1.3 水文地质试验与地下水动态调查

水文地质试验是查清水文地质条件、评价地下水资源的重要手段，分为野外和室内试验两种，本节以介绍抽水试验为主，其他几项试验为辅。

1.3.1 水文地质试验

1.3.1.1 抽水试验

抽水试验是通过从钻孔或水井中抽水，定量评价含水层富水性，测定含水层水文地质参数和判断某些水文地质条件的一种野外试验工作方法。它是以地下水井流理论（主要内容包括孔隙渗流理论基础、河渠附近地下水运动、井附近的地下水运动）为基础，通过在井孔中进行抽水和观测，一般来测定含水层水文地质参数、评价含水层富水性和判断某些水文地质条件的水文地质勘察中最为常用的水文地质试验。

1.抽水试验的任务

（1）直接测定含水层的富水程度和评价井（孔）的出水能力。

（2）确定含水层水文地质参数，如渗透系数K、导水系数T、给水度μ、储水系数μ^*等。

（3）为取水工程设计或大型城建工程（地铁等）提供所需的水文地质基础数据，如单井出水量、单位出水量、井间干扰系数等，并可根据水位降深和涌水量选择水泵型号。

（4）可直接评价水源地的可（允许）开采量。

（5）查明某些其他手段难以查明的水文地质条件，如地表水与地下水之间及含水层之间的水力联系，以及边界性质和强径流带位置等。

2.抽水试验的分类

抽水试验主要分为单孔抽水、多孔抽水、群孔干扰抽水和试验性开采抽水。

（1）单孔抽水试验：仅在一个试验孔中抽水，用以确定涌水量与水位降深的关系，概略取得含水层渗透系数。

（2）多孔抽水试验：在一个主孔内抽水，在其周围设置若干个观测孔观测地下水位。通过多孔抽水试验可以求得较为确切的水文地质参数和含水层不同方向的渗透性能及边界条件等。

（3）群孔干扰抽水试验：在影响半径范围内，两个或两个以上钻孔中同时进行的抽水试验；通过干扰抽水试验确定水位下降与总涌水量的关系，从而预测一定降深下的开采量或一定开采定额下的水位降深值，同时为确定合理的布井方案提供依据。

（4）试验性开采抽水试验：是模拟未来开采方案而进行的抽水试验。一般在地下水天然补给量不很充沛或补给量不易查清，或者勘察工作量有限而缺乏地下水长期观测资料的水源地，为充分暴露水文地质问题，宜进行试验性开采抽水试验，并用钻孔实际出水量作为评价地下水可开采量的依据。

3.抽水试验场的选择及井位布置

（1）试验场地的选择。选择含水层试验场地时，应该注意以下问题。

1）场地的水文地质条件在短距离内不应有变化，并具有区域的代表性或代表研究区的大部分。

2）场地最好不要选择在近铁路或公路处，因为重型运输设备的通过对承压含水层的观测孔可产生可观测的波动。

3）抽出的水必须以不能返回到含水层的方法排走。为防止抽出水的回渗，在预计抽水影响范围内的排水沟必须采取防渗措施。当表层有3m以上的黏土或亚黏土时，一般可直接挖沟排水。

4）潜水面或测压面的水力坡度应该不大；动力及设备必须很容易到达场地。

（2）抽水试验场地抽水孔及观测孔的布置。

1）抽水孔布置原则。

a.为求取水文地质参数的抽水孔，一般应远离含水层的透水、隔水边界，布置在含水层导水及储水性质、补给条件、厚度和岩性条件等有代表性的地方。

b.对于探采结合的抽水井（包括供水详勘阶段的抽水井）要求布置在含水层（带）富水性较好或计划布置生产水井的位置上，以便为将来生产孔的设计提供可靠信息。

c.欲查明含水层边界性质、边界补给量的抽水孔，应布置在靠近边界的地方，以便观测带边界两侧明显的水位差异或查明两侧的水力联系程度。

2）观测孔布置原则。由于观测孔中的水位不受抽水孔水跃值和抽水孔附近三维流的影响，能更真实地代表含水层中的水位利用观测孔的水位观测数据，可以提高井流公式所计算出的水文地质参数的精度。另外，利用观测孔的水位，可用多种作图方法求解稳定流和非稳定流的水文地质参数。亦可绘制出抽水的人工流场图（等水位线或下降漏斗），可分析判明含水层的边界位置与性质、补给方向、补给来源及强径流带位置等水文地质条件。大型孔群抽水试验渗流场的时空特征，可作为建立地下水流数值模拟模型的基础。

观测孔一般应和抽水主孔组成观测线，所求水文地质参数应具有代表性。因此，要求通过水位观测孔观测所得到的地下水位降落曲线，对于整个抽水流场来说，应具有代表性。一般应根据抽水时可能形成的水位降落漏斗的特点来确定观测线的位置，对于不同目的的抽水试验，其水位观测孔布置的原则是不同，具体如下。

a.均质各向同性、水力坡度较小的含水层，其抽水降落漏斗的平面形状为圆形，即在通过抽水孔的各个方向上，水力坡度基本相等，但一般上游侧水力坡度小于下游侧水力坡度，故在与地下水流向垂直方向上布置一条观测线即可，见图1.1。

b.均质各向同性、水力坡度较大的含水层，其抽水降落漏斗形状为椭圆形，下游一侧的水力坡度远较上游一侧大，故除垂直地下水流向布置一条观测线外，尚应在上、下游方向上各布置一条水位观测线［图1.1（b）］。

图1.1 抽水试验水位观测线布置示意图

1—地下水天然流向；2—水位观测线；3—抽水时的等水位线；4—抽水主孔；5—水位观测孔

c.均质各向异性的含水层，抽水水位降落漏斗常沿着含水层储、导水性质好的方向发展（延伸），该方向水力坡度较小；储、导水性差的方向为漏斗短轴，水力坡度较大。因此，抽水时的水位观测线应沿着不同储、导水性质的方向布置，以分别取得不同方向的水文地质参数。

d.对观测线上观测孔数目的布置要求。观测孔数目：只为求参数，1个即可；为提高参数的精度则需2个以上，如欲绘制漏斗剖面，则需2～3个。观测孔距主孔距离：①按抽水漏斗水面坡度变化规律，愈近主孔距离应愈小，愈远离主孔距离应愈大；②为避开抽水孔三维流的影响，第一个观测孔距主孔的距离一般应约等于含水层的厚度（至少应大于10m）；③最远的观测孔，要求观测到的水位降深应大于20cm；④相邻观测孔距离，亦应保证两孔的水位差必须大于20cm。

e.当抽水试验的目的在于查明含水层的边界性质和位置时，观测线应通过主孔、垂直于欲查明的边界布置，并应在边界两侧附近均布置观测孔。

f.对欲建立地下水水流数值模拟模型的大型抽水试验，应将观测孔比较均匀地布置在计算区域内，以便能控制整个流场的变化和边界上的水位和流量，应在每个参数分区内都布置观测孔，便于流场拟合。

g.当抽水试验的目的在于查明垂向含水层之间的水力联系时，则应在同一观测线上布置分层的水位观测孔。

h.观测孔深度：要求揭穿含水层，至少深入含水层10～15m。

4.观测要求

（1）稳定流抽水试验观测要求。水位观测时间一般在抽水开始后第1min、3min、5min、10min、20min、30min、45min、60min、75min、90min进行观测，以后每隔30min观测一次，稳定后可延至1h观测一次，水位读数应准确到cm。

涌水量观测应与水位观测同步进行；当采用堰箱或孔板流量计时，读数应准确到mm。

注意：为保证测量精度要求，可根据流量大小，选用不同规格的堰箱。当流量小于10L/s时，堰箱断面面积应大于25dm²；流量为10～50L/s时，堰箱断面面积应大于100dm²；流量为50～100L/s时，堰箱断面面积应大于200dm²。

水温、气温宜2～4h观测一次，读数应准确到0.5℃，观测时间应与水位观测时间对应。

恢复水位观测要求：停泵后应立即观测恢复水位（图1.2），观测时间间隔与抽水试验要求基本相同。若连续3h水位不变，或水位呈单向变化，连续4h内每小时水位变化不超过1cm，或者水位升降与自然水位变化相一致时，即可停止观测。试验结束后应测量孔深，确定过滤器掩埋部分长度，淤砂部分应在过滤器有效长度以下，否则，试验应重新进行。

图1.2 停止抽水后水位回升图

（2）非稳定流抽水试验观测要求。

1）水位观测宜按第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进行观测，以后每隔30min观测一次，其余观测项目及精度要求可参照稳定流抽水试验要求进行。

2）抽水孔与观测孔水位必须同步观测。

3）抽水结束后，或试验期间因故中断抽水时，应观测恢复水位，观测频率应与抽水时一致，水位应恢复到接近抽水前的静止水位。

5.抽水试验报告

抽水试验设计提纲内容包括以下内容。

（1）前言（目的及意义）。

（2）水文地质概念模型。

（3）技术要求（场地、抽水井、观测井、观测要求、事故处理）。

（4）求参方法。

（5）时间安排与质量保证。

（6）注意事项。

（7）摘要（500字）及英文摘要。

抽水试验报告提纲包括以下内容。

（1）前言（目的及意义）。目的及意义、试验完成情况、存在问题及解决方法。

（2）气象与水文条件。

1）气象条件：气温、降水、蒸发、风等。

2）水文条件：江河、湖泊、流量、水位等。

（3）地质与水文地质条件。

1）地形地貌。

2）地质条件。

3）水文地质条件：含水层与地下水类型、地下水埋藏分布条件、地下水循环条件、地下水动态特征、地下水化学特征。

（4）抽水试验观测。

1）观测内容：水位、流量、水温。

2）观测方法及工具、精度及要求。

3）观测记录成果。

（5）水文地质参数计算。

1）稳定流求参方法。

2）非稳定流求参方法：配线法、直线图解法、水位恢复法、有越流补给的拐点法。

（6）参数分析与讨论。

1）计算结果的合理性分析与可靠性分析。

2）参数计算的影响因素。

3）参数的时空变化特点。

（7）结论及建议。

（8）参考文献。

（9）英文摘要。

（10）附图附表。

1）抽水试验平面位置图。

2）抽水井钻孔柱状图。

3）初始流场图。

4）抽水历时曲线。

5）水位、流量观测记录表。

6）参数计算有关图标。

1.3.1.2 其他水文地质野外试验

1.渗水试验

渗水试验是一种在野外现场测定包气带土层垂向渗透系数的简易方法，在研究大气降水、灌溉水、渠水、暂时性表流等对地下水的补给时，常需进行此种试验。野外测定包气带非饱和松散岩层的渗透系数最常用的是试坑法、单环法和双环法。其中双环法的精度最高。

（1）试坑法。试验方法：在试验层中开挖一个截面积约0.3～0.5m²的方形或圆形试坑，不断将水注入坑中，并使坑底的水层厚度保持一定（一般为10cm厚），当单位时间注入水量（即包气带岩层的渗透流量）保持稳定时，则可根据达西渗透定律计算出包气带土层的渗透系数（K），即

式中 Q——稳定渗透流量，即注入水量，m³；

V——渗透水流速度，m/d；

W——渗水坑的底面积，m²；

I——垂向水力坡度。

试坑法常用于测定毛细压力影响不大的砂类土的渗透系数，不适合用于毛细压力影响大的黏性土类。

（2）单环法。单环法是在试坑嵌入一个高为20cm、直径为40cm的铁质环。在试验开始时，用马氏瓶控制铁环内水层厚度，使之保持在约10cm高度。试验一直进行到渗入量Q固定不变时为止，可按式（1.1）进行计算。

（3）双环法。双环法试验是野外测定包气带非饱和松散岩层的渗透系数的常用的简易方法，试验的结果更接近实际情况。利用这个试验资料研究区域性水均衡以及水库、灌区、渠道渗漏量等都是十分重要的。

该方法的试验原理是：在一定的水文地质边界以内，向地表松散岩层进行注水，使渗入的水量达到稳定，即单位时间的渗入水量近似相等时，再利用达西定律的原理求出渗透系数（K）值。

在坑底嵌入两个高约50cm，直径分别为0.20m和0.40m的铁环，试验时同时往内、外铁环内注水，并保持内外环的水柱都保持在同一高度，以0.1m为宜。双环法渗水试验的试验用品为：双环、铁锹、尺子、水桶、胶带、橡皮管。试验步骤：

选择试验场地，最好在潜水埋藏深度大于5m的地方。当某地潜水埋深小于2m时，因渗透路径太短，测得的渗透系数不真实，在这种条件下不要使用渗水试验。

按双环法渗水试验示意图1.3安装好试验装置。往内、外铁环内注水，并保持内外环的水柱都保持在同一高度，以0.1m为宜。按一定的时间间隔观测渗入水量。开始时因渗入量大，观测间隔时间要短，稍后可按一定时间间隔比如每10min观测一次，直至单位时间渗入水量达到相对稳定，再延续2～4h即可结束试验。

由于外环渗透场的约束作用使内环的水只能垂向渗入，因而排除了侧向渗流的误差，因此它比试坑法和单环法的精度都高。

渗水试验方法的最大缺陷是，水体下渗时常常不能完全排出岩层中的空气，这对试验结果必然产生影响。

2.钻孔注水试验

当钻孔中地下水位埋藏很深或试验层透水不含水时，在研究地下水人工补给或废水地下处置的效率时，或可用注水试验代替抽水试验，近似地测定该岩层的渗透参数。注水试验形成的流场图为地下水天然水位以上形成反向的充水漏斗，正好和抽水试验相反（图1.4）。

图1.3 双环法渗水试验示意图

1—内环（φ25cm）；2—外环（φ50cm）；3—自动补充水瓶；4—水量标尺

图1.4 潜水注水井示意剖面图

对于常用的稳定流注水试验。其渗透系数计算公式的建立过程与抽水井的裘布依K值计算公式的建立过程原理相似，具体参见地下水动力学相关公式。

注水试验时可向井内定流量注水，抬高井中水位，待水位稳定并延续到一定时间后，可停止注水，观测恢复水位。稳定后延续时间要求与抽水试验相同。

由于注水试验常常是在不具备抽水试验条件下进行的，故注水井在钻进结束后，一般都难以进行洗井（孔内无水或未准备洗井设备）。因此，用注水试验方法求得的岩层渗透系数往往比抽水试验求得的值小得多。

3.连通试验

连通试验的目的主要是查明地下水的运动途径、速度，地下河系的连通、延展与分布情况，地表水与地下水的转化关系，以及矿坑涌水的水源与通道展布情况等问题，这对地下水资源计算、水资源保护、确定矿床疏干、水库水漏失途径均具重要意义。

连通试验作为示踪试验的一种，主要是查明水文地质条件。其具体指在上游某个地下水点（水井、坑道、岩溶竖井及地下暗河表流段等）投入某种指示剂，在下游诸多的地下水点（除前述各类水点外，尚包括泉水、岩溶暗河出口等）监测示踪剂是否出现，以及出现的时间和浓度。对试验井点布置及试验方法在具体操作过程中一般多利用现有的人工或天然地下水点和岩溶通道，只要监测水点设在投源水点下游的主径流带中即可。监测水点应尽可能地多，与投源井距离亦无严格要求。

1.3.2 地下水动态调查

所谓地下水动态是指表征地下水数量与质量的各种要素（水位、流量、开采量、溶质成分与水温等）随着时间的变化规律。其变化规律可以是周期性的，也可以是趋势性的。地下水动态调查是指对含水层各要素（水位、水量、水化学成分、水温）随时间的变化特征等现象的记录与描述，具体为选择有代表的钻孔、水井、泉等，按照一定的时间间隔和技术要求，对地下水动态进行监测、试验与综合研究的工作。地下水动态调查的目的是查清含水层系统地下水动态变化规律，在天然条件下，可以依据地下水动态分析，认识地下水的形成、埋藏条件，认识水量、水质的形成条件，区分不同类型的含水层；利用地下水动态资料计算地下水某些均衡要素；可以利用地下水动态监测评价和预测地下水资源，评价其水质水量随着时间的变化规律；对地下水的储存量、最大允许开采量等进行评价，以减少因地下水均衡破坏而引起的环境负效应等；为地下水资源评价提供原始资料，地下水位动态变化最终趋于一种相对较稳定的状态即地下水均衡状态。相关内容在第2章还有更为详细的论述。

1.目的与任务

（1）查明主要地下水含水层系统的水位、水量、水温和水质的变化规律及发展趋势，并分析其变化影响因素。

（2）查明地下水动态变化特征，确定地下水动态类型。

（3）查明不同地下水含水层系统之间，地下水系统与水文系统之间的水力联系。

（4）为求取水文地质参数进行水资源评价，预测地下水的水量、水质、水位变化。

（5）对各种污染源以及有害的环境地质现象进行监测。

2.地下水动态调查内容

地下水调查内容包括地下水水位动态、地下水水量动态、地下水水化学动态及地下水水温动态。地下水动态监测的基本项目都应包括地下水水位、水温、水化学成分和井、泉流量等。对与地下水有水力联系的地表水水位与流量，以及矿山井巷和其他地下工程的出水点、排水量及水位标高也应进行监测。水质的监测，一般是以水质简分析项目作为基本监测项目，再加上某些选择性监测项目（特殊成分污染质、特定化学指标等）。选择性监测项目是指那些在本地区地下水中已经出现或可能出现的特殊成分及污染质，或被选定为水质模型模拟因子的化学指标。为掌握区内水文地球化学条件的基本趋势，可每年或隔年对监测点的水质进行一次全分析。地下水动态资料，常常随着观测资料系列的延长而具有更大的使用价值，故监测点位置确定后，一般不要轻易变动。

3.地下水动态调查准备工作及方法

地下水动态调查原则是为查明和研究水文地质条件，特别是地下水的补给、径流、排泄条件，掌握地下水动态规律，为地下水资源评价、科学管理及环境地质问题的研究和防治提供科学依据。

遵循以上原则，地下水动态调查常设以下准备工作：地下水动态监测网点的布设，包括控制性监测网点和专门性监测网点。内容包括：各监测点的建设、监测点密度、监测点动态监测项目安排及具体要求。

动态监测网布置技术要求如下。

（1）在充分利用区内已布设的动态监测网点的基础上，根据本次工作任务增设观测点，达到控制全区主要河流和勘查目的层的目的。

（2）地下水动态观测点一般沿地下水区域径流方向布置。在地表水体附近，为调查地下水与地表水的水力联系，观测孔应垂直地表水体的岸边布置。为调查垂直方向各含水层（组）间的水力联系，应设置分层观测孔组。为调查地下水污染动态特征，观测线应垂直污染分界面布置，在分界面附近应加密观测点。对已有水源地的开采地段，宜通过降落漏斗中心布设相互垂直的两条观测线，最远观测点应在降落漏斗之外。为了满足数值法模拟的要求，观测孔的布置应保证对计算区各分布参数的控制。

（3）泉水应按不同类型、不同含水层（组）及大泉（一般选择流量不小于1L/s的大泉）分别设置观测点。

（4）未设立水文站的主要河流、地表水体应设置观测点，以了解地表水与地下水的相互转化关系。

（5）在环境水文地质问题严重地区，进行与地下水动态相应的环境水文地质监测。

监测项目及技术要求：

动态监测项目主要包括地下水与地表水的水位、水量、水质、水温。

（1）地下水水位测量精确到mm。河谷区第四系地下水每10d（每月10日、20日、30日）观测1次，对有特殊意义的观测孔，按需要加密观测。

（2）地下水水量监测包括观测泉水流量、自流井流量和地下水开采量。泉水与自流井流量观测频率与地下水位观测同步。

（3）地下水水温观测可每月进行1次，并与水位、流量同步观测，水温测量误差小于0.2℃，同时观测气温。根据地下水位埋深和环境温度变化，采用合适的测量工具，保证观测数据的精度。

（4）地下水水质监测频率宜为每年两次，应在丰水期（7—9月）、枯水期（1—3月）各采样1次，初次采样须做全分析，以后可做简分析。

（5）地表水体的观测内容包括水位、流量。地表水体的观测频率应和与其有水力联系的地下水观测同步。若河流设有可以利用的水文站时，可收集该水文站的有关资料。

（6）地下水动态长期监测孔宜安装水位水温自动记录仪器。

详见地下水动态监测规程（DZ/T 0133—94）与地下水动态长期观测技术规范（MT/T 663—1996）。

4.地下水动态调查成果

根据所获得的地下水动态监测资料，分析地下水动态的年内及年际间的变化规律。依据某种动态要素随时间的变化过程、变化形态及变幅大小等分析水文地质条件，根据变化的周期性与趋势性，并通过不同监测项目动态特征的对比，确定它们之间的相关关系。划分地下水动态成因类型、进行地下水动态均衡研究，地下水的均衡包括水量均衡、水质均衡和热量均衡等不同性质的均衡。

资料整编与成果方法如下。

（1）资料整编：监测所获得的资料必须及时整理，并录入计算机，建立地下水动态数据库。地下水观测资料整理包括日常整理、年度整理以及调查结束时的总整理。

（2）地下水动态监测资料与成果宜包括以下内容：地下水动态观测点分布图、地下水动态观测点档案卡片、地下水动态观测野外记录表、地下水动态观测年报表、地表水观测年报表、地下水动态曲线图、地下水等水位线图、地下水水位埋深图、地下水水位变幅图、地下水动态剖面图地下水动态分析图表以及地下水动态监测总结。