地下水流系統理論砂箱實驗裝置的研制與應用

孫蓉琳， 劉延鋒， 潘歡迎， 鄧 斌， 梁 杏

（中國地質大學（武漢）環境學院，武漢430078）

0 引 言

水文地質學研究的是在與巖石圈、地幔、水圈、大氣圈和人類活動相互作用下，地下水的水量和水質在時間和空間上的變化以及地下水對各個層圈相互作用產生的影響，從而服務于人與自然相互協調的可持續發展［1］。自匈牙利裔加拿大人托特（József Tóth）于20

世紀60年代提出地下水流系統理論，經過50多年的發展與完善，該理論已經成為當代水文地質學的核心概念框架［2-4］。地下水流系統理論指出，流域盆地中地下水位存在高程差，地下水在重力驅動下自組織地形成嵌套式多級次水流系統（局部、中間和區域水流系統），并控制著與地下水有關的各種自然現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境的相互作用提供了時空有序的理論框架［5］。

然而在實際水文地質調查和研究中，很多學者和學生并沒有真正掌握并應用地下水流系統理論。在已經發表的期刊文章中，仍存在含水系統和水流系統概念混淆使用的情況。教學中發現，學生對地下水流系統理論的概念，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際水文地質問題。究其原因，一是地下水流系統概念比較抽象，二是Tóth地下水流系統理論解析解的結果過于理想，學生難以理解看不見的地下水流竟然具有多級次嵌套式這一神奇特征。此外，氣象、水文、地質和人類活動等因素對地下水流系統發育模式的影響也是教學中的重點和難點，如果不把握其物理實質，就很難應用此理論定性或定量分析實際水文地質問題［6-7］。

在此背景下，課程組對水文地質學基礎本科課程將地下水流系統理論知識點由原來2學時增為4學時，并于2015年開始面向研究生開設地下水流系統理論與應用課程。相對于本科課程，研究生課程既要重視基礎性和理論性，又要保持課程內容的前沿性，重視研究方法和實踐能力的訓練，幫助第1學年的研究生實現從本科到碩士階段的轉變［8］。因此地下水流系統理論與應用課程主要講授地下水流系統理論、研究方法以及在不同工程領域中的應用案例［9-10］。

6年的教學實踐中，課程組及時將地下水流系統理論最新的科研成果轉化為教學內容。課程總學時為48學時，其中28學時為課堂講授，12學時為砂箱實驗，8學時為計算機數值模擬。課程組不斷研制新的實驗裝置，開發新的教學內容，學生自己設計不同氣象、水文、地質和人類活動影響下的物理實驗，觀察地下水流系統的多級次嵌套特征以及不同情景下的地下水流系統發育模式的演變過程。在實驗教學中，強調以學生為主體，科學組織教學過程，著力培養學生的實踐和創新能力。

1 實驗教學目的

1.1 理解含水系統和地下水流系統概念的差異

含水系統是由隔水或相對隔水邊界圈圍的，由含水層和相對隔水層組合而成的、內部具有統一水力聯系的賦存地下水的巖系。含水系統的邊界是地質邊界，控制含水系統發育的主要是地質結構（沉積、構造等），因此一般是靜態的。地下水流系統是由一個或多個勢源（補給區）流向一個或多個勢匯（排泄區）的流線簇構成的、相互關聯的、自組織的流動地下水體。水流系統的邊界是水力零通量面，在自然地理（地形、氣候、水文）、地質因素、人類活動等影響下會發生變動，因此水流系統的邊界是動態的，水流系統發育模式也會發生變化。

課程教學中，通過對比不同類型的砂箱實驗結果，學生能夠深入理解含水系統和水流系統的本質差異，靈活用于定性或定量分析實際水文地質問題。

1.2 掌握水流系統的多級次嵌套特征

地下水流系統理論強調地下水在重力驅動下能自組織地形成嵌套式多級次水流系統，不同級次水流系統的水動力場、化學場和溫度場特征不同。局部水流系統位于淺表，流程短而流速快，水循環交替迅速，水化學成分簡單；區域水流系統從區域地勢最高處流向區域地勢最低處，流程長而流速慢，水循環交替慢，水化學成分復雜。2009年，我校梁杏等［11-12］研制了多級地下水流系統演示儀，儀器可以演示均質各向同性介質中二維穩定流的多級次地下水流系統，直觀顯示局部、中間和區域三級水流系統。此后，課程組又多次對演示儀進行改革，開展新的科學研究和教學實驗。

學生利用砂箱開展流線示蹤和溶質運移實驗，通過實測水頭確定各級流動系統的水頭分布，通過地下水不同排泄點的電導率數據繪制鹽水濃度突破曲線，計算不同級次水流系統的地下水流速，對比不同級次水流系統的水動力場和化學場分布差異。

1.3 理解水流系統模式演變的物理本質

地下水流系統發育模式受氣象、水文、地形、非均質結構、盆地長深比、人類活動等因素影響。若對給定地形和滲透系數的含水層，從大到小調整降雨入滲強度，地下水流系統出現5種模式，從局部一級水流系統，轉化為多級次嵌套水流系統（局部+中間二級水流系統，局部+區域二級水流系統，局部+中間+區域三級水流系統），進而轉換為區域一級水流系統。

不同因素對地下水流系統發育模式的影響，如單靠解析解和數值模擬，條件過于理想化，學生也難以置信。通過砂箱實驗，學生自己設計不同水文、氣象、含水層結構和開采活動，用紅墨水示蹤流線可更直觀觀察水流系統發育模式的演變過程，掌握其物理實質。

2 砂箱實驗裝置的研制

2.1 河間地塊潛水含水層

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

圖1 適用于河間地塊潛水含水層的實驗裝置

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

基于潛水含水層砂箱，學生可以設計實驗來探究不同氣象、水文條件以及人類開采活動影響下的地下水流系統發育模式。實驗內容包含3個：①左右兩側河水位相等條件下，調節降雨強度，觀測不同氣象條件下水流系統的演變；②左右兩側河水位不同，觀察地下水分水嶺的偏移，分析河水位變化對于水流系統發育模式的影響；③打開單個或多個抽水井開關，進行不同流量的抽水，模擬人類對于地下水的開采活動，將實驗結果與天然條件進行對比，分析人類活動對地下水流系統發育模式的影響。每種實驗情境下，學生需要根據實驗測得的地下水位和示蹤流線繪制流網圖。

2.2 承壓含水層

承壓含水層砂箱實驗裝置見圖2，含水層從河流獲得補給，以泉的形式排泄。儀器主要包含：①均質石英砂填充的等厚含水層；②有機玻璃板分別構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個觀測井，實驗過程中也可以作為抽水井；⑤砂箱右側可調節河水位高低的穩水箱；⑥砂箱底部有16個地下水位測壓點與測壓板相連，可以讀取水位。

圖2 適用于承壓含水層的實驗裝置

基于承壓含水層砂箱，學生設計實驗，研究人類活動對承壓含水層地下水流系統發育模式的影響。實驗內容為：①天然條件下，承壓含水層接受河流入滲補給，以泉的形式排泄。通過實驗所測地下水位，繪制流網圖，分析承壓含水層區域一級地下水流系統特征；②在前述實驗條件下，增加一個或多個抽水井進行抽水，通過改變抽水井流量大小，分析人類活動強度對于地下水流系統發育模式的影響。

2.3 多源匯的潛水盆地

Tóth所提出的嵌套式多級次地下水流系統理論是基于復雜地形起伏的盆地，有多個地下水補給源和排泄點。實驗裝置設計3個不同高程的河谷作為地下水的潛在排泄點，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驗裝置（背面）

地下水流系統發育模式不僅與氣象、水文和人類活動有關，也與含水層非均質結構有關，為此課程組設計了均質、透鏡體非均質與層狀非均質3種含水層結構（見圖4～6）。

圖4 均質砂箱中多級水流系統

圖5 透鏡體非均質砂箱中多級水流系統

圖6 層狀非均質砂箱中多級水流系統

實驗裝置包含5部分：①石英砂填充的含水層，分均質、透鏡體非均質、層狀非均質3種類型；②降雨系統，包含上游、中游、下游3個獨立的降水裝置，分別與蠕動泵相連，可以精確控制降雨量大??；③河流排泄系統，3個高程依次降低的低洼河谷構成可能的勢匯；④流線示蹤系統，砂箱正面上方有一排示蹤點，注入紅色墨水可以示蹤地下水流向；⑤水位觀測系統，砂箱背面有21個測壓點，連接測壓板，可以測定砂箱中不同測壓點的地下水位，也可與壓力傳感器相連，監測不同情境下地下水位動態變化特征。

基于多源匯的潛水盆地砂箱，學生可以設計實驗模擬Tóth理論的局部-中間-區域多級次嵌套式地下水流動系統，也可以分析降雨強度和非均質結構對地下水流系統發育模式的影響。實驗內容為：①按照從大到小的順序，調整每一個砂箱的降雨量大小，觀察不同降雨入滲強度下的地下水流系統發育模式；②對比分析均質、非均質砂箱實驗結果，分析含水層非均質性對水流系統發育模式的影響；③在選定的水流系統模式條件下，將上游降雨裝置補給源由自來水換成一定濃度的鹽水，通過對不同河谷排泄點的電導率進行連續監測，繪制鹽水運移突破曲線，分析局部、中間、區域水流系統中流速的差異。

3 實驗教學過程

在教學過程中，課程組不斷更新教學理念，及時補充最新的地下水流系統理論科研成果，完善教學內容。通過多樣化的教學方法和手段，使學生既能掌握地下水流系統理論相關知識，又能培養科學實驗的研究素養［13-15］。在教學實踐中，堅持以學生為主體，以研討型和問題導向型為主要教學方式，通過6個環節來組織實驗教學過程。

（1）問題提出。課堂講授前將地下水流系統理論相關的國內外經典文獻發給學生，要求學生對文獻內容進行闡述總結，鼓勵學生提出進一步需要研究的問題。思考如何通過砂箱實驗再現地下水流系統的多級次嵌套式特征？研究氣象、水文、地質或人為開采等因素對地下水流系統發育模式如何影響？地下水流系統發育模式演變的物理實質是什么？

（2）自主預習。近幾年來，在地下水流系統理論有關的科研項目和學校實驗技術研究項目的支持下，砂箱實驗中地下水要素監測儀器有了較大改進，水位、流量和電導率測量除了人工讀取，也可用數字傳感器自動監測。課程組完成了實驗講義的編寫，制作了實驗課件和視頻。學生通過預習，了解砂箱實驗儀器及功能，思考實驗內容。

（3）分組討論。每一個砂箱實驗需要3～5名學生，實驗開始前對學生進行分組，同組學生不僅要配合完成實驗內容，還要以小組為單位進行成果匯報。學生分組遵循“專業背景互補”的原則，盡可能涵蓋不同生源和不同專業背景的學生。每個小組充分討論，設計砂箱實驗內容和實施方案。

（4）砂箱實驗。3種類型的砂箱每種4臺，一共12臺，儀器需要在不同小組之間循環使用。3個實驗全部完成大約需要3天，其中多源匯的潛水盆地砂箱實驗，區域水流系統的鹽水從示蹤注入點到排泄點大約要10幾小時，組內成員需要分工配合。實驗過程中要及時處理數據，出現的問題要及時商討解決。

（5）提交報告。每位同學提交實驗報告，報告包含實驗目的、內容、步驟、數據、成果（照片、流網圖、溶質運移突破曲線圖等）以及思考題分析。教師對成果整理中常犯的錯誤及時進行反饋和總結。如流網中每相鄰兩條流線之間的流量應該相等，不能簡單按照示蹤流線照描；流線的起始點應該是從潛水面出發，終止于排泄點，而非從地面或示蹤注射點出發。

（6）匯報總結。教師根據學生實驗成果，提前設置8～10個問題，學生也可提出自己感興趣的科學問題。每組學生領取問題后，組內討論，達成共識，做成PPT并推選代表匯報。匯報中學生之間通常會出現激烈的辯論，此環節可幫助學生深入理解地下水流系統理論知識，同時提高其思辨、溝通及團隊協作能力。

匯報總結中一些尚有爭議的科學問題，鼓勵學生主動思考解決辦法，指導學生通過解析解、改進實驗裝置和數值模擬等方法開展進一步的研究。通過以上6個教學環節的連貫實施，可以促進學生做、學、研相結合，在做中學、學中研、研中創［16］。

4 結 語

地下水流系統理論已經成為當代水文地質學的核心概念框架。對其概念的理解和講授，如果僅僅停留于字面和形式，而不幫助學生深入把握其實質，學生就不能融會貫通，靈活應用于實際水文地質問題的研究。

地下水流系統理論與應用課程組研制3種砂箱實驗裝置用于實驗教學，既可以幫助學生深入理解課程所涉及的基本概念和原理，又有助于學生掌握地下水流系統理論有關的科學研究方法。在實驗教學中，以學生為主體，通過問題提出、自主預習、分組討論、砂箱實驗、提交報告和匯報總結等6個教學環節，不僅能使學生深入理解課程教學內容，也能培養學生的實踐能力和創新能力。