利用物理模型模拟三维地质实体 提高《水文地质学》实验课教学效果

马增数，刘秀峰

摘要：石家庄铁道大学为勘察技术与工程专业学生开设了水文地质学课程，该课程实践性强，学生需要通过实践环节才能更好地建立地质实体的三维空间概念。然而受各方面条件所限，目前的野外现场实习没有安排这方面的实习内容。为此，我们在实验室中利用物理模型来模拟三维地质实体，帮助学生了解地下水的运动规律，获得了较好的教学效果，弥补了野外现场实习的不足。

关键词：水文地质；物理模型；实验教学；抽水试验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）37-0230-02

石家庄铁道大学2011年开设了勘察技术与工程专业，在该专业的课程设置中，《水文地质学》是一门重要的专业基础课。课程内容涵盖水力学、水文地质学、地下水动力学等多方面知识，内容很多，并且这些内容与学生以前所学内容联系较少；同时，学时紧张，很多内容没有充足的时间在课堂上展开讲解；另外，该课程是一门空间立体概念很强的科学，很多水文地质概念与过程需要在三维立体概念基础上才能充分理解。为了提高教学效果，帮助学生尽快建立空间概念，经过深入论证与探讨，我们购进了由成都理工大学地质工程国家级实验教学示范中心研制的一系列水文地质实验设备，充分利用有限的实验学时，通过物理模型来展现一些地质体的特征，增强学生的感性认识。下面以承压完整井模拟实验为例，说明利用物理模型进行承压完整抽水试验模拟的过程。

一、实验目的

水文地质试验是水文地质勘查的重要手段，许多水文地质资料都需通过水文地质试验才能获得。抽水试验是一种最常用、最基础的水文地质试验，以地下水动力学流理论为基础，通过在实际井孔中抽水，观测孔内地下水位的变化情况，然后分析计算出水文地质参数。在水文地质勘查过程中，随着勘查阶段由浅入深，抽水试验的规模越来越大，在整个勘查费用中所占比重也会越来越大。因此，勘查工程专业的学生要想在毕业后胜任相关地质勘查工作，必须真正理解抽水试验的原理并掌握有关的工作方法。然而，由于各方面条件所限，学生在课程学习期间很难有机会参加真正的野外实井抽水试验。利用物理模型模拟实际的野外承压水抽水过程，可以帮助学生了解地下水向承压完整井稳定运动时水头分布情况及承压面的变化特点，进而研究地下水向承压完整井稳定运动过程。

二、实验仪器

承压完整井抽水模拟装置针对野外实井抽水试验所做的物理模型。整个装置由井流实验箱、给水与抽水溢流箱、测压管、给水排水系统等部分组成，可以很好地反映实井抽水时地下水向承压完整井稳定运动的规律。

1.井流实验箱：是一个长约130厘米、最大宽约30厘米、高约30厘米的20°的扇形条块体，块体中放置了一定厚度的无色（白色）石英砂，石英砂的粒度组成经过事先分析选定，可以很好地模拟抽水实验时的渗透介质。箱体采用全透明的有机玻璃材料，石英砂的颜色很浅，因此可以很好地观测其中的水流情况。

2.给水排水溢流箱：在实验箱体的首端设置给水装置和溢流箱，在渗流实验箱体的末端设置排水溢流箱。这些装置由实验人员手工控制，可很方便地升降，从而模拟实际抽水实验时上下游水位的变化。实验时，实验人员通过调节溢流箱的高低来控制模型的抽水量。

3.测压管：安装在实验箱的一侧及底板，共7个断面设置有测压管，实验时可测定相应测点的水位值。

4.给水排水系统：仪器的下层为储水箱，储水箱用不透水材料制成，上部开口，底部设置排水孔。水箱内设置一个小功率水泵，实验前先在储水箱储存一部分自来水，实验时通过水泵将实验用水送至给水溢流箱，水从给水溢流箱流入给水箱，从给水箱流入实验箱，从实验箱中溢出的水流通过回水管自行回流到储水箱。这样实验用水就可以可循环使用，整个实验过程不需外接水源。实验全部结束后，水箱内的水可以通过底部排水孔排走，避免长期不用后变质。

三、实验原理

承压完整井抽水模型是对野外抽水试验时地下水向承压完整井做稳定渗流运动进行模拟的一种物理模型，物理模拟必须遵循相似模拟的原则。从几何相似观点看，整个模型为一个20°的扇形条块体，相当于模拟实际360°井的1/18，即20°的一扇形条块体。从运动相似观点看，由于设置了合理的含水层，地下水在其中运动的规律，与在360°井中运动的规律是一致的。在渗流实验箱体的首端和末端设有可升降的给水排水溢流箱很好地控制上下游水位，达到动力相似的目的。在利用裘布衣井流方程分析承压完整井水流运动时，需要用到以下参数：Q-承压完整井出水量（cm3/s）、K-渗透系数（cm/s）、M-承压含水层厚度（cm）、Sw-井中水位降深（cm）、R-降落漏斗的影响半径（cm）、rw-井半径（cm）。在实验过程中，测量物理模型中各运动要素的具体数值，然后将测量结果按一定比例放大，就可以获得与野外承压完整井相对应的运动要素的数值。例如：测得的流量q乘以18即可代表360°井的流量Q，即：Q=18q。裘布衣井流方程公式表明，承压完整井的出水量Q与水位下降S的一次方成正比，即Q与S间为线性关系，随着S的增大，Q的增加量越来越大。

四、实验内容

1.接通电源，打开水阀，调节给水溢流箱的高度。

2.逐渐降低排水溢流箱的高度，从而形成井中一定的水位降深，随时观察测压管水位及流量的变化情况。待测压管水位及流量稳定后，保持给水箱和抽水井溢流箱位置不移动，即可测定以下参数：抽水井半径rw、各断面到抽水井中心距离、各测压管水位、溢流箱出水口流量，各数据测定后记录于相应的数据表中。然后，保持给水箱水位不变，再次降低排水溢流箱的高度，重复上述实验步骤，再进行2次实验，记录于数据表中。

3.数据分析：对数据表中的数据进行分析处理，在方格纸上，先用实测水位绘制单井抽水降落漏斗图，然后以Q为横坐标，S铅垂下降的纵坐标，绘制3次抽水的Q-S曲线图。

五、实验效果

实验教学是理论结合实际的桥梁，在培养学生综合素质和创新能力方面具有不可替代的作用。我们设置的实验项目覆盖了整个课程所需的实验教学内容，实验所用模型仪器全部采用全透明材料制作，水循环途径清晰可见，有助于帮助学生建立空间概念并理解野外抽水实验的工作原理；实验过程中，操作简单方便，数据获取清晰，获得了学生的好评。同时我们设置了两个综合设计型实验，学生可以自行组合成实验小组，在征得实驗管理人员的同意后，利用课余时间到实验室，按照自己拟定的题目进行自主实验。

通过一年的实验教学来看，利用这些利用物理模型进行的实验弥补了野外现场实习的不足，激发了学生的学习积极性，为学生综合素质提高奠定了基础，提高了教学质量。

参考文献：

[1]虞修竟，蔡国军，付小敏，肖先煊.水文地质实验装置的研制及应用[J].实验室研究与探索，2011，30（3）：209-212.

[2]王巧焕，何春锋.《水文地质学》实验教学改革的探索[J].东华理工大学学报：社会科学版，2013，32（4）：494-497.

作者简介：马增数（1958-），男，河北赞皇人，大学本科，实验师，研究方向为工程地质。