海岸带咸淡水界面模拟实验的教学实践

周 训，宋 超，赵敬波，封 妍，方 斌，沈 晔

1．中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京　100083；2．地下水循环与演化教育部重点实验室，北京　100083

实践教学

海岸带咸淡水界面模拟实验的教学实践

周 训1，2，宋 超1，赵敬波1，封 妍1，方 斌1，2，沈 晔1，2

1．中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京100083；2．地下水循环与演化教育部重点实验室，北京100083

摘 要：在地下水科学与工程本科专业课程教学新开设的“地下水科学专论”专业主干课中，设计制作一个新的实验装置，开展“海岸带咸淡水界面模拟实验”的实验教学，直观地展示了咸淡水突变界面的形态以及咸淡水水头差和密度差对界面的影响，可以加深学生对海岸带水循环和渗流过程中的水动力变化的认识，有助于培养学生的创新意识。

关键词：海岸带；咸淡水界面；模拟实验；实验教学

实验教学是培养学生创新能力和专业素养的重要环节。通过实验教学有望使学生的创新意识在一定程度上得到启发和锻炼[1-3]。在地下水科学与工程本科专业课程教学过程中，新开设了“地下水科学专论”专业主干课，除了在讲授地下热水的形成和循环的内容时进行“地下热水循环模拟实验”外[4]，在讲授海岸带地下水时，我们自主设计制作一个新的实验装置，新增设“海岸带咸淡水界面模拟实验”的实验教学内容，有助于加深学生对海岸带地下水循环过程的理解和培养学生的创新意识，取得了良好的教学效果。这一实验的内容和过程十分直观，使不易直接观察的地下水文地质现象变得容易理解，极具地下水科学与工程专业的特色。利用这一实验装置，还开展了一个学校的开放实验项目和一个大学生创新创业训练计划项目。

一、实验原理与装置

1．实验原理

海岸带咸淡水之间关系的数学描述是研究海岸带地下水水动力变化和滨海地区的水环境演变的重要理论基础。将咸水和淡水之间的接触关系处理成一个突变界面，是海岸带地下水动力学分析的基本方法[5]。早在100多年前Ghyben和Herzberg就定量研究了海岸带咸淡水之间的关系，提出了依赖潜水位确定咸淡水突变界面位置的数学公式，这就是经典的Ghyben-Herzberg公式[6]。但是，在海岸带地下含水层中是否存在咸淡水突变界面？咸淡水突变界面的位置是否只依赖于潜水位，还是既依赖于淡水带的淡水水头又依赖于咸水带的咸水水头？由于无法直接对地下咸淡水界面进行直观观测，这些问题需要通过模拟实验来予以演示和验证。本实验通过对海岸带潜水含水层进行概化，可以在一个渗流槽内构建海岸带咸淡水界面，并考察咸淡水水头差和密度差对咸淡水界面位置的影响，实测界面的位置与海岸带水头的数量关系。通过反复实验，观测渗流槽内咸淡水界面位置、淡水水头和咸水水头以及压力、密度的变化，建立咸淡水界面位置与上述物理量之间的关系。实验过程可以加深学生对依赖淡水带水头和咸水带水头确定咸淡水界面位置的公式的理解，从而加深对海陆交互带水循环中能量传输的理解。

2．实验装置

利用透明有机玻璃制作一个内壁长140cm、宽20cm、高60cm的渗流模拟实验槽，放置在高度为0.5m的不锈钢框架支座上。在玻璃槽中间长105cm、高55cm的一段充满细砂构建一个潜水含水层，两侧有滤网。实验槽右端15cm长的一段为淡水进水端，中间有一高度为50cm的固定垂直挡板，在该挡板的左侧有一进水管，右侧有一出水管，固定挡板起到溢水作用，使进水端水位保持稳定。在实验槽左端20cm长的一段，在中间放置一块插入式垂直活动挡板（其高度可以改变，但小于50cm），在该挡板的右侧有一进水管，流进咸水，左侧有一出水管，流出咸淡水。在实验槽中间的砂槽的一侧（背面）的外壁通过打孔安装压力传感器观测槽内压力，在4条垂直线上分3层共安装压力传感器12个，在另一侧（正面）的外壁通过打孔在靠近左端与压力传感器对应的第一条垂直线的位置自下而上均匀安装7个测压管（测压计），用来观测槽内水头和测量对应点咸淡水的密度。在靠近咸水一侧的第一条垂直线上，需要有2个压力传感器和至少2个测压管位于咸淡水界面之上，1个压力传感器和至少1个测压管位于咸淡水界面之下。事先用食盐配置好咸水，并加入红色食用染色剂，红色的咸水放置在高度为1.5m的支架之上的一个水箱里，通过水管流进渗流槽左端。事先观测咸水、淡水的密度。先在左端流进咸水，然后在右端流进淡水，再调整淡水进水流量、咸水进水流量和淡、咸水端水位，直到在中间砂槽内形成稳定的咸淡水界面为止。通过12个压力传感器观测渗流场内各点的压力，并通过数据采集机传送到计算机显示器实现自动观测，实时输出各观测点的压力，并记录7个测压管内的水头观测数据，同时用密度计观测各测压管内水的密度。实验装置如图1所示。由于咸水已染成红色，在渗流槽内可以看到红色的咸水与无色的淡水之间存在一个突变界面，其前沿往淡水一侧延伸致一定的距离（图1）。在实验过程中需要收集流出来的咸淡水，略加食盐和染色料后再加以循环使用。

图1　实验装置图和咸水密度为1.025 g/cm3时的咸淡水界面

二、实验内容与方案

当渗流槽内的介质为同一种砂时，通过改变咸水的密度和改变咸水、淡水两端的水头差，观测咸淡水界面向淡水端的倾斜程度和咸淡水界面前沿向淡水端的延伸距离，同时观测各观测点压力的变化，观测各测压孔水头和密度的变化。

（1）咸水密度为1.025g/cm3时的海岸带咸淡水界面模拟实验。

第一步，在左端活动挡板高度为45cm时观测砂槽内潜水稳定流各观测点的压力与各测压孔水头和密度，观测稳定的咸淡水界面的位置，包括在第一条垂直线上界面距渗流槽底板的高度或距左端咸水面的深度，以及咸淡水界面前沿距左端咸水的距离。反复实验，直到出现满意的咸淡水界面为止。及时照相记录咸淡水界面的位置。

第二步，在左端活动挡板高度为40cm时重复实验步骤一。

第三步，在左端活动挡板高度为35cm时重复实验步骤一。

（2）咸水密度为1.1g/cm3时的海岸带咸淡水界面模拟实验。

将水箱内的水改为密度为1.1g/cm3的咸水，重复实验步骤一、二和三。

（3）改变渗流介质时的海岸带咸淡水界面模拟实验。

必要时也可以改变渗流槽内的介质，即改用较粗或较细的砂，重复实验方案（1）和（2）。

（4）咸淡水界面位置的实测值和计算值的对比。

依据《地下水科学专论》[5]中海岸带同一条垂直线上的淡水水头与咸水水头确定咸淡水界面位置的公式和海岸带同一条垂直线上的淡水压力与咸水压力确定咸淡水界面位置的公式计算界面的位置[5]，并用实测的界面位置加以对比。

三 实验结果

（1）在咸水密度为1.025g/cm3和1.1g/cm3、左侧挡板高度为45cm的实验条件下，获得了较为稳定的咸淡水界面，如图1和图2所示。

图2　咸水密度为1.1g/cm3时的咸淡水界面

（2）利用测压孔的观测获得了不同实验条件下的淡水带水头与咸水带水头和相应的密度观测数据。观测结果表明，利用理论公式获得的计算界面与实测界面之间的差距并不大，基本小于10%，并且在大多数情况下计算界面略有偏小。

（3）利用压力传感器并通过计算机的自动观测获得了不同实验条件下的淡水带压力与咸水带压力和相应的界面位置的实测和计算数据。

四、教学效果

（1）本实验能够较好地模拟海岸带的咸淡水界面。在实际的海岸带人们无法直观地观测到地下咸淡水界面的存在。本实验在渗流槽的中间一段由红色的咸水和无色的淡水形成一个突变的界面，具有很好的直观和全新的视觉效果，从而加深学生对咸淡水界面的认识。

（2）咸淡水界面的清晰程度和稳定性与两端的咸水、淡水的水头差有关。当咸水密度为一定时咸淡水之间较小的水头差可以使咸淡水界面稳定性提高、界面更清晰。当咸水密度较低为1.025 g/cm3时，咸水水位距底面为40cm时无明显咸淡水界面出现，当咸水水头提高距底面为45cm时，界面现象较为明显。从而加深学生对咸淡水水头差即淡水带淡水流速对界面影响的认识。

（3）咸淡水之间的密度差对咸淡水界面的稳定性和形态有着重要影响。密度差越大，界面越易稳定，界面形态越趋于扁长，界面的坡度变小（图2）。密度差越小，界面越不易稳定，界面形态扁短，界面的坡度较大（图1）。这些现象可以加深学生对咸淡水的密度变化对界面影响的认识。

（4）在静水条件下，咸淡水之间无明显界面，咸淡水接触带形成过渡带。说明淡水带存在淡水的适度流动，有助于海岸带咸淡水界面的存在，并且淡水流量越大，越有利于抑制咸淡水界面向淡水一侧的延伸。从而加深学生对海水入侵防治的认识。

（5）在咸水端存在淡水出口，而且咸水与淡水密度差越大，淡水出口越大，而不是像Ghyben-Herzberg公式描述的那样，不存在淡水出口。从而加深学生对Ghyben-Herzberg公式的适用性的理解。

（6）咸水带的咸水水头不同于左端咸水水位，而不是像Ghyben-Herzberg公式描述的那样，咸水带的咸水水头与海（咸）水水位相同。这一现象意味着确定咸淡水界面的位置需要考虑咸水带的咸水水头。从而启发了学生的创新意识。

（7）淡水带的淡水水头和咸水带的咸水水头都对咸淡水界面的位置有着重要的影响，因而确定界面位置的公式既依赖于淡水带的淡水水头又依赖于咸水带的咸水水头。从而加深学生对海陆交互带水循环中水动力变化和能量迁移的理解。

五、结束语

实验教学是培养学生创新意识的重要途径[7-8]。我们设计制作海岸带咸淡水模拟实验装置，可用于地下水渗流与循环的教学演示，使学生能直观地感受不易实际观测的海岸带水文地质现象，密切了学生在理论学习与实际分析之间的联系[9]。学生在参加实验过程中锻炼了他们的观测能力和动手能力，培养了学生的创新意识。实验过程中所观测到的全新的结果和现象也激发了学生对科学研究的兴趣。利用该实验装置还可以进行一系列的实验，包括使左侧咸水水位发生波动，模拟海岸带潮汐作用对界面移动和海岸带水头变化的影响，在右侧设置抽水井模拟海岸带海水入侵等，从定性研究进入到细化的定量研究。

实验教学丰富了课程教学内容，促进了教学改革和专业建设的发展[10]。海岸带咸淡水界面模拟实验既是对传统的地下水渗流实验[11]的极大拓展，也是对海陆交互带水循环过程的简化模拟和再现，丰富了专业课程的教学内容，加深了学生对地下水渗流和循环过程的丰富内涵的理解。增添新的实验项目和实验内容，也有助于实验室建设走在学科的前沿，既是地下水循环与环境演化教育部重点实验室建设的重要组成部分，也丰富了水文学及水资源北京市重点学科建设和地下水科学与工程国家级第一类特色专业建设的内容。

致谢：感谢杨欢、杨礼琨、刘赫淳、王彪、王冠群、郭金华、李思宁和王毅等参加实验工作。

参考文献：

[1] 周宜君，冯金朝，戴景峰.依托实验中心平台，培养学生实践和创新能力[J].实验技术与管理， 2012，29(3)：311-313.

[2] 周艳军，张启俭，齐平，等.提升学生实践与创新能力培养途径的探索[J].实验技术与管理， 2011，28(7)：218-220.

[3] 张可方，雷勇锋.精品课程建设过程中实验教学的改革于探索[J].中国建设教育，2011，2(3-4)：43-45.

[4] 周训，方斌，郭帅.地下热水循环模拟实验教学与学生专业素质的培养[J].实验技术与管理， 2012，29(3)：259-260.

[5] 周训，金晓媚，梁四海，等.地下水科学专论[M].北京：地质出版社，2010.

[6] Domenico P A,Schwartz F W.Physical and Chemical Hydrogeology[M]. New York:John Wiley&Sons, Inc, 1990.

[7] 赵玉红，肖长来，卞健民，等.水文学及水资源专业实验教学的改革与实践[J].实验室研究与探索，2011，30(1)： 92-95.

[8] 李丽洁，施瑞，陈树森. 大学生创新实验项目中的实验教学[J].实验技术与管理， 2011， 28(3)：162-164.

[9] 周训，胡伏生，何江涛，等.地下水科学概论[M].北京：地质出版社，2009.

[10] 段凤魁，胡洪营，杨宏伟，等.环境学科新型实验实践教学体系的建设进展[J].实验技术与管理，2011，27(7)：142-144.

[11] 赵玉红，肖长来，段长春.水资源基础实验室开放式教学改革与实践[J].实验技术与管理，2011，29(1)：168-171.

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1006-9372 （2013）03-0090-04

收稿日期：2013-04-10。

基金项目：中国地质大学(北京)2012年度教学研究与教学改革项目(JGMS-201205)，中国地质大学(北京)大学生创新创业训练计划(国家级创新实验)项目(2012AG0037)，中国地质大学(北京)教学实验室(中心)开放基金项目，国家自然科学基金项目(41172227)，教育部博士学科点专项科研基金优先发展领域项目(20110022130002)。

作者简介：周 训，男，教授，主要从事海岸带地下水、地下热水(温泉)、地下卤水、矿泉水、地下水循环及其模拟的教学和研究工作。

Teaching Practice of Modeling Experiment of Fresh Water-Salt Water Interface in Coastal Zones

ZHOU Xun1,2, SONG Chao1, ZHAO Jing-bo1, FENG Yan1, FANG Bin1,2, SHEN Ye1,2
1. China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. Key Laboratory of Groundwater Circulation and Evolution, Ministry of Education, Beijing 100083, China

Abstract：A new experimental apparatus is designed and used to model the fresh water-salt water interface in coastal zones in the new main specialty course of specialty topics on groundwater sciences in teaching of the undergraduate courses for the specialty of groundwater sciences and engineering. The shape of the sharp fresh water-salt water interface is directly displayed and the effects of the differences in hydraulic heads and densities between the fresh water and salt water on the interface are examined. The experiments may help students enhance the understanding of the changes in hydraulics in the course of water circulation and seepage in coastal zones. The experimental experience is helpful for increasing the students’ innovative consciousness.

Key words：coastal zone; fresh water-salt water interface; modeling experiment; experiment of teaching