自制实验仪器在水文地质专业教学中的应用

王小赞, 于宗仁

(中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州　221116)



自制实验仪器在水文地质专业教学中的应用

王小赞, 于宗仁

(中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州221116)

介绍了自制实验给水度仪的研制目的意义和方法,通过相关专业4个学年的实验验证,该仪器符合实验室测定岩土孔隙度、给水度和持水度的要求,测试结果正确。实验结果验证了:(1)沙土的孔隙度主要取决于沙土的分选性,与粒径大小无关,分选性越好孔隙度越大,分选性越差孔隙度越小,颗粒大小悬殊越大孔隙度越小;(2)沙土的给水度与颗粒大小及排列分布有关,均质的沙土,颗粒越粗给水度愈大,粗细沙混合的非均质沙土给水度偏小,混合沙砾粒径越小给水度越小。

自制给水度仪; 孔隙度; 给水度

自制实验仪器设备是教师根据自己的教学观点及实验需要,运用先进或独创的技术自行设计、加工(或委托)制造的仪器,包括教学仪器设备和软件[1]。这种仪器能真实地演绎科学现象,具有极强的操控特点。创造性地制作各种贴近教学实际的教学仪器,能够满足课程的特别需求[2]。自制实验仪器设备弥补了市售产品在品种和性能方面的不足,提高了实验规格,提升了实验教学水平,同时也培养和锻炼了高校实验技术人员队伍,充实了产学研的合作内容[3]。自行研制先进实验设备,不但可以使实验引进新的技术,还可以使教师的业务能力得到锻炼,增长新的技能,增加工作的成就感,同时使理论与实践有机地结合,为解决教学中的问题打下坚实基础[4]。

水文地质学基础是水文地质专业学生的必修专业基础课,根据教学需要有几个必须开设的实验环节,所涉及到的实验仪器设备没有专门的厂家生产加工。解决这个问题的有效途径就是自主研制和开发适合自己教学需要的实验仪器[5-6]。本文根据课程需求及本科学生的实验特点自行研制了一系列适合该环节的实验教学仪器,根据4个学年的教学实验使用情况来看,达到了预期的效果。

1　研制目的和意义

松散岩石的空隙是地下水赋存和运移的通道,作为含水介质,空隙的性状严格控制着地下水的埋藏分布和运动特性,松散岩石孔隙体积的多少是影响其储容地下水能力大小的重要因素[7]。孔隙度是指某一体积岩石(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的比例[8]。松散岩石的给水度是表征饱和岩石在重力作用下能够释放或排出的水量,是指在重力排水作用下可以给出的水体积与多孔介质体积之比,是水资源评价的重要参数,也是矿坑排水或疏干、建筑工程地基设计和施工的一个重要的水文地质参数。松散岩石的持水度是表征岩石在重力作用下仍能保持一定水量能力的指标,是指饱水岩石在重力释水后仍能保持的水体积与岩石体积之比,其数值等于松散岩石的孔隙度与给水度的差值。所以在孔隙水研究中,首先要对松散岩石的孔隙度、给水度和持水度进行测定,了解岩石的持水、给水能力等方面的水文地质特征。

在实验室测定这3个参数是“水文地质学基础”课程教学的一个重要实验环节,也是水文及地质专业本科实验教学的关键内容。由于所用实验仪器具有很强的专业性,目前国内还没有专门的生产厂家,有个别专业院校也在自行研制,但一般不对外销售,在市场上无法得到,因此只能靠专业教师自己研发以满足实验教学及相关科研所需。本仪器研制的目的是为教学所用,取代现有已老化的设备,解决了困扰我们数年的实验难题。

2　仪器结构原理

2.1设计思路

要求仪器能适合本科生实验教学,并且方便灵活、易于操作。要求仪器大小适中,既要能够容纳足够多的砂样土、确保实验结果的准确度,也不能过大、过重，否则难于操作。仪器材料的选用要求耐磨耐用,经济实用等。

2.2仪器结构

自制给水度仪结构示意图见图1,主要包括:仪器架、进水管、砂样筒、重力水排水管(即出水管)。

图1　仪器结构示意图

仪器架采用的材料为耐酸胶化板,尺寸30 cm×30 cm×70 cm,中间隔板可以升降、便于不同身高人员操作使用。砂样筒采用有机玻璃材料,是内径为10 cm、高度为15 cm的圆柱状。给水漏斗采用有机玻璃材料,漏斗最大处内径为10 cm。砂样筒与给水漏斗连接圆盘采用树脂材料,内径为11 cm,连接处采用石英砂透水板。补水计量装置采用50 mL酸式滴定管。出水管采用玻璃三通管,高度可调节,在仪器饱水时排出筒内多余的水量。重力水释放量用量杯计量,用带有开关阀的铜质三通管和乳胶管连接给水漏斗、进水管和出水管。

3　物化成果

考虑到学生实验过程中易碎部件的消耗,本次共计加工砂样筒15套、排水玻璃管17套,组装成品给水度仪10套,组装后的给水度仪见图2。

图2　水度仪

4　仪器使用方法

(1) 连接仪器:调整仪器架高度,连接进水管、砂样筒和出水管。注意检查进水管、三通管是否漏水。

(2) 仪器饱水:打开A、B开关,调节出水管高度使其高于砂样筒的透水板,从进水管注水,使漏斗、透水板及三通连接管充满水，然后降低出水管高度排出砂样筒内多余的积水。

(3) 填装砂样:不同的砂样需要采用不同的填装方式,现以砾石(粒径为5～10 mm)、砂(粒径为0.25～0.5 mm)及砂砾混合样(把上述两砂样混合)为例予以说明。

① 砾石的填装:关闭A、B开关,将砾石逐渐加入砂样筒并确保砂样密实,直至与砂样筒口平齐。

② 砂砾混合样的填装:关闭A、B开关,先装部分砾石再装砂样,轻摇砂样筒使砾石的孔隙尽量被砂样充满,重复以上步骤,直至砂样与砂样筒口平齐。

③ 细砂的填装:由于细砂有较强的毛细管吸附力,在装砂过程中透水板或漏斗中的水有可能被砂样吸附,导致孔隙度结果偏小,所以需做专门处理。关闭B开关,在均匀填装砂样的同时,调节开关A慢慢从进水管注水,直至砂样与砂样筒口平齐。

(4) 孔隙度测量:保持开关A开通,从进水管给砂样筒补水,直到砂样饱和为止,计算出进水量(孔隙体积)V1。进水量体积V1与砂样筒容积V(砂样体积)之比即为砂样的孔隙度n。

(5) 给水度测量:保持开关A关闭,开关B开通,饱和砂样中的水会在重力作用下从出水管流入量杯,出水过程终止后,记录出水量体积V2。出水量V2与砂样筒容积V之比为砂样的给水度μ。

(6) 持水度:孔隙度与给水度之差。

5　仪器使用情况

自2010年10月学校组织专家验收合格后仪器开始投入使用,先后完成了本科地质工程专业16个学生班、水文水资源专业8个学生班以及地质能源专业16个学生班4个学年的“水文地质学基础”的实验教学。

将学生4年的实验结果数值进行平均,然后与所用教材《水文地质学基础》中所给出的参考值进行比较,见表1。可以看出,除了砾石的给水度外,实验结果均与理论参考值相吻合。分析认为,造成砾石的给水度实验数据与理论参考值不吻合的原因为:实验室所用的砾石砂样是经过粒径筛选的纯砾石,不夹杂细砂,并对砂样进行多次淘洗和烘干处理,与实际自然界混合的砾石砂样相比,孔隙大,结合水和毛细水偏少,所以实验所得的给水度值偏大。

表1　实验数据与参考值对比表

注: 表中孔隙度参考值出自于文献[7],给水度参考值出自文献[9]。

为了验证岩土孔隙度、给水度、持水度与沙土粒径大小、分选性的关系等教材中的知识点,特意选了砾石(粒径5～10 mm)、粗砂(粒径2～5 mm)、细砂(粒径0.5～1.0 mm)及3种砂样分别混合后的砂样进行实验分析。根据地质工程专业2011—2012级8个班级的实验数据(见表2),分析得出以下结论:

(1) 沙土的孔隙度与粒径大小无关,与沙土的分选性有很大关系。沙土中孔隙的大小取决于颗粒的大小,颗粒粗的孔隙大但孔隙的个数少,颗粒小的孔隙小但孔隙个数多,所以沙土颗粒大小对孔隙度无决定性影响。分选性越好孔隙度越大,分选性越差孔隙度越小,颗粒大小悬殊越大孔隙度越小,是由于细小颗粒充填于大颗粒之间的孔隙中,自然会大大降低孔隙度。

(2) 给水度的影响因素包括岩石颗粒大小及排列分布情况。对于均质的松散岩石,颗粒越粗,重力释水时滞留于岩石孔隙中的结合水和毛细水越少,给水度大。从表2实验数据可看出，砾石给水度最大,并且在数值上很接近孔隙度(容水度)。颗粒细小的沙土,由于结合水和毛细水占比例较大,给水度小。对于粗细砂混合得非均值松散砂样,由于孔隙大小不同,大的孔道优先释水,在小的孔道中形成部分悬挂毛细水不能释出,使得给水度偏小[9-10]。实验结果与教材中的知识点相符,达到了验证性实验的目的。

表2　不同砂样孔隙度和给水度实验结果

6　仪器的特点

(1) 经济实惠,维护方便。所需实验仪器设备专用性强,社会需求量小,价格昂贵,大多无法从市场直接购买到,即使能购买的到,在使用和功能上也远远满足不了教学实验的需求[11],本研制项目不但解决了实验教学问题,也节约了大量资金。由于是实验教师自行设计完成,所花经费很少,除试样筒、漏斗、进水管和出水弯头几个玻璃品需要购买外,仪器架和各部件的连接胶粘都是自己完成,大大节约了成本。考虑到学生人多对仪器损坏的可能性大,在制作时尽量采用经济耐用的材料,比如试样筒及漏斗采用有机玻璃,仪器架用轻便易移动的PVC耐酸胶化板。仪器各部件独立,出现问题可自行更换修补,节约了运行成本。

(2) 实用性强,操作简便,易于开展综合性设计性实验。自制实验仪器是根据专业教学大纲规定的实验项目制作的更适用、更合理的实验装置,这种装置的特点是面广,适用性强[12]。本次制作的实验仪器可操作性强,各部件独立制作,组装方便简单,仪器配件容易得到,学生可自行组装,由原来的被动实验转变成自主完成,实验教学效果很好。

7　结语

本文介绍的自制给水度实验仪设计原理科学,结构合理,操作方便,耐用实惠,适合本科教学实验。经过4个学年1 300多名本科生的实验检验,该仪器实验结果准确,学生反映很好,适合在水文地质专业实验教学中推广应用。

References)

[1] 楼建明,傅越千,安鹏,等.基于能力培养自制实验仪器设备[J].实验技术与管理,2014,31(9):81-86.

[2] 许林云. 自制实验仪器设计及在课程教学中的应用[J].中国现代教育装备,2009(14): 5-7.

[3] 贾贤龙,许正荣,王碧清,等. 浅谈自制实验仪器设备工作的规范管理[J].实验技术与管理,2008,25(1):161-164.

[4] 杨宏,李国辉. 走自制实验设备之路 促进实验教学改革[J].实验技术与管理,2013,30(1):225-227.

[5] 陈发堂,熊慧萍,陈东生. 加强自制仪器的研发 实现创新能力的培养[J]. 实验室研究与探索, 2009，28(2)：41-42，46.

[6] 许森东. 自制仪器在高校实验教学中的应用研究与实践[J].实验教学,2013(6):128.

[7] 王大纯,张人权,史毅虹,等.水文地质学基础[M].北京: 地质出版社,1990.

[8] 地矿部地质环境管理司.GB/T 14157—93 水文地质术语[S].北京:中国标准出版社,1993.

[9] 章至洁,韩宝平,张月华.水文地质学基础[M].徐州: 中国矿业大学出版社,1995.

[10] 朱学愚,钱孝星.地下水水文学[M].北京: 中国环境科学出版社,2005.

[11] 李如琦,贺秋丽,王辑祥,等. 自制实验教学仪器设备,促进实验教学改革[J].高等理科教育,2009(1):74.

[12] 应安明,王桂玲,刘桂涛. 自制实验仪器设备在教学中的使用[J]. 实验室研究与探索, 2003，22(1):20-21，24.

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

中国矿业大学实验室与设备管理处自制实验仪器项目

王小赞(1964—)，女，陕西西安，工学学士，高级工程师，主要研究方向为水文学及水资源.

E-mail：xzwang126@126.com

P641-33

A

1002-4956(2016)4- 0073- 04