水文地質(zhì)學(xué)達(dá)西實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

孫文潔 楊文凱 李軍 劉然 白俊杰 任曉宇

摘? 要：水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)是地學(xué)專業(yè)水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)體系的重要組成部分。為加深學(xué)生對(duì)水文地質(zhì)學(xué)基本理論和原理的認(rèn)識(shí)和理解，學(xué)校大規(guī)模引入了先進(jìn)的水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，展開了一系列水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與設(shè)計(jì)工作，其中以達(dá)西實(shí)驗(yàn)最具代表性。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)掌握實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)原理，了解實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)分析處理方法，不僅提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和專業(yè)思維能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的綜合分析問(wèn)題和應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為今后水文地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：地學(xué)專業(yè)? 水文地質(zhì)學(xué)? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 達(dá)西實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）02（b）-0020-04

Darcy's Experimental Design in Hydrogeology

SUN Wenjie? YANG Wenkai? LI Jun? LIU Ran? BAI Junjie? REN Xiaoyu

（College of Geoscience and Surveying Engineering， China University of Mining & Technology（Beijing）， Beijing， 100083? China）

Abstract： Hydrogeology experiment is one of the important parts in the Hydrogeology teaching system of geology. In order to enhance students' understanding of the basic theory and principle of Hydrogeology， the university introduced advanced laboratory instruments and equipment and carried out a series of Hydrogeological explorations and designs in experimental teaching， in which Darcy experiment was the most representative one. Through experimental designs， students knew experimental facility and principle and understood experimental steps and some methods of data analysis and processing. Therefore， teaching practice not only improved students' practical ability and professional thinking ability， but also cultivated the ability of analyzing problems comprehensively and solving practical problems with theoretical knowledge， and laid a solid foundation for professional courses in the field of the Hydrogeology henceforth.

Key Words： Geology; Hydrogeology; Experimental teaching; Darcy experiment

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證的一種有效途徑。目前已經(jīng)成為水文地質(zhì)學(xué)課程教學(xué)體系中必不可少的教學(xué)手段之一[1-4]。為了培養(yǎng)滿足社會(huì)與專業(yè)領(lǐng)域需求的水文地質(zhì)人才，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）根據(jù)本科生培養(yǎng)方案，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)課程[5-6]。其中，最具代表性的是達(dá)西實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)驗(yàn)證地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。因此，我們以達(dá)西實(shí)驗(yàn)為例，介紹其實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)原理及其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程，并闡述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理方法。

1? 達(dá)西實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?/p>

達(dá)西實(shí)驗(yàn)的主要目的是學(xué)習(xí)測(cè)定含水層中滲透系數(shù)的原理和方法，驗(yàn)證地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，即達(dá)西定律（也稱為線性滲透定律），加深對(duì)其的認(rèn)識(shí)和理解。主要采用室內(nèi)達(dá)西儀測(cè)定法設(shè)計(jì)展開達(dá)西實(shí)驗(yàn)。

實(shí)踐證明，地下水在巖土中的運(yùn)動(dòng)大多符合達(dá)西定律[7-8]，即滲透流量（Q）與滲透系數(shù)（K）、過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（A）和上下游過(guò)水?dāng)嗝娴乃^差（H）成正比，與滲透途徑（L）成反比;或者滲透速度（V）與滲透系數(shù)（K）和水力梯度（I）成正比。表達(dá)式如下所示，式中滲透系數(shù)K是一個(gè)表征巖土透水能力的指標(biāo)，單位采用m/d或者cm/s。實(shí)驗(yàn)開展時(shí)（見(jiàn)圖1），使水流在固定水頭條件下流過(guò)裝有試樣的達(dá)西儀，通過(guò)測(cè)量A、L、Q和H，最終計(jì)算得出試樣的滲透系數(shù)。此實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲瑫r(shí)對(duì)兩種不同巖樣的滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，便于學(xué)生觀察和對(duì)比。

（1）

2? 達(dá)西實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及設(shè)計(jì)

達(dá)西實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)量、試樣裝樣與飽和、實(shí)驗(yàn)與測(cè)試等。滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)測(cè)定的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算滲透系數(shù)，最后對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，驗(yàn)證線性滲透定律。

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)量。測(cè)量有機(jī)玻璃圓筒的內(nèi)徑（d）和圓筒上兩個(gè)測(cè)壓管間距（滲透途徑L），計(jì)算圓筒橫斷面面積（過(guò)水?dāng)嗝鍭），并記錄。（2）試樣裝樣與飽和。在圓筒底部鋪上透水的尼龍網(wǎng)，然后分別將粗砂和砂礫混合樣裝入圓筒中;緩慢打開供水開關(guān)對(duì)試樣進(jìn)行飽水操作，調(diào)整儀器直至測(cè)壓管中水位與圓筒溢水面的水位持平。（3）實(shí)驗(yàn)與測(cè)試。將穩(wěn)壓供水箱調(diào)高（高于圓筒頂端約10 cm），打開底部的供水開關(guān)。在水頭差作用下，水自下而上流經(jīng)圓筒中的模擬試樣含水層，從圓筒頂端流出。當(dāng)兩個(gè)測(cè)壓管水位穩(wěn)定時(shí)，測(cè)量?jī)蓚€(gè)測(cè)壓管水位（H1、H2）并記錄。（4）測(cè)定滲流量。等水位穩(wěn)定后，在出水口處利用量筒和秒表測(cè)定固定時(shí)間（t）內(nèi)的滲流量（W），重復(fù)測(cè)2次，2次水量差小于5%為合格，計(jì)算并記錄2次水量平均值。（5）重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)。將穩(wěn)壓供水箱的高度分別提高2次（每次約5 cm），重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟（3）和（4），再進(jìn)行3次測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)。測(cè)完粗砂樣，采用同樣方法測(cè)另一種砂礫混合樣。

2.2 計(jì)算滲透系數(shù)

將上述實(shí)驗(yàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)分別記錄于表1和表2。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算試樣滲透系數(shù)。首先利用公式（2）和（3）計(jì)算水位差（H）和滲透流量（Q），然后將計(jì)算得到的H和Q代入公式（4）和（5），分別計(jì)算水力梯度（I）和滲透速度（V），最后將上述計(jì)算得到的I和V代入公式（6），計(jì)算試樣滲透系數(shù)（K），然后將3次實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均，得出試樣的平均滲透系數(shù)值。

2.3 數(shù)據(jù)分析處理與驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，最終計(jì)算得出了粗砂和砂礫混合樣兩種巖石試樣的滲透系數(shù)。為了驗(yàn)證線性滲透定律，需要對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由達(dá)西定律表達(dá)式V=KI分析可知，V與I的一次方成正比，以V為縱坐標(biāo)、I為橫坐標(biāo)，則二者關(guān)系曲線應(yīng)為一條過(guò)原點(diǎn)的直線，直線斜率即為滲透系數(shù)。將兩組實(shí)驗(yàn)的3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪成V-I曲線，以粗砂為例，如圖2所示。

通過(guò)分析V-I擬合直線的斜率、截距和相關(guān)系數(shù)，來(lái)驗(yàn)證線性滲透定律。由圖2可知，粗砂試樣擬合直線的斜率與計(jì)算得到的平均滲透系數(shù)數(shù)值十分接近，雖然擬合直線均存在截距，但是截距數(shù)值非常小，且相關(guān)系數(shù)接近于1，因此可以認(rèn)為粗砂試樣的V-I曲線是符合達(dá)西定律的，或者說(shuō)水流在粗砂中的運(yùn)動(dòng)符合線性滲透定律。根據(jù)V-I關(guān)系曲線圖，可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析誤差產(chǎn)生的原因，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

3? 結(jié)論

（1）該文以水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)中最具代表性的達(dá)西實(shí)驗(yàn)為例，詳盡闡述了其實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理和驗(yàn)證的過(guò)程。

（2）達(dá)西實(shí)驗(yàn)開展時(shí)，學(xué)生不但要進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)操作-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的實(shí)踐過(guò)程，還要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作前“實(shí)驗(yàn)分析與設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)探索研究，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神和專業(yè)思維能力。

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