水文地質學達西實驗設計

孫文潔 楊文凱 李軍 劉然 白俊杰 任曉宇

摘? 要：水文地質學實驗是地學專業水文地質學課程教學體系的重要組成部分。為加深學生對水文地質學基本理論和原理的認識和理解，學校大規模引入了先進的水文地質學實驗儀器和設備，展開了一系列水文地質學實驗教學探索與設計工作，其中以達西實驗最具代表性。學生通過實驗設計掌握實驗裝置和實驗原理，了解實驗步驟和數據分析處理方法，不僅提高了學生動手實踐能力和專業思維能力，也培養了學生的綜合分析問題和應用理論知識解決實際問題的能力，為今后水文地質學領域專業課程的學習奠定了堅實的基礎。

關鍵詞：地學專業? 水文地質學? 實驗教學? 達西實驗

中圖分類號：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：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

實驗教學是對理論知識進行驗證的一種有效途徑。目前已經成為水文地質學課程教學體系中必不可少的教學手段之一[1-4]。為了培養滿足社會與專業領域需求的水文地質人才，中國礦業大學（北京）根據本科生培養方案，設計了相應的水文地質實驗課程[5-6]。其中，最具代表性的是達西實驗，通過實驗設計來驗證地下水運動的基本規律。因此，我們以達西實驗為例，介紹其實驗裝置、實驗原理及其實驗設計過程，并闡述實驗數據分析處理方法。

1? 達西實驗目的和原理

達西實驗的主要目的是學習測定含水層中滲透系數的原理和方法，驗證地下水運動的基本規律，即達西定律（也稱為線性滲透定律），加深對其的認識和理解。主要采用室內達西儀測定法設計展開達西實驗。

實踐證明，地下水在巖土中的運動大多符合達西定律[7-8]，即滲透流量（Q）與滲透系數（K）、過水斷面面積（A）和上下游過水斷面的水頭差（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（K）和水力梯度（I）成正比。表達式如下所示，式中滲透系數K是一個表征巖土透水能力的指標，單位采用m/d或者cm/s。實驗開展時（見圖1），使水流在固定水頭條件下流過裝有試樣的達西儀，通過測量A、L、Q和H，最終計算得出試樣的滲透系數。此實驗能夠同時對兩種不同巖樣的滲透系數進行測定，便于學生觀察和對比。

（1）

2? 達西實驗過程

2.1 實驗內容及設計

達西實驗內容主要包括基礎數據測量、試樣裝樣與飽和、實驗與測試等。滲流實驗結束后，通過測定的數據來計算滲透系數，最后對測定數據進行分析處理，驗證線性滲透定律。

（1）基礎數據測量。測量有機玻璃圓筒的內徑（d）和圓筒上兩個測壓管間距（滲透途徑L），計算圓筒橫斷面面積（過水斷面A），并記錄。（2）試樣裝樣與飽和。在圓筒底部鋪上透水的尼龍網，然后分別將粗砂和砂礫混合樣裝入圓筒中;緩慢打開供水開關對試樣進行飽水操作，調整儀器直至測壓管中水位與圓筒溢水面的水位持平。（3）實驗與測試。將穩壓供水箱調高（高于圓筒頂端約10 cm），打開底部的供水開關。在水頭差作用下，水自下而上流經圓筒中的模擬試樣含水層，從圓筒頂端流出。當兩個測壓管水位穩定時，測量兩個測壓管水位（H1、H2）并記錄。（4）測定滲流量。等水位穩定后，在出水口處利用量筒和秒表測定固定時間（t）內的滲流量（W），重復測2次，2次水量差小于5%為合格，計算并記錄2次水量平均值。（5）重復多次實驗。將穩壓供水箱的高度分別提高2次（每次約5 cm），重復上述實驗步驟（3）和（4），再進行3次測試，并記錄數據。測完粗砂樣，采用同樣方法測另一種砂礫混合樣。

2.2 計算滲透系數

將上述實驗測定的數據分別記錄于表1和表2。

根據實驗數據，計算試樣滲透系數。首先利用公式（2）和（3）計算水位差（H）和滲透流量（Q），然后將計算得到的H和Q代入公式（4）和（5），分別計算水力梯度（I）和滲透速度（V），最后將上述計算得到的I和V代入公式（6），計算試樣滲透系數（K），然后將3次實驗計算結果進行算術平均，得出試樣的平均滲透系數值。

2.3 數據分析處理與驗證

通過實驗，最終計算得出了粗砂和砂礫混合樣兩種巖石試樣的滲透系數。為了驗證線性滲透定律，需要對測定數據進行處理。由達西定律表達式V=KI分析可知，V與I的一次方成正比，以V為縱坐標、I為橫坐標，則二者關系曲線應為一條過原點的直線，直線斜率即為滲透系數。將兩組實驗的3次實驗結果繪成V-I曲線，以粗砂為例，如圖2所示。

通過分析V-I擬合直線的斜率、截距和相關系數，來驗證線性滲透定律。由圖2可知，粗砂試樣擬合直線的斜率與計算得到的平均滲透系數數值十分接近，雖然擬合直線均存在截距，但是截距數值非常小，且相關系數接近于1，因此可以認為粗砂試樣的V-I曲線是符合達西定律的，或者說水流在粗砂中的運動符合線性滲透定律。根據V-I關系曲線圖，可以進一步引導學生分析誤差產生的原因，培養學生的思維能力。

3? 結論

（1）該文以水文地質學實驗中最具代表性的達西實驗為例，詳盡闡述了其實驗原理、實驗設計以及實驗數據分析處理和驗證的過程。

（2）達西實驗開展時，學生不但要進行“實驗操作-實驗驗證”的實踐過程，還要進行實驗操作前“實驗分析與設計”的實驗探索研究，培養了學生的動手實踐能力、創新精神和專業思維能力。

參考文獻

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