專門水文地質學 04 水文地質試驗

回顧當前進行水文地質調查常用的方法有六類：水文地質測繪（地下水資源地面調查）水文地質鉆探水文地質物探水文地質化探水文地質(現場)試驗地下水動態(tài)觀測水文地質試驗抽水試驗的目的和任務抽水試驗的分類和方法抽水孔和觀測孔的布置要求抽水試驗的主要技術要求抽水試驗資料的整理（自學）其他水文地質野外試驗抽水試驗的概念

抽水試驗是通過鉆孔或水井抽水，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方法。隨著水文地質勘查階段由淺入深，抽水試驗在整個勘查階段中都占有重要比重，其成果質量直接影響著對調查區(qū)水文地質條件的認識和水文地質成果的精確程度。在整個勘查費用中，抽水試驗的費用僅次于鉆探工程費用；有時，整個鉆探工程主要是為了抽水試驗而進行。抽水試驗的目的和任務抽水試驗的目的和任務是：

1、確定含水層的富水程度、評價井孔的出水能力；

2、確定含水層水文地質參數：滲透系數K、導水系數T、給水度μ、彈性釋水系數μ*、導壓系數a；

3、確定降落漏斗的形狀及影響范圍，為取水工程設計提供所需的水文地質數據，如影響半徑、單井出水量、單位出水量、井間干擾出水量、干擾系數等，依據降深和流量選擇適宜的水泵型號；

4、直接評價水源地的允許開采量；

5、查明某些手段難以查明的水文地質條件，如地下水與地表水以及不同含水層之間的水力聯系，含水系統(tǒng)邊界的性質及位置，地下水補給通道，強徑流帶位置等。抽水試驗的目的和任務K

通過抽水條件下的等水位降深圖，可以判斷：含水層各向異性、斷層導水性以及隔水邊界。

抽水試驗的目的和任務

法國科學家裘布衣（

Dupuit）于1857年導出了地下水向水井中流動的基本公式。

自流井（承壓含水層）的涌水量與含水層的厚度、滲透系數及水位下降值成正比，而與影響半徑及水井半徑的比值的對數值成反比，即：

式中：

K——含水層滲透系數(m/d);Q——抽水井流量(m3/d);

S——抽水井中水位降深(m);

M——承壓含水層厚度(m);

R——影響半徑(m);r——抽水井半徑(m)。自流井結構示意圖抽水試驗理論根據

自由水井（潛水含水層）的涌水量與含水層的厚度、滲透系數成正比，即：式中：

K——含水層滲透系數(m/d);Q——抽水井流量(m3/d);

S——抽水井中水位降深(m);自由水井結構示意圖H

——潛水含水層厚度(m);

R——影響半徑(m);q——單位涌水量

r——抽水井半徑(m)。抽水試驗理論根據水文地質試驗抽水試驗的目的和任務抽水試驗的分類和方法抽水孔和觀測孔的布置要求抽水試驗的主要技術要求抽水試驗資料的整理（自學）其他水文地質野外試驗

按抽水井與觀測井的關系可分:單孔抽水試驗、多孔抽水試驗。（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。單孔抽水試驗多孔抽水試驗抽水試驗的分類

按貫穿含水層的程度及進水條件可分為：完整井抽水試驗、非完整井抽水試驗。（1）完整井：揭穿整個含水層，并在整個含水層厚度上都進水的井。（2）非完整井：未揭穿整個含水層、只有井底和含水層的部分厚度上能進水的井。抽水試驗的分類

完整井、非完整井確定條件：

a．均質含水層厚度小于15米，宜采用完整孔；大于15米時宜采用非完整孔。

b．非均質層狀含水層，單層厚度大于6米時，可采用非完整孔進行分段抽水，承壓水完整井承壓水非完整井

按是否隔離不同含水層可分為：混合抽水試驗、分層抽水試驗。（1）混合抽水試驗：將兩個以上含水層不加隔離，在同一個鉆孔中同時進行抽水。（2）分層抽水試驗：將鉆孔中所揭露的數個含水層加以隔離，逐層單獨抽水。（3）允許混合抽水試驗的條件：對含水層的性質及相互關系已基本弄清，抽水試驗的目的只是為了解生產孔的出水量。抽水試驗的分類

按抽水井與地下水流態(tài)關系可分為：穩(wěn)定流抽水試驗、非穩(wěn)定流抽水試驗。（1）穩(wěn)定流抽水試驗：要求在一定持續(xù)的時間內流量和水位同時相對穩(wěn)定（即不超過一定的允許波動范圍），可進行1～3個落程的抽水，抽水后還要對水位恢復情況進行觀測和記錄。

穩(wěn)定流抽水試驗主要用于計算含水層的滲透系數。（2）非穩(wěn)定流抽水試驗：是在抽水鉆孔中僅保持水量穩(wěn)定并使水位不斷改變，或僅保持水位穩(wěn)定使水量不斷改變的抽水試驗。抽水試驗的分類

其目的是：用人工控制的方法，使鉆孔周圍含水層中發(fā)生地下水的非穩(wěn)定運動，通過測定水位隨時間的變化過程（或水量隨時間的變化過程），來測求含水層中地下水在非穩(wěn)定運動時的水文地質參數。通過非穩(wěn)定抽水試驗可以測求含水層的導水系數（T），壓力傳導系數（a），滲透系數（K），給水度（μ）或釋水系數（S）抽水試驗的分類

按揭穿含水層的類型可分為：潛水井抽水試驗、承壓水井抽水試驗。（1）潛水井：揭露潛水含水層的水井。又稱無壓井。（2）承壓水井：揭露承壓含水層的水井。又稱有壓井。承壓水抽水試驗潛水抽水試驗抽水試驗的分類

抽水試驗通?？煞譃閱慰壮樗⒍嗫壮樗?、群孔干擾抽水和試驗性開采抽水。

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。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充沛或補給量不易查清，或者勘察工作量有限而又缺乏地下水長期觀測資料的水源地，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。抽水試驗的常規(guī)分類抽水試驗的方法抽水試驗的方法有：

1、單孔抽水試驗采用穩(wěn)定流抽水試驗方法；

2、多孔抽水、群孔干擾抽水和試驗性開采抽水試驗一般采用非穩(wěn)定流抽水試驗方法；

3、抽水試驗孔宜采用完整井(巨厚含水層可采用非完整井)；

4、觀測孔深應盡量與抽水孔一致。

水文地質試驗抽水試驗的目的和任務抽水試驗的分類和方法抽水孔和觀測孔的布置要求抽水試驗的主要技術要求抽水試驗資料的整理（自學）其他水文地質野外試驗

抽水孔的布置應根據勘察階段、地質和水文地質條件和地下水資源評價方法等因素來布置?？傮w要求：詳查階段，在可能富水的地段布置抽水試驗孔；勘探階段，在含水層富水性較好和擬建取水構筑物的地段布置抽水試驗孔。具體要求：

1、為查明區(qū)域水文地質條件，則抽水孔應布置在有控制意義的典型地段，采用單孔抽水試驗；

2、為解決某項供水任務，則抽水孔應布置在有供水意義的地段或在未來開采井位置，采用群孔干擾抽水試驗和試驗性開采抽水試驗。抽水孔的布置要求

3、為查明含水層邊界性質或評價徑流補給量時，則抽水孔應布置在靠近邊界的地方，以便能觀測到邊界兩側水位差異變化或查明邊界兩側的水力聯系程度，采用多孔抽水試驗；

4、為求取水文地質參數，抽水孔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，采用多孔抽水試驗；

抽水孔的布置要求

5、在布置帶觀測孔的抽水孔時，要考慮盡量利用已有水井作為抽水時的水位觀測孔；當無現存水位觀測井時，應考慮附近有無布置水位觀測井的條件；

6、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；

7、抽水孔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；

抽水孔的布置要求布置抽水試驗水位觀測孔的意義：（1）可以提高井流公式所計算出的水文地質參數的精度；（2）利用觀測孔的水位，可用多種作圖方法求解穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流的水文地質參數；（3）利用觀測孔水位，可繪制出抽水的人工流場圖，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。觀測孔的布置要求

1、觀測孔的布置原則

(1)為確定降落漏斗形狀和準確求得水文地質參數，觀測孔應以抽水孔為中心布置成觀測線的形式。

①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，故垂直地下水流向布置一條帶2~3個觀測孔的觀測線即可。

②均質各向同性、水力坡度較大的含水層，抽水一般形成橢圓形降落漏斗，除垂直地下水流向布置一條帶2~3個觀測孔的觀測線外，還應在上、下游平行地下水流向各布置一條帶2~3個觀測孔的觀測線。

觀測孔的布置要求

③均質各向異性含水層，抽水降落漏斗多為不規(guī)則橢圓形，為分別求得不同方向的水文地質參數，應沿不同方向分別布置觀測線。

(2)

為地下水流數值模擬而進行的大型抽水試驗，應將觀測孔比較均勻地布置在評價區(qū)域內，以便能控制整個流場的變化及邊界上的水位和流量，應在每個參數分區(qū)內度布置觀測孔，便于流場控制。

觀測孔的布置要求2、觀測孔的數量、距離及深度

每條觀測線上，觀測孔數量、距離及深度取決于試驗的任務、精度要求和抽水類型。（1）觀測孔的數量

①對于穩(wěn)定流抽水試驗，若只為求參數，布1個觀測孔即可；如欲繪制降落漏斗形狀，則每條觀測線上需布2-3個觀測孔。

②對于非穩(wěn)定流抽水試驗，如用s-lgt曲線計算水文地質參數，只需布置1個觀測孔；如用s-lgr曲線計算參數，則每條觀測線上需布3個觀測孔。

③對于確定水力聯系及邊界性質的抽水試驗，觀測孔不應少于2個。

觀測孔的布置要求（2）觀測孔的距離及深度

①為避開抽水孔附近三維流的影響，第一個觀測孔距抽水孔的距離一般應大于含水層的厚度，至少也應大于10m；

②最遠觀測孔視含水層滲透性和抽水降深而定，要求觀測到的水位降深大于20cm；

③相鄰觀測孔距離，應保證兩孔的水位差大于20cm；

④觀測孔的深度一般要揭穿含水層，當含水層厚度較大時，應至少深入含水層10～15m

；

⑤為查明垂向含水層之間的水力聯系時，應在同一條觀測線上布置分層的水位觀測孔；

⑥各觀測孔的過濾器，要安置在同一含水層和同一深度上，各觀測孔過濾器的長度宜相等。

觀測孔的布置要求水文地質試驗抽水試驗的目的和任務抽水試驗的分類和方法抽水孔和觀測孔的布置要求抽水試驗的主要技術要求抽水試驗資料的整理（自學）其他水文地質野外試驗一、穩(wěn)定流抽水試驗技術要求穩(wěn)定流抽水試驗在技術要求上主要有水位降深、抽水試驗流量、穩(wěn)定延續(xù)時間及水位和流量觀測。

1、水位降深

為提高水文地質參數的計算精度和預測更大水位降深時井的出水量，穩(wěn)定流抽水試驗，一般要求進行三次不同水位降深的抽水，要求各次降深的抽水連續(xù)進行。

三次降深值的確定，一般根據含水層的透水性和抽水設備能力確定，降深盡可能大些，以便能充分揭露含水層性質。

穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求1、水位降深

（1）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，抽水三次水位降深的次序可由小到大逐次進行（正向抽水）；（3）對于裂隙和巖溶含水層，為了有利于裂隙和溶隙中充填的細粒物質(天然泥沙或鉆進產生的巖粉)吸出，增加裂隙的導水性，抽水三次水位降深次序應由大到小逐次進行（反向抽水）;

（4）抽水試驗所選擇的最大水位降深值(Smax)應按抽水設備能力盡可能大些：穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求

①潛水含水層，Smax=1/3—1/2潛水含水層厚度；

②承壓含水層，Smax≤承壓含水層頂板以上的水頭高度；

③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1／3和l／2；

④

當抽水設備達不到上述要求時，要求Smax等于水泵的最大揚程(或吸程)即可，相鄰兩次水位降深之間的水頭差值也不應小于lm。根據抽水試驗求得的水文地質參數代表了抽水降落漏斗范圍內含水層的平均參數。因此，抽水降深越大，所求得的水文地質參數代表性越好，但抽水投資越大。穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求2、抽水試驗流量（1）求水文地質參數：對抽水流量沒有專門要求，但要保證達到試驗規(guī)定的水位降深。試驗前要對最大水位降深時對應的出水量有所了解，以便選擇適合的水泵。

最大出水量：根據同一含水層已有水井推測，或根據洗井時的水量確定，或根據含水層的經驗滲透系數值和設計水位降深值估算。

（2）開采井：欲作為生產水井使用的抽水試驗鉆孔，抽水試驗的流量最好能和需水量一致。穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求3、抽水試驗的水位降深和流量穩(wěn)定后延續(xù)時間

（1）抽水試驗的穩(wěn)定

在穩(wěn)定延續(xù)時間內，涌水量和動水位與時間關系曲線在一定范圍內波動，而且沒有持續(xù)上升或下降的趨勢。抽水孔水位波動不應超過平均水位降深值的1％，涌水量波動值不能超過平均流量的3％，觀測孔不超過2—3cm，即為穩(wěn)定。

穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求（2）抽水試驗的穩(wěn)定延續(xù)時間

一般來說抽水穩(wěn)定延續(xù)時間愈長，所求得的水文地質參數代表性愈強。穩(wěn)定延續(xù)時間的長短，一般與勘探的目的和含水層滲透性有關。

按勘探目的

①為獲得含水層的水文地質參數，水位和流量的穩(wěn)定延續(xù)時間達到24h即可；

②為獲得水文地質參數和水井的出水能力，則水位和流量的穩(wěn)定延續(xù)時間至少應達到48—72h或者更長。

③無論何種目的試驗，最遠觀測孔穩(wěn)定延續(xù)時間都不得少于2—4h。穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求（2）抽水試驗的穩(wěn)定延續(xù)時間

按含水層滲透性

①卵石、圓礫和粗砂含水層為8h；

②中砂、細砂和粉砂含水層為16h；

③基巖含水層（帶）為24h；穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求非穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求非穩(wěn)定流抽水試驗，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。非穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求1．對抽水流量值的選擇要求①對于主要目的在于求得水文地質參數的抽水試驗，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；②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1／3—1／2的強度來確定抽水量；③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。

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。在確定抽水流量值時，應考慮：非穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求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，而不只是在參數計算取值段的流量為定值。其要求有：①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；②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10–20min內盡可能準確記錄較多的數據，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。③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。3、抽水延續(xù)時間

對非穩(wěn)定流抽水試驗的延續(xù)時間，目前還沒有公認的科學規(guī)定。但可以根據試驗目的、任務和參數計算方法的需要，對抽水延續(xù)時間做出規(guī)定。當抽水試驗的目的主要是求得含水層的水文地質參數時，抽水延續(xù)時間一般不必太長，只要水位降深-時間對數曲線的形態(tài)比較固定和能夠明顯地反映含水層的邊界性質即可停抽。

當抽水試驗的目的主要在于評價含水層的供水能力，抽水延續(xù)時間應盡可能長些，最好能從枯水期末期開始，一直抽到豐水期到來。非穩(wěn)定流抽水試驗的主要技術要求群孔干擾抽水試驗應滿足下列要求：

(1)干擾孔之間的距離，應保證一孔抽水，使另一孔產生一定的水位削減（大于20cm）；

(2)水位降深次數應根據設計目的而定，一般應盡抽水設備能力做一次最大降深；

(3)各干擾孔過濾器的規(guī)格和安裝深度應盡量相同；

(4)各抽水孔抽水起、止時間應該相同。群孔干擾抽水試驗的主要技術要求

試驗性開采抽水試驗除按群孔干擾抽水要求進行外，還應滿足下列要求：

(1)抽水試驗一般在枯水期進行；

(2)抽水鉆孔總涌水量盡量接近設計需水量；

(3)水位下降漏斗中心水位穩(wěn)定時間不宜少于一個月；

(4)若水位不能達到穩(wěn)定，應及時調節(jié)總涌水量，使其達到穩(wěn)定。試驗性開采抽水試驗的主要技術要求水文地質試驗抽水試驗的目的和任務抽水試驗的分類和方法抽水孔和觀測孔的布置要求抽水試驗的主要技術要求抽水試驗資料的整理（自學）其他水文地質野外試驗試驗性開采抽水試驗的主要技術要求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據––––抽水流量（Q）、水位降深（s）及抽水延續(xù)時間（t）進行現場檢查與整理，并繪制出各種規(guī)定的關系曲線?，F場資料整理的主要目的是：

①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。

②通過所繪制的各種水位、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。

③為水文地質參數計算提供可靠的原始資料。實例分析1抽水孔觀測孔布置示意圖M=35m隔水層含水層r1r2r3隔水層抽水井流量降深觀測孔降深(m)涌水量Q(m3/h)降深S(m)觀1觀2觀3S1S2S31403.782.101.010.831002.591.370.530.42501.500.870.350.17抽水試驗原始數據表實例1：在一承壓含水層中進行抽水試驗，含水層厚35m。抽水孔及觀測孔布置見下圖，觀測孔距離列于下表中。繪制Q～S曲線。觀測孔距離(m)觀1觀2觀3r1r2r310.846.0102.0直線型實例2：在某承壓含水層中進行4次不同降深的抽水試驗，獲得的數據如表所示。繪制Q～S關系曲線，并計算降深S=6m時抽水井流量。降深次數1234水位降S(m)1234流量(m3/h)7.2013.1020.5028.80求解步驟：（1）繪制Q-S關系曲線；（2）確定公式中的系數（最小二乘法）；（3）根據Q-S關系方程式計算S=6m時的抽水井流量。實例分析2Q降深(m)流量(m3/h)S求解過程：（1）根據表中給出的降深、流量數據制作Q-S

關系曲線。（2）確定Q-S曲線關系由圖可看出Q-S曲線呈近直線關系。故寫成直線方程：降深次數1234水位降S(m)1234流量(m3/h)7.2013.1020.5028.80利用最小二乘法確定方程中的系數a、b:所以得出Q-S方程為:（3）計算涌水量：取S=6代入Q-S相關方程，得：水文地質試驗抽水試驗的目的和任務抽水試驗的分類和方法抽水孔和觀測孔的布置要求抽水試驗的主要技術要求抽水試驗資料的整理（自學）其他水文地質野