水文地质学达西实验设计

孙文洁 杨文凯 李军 刘然 白俊杰 任晓宇

摘  要：水文地质学实验是地学专业水文地质学课程教学体系的重要组成部分。为加深学生对水文地质学基本理论和原理的认识和理解，学校大规模引入了先进的水文地质学实验仪器和设备，展开了一系列水文地质学实验教学探索与设计工作，其中以达西实验最具代表性。学生通过实验设计掌握实验装置和实验原理，了解实验步骤和数据分析处理方法，不仅提高了学生动手实践能力和专业思维能力，也培养了学生的综合分析问题和应用理论知识解决实际问题的能力，为今后水文地质学领域专业课程的学习奠定了坚实的基础。

关键词：地学专业  水文地质学  实验教学  达西实验

中图分类号：G64                              文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）02（b）-0020-04

Darcy's Experimental Design in Hydrogeology

SUN Wenjie  YANG Wenkai  LI Jun  LIU Ran  BAI Junjie  REN Xiaoyu

（College of Geoscience and Surveying Engineering， China University of Mining & Technology（Beijing）， Beijing， 100083  China）

Abstract： Hydrogeology experiment is one of the important parts in the Hydrogeology teaching system of geology. In order to enhance students' understanding of the basic theory and principle of Hydrogeology， the university introduced advanced laboratory instruments and equipment and carried out a series of Hydrogeological explorations and designs in experimental teaching， in which Darcy experiment was the most representative one. Through experimental designs， students knew experimental facility and principle and understood experimental steps and some methods of data analysis and processing. Therefore， teaching practice not only improved students' practical ability and professional thinking ability， but also cultivated the ability of analyzing problems comprehensively and solving practical problems with theoretical knowledge， and laid a solid foundation for professional courses in the field of the Hydrogeology henceforth.

Key Words： Geology; Hydrogeology; Experimental teaching; Darcy experiment

實验教学是对理论知识进行验证的一种有效途径。目前已经成为水文地质学课程教学体系中必不可少的教学手段之一[1-4]。为了培养满足社会与专业领域需求的水文地质人才，中国矿业大学（北京）根据本科生培养方案，设计了相应的水文地质实验课程[5-6]。其中，最具代表性的是达西实验，通过实验设计来验证地下水运动的基本规律。因此，我们以达西实验为例，介绍其实验装置、实验原理及其实验设计过程，并阐述实验数据分析处理方法。

1  达西实验目的和原理

达西实验的主要目的是学习测定含水层中渗透系数的原理和方法，验证地下水运动的基本规律，即达西定律（也称为线性渗透定律），加深对其的认识和理解。主要采用室内达西仪测定法设计展开达西实验。

实践证明，地下水在岩土中的运动大多符合达西定律[7-8]，即渗透流量（Q）与渗透系数（K）、过水断面面积（A）和上下游过水断面的水头差（H）成正比，与渗透途径（L）成反比;或者渗透速度（V）与渗透系数（K）和水力梯度（I）成正比。表达式如下所示，式中渗透系数K是一个表征岩土透水能力的指标，单位采用m/d或者cm/s。实验开展时（见图1），使水流在固定水头条件下流过装有试样的达西仪，通过测量A、L、Q和H，最终计算得出试样的渗透系数。此实验能够同时对两种不同岩样的渗透系数进行测定，便于学生观察和对比。

（1）

2  达西实验过程

2.1 实验内容及设计

达西实验内容主要包括基础数据测量、试样装样与饱和、实验与测试等。渗流实验结束后，通过测定的数据来计算渗透系数，最后对测定数据进行分析处理，验证线性渗透定律。

（1）基础数据测量。测量有机玻璃圆筒的内径（d）和圆筒上两个测压管间距（渗透途径L），计算圆筒横断面面积（过水断面A），并记录。（2）试样装样与饱和。在圆筒底部铺上透水的尼龙网，然后分别将粗砂和砂砾混合样装入圆筒中;缓慢打开供水开关对试样进行饱水操作，调整仪器直至测壓管中水位与圆筒溢水面的水位持平。（3）实验与测试。将稳压供水箱调高（高于圆筒顶端约10 cm），打开底部的供水开关。在水头差作用下，水自下而上流经圆筒中的模拟试样含水层，从圆筒顶端流出。当两个测压管水位稳定时，测量两个测压管水位（H1、H2）并记录。（4）测定渗流量。等水位稳定后，在出水口处利用量筒和秒表测定固定时间（t）内的渗流量（W），重复测2次，2次水量差小于5%为合格，计算并记录2次水量平均值。（5）重复多次实验。将稳压供水箱的高度分别提高2次（每次约5 cm），重复上述实验步骤（3）和（4），再进行3次测试，并记录数据。测完粗砂样，采用同样方法测另一种砂砾混合样。

2.2 计算渗透系数

将上述实验测定的数据分别记录于表1和表2。

根据实验数据，计算试样渗透系数。首先利用公式（2）和（3）计算水位差（H）和渗透流量（Q），然后将计算得到的H和Q代入公式（4）和（5），分别计算水力梯度（I）和渗透速度（V），最后将上述计算得到的I和V代入公式（6），计算试样渗透系数（K），然后将3次实验计算结果进行算术平均，得出试样的平均渗透系数值。

2.3 数据分析处理与验证

通过实验，最终计算得出了粗砂和砂砾混合样两种岩石试样的渗透系数。为了验证线性渗透定律，需要对测定数据进行处理。由达西定律表达式V=KI分析可知，V与I的一次方成正比，以V为纵坐标、I为横坐标，则二者关系曲线应为一条过原点的直线，直线斜率即为渗透系数。将两组实验的3次实验结果绘成V-I曲线，以粗砂为例，如图2所示。

通过分析V-I拟合直线的斜率、截距和相关系数，来验证线性渗透定律。由图2可知，粗砂试样拟合直线的斜率与计算得到的平均渗透系数数值十分接近，虽然拟合直线均存在截距，但是截距数值非常小，且相关系数接近于1，因此可以认为粗砂试样的V-I曲线是符合达西定律的，或者说水流在粗砂中的运动符合线性渗透定律。根据V-I关系曲线图，可以进一步引导学生分析误差产生的原因，培养学生的思维能力。

3  结论

（1）该文以水文地质学实验中最具代表性的达西实验为例，详尽阐述了其实验原理、实验设计以及实验数据分析处理和验证的过程。

（2）达西实验开展时，学生不但要进行“实验操作-实验验证”的实践过程，还要进行实验操作前“实验分析与设计”的实验探索研究，培养了学生的动手实践能力、创新精神和专业思维能力。

参考文献

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[6] 肖乐乐，牛超，聂文杰.基于多学科融合的本科生水文地质实验创新能力培养研究[J].高教学刊，2018（18）：48-50.

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