，详细观察深水采样瓶的构造及原理，并对水样进行保存和运输。
第七部分：水质指标测定方法选择
带回实验室的水体样品，根据测定指标，选择正确的测定方法，得到相关水质指标数据。
第八部分：地表水水质判断
用图片、文字等方式将南京近20年的主要河流湖泊水质数据进行演示，让学生根据水质指标，判断不同水体的主要污染物以及水质变化趋势。
第九部分:黑臭河道污染源分析和综合治理技术设计
学生在三维场景中发现秦淮河七里街河段出现黑臭现象，通过现场调查发现该河段有内源污染和外源污染的问题，通过图片文字介绍黑臭河道常用治理技术，进而引导学生设计黑臭河道治理方案并进行污染治理，治理过程中呈现三维变化和水质变化。
在此过程中，重点向学生展示合流制雨污收集管道的优缺点、截污井的结构、工作原理等，强化学生对河道污染治理技术的理解。
第十部分：自主设计水体污染治理方案
设置几种典型水质指标参数，如COD、BOD、氨氮、石油类指标等，让学生判断水质情况，分析存在的污染源，并结合水体功能要求，自主设计水体污染治理方案。