海岸帶咸淡水界面模擬實驗的教學實踐

周 訓，宋 超，趙敬波，封 妍，方 斌，沈 曄

1．中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京　100083；2．地下水循環與演化教育部重點實驗室，北京　100083

實踐教學

海岸帶咸淡水界面模擬實驗的教學實踐

周 訓1，2，宋 超1，趙敬波1，封 妍1，方 斌1，2，沈 曄1，2

1．中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京100083；2．地下水循環與演化教育部重點實驗室，北京100083

摘 要：在地下水科學與工程本科專業課程教學新開設的“地下水科學專論”專業主干課中，設計制作一個新的實驗裝置，開展“海岸帶咸淡水界面模擬實驗”的實驗教學，直觀地展示了咸淡水突變界面的形態以及咸淡水水頭差和密度差對界面的影響，可以加深學生對海岸帶水循環和滲流過程中的水動力變化的認識，有助于培養學生的創新意識。

關鍵詞：海岸帶；咸淡水界面；模擬實驗；實驗教學

實驗教學是培養學生創新能力和專業素養的重要環節。通過實驗教學有望使學生的創新意識在一定程度上得到啟發和鍛煉[1-3]。在地下水科學與工程本科專業課程教學過程中，新開設了“地下水科學專論”專業主干課，除了在講授地下熱水的形成和循環的內容時進行“地下熱水循環模擬實驗”外[4]，在講授海岸帶地下水時，我們自主設計制作一個新的實驗裝置，新增設“海岸帶咸淡水界面模擬實驗”的實驗教學內容，有助于加深學生對海岸帶地下水循環過程的理解和培養學生的創新意識，取得了良好的教學效果。這一實驗的內容和過程十分直觀，使不易直接觀察的地下水文地質現象變得容易理解，極具地下水科學與工程專業的特色。利用這一實驗裝置，還開展了一個學校的開放實驗項目和一個大學生創新創業訓練計劃項目。

一、實驗原理與裝置

1．實驗原理

海岸帶咸淡水之間關系的數學描述是研究海岸帶地下水水動力變化和濱海地區的水環境演變的重要理論基礎。將咸水和淡水之間的接觸關系處理成一個突變界面，是海岸帶地下水動力學分析的基本方法[5]。早在100多年前Ghyben和Herzberg就定量研究了海岸帶咸淡水之間的關系，提出了依賴潛水位確定咸淡水突變界面位置的數學公式，這就是經典的Ghyben-Herzberg公式[6]。但是，在海岸帶地下含水層中是否存在咸淡水突變界面？咸淡水突變界面的位置是否只依賴于潛水位，還是既依賴于淡水帶的淡水水頭又依賴于咸水帶的咸水水頭？由于無法直接對地下咸淡水界面進行直觀觀測，這些問題需要通過模擬實驗來予以演示和驗證。本實驗通過對海岸帶潛水含水層進行概化，可以在一個滲流槽內構建海岸帶咸淡水界面，并考察咸淡水水頭差和密度差對咸淡水界面位置的影響，實測界面的位置與海岸帶水頭的數量關系。通過反復實驗，觀測滲流槽內咸淡水界面位置、淡水水頭和咸水水頭以及壓力、密度的變化，建立咸淡水界面位置與上述物理量之間的關系。實驗過程可以加深學生對依賴淡水帶水頭和咸水帶水頭確定咸淡水界面位置的公式的理解，從而加深對海陸交互帶水循環中能量傳輸的理解。

2．實驗裝置

利用透明有機玻璃制作一個內壁長140cm、寬20cm、高60cm的滲流模擬實驗槽，放置在高度為0.5m的不銹鋼框架支座上。在玻璃槽中間長105cm、高55cm的一段充滿細砂構建一個潛水含水層，兩側有濾網。實驗槽右端15cm長的一段為淡水進水端，中間有一高度為50cm的固定垂直擋板，在該擋板的左側有一進水管，右側有一出水管，固定擋板起到溢水作用，使進水端水位保持穩定。在實驗槽左端20cm長的一段，在中間放置一塊插入式垂直活動擋板（其高度可以改變，但小于50cm），在該擋板的右側有一進水管，流進咸水，左側有一出水管，流出咸淡水。在實驗槽中間的砂槽的一側（背面）的外壁通過打孔安裝壓力傳感器觀測槽內壓力，在4條垂直線上分3層共安裝壓力傳感器12個，在另一側（正面）的外壁通過打孔在靠近左端與壓力傳感器對應的第一條垂直線的位置自下而上均勻安裝7個測壓管（測壓計），用來觀測槽內水頭和測量對應點咸淡水的密度。在靠近咸水一側的第一條垂直線上，需要有2個壓力傳感器和至少2個測壓管位于咸淡水界面之上，1個壓力傳感器和至少1個測壓管位于咸淡水界面之下。事先用食鹽配置好咸水，并加入紅色食用染色劑，紅色的咸水放置在高度為1.5m的支架之上的一個水箱里，通過水管流進滲流槽左端。事先觀測咸水、淡水的密度。先在左端流進咸水，然后在右端流進淡水，再調整淡水進水流量、咸水進水流量和淡、咸水端水位，直到在中間砂槽內形成穩定的咸淡水界面為止。通過12個壓力傳感器觀測滲流場內各點的壓力，并通過數據采集機傳送到計算機顯示器實現自動觀測，實時輸出各觀測點的壓力，并記錄7個測壓管內的水頭觀測數據，同時用密度計觀測各測壓管內水的密度。實驗裝置如圖1所示。由于咸水已染成紅色，在滲流槽內可以看到紅色的咸水與無色的淡水之間存在一個突變界面，其前沿往淡水一側延伸致一定的距離（圖1）。在實驗過程中需要收集流出來的咸淡水，略加食鹽和染色料后再加以循環使用。

圖1　實驗裝置圖和咸水密度為1.025 g/cm3時的咸淡水界面

二、實驗內容與方案

當滲流槽內的介質為同一種砂時，通過改變咸水的密度和改變咸水、淡水兩端的水頭差，觀測咸淡水界面向淡水端的傾斜程度和咸淡水界面前沿向淡水端的延伸距離，同時觀測各觀測點壓力的變化，觀測各測壓孔水頭和密度的變化。

（1）咸水密度為1.025g/cm3時的海岸帶咸淡水界面模擬實驗。

第一步，在左端活動擋板高度為45cm時觀測砂槽內潛水穩定流各觀測點的壓力與各測壓孔水頭和密度，觀測穩定的咸淡水界面的位置，包括在第一條垂直線上界面距滲流槽底板的高度或距左端咸水面的深度，以及咸淡水界面前沿距左端咸水的距離。反復實驗，直到出現滿意的咸淡水界面為止。及時照相記錄咸淡水界面的位置。

第二步，在左端活動擋板高度為40cm時重復實驗步驟一。

第三步，在左端活動擋板高度為35cm時重復實驗步驟一。

（2）咸水密度為1.1g/cm3時的海岸帶咸淡水界面模擬實驗。

將水箱內的水改為密度為1.1g/cm3的咸水，重復實驗步驟一、二和三。

（3）改變滲流介質時的海岸帶咸淡水界面模擬實驗。

必要時也可以改變滲流槽內的介質，即改用較粗或較細的砂，重復實驗方案（1）和（2）。

（4）咸淡水界面位置的實測值和計算值的對比。

依據《地下水科學專論》[5]中海岸帶同一條垂直線上的淡水水頭與咸水水頭確定咸淡水界面位置的公式和海岸帶同一條垂直線上的淡水壓力與咸水壓力確定咸淡水界面位置的公式計算界面的位置[5]，并用實測的界面位置加以對比。

三 實驗結果

（1）在咸水密度為1.025g/cm3和1.1g/cm3、左側擋板高度為45cm的實驗條件下，獲得了較為穩定的咸淡水界面，如圖1和圖2所示。

圖2　咸水密度為1.1g/cm3時的咸淡水界面

（2）利用測壓孔的觀測獲得了不同實驗條件下的淡水帶水頭與咸水帶水頭和相應的密度觀測數據。觀測結果表明，利用理論公式獲得的計算界面與實測界面之間的差距并不大，基本小于10%，并且在大多數情況下計算界面略有偏小。

（3）利用壓力傳感器并通過計算機的自動觀測獲得了不同實驗條件下的淡水帶壓力與咸水帶壓力和相應的界面位置的實測和計算數據。

四、教學效果

（1）本實驗能夠較好地模擬海岸帶的咸淡水界面。在實際的海岸帶人們無法直觀地觀測到地下咸淡水界面的存在。本實驗在滲流槽的中間一段由紅色的咸水和無色的淡水形成一個突變的界面，具有很好的直觀和全新的視覺效果，從而加深學生對咸淡水界面的認識。

（2）咸淡水界面的清晰程度和穩定性與兩端的咸水、淡水的水頭差有關。當咸水密度為一定時咸淡水之間較小的水頭差可以使咸淡水界面穩定性提高、界面更清晰。當咸水密度較低為1.025 g/cm3時，咸水水位距底面為40cm時無明顯咸淡水界面出現，當咸水水頭提高距底面為45cm時，界面現象較為明顯。從而加深學生對咸淡水水頭差即淡水帶淡水流速對界面影響的認識。

（3）咸淡水之間的密度差對咸淡水界面的穩定性和形態有著重要影響。密度差越大，界面越易穩定，界面形態越趨于扁長，界面的坡度變小（圖2）。密度差越小，界面越不易穩定，界面形態扁短，界面的坡度較大（圖1）。這些現象可以加深學生對咸淡水的密度變化對界面影響的認識。

（4）在靜水條件下，咸淡水之間無明顯界面，咸淡水接觸帶形成過渡帶。說明淡水帶存在淡水的適度流動，有助于海岸帶咸淡水界面的存在，并且淡水流量越大，越有利于抑制咸淡水界面向淡水一側的延伸。從而加深學生對海水入侵防治的認識。

（5）在咸水端存在淡水出口，而且咸水與淡水密度差越大，淡水出口越大，而不是像Ghyben-Herzberg公式描述的那樣，不存在淡水出口。從而加深學生對Ghyben-Herzberg公式的適用性的理解。

（6）咸水帶的咸水水頭不同于左端咸水水位，而不是像Ghyben-Herzberg公式描述的那樣，咸水帶的咸水水頭與海（咸）水水位相同。這一現象意味著確定咸淡水界面的位置需要考慮咸水帶的咸水水頭。從而啟發了學生的創新意識。

（7）淡水帶的淡水水頭和咸水帶的咸水水頭都對咸淡水界面的位置有著重要的影響，因而確定界面位置的公式既依賴于淡水帶的淡水水頭又依賴于咸水帶的咸水水頭。從而加深學生對海陸交互帶水循環中水動力變化和能量遷移的理解。

五、結束語

實驗教學是培養學生創新意識的重要途徑[7-8]。我們設計制作海岸帶咸淡水模擬實驗裝置，可用于地下水滲流與循環的教學演示，使學生能直觀地感受不易實際觀測的海岸帶水文地質現象，密切了學生在理論學習與實際分析之間的聯系[9]。學生在參加實驗過程中鍛煉了他們的觀測能力和動手能力，培養了學生的創新意識。實驗過程中所觀測到的全新的結果和現象也激發了學生對科學研究的興趣。利用該實驗裝置還可以進行一系列的實驗，包括使左側咸水水位發生波動，模擬海岸帶潮汐作用對界面移動和海岸帶水頭變化的影響，在右側設置抽水井模擬海岸帶海水入侵等，從定性研究進入到細化的定量研究。

實驗教學豐富了課程教學內容，促進了教學改革和專業建設的發展[10]。海岸帶咸淡水界面模擬實驗既是對傳統的地下水滲流實驗[11]的極大拓展，也是對海陸交互帶水循環過程的簡化模擬和再現，豐富了專業課程的教學內容，加深了學生對地下水滲流和循環過程的豐富內涵的理解。增添新的實驗項目和實驗內容，也有助于實驗室建設走在學科的前沿，既是地下水循環與環境演化教育部重點實驗室建設的重要組成部分，也豐富了水文學及水資源北京市重點學科建設和地下水科學與工程國家級第一類特色專業建設的內容。

致謝：感謝楊歡、楊禮琨、劉赫淳、王彪、王冠群、郭金華、李思寧和王毅等參加實驗工作。

參考文獻：

[1] 周宜君，馮金朝，戴景峰.依托實驗中心平臺，培養學生實踐和創新能力[J].實驗技術與管理， 2012，29(3)：311-313.

[2] 周艷軍，張啟儉，齊平，等.提升學生實踐與創新能力培養途徑的探索[J].實驗技術與管理， 2011，28(7)：218-220.

[3] 張可方，雷勇鋒.精品課程建設過程中實驗教學的改革于探索[J].中國建設教育，2011，2(3-4)：43-45.

[4] 周訓，方斌，郭帥.地下熱水循環模擬實驗教學與學生專業素質的培養[J].實驗技術與管理， 2012，29(3)：259-260.

[5] 周訓，金曉媚，梁四海，等.地下水科學專論[M].北京：地質出版社，2010.

[6] Domenico P A,Schwartz F W.Physical and Chemical Hydrogeology[M]. New York:John Wiley&Sons, Inc, 1990.

[7] 趙玉紅，肖長來，卞健民，等.水文學及水資源專業實驗教學的改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30(1)： 92-95.

[8] 李麗潔，施瑞，陳樹森. 大學生創新實驗項目中的實驗教學[J].實驗技術與管理， 2011， 28(3)：162-164.

[9] 周訓，胡伏生，何江濤，等.地下水科學概論[M].北京：地質出版社，2009.

[10] 段鳳魁，胡洪營，楊宏偉，等.環境學科新型實驗實踐教學體系的建設進展[J].實驗技術與管理，2011，27(7)：142-144.

[11] 趙玉紅，肖長來，段長春.水資源基礎實驗室開放式教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2011，29(1)：168-171.

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1006-9372 （2013）03-0090-04

收稿日期：2013-04-10。

基金項目：中國地質大學(北京)2012年度教學研究與教學改革項目(JGMS-201205)，中國地質大學(北京)大學生創新創業訓練計劃(國家級創新實驗)項目(2012AG0037)，中國地質大學(北京)教學實驗室(中心)開放基金項目，國家自然科學基金項目(41172227)，教育部博士學科點專項科研基金優先發展領域項目(20110022130002)。

作者簡介：周 訓，男，教授，主要從事海岸帶地下水、地下熱水(溫泉)、地下鹵水、礦泉水、地下水循環及其模擬的教學和研究工作。

Teaching Practice of Modeling Experiment of Fresh Water-Salt Water Interface in Coastal Zones

ZHOU Xun1,2, SONG Chao1, ZHAO Jing-bo1, FENG Yan1, FANG Bin1,2, SHEN Ye1,2
1. China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. Key Laboratory of Groundwater Circulation and Evolution, Ministry of Education, Beijing 100083, China

Abstract：A new experimental apparatus is designed and used to model the fresh water-salt water interface in coastal zones in the new main specialty course of specialty topics on groundwater sciences in teaching of the undergraduate courses for the specialty of groundwater sciences and engineering. The shape of the sharp fresh water-salt water interface is directly displayed and the effects of the differences in hydraulic heads and densities between the fresh water and salt water on the interface are examined. The experiments may help students enhance the understanding of the changes in hydraulics in the course of water circulation and seepage in coastal zones. The experimental experience is helpful for increasing the students’ innovative consciousness.

Key words：coastal zone; fresh water-salt water interface; modeling experiment; experiment of teaching