地下水科學與工程專業抽水試驗教學基地建設的思考

谷洪彪，遲寶明，姜紀沂

防災科技學院 地震科學系，河北 三河 065201

地下水科學與工程是一門以地質理論為基礎，研究在自然條件和人類活動影響下，地下水系統結構、組成及其地下水量、水質的時空變化規律，并用這些規律興利除弊造福于人類的學科[1]。其學科內涵決定了其具有理論與實踐并重的特點，也決定了地下水科學與工程專業人才的培養必須經歷“基礎理論學習—地學思維培養—野外地質基本技能鍛煉—專業基礎理論學習—專業思維培養—專業實踐—專業綜合能力形成”這樣一個循序漸進而完整的過程。

基于此，根據本專業的人才培養目標與培養方案，防災科技學院確定了以水文地質學基礎、地下水動力學、水文地球化學為基礎核心的理論課程教學體系及以課程實驗、基地實習與畢業設計等為主體的實踐教學體系。理論課程體系中地球內部水的形成、分布和運動規律則是地下水科學研究的主要基礎問題，而基礎課程—“地下水動力學”則對地下水的運動規律進行了著重介紹，該門課程教學突出掌握基礎，重視實踐，強化應用，在掌握地下水運動基本理論、基本定律和基本方程的基礎上，通過實驗教學、參加現場試驗，培養學生應用地下水動力學知識解決相關問題的能力[2]。其在專業課程體系中的地位毋庸置疑，據理論與實踐相結合的原則，必須配備專門的實踐教學課程來支撐該部分教學內容，那么抽水試驗教學基地的建設及在教學中的運用則可完全彌補該部分實踐內容的欠缺。

本文將從抽水試驗教學基地建設的必要性、抽水試驗教學基地在專業人才培養中的作用、抽水試驗教學基地的建設等三方面來論述對地下水科學與工程專業抽水試驗教學基地建設過程中的幾點思考。

一、抽水試驗教學基地建設的必要性

抽水試驗是以地下水井流理論（主要內容包括孔隙滲流理論基礎、河渠附近地下水運動、井附近的地下水運動）為基礎，通過在井孔中進行抽水和觀測，一般來測定含水層水文地質參數、評價含水層富水性和判斷某些水文地質條件的水文地質勘察中最為常用的水文地質試驗。它是地下水科學與工程專業人才培養計劃中專業生產實習的重要組成部分，該門課程通常在大學三年級與四年級之間的暑期小學期開設，抽水試驗教學基地的建設及運行可夯實學生的專業基礎理論，對在地下水動力學等課程中所學知識進行驗證和深化，在學生理解專業知識、深化專業能力起著承上啟下的銜接作用。

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020）》高等教育部分指出“加強實驗室、校內外實習基地、課程教材等教學基本建設，強化實踐教學環節”。國內外地學教育教學模式也表明[3-10]，實踐教學是人才培養的關鍵環節，充分的實驗室教學實習和野外實踐都是培養地學人才的重要途徑。另外，地下水科學與工程專業人才的培養需經歷地學思維至專業思維再至專業綜合能力過程的轉變，在此過程中由一年級認識實習、二年級地質教學實習、三年級專業教學實習、四年級畢業實習所組成專業實踐教學體系發揮了舉足輕重的作用，專業實習的教學質量直接影響本專業高素質人才的培養質量，而抽水試驗教學基地即為此目的而建設的，其中開設的抽水試驗課程恰為三年級專業教學實習內容，它也是專業實踐教學體系中不可替代的要素之一，它的作用顯得尤為重要。

因此，抽水試驗實踐課程是理論課程體系的延擴，也是實踐教學體系不可或缺的重要內容，是專業人才培養過程中所必須經歷的關鍵實踐環節，抽水試驗教學基地建設及其運行是專業人才教育模式的必然選擇。

二、抽水試驗教學基地在專業人才培養中的作用

抽水試驗教學基地是為抽水試驗的開展而建設的，該試驗在地鐵工程勘察、垃圾填埋場建設、水源地選址、地下水資源評價、重要建筑、工程建設基坑降水、礦產開發、壩基滲透穩定等方面發揮了重要作用，所確定的含水層參數精度直接影響水量計算和地下水資源評價等后續工作的進度。在應用如此廣泛的行業需求推動下決定了地學類高校在培養專門人才的過程中必須開展抽水試驗。

在抽水試驗教學基地開展實踐教學一般要求學生統測地下水位及了解試驗基地及其所在地區的水文氣象、地質地貌及水文地質條件、完成抽水試驗設計，其間觀測、記錄、整理基礎數據，最終完成抽水試驗報告。教學重在過程，學習重在參與，參與的過程中獲取知識，培養能力，那么在本專業學生經歷抽水試驗準備及進行的過程后，可使其具備較強實踐動手能力、工作組織能力和解決分析專業實際問題的能力，達到培養學生專業思維能力、夯實專業基礎、獨立工作能力和創新能力的目的，具體表現為如下幾點。

第一，學生通過統測地下水位了解地下水位年動態及多年動態變化特征，可結合水文氣象條件判斷地下水與大氣降水、地表水之間的關系；第二，通過閱讀基地所在區地質地貌及水文地質條件可對當地地層沉積韻律有所了解，對含水層結構、賦水條件形成初步認識，為開展抽水試驗后分析地下水運動規律奠定基礎；第三，通過對抽水試驗的設計，學生可了解抽水試驗的主要目的、任務、水文地質概念模型、求參方法、技術要求等事項；第四，在試驗進行記錄、整理、處理數據的過程中，可培養學生動手能力、小組成員間團隊配合能力、應急處理事故數據的能力及對參數計算方法運用（AquiferTest、人工配線法、計算機配線法等）的綜合能力；第五，學生在完成抽水試驗報告的同時也基本了解抽水試驗實施的過程，掌握求取水文地質參數的方法，具備對參數的合理性和精確性進行分析和檢驗及分析參數時空變化的影響因素等能力，同時體驗了從閱讀紙質水文地質資料、感官認識實體含水層到建立水文地質概念模型這一過程，加深鞏固了學生的專業思維。

綜上所述，抽水試驗這一過程不僅使學生對含水層獲得直觀認識，掌握觀測、記錄數據的基本技能、應急處理抽水試驗過程突發事故的能力及求取參數的基本方法，最終對基地所在區水文地質條件的形成全新的認識，最重要的是能夠培養學生學會科學思考和正確的分析方法，鍛煉其解決實際問題的能力。因此，抽水試驗教學基地可喻為學生專業技能培養的小型根據地，在專業人才培養實踐教學體系中的地位不可忽視。

三、抽水試驗教學基地的建設

我院抽水試驗教學基地位于北校區，占地面積約1200m2，場地內電路、排水系統齊全，水文地質條件較好，適宜開展以教學為目的的小型抽水試驗。該基地的建設豐富完善了本專業實踐教學體系，改善了專業教學條件，為培養具有較強專業素養的地下水科學與工程人才提供了根本性的保障。在此從基地所在區水文地質概況、教學內容的選擇、基于抽水試驗基地的教學設計三方面對教學基地的建設展開分析。

1.基地所在區水文地質背景

基地所在區位于潮白河東側沖洪扇構成的扇形平原，該區域及附近地區地表水系較為發育，主要發育幸福河、鮑邱河，但現今已斷流。教學基地區域地表出露地層為第四系洪沖積松散沉積地層，第四系地層以下為下伏基巖，主要為薊縣系白云巖和白云質灰巖，青白口系粉砂質頁巖、粉砂巖和寒武系鮞狀灰巖、竹葉狀灰巖、黃褐色泥質條帶狀灰巖和紫紅色頁巖，奧陶系灰巖，石炭二疊系砂巖。

教學基地抽水井位于第四系含水層，其巖性主要為粉砂層，粘土層構成相對隔水層。區域地表以下50m深度范圍內分布1～2層地下水，第1層為潛水，主要賦存在埋深約14m以上的粉土和砂類土層中；第2層地下水類型為承壓水，主要賦存在埋深約28m以下的砂類土層中。本區潛水主要受大氣降水入滲補給，以蒸發和徑流為主要排泄方式；承壓水主要受地下水越流、側向徑流等補給，以人工開采、地下水側向徑流和越流補給深層承壓水為主要排泄方式。

2.抽水試驗基地建設過程

以滿足穩定流、非穩定流抽水為目的，綜合考慮基地所在區域氣象水文、地形地貌、地質、水文地質條件及場址具體地理位置受限情況，將建設過程具體分為基地建設設計、場地選址、組織施工、配套工程建設、試抽水試驗等5部分。

本基地建設設計思路為首先熟悉場地水文地質條件：含水層埋藏條件、含水層巖性、地下水位流場變化及水化學條件；其次根據以上資料進行選址、勘察工作，通過對場地勘察取樣可確定含水層厚度、求取水文地質參數，根據勘察鉆孔柱狀圖、地下水流場分布與水文地質參數（滲透系數）確定抽水主要目的層、抽水影響半徑、抽水井間距及抽水井空間分布情況；而后邀請基地所在區域生產單位、科研院所水文地質方面的專家教授開展論證工作，針對專家所提出的意見與建議修改完善抽水試驗基地的設計方案，確定最終抽水井主孔、觀測孔靜井徑、分布間距、孔深等基本參數與配套設施；最后由生產單位進行鉆探、成井，施工過程需安排以安全第一為原則、時間安排需緊湊，嚴格按照規范進行施工；另外考慮大氣水、地表水、土壤水、地下水（四水）循環轉化關系，選定氣象站、土壤鹽分、溫度、水量觀測設備作為配套設施主要工程，其他工程為抽水泵、主控室、排水、電纜、路基、照明、抽水基地簡介、基地保護等設施建設；最后進行試抽水試驗，確定抽水泵具體參數。

在此過程中，需重點考慮以下問題：（1）場地選址：教學基地場地選址與礦產開發、工程建設等選擇有所不同，教學基地目的是教學活動的組織和開展，選址不僅要滿足專業上抽水試驗要求，還對地形地貌、場地面積、周邊環境有嚴格的要求。（2）基地設計需基于勘探孔勘察報告的條件上完成的，該部分與后期抽水井具體參數確定、抽水試驗基地整體規劃存在直接的因果關系，因此場地勘察工作顯得尤為重要。（3）抽水試驗基地建設方案需廣泛征求當地具有水文地質工作經驗的老專家及科研院所專家的意見和建議，目的是做好理論與實踐相結合。（4）抽水泵具體參數的確定需要依據抽水試驗的類型及場地水文地質參數而定。（5）抽水試驗基地能否實現“一地多用”，建立成綜合的試驗平臺，包括彌散試驗、滲水試驗、包氣帶水觀測、氣象觀測等。

3.教學內容選擇

在本教學基地共設計以下教學內容：（1）分小組輪流統測地下水動態數據，匯總后繪制年地下水位動態曲線，分析地下水動態特征。（2）抽水試驗之前開展試抽水試驗練習工作，以使學生熟悉抽水試驗的流程、明確各自分工及試驗的任務目的。（3）要求每人完成一份抽水試驗設計報告，根據試抽水工作進一步梳理該試驗的目的、任務、試驗要求、其他注意事項及報告大綱。（4）抽水試驗進行過程中，各小組成員輪流觀測記錄抽水與水位恢復期間的水位、水溫、流量等項目，要求現場檢查數據的合理性。（5）按抽水試驗設計要求利用不同方法求取水文地質參數，繪制相關圖件，并編寫成果報告。（6）分小組依次答辯。

抽水試驗以夯實學生專業理論基礎為目的，可以使學生前期學到的水文地質基礎知識得到充分運用，最終使本專業學生熟悉掌握抽水試驗的基本思路與工作方法。

4.基于抽水試驗的教學設計

基于抽水試驗基地的教學設計要遵循“聯系理論課程、解決實際問題、鍛煉綜合能力”的原則，由指導教師針對教學點所涉及的專業問題設計一些大作業，如“穩定流抽水與非穩定流抽水的區別”，規定相應的課題小組要完成穩定流非穩定流判別、公式應用假設條件分析、求參方法推導、圖件繪制、結論分析等內容。在此基礎上還可設立“基地所在區地下水資源量評價”、“重要工程建設基坑降水抽水試驗設計”等應用型作業，使學生在對完成本次教學試驗后不僅僅是了解它的流程、方法，還要了解它在實際生產如何應用。類似的大作業會將進一步增強學生的專業思維，提高學生的專業實踐能力。

四、結論

抽水試驗教學基地是地下水科學與工程專業實踐教學體系中重要的組成部分，在專業人才目標培養的實現上具有至關重要的作用。經過抽水試驗教學基地的建設及其教學實踐，基于對抽水試驗教學經驗的總結和分析，提出了教學重在過程，學習重在參與，參與的過程中獲取知識，培養能力的原則。在我院北校區抽水試驗教學基地實際教學點的建設過程中，提出了建設抽水試驗教學基地建設的設計思路以及所需考慮的5個重要問題，并根據行業需求及專業發展趨勢進行了教學內容選擇，最后進行合理的應用拓展作業設計，使理論與實踐教學體系完美融合，取得了良好的教學效果，提高了專業人才質量。

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