专门水文地质学 04 水文地质试验

回顾当前进行水文地质调查常用的方法有六类：水文地质测绘（地下水资源地面调查）水文地质钻探水文地质物探水文地质化探水文地质(现场)试验地下水动态观测水文地质试验抽水试验的目的和任务抽水试验的分类和方法抽水孔和观测孔的布置要求抽水试验的主要技术要求抽水试验资料的整理（自学）其他水文地质野外试验抽水试验的概念

抽水试验是通过钻孔或水井抽水，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方法。随着水文地质勘查阶段由浅入深，抽水试验在整个勘查阶段中都占有重要比重，其成果质量直接影响着对调查区水文地质条件的认识和水文地质成果的精确程度。在整个勘查费用中，抽水试验的费用仅次于钻探工程费用；有时，整个钻探工程主要是为了抽水试验而进行。抽水试验的目的和任务抽水试验的目的和任务是：

1、确定含水层的富水程度、评价井孔的出水能力；

2、确定含水层水文地质参数：渗透系数K、导水系数T、给水度μ、弹性释水系数μ*、导压系数a；

3、确定降落漏斗的形状及影响范围，为取水工程设计提供所需的水文地质数据，如影响半径、单井出水量、单位出水量、井间干扰出水量、干扰系数等，依据降深和流量选择适宜的水泵型号；

4、直接评价水源地的允许开采量；

5、查明某些手段难以查明的水文地质条件，如地下水与地表水以及不同含水层之间的水力联系，含水系统边界的性质及位置，地下水补给通道，强径流带位置等。抽水试验的目的和任务K

通过抽水条件下的等水位降深图，可以判断：含水层各向异性、断层导水性以及隔水边界。

抽水试验的目的和任务

法国科学家裘布衣（

Dupuit）于1857年导出了地下水向水井中流动的基本公式。

自流井（承压含水层）的涌水量与含水层的厚度、渗透系数及水位下降值成正比，而与影响半径及水井半径的比值的对数值成反比，即：

式中：

K——含水层渗透系数(m/d);Q——抽水井流量(m3/d);

S——抽水井中水位降深(m);

M——承压含水层厚度(m);

R——影响半径(m);r——抽水井半径(m)。自流井结构示意图抽水试验理论根据

自由水井（潜水含水层）的涌水量与含水层的厚度、渗透系数成正比，即：式中：

K——含水层渗透系数(m/d);Q——抽水井流量(m3/d);

S——抽水井中水位降深(m);自由水井结构示意图H

——潜水含水层厚度(m);

R——影响半径(m);q——单位涌水量

r——抽水井半径(m)。抽水试验理论根据水文地质试验抽水试验的目的和任务抽水试验的分类和方法抽水孔和观测孔的布置要求抽水试验的主要技术要求抽水试验资料的整理（自学）其他水文地质野外试验

按抽水井与观测井的关系可分:单孔抽水试验、多孔抽水试验。（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。单孔抽水试验多孔抽水试验抽水试验的分类

按贯穿含水层的程度及进水条件可分为：完整井抽水试验、非完整井抽水试验。（1）完整井：揭穿整个含水层，并在整个含水层厚度上都进水的井。（2）非完整井：未揭穿整个含水层、只有井底和含水层的部分厚度上能进水的井。抽水试验的分类

完整井、非完整井确定条件：

a．均质含水层厚度小于15米，宜采用完整孔；大于15米时宜采用非完整孔。

b．非均质层状含水层，单层厚度大于6米时，可采用非完整孔进行分段抽水，承压水完整井承压水非完整井

按是否隔离不同含水层可分为：混合抽水试验、分层抽水试验。（1）混合抽水试验：将两个以上含水层不加隔离，在同一个钻孔中同时进行抽水。（2）分层抽水试验：将钻孔中所揭露的数个含水层加以隔离，逐层单独抽水。（3）允许混合抽水试验的条件：对含水层的性质及相互关系已基本弄清，抽水试验的目的只是为了解生产孔的出水量。抽水试验的分类

按抽水井与地下水流态关系可分为：稳定流抽水试验、非稳定流抽水试验。（1）稳定流抽水试验：要求在一定持续的时间内流量和水位同时相对稳定（即不超过一定的允许波动范围），可进行1～3个落程的抽水，抽水后还要对水位恢复情况进行观测和记录。

稳定流抽水试验主要用于计算含水层的渗透系数。（2）非稳定流抽水试验：是在抽水钻孔中仅保持水量稳定并使水位不断改变，或仅保持水位稳定使水量不断改变的抽水试验。抽水试验的分类

其目的是：用人工控制的方法，使钻孔周围含水层中发生地下水的非稳定运动，通过测定水位随时间的变化过程（或水量随时间的变化过程），来测求含水层中地下水在非稳定运动时的水文地质参数。通过非稳定抽水试验可以测求含水层的导水系数（T），压力传导系数（a），渗透系数（K），给水度（μ）或释水系数（S）抽水试验的分类

按揭穿含水层的类型可分为：潜水井抽水试验、承压水井抽水试验。（1）潜水井：揭露潜水含水层的水井。又称无压井。（2）承压水井：揭露承压含水层的水井。又称有压井。承压水抽水试验潜水抽水试验抽水试验的分类

抽水试验通常可分为单孔抽水、多孔抽水、群孔干扰抽水和试验性开采抽水。

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。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充沛或补给量不易查清，或者勘察工作量有限而又缺乏地下水长期观测资料的水源地，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。抽水试验的常规分类抽水试验的方法抽水试验的方法有：

1、单孔抽水试验采用稳定流抽水试验方法；

2、多孔抽水、群孔干扰抽水和试验性开采抽水试验一般采用非稳定流抽水试验方法；

3、抽水试验孔宜采用完整井(巨厚含水层可采用非完整井)；

4、观测孔深应尽量与抽水孔一致。

水文地质试验抽水试验的目的和任务抽水试验的分类和方法抽水孔和观测孔的布置要求抽水试验的主要技术要求抽水试验资料的整理（自学）其他水文地质野外试验

抽水孔的布置应根据勘察阶段、地质和水文地质条件和地下水资源评价方法等因素来布置。总体要求：详查阶段，在可能富水的地段布置抽水试验孔；勘探阶段，在含水层富水性较好和拟建取水构筑物的地段布置抽水试验孔。具体要求：

1、为查明区域水文地质条件，则抽水孔应布置在有控制意义的典型地段，采用单孔抽水试验；

2、为解决某项供水任务，则抽水孔应布置在有供水意义的地段或在未来开采井位置，采用群孔干扰抽水试验和试验性开采抽水试验。抽水孔的布置要求

3、为查明含水层边界性质或评价径流补给量时，则抽水孔应布置在靠近边界的地方，以便能观测到边界两侧水位差异变化或查明边界两侧的水力联系程度，采用多孔抽水试验；

4、为求取水文地质参数，抽水孔应布置在含水层的导水及贮水性质、补给条件、厚度和岩性条件等有代表性的地方，采用多孔抽水试验；

抽水孔的布置要求

5、在布置带观测孔的抽水孔时，要考虑尽量利用已有水井作为抽水时的水位观测孔；当无现存水位观测井时，应考虑附近有无布置水位观测井的条件；

6、抽水孔附近不应有其它正在使用的生产水井或地下排水工程；

7、抽水孔附近应有较好的排水条件，即抽出的水能无渗漏地排到抽水孔影响半径区以外，特别应注意抽水量很大的群孔抽水的排水问题；

抽水孔的布置要求布置抽水试验水位观测孔的意义：（1）可以提高井流公式所计算出的水文地质参数的精度；（2）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；（3）利用观测孔水位，可绘制出抽水的人工流场图，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。观测孔的布置要求

1、观测孔的布置原则

(1)为确定降落漏斗形状和准确求得水文地质参数，观测孔应以抽水孔为中心布置成观测线的形式。

①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，故垂直地下水流向布置一条带2~3个观测孔的观测线即可。

②均质各向同性、水力坡度较大的含水层，抽水一般形成椭圆形降落漏斗，除垂直地下水流向布置一条带2~3个观测孔的观测线外，还应在上、下游平行地下水流向各布置一条带2~3个观测孔的观测线。

观测孔的布置要求

③均质各向异性含水层，抽水降落漏斗多为不规则椭圆形，为分别求得不同方向的水文地质参数，应沿不同方向分别布置观测线。

(2)

为地下水流数值模拟而进行的大型抽水试验，应将观测孔比较均匀地布置在评价区域内，以便能控制整个流场的变化及边界上的水位和流量，应在每个参数分区内度布置观测孔，便于流场控制。

观测孔的布置要求2、观测孔的数量、距离及深度

每条观测线上，观测孔数量、距离及深度取决于试验的任务、精度要求和抽水类型。（1）观测孔的数量

①对于稳定流抽水试验，若只为求参数，布1个观测孔即可；如欲绘制降落漏斗形状，则每条观测线上需布2-3个观测孔。

②对于非稳定流抽水试验，如用s-lgt曲线计算水文地质参数，只需布置1个观测孔；如用s-lgr曲线计算参数，则每条观测线上需布3个观测孔。

③对于确定水力联系及边界性质的抽水试验，观测孔不应少于2个。

观测孔的布置要求（2）观测孔的距离及深度

①为避开抽水孔附近三维流的影响，第一个观测孔距抽水孔的距离一般应大于含水层的厚度，至少也应大于10m；

②最远观测孔视含水层渗透性和抽水降深而定，要求观测到的水位降深大于20cm；

③相邻观测孔距离，应保证两孔的水位差大于20cm；

④观测孔的深度一般要揭穿含水层，当含水层厚度较大时，应至少深入含水层10～15m

；

⑤为查明垂向含水层之间的水力联系时，应在同一条观测线上布置分层的水位观测孔；

⑥各观测孔的过滤器，要安置在同一含水层和同一深度上，各观测孔过滤器的长度宜相等。

观测孔的布置要求水文地质试验抽水试验的目的和任务抽水试验的分类和方法抽水孔和观测孔的布置要求抽水试验的主要技术要求抽水试验资料的整理（自学）其他水文地质野外试验一、稳定流抽水试验技术要求稳定流抽水试验在技术要求上主要有水位降深、抽水试验流量、稳定延续时间及水位和流量观测。

1、水位降深

为提高水文地质参数的计算精度和预测更大水位降深时井的出水量，稳定流抽水试验，一般要求进行三次不同水位降深的抽水，要求各次降深的抽水连续进行。

三次降深值的确定，一般根据含水层的透水性和抽水设备能力确定，降深尽可能大些，以便能充分揭露含水层性质。

稳定流抽水试验的主要技术要求1、水位降深

（1）对于富水性较差的含水层或非开采含水层，可只做一次最大降深的抽水试验；（2）对松散孔隙含水层，抽水三次水位降深的次序可由小到大逐次进行（正向抽水）；（3）对于裂隙和岩溶含水层，为了有利于裂隙和溶隙中充填的细粒物质(天然泥沙或钻进产生的岩粉)吸出，增加裂隙的导水性，抽水三次水位降深次序应由大到小逐次进行（反向抽水）;

（4）抽水试验所选择的最大水位降深值(Smax)应按抽水设备能力尽可能大些：稳定流抽水试验的主要技术要求

①潜水含水层，Smax=1/3—1/2潜水含水层厚度；

②承压含水层，Smax≤承压含水层顶板以上的水头高度；

③当进行三次不同水位降深抽水试验时，其余两次试验的水位降深，应分别等于最大水位降深值的1／3和l／2；

④

当抽水设备达不到上述要求时，要求Smax等于水泵的最大扬程(或吸程)即可，相邻两次水位降深之间的水头差值也不应小于lm。根据抽水试验求得的水文地质参数代表了抽水降落漏斗范围内含水层的平均参数。因此，抽水降深越大，所求得的水文地质参数代表性越好，但抽水投资越大。稳定流抽水试验的主要技术要求2、抽水试验流量（1）求水文地质参数：对抽水流量没有专门要求，但要保证达到试验规定的水位降深。试验前要对最大水位降深时对应的出水量有所了解，以便选择适合的水泵。

最大出水量：根据同一含水层已有水井推测，或根据洗井时的水量确定，或根据含水层的经验渗透系数值和设计水位降深值估算。

（2）开采井：欲作为生产水井使用的抽水试验钻孔，抽水试验的流量最好能和需水量一致。稳定流抽水试验的主要技术要求3、抽水试验的水位降深和流量稳定后延续时间

（1）抽水试验的稳定

在稳定延续时间内，涌水量和动水位与时间关系曲线在一定范围内波动，而且没有持续上升或下降的趋势。抽水孔水位波动不应超过平均水位降深值的1％，涌水量波动值不能超过平均流量的3％，观测孔不超过2—3cm，即为稳定。

稳定流抽水试验的主要技术要求（2）抽水试验的稳定延续时间

一般来说抽水稳定延续时间愈长，所求得的水文地质参数代表性愈强。稳定延续时间的长短，一般与勘探的目的和含水层渗透性有关。

按勘探目的

①为获得含水层的水文地质参数，水位和流量的稳定延续时间达到24h即可；

②为获得水文地质参数和水井的出水能力，则水位和流量的稳定延续时间至少应达到48—72h或者更长。

③无论何种目的试验，最远观测孔稳定延续时间都不得少于2—4h。稳定流抽水试验的主要技术要求（2）抽水试验的稳定延续时间

按含水层渗透性

①卵石、圆砾和粗砂含水层为8h；

②中砂、细砂和粉砂含水层为16h；

③基岩含水层（带）为24h；稳定流抽水试验的主要技术要求非稳定流抽水试验的主要技术要求非稳定流抽水试验，可分为两种：（1）定流量抽水（水位降深随时间变化）；（2）定降深抽水（流量随时间变化）。由于在抽水过程中流量比水位容易固定（因水泵出水量一定），在实际生产中一般多采用定流量的非稳定流抽水试验方法。非稳定流抽水试验的主要技术要求1．对抽水流量值的选择要求①对于主要目的在于求得水文地质参数的抽水试验，选定抽水流量时只需考虑：以该流量抽水到抽水试验结束时，抽水井中的水位降深不致超过所使用水泵的吸程；②对于探采结合的抽水井，可考虑按设计需水量或至少按设计需水量的1／3—1／2的强度来确定抽水量；③可参考勘探井洗井时的水位降深和出水量来确定抽水流量。

在定流量的非稳定流抽水中，水位降深是一个变量，故不必提出一定的要求，而对抽水流量值的确定则是重要的。在确定抽水流量值时，应考虑：非稳定流抽水试验的主要技术要求2．对抽水流量和水位的观测要求当进行定流量的非稳定流抽水时，要求抽水量从始至终均应保持定值，而不只是在参数计算取值段的流量为定值。其要求有：①同稳定流抽水试验要求一样，流量和水位观测应同时进行；②观测的时间间隔应比稳定流抽水为小，并由密到疏，要求在开泵的头10–20min内尽可能准确记录较多的数据，抽水开始后第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min各观测一次，以后可每隔30min观测一次。③停抽后恢复水位的观测，观测时间间距，应按水位恢复速度确定，一般为（min）1、3、5、10、15、30、……，直至完全恢复。3、抽水延续时间

对非稳定流抽水试验的延续时间，目前还没有公认的科学规定。但可以根据试验目的、任务和参数计算方法的需要，对抽水延续时间做出规定。当抽水试验的目的主要是求得含水层的水文地质参数时，抽水延续时间一般不必太长，只要水位降深-时间对数曲线的形态比较固定和能够明显地反映含水层的边界性质即可停抽。

当抽水试验的目的主要在于评价含水层的供水能力，抽水延续时间应尽可能长些，最好能从枯水期末期开始，一直抽到丰水期到来。非稳定流抽水试验的主要技术要求群孔干扰抽水试验应满足下列要求：

(1)干扰孔之间的距离，应保证一孔抽水，使另一孔产生一定的水位削减（大于20cm）；

(2)水位降深次数应根据设计目的而定，一般应尽抽水设备能力做一次最大降深；

(3)各干扰孔过滤器的规格和安装深度应尽量相同；

(4)各抽水孔抽水起、止时间应该相同。群孔干扰抽水试验的主要技术要求

试验性开采抽水试验除按群孔干扰抽水要求进行外，还应满足下列要求：

(1)抽水试验一般在枯水期进行；

(2)抽水钻孔总涌水量尽量接近设计需水量；

(3)水位下降漏斗中心水位稳定时间不宜少于一个月；

(4)若水位不能达到稳定，应及时调节总涌水量，使其达到稳定。试验性开采抽水试验的主要技术要求水文地质试验抽水试验的目的和任务抽水试验的分类和方法抽水孔和观测孔的布置要求抽水试验的主要技术要求抽水试验资料的整理（自学）其他水文地质野外试验试验性开采抽水试验的主要技术要求在抽水试验进行过程中，需要及时对抽水试验的基本观测数据––––抽水流量（Q）、水位降深（s）及抽水延续时间（t）进行现场检查与整理，并绘制出各种规定的关系曲线。现场资料整理的主要目的是：

①及时掌握抽水试验是否按要求正常地进行，水位和流量的观测成果是否有异常。

②通过所绘制的各种水位、流量与时间关系曲线及其与典型关系曲线的对比，判断实际抽水曲线是否达到水文地质参数计算取值的要求，并决定抽水试验是否需要缩短、延长或终止。

③为水文地质参数计算提供可靠的原始资料。实例分析1抽水孔观测孔布置示意图M=35m隔水层含水层r1r2r3隔水层抽水井流量降深观测孔降深(m)涌水量Q(m3/h)降深S(m)观1观2观3S1S2S31403.782.101.010.831002.591.370.530.42501.500.870.350.17抽水试验原始数据表实例1：在一承压含水层中进行抽水试验，含水层厚35m。抽水孔及观测孔布置见下图，观测孔距离列于下表中。绘制Q～S曲线。观测孔距离(m)观1观2观3r1r2r310.846.0102.0直线型实例2：在某承压含水层中进行4次不同降深的抽水试验，获得的数据如表所示。绘制Q～S关系曲线，并计算降深S=6m时抽水井流量。降深次数1234水位降S(m)1234流量(m3/h)7.2013.1020.5028.80求解步骤：（1）绘制Q-S关系曲线；（2）确定公式中的系数（最小二乘法）；（3）根据Q-S关系方程式计算S=6m时的抽水井流量。实例分析2Q降深(m)流量(m3/h)S求解过程：（1）根据表中给出的降深、流量数据制作Q-S

关系曲线。（2）确定Q-S曲线关系由图可看出Q-S曲线呈近直线关系。故写成直线方程：降深次数1234水位降S(m)1234流量(m3/h)7.2013.1020.5028.80利用最小二乘法确定方程中的系数a、b:所以得出Q-S方程为:（3）计算涌水量：取S=6代入Q-S相关方程，得：水文地质试验抽水试验的目的和任务抽水试验的分类和方法抽水孔和观测孔的布置要求抽水试验的主要技术要求抽水试验资料的整理（自学）其他水文地质野