1.3 水文地質試驗與地下水動態調查

水文地質試驗是查清水文地質條件、評價地下水資源的重要手段，分為野外和室內試驗兩種，本節以介紹抽水試驗為主，其他幾項試驗為輔。

1.3.1 水文地質試驗

1.3.1.1 抽水試驗

抽水試驗是通過從鉆孔或水井中抽水，定量評價含水層富水性，測定含水層水文地質參數和判斷某些水文地質條件的一種野外試驗工作方法。它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。

1.抽水試驗的任務

（1）直接測定含水層的富水程度和評價井（孔）的出水能力。

（2）確定含水層水文地質參數，如滲透系數K、導水系數T、給水度μ、儲水系數μ^*等。

（3）為取水工程設計或大型城建工程（地鐵等）提供所需的水文地質基礎數據，如單井出水量、單位出水量、井間干擾系數等，并可根據水位降深和涌水量選擇水泵型號。

（4）可直接評價水源地的可（允許）開采量。

（5）查明某些其他手段難以查明的水文地質條件，如地表水與地下水之間及含水層之間的水力聯系，以及邊界性質和強徑流帶位置等。

2.抽水試驗的分類

抽水試驗主要分為單孔抽水、多孔抽水、群孔干擾抽水和試驗性開采抽水。

（1）單孔抽水試驗：僅在一個試驗孔中抽水，用以確定涌水量與水位降深的關系，概略取得含水層滲透系數。

（2）多孔抽水試驗：在一個主孔內抽水，在其周圍設置若干個觀測孔觀測地下水位。通過多孔抽水試驗可以求得較為確切的水文地質參數和含水層不同方向的滲透性能及邊界條件等。

（3）群孔干擾抽水試驗：在影響半徑范圍內，兩個或兩個以上鉆孔中同時進行的抽水試驗；通過干擾抽水試驗確定水位下降與總涌水量的關系，從而預測一定降深下的開采量或一定開采定額下的水位降深值，同時為確定合理的布井方案提供依據。

（4）試驗性開采抽水試驗：是模擬未來開采方案而進行的抽水試驗。一般在地下水天然補給量不很充沛或補給量不易查清，或者勘察工作量有限而缺乏地下水長期觀測資料的水源地，為充分暴露水文地質問題，宜進行試驗性開采抽水試驗，并用鉆孔實際出水量作為評價地下水可開采量的依據。

3.抽水試驗場的選擇及井位布置

（1）試驗場地的選擇。選擇含水層試驗場地時，應該注意以下問題。

1）場地的水文地質條件在短距離內不應有變化，并具有區域的代表性或代表研究區的大部分。

2）場地最好不要選擇在近鐵路或公路處，因為重型運輸設備的通過對承壓含水層的觀測孔可產生可觀測的波動。

3）抽出的水必須以不能返回到含水層的方法排走。為防止抽出水的回滲，在預計抽水影響范圍內的排水溝必須采取防滲措施。當表層有3m以上的黏土或亞黏土時，一般可直接挖溝排水。

4）潛水面或測壓面的水力坡度應該不大；動力及設備必須很容易到達場地。

（2）抽水試驗場地抽水孔及觀測孔的布置。

1）抽水孔布置原則。

a.為求取水文地質參數的抽水孔，一般應遠離含水層的透水、隔水邊界，布置在含水層導水及儲水性質、補給條件、厚度和巖性條件等有代表性的地方。

b.對于探采結合的抽水井（包括供水詳勘階段的抽水井）要求布置在含水層（帶）富水性較好或計劃布置生產水井的位置上，以便為將來生產孔的設計提供可靠信息。

c.欲查明含水層邊界性質、邊界補給量的抽水孔，應布置在靠近邊界的地方，以便觀測帶邊界兩側明顯的水位差異或查明兩側的水力聯系程度。

2）觀測孔布置原則。由于觀測孔中的水位不受抽水孔水躍值和抽水孔附近三維流的影響，能更真實地代表含水層中的水位利用觀測孔的水位觀測數據，可以提高井流公式所計算出的水文地質參數的精度。另外，利用觀測孔的水位，可用多種作圖方法求解穩定流和非穩定流的水文地質參數。亦可繪制出抽水的人工流場圖（等水位線或下降漏斗），可分析判明含水層的邊界位置與性質、補給方向、補給來源及強徑流帶位置等水文地質條件。大型孔群抽水試驗滲流場的時空特征，可作為建立地下水流數值模擬模型的基礎。

觀測孔一般應和抽水主孔組成觀測線，所求水文地質參數應具有代表性。因此，要求通過水位觀測孔觀測所得到的地下水位降落曲線，對于整個抽水流場來說，應具有代表性。一般應根據抽水時可能形成的水位降落漏斗的特點來確定觀測線的位置，對于不同目的的抽水試驗，其水位觀測孔布置的原則是不同，具體如下。

a.均質各向同性、水力坡度較小的含水層，其抽水降落漏斗的平面形狀為圓形，即在通過抽水孔的各個方向上，水力坡度基本相等，但一般上游側水力坡度小于下游側水力坡度，故在與地下水流向垂直方向上布置一條觀測線即可，見圖1.1。

b.均質各向同性、水力坡度較大的含水層，其抽水降落漏斗形狀為橢圓形，下游一側的水力坡度遠較上游一側大，故除垂直地下水流向布置一條觀測線外，尚應在上、下游方向上各布置一條水位觀測線［圖1.1（b）］。

圖1.1 抽水試驗水位觀測線布置示意圖

1—地下水天然流向；2—水位觀測線；3—抽水時的等水位線；4—抽水主孔；5—水位觀測孔

c.均質各向異性的含水層，抽水水位降落漏斗常沿著含水層儲、導水性質好的方向發展（延伸），該方向水力坡度較小；儲、導水性差的方向為漏斗短軸，水力坡度較大。因此，抽水時的水位觀測線應沿著不同儲、導水性質的方向布置，以分別取得不同方向的水文地質參數。

d.對觀測線上觀測孔數目的布置要求。觀測孔數目：只為求參數，1個即可；為提高參數的精度則需2個以上，如欲繪制漏斗剖面，則需2～3個。觀測孔距主孔距離：①按抽水漏斗水面坡度變化規律，愈近主孔距離應愈小，愈遠離主孔距離應愈大；②為避開抽水孔三維流的影響，第一個觀測孔距主孔的距離一般應約等于含水層的厚度（至少應大于10m）；③最遠的觀測孔，要求觀測到的水位降深應大于20cm；④相鄰觀測孔距離，亦應保證兩孔的水位差必須大于20cm。

e.當抽水試驗的目的在于查明含水層的邊界性質和位置時，觀測線應通過主孔、垂直于欲查明的邊界布置，并應在邊界兩側附近均布置觀測孔。

f.對欲建立地下水水流數值模擬模型的大型抽水試驗，應將觀測孔比較均勻地布置在計算區域內，以便能控制整個流場的變化和邊界上的水位和流量，應在每個參數分區內都布置觀測孔，便于流場擬合。

g.當抽水試驗的目的在于查明垂向含水層之間的水力聯系時，則應在同一觀測線上布置分層的水位觀測孔。

h.觀測孔深度：要求揭穿含水層，至少深入含水層10～15m。

4.觀測要求

（1）穩定流抽水試驗觀測要求。水位觀測時間一般在抽水開始后第1min、3min、5min、10min、20min、30min、45min、60min、75min、90min進行觀測，以后每隔30min觀測一次，穩定后可延至1h觀測一次，水位讀數應準確到cm。

涌水量觀測應與水位觀測同步進行；當采用堰箱或孔板流量計時，讀數應準確到mm。

注意：為保證測量精度要求，可根據流量大小，選用不同規格的堰箱。當流量小于10L/s時，堰箱斷面面積應大于25dm²；流量為10～50L/s時，堰箱斷面面積應大于100dm²；流量為50～100L/s時，堰箱斷面面積應大于200dm²。

水溫、氣溫宜2～4h觀測一次，讀數應準確到0.5℃，觀測時間應與水位觀測時間對應。

恢復水位觀測要求：停泵后應立即觀測恢復水位（圖1.2），觀測時間間隔與抽水試驗要求基本相同。若連續3h水位不變，或水位呈單向變化，連續4h內每小時水位變化不超過1cm，或者水位升降與自然水位變化相一致時，即可停止觀測。試驗結束后應測量孔深，確定過濾器掩埋部分長度，淤砂部分應在過濾器有效長度以下，否則，試驗應重新進行。

圖1.2 停止抽水后水位回升圖

（2）非穩定流抽水試驗觀測要求。

1）水位觀測宜按第0.5min、1min、1.5min、2min、2.5min、3min、3.5min、4min、5min、6min、7min、8min、10min、12min、15min、20min、25min、30min、40min、50min、60min、75min、90min、105min、120min進行觀測，以后每隔30min觀測一次，其余觀測項目及精度要求可參照穩定流抽水試驗要求進行。

2）抽水孔與觀測孔水位必須同步觀測。

3）抽水結束后，或試驗期間因故中斷抽水時，應觀測恢復水位，觀測頻率應與抽水時一致，水位應恢復到接近抽水前的靜止水位。

5.抽水試驗報告

抽水試驗設計提綱內容包括以下內容。

（1）前言（目的及意義）。

（2）水文地質概念模型。

（3）技術要求（場地、抽水井、觀測井、觀測要求、事故處理）。

（4）求參方法。

（5）時間安排與質量保證。

（6）注意事項。

（7）摘要（500字）及英文摘要。

抽水試驗報告提綱包括以下內容。

（1）前言（目的及意義）。目的及意義、試驗完成情況、存在問題及解決方法。

（2）氣象與水文條件。

1）氣象條件：氣溫、降水、蒸發、風等。

2）水文條件：江河、湖泊、流量、水位等。

（3）地質與水文地質條件。

1）地形地貌。

2）地質條件。

3）水文地質條件：含水層與地下水類型、地下水埋藏分布條件、地下水循環條件、地下水動態特征、地下水化學特征。

（4）抽水試驗觀測。

1）觀測內容：水位、流量、水溫。

2）觀測方法及工具、精度及要求。

3）觀測記錄成果。

（5）水文地質參數計算。

1）穩定流求參方法。

2）非穩定流求參方法：配線法、直線圖解法、水位恢復法、有越流補給的拐點法。

（6）參數分析與討論。

1）計算結果的合理性分析與可靠性分析。

2）參數計算的影響因素。

3）參數的時空變化特點。

（7）結論及建議。

（8）參考文獻。

（9）英文摘要。

（10）附圖附表。

1）抽水試驗平面位置圖。

2）抽水井鉆孔柱狀圖。

3）初始流場圖。

4）抽水歷時曲線。

5）水位、流量觀測記錄表。

6）參數計算有關圖標。

1.3.1.2 其他水文地質野外試驗

1.滲水試驗

滲水試驗是一種在野外現場測定包氣帶土層垂向滲透系數的簡易方法，在研究大氣降水、灌溉水、渠水、暫時性表流等對地下水的補給時，常需進行此種試驗。野外測定包氣帶非飽和松散巖層的滲透系數最常用的是試坑法、單環法和雙環法。其中雙環法的精度最高。

（1）試坑法。試驗方法：在試驗層中開挖一個截面積約0.3～0.5m²的方形或圓形試坑，不斷將水注入坑中，并使坑底的水層厚度保持一定（一般為10cm厚），當單位時間注入水量（即包氣帶巖層的滲透流量）保持穩定時，則可根據達西滲透定律計算出包氣帶土層的滲透系數（K），即

式中 Q——穩定滲透流量，即注入水量，m³；

V——滲透水流速度，m/d；

W——滲水坑的底面積，m²；

I——垂向水力坡度。

試坑法常用于測定毛細壓力影響不大的砂類土的滲透系數，不適合用于毛細壓力影響大的黏性土類。

（2）單環法。單環法是在試坑嵌入一個高為20cm、直徑為40cm的鐵質環。在試驗開始時，用馬氏瓶控制鐵環內水層厚度，使之保持在約10cm高度。試驗一直進行到滲入量Q固定不變時為止，可按式（1.1）進行計算。

（3）雙環法。雙環法試驗是野外測定包氣帶非飽和松散巖層的滲透系數的常用的簡易方法，試驗的結果更接近實際情況。利用這個試驗資料研究區域性水均衡以及水庫、灌區、渠道滲漏量等都是十分重要的。

該方法的試驗原理是：在一定的水文地質邊界以內，向地表松散巖層進行注水，使滲入的水量達到穩定，即單位時間的滲入水量近似相等時，再利用達西定律的原理求出滲透系數（K）值。

在坑底嵌入兩個高約50cm，直徑分別為0.20m和0.40m的鐵環，試驗時同時往內、外鐵環內注水，并保持內外環的水柱都保持在同一高度，以0.1m為宜。雙環法滲水試驗的試驗用品為：雙環、鐵鍬、尺子、水桶、膠帶、橡皮管。試驗步驟：

選擇試驗場地，最好在潛水埋藏深度大于5m的地方。當某地潛水埋深小于2m時，因滲透路徑太短，測得的滲透系數不真實，在這種條件下不要使用滲水試驗。

按雙環法滲水試驗示意圖1.3安裝好試驗裝置。往內、外鐵環內注水，并保持內外環的水柱都保持在同一高度，以0.1m為宜。按一定的時間間隔觀測滲入水量。開始時因滲入量大，觀測間隔時間要短，稍后可按一定時間間隔比如每10min觀測一次，直至單位時間滲入水量達到相對穩定，再延續2～4h即可結束試驗。

由于外環滲透場的約束作用使內環的水只能垂向滲入，因而排除了側向滲流的誤差，因此它比試坑法和單環法的精度都高。

滲水試驗方法的最大缺陷是，水體下滲時常常不能完全排出巖層中的空氣，這對試驗結果必然產生影響。

2.鉆孔注水試驗

當鉆孔中地下水位埋藏很深或試驗層透水不含水時，在研究地下水人工補給或廢水地下處置的效率時，或可用注水試驗代替抽水試驗，近似地測定該巖層的滲透參數。注水試驗形成的流場圖為地下水天然水位以上形成反向的充水漏斗，正好和抽水試驗相反（圖1.4）。

圖1.3 雙環法滲水試驗示意圖

1—內環（φ25cm）；2—外環（φ50cm）；3—自動補充水瓶；4—水量標尺

圖1.4 潛水注水井示意剖面圖

對于常用的穩定流注水試驗。其滲透系數計算公式的建立過程與抽水井的裘布依K值計算公式的建立過程原理相似，具體參見地下水動力學相關公式。

注水試驗時可向井內定流量注水，抬高井中水位，待水位穩定并延續到一定時間后，可停止注水，觀測恢復水位。穩定后延續時間要求與抽水試驗相同。

由于注水試驗常常是在不具備抽水試驗條件下進行的，故注水井在鉆進結束后，一般都難以進行洗井（孔內無水或未準備洗井設備）。因此，用注水試驗方法求得的巖層滲透系數往往比抽水試驗求得的值小得多。

3.連通試驗

連通試驗的目的主要是查明地下水的運動途徑、速度，地下河系的連通、延展與分布情況，地表水與地下水的轉化關系，以及礦坑涌水的水源與通道展布情況等問題，這對地下水資源計算、水資源保護、確定礦床疏干、水庫水漏失途徑均具重要意義。

連通試驗作為示蹤試驗的一種，主要是查明水文地質條件。其具體指在上游某個地下水點（水井、坑道、巖溶豎井及地下暗河表流段等）投入某種指示劑，在下游諸多的地下水點（除前述各類水點外，尚包括泉水、巖溶暗河出口等）監測示蹤劑是否出現，以及出現的時間和濃度。對試驗井點布置及試驗方法在具體操作過程中一般多利用現有的人工或天然地下水點和巖溶通道，只要監測水點設在投源水點下游的主徑流帶中即可。監測水點應盡可能地多，與投源井距離亦無嚴格要求。

1.3.2 地下水動態調查

所謂地下水動態是指表征地下水數量與質量的各種要素（水位、流量、開采量、溶質成分與水溫等）隨著時間的變化規律。其變化規律可以是周期性的，也可以是趨勢性的。地下水動態調查是指對含水層各要素（水位、水量、水化學成分、水溫）隨時間的變化特征等現象的記錄與描述，具體為選擇有代表的鉆孔、水井、泉等，按照一定的時間間隔和技術要求，對地下水動態進行監測、試驗與綜合研究的工作。地下水動態調查的目的是查清含水層系統地下水動態變化規律，在天然條件下，可以依據地下水動態分析，認識地下水的形成、埋藏條件，認識水量、水質的形成條件，區分不同類型的含水層；利用地下水動態資料計算地下水某些均衡要素；可以利用地下水動態監測評價和預測地下水資源，評價其水質水量隨著時間的變化規律；對地下水的儲存量、最大允許開采量等進行評價，以減少因地下水均衡破壞而引起的環境負效應等；為地下水資源評價提供原始資料，地下水位動態變化最終趨于一種相對較穩定的狀態即地下水均衡狀態。相關內容在第2章還有更為詳細的論述。

1.目的與任務

（1）查明主要地下水含水層系統的水位、水量、水溫和水質的變化規律及發展趨勢，并分析其變化影響因素。

（2）查明地下水動態變化特征，確定地下水動態類型。

（3）查明不同地下水含水層系統之間，地下水系統與水文系統之間的水力聯系。

（4）為求取水文地質參數進行水資源評價，預測地下水的水量、水質、水位變化。

（5）對各種污染源以及有害的環境地質現象進行監測。

2.地下水動態調查內容

地下水調查內容包括地下水水位動態、地下水水量動態、地下水水化學動態及地下水水溫動態。地下水動態監測的基本項目都應包括地下水水位、水溫、水化學成分和井、泉流量等。對與地下水有水力聯系的地表水水位與流量，以及礦山井巷和其他地下工程的出水點、排水量及水位標高也應進行監測。水質的監測，一般是以水質簡分析項目作為基本監測項目，再加上某些選擇性監測項目（特殊成分污染質、特定化學指標等）。選擇性監測項目是指那些在本地區地下水中已經出現或可能出現的特殊成分及污染質，或被選定為水質模型模擬因子的化學指標。為掌握區內水文地球化學條件的基本趨勢，可每年或隔年對監測點的水質進行一次全分析。地下水動態資料，常常隨著觀測資料系列的延長而具有更大的使用價值，故監測點位置確定后，一般不要輕易變動。

3.地下水動態調查準備工作及方法

地下水動態調查原則是為查明和研究水文地質條件，特別是地下水的補給、徑流、排泄條件，掌握地下水動態規律，為地下水資源評價、科學管理及環境地質問題的研究和防治提供科學依據。

遵循以上原則，地下水動態調查常設以下準備工作：地下水動態監測網點的布設，包括控制性監測網點和專門性監測網點。內容包括：各監測點的建設、監測點密度、監測點動態監測項目安排及具體要求。

動態監測網布置技術要求如下。

（1）在充分利用區內已布設的動態監測網點的基礎上，根據本次工作任務增設觀測點，達到控制全區主要河流和勘查目的層的目的。

（2）地下水動態觀測點一般沿地下水區域徑流方向布置。在地表水體附近，為調查地下水與地表水的水力聯系，觀測孔應垂直地表水體的岸邊布置。為調查垂直方向各含水層（組）間的水力聯系，應設置分層觀測孔組。為調查地下水污染動態特征，觀測線應垂直污染分界面布置，在分界面附近應加密觀測點。對已有水源地的開采地段，宜通過降落漏斗中心布設相互垂直的兩條觀測線，最遠觀測點應在降落漏斗之外。為了滿足數值法模擬的要求，觀測孔的布置應保證對計算區各分布參數的控制。

（3）泉水應按不同類型、不同含水層（組）及大泉（一般選擇流量不小于1L/s的大泉）分別設置觀測點。

（4）未設立水文站的主要河流、地表水體應設置觀測點，以了解地表水與地下水的相互轉化關系。

（5）在環境水文地質問題嚴重地區，進行與地下水動態相應的環境水文地質監測。

監測項目及技術要求：

動態監測項目主要包括地下水與地表水的水位、水量、水質、水溫。

（1）地下水水位測量精確到mm。河谷區第四系地下水每10d（每月10日、20日、30日）觀測1次，對有特殊意義的觀測孔，按需要加密觀測。

（2）地下水水量監測包括觀測泉水流量、自流井流量和地下水開采量。泉水與自流井流量觀測頻率與地下水位觀測同步。

（3）地下水水溫觀測可每月進行1次，并與水位、流量同步觀測，水溫測量誤差小于0.2℃，同時觀測氣溫。根據地下水位埋深和環境溫度變化，采用合適的測量工具，保證觀測數據的精度。

（4）地下水水質監測頻率宜為每年兩次，應在豐水期（7—9月）、枯水期（1—3月）各采樣1次，初次采樣須做全分析，以后可做簡分析。

（5）地表水體的觀測內容包括水位、流量。地表水體的觀測頻率應和與其有水力聯系的地下水觀測同步。若河流設有可以利用的水文站時，可收集該水文站的有關資料。

（6）地下水動態長期監測孔宜安裝水位水溫自動記錄儀器。

詳見地下水動態監測規程（DZ/T 0133—94）與地下水動態長期觀測技術規范（MT/T 663—1996）。

4.地下水動態調查成果

根據所獲得的地下水動態監測資料，分析地下水動態的年內及年際間的變化規律。依據某種動態要素隨時間的變化過程、變化形態及變幅大小等分析水文地質條件，根據變化的周期性與趨勢性，并通過不同監測項目動態特征的對比，確定它們之間的相關關系。劃分地下水動態成因類型、進行地下水動態均衡研究，地下水的均衡包括水量均衡、水質均衡和熱量均衡等不同性質的均衡。

資料整編與成果方法如下。

（1）資料整編：監測所獲得的資料必須及時整理，并錄入計算機，建立地下水動態數據庫。地下水觀測資料整理包括日常整理、年度整理以及調查結束時的總整理。

（2）地下水動態監測資料與成果宜包括以下內容：地下水動態觀測點分布圖、地下水動態觀測點檔案卡片、地下水動態觀測野外記錄表、地下水動態觀測年報表、地表水觀測年報表、地下水動態曲線圖、地下水等水位線圖、地下水水位埋深圖、地下水水位變幅圖、地下水動態剖面圖地下水動態分析圖表以及地下水動態監測總結。