自制實(shí)驗(yàn)儀器在水文地質(zhì)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

王小贊, 于宗仁

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州　221116)

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自制實(shí)驗(yàn)儀器在水文地質(zhì)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

王小贊, 于宗仁

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州221116)

介紹了自制實(shí)驗(yàn)給水度儀的研制目的意義和方法,通過(guò)相關(guān)專(zhuān)業(yè)4個(gè)學(xué)年的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該儀器符合實(shí)驗(yàn)室測(cè)定巖土孔隙度、給水度和持水度的要求,測(cè)試結(jié)果正確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了:(1)沙土的孔隙度主要取決于沙土的分選性,與粒徑大小無(wú)關(guān),分選性越好孔隙度越大,分選性越差孔隙度越小,顆粒大小懸殊越大孔隙度越小;(2)沙土的給水度與顆粒大小及排列分布有關(guān),均質(zhì)的沙土,顆粒越粗給水度愈大,粗細(xì)沙混合的非均質(zhì)沙土給水度偏小,混合沙礫粒徑越小給水度越小。

自制給水度儀; 孔隙度; 給水度

自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備是教師根據(jù)自己的教學(xué)觀點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)需要,運(yùn)用先進(jìn)或獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)自行設(shè)計(jì)、加工(或委托)制造的儀器,包括教學(xué)儀器設(shè)備和軟件[1]。這種儀器能真實(shí)地演繹科學(xué)現(xiàn)象,具有極強(qiáng)的操控特點(diǎn)。創(chuàng)造性地制作各種貼近教學(xué)實(shí)際的教學(xué)儀器,能夠滿(mǎn)足課程的特別需求[2]。自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備彌補(bǔ)了市售產(chǎn)品在品種和性能方面的不足,提高了實(shí)驗(yàn)規(guī)格,提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平,同時(shí)也培養(yǎng)和鍛煉了高校實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員隊(duì)伍,充實(shí)了產(chǎn)學(xué)研的合作內(nèi)容[3]。自行研制先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,不但可以使實(shí)驗(yàn)引進(jìn)新的技術(shù),還可以使教師的業(yè)務(wù)能力得到鍛煉,增長(zhǎng)新的技能,增加工作的成就感,同時(shí)使理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合,為解決教學(xué)中的問(wèn)題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[4]。

水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)是水文地質(zhì)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,根據(jù)教學(xué)需要有幾個(gè)必須開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),所涉及到的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的廠家生產(chǎn)加工。解決這個(gè)問(wèn)題的有效途徑就是自主研制和開(kāi)發(fā)適合自己教學(xué)需要的實(shí)驗(yàn)儀器[5-6]。本文根據(jù)課程需求及本科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)自行研制了一系列適合該環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器,根據(jù)4個(gè)學(xué)年的教學(xué)實(shí)驗(yàn)使用情況來(lái)看,達(dá)到了預(yù)期的效果。

1　研制目的和意義

松散巖石的空隙是地下水賦存和運(yùn)移的通道,作為含水介質(zhì),空隙的性狀嚴(yán)格控制著地下水的埋藏分布和運(yùn)動(dòng)特性,松散巖石孔隙體積的多少是影響其儲(chǔ)容地下水能力大小的重要因素[7]?？紫抖仁侵改骋惑w積巖石(包括孔隙在內(nèi))中孔隙體積所占的比例[8]。松散巖石的給水度是表征飽和巖石在重力作用下能夠釋放或排出的水量,是指在重力排水作用下可以給出的水體積與多孔介質(zhì)體積之比,是水資源評(píng)價(jià)的重要參數(shù),也是礦坑排水或疏干、建筑工程地基設(shè)計(jì)和施工的一個(gè)重要的水文地質(zhì)參數(shù)。松散巖石的持水度是表征巖石在重力作用下仍能保持一定水量能力的指標(biāo),是指飽水巖石在重力釋水后仍能保持的水體積與巖石體積之比,其數(shù)值等于松散巖石的孔隙度與給水度的差值。所以在孔隙水研究中,首先要對(duì)松散巖石的孔隙度、給水度和持水度進(jìn)行測(cè)定,了解巖石的持水、給水能力等方面的水文地質(zhì)特征。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定這3個(gè)參數(shù)是“水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),也是水文及地質(zhì)專(zhuān)業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵內(nèi)容。由于所用實(shí)驗(yàn)儀器具有很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性,目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)廠家,有個(gè)別專(zhuān)業(yè)院校也在自行研制,但一般不對(duì)外銷(xiāo)售,在市場(chǎng)上無(wú)法得到,因此只能靠專(zhuān)業(yè)教師自己研發(fā)以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)及相關(guān)科研所需。本儀器研制的目的是為教學(xué)所用,取代現(xiàn)有已老化的設(shè)備,解決了困擾我們數(shù)年的實(shí)驗(yàn)難題。

2　儀器結(jié)構(gòu)原理

2.1設(shè)計(jì)思路

要求儀器能適合本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué),并且方便靈活、易于操作。要求儀器大小適中,既要能夠容納足夠多的砂樣土、確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度,也不能過(guò)大、過(guò)重，否則難于操作。儀器材料的選用要求耐磨耐用,經(jīng)濟(jì)實(shí)用等。

2.2儀器結(jié)構(gòu)

自制給水度儀結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1,主要包括:儀器架、進(jìn)水管、砂樣筒、重力水排水管(即出水管)。

圖1　儀器結(jié)構(gòu)示意圖

儀器架采用的材料為耐酸膠化板,尺寸30 cm×30 cm×70 cm,中間隔板可以升降、便于不同身高人員操作使用。砂樣筒采用有機(jī)玻璃材料,是內(nèi)徑為10 cm、高度為15 cm的圓柱狀。給水漏斗采用有機(jī)玻璃材料,漏斗最大處內(nèi)徑為10 cm。砂樣筒與給水漏斗連接圓盤(pán)采用樹(shù)脂材料,內(nèi)徑為11 cm,連接處采用石英砂透水板。補(bǔ)水計(jì)量裝置采用50 mL酸式滴定管。出水管采用玻璃三通管,高度可調(diào)節(jié),在儀器飽水時(shí)排出筒內(nèi)多余的水量。重力水釋放量用量杯計(jì)量,用帶有開(kāi)關(guān)閥的銅質(zhì)三通管和乳膠管連接給水漏斗、進(jìn)水管和出水管。

3　物化成果

考慮到學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中易碎部件的消耗,本次共計(jì)加工砂樣筒15套、排水玻璃管17套,組裝成品給水度儀10套,組裝后的給水度儀見(jiàn)圖2。

圖2　水度儀

4　儀器使用方法

(1) 連接儀器:調(diào)整儀器架高度,連接進(jìn)水管、砂樣筒和出水管。注意檢查進(jìn)水管、三通管是否漏水。

(2) 儀器飽水:打開(kāi)A、B開(kāi)關(guān),調(diào)節(jié)出水管高度使其高于砂樣筒的透水板,從進(jìn)水管注水,使漏斗、透水板及三通連接管充滿(mǎn)水，然后降低出水管高度排出砂樣筒內(nèi)多余的積水。

(3) 填裝砂樣:不同的砂樣需要采用不同的填裝方式,現(xiàn)以礫石(粒徑為5～10 mm)、砂(粒徑為0.25～0.5 mm)及砂礫混合樣(把上述兩砂樣混合)為例予以說(shuō)明。

① 礫石的填裝:關(guān)閉A、B開(kāi)關(guān),將礫石逐漸加入砂樣筒并確保砂樣密實(shí),直至與砂樣筒口平齊。

② 砂礫混合樣的填裝:關(guān)閉A、B開(kāi)關(guān),先裝部分礫石再裝砂樣,輕搖砂樣筒使礫石的孔隙盡量被砂樣充滿(mǎn),重復(fù)以上步驟,直至砂樣與砂樣筒口平齊。

③ 細(xì)砂的填裝:由于細(xì)砂有較強(qiáng)的毛細(xì)管吸附力,在裝砂過(guò)程中透水板或漏斗中的水有可能被砂樣吸附,導(dǎo)致孔隙度結(jié)果偏小,所以需做專(zhuān)門(mén)處理。關(guān)閉B開(kāi)關(guān),在均勻填裝砂樣的同時(shí),調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)A慢慢從進(jìn)水管注水,直至砂樣與砂樣筒口平齊。

(4) 孔隙度測(cè)量:保持開(kāi)關(guān)A開(kāi)通,從進(jìn)水管給砂樣筒補(bǔ)水,直到砂樣飽和為止,計(jì)算出進(jìn)水量(孔隙體積)V1。進(jìn)水量體積V1與砂樣筒容積V(砂樣體積)之比即為砂樣的孔隙度n。

(5) 給水度測(cè)量:保持開(kāi)關(guān)A關(guān)閉,開(kāi)關(guān)B開(kāi)通,飽和砂樣中的水會(huì)在重力作用下從出水管流入量杯,出水過(guò)程終止后,記錄出水量體積V2。出水量V2與砂樣筒容積V之比為砂樣的給水度μ。

(6) 持水度:孔隙度與給水度之差。

5　儀器使用情況

自2010年10月學(xué)校組織專(zhuān)家驗(yàn)收合格后儀器開(kāi)始投入使用,先后完成了本科地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)16個(gè)學(xué)生班、水文水資源專(zhuān)業(yè)8個(gè)學(xué)生班以及地質(zhì)能源專(zhuān)業(yè)16個(gè)學(xué)生班4個(gè)學(xué)年的“水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

將學(xué)生4年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值進(jìn)行平均,然后與所用教材《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》中所給出的參考值進(jìn)行比較,見(jiàn)表1?？梢钥闯?除了礫石的給水度外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果均與理論參考值相吻合。分析認(rèn)為,造成礫石的給水度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論參考值不吻合的原因?yàn)?實(shí)驗(yàn)室所用的礫石砂樣是經(jīng)過(guò)粒徑篩選的純礫石,不夾雜細(xì)砂,并對(duì)砂樣進(jìn)行多次淘洗和烘干處理,與實(shí)際自然界混合的礫石砂樣相比,孔隙大,結(jié)合水和毛細(xì)水偏少,所以實(shí)驗(yàn)所得的給水度值偏大。

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與參考值對(duì)比表

注: 表中孔隙度參考值出自于文獻(xiàn)[7],給水度參考值出自文獻(xiàn)[9]。

為了驗(yàn)證巖土孔隙度、給水度、持水度與沙土粒徑大小、分選性的關(guān)系等教材中的知識(shí)點(diǎn),特意選了礫石(粒徑5～10 mm)、粗砂(粒徑2～5 mm)、細(xì)砂(粒徑0.5～1.0 mm)及3種砂樣分別混合后的砂樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。根據(jù)地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)2011—2012級(jí)8個(gè)班級(jí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2),分析得出以下結(jié)論:

(1) 沙土的孔隙度與粒徑大小無(wú)關(guān),與沙土的分選性有很大關(guān)系。沙土中孔隙的大小取決于顆粒的大小,顆粒粗的孔隙大但孔隙的個(gè)數(shù)少,顆粒小的孔隙小但孔隙個(gè)數(shù)多,所以沙土顆粒大小對(duì)孔隙度無(wú)決定性影響。分選性越好孔隙度越大,分選性越差孔隙度越小,顆粒大小懸殊越大孔隙度越小,是由于細(xì)小顆粒充填于大顆粒之間的孔隙中,自然會(huì)大大降低孔隙度。

(2) 給水度的影響因素包括巖石顆粒大小及排列分布情況。對(duì)于均質(zhì)的松散巖石,顆粒越粗,重力釋水時(shí)滯留于巖石孔隙中的結(jié)合水和毛細(xì)水越少,給水度大。從表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，礫石給水度最大,并且在數(shù)值上很接近孔隙度(容水度)。顆粒細(xì)小的沙土,由于結(jié)合水和毛細(xì)水占比例較大,給水度小。對(duì)于粗細(xì)砂混合得非均值松散砂樣,由于孔隙大小不同,大的孔道優(yōu)先釋水,在小的孔道中形成部分懸掛毛細(xì)水不能釋出,使得給水度偏小[9-10]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與教材中的知識(shí)點(diǎn)相符,達(dá)到了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的目的。

表2　不同砂樣孔隙度和給水度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6　儀器的特點(diǎn)

(1) 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,維護(hù)方便。所需實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備專(zhuān)用性強(qiáng),社會(huì)需求量小,價(jià)格昂貴,大多無(wú)法從市場(chǎng)直接購(gòu)買(mǎi)到,即使能購(gòu)買(mǎi)的到,在使用和功能上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求[11],本研制項(xiàng)目不但解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題,也節(jié)約了大量資金。由于是實(shí)驗(yàn)教師自行設(shè)計(jì)完成,所花經(jīng)費(fèi)很少,除試樣筒、漏斗、進(jìn)水管和出水彎頭幾個(gè)玻璃品需要購(gòu)買(mǎi)外,儀器架和各部件的連接膠粘都是自己完成,大大節(jié)約了成本?？紤]到學(xué)生人多對(duì)儀器損壞的可能性大,在制作時(shí)盡量采用經(jīng)濟(jì)耐用的材料,比如試樣筒及漏斗采用有機(jī)玻璃,儀器架用輕便易移動(dòng)的PVC耐酸膠化板。儀器各部件獨(dú)立,出現(xiàn)問(wèn)題可自行更換修補(bǔ),節(jié)約了運(yùn)行成本。

(2) 實(shí)用性強(qiáng),操作簡(jiǎn)便,易于開(kāi)展綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。自制實(shí)驗(yàn)儀器是根據(jù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目制作的更適用、更合理的實(shí)驗(yàn)裝置,這種裝置的特點(diǎn)是面廣,適用性強(qiáng)[12]。本次制作的實(shí)驗(yàn)儀器可操作性強(qiáng),各部件獨(dú)立制作,組裝方便簡(jiǎn)單,儀器配件容易得到,學(xué)生可自行組裝,由原來(lái)的被動(dòng)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成自主完成,實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果很好。

7　結(jié)語(yǔ)

本文介紹的自制給水度實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)原理科學(xué),結(jié)構(gòu)合理,操作方便,耐用實(shí)惠,適合本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)4個(gè)學(xué)年1 300多名本科生的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),該儀器實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確,學(xué)生反映很好,適合在水文地質(zhì)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣應(yīng)用。

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Application of self-made experimental instruments in hydrogeology teaching

Wang Xiaozan, Yu Zongren

(School of Resources and Earth Sciences, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China)

The developing goal and methodology of self-made specific yield instrument are introduced. It is turn out by 4 academic-years experiments that the instrument meets the requirements for measuring porosity, specific yield and specific retention and the results are correct. Experimental results support such viewpoints in the textbook: (1) porosity of sandy soil depends on sorting and not on the grain size. Good sorting results in large porosity and worse sorting come up with less porosity with large difference in grain sizes resulting in small porosity. (2) Specific yield of sandy soil is affected by grain sizes and distribution. Specific yield will increase with larger grain sizes in homogeneous sandy soil, while specific yield can be quite low in non-homogeneous mixed sandy soil. Specific yield will be less when grain size of mixed sand soil decreases.

self-made instrument; porosity; specific yield

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.021

2015- 09- 27修改日期：2015- 11- 04

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處自制實(shí)驗(yàn)儀器項(xiàng)目

王小贊(1964—)，女，陜西西安，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源.

E-mail：xzwang126@126.com

P641-33

A

1002-4956(2016)4- 0073- 04