第五章水文地質試驗

1、第五章 水文地質試驗重要性：水文地質試驗是水文地質調查中不可缺少的重要手段，許多水文地質資料，都需通過水文地質試驗才能獲得。 抽水試驗； 放水試驗； 注水（壓水）或滲水試驗； 連通試驗； 彌散試驗（示蹤試驗）； 流速、流向測定試驗等。野外試驗包括種 類：水文地質試驗分為兩類：（1）野外試驗，（2）室內試驗。其中：本章以介紹抽水試驗為主，另外還有其它幾項試驗：滲水試驗、鉆孔注水試驗、地下水示蹤試驗、連通試驗。§1 抽水試驗的目的任務抽水試驗是通過從鉆孔或水井中抽水，來定量評價含水層富水性，測定含水層水文地質參數(shù)和判斷某些水文地質條件的一種野外試驗工作。抽水試驗是以地下水井流理論為基礎（

2、地下水動力學），在實際井孔中抽水和觀測的一種野外試驗。隨著水文地質勘查階段由淺入深，在整個勘查費用中，抽水試驗所占比重越來越大，費用僅次于鉆探工作；有時，整個鉆探工程主要是為了抽水試驗而進行的。抽水試驗的目的、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）抽水試驗是確定含水層水文地質參數(shù)（K、T、S、）的主要方法；（3）抽水試驗可為取水工程設計提供所需水文地質數(shù)據(jù)，如R、單井出水量、單位出水量等；并可根據(jù)水位降深和涌水量選擇水泵型號；（4）通過抽水試驗，可直接評價水源地的可（允許）開采量；（5）可以通過抽水試驗查明某些其他手段難以查明的水文地質條件，如地表水、地下水之間及

3、含水層之間的水力聯(lián)系，以及地下水補給通道和強徑流帶位置等。從實例圖5一1的抽水條件下的等水位線圖可以準確地判斷F1、F2、F3斷層具阻水性質，F(xiàn)4是透水的，水從北東和北西補給。從圖52的等水位線，可準確地判斷含水層的各向異性、斷層的導水性和抽水孔西南存在的巖性隔水邊界。§2 抽水試驗的分類和各種抽水試驗方法的主要用途抽水試驗的類型1按所依據(jù)的井流理論，可分為穩(wěn)定流抽水和非穩(wěn)定流抽水試驗。穩(wěn)定流抽水試驗：要求流量和水位降深都是相對穩(wěn)定的，即不隨時間而變。用穩(wěn)定流理論和公式來分析計算，簡便易行，但自然界大都是非穩(wěn)定流，只有在補給水源充沛且相對穩(wěn)定的地段抽水才能形成相對穩(wěn)定的似穩(wěn)定滲流場，

4、所以它的應用受到限制。非穩(wěn)定流抽水試驗：只要求水位和流量其中一個穩(wěn)定（另一個變化，定流量，水位變化），用非穩(wěn)定流理論和公式來分析計算。特點： 較穩(wěn)定流抽水更能接近實際和有更廣泛的適用性； 能研究更多的因素，如越流因素、彈性釋水因素等； 能測定更多的參數(shù)，如貯水系數(shù)S、導水系數(shù)T、越流系數(shù)B等； 還能判定簡單條件下的邊界； 并能充分利用整個抽水過程所提供的全部信息； 但解釋計算較復雜，觀測技術要求較高。詳見地下水動力學2按抽水試驗時所用井孔的多少，可分為單孔、多孔及干擾井群抽水試驗。單孔抽水試驗：只有一個抽水井而無觀測井。它方法簡便，成本低廉，但所能擔負的任務有限，成果精度較低，且只適用于穩(wěn)定流

5、抽水試驗。因此多用于普查和初步勘探階段。多孔抽水試驗：是在抽水孔附近還配有若干水位觀測孔的抽水試驗。它能完成抽水試驗的各項任務，所得成果精度也較高，若專門布置的觀測孔多，深度也較大時，則花費成本較大。故少量用于初步勘探階段，更多用于詳細勘探階段。干擾井群抽水試驗：是在多個抽水孔中同時抽水，造成降落漏斗相互重迭干擾的抽水試驗。除抽水孔外，還配有若干觀測孔。這種試驗也稱為互阻井群抽水試驗。有人主張按這種抽水試驗的規(guī)模和任務，又分為一般干擾井群抽水試驗和大型群孔抽水試驗。一般干擾井群抽水試驗：是為了研究相互干擾下井涌水量與水位降深的關系；或因為水量較大，單個抽水孔形成的水位降深不大，降落漏斗范圍太小

6、，則在較近的距離內打幾個抽水孔組成一個孔組同時抽水；或為了模擬開采或疏干試驗，在若干井內同時抽水，觀測研究整個流場的變化（幾個觀測孔）。由于干擾井群抽水試驗花費大，所以只在詳細勘探階段或開采階段使用。大型群孔抽水試驗：是近來在一些巖溶大水礦床水文地質詳細勘探階段（或專題性勘探）中使用的一種方法。由幾個乃至數(shù)10個抽水孔組成若干井組，觀測孔很多，分布范圍大，構成能控制流場邊界，進行大流量、大降深、長時間（幾個月）的大型抽水，形成一個大的人工流場，以便于充分揭露邊界條件和整個流場的非均質狀況，能更好的識別擬定的數(shù)學模型。這種抽水試驗要花費巨大的財力和人力，采用時必須慎重考慮。主要用于涌水量很大，邊

7、界條件不清，水大、地質條件復雜的礦區(qū)。3按抽水井的類型，可分為完整井和非完整井抽水試驗。由于完整井的井流理論較完善，故一般盡量用完整井作試驗。只有當含水層厚度很大又是均質層，為了節(jié)省費用才進行非完整井抽水?；驗榱藢ｉT研究過濾器“有效長度”時，則做非完整井抽水試驗。4按試驗段所包含的含水層情況，可分為分層、分段及混合抽水試驗。分層抽水試驗：是以含水層為單位進行，除不同性質含水層，如潛水、承壓水或孔隙水與裂隙水層，應進行分層抽水外，對參數(shù)、水質差異大的同類含水層也應分層抽水。對新區(qū)應先分層抽水，以分別掌握各層的水文地質特征?；旌铣樗囼灒菏窃诰袑⒉煌畬雍蠟橐粋€試驗段進行抽水，它只能反映各層的

8、混合平均狀況。只有當各分層的參數(shù)已掌握，或只需了解各層總的平均參數(shù)，或難于分層抽水時才用混合抽水試驗。但由于混合抽水較簡便，費用較低，所以也研究出一些用混合抽水試驗資料計算出各分層參數(shù)的方法，例如利用逐層回填多次抽水試驗的資料，計算各分層滲透系數(shù)近似值；利用井中流量計測定混合抽水時各分層的流量，從而可以求得各分層的參數(shù)?；旌铣樗囼炄缧枧鋫溆^測孔時，必須分層設置。分段抽水試驗：是在透水性各不相同的多層含水層組中，或在不同深度內透水性有差異的厚層含水層中，對各巖段分別進行抽水的試驗，用以了解各段的透水性。有時可只對其中主要含水巖段抽水，如對巖溶化強烈的巖段或主要取水巖段等。這時，段間應止水，止水

9、處應位于透水性弱的單層或巖段中。5按抽水試驗的任務分為試驗抽水、開采性抽水試驗等。按抽水試驗所依據(jù)的井流公式等，可將抽水試驗分類歸并表51的各種類型。由表51所示的各種單一抽水試驗類型，又可組合成多種綜合性的抽水試驗類型。如表中的和類抽水試驗，可組合成穩(wěn)定流單孔抽水試驗和穩(wěn)定流多孔干擾抽水試驗，非穩(wěn)定流單孔抽水試驗和非穩(wěn)定流多孔干擾抽水試驗等。至于在具體的水文地質調查工作中選用何種抽水試驗，主要取決于調查工作進行的階段和調查工作的主要目的任務（選擇抽水試驗種類的依據(jù)）：（1）在區(qū)域性水文地質調查及專門性水文地質調查的初始階段，抽水試驗的目的主要是獲得含水層具代表性的水文地質參數(shù)和富水性指標（如

10、鉆孔的單位涌水量或某一降深條件下的涌水量），故一般選用單孔抽水試驗即可。（2）當只需要取得含水層滲透系數(shù)K（一個參數(shù)）和涌水量時，一般多選用穩(wěn)定流抽水試驗。（3）當需獲得滲透系數(shù)K、導水系數(shù)T、貯水系數(shù)S（多個參數(shù)）及越流系數(shù)B等更多的水文地質參數(shù)時，則須選用非穩(wěn)定流的抽水試驗方法。（4）在專門性水文地質調查的詳勘階段，當希望獲得開采孔群（組）設計所需水文地質參數(shù)（如影響半徑、井間干擾系數(shù)等）和水源地允許開采量（或礦區(qū)排水量）時，則須選用多孔干擾抽水試驗。（5）當設計開采量（或排水量）遠較地下水補給量小時，可選用穩(wěn)定流的抽水試驗方法；反之，則選用非穩(wěn)定流的抽水試驗方法。、按井流公式、按井孔的多

11、少進行抽水試驗時，一般不必開鑿專門的水位觀測孔，應盡量用已有的水井作為觀測孔。§3 抽水孔和觀測孔的布置要求一、抽水孔（主孔）的布置要求（1）布置抽水孔的主要根據(jù)是抽水試驗的任務和目的，目的任務不同其布置原則也不同。 為求取水文地質參數(shù)的抽水孔，一般應遠離含水層的透水、隔水邊界，應布置在含水層的導水及貯水性質、補給條件、厚度和巖性條件等有代表性的地方。 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。 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，以便觀測到邊界兩側明

12、顯的水位差異或查明兩側的水力聯(lián)系程度。（2）在布置帶觀測孔的抽水井時，要考慮盡量利用已有水井作為抽水時的水位觀測孔；當無現(xiàn)存水位觀測井時，則應考慮附近有無布置水位觀測井的條件。（3）抽水孔附近不應有其它正在使用的生產水井或地下排水工程。（4）抽水井附近應有較好的排水條件，即抽出的水能無滲漏地排到抽水孔影響半徑區(qū)以外，特別應注意抽水量很大的群孔抽水的排水問題。二、水位觀測孔的布置要求1布置抽水試驗水位觀測孔的意義（1）利用觀測孔的水位觀測數(shù)據(jù)，可以提高井流公式所計算出的水文地質參數(shù)的精度（避開抽水井的影響，獲得真實水位）。這是因為： 觀測孔中的水位，不存在抽水孔水躍值和抽水孔附近三維流的影響，能

13、更真實地代表含水層中的水位。 觀測孔中的水位，由于不存在抽水主孔“抽水沖擊”的影響，水位波動小，水位觀測數(shù)據(jù)精度較高。 利用觀測孔水位數(shù)據(jù)參與井流公式的計算，可避開因R值選值不當給參數(shù)計算精度造成的影響。（2）利用觀測孔的水位，可用多種作圖方法求解水文地質參數(shù)（多種方法求參，相互驗證）。（3）利用觀測孔水位，可繪制出抽水的人工流場圖（等水位線或下降漏斗），從而可幫助我們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（分析水文地質條件）。（4）一般大型孔群抽水試驗，可根據(jù)觀測孔控制滲流場的時、空特征，作為建立地下水流數(shù)值模擬模型的基礎（模型驗證）。2水位觀測孔的布置原

14、則不同目的的抽水試驗，其水位觀測孔布置的原則是不同的。（1）為求取含水層水文地質參數(shù)一般應和抽水主孔組成觀測線，所求水文地質參數(shù)應具有代表性。一般應根據(jù)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。 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較下游側為小，故在與地下水流向垂直方向上布置一條觀測線即可（圖53A）。 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53

15、B）。 均質各向異性的含水層：抽水水位降落漏斗常沿著含水層貯、導水性質好的方向發(fā)展（延伸）（漏斗長軸），該方向水力坡度較?。毁A、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貯、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(shù)。 對觀測線上觀測孔的布置要求：觀測孔數(shù)目：i只為求參數(shù)，一個即可；ii為提高參數(shù)的精度則需2個以上。如欲繪制漏斗剖面，則需23個。觀測孔距主孔距離：i按抽水漏斗水面坡度變化規(guī)律，愈近主孔距離應愈小，愈遠離主孔距離應愈大；ii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）；iii最遠的觀測孔，

16、要求觀測到的水位降深應大于20cm；iv相鄰觀測孔距離，亦應保證兩孔的水位差必須大于20cm。觀測孔深度：要求揭穿含水層，至少深入含水層1015m。（2）為查明含水層的邊界性質和位置觀測線應通過主孔、垂直于欲查明的邊界布置，并應在邊界兩側附近都要布置觀測孔。（3）為地下水水流數(shù)值模擬的大型抽水試驗應將觀測孔比較均勻地布置在計算區(qū)域內，以便能控制整個流場的變化和邊界上的水位和流量。（4）為查明垂向含水層之間的水力聯(lián)系應在同一觀測線上布置分層的水位觀測孔。§4 抽水試驗的主要技術要求這里將著重討論對抽水水量、水位降深和抽水延續(xù)時間的要求。一、穩(wěn)定流單孔抽水試驗的主要技術要求1對水位降深的

17、要求（1）正式的穩(wěn)定流抽水試驗，一般要求進行三次不同水位降深（落程）的抽水，以確定Qs間的關系，要求各次降深的抽水連續(xù)進行；對于富水性較差的含水層或非開采含水層，可只做一次最大降深的抽水試驗。（2）對松散孔隙含水層，為有助于在抽水孔周圍形成天然的反濾層，抽水水位降深的次序可由小到大地安排；（3）對于裂隙含水層，為了使裂隙中充填的細粒物質（天然泥沙或鉆進產生的巖粉）及早吸出，增加裂隙的導水性，抽水降深次序可由大到小地安排。為便于含水層富水性的橫向對比，某些水文地質生產規(guī)范對抽水試驗的最大水位降深值和相鄰二次水位降深的間隔已作出規(guī)定。（4）最大水位降深值（Smax）： 潛水含水層： Smax（13

18、一12）M（M為潛水含水層厚度）； 承壓含水層：Smax承壓含水層頂板以上的水頭高度； 當含水層富水性較好，而勘探中使用的水泵出水量又有限時，則很難達到上述抽水降深的要求。此時，要求Smax等于水泵的最大揚程（或吸程）即可； 當進行三次不同水位降深抽水試驗時，其余兩次試驗的水位降深，應分別等于最大水位降深值的l3和12； 當Smax值不太大時，相鄰兩次水位降深之間的水頭差值也不應小于1m。2抽水試驗流量的設計由于水井流量的大小主要取決于水位降深的大小，因此一般以求得水文地質參數(shù)為主要目的的抽水試驗，勿須專門提出抽水流量的要求。但為保證達到試驗規(guī)定的水位降深，試驗進行前仍應對最大水位降深時對應的

19、出水量有所了解，以便選擇適合的水泵。其最大出水量，可根據(jù)同一含水層中已有水井的出水量推測，或根據(jù)含水層的經驗滲透系數(shù)值和設計水位降深值估算，也可根據(jù)洗井時的水量來確定。欲作為生產水井使用的抽水試驗鉆孔，其抽水試驗的流量最好能和需水量一致。3對水位降深和流量穩(wěn)定后延續(xù)時間的要求抽水試驗時抽水井的水位和流量是否真正達到了穩(wěn)定狀態(tài)？生產規(guī)范（或規(guī)程）一般是通過規(guī)定的抽水井水位和流量穩(wěn)定后的延續(xù)時間來作保證。（1）抽水試驗的目的僅僅是求參，水位和流量的穩(wěn)定延續(xù)時間要求達24h；（2）抽水試驗的目的，除求參外，還必須確定出水井的出水能力，則水位和流量的穩(wěn)定延續(xù)時間至少應達到4872h或者更長；（3）當抽

20、水試驗帶有專門的水位觀測孔時，距主孔最遠的水位觀測孔的水位穩(wěn)定延續(xù)時間應不少于2一4h；必須注意：穩(wěn)定延續(xù)時間必須從抽水孔的水位和流量均達到穩(wěn)定后計算起。供水水文地質勘察規(guī)范（中華人民共和國國家標準，GB50027-2001）（1）卵石、圓礫和粗砂含水層8h；（2）中砂、細砂和粉砂含水層16h；（3）基巖含水層（帶）為24h4水位和流量觀測時間的要求抽水主孔的水位和流量與觀測孔的水位，都應同時進行觀測，不同步的觀測資料，可能給水文地質參數(shù)的計算帶來較大誤差。水位和流量的觀測時間間隔，應由密到疏，如開始時510min觀測1次，以后則1530min觀測1次。停抽后還應進行恢復水位的觀測，直到水位的

21、日變幅接近天然狀態(tài)為止。供水水文地質勘察規(guī)范（中華人民共和國國家標準，GB50027-2001）抽水開始后的第5、10、15、20、25、30min各測一次，以后每隔30min或60min測一次。二、非穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求非穩(wěn)定流抽水試驗，按泰斯（Theis）井流公式原理，可分為兩種：（1）定流量抽水（水位降深隨時間變化）；（2）定降深抽水（流量隨時間變化）。由于在抽水過程中流量比水位容易固定（因水泵出水量一定），在實際生產中一般多采用定流量的非穩(wěn)定流抽水試驗方法。1對抽水流量值的選擇要求在定流量的非穩(wěn)定流抽水中，水位降深是一個變量，故不必提出一定的要求，而對抽水流量值的確定則是重要的

22、。在確定抽水流量值時，應考慮： 對于主要目的在于求得水文地質參數(shù)的抽水試驗，選定抽水流量時只需考慮：以該流量抽水到抽水試驗結束時，抽水井中的水位降深不致超過所使用水泵的吸程； 對于探采結合的抽水井，可考慮按設計需水量或至少按設計需水量的1312的強度來確定抽水量； 可參考勘探井洗井時的水位降深和出水量來確定抽水流量。2對抽水流量和水位的觀測要求當進行定流量的非穩(wěn)定流抽水時，要求抽水量從始至終均應保持定值，而不只是在參數(shù)計算取值段的流量為定值。 同穩(wěn)定流抽水試驗要求一樣，流量和水位觀測應同時進行； 觀測的時間間隔應比穩(wěn)定流抽水為小，并由密到疏，要求在開泵的頭1020min內盡可能準確記錄較多的數(shù)

23、據(jù)，一般觀測時間間距（min）為：1、2、2、5、5、5、5、5、10、10、10、10、10、20、20、20、30、30、；供水水文地質勘察規(guī)范（中華人民共和國國家標準，GB50027-2001）：抽水開始后第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min各觀測一次，以后可每隔30min觀測一次。 停抽后恢復水位的觀測，觀測時間間距，應按水位恢復速度確定，一般為（min）1、3、5、10、15、30、，直至完全恢復。由于利用恢復水位資料計算的水文地質參數(shù)，常比利用抽水觀測資料求得的可靠，故非穩(wěn)定流抽水恢復水位觀測工作，更有重要意義。3抽水

24、試驗延續(xù)時間的要求對非穩(wěn)定流抽水試驗的延續(xù)時間，目前還沒有公認的規(guī)定。但可從試驗的目的任務和參數(shù)計算方法的需要，對抽水延續(xù)時間作出規(guī)定。（1）我國一些水文地質學者，在研究含水層導水系數(shù)（T）隨抽水延續(xù)時間的變化規(guī)律后得出結論：根據(jù)非穩(wěn)定流抽水初期觀測資料所計算出的不同時段的導水系數(shù)值變化較大；而當抽水延續(xù)到24h后所計算的T值與延續(xù)100h后計算的T值之間的相對誤差，絕大多數(shù)情況下均5。故從參數(shù)計算的結果考慮，以求參為目的的非穩(wěn)定流抽水試驗的延續(xù)時間，一般不必超過24h。（2）抽水試驗的延續(xù)時間，有時也需考慮求參方法的要求。例如，當試驗層為無界承壓含水層時，常用配線法和直線圖解法求解參數(shù)。前者

25、雖然只要求抽水試驗的前期資料，但后者從簡便計算取值出發(fā)，則要求slgt曲線的直線段（即參數(shù)計算取值段）至少能延續(xù)2個以分鐘為單位的對數(shù)周期，故總的抽水延續(xù)時間應達到3個對數(shù)周期，即達1000min（約17h）。如有多個水位觀測孔，則要求每個觀測孔的水位資料均符合此要求。（3）當有越流補給時，如用拐點法計算參數(shù)，抽水至少應延續(xù)到能可靠判定拐點（即Smax）為止。（4）當抽水試驗目的主要在于確定水井的出水量時，試驗延續(xù)時間應盡可能長一些，最好能從含水層的枯水期末期開始，一直抽到豐水期到來。（5）當抽水試驗目的主要在于判斷邊界性質和位置，如為定水頭補給邊界，抽水試驗應延續(xù)到水位進入穩(wěn)定狀態(tài)后的一段時

26、間為止；有隔水邊界時，slgt曲線的斜率應出現(xiàn)明顯增大段；當系無限邊界時，slgt曲線應在抽水期內出現(xiàn)勻速的下降。詳見地下水動力學三、大型群孔干擾抽水試驗的主要技術要求（1）此類型抽水試驗的主要目的在于求得水源地的允許開采量或求礦井在設計疏干降深條件下的排水量，或對某一開采量條件下的未來水位降深作出預報。因此，大型群孔干擾抽水試驗的抽水量，應盡可能接近水源地的設計開采量。當設計開采量很大（如5×104m3以上）或抽水設備能力有限時，抽水量至少也應達到水源地設計開采量的13以上。（2）對大型群孔干擾抽水試驗水位降深的要求，基本上同對抽水量的要求一樣，即應盡可能地接近水源地（或地下疏干工

27、程）設計的水位降深，一般或至少應使群孔抽水水位下降漏斗中心處達到設計水位降深的13。特別是當需要通過抽水時地下水流場分析（查明）某些水文地質條件時，更必須有較大的水位降深要求。（3）此類型抽水試驗可以是穩(wěn)定流的，也可以是非穩(wěn)定流的。對于供水水文地質勘查來說，為獲得水源地的穩(wěn)定出水量，一般多進行穩(wěn)定流的開采抽水試驗。此穩(wěn)定出水量，可以通過改變抽水強度直接確定出水源地最大降深時的穩(wěn)定出水量（適用于地下水資源不太豐富的水源地）；也可通過進行三次水位降深的穩(wěn)定流抽水試驗，據(jù)流量（Q）一水位降深（s）關系曲線方程，下推設計條件下的穩(wěn)定出水量。（4）為提高水源地允許開采量的保證程度，抽水試驗最好在地下水枯

28、水期的后期進行；如還需通過抽水試驗求得水源地在豐水期所獲得的補給量，則抽水試驗要求一直延續(xù)到豐水期到來之后的一段時間。（5）為了實現(xiàn)大型群孔干擾抽水試驗的各項任務，其抽水延續(xù)時間往往較長。按地質礦產部城鎮(zhèn)及工礦供水水文地質勘察規(guī)范（1986年頒布）的規(guī)定，如進行穩(wěn)定流的抽水試驗，要求水位下降漏斗中心水位的穩(wěn)定時間不應少于一個月；但根據(jù)試驗任務的需要，可以更長（如23個月或以上）。此外，還須注意的是： 各抽水孔的抽水起、止時間應該是相同的； 對抽水過程中水位和出水量的觀測應該是同步的； 對停抽后恢復水位的觀測延續(xù)時間的要求，同一般穩(wěn)定或非穩(wěn)定流抽水試驗。§5 抽水試驗設備及用具抽水試驗

29、設備主要指抽水設備。用具包括過濾器、流量計、水位計、水溫計、計時器、通訊用具等。除此，有時還需構筑排水設施。一、抽水設備選擇抽水設備時，應考慮吸程、揚程、出水量、能否滿足設計要求；還要考慮孔深、孔徑是否滿足水泵等設備下入的要求，以及搬遷難易及花費大小等。（1）水量較大，地下埋藏淺，降深小時可用離心式水泵。（2）埋深或降深大、精度要求高，井徑足夠大時可使用深井泵。（3）精度要求不高，井徑較小，則可選用空氣壓縮機（風泵）。（4）井徑小、埋藏較深、涌水量較小，可采用射流泵。當前抽水試驗中經常使用的有離心泵、深井泵、風泵和射流泵等（見下表）。二、過濾器過濾器是抽水井中能起過濾作用的管狀物。合適的過濾器

30、能防止疏松和破碎的巖石進入井中，從而保護井壁、防止井淤，以及防止井附近地面下沉或塌陷，以保證抽水的正常進行。過濾器應具有：（1）較大的孔隙度和一定的直徑，以減小過濾器的阻力；（2）足夠的強度，以保證起拔安裝；（3）足夠的抗腐蝕能力，耐用；（4）成本低廉。在井壁完整的基巖孔中抽水，可不安裝過濾器。過濾器主要由過濾骨架和過濾層組成。過濾骨架起支撐作用。有兩種結構：一為帶網眼的管子；二為用鋼筋間隔排列而成的管狀物。管子材料可以是鋼的、鑄鐵的、水泥的或塑料的。勘探中多用鋼管。其上的孔眼多為圓形及長條形（參看圖47）。過濾層起著過濾作用。有分布于骨架外的密集纏絲、帶孔眼的濾網及礫石充填層等幾種。由不同骨

31、架與不同過濾層可組合成各種過濾器。過濾器的分類見下表。三、測水用具抽水時用的測水用具包括水位計及流量計。水位計：在抽水試驗中，常用的是電測水位計、萬用表水位計，使用時，當探頭接融水面時，即可發(fā)出信號，據(jù)此確定水位。其信號可以是光的、聲的或指針擺動。由于探頭直徑小，只需23cm的間隙即可測量。測量深度可達100m。誤差小于1cm，但隨深度增加，其誤差會加大。這類水位計目前應用最廣。目前我國正試制并開始使用一些既能讀出瞬時水位，又便于遙控或自記的測水位儀器。對自流水，若水位高出地表不多，可接套管測定水位；否則需安置壓力計測定水位。流量計：目前生產中所用的主要是堰箱，堰箱是前方為三角形或梯形切口的水

32、箱，箱中有2一3個促使水流穩(wěn)定的帶孔隔板（圖4一9）。水自箱后部進入，從前方切口流出。適用于100Ls以內的流量的測定。還有一種葉輪式孔口瞬時流量計（流速流量計）。它是利用葉輪轉速測定管中水的流速，從而換算出流量。葉輪轉速由電子儀器讀出。其優(yōu)點是體積小、重量輕、操作簡便。但也不能用于空壓機抽水。§6 抽水試驗資料的整理在抽水試驗進行過程中，需要及時對抽水試驗的基本觀測數(shù)據(jù)抽水流量（Q）、水位降深（s）及抽水延續(xù)時間（t）進行現(xiàn)場檢查與整理，并繪制出各種規(guī)定的關系曲線?，F(xiàn)場資料整理的主要目的是： 及時掌握抽水試驗是否按要求正常地進行，水位和流量的觀測成果是否有異常。 通過所繪制的各種水

33、位、流量與時間關系曲線及其與典型關系曲線的對比，判斷實際抽水曲線是否達到水文地質參數(shù)計算取值的要求，并決定抽水試驗是否需要縮短、延長或終止。 為水文地質參數(shù)計算提供可靠的原始資料。一、穩(wěn)定流抽水試驗現(xiàn)場資料整理的要求對于穩(wěn)定流抽水試驗，除及時繪制出Qt 和st 曲線外，尚需繪制出Qs和qs關系曲線（q為單位降深涌水量）（Q、s、q均為穩(wěn)定時段內的平均值）。Qt、st曲線可及時幫助我們了解抽水試驗進行得是否正常；而Qs和qs曲線則可幫助我們了解曲線形態(tài)是否正確地反映了含水層的類型和邊界性質，檢驗試驗是否有人為錯誤。圖54、圖55表示了抽水試驗常見的各種Qs和qs曲線類型： 曲線表示承壓井流（或厚

34、度很大、降深相對較小的潛水井流）； 曲線表示潛水或承壓轉無壓的井流（或為三維流、紊流影響下的承壓井流）； 曲線表示從某一降深值起，涌水量隨降深的加大而增加很少； 曲線表示補給衰竭或水流受阻，隨s加大Q反而減少； 曲線通常表明試驗有錯誤，但也可能反映在抽水過程中，原來被堵塞的裂隙、巖溶通道被突然疏通等情況的出現(xiàn)。二、非穩(wěn)定流抽水試驗現(xiàn)場資料整理的要求對于定流量的非穩(wěn)定流抽水試驗，在抽水試驗過程中主要是編繪出水位降深s和時間t的各類關系曲線，這些曲線，除用于及時掌握抽水試驗進行得是否正常和幫助確定試驗的延續(xù)、終止時間外，主要是為計算水文地質參數(shù)服務的。故須在抽水試驗現(xiàn)場編繪出能滿足所選用參數(shù)計算方

35、法要求的曲線形式。在一般情況下：（1）首先編繪的是slgt 或 lgslgt 曲線；（2）當水位觀測孔較多時，尚需編繪slgr或slg（t/r2）曲線（式中r為觀測孔至抽水主孔距離）；（3）對于恢復水位觀測資料，須編繪出slg（1+tp/t）和s*lg（t/t），其中，s為剩余水位降深；s*為水位回升高度；tp為抽水的持續(xù)時間；t為停抽后算起的水位恢復時間；t為從抽水試驗開始至水位恢復到某一高度的時間。三、對群孔干擾抽水試驗現(xiàn)場資料整理的要求除編繪出各抽水孔和觀測孔的st（對穩(wěn)定流抽水）、slgt或lgslgt（對非穩(wěn)定流抽水）曲線和各抽水孔流量、群孔總流量過程曲線外，尚須編繪試驗區(qū)抽水開始前

36、的初始等水位線圖、不同抽水時刻的等水位線圖、不同方向的水位下降漏斗剖面圖及水位恢復階段的等水位線圖，有時還需編制某一時刻的等降深圖等。§7 其他水文地質野外試驗一、滲水試驗滲水試驗是一種在野外現(xiàn)場測定包氣帶上層垂向滲透性的簡易方法。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量時，常需進行此種試驗。其方法是，在試驗層中開挖一個截面積不大（0.3一0.5m2）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，見圖56）。當單位時間注入水量（即包氣帶巖層的滲透流量）保持穩(wěn)定時，則可根據(jù)達西滲透定律計算出包氣帶土層的滲透系數(shù)，包氣帶上層的垂向滲透

37、系數(shù)（K），實際上就等于試坑底單位面積上的滲透流量（單位面積注入水量），亦即滲入水在包氣帶土層中的滲透速度（V），。一般要求在試驗現(xiàn)場及時繪制出V隨時間t的過程曲線（圖57），其穩(wěn)定后的V值（即圖中的V7）即為包氣帶土層的滲透系數(shù)（K）。由于直接從試坑中滲水，未考慮注入水向試坑以外土層中側向滲入的影響（使?jié)B透斷面加大，單位面積入滲量增加），故所求得的K值常常偏大。為克服此種側向滲水的影響，目前多采用如圖5一8所示的雙環(huán)(雙套環(huán))滲水試驗裝置，內外環(huán)間水體下滲所形成的環(huán)狀水圍幕即可阻止內環(huán)水向側向滲透。二、鉆孔注水試驗當鉆孔中地下水位埋藏很深或試驗層為透水不含水時，可用注水試驗代替抽水試驗，近似

38、地測定該巖層的滲透系數(shù)。注水試驗形成的流場圖，正好和抽水試驗相反（圖59）。抽水試驗是在含水層天然水位以下形成上大、下小的正向疏干漏斗；而注水試驗則是在地下水天然水位以上形成反向的充水漏斗。對于常用的穩(wěn)定流注水試驗，其滲透系數(shù)K的計算公式與抽水井的裘布衣（Dupuit）K值計算公式相似。其不同點僅是注入水的運動方向和抽水井中地下水運動方向相反，故水力坡度為負值。三、地下水示蹤試驗地下水示蹤試驗是指通過鉆孔或地下坑道將某種能指示地下水運動途徑的示劑注入含水層中，并借助下游井、孔、泉或坑道進行監(jiān)測和取樣分析，來研究地下水和其溶質成分運移過程的一種試驗方法。進行試驗的主要目的是測定水動力彌散系數(shù)，同

39、時亦可確定地下水的流向、流速和運動途徑。水動力彌散系數(shù)，是建立地下水溶質運移模型和預測水質演變過程的最重要的參數(shù)。下面主要討論有關測定彌散系數(shù)的問題。1彌散系數(shù)的基本概念當可溶解物質進入地下水后，便會在分子熱動力作用（又稱分子擴散作用）和水動力作用（對流作用）下逐漸地擴展，可溶解物質的濃度將被逐漸稀釋。水動力彌散系數(shù)便是描述該溶解物質濃度稀釋過程的時間、空間變化規(guī)律和描述地下水溶質運移、進行水質預測的重要參數(shù)。關于彌散系數(shù)，還須理解兩個重要概念： 由于彌散作用是在分子擴散和對流作用下共同形成的，因此彌散系數(shù)（D）（又稱水動力彌散系數(shù)）等于分子擴散系數(shù)（D）與對流彌散系數(shù)（D）（又稱機械彌散系數(shù)

40、）之和。在地下水流速較大時，對流彌散系數(shù)是主要的；當?shù)叵滤魉佥^小時，分子擴散系數(shù)是主要的。 由于彌散是有方向的，因此彌散系數(shù)是指三維空間上的值，即彌散系數(shù)（D）包括地下水流方向上的縱向彌散系數(shù)（DL）、橫向上的橫向彌散系數(shù)（DT）及垂向上的垂向彌散系數(shù)。但在大多數(shù)實際問題中，含水層中的地下水均具有一定的流速，而垂向上的水流運動也不十分顯著，故常把分子擴散作用與垂向彌散作用忽略不計。因此，通過野外現(xiàn)場測得的，常是以對流彌散作用為主的縱向和橫向彌散系數(shù)。2試驗方法簡介野外示蹤試驗是在沿地下水流向布置的試驗井組中進行的。井組由上游的投源井（又稱主井）和下游的監(jiān)測井（接收井或稱取樣并）組成。為保證捕

41、捉到來自投源井的示蹤暈和提高試驗精度，應在地下水主流線及其兩側與主孔不同距離并與主孔同心的圓弧上布置監(jiān)測井。一般布置l3層，每層布置3口監(jiān)測井（圖510）。由于示蹤暈沿地下水流方向的擴散范圍常常要遠遠大于垂直水流方向的范圍，故主流向兩側的監(jiān)測井不能距主流線軸太遠。由主流線上監(jiān)測井、投源井與側面監(jiān)測井構成的夾角，一般<15°（扇角<30°）。進行試驗時，首先將示蹤劑以脈沖或連續(xù)方式注入投源井中的含水層，并使示蹤劑溶液與含水層地下水混合均勻。然后，嚴格定時測量投源井與監(jiān)測井中的水位變化，觀測試驗井中示蹤劑的濃度變化；同時，觀測監(jiān)測井中示蹤劑的出現(xiàn)。待示蹤暈的前緣在監(jiān)

42、測井中出現(xiàn)后，應加密觀測（取樣）次數(shù)，以準確的測定出示蹤劑前緣和峰值到達監(jiān)測井的時間。根據(jù)監(jiān)測井中示蹤劑濃度隨時間的變化資料，利用有關的公式，便可計算出地下水的流速和縱向彌散系數(shù)。（1）將從監(jiān)測井中得到的示蹤劑濃度變化資料，繪制成示蹤劑濃度CR和監(jiān)測時間t的相關曲線，并將此曲線與彌散方程解析解的標準量板曲線（CR一tR曲線）相匹配（圖511），即可計算出縱向彌散系數(shù)。（2）也可根據(jù)投源井到監(jiān)測井的距離和示蹤劑從投源井到監(jiān)測井的時間（一般選取監(jiān)測井中示蹤劑出現(xiàn)初值與峰值出現(xiàn)時間的中間值），近似地計算出地下水的流速。3示蹤劑的選擇示蹤劑的選擇是一項重要工作，往往是試驗成敗的關鍵。理想的示蹤劑應是無

43、毒、價廉、能隨水流動，且容易檢出，在一定時間內穩(wěn)定和不易被巖石吸附和濾掉。目前我國常用的示蹤劑主要是 化學試劑； 染料?；瘜W試劑有NaCI、CaCI2、NH4CI、NaNO2、NaNO3等。國外用的指示劑較多，有微生物、同位素、氟碳化物（氟里昂）等。微生物中值得提出的是酵母菌，它無毒、便宜、易檢出，既可用于孔隙、又可用于較大的巖溶通道。穩(wěn)定同位素有2H、13C、15N、等，但以2H為優(yōu)。放射性同位素中有3H、60CO、198Au等，但毒性問題未解決，其中3H組成水分子，與水一起運動，則較理想。這種方法需專門儀器檢出，較費時費錢（尤其是穩(wěn)定同位素）。其優(yōu)點在于用量小，能在較長的距離內示蹤。尚需指明，上述示蹤試驗只適用于孔隙含水層和滲透性比較均勻的裂隙和巖溶含水層。對于巖溶管道流或非均質性極強裂隙含水層，不適合的。有關地下水