地下水流系統(tǒng)理論砂箱實(shí)驗(yàn)裝置的研制與應(yīng)用

孫蓉琳， 劉延鋒， 潘歡迎， 鄧 斌， 梁 杏

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，武漢430078）

0 引 言

水文地質(zhì)學(xué)研究的是在與巖石圈、地幔、水圈、大氣圈和人類活動(dòng)相互作用下，地下水的水量和水質(zhì)在時(shí)間和空間上的變化以及地下水對(duì)各個(gè)層圈相互作用產(chǎn)生的影響，從而服務(wù)于人與自然相互協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展［1］。自匈牙利裔加拿大人托特（József Tóth）于20

世紀(jì)60年代提出地下水流系統(tǒng)理論，經(jīng)過50多年的發(fā)展與完善，該理論已經(jīng)成為當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的核心概念框架［2-4］。地下水流系統(tǒng)理論指出，流域盆地中地下水位存在高程差，地下水在重力驅(qū)動(dòng)下自組織地形成嵌套式多級(jí)次水流系統(tǒng)（局部、中間和區(qū)域水流系統(tǒng)），并控制著與地下水有關(guān)的各種自然現(xiàn)象和自然作用的空間有序分布。這一理論綜合考慮了地下水與環(huán)境相互作用下的變化，為分析地下水各部分以及地下水與環(huán)境的相互作用提供了時(shí)空有序的理論框架［5］。

然而在實(shí)際水文地質(zhì)調(diào)查和研究中，很多學(xué)者和學(xué)生并沒有真正掌握并應(yīng)用地下水流系統(tǒng)理論。在已經(jīng)發(fā)表的期刊文章中，仍存在含水系統(tǒng)和水流系統(tǒng)概念混淆使用的情況。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)地下水流系統(tǒng)理論的概念，從字面上和形式上容易理解，但難以利用該理論深入分析實(shí)際水文地質(zhì)問題。究其原因，一是地下水流系統(tǒng)概念比較抽象，二是Tóth地下水流系統(tǒng)理論解析解的結(jié)果過于理想，學(xué)生難以理解看不見的地下水流竟然具有多級(jí)次嵌套式這一神奇特征。此外，氣象、水文、地質(zhì)和人類活動(dòng)等因素對(duì)地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式的影響也是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如果不把握其物理實(shí)質(zhì)，就很難應(yīng)用此理論定性或定量分析實(shí)際水文地質(zhì)問題［6-7］。

在此背景下，課程組對(duì)水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)本科課程將地下水流系統(tǒng)理論知識(shí)點(diǎn)由原來2學(xué)時(shí)增為4學(xué)時(shí)，并于2015年開始面向研究生開設(shè)地下水流系統(tǒng)理論與應(yīng)用課程。相對(duì)于本科課程，研究生課程既要重視基礎(chǔ)性和理論性，又要保持課程內(nèi)容的前沿性，重視研究方法和實(shí)踐能力的訓(xùn)練，幫助第1學(xué)年的研究生實(shí)現(xiàn)從本科到碩士階段的轉(zhuǎn)變［8］。因此地下水流系統(tǒng)理論與應(yīng)用課程主要講授地下水流系統(tǒng)理論、研究方法以及在不同工程領(lǐng)域中的應(yīng)用案例［9-10］。

6年的教學(xué)實(shí)踐中，課程組及時(shí)將地下水流系統(tǒng)理論最新的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容。課程總學(xué)時(shí)為48學(xué)時(shí)，其中28學(xué)時(shí)為課堂講授，12學(xué)時(shí)為砂箱實(shí)驗(yàn)，8學(xué)時(shí)為計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。課程組不斷研制新的實(shí)驗(yàn)裝置，開發(fā)新的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生自己設(shè)計(jì)不同氣象、水文、地質(zhì)和人類活動(dòng)影響下的物理實(shí)驗(yàn)，觀察地下水流系統(tǒng)的多級(jí)次嵌套特征以及不同情景下的地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式的演變過程。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，科學(xué)組織教學(xué)過程，著力培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的

1.1 理解含水系統(tǒng)和地下水流系統(tǒng)概念的差異

含水系統(tǒng)是由隔水或相對(duì)隔水邊界圈圍的，由含水層和相對(duì)隔水層組合而成的、內(nèi)部具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的賦存地下水的巖系。含水系統(tǒng)的邊界是地質(zhì)邊界，控制含水系統(tǒng)發(fā)育的主要是地質(zhì)結(jié)構(gòu)（沉積、構(gòu)造等），因此一般是靜態(tài)的。地下水流系統(tǒng)是由一個(gè)或多個(gè)勢(shì)源（補(bǔ)給區(qū)）流向一個(gè)或多個(gè)勢(shì)匯（排泄區(qū)）的流線簇構(gòu)成的、相互關(guān)聯(lián)的、自組織的流動(dòng)地下水體。水流系統(tǒng)的邊界是水力零通量面，在自然地理（地形、氣候、水文）、地質(zhì)因素、人類活動(dòng)等影響下會(huì)發(fā)生變動(dòng)，因此水流系統(tǒng)的邊界是動(dòng)態(tài)的，水流系統(tǒng)發(fā)育模式也會(huì)發(fā)生變化。

課程教學(xué)中，通過對(duì)比不同類型的砂箱實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生能夠深入理解含水系統(tǒng)和水流系統(tǒng)的本質(zhì)差異，靈活用于定性或定量分析實(shí)際水文地質(zhì)問題。

1.2 掌握水流系統(tǒng)的多級(jí)次嵌套特征

地下水流系統(tǒng)理論強(qiáng)調(diào)地下水在重力驅(qū)動(dòng)下能自組織地形成嵌套式多級(jí)次水流系統(tǒng)，不同級(jí)次水流系統(tǒng)的水動(dòng)力場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)和溫度場(chǎng)特征不同。局部水流系統(tǒng)位于淺表，流程短而流速快，水循環(huán)交替迅速，水化學(xué)成分簡(jiǎn)單；區(qū)域水流系統(tǒng)從區(qū)域地勢(shì)最高處流向區(qū)域地勢(shì)最低處，流程長(zhǎng)而流速慢，水循環(huán)交替慢，水化學(xué)成分復(fù)雜。2009年，我校梁杏等［11-12］研制了多級(jí)地下水流系統(tǒng)演示儀，儀器可以演示均質(zhì)各向同性介質(zhì)中二維穩(wěn)定流的多級(jí)次地下水流系統(tǒng)，直觀顯示局部、中間和區(qū)域三級(jí)水流系統(tǒng)。此后，課程組又多次對(duì)演示儀進(jìn)行改革，開展新的科學(xué)研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生利用砂箱開展流線示蹤和溶質(zhì)運(yùn)移實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)測(cè)水頭確定各級(jí)流動(dòng)系統(tǒng)的水頭分布，通過地下水不同排泄點(diǎn)的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)繪制鹽水濃度突破曲線，計(jì)算不同級(jí)次水流系統(tǒng)的地下水流速，對(duì)比不同級(jí)次水流系統(tǒng)的水動(dòng)力場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)分布差異。

1.3 理解水流系統(tǒng)模式演變的物理本質(zhì)

地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式受氣象、水文、地形、非均質(zhì)結(jié)構(gòu)、盆地長(zhǎng)深比、人類活動(dòng)等因素影響。若對(duì)給定地形和滲透系數(shù)的含水層，從大到小調(diào)整降雨入滲強(qiáng)度，地下水流系統(tǒng)出現(xiàn)5種模式，從局部一級(jí)水流系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化為多級(jí)次嵌套水流系統(tǒng)（局部+中間二級(jí)水流系統(tǒng)，局部+區(qū)域二級(jí)水流系統(tǒng)，局部+中間+區(qū)域三級(jí)水流系統(tǒng)），進(jìn)而轉(zhuǎn)換為區(qū)域一級(jí)水流系統(tǒng)。

不同因素對(duì)地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式的影響，如單靠解析解和數(shù)值模擬，條件過于理想化，學(xué)生也難以置信。通過砂箱實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自己設(shè)計(jì)不同水文、氣象、含水層結(jié)構(gòu)和開采活動(dòng)，用紅墨水示蹤流線可更直觀觀察水流系統(tǒng)發(fā)育模式的演變過程，掌握其物理實(shí)質(zhì)。

2 砂箱實(shí)驗(yàn)裝置的研制

2.1 河間地塊潛水含水層

河間地塊潛水含水層砂箱實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，潛水含水層接受降雨入滲補(bǔ)給，地下水以泄流的形式向兩邊的河谷排泄。儀器主要包含：①均質(zhì)石英砂填

圖1 適用于河間地塊潛水含水層的實(shí)驗(yàn)裝置

充的河間地塊潛水含水層；②內(nèi)置在含水層中的2個(gè)完整井和2個(gè)非完整井，分別設(shè)置在砂箱正反兩面，集水廊道水平井在砂箱底部，每個(gè)井的抽水流量大小可以人為控制；③頂部降雨裝置與蠕動(dòng)泵相連，可以定量調(diào)節(jié)雨量大小，模擬不同氣象條件；④左右兩側(cè)河谷，通過溢水箱可調(diào)節(jié)河水位高低，模擬不同水文條件；⑤地下水位測(cè)壓點(diǎn)與測(cè)壓板相連，讀取地下水位；⑥用來觀察地下水流線的紅墨水示蹤點(diǎn)。

基于潛水含水層砂箱，學(xué)生可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來探究不同氣象、水文條件以及人類開采活動(dòng)影響下的地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含3個(gè)：①左右兩側(cè)河水位相等條件下，調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度，觀測(cè)不同氣象條件下水流系統(tǒng)的演變；②左右兩側(cè)河水位不同，觀察地下水分水嶺的偏移，分析河水位變化對(duì)于水流系統(tǒng)發(fā)育模式的影響；③打開單個(gè)或多個(gè)抽水井開關(guān)，進(jìn)行不同流量的抽水，模擬人類對(duì)于地下水的開采活動(dòng)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與天然條件進(jìn)行對(duì)比，分析人類活動(dòng)對(duì)地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式的影響。每種實(shí)驗(yàn)情境下，學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的地下水位和示蹤流線繪制流網(wǎng)圖。

2.2 承壓含水層

承壓含水層砂箱實(shí)驗(yàn)裝置見圖2，含水層從河流獲得補(bǔ)給，以泉的形式排泄。儀器主要包含：①均質(zhì)石英砂填充的等厚含水層；②有機(jī)玻璃板分別構(gòu)成承壓含水層的隔水頂板和底板；③模擬承壓含水層的排泄口——斷層上升泉；④從上游到下游有3個(gè)觀測(cè)井，實(shí)驗(yàn)過程中也可以作為抽水井；⑤砂箱右側(cè)可調(diào)節(jié)河水位高低的穩(wěn)水箱；⑥砂箱底部有16個(gè)地下水位測(cè)壓點(diǎn)與測(cè)壓板相連，可以讀取水位。

圖2 適用于承壓含水層的實(shí)驗(yàn)裝置

基于承壓含水層砂箱，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究人類活動(dòng)對(duì)承壓含水層地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式的影響。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：①天然條件下，承壓含水層接受河流入滲補(bǔ)給，以泉的形式排泄。通過實(shí)驗(yàn)所測(cè)地下水位，繪制流網(wǎng)圖，分析承壓含水層區(qū)域一級(jí)地下水流系統(tǒng)特征；②在前述實(shí)驗(yàn)條件下，增加一個(gè)或多個(gè)抽水井進(jìn)行抽水，通過改變抽水井流量大小，分析人類活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)于地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式的影響。

2.3 多源匯的潛水盆地

Tóth所提出的嵌套式多級(jí)次地下水流系統(tǒng)理論是基于復(fù)雜地形起伏的盆地，有多個(gè)地下水補(bǔ)給源和排泄點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)3個(gè)不同高程的河谷作為地下水的潛在排泄點(diǎn)，從上游到下游分3段降水，模擬多源匯的潛水盆地（見圖3）。

圖3 適用于多源匯的潛水盆地的實(shí)驗(yàn)裝置（背面）

地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式不僅與氣象、水文和人類活動(dòng)有關(guān)，也與含水層非均質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，為此課程組設(shè)計(jì)了均質(zhì)、透鏡體非均質(zhì)與層狀非均質(zhì)3種含水層結(jié)構(gòu)（見圖4～6）。

圖4 均質(zhì)砂箱中多級(jí)水流系統(tǒng)

圖5 透鏡體非均質(zhì)砂箱中多級(jí)水流系統(tǒng)

圖6 層狀非均質(zhì)砂箱中多級(jí)水流系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置包含5部分：①石英砂填充的含水層，分均質(zhì)、透鏡體非均質(zhì)、層狀非均質(zhì)3種類型；②降雨系統(tǒng)，包含上游、中游、下游3個(gè)獨(dú)立的降水裝置，分別與蠕動(dòng)泵相連，可以精確控制降雨量大??；③河流排泄系統(tǒng)，3個(gè)高程依次降低的低洼河谷構(gòu)成可能的勢(shì)匯；④流線示蹤系統(tǒng)，砂箱正面上方有一排示蹤點(diǎn)，注入紅色墨水可以示蹤地下水流向；⑤水位觀測(cè)系統(tǒng)，砂箱背面有21個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，連接測(cè)壓板，可以測(cè)定砂箱中不同測(cè)壓點(diǎn)的地下水位，也可與壓力傳感器相連，監(jiān)測(cè)不同情境下地下水位動(dòng)態(tài)變化特征。

基于多源匯的潛水盆地砂箱，學(xué)生可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)MTóth理論的局部-中間-區(qū)域多級(jí)次嵌套式地下水流動(dòng)系統(tǒng)，也可以分析降雨強(qiáng)度和非均質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式的影響。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：①按照從大到小的順序，調(diào)整每一個(gè)砂箱的降雨量大小，觀察不同降雨入滲強(qiáng)度下的地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式；②對(duì)比分析均質(zhì)、非均質(zhì)砂箱實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析含水層非均質(zhì)性對(duì)水流系統(tǒng)發(fā)育模式的影響；③在選定的水流系統(tǒng)模式條件下，將上游降雨裝置補(bǔ)給源由自來水換成一定濃度的鹽水，通過對(duì)不同河谷排泄點(diǎn)的電導(dǎo)率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，繪制鹽水運(yùn)移突破曲線，分析局部、中間、區(qū)域水流系統(tǒng)中流速的差異。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

在教學(xué)過程中，課程組不斷更新教學(xué)理念，及時(shí)補(bǔ)充最新的地下水流系統(tǒng)理論科研成果，完善教學(xué)內(nèi)容。通過多樣化的教學(xué)方法和手段，使學(xué)生既能掌握地下水流系統(tǒng)理論相關(guān)知識(shí)，又能培養(yǎng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究素養(yǎng)［13-15］。在教學(xué)實(shí)踐中，堅(jiān)持以學(xué)生為主體，以研討型和問題導(dǎo)向型為主要教學(xué)方式，通過6個(gè)環(huán)節(jié)來組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。

（1）問題提出。課堂講授前將地下水流系統(tǒng)理論相關(guān)的國(guó)內(nèi)外經(jīng)典文獻(xiàn)發(fā)給學(xué)生，要求學(xué)生對(duì)文獻(xiàn)內(nèi)容進(jìn)行闡述總結(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生提出進(jìn)一步需要研究的問題。思考如何通過砂箱實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)地下水流系統(tǒng)的多級(jí)次嵌套式特征？研究氣象、水文、地質(zhì)或人為開采等因素對(duì)地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式如何影響？地下水流系統(tǒng)發(fā)育模式演變的物理實(shí)質(zhì)是什么？

（2）自主預(yù)習(xí)。近幾年來，在地下水流系統(tǒng)理論有關(guān)的科研項(xiàng)目和學(xué)校實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目的支持下，砂箱實(shí)驗(yàn)中地下水要素監(jiān)測(cè)儀器有了較大改進(jìn)，水位、流量和電導(dǎo)率測(cè)量除了人工讀取，也可用數(shù)字傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)。課程組完成了實(shí)驗(yàn)講義的編寫，制作了實(shí)驗(yàn)課件和視頻。學(xué)生通過預(yù)習(xí)，了解砂箱實(shí)驗(yàn)儀器及功能，思考實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（3）分組討論。每一個(gè)砂箱實(shí)驗(yàn)需要3～5名學(xué)生，實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，同組學(xué)生不僅要配合完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還要以小組為單位進(jìn)行成果匯報(bào)。學(xué)生分組遵循“專業(yè)背景互補(bǔ)”的原則，盡可能涵蓋不同生源和不同專業(yè)背景的學(xué)生。每個(gè)小組充分討論，設(shè)計(jì)砂箱實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)施方案。

（4）砂箱實(shí)驗(yàn)。3種類型的砂箱每種4臺(tái)，一共12臺(tái)，儀器需要在不同小組之間循環(huán)使用。3個(gè)實(shí)驗(yàn)全部完成大約需要3天，其中多源匯的潛水盆地砂箱實(shí)驗(yàn)，區(qū)域水流系統(tǒng)的鹽水從示蹤注入點(diǎn)到排泄點(diǎn)大約要10幾小時(shí)，組內(nèi)成員需要分工配合。實(shí)驗(yàn)過程中要及時(shí)處理數(shù)據(jù)，出現(xiàn)的問題要及時(shí)商討解決。

（5）提交報(bào)告。每位同學(xué)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容、步驟、數(shù)據(jù)、成果（照片、流網(wǎng)圖、溶質(zhì)運(yùn)移突破曲線圖等）以及思考題分析。教師對(duì)成果整理中常犯的錯(cuò)誤及時(shí)進(jìn)行反饋和總結(jié)。如流網(wǎng)中每相鄰兩條流線之間的流量應(yīng)該相等，不能簡(jiǎn)單按照示蹤流線照描；流線的起始點(diǎn)應(yīng)該是從潛水面出發(fā)，終止于排泄點(diǎn)，而非從地面或示蹤注射點(diǎn)出發(fā)。

（6）匯報(bào)總結(jié)。教師根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果，提前設(shè)置8～10個(gè)問題，學(xué)生也可提出自己感興趣的科學(xué)問題。每組學(xué)生領(lǐng)取問題后，組內(nèi)討論，達(dá)成共識(shí)，做成PPT并推選代表匯報(bào)。匯報(bào)中學(xué)生之間通常會(huì)出現(xiàn)激烈的辯論，此環(huán)節(jié)可幫助學(xué)生深入理解地下水流系統(tǒng)理論知識(shí)，同時(shí)提高其思辨、溝通及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

匯報(bào)總結(jié)中一些尚有爭(zhēng)議的科學(xué)問題，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)思考解決辦法，指導(dǎo)學(xué)生通過解析解、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)值模擬等方法開展進(jìn)一步的研究。通過以上6個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的連貫實(shí)施，可以促進(jìn)學(xué)生做、學(xué)、研相結(jié)合，在做中學(xué)、學(xué)中研、研中創(chuàng)［16］。

4 結(jié) 語

地下水流系統(tǒng)理論已經(jīng)成為當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)的核心概念框架。對(duì)其概念的理解和講授，如果僅僅停留于字面和形式，而不幫助學(xué)生深入把握其實(shí)質(zhì)，學(xué)生就不能融會(huì)貫通，靈活應(yīng)用于實(shí)際水文地質(zhì)問題的研究。

地下水流系統(tǒng)理論與應(yīng)用課程組研制3種砂箱實(shí)驗(yàn)裝置用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既可以幫助學(xué)生深入理解課程所涉及的基本概念和原理，又有助于學(xué)生掌握地下水流系統(tǒng)理論有關(guān)的科學(xué)研究方法。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以學(xué)生為主體，通過問題提出、自主預(yù)習(xí)、分組討論、砂箱實(shí)驗(yàn)、提交報(bào)告和匯報(bào)總結(jié)等6個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅能使學(xué)生深入理解課程教學(xué)內(nèi)容，也能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。