1.1.4　水文地质试验

水文地质试验是为测定水文地质参数和了解地下水的运动规律而进行的试验工作，内容包括抽水、注水、压水、渗水、连通、流速和弥散系数测定等。其中抽水试验是最主要的手段。根据不同的试验目的采用相应的水文地质试验方法。

抽水试验目的的主要是测定含水层的富水程度和评价井（孔）的出水能力；确定含水层的水文地质参数；为取水工程设计提供所需水文地质数据（如单井出水量、单位出水量、井间干扰系数等）。抽水试验方法主要包括：在水井或钻孔中进行抽水，观测记录水量和水位随时间的变化；利用水位与流量之间的函数关系，计算含水层渗透系数和井、孔出水能力等。

渗水试验的目的是测定包气带土层垂向渗透系数。确定渠道、水库、灌区的渗漏水量时，可用此法确定干燥土层的渗透系数。渗水试验原理是在地表挖试坑注水，在坑底保持一定水层厚度，使水在地下水面以上的干土层中稳定下渗，根据单位时间内试坑的稳定耗水量测算土层渗透系数。

钻孔注水试验的目的是测定透水层的渗透系数。非饱和透水层的渗透系数。其原理同抽水试验。方法主要是往钻孔中连续定量注水，使孔内保持一定水位，通过水位与水量的函数关系，测定透水层渗透系数。注水试验适用条件包括：钻孔中地下水位埋藏很深或试验层为透水不含水层时；研究地下水人工补给或废水地下处置的效率时。这里需要注明的是因注水井一般难以具备洗井条件，故注水试验方法求得的岩层渗透系数远比抽水试验求得的小。

钻孔压水试验的目的是测定岩体的透水性。为论证岩体的完整性和透水程度提供重要依据。通过测定裂隙岩体的单位吸水量，并以其换算求出渗透系数。用以说明裂隙岩体的透水性、裂隙性及其随深度的变化情况。压水试验原理是用栓塞将钻孔隔离出一定长度的孔段，并向该段压水，根据压力与流量的关系确定岩体渗透特性。

水文地质试验是水文地质调查中不可缺少的重要手段，是获取水文地质参数的基本方法。水文地质试验分野外试验和室内试验两种。限于篇幅，本节只介绍几种常见的野外水文地质试验，即抽水试验、压水试验、注水（渗水）试验，另外简要介绍注水（渗水）试验、连通试验等。

1.1.4.1　抽水试验

1.抽水试验可具体解决的问题

（1）直接测定含水层的富水程度和评价井（孔）的出水能力（Q）。

（2）确定含水层的水文地质参数（K、T、μ、μ＊等）。

（3）为取水工程设计提供所需水文地质数据，如影响半径（R）、单井出水量、单位出水量、井间干扰系数等。

（4）评价水源地的可（允许）开采量。

（5）查明其他手段难以查明的水文地质条件，如地表水、地下水之间及各含水层之间的水力联系，或地下水补给通道和强径流带的位置等。

（6）确定含水层（或含水体）边界位置及性质等。

2.抽水试验的类型

抽水试验的类型较多，分类也不尽统一。按井流公式，抽水试验可分为稳定流抽水试验和非稳定流抽水试验两种；若按抽水试验时所用的井孔的数量，抽水试验可分为：单孔、多孔及干扰井群抽水试验；若按试验的含水层数目，抽水试验可分为分层抽水试验和混合抽水试验。一般根据抽水试验所依据的井流公式原理、抽水试验的目的任务和方法要求等，可将其分类见表1.16。

3.抽水试验的有关规定

《供水水文地质勘察规范》（GB 50027—2001）对抽水试验作了以下规定。

（1）一般规定：

1）抽水孔的布置。抽水孔的布置应根据勘察阶段，地质、水文地质条件和地下水资源评价方法等多种因素确定。在详查阶段，在可能富水的地段均宜布置抽水孔；勘探阶段，在含水层（带）富水性较好和拟建取水构筑物的地段均宜布置抽水孔。

2）抽水孔占勘探孔（不包括观测孔）总数的百分比（%），宜不少于表1.17的规定。

3）在松散含水层中，可用放射性同位素稀释法或示踪法测定地下水的流向、实际流速和渗透速度等，了解地下水的运动状态。

4）抽水试验观测孔的布置，应根据试验的目的和计算公式的要求来确定，并宜符合如下几点：

a.以抽水孔为原点，宜布置1～2条观测线。

b.仅有1条观测线时，宜垂直于地下水流向布置；有2条观测线时，其中一条宜平行于地下水流向布置。

c.每条观测线上的观测孔宜为3个。

d.距抽水孔近的第一个观测孔，应避开三维流的影响，其距离不宜小于含水层的厚度；最远的观测孔距第一个观测孔的距离不宜太远，应保证各观测孔内有一定水位下降值。

e.各观测孔的过滤器长度宜相等，并安置在同一含水层和同一深度。

5）对富水性强的大厚度含水层，需要划分几个试验段进行抽水时，试验段的长度可采用20～30m。

6）对多层含水层，需分层研究时，应进行分层（段）抽水试验。

7）采用数值法评价地下水资源时，宜进行一次大流量、大降深的群孔抽水试验，并应以非稳定流抽水试验为主。

8）抽水试验前和抽水试验时，必须同步测量抽水孔和观测孔、观测点（包括附近的水井、泉和其他水点）的自然水位和动水位。如果自然水位的日动态变化很大时，应掌握其变化规律。抽水试验停止后，必须按规范的有关要求测量抽水孔和观测孔的恢复水位。

抽水试验结束后，应检查孔内沉淀情况。必要时，应进行处理。

9）抽水试验时，应防止抽出的水在抽水影响范围内回渗到含水层中。

10）水质分析和细菌检验的水样，宜在抽水试验结束前采取。其件数和数量应根据用水目的和分析要求确定。

11）水位的观测。在同一试验中应采用同一方法和工具。抽水孔的水位测量应读数到厘米，观测孔的水位测量应读数到毫米。

12）出水量的测量，采用堰箱或孔板流量计时，水位测量应读数到毫米；采用容积法时，量桶充满水所需的时间不宜少于15s，应读数到0.1s；采用水表时，应读数到0.1m3。

（2）稳定流抽水试验的规定：

1）抽水试验时，水位下降的次数应根据试验的目的来确定，宜进行3次。其中最大下降值可接近孔内的设计动水位，其余2次下降值宜分别为最大下降值的1/3和2/3。各次下降的水泵吸水管口的安装深度应相同。

（注：当抽水孔的出水量很小，试验时的出水量已达到抽水孔极限出水能力时，水位下降的次数可适当减少。）

2）抽水试验的稳定标准，应符合在抽水稳定延续时间内，抽水孔出水量和动水位与时间关系曲线只在一定的范围内波动，且没有持续上升或下降的趋势。

（注：当有观测孔时，应以最远的观测孔的动水位判定；在判定动水位有无上升或下降趋势时，应考虑天然水位的影响。）

3）抽水试验的稳定延续时间，宜符合：卵石、圆砾和粗砂含水层为8h；中砂、细砂和粉砂含水层为16h；基岩含水层（带）为24h。

（注：根据含水层的类型、补给条件、水质变化和试验的目的等因素，可适当调整稳定延续时间。）

4）抽水试验时，动水位和出水量观测的时间，宜在抽水开始后的第5min、10min、15min、20min、25min、30min各测一次，以后每隔30min或60min测一次。而水温、气温观测的时间，宜每隔2～4h同步测量一次。

（3）非稳定流抽水试验的规定：

1）抽水孔的出水量，应保持常量。

2）抽水试验的延续时间，应按水位下降与时间［s（或Δh2）－lgt］关系曲线确定，并应符合如下内容：

a.s（或Δh2）－lgt的关系曲线有拐点时，则延续时间宜至拐点后的线段趋于水平。

b.s（或Δh2）－lgt的关系曲线没有拐点时，则延续时间宜根据试验目的确定。

［注：在承压含水层中抽水时，采用s－lgt关系曲线；在潜水含水层中抽水时，采用Δh2－lgt关系曲线。拐点是指曲线上斜率的导数等于零的点；当有观测孔时，应采用最远观测孔的s（或Δh2）－lgt关系曲线。］

3）抽水试验时，动水位和出水量观测的时间，宜在抽水开始后第1min、2min、3min、4min、6min、8min、10min、15min、20min、25min、30min、40min、50min、60min、80min、100min、120min各观测一次，以后可每隔30min观测一次。

4）群孔抽水试验，宜符合如下内容：

a.当一个抽水孔抽水时，对另一个最近的抽水孔产生的水位下降值，不宜小于20cm。

b.抽水孔的水位下降次数应根据试验目的而定。

c.当抽水孔附近有地表水或地下水露头时，应同步观测其水位、水质和水温。

5）开采性抽水试验，宜符合如下内容：

a.宜在枯水期进行。

b.总出水量宜等于或接近需水量（宜大于需水量的80%）。

c.下降漏斗的水位能稳定时，则稳定延续期不宜少于1个月。

d.下降漏斗的水位不能稳定时，则抽水时间宜延续至下一个补给期。

4.抽水试验设备及其相关的技术要求

（1）抽水设备的类型及其适用条件。当前抽水试验中经常使用的抽水设备主要有离心泵、深井泵、潜水泵、空压机（风泵）、射流泵等。

选择抽水设备时，考虑吸程、扬程、出水量等能否满足设计要求，还要考虑孔深、孔径是否满足水泵等设备下入的要求，以及搬运及花费大小等。例如，水量较大，地下水埋藏浅、降深小时可用离心式水泵。埋藏深或降深大，精度要求高，井径足够大时则使用深井泵或深井潜水泵。精度要求不高，井径较小，则可选用空气压缩机（或称空压机、风泵、空气升液器）。井径小，埋藏较深，涌水量较小时，可用往复式水泵或射流泵。

抽水试验的设备包括抽水设备、测量（水位、流量、水温等）器具、排水设备等。各抽水设备的优缺点见表1.18。

目前在水文地质实验中，应用最多的是空气压缩机、卧式离心泵和立式深井泵。现将空气压缩机的安装和使用进行简要说明。

（2）空气压缩机抽水时的技术要求。空气压缩机抽水的工作原理是：将压缩空气压入钻孔，通过混合器与水混合成一种乳状水汽混合物。因其比重比水小，且在水管内外压力的差和气流膨胀的驱动下，上升至管口流出，井中水向上流动补充，从而达到抽水的目的（图1.9）。压缩空气量要适当，如缩空气量不足，或者不能扬水，或者水流不均，呈脉冲式的流动。如果风量太大，空气在水管中快速流动、并占据较大断面、使出水效率降低，甚至光出气不出水。

由于空气压缩机的出水量很不均匀，对井水的扰动很大，故常利用它作为洗井工具，在洗井的同时，也一并进行抽水实验。利用空气压缩机进行抽水时，水文地质工作者必须根据地区的水文地质条件，对空气管（也称风管）的沉没比、沉没深度、空气的消耗量及空气压力等进行计算。

1）空气管沉没比及沉没深度计算。空气管沉没于动水位以下的深度称为沉没深度；它与混合器至出水口长度之比称为沉没比。可用式（1.4）计算：

式中　α——沉没比，%；

H——沉没深度，m；

h——混合液体上升的高度，m。

沉没比越大，水汽混合、抽水效果就越好，就能获得较大而稳定的出水量和相应的水位下降值。所以一般要求沉没比不得小于50%～60%，否则出水量将减少，水位也不稳定。

2）风量计算。每提升1m3水所需的空气量按式（1.5）确定：

式中　V——每提升1m3水所需的空气量，m3；

H——沉没深度，m；

K——系数，K＝2.17＋0.016h；

h——从动水位至孔的高度，m。

从式（1.5）可知：提升同体积水的高度（h）愈大，需用的空气量愈多。当h相同的条件下、沉没比愈大，消耗的空气量愈小。因此，利用空气压缩机抽水时，应尽量增大沉没比和选用合适的空压机。

当出水量为Q（m3/h）时，所需的空气量Vn为：

式中　Vn——出水量为Q时所需的空气量，m3/min；

Q——井孔的出水量，m3/h。

（3）抽水时启动压力的计算。抽水时所需的压力为：

式中　P——从混合器的中部至天然水位的静水压力，Pa；

ΔP——风管阻力，一般为1.96×104Pa；

h0——天然水位至出水口高度，m。

抽水时的工作风压计算公式：

式中　Pn——工作风压，Pa；

LP——送水途中压力损失（换算为m），不超过5m，通常为2～3m。

从上式中可以看出：压缩空气的压力值与空气管的沉没深度有关。在开始抽水时，沉没比最大，所需要的压力也最大，此时称之为启动压力。随着抽水的继续进行，动水位逐渐稳定，沉没比亦趋向恒定值，压力值也趋向稳定，此时压力称工作压力。故在选用空气压缩机抽水时，首先要考虑空气压缩机允许的工作压力是否达到启动压力要求，否则就不能应用。

当使用空气压缩机抽水时，还应根据钻孔直径（或滤水管口径）、钻孔涌水量的大小和水位埋深等来合理地确定空气管和出水管的直径以及它们之间的安装方式，否则将影响试验的质量。

（4）测水用具。抽水试验时所用的测水用具包括水位计、流量计、水温计。

水位计。水位计的种类很多，在抽水试验中，常用的是电测水位计，其基本工作形式如图1.10所示，使用时，当探头接触水面时，水与导线构成闭合电路，即可发出信号，据此便可确定水位。根据发出的信号不同，电测水位计的种类主要有表式水位计（信号为指针摆动）、音响水位计（信号是声音）、灯显式水位计（信号是指示灯）等。电测水位计的测量深度可达100m或更大，误差小于1cm，但随深度增加，其误差会加大，电测水位计目前应用最广，不过，用电测水位计测定一次水位，即使在水面稳定的情况下，也需半分钟左右，这对非稳定流抽水往往不符合要求，目前我国已逐步开始使用既能读出瞬时水位、又便于遥控或自记的自动测水位仪器，如SKS－01型半自动测井仪、红旗型自记水位计，DR－1型电容式水位仪等。

流量计。有三角堰、梯形堰、矩形堰、量桶、流量箱、缩径管流量计、孔板流量计等类型。目前生产中所用的主要是量水容器、堰箱和孔板流量计。堰箱是前方为三角形或梯形切口的水箱，箱中有2～3个促使水流稳定的带孔隔板（图1.11）。水自箱后部进入，从前方切口流出。堰箱适用于100L/s以内、流量连续而又很不稳定的空压机抽水试验时的流量测定。其中堰测法测定流量的计算公式见表1.19。

水温计。主要有温度表、带温度表的测钟、热敏电阻测温仪、SW－1型水温仪，DWS型水温仪。

5.抽水试验的现场工作

（1）准备工作。准备工作主要包括抽水设备、机具、测量工具的检修和安装，排水系统的设置及准备各种观测记录表格。空压机安装时应在各管路的丝扣部分涂抹油料，以免抽水时发生漏水、跑气。

（2）现场的观测、记录和取样。抽水试验过程中，需观测记录以下内容：

1）测量抽水试验前后的孔深。进行此工作的目的是核查抽水段深度、层位、孔是否坍塌、沉淀和淤塞。淤塞严重会影响资料的精度，引起井类型的变化（如由完整井转变为非完整井）。

2）观测天然水位、动水位及恢复水位。主孔和观测孔的水位应同时观测。当天然水位波动较大（精度要求又高）时，应在影响范围外或较远处设孔，观测整个试验期间水位的天然波动值。必要时可以根据这些观测值对试验降深进行校核。试验结束后，应按要求观测恢复水位。对于整个观测期间所出现的可能引起水位波动的因素都需记录，如设备的、动力的、机车行驶的震动，爆破，地震或降水等情况。

3）观测流量。水位、流量应同时观测。

4）观测记录气温、水温。通常每隔2～4h观测一次。

5）在抽水试验结束前，取水样作水质分析。如抽水过程中出现水的物理性质发生变化，也应观测，必要时应系统取样化验。当试验是为确定水力联系或研究咸淡水关系的变化时，应系统取样化验。