喀斯特間歇泉模擬裝置的研制

肖先煊， 蔡國軍， 虞修竟

（成都理工大學(xué)國家級地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；環(huán)境與土木工程學(xué)院；地質(zhì)與巖土工程國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，成都 610059）

0 引 言

地質(zhì)學(xué)是一門理論性及實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)習(xí)過程中要求理論和實(shí)踐相結(jié)合［1-9］。地質(zhì)學(xué)類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為學(xué)科專業(yè)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，目的是使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)理論知識的同時，通過現(xiàn)象觀察、數(shù)據(jù)量測及綜合分析，更好地理解地質(zhì)過程，掌握地質(zhì)體內(nèi)部的物質(zhì)-能量之間的作用機(jī)理，為解釋一些復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象奠定基礎(chǔ)，從而提高學(xué)生地質(zhì)技能。因此，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有顯著的局限性，不能讓學(xué)生清晰地觀測現(xiàn)象，也就無法讓學(xué)生全面認(rèn)識地質(zhì)過程，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神［10］。因而，現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，野外工程實(shí)踐設(shè)計與室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)具有較好的同步性，模擬過程為新的實(shí)驗(yàn)提供了更多的趨勢［11］。水文地質(zhì)學(xué)是一門重要的專業(yè)核心課程，在新修訂的本科教學(xué)方案里面占有重要地位。它面向我校地質(zhì)工程（原勘查技術(shù)與工程）、地下水科學(xué)與工程（原環(huán)境水文地質(zhì)）、

巖土工程等專業(yè)本科學(xué)生開設(shè)，除了理論課的學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是重要組成部分。在完成了理論課的學(xué)習(xí)后，實(shí)驗(yàn)部分無疑可幫助學(xué)生鞏固和加深理解其所學(xué)過的理論知識，提高對地質(zhì)過程的感性認(rèn)識。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課后，都一致認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置對他們學(xué)習(xí)本門課程幫助極大，也激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，更容易、直觀地去補(bǔ)充理解理論課堂上未完全掌握的知識點(diǎn)。

喀斯特間歇泉稀缺地分布在巖溶地區(qū)，具有極好的利用價值和觀賞價值。它是出露在巖溶化程度高的碳酸鹽巖地層中的巖溶泉，是一種特殊水文地質(zhì)現(xiàn)象，在我國重慶、貴州、廣西等地均有分布。因其流量呈周期性有規(guī)律地變化，又稱為多潮泉［12］或周期泉［13］。

過去，在喀斯特間歇泉出露的地區(qū)，由于人們對它的認(rèn)識不清而將其看作為神秘、迷信之物。在這樣的背景下，實(shí)驗(yàn)室教師在沒有更多資料借鑒的情況下，在實(shí)驗(yàn)室研制了喀斯特間歇泉成因模擬實(shí)驗(yàn)裝置，為地質(zhì)工程、地下水科學(xué)與工程等專業(yè)的本科生增設(shè)了這一實(shí)驗(yàn)項目。為學(xué)生們加深對水文地質(zhì)現(xiàn)象的理解提供了平臺，也大大激發(fā)了學(xué)生對地質(zhì)學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了其對大自然的熱愛和對科學(xué)問題的窮究與追逐。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 設(shè)計思路

基于地下水動力學(xué)［14］和水力學(xué)［15］原理，采用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)來還原間歇泉形成的全過程。

如圖1所示的喀斯特間歇泉成因概化模型，河谷左岸的山體巖性為碳酸鹽巖（如P1y、T2l等），可溶巖發(fā)育有溶洞，溶洞右側(cè)有一組X剪節(jié)理后期溶蝕改造而成的巖溶管道，巖溶管道一端與溶洞相連通，另一端通向河谷地帶，即為間歇泉的出口。在溶洞的上部，有長期水流沖刷和溶蝕作用形成的洼地，降雨入滲可直接經(jīng)洼地垂向滲流補(bǔ)給溶洞，溶洞的左側(cè)接受側(cè)向巖溶水的補(bǔ)給，為巖溶間歇泉形成提供水源和水動力條件。

圖1 喀斯特間歇泉成因概化模型

降水后，雨水在洼地匯集，并沿貫通的溶隙向下滲漏，補(bǔ)給溶洞，在垂向入滲補(bǔ)給及側(cè)向補(bǔ)給下（這一補(bǔ)給過程在一定時間內(nèi)相對穩(wěn)定），溶洞內(nèi)地下水位上升，且水位與巖溶管道M段的水位保持一致，當(dāng)溶洞地下水位與巖溶管道M段與N段的連接處，即拐點(diǎn)位置時，溶洞水能通過巖溶管道向外排泄，喀斯特間歇泉泉口已出現(xiàn)水流，且在緩慢地增大。當(dāng)溶洞地下水位高于M段與N段連接處的頂部時，N段的空氣可被水迅速趕出，巖溶管道充滿水，虹吸現(xiàn)象形成，間歇泉流量突然增大至流量峰值，由于補(bǔ)給量小于間歇泉最大流量，溶洞內(nèi)地下水位降低，相應(yīng)地，間歇泉流量也不斷減小。當(dāng)溶洞水位降至M段與溶洞相連接位置處，空氣吸入巖溶管道內(nèi)，水流斷開，虹吸現(xiàn)象消失，泉口干涸。在穩(wěn)定的入滲補(bǔ)給下，溶洞水位又一次上升，又重復(fù)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。可以看出，發(fā)生間歇泉現(xiàn)象最直接的原因是：①穩(wěn)定的補(bǔ)給量Q0；②Q0足夠大，能在一定時間后使得M段與N段連接處產(chǎn)生真空，巖溶管道充滿水流；③泉口最大流量Qmax大于穩(wěn)定補(bǔ)給量Q0，使得一定時間水流能斷開。

依照上述條件，參照圖1的示意圖，作者在室內(nèi)設(shè)計了喀斯特間歇泉簡易裝置，反復(fù)調(diào)節(jié)Q0，直至虹吸的形成和間歇現(xiàn)象的出現(xiàn)，并最終制作了喀斯特間歇泉模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)

喀斯特間歇泉由地質(zhì)體模擬箱、供排水系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、測流系統(tǒng)組成（見圖2）。

(1)地質(zhì)體模擬箱。主要包括模擬石灰?guī)r、溶洞、巖溶管道、洼地、間歇泉等。模擬箱體為一矩形槽，長1.2 m，寬0.45 m，高0.75 m。模擬石灰?guī)r用磚塊砌成。模擬石灰?guī)r內(nèi)發(fā)育有溶洞，溶洞內(nèi)接受垂向大氣降雨的補(bǔ)給，模擬巖溶溶洞地下水位動態(tài)變化。溶洞正上方設(shè)置有模擬洼地，洼地用于收集降雨，匯水后順溶蝕裂隙向下入滲進(jìn)入溶洞。溶洞還接受側(cè)向巖溶地下水的補(bǔ)給，溶洞的右側(cè)中下部與巖溶管道相連，巖溶管道形如“牛背”，管道另一端與大氣相通，端口為間歇泉的出水口。間歇泉的泉口高程略高于河流水面。

(2)升降系統(tǒng)。在地質(zhì)體模擬箱體左側(cè)安裝有固定在框體上的升降系統(tǒng)，頂部手柄逆時針旋轉(zhuǎn)可使固定在其上的穩(wěn)定溢流水箱下降，順時針旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定溢流水箱上升。

(3)供排水系統(tǒng)。固定在升降系統(tǒng)上的穩(wěn)定溢流水箱、水管、水泵、水閥、底部儲水箱等組成供排水系統(tǒng)。穩(wěn)定溢流箱一分為二，一段的分水箱底部與水泵相連，用于供水；另一分水箱與儲水箱相連，用于排水。所供水可提供模擬側(cè)向補(bǔ)給和垂向降雨入滲補(bǔ)給。

(4)測流系統(tǒng)。在地質(zhì)體模擬箱右側(cè)，間歇泉下游，設(shè)置有三角堰測流系統(tǒng)。該系統(tǒng)由消能板、三角堰及水位測針等組成。

圖2 喀斯特間歇泉模擬實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 工作原理和功能

喀斯特巖溶間歇泉模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要包括如下功能：

(1)展現(xiàn)間歇泉的形成過程。從溶洞、巖溶管道、洼地、溶隙等間歇泉要素的模擬，到降雨從地表進(jìn)入地下，溶洞水位變化，再到間歇泉的產(chǎn)生，可全過程清晰地呈現(xiàn)，儀器采用全透明材料制作，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常直觀，利于學(xué)生認(rèn)識和分析間歇泉成因。

(2)溶洞水位與間歇泉流量實(shí)時監(jiān)測。從溶洞水位開始上升到間歇泉口出水，虹吸現(xiàn)象形成的流量突變，再到流量衰減至0，整個過程中，模擬了溶洞水位與間歇泉流量的關(guān)系。

(3)模擬不同補(bǔ)給量、不同溶洞體積與間歇泉周期的關(guān)系。在補(bǔ)給量不大時，溶洞水位上升較慢，水位突破臨界虹吸點(diǎn)時，虹吸現(xiàn)象形成，流量達(dá)到最大值，此后，因補(bǔ)給量不大，溶洞水位下降較快，間歇泉斷開所需時間短，周期小。同樣補(bǔ)給量，溶洞體積越大，所需時間越長，斷開時間越長。

(4)確定補(bǔ)給量的范圍。間歇泉形成的補(bǔ)給量可以較小，但有個下限，如果補(bǔ)給量足夠小，補(bǔ)給流量與巖溶管道出水量相等時，虹吸無法形成。間歇泉形成的補(bǔ)給量也不能過大，補(bǔ)給流量大于虹吸最大流量時，盡管形成了虹吸，但溶洞水位始終保持不變或略有上升，在溶洞高水位地帶跳躍，始終不能斷開，也不能形成周期性的流量變化。

喀斯特間歇泉模擬實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理，可用伯努利能量方程解釋這個虹吸力。從溶洞水面到虹吸臨界點(diǎn)（圖1中M段與N段的連接點(diǎn)），虹吸臨界點(diǎn)的壓強(qiáng)則等于溶洞水面位置水頭減去臨界點(diǎn)的位置水頭加上水面壓強(qiáng)水頭再減去臨界點(diǎn)處的流速水頭。而由于臨界點(diǎn)與間歇泉出口的流速相等（假設(shè)巖溶管道均勻過水?dāng)嗝婷娣e相同），則臨界點(diǎn)處的流速為溶洞水面與間歇泉泉口的高差的那部分重力勢能轉(zhuǎn)化成動能產(chǎn)生的流速。因此，在臨界點(diǎn)處的相對壓強(qiáng)pr為負(fù)值，其大小等于水的重度γ與臨界點(diǎn)至間歇泉口高差Δh的乘積，即pr＝－γ·Δh。正是在這個負(fù)壓的作用下，產(chǎn)生了虹吸現(xiàn)象，導(dǎo)致泉流量大于補(bǔ)給量導(dǎo)致溶洞水位下降，斷開，再蓄水，再形成流量極值，再斷開。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

間歇泉的實(shí)驗(yàn)過程主要分如下幾個步驟：

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備。對喀斯特間歇泉模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行調(diào)試。將自來水管放入儲水箱中，直到儲水箱中的水約占體積的2／3后關(guān)閉自來水管停止供水。檢查模擬溶洞底部開關(guān)確保其處于關(guān)閉狀態(tài)，間歇泉泉口底部開關(guān)，使其始終為打開的狀態(tài)。利用自來水管往三角堰上游堰箱供水，當(dāng)三角堰堰口有水溢出時立刻關(guān)閉自來水管供水，一定時間后，上游堰箱的多余水全部排出，在水位測針處讀取堰口高程H0。檢查溶洞與巖溶管道的連通性（見圖3）。

圖3 喀斯特間歇泉模擬實(shí)驗(yàn)裝置圖

(2)間歇泉形成、觀測及記錄。

①間歇泉Q（t）曲線及周期。記錄溶洞初始水位后，接通水泵電源，儲水箱中水經(jīng)軟管進(jìn)入穩(wěn)定溢流箱中，一部分通過右側(cè)管進(jìn)入洼地內(nèi)，供給實(shí)驗(yàn)用水；另一部分向左側(cè)，回流至儲水箱當(dāng)中。進(jìn)入洼地內(nèi)的實(shí)驗(yàn)用水的流量、流速與穩(wěn)定溢流箱高度有關(guān)，模擬降雨入滲對溶洞的補(bǔ)給量。溶洞水位開始上升，其水位與管道M段中的水位保持一致，溶洞水位需不斷記錄，當(dāng)溶洞水位高于巖溶管道M與N段連接點(diǎn)底部時，泉口開始出流，記錄這一時刻的溶洞高水位特征值hcr1，同時不斷讀取三角堰測流系統(tǒng)水位測針的讀數(shù)，按照2 s的時間間隔進(jìn)行讀數(shù)采集堰上水頭數(shù)據(jù)并記錄，同步記錄對應(yīng)的時間。當(dāng)虹吸形成后，泉口流量突然增加，但水位標(biāo)尺讀數(shù)的突變存在滯后，這時按1 s一個數(shù)據(jù)的頻率進(jìn)行讀數(shù)，確保間歇泉流量隨時間變化曲線的測量精度。間歇泉斷開時，記錄這一時刻的溶洞低水位特征值hcr2，此后并非立刻停止讀取水位測針，由于水流滯后，需不斷地進(jìn)行讀數(shù)與測定。為了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次試驗(yàn)應(yīng)至少測定3個以上的周期的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表1中。

②確定間歇泉形成條件。在完成3個周期的流量測定實(shí)驗(yàn)后，通過逐級升高穩(wěn)定溢流箱增大入滲補(bǔ)給量，直至間歇泉無法斷開時，記錄那個入滲補(bǔ)給量Q0max；再通過逐漸降低穩(wěn)定溢流箱高度減小入滲補(bǔ)給量，直至無法形成間歇泉（虹吸不能形成），記錄那個最小補(bǔ)給量Q0min。從而得到間歇泉形成的補(bǔ)給流量范圍（Q0min，Q0max）。再測量溶洞高水位特征值Hcr1與泉口高程Hs的差值、每次間歇泉斷開時溶洞低水位特征值Hcr2等。

表1 間歇泉模擬實(shí)驗(yàn)觀察數(shù)據(jù)

③分析間歇泉周期影響因素。間歇泉的周期與溶洞體積、管道尺寸、入滲補(bǔ)給量、虹吸臨界點(diǎn)與泉口的高差等因素有關(guān)。在完成上述試驗(yàn)后，將溶洞體積擴(kuò)大至原來的3倍，其他因子不變，測定一個以上周期的間歇泉流量隨時間的數(shù)據(jù)，獲取新的Q（t）曲線。還可不斷調(diào)節(jié)入滲補(bǔ)給量，得到不同的周期性數(shù)據(jù)。其他條件如管道尺寸、虹吸點(diǎn)與泉口的高差因設(shè)備原因固定不變不宜作為變量。

(3)數(shù)據(jù)分析與處理。經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)過程，處理所記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到喀斯特間歇泉流量與時間的關(guān)系曲線（見圖4），從圖中可得到每個循環(huán)所需的時間，最大流量值，虹吸發(fā)生的時間、斷開時間以及對應(yīng)的溶洞水位特征值。也能看出，從泉口開始溢流到虹吸產(chǎn)生的所需時間，峰值從衰減至斷開所需時間等，為巖溶間歇泉的水文地質(zhì)條件的分析提供了重要數(shù)據(jù)支撐。這為野外預(yù)測間歇泉的出流時間和一次性的出流量提供依據(jù)，指導(dǎo)巖溶水資源的可持續(xù)開發(fā)與利用。

圖4 定補(bǔ)給量、溶洞體積為V/3條件下的Q（t）曲線

在其他條件不變時，改變?nèi)芏吹捏w積，使其增長至原來的3倍，同樣的方法開展實(shí)驗(yàn)，得到的間歇泉流量與時間的關(guān)系如圖5所示。可以看出，溶洞體積增大后，間歇泉的最大流量并沒有發(fā)生改變，而間歇周期延長。這表明，在MN段連接處與泉口高差不變時，間歇泉流量最大流量與溶洞體積無關(guān)，而與入滲補(bǔ)給量正相關(guān)。

圖5 定補(bǔ)給量、溶洞體積為V條件下的Q（t）曲線

(4)試驗(yàn)總結(jié)。學(xué)生分組進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)后，得到的數(shù)據(jù)和曲線分析，展開現(xiàn)場討論和總結(jié)。教師引導(dǎo)學(xué)生從喀斯特間歇泉野外地質(zhì)條件調(diào)查、水動力條件調(diào)查入手，有意識去建立概化模型［16-17］，主動性地設(shè)計實(shí)驗(yàn)條件，改變單變量去開展實(shí)驗(yàn)，得到間歇泉相關(guān)因子之間的關(guān)系。不僅從定性地角度去認(rèn)識間歇泉的成因機(jī)制，且要通過開展實(shí)驗(yàn)去深一步探索。學(xué)生們在實(shí)驗(yàn)后對問題的總結(jié)和討論極為重要，是本實(shí)驗(yàn)的一個重要環(huán)節(jié)。

2 教學(xué)課程設(shè)置及教學(xué)對象

目前，我校的本科培養(yǎng)方案中，水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)（水文地質(zhì)學(xué)）課程面向3個學(xué)院，5個專業(yè)的本科學(xué)生開設(shè)，具體分布情況如表2所示。

表2 成都理工大學(xué)水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)（水文地質(zhì)學(xué)）課程開設(shè)情況

可以看出，水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分在課程體系里面具有重要地位。針對地質(zhì)工程創(chuàng)新班學(xué)生開設(shè)的水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程，實(shí)驗(yàn)課時占總課程課時的28.6%；巖土工程專業(yè)所開設(shè)的水文地質(zhì)學(xué)課程中，實(shí)驗(yàn)課時占課程總課時的10%；其他專業(yè)所開設(shè)的水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程中，實(shí)驗(yàn)部分占課程總學(xué)時的14%～20%。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的進(jìn)行，對學(xué)生掌握本門專業(yè)課的理論知識和專業(yè)技能具有重要的幫助。因此，如何讓學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)從理論到實(shí)踐，再從實(shí)踐反饋到理論的升華過程，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要目的所在。對實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目的拓展和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的增加，是一條重要途徑。

我校的水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項目主要包括達(dá)西滲流實(shí)驗(yàn)、觀測巖土毛細(xì)水上升高度實(shí)驗(yàn)、巖土水理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、編制潛水等水位線圖實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)項目與水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)理論課程內(nèi)容基本匹配。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固然經(jīng)典，但已經(jīng)逐漸難以適應(yīng)新時代社會對創(chuàng)新人才的日益需求。基于本課程的理論基礎(chǔ)，研制新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項目對啟發(fā)學(xué)生思維和培養(yǎng)其創(chuàng)新能力有促進(jìn)作用。下表介紹了我校水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)及水文地質(zhì)學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程項目開設(shè)情況及學(xué)時組成（見表3）。

表3 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)（水文地質(zhì)學(xué)）實(shí)驗(yàn)項目一覽表

就水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程而言，將間歇泉成因模擬實(shí)驗(yàn)作為一個實(shí)驗(yàn)項目，要求學(xué)生不僅要掌握其原理和實(shí)驗(yàn)方法，還要通過實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)測定及成果分析去理解，去分析水文地質(zhì)問題。而對于巖土工程專業(yè)的學(xué)生，也需要通過理解實(shí)驗(yàn)原理，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，掌握一定的地質(zhì)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)知識。容易看出，將喀斯特間歇泉模擬實(shí)驗(yàn)項目增設(shè)進(jìn)水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)和水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程具有良好的教學(xué)意義。

3 結(jié) 語

喀斯特間歇泉模擬實(shí)驗(yàn)裝置的研制為室內(nèi)開展間歇泉成因模擬實(shí)驗(yàn)提供了條件。實(shí)驗(yàn)裝置基于對巖溶間歇泉地質(zhì)條件和水動力條件的認(rèn)識，并掌握其成因機(jī)理的基礎(chǔ)上而成功研制，間歇泉成因模擬實(shí)驗(yàn)項目的增設(shè)在促進(jìn)現(xiàn)代化水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。一方面，擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，鍛煉了學(xué)生的動手能力，為培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才提供了技術(shù)保障；另一方面，作為我校國家級地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的一部分，水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目和深化改革，更多從無到有的水文地質(zhì)設(shè)備的增加，實(shí)踐教學(xué)平臺的建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提高，增加了示范中心的影響力，在全國范圍內(nèi)起到更好的帶頭作用和輻射作用。