喀斯特間歇泉模擬裝置的研制

肖先煊， 蔡國軍， 虞修竟

（成都理工大學國家級地質工程實驗教學示范中心；環境與土木工程學院；地質與巖土工程國家級虛擬仿真實驗教學中心，成都 610059）

0 引 言

地質學是一門理論性及實踐性很強的學科，學習過程中要求理論和實踐相結合［1-9］。地質學類課程的實驗教學作為學科專業教學的重要環節，目的是使學生在掌握基礎理論知識的同時，通過現象觀察、數據量測及綜合分析，更好地理解地質過程，掌握地質體內部的物質-能量之間的作用機理，為解釋一些復雜的地質現象奠定基礎，從而提高學生地質技能。因此，傳統的實驗教學具有顯著的局限性，不能讓學生清晰地觀測現象，也就無法讓學生全面認識地質過程，不利于培養學生的創新精神［10］。因而，現代實驗教學中，野外工程實踐設計與室內模擬實驗具有較好的同步性，模擬過程為新的實驗提供了更多的趨勢［11］。水文地質學是一門重要的專業核心課程，在新修訂的本科教學方案里面占有重要地位。它面向我校地質工程（原勘查技術與工程）、地下水科學與工程（原環境水文地質）、

巖土工程等專業本科學生開設，除了理論課的學習，實驗教學也是重要組成部分。在完成了理論課的學習后，實驗部分無疑可幫助學生鞏固和加深理解其所學過的理論知識，提高對地質過程的感性認識。學生在實驗課后，都一致認為實驗課程的設置對他們學習本門課程幫助極大，也激發了他們的學習興趣，更容易、直觀地去補充理解理論課堂上未完全掌握的知識點。

喀斯特間歇泉稀缺地分布在巖溶地區，具有極好的利用價值和觀賞價值。它是出露在巖溶化程度高的碳酸鹽巖地層中的巖溶泉，是一種特殊水文地質現象，在我國重慶、貴州、廣西等地均有分布。因其流量呈周期性有規律地變化，又稱為多潮泉［12］或周期泉［13］。

過去，在喀斯特間歇泉出露的地區，由于人們對它的認識不清而將其看作為神秘、迷信之物。在這樣的背景下，實驗室教師在沒有更多資料借鑒的情況下，在實驗室研制了喀斯特間歇泉成因模擬實驗裝置，為地質工程、地下水科學與工程等專業的本科生增設了這一實驗項目。為學生們加深對水文地質現象的理解提供了平臺，也大大激發了學生對地質學的學習興趣，培養了其對大自然的熱愛和對科學問題的窮究與追逐。

1 實驗裝置

1.1 設計思路

基于地下水動力學［14］和水力學［15］原理，采用室內模擬實驗來還原間歇泉形成的全過程。

如圖1所示的喀斯特間歇泉成因概化模型，河谷左岸的山體巖性為碳酸鹽巖（如P1y、T2l等），可溶巖發育有溶洞，溶洞右側有一組X剪節理后期溶蝕改造而成的巖溶管道，巖溶管道一端與溶洞相連通，另一端通向河谷地帶，即為間歇泉的出口。在溶洞的上部，有長期水流沖刷和溶蝕作用形成的洼地，降雨入滲可直接經洼地垂向滲流補給溶洞，溶洞的左側接受側向巖溶水的補給，為巖溶間歇泉形成提供水源和水動力條件。

圖1 喀斯特間歇泉成因概化模型

降水后，雨水在洼地匯集，并沿貫通的溶隙向下滲漏，補給溶洞，在垂向入滲補給及側向補給下（這一補給過程在一定時間內相對穩定），溶洞內地下水位上升，且水位與巖溶管道M段的水位保持一致，當溶洞地下水位與巖溶管道M段與N段的連接處，即拐點位置時，溶洞水能通過巖溶管道向外排泄，喀斯特間歇泉泉口已出現水流，且在緩慢地增大。當溶洞地下水位高于M段與N段連接處的頂部時，N段的空氣可被水迅速趕出，巖溶管道充滿水，虹吸現象形成，間歇泉流量突然增大至流量峰值，由于補給量小于間歇泉最大流量，溶洞內地下水位降低，相應地，間歇泉流量也不斷減小。當溶洞水位降至M段與溶洞相連接位置處，空氣吸入巖溶管道內，水流斷開，虹吸現象消失，泉口干涸。在穩定的入滲補給下，溶洞水位又一次上升，又重復出現上述現象。可以看出，發生間歇泉現象最直接的原因是：①穩定的補給量Q0；②Q0足夠大，能在一定時間后使得M段與N段連接處產生真空，巖溶管道充滿水流；③泉口最大流量Qmax大于穩定補給量Q0，使得一定時間水流能斷開。

依照上述條件，參照圖1的示意圖，作者在室內設計了喀斯特間歇泉簡易裝置，反復調節Q0，直至虹吸的形成和間歇現象的出現，并最終制作了喀斯特間歇泉模擬實驗裝置。

1.2 裝置結構

喀斯特間歇泉由地質體模擬箱、供排水系統、升降系統、測流系統組成（見圖2）。

(1)地質體模擬箱。主要包括模擬石灰巖、溶洞、巖溶管道、洼地、間歇泉等。模擬箱體為一矩形槽，長1.2 m，寬0.45 m，高0.75 m。模擬石灰巖用磚塊砌成。模擬石灰巖內發育有溶洞，溶洞內接受垂向大氣降雨的補給，模擬巖溶溶洞地下水位動態變化。溶洞正上方設置有模擬洼地，洼地用于收集降雨，匯水后順溶蝕裂隙向下入滲進入溶洞。溶洞還接受側向巖溶地下水的補給，溶洞的右側中下部與巖溶管道相連，巖溶管道形如“牛背”，管道另一端與大氣相通，端口為間歇泉的出水口。間歇泉的泉口高程略高于河流水面。

(2)升降系統。在地質體模擬箱體左側安裝有固定在框體上的升降系統，頂部手柄逆時針旋轉可使固定在其上的穩定溢流水箱下降，順時針旋轉可實現穩定溢流水箱上升。

(3)供排水系統。固定在升降系統上的穩定溢流水箱、水管、水泵、水閥、底部儲水箱等組成供排水系統。穩定溢流箱一分為二，一段的分水箱底部與水泵相連，用于供水；另一分水箱與儲水箱相連，用于排水。所供水可提供模擬側向補給和垂向降雨入滲補給。

(4)測流系統。在地質體模擬箱右側，間歇泉下游，設置有三角堰測流系統。該系統由消能板、三角堰及水位測針等組成。

圖2 喀斯特間歇泉模擬實驗裝置結構示意圖

1.3 工作原理和功能

喀斯特巖溶間歇泉模擬實驗裝置主要包括如下功能：

(1)展現間歇泉的形成過程。從溶洞、巖溶管道、洼地、溶隙等間歇泉要素的模擬，到降雨從地表進入地下，溶洞水位變化，再到間歇泉的產生，可全過程清晰地呈現，儀器采用全透明材料制作，實驗現象非常直觀，利于學生認識和分析間歇泉成因。

(2)溶洞水位與間歇泉流量實時監測。從溶洞水位開始上升到間歇泉口出水，虹吸現象形成的流量突變，再到流量衰減至0，整個過程中，模擬了溶洞水位與間歇泉流量的關系。

(3)模擬不同補給量、不同溶洞體積與間歇泉周期的關系。在補給量不大時，溶洞水位上升較慢，水位突破臨界虹吸點時，虹吸現象形成，流量達到最大值，此后，因補給量不大，溶洞水位下降較快，間歇泉斷開所需時間短，周期小。同樣補給量，溶洞體積越大，所需時間越長，斷開時間越長。

(4)確定補給量的范圍。間歇泉形成的補給量可以較小，但有個下限，如果補給量足夠小，補給流量與巖溶管道出水量相等時，虹吸無法形成。間歇泉形成的補給量也不能過大，補給流量大于虹吸最大流量時，盡管形成了虹吸，但溶洞水位始終保持不變或略有上升，在溶洞高水位地帶跳躍，始終不能斷開，也不能形成周期性的流量變化。

喀斯特間歇泉模擬實驗裝置的工作原理，可用伯努利能量方程解釋這個虹吸力。從溶洞水面到虹吸臨界點（圖1中M段與N段的連接點），虹吸臨界點的壓強則等于溶洞水面位置水頭減去臨界點的位置水頭加上水面壓強水頭再減去臨界點處的流速水頭。而由于臨界點與間歇泉出口的流速相等（假設巖溶管道均勻過水斷面面積相同），則臨界點處的流速為溶洞水面與間歇泉泉口的高差的那部分重力勢能轉化成動能產生的流速。因此，在臨界點處的相對壓強pr為負值，其大小等于水的重度γ與臨界點至間歇泉口高差Δh的乘積，即pr＝－γ·Δh。正是在這個負壓的作用下，產生了虹吸現象，導致泉流量大于補給量導致溶洞水位下降，斷開，再蓄水，再形成流量極值，再斷開。

1.4 實驗過程

間歇泉的實驗過程主要分如下幾個步驟：

(1)試驗準備。對喀斯特間歇泉模擬實驗裝置進行調試。將自來水管放入儲水箱中，直到儲水箱中的水約占體積的2／3后關閉自來水管停止供水。檢查模擬溶洞底部開關確保其處于關閉狀態，間歇泉泉口底部開關，使其始終為打開的狀態。利用自來水管往三角堰上游堰箱供水，當三角堰堰口有水溢出時立刻關閉自來水管供水，一定時間后，上游堰箱的多余水全部排出，在水位測針處讀取堰口高程H0。檢查溶洞與巖溶管道的連通性（見圖3）。

圖3 喀斯特間歇泉模擬實驗裝置圖

(2)間歇泉形成、觀測及記錄。

①間歇泉Q（t）曲線及周期。記錄溶洞初始水位后，接通水泵電源，儲水箱中水經軟管進入穩定溢流箱中，一部分通過右側管進入洼地內，供給實驗用水；另一部分向左側，回流至儲水箱當中。進入洼地內的實驗用水的流量、流速與穩定溢流箱高度有關，模擬降雨入滲對溶洞的補給量。溶洞水位開始上升，其水位與管道M段中的水位保持一致，溶洞水位需不斷記錄，當溶洞水位高于巖溶管道M與N段連接點底部時，泉口開始出流，記錄這一時刻的溶洞高水位特征值hcr1，同時不斷讀取三角堰測流系統水位測針的讀數，按照2 s的時間間隔進行讀數采集堰上水頭數據并記錄，同步記錄對應的時間。當虹吸形成后，泉口流量突然增加，但水位標尺讀數的突變存在滯后，這時按1 s一個數據的頻率進行讀數，確保間歇泉流量隨時間變化曲線的測量精度。間歇泉斷開時，記錄這一時刻的溶洞低水位特征值hcr2，此后并非立刻停止讀取水位測針，由于水流滯后，需不斷地進行讀數與測定。為了測量數據的準確性，每次試驗應至少測定3個以上的周期的數據。實驗數據記錄于表1中。

②確定間歇泉形成條件。在完成3個周期的流量測定實驗后，通過逐級升高穩定溢流箱增大入滲補給量，直至間歇泉無法斷開時，記錄那個入滲補給量Q0max；再通過逐漸降低穩定溢流箱高度減小入滲補給量，直至無法形成間歇泉（虹吸不能形成），記錄那個最小補給量Q0min。從而得到間歇泉形成的補給流量范圍（Q0min，Q0max）。再測量溶洞高水位特征值Hcr1與泉口高程Hs的差值、每次間歇泉斷開時溶洞低水位特征值Hcr2等。

表1 間歇泉模擬實驗觀察數據

③分析間歇泉周期影響因素。間歇泉的周期與溶洞體積、管道尺寸、入滲補給量、虹吸臨界點與泉口的高差等因素有關。在完成上述試驗后，將溶洞體積擴大至原來的3倍，其他因子不變，測定一個以上周期的間歇泉流量隨時間的數據，獲取新的Q（t）曲線。還可不斷調節入滲補給量，得到不同的周期性數據。其他條件如管道尺寸、虹吸點與泉口的高差因設備原因固定不變不宜作為變量。

(3)數據分析與處理。經過上述實驗過程，處理所記錄的實驗數據，得到喀斯特間歇泉流量與時間的關系曲線（見圖4），從圖中可得到每個循環所需的時間，最大流量值，虹吸發生的時間、斷開時間以及對應的溶洞水位特征值。也能看出，從泉口開始溢流到虹吸產生的所需時間，峰值從衰減至斷開所需時間等，為巖溶間歇泉的水文地質條件的分析提供了重要數據支撐。這為野外預測間歇泉的出流時間和一次性的出流量提供依據，指導巖溶水資源的可持續開發與利用。

圖4 定補給量、溶洞體積為V/3條件下的Q（t）曲線

在其他條件不變時，改變溶洞的體積，使其增長至原來的3倍，同樣的方法開展實驗，得到的間歇泉流量與時間的關系如圖5所示。可以看出，溶洞體積增大后，間歇泉的最大流量并沒有發生改變，而間歇周期延長。這表明，在MN段連接處與泉口高差不變時，間歇泉流量最大流量與溶洞體積無關，而與入滲補給量正相關。

圖5 定補給量、溶洞體積為V條件下的Q（t）曲線

(4)試驗總結。學生分組進行上述實驗后，得到的數據和曲線分析，展開現場討論和總結。教師引導學生從喀斯特間歇泉野外地質條件調查、水動力條件調查入手，有意識去建立概化模型［16-17］，主動性地設計實驗條件，改變單變量去開展實驗，得到間歇泉相關因子之間的關系。不僅從定性地角度去認識間歇泉的成因機制，且要通過開展實驗去深一步探索。學生們在實驗后對問題的總結和討論極為重要，是本實驗的一個重要環節。

2 教學課程設置及教學對象

目前，我校的本科培養方案中，水文地質學基礎（水文地質學）課程面向3個學院，5個專業的本科學生開設，具體分布情況如表2所示。

表2 成都理工大學水文地質學基礎（水文地質學）課程開設情況

可以看出，水文地質學實驗教學部分在課程體系里面具有重要地位。針對地質工程創新班學生開設的水文地質學基礎課程，實驗課時占總課程課時的28.6%；巖土工程專業所開設的水文地質學課程中，實驗課時占課程總課時的10%；其他專業所開設的水文地質學基礎課程中，實驗部分占課程總學時的14%～20%。實驗環節的進行，對學生掌握本門專業課的理論知識和專業技能具有重要的幫助。因此，如何讓學生的知識結構從理論到實踐，再從實踐反饋到理論的升華過程，是實驗教學的重要目的所在。對實驗教學項目的拓展和創新性實驗內容的增加，是一條重要途徑。

我校的水文地質學基礎實驗項目主要包括達西滲流實驗、觀測巖土毛細水上升高度實驗、巖土水理性質實驗、編制潛水等水位線圖實驗等內容。實驗項目與水文地質學基礎理論課程內容基本匹配。現有的實驗項目和實驗內容固然經典，但已經逐漸難以適應新時代社會對創新人才的日益需求。基于本課程的理論基礎，研制新的實驗設備，開發新的實驗項目對啟發學生思維和培養其創新能力有促進作用。下表介紹了我校水文地質學基礎及水文地質學的實驗課程項目開設情況及學時組成（見表3）。

表3 水文地質學基礎（水文地質學）實驗項目一覽表

就水文地質學基礎實驗課程而言，將間歇泉成因模擬實驗作為一個實驗項目，要求學生不僅要掌握其原理和實驗方法，還要通過實驗、數據測定及成果分析去理解，去分析水文地質問題。而對于巖土工程專業的學生，也需要通過理解實驗原理，觀察實驗現象，掌握一定的地質基礎和實驗知識。容易看出，將喀斯特間歇泉模擬實驗項目增設進水文地質學基礎和水文地質學實驗課程具有良好的教學意義。

3 結 語

喀斯特間歇泉模擬實驗裝置的研制為室內開展間歇泉成因模擬實驗提供了條件。實驗裝置基于對巖溶間歇泉地質條件和水動力條件的認識，并掌握其成因機理的基礎上而成功研制，間歇泉成因模擬實驗項目的增設在促進現代化水文地質學基礎課程實驗教學的發展發揮了重要的作用。一方面，擴展了實驗教學平臺，豐富了實驗教學內容，激發了學生的實驗興趣，鍛煉了學生的動手能力，為培養應用型創新人才提供了技術保障；另一方面，作為我校國家級地質工程實驗教學示范中心的一部分，水文地質實驗室實驗教學項目和深化改革，更多從無到有的水文地質設備的增加，實踐教學平臺的建設和實驗教學水平的提高，增加了示范中心的影響力，在全國范圍內起到更好的帶頭作用和輻射作用。