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发布时间:2020-06-22 09:45:38

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作者:徐智彬,朱朝霞

出版社:中国地质大学出版社有限责任公司

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水文地质勘查方法

水文地质勘查方法试读:

前言

2011年10月,按照教育部、财政部《关于支持高等职业学校提升专业服务产业发展能力的通知》(教职成[2011]11号)的精神和要求,重庆市教委根据《重庆市国民经济和社会发展“十二五”规划纲要》《重庆市教育事业“十二五”规划》和《重庆市“十二五”职业教育发展规划》,结合重庆市高职院校的具体情况,对中央财政支持建设的专业进行了充分的论证和布局。考虑重庆市统筹城乡综合配套改革和建设长江上游地区经济中心的战略、重庆经济社会发展、重庆市三峡库区建设,尤其是蓄水后的库区地质环境保护工作等对水文与工程地质专业人才的需要,为加快培养高端技能型水文与工程地质人才,确定重庆工程职业技术学院水文与工程地质专业为中央财政支持的专业服务产业发展能力建设专业。

根据《水文与工程地质专业服务产业发展能力建设方案》,专业建设中要求配套建设核心课程的教材,其中包含了《水文地质勘查方法》教材的建设。按照专业建设“项目导向”工学结合人才培养模式的要求,我们对水文与工程地质专业的岗位群、职业岗位能力、岗位典型工作任务进行分析,结合高职学生的特点和工作需要,开发了基于水文地质勘查工作过程的“项目课程”。

教材按勘查工作一般程序,以“实用”为宗旨,以着重培养学生的岗位能力为原则对课程内容进行选择和编排,摒弃过于理论化和抽象的内容,突出实践性、可操作性,并具有前瞻性,将本学科的发展趋势及实际工作中的新技术、新规范等纳入教材之中。

教材文字表述简明扼要,内容展现图文并茂、重点突出,旨在提高学生学习的主动性和积极性。

本教材由徐智彬编写

绪论

、第二章第一节和第九节、第三章、第五章、第七章及附录;朱朝霞编写第一章、第二章第二节、第四节至第八节;裴灵编写第八章、第九章;刘鸿燕、徐智彬共同编写第四章、第六章;王明秋编写第十章;李博编写第二章第三节。统稿由徐智彬完成。

需要说明的是,本教材编撰前,我们着手搜集了大量与水文地质勘查有关的论文、图书、规范及我国在地下水资源领域的新成果及新技术。教材内容涉及国内外水文地质方面最新的论著、新近颁布的有关规范及网络相关资料等,可谓是汇集了无数人的科研成果和实践经验,在此我们对相关学者表示由衷的敬意和深深的谢意。另外,在教材编写的过程中,始终得到重庆工程职业技术学院李慧民副院长、系主任粟俊江的大力支持和帮助;李红老师对教材“遥感技术”内容提出了修改意见,在此一并表示衷心的感谢。

考虑水文与工程地质专业高职高专学生就业岗位的要求,教材中编写了“勘查工程的施工管理及原始地质编录”内容,主要是参考《固体矿产原始地质编录规程》(DD 2006-01)并结合水文地质勘查特点编写的。我们希望通过此次尝试,抛砖引玉,获取各方面的意见,不断修正教材内容,以使其逐渐完善。

由于本教材涉及的内容多,而本课程的课时有限,我们要在大量的资料中挑选出适合于教学用的内容,难度无疑是非常大的;加上我们的知识面有限,交稿的时间紧迫,教材内容难免有错漏和不妥之处,恳请读者批评指正。编者2013年8月25日绪论

水既是重要的自然环境要素,又是重要的自然资源,是可持续发展的基础与条件。21世纪可持续发展的水资源战略问题是一个关系人类前途和命运的重大问题。水资源的极端重要性已成为国际社会的共识。

地下水是水资源的重要组成部分,在保障我国城乡居民生活用水、支持社会经济发展、维持生态平衡等方面具有十分重要的作用。尤其是在地表水资源相对缺乏的我国北方干旱、半干旱地区,地下水具有不可替代的作用。通过水文地质调查和勘查,科学地认识和掌握我国地下水资源的时空分布及其变化规律,是实施我国水资源可持续利用战略的基础。

第一节 水文地质勘查的一般含义

水文地质勘查是在水文地质基本理论指导下,借助一定的勘查技术手段和方法,结合国家及行业的相关经济政策和规范,研究和查明工作区的水文地质条件、特征和规律,进行区内地下水资源评价,对地下水资源的开发、保护与管理作出科学论证的一门地质学科。它是为查明一个地区的水文地质条件而进行的野外和室内水文地质工作的总称。水文地质勘查应遵循国家现行相关标准、规范、规程等,合理选择勘查手段和方法,在保证工程质量和提交成果能够利用的前提下,全面满足勘查设计提出的任务和成果要求,优质、高效、安全地完成水文地质勘查任务。

水文地质勘查实质上主要是针对地下水资源而进行的勘查工作过程。地下水资源勘查工作可以分为三类:第一类是区域水文地质勘查,以查明区域水文地质条件和规律为主,以圈定水源地(是指对城镇或工农业供水具有价值的已集中开采和可能集中开采地下水资源的地段)范围和确定允许开采量为辅,其成果具有多方面的用途;第二类是水源地勘查,是地下水水源地供水水文地质勘查的简称,以查明水源地开采条件和确定允许开采量为主;第三类是区域地下水资源评价,以一个水文地质单元、自然单位或行政单元为单位,在充分搜集分析前人资料的基础上,通过对开采量的调查和地下水动态观测数据的分析计算,提出这一地区不同类别和级别的地下水资源量和合理开采方案。

水文地质勘查的目的就是要查明水文地质条件,为开发利用地下水资源等提供水文地质资料。但不同种类和不同勘查阶段的水文地质勘查,其具体目的有一定的差别。如1:25万区域水文地质调查(DD 2004-01规定)的目的是:①为地下水资源的合理开发利用与管理、国土开发与整治规划、环境保护和生态建设、经济建设与社会发展规划提供区域水文地质资料和决策依据;②为城市建设和矿山、水利、港口、铁路、输油输气管线等大型工程项目的规划提供区域水文地质资料;③为更大比例尺的水文地质勘查,城镇、工矿供水勘查,农业与生态用水勘查,环境地质勘查等各种专门水文地质工作提供设计依据;④为水文地质、工程地质、环境地质等学科的研究提供区域水文地质基础资料。

水文地质勘查的基本任务就是运用各种不同的勘查手段(测绘、物探、坑探、钻探、试验、观测等)、按照一定的勘查程序去查明工作区基本的水文地质条件和解决专门性的水文地质问题和生产实际问题,保证在较短时间内取得符合精度要求的勘查成果,为地下水资源评价、开发、利用、管理、保护以及地下取水论证提供依据。不同种类的水文地质勘查,其具体的勘查任务是不同的。例如,1:25万区域水文地质调查(DD 2004-01规定)的基本任务是:①基本查明区域水文地质条件,包括含水层系统或蓄水构造的空间结构及边界条件,地下水补给、径流和排泄条件及其变化,地下水水位、水质、水量等;②基本查明区域水文地球化学特征及形成条件,地下水的年龄及更新能力;③基本查明区域的地下水动态特征及其影响因素;④基本查明地下水开采历史与开采现状,计算地下水天然补给资源,评价地下水开采资源和地下水资源开采潜力;⑤基本查明存在或潜在的与地下水开发利用有关的环境地质问题的种类、分布、规模大小和危害程度以及形成条件、产生原因,预测其发展趋势,初步评价地下水的环境功能和生态功能,提出防治对策建议;⑥采集和汇集与水文地质有关的各类数据,建立区域水文地质空间数据库;⑦建立或完善地下水动态区域监测网点,提出建立地下水动态监测网的优化方案。

水文地质勘查各个阶段,勘查的程序一般是:接受任务→确定工作方案→编制勘查设计或纲要→野外施工及原始地质编录→资料整理→编制勘查报告→检查验收→质量评定等。

第二节 水文地质勘查的课程性质和内容

水文地质勘查是地质学与水文学交叉渗透形成的一门地质分支学科,是水文与工程地质专业的专业必修课和核心课程之一。它的先修课程有地质学基础(矿物学、岩石学、地层学、构造学等)、地貌与第四纪地质学、地理信息系统、遥感地质学、地下水动力学、水文地质学基础等。

按照水文地质勘查的一般工作程序,本教材主要从以下几个方面说明了水文地质勘查的内容。(1)水文地质勘查的技术基础。包括勘查阶段的划分、勘查技术手段及选择、勘查采样、勘查工程系统等内容。(2)水文地质勘查设计的编制。(3)勘查工程的施工管理及原始地质编录。主要说明常用坑探工程和钻探工程的施工管理及原始地质编录方法。(4)综合地质编录。包括水文地质图件的编制、地下水资源评价与开发、保护、管理等内容。(5)各类专门水文地质勘查。

第三节 我国水文地质学科和水文地质调查与勘查工作的发展概况

一、水文地质学科的产生和发展阶段“水文地质学”这一术语,于19于世纪初在欧洲被正式提出来,但直到20世纪三四十年代才真正成为地质科学中一门独立的学科。特别是在第二次世界大战结束后,在地质科学的基础上,地下水的研究与其他自然科学(如数学、物理学、化学、生物学等)以及水文科学相互结合、相互渗透,逐渐发展成为一门跨学科的综合性学科。

我国对地下水的认识和开发利用历史悠久,但水文地质学科作为地质科学领域内一门独立的应用地质学科,是在20世纪50年代新中国成立后才迅速发展起来的。陈梦熊院士曾把我国水文地质学科的发展大致划分为四个阶段。(1)萌芽阶段(20世纪前)。我国在5 000多年前就开始利用地下水,开发利用地下水的历史悠久,其间“瓦圈水井”“卓筒井的冲击式顿钻法”等打井技术和对地下水性质的认识及泉水灌溉等,为我国凿井技术的应用和水文地质理论的建立作出了突出的贡献。(2)初始阶段(1900~1950年)。我国只有极少数的地质工作者开始应用地质学的基本理论研究地下水。例如,谢家荣在1929年发表《钟山地质与南京井水供给关系》、傅建在1935年发表《陕西西安市地下水》、梁文郁在1948年写有《兰州附近水源地质之研究》等调查报告。(3)奠基阶段(1950~1970年)。我国主要在前苏联学术思想影响下,奠定水文地质的理论基础,是区域水文地质学(20世纪50年代)与农业水文地质学(20世纪60年代)的开创时期。这一时期,我国建立水文地质专业队、组建科学研究机构和开展专业教育,使我国有了完整的水文地质学科体系。(4)成长阶段(1970年至今)。主要受西方系统论、系统工程、计算机技术等新理论、新技术的影响,使我国的传统水文地质学科发展到一个以研究水资源与环境问题为重点的现代水文地质学,即进入环境水文地质学(20世纪70年代)、水资源水文地质学(20世纪80年代)及信息水文地质学(20世纪90年代)的发展时期。二、现代水文地质学的特征与发展趋势

1. 现代水文地质学的特征(1)与现代科学的新理论、新学科紧密结合,如系统论、信息论、控制论与相应产生的系统科学、环境科学、信息科学等,对水文地质学科的发展产生了重大影响。(2)现代应用数学与水文地质学科的结合,特别是数值模拟方法得到普遍应用,模型研究成为水资源研究的主要内容,使水文地质学从定性研究发展到定量研究的新阶段。(3)地下水的研究,从地下水系统与自然环境系统相互关系的研究扩大到与社会经济系统相互关系的研究。地下水资源的研究,从数学模型发展到管理模型与经济模型的研究。(4)许多新的分支学科的产生与发展,如区域水文地质学,岩溶水文地质学、遥感水文地质学、环境水文地质学、污染水文地质学,以及数学水文地质学、水资源水文地质学等。(5)新技术、新方法的应用,除计算机技术外,如“3S”技术、同位素技术、自动监测技术、室内模拟技术以及有关水质分析技术等,都得到了普遍应用,对推动水文地质学科的发展发挥了重要作用。

2. 现代水文地质学的发展趋势

现代水文地质学的各分支学科,按其性质可划分为三个方面,即理论水文地质学、应用水文地质学及技术方法水文地质学。

1)理论水文地质学(1)普通水文地质学逐渐向区域水文地质学发展,并派生岩溶水文地质学、古水文地质学等分支。(2)地下水动力学与水文地球化学相互结合,逐渐演变为以研究地下水资源为重点的水资源水文地质学,并向以研究数学模型为主的数学水文地质学和资源管理水文地质学方向发展。

2)应用水文地质学(1)专门水文地质学逐渐发展为城市水文地质学、农业水文地质学和矿区水文地质学,并在此基础上发展成为环境水文地质学。(2)环境水文地质学的发展,形成区域环境水文地质学、污染环境水文地质学、医学环境水文地质学、生态环境水文地质学以及地震水文地质学等分支。

3)技术方法水文地质学

由普查勘探水文地质学逐渐发展为钻探水文地质学、物探水文地质学、遥感水文地质学、同位素水文地质学、监测水文地质学、计算机水文地质学、制图水文地质学以及地下水分析化学等分支。

总之,在21世纪,理论水文地质学方面将着重向水资源水文地质学发展;而应用水文地质学方面将着重向环境水文地质学发展。今后水文地质学的发展趋向可能为资源环境水文地质学。三、我国水文地质调查与勘查工作的发展

从建国以来,我国水文地质调查与勘查工作在机构设置、法律、规范、学科和教材建设、各种专题研究著述和研究、调查与勘查技术方法和成果等方面都取得了巨大的进步和发展。现以表1对这些方面作一简单归纳。表1 我国各时期水文地质调查与勘查工作的发展(据蓝俊康等,2008,整理)

第四节 我国地下水资源开发利用现状及问题

一、我国地下水资源开发利用现状

根据2000~2002年最新完成的全国水资源调查评价成果,全国3地下淡水天然资源多年平均为8 837亿m,约占全国水资源总量的1/3。地下水资源分布方面,南方比北方丰富。南方地区地下淡水天然资源3量每年为6 094亿m,占全国地下淡水天然资源量的69%;可开采资3源量为1 991亿m/a,占全国地下水可开采资源量的56%。北方地区3地下淡水天然资源量每年为2 743亿m,占全国地下淡水天然资源量3的31%;可开采资源量为1 536亿m/a,占全国地下水可开采资源量的44%。目前全国有400多个城市开采利用地下水,地下水的开采量3(含少量微咸水)已超过1 000亿m/a,约占全国总供水量的1/5,其中北方地区地下水现状开采量占全国开采总量的76%。中国地下水开发利用主要是以孔隙水、岩溶水、裂隙水三类为主。孔隙水在开发3利用上占主要的地位,孔隙水的天然资源量为2 810亿m/a、可开采33资源量为1 686亿m/a;岩溶水的天然资源量为2 116亿m/a、可开采33资源量为870亿m/a;裂隙水的天然资源量为4 308亿m/a、可开采资3源量为971亿m/a。根据国土资源部2006年发布的统计资料,全国目前有310多个城市以开采地下水作为城市供水水源,约占全国城市的71%;全国有70%的人口饮用地下水,北方城市的生活和工业用水中地下水占90%左右,南方地区地下水资源利用量也在不断增加。由此可见,地下水资源已成为支持我国国民经济可持续发展的重要支柱。二、我国地下水资源开发利用中的主要问题

地下水的大规模开发,在保障经济社会快速发展的同时,也引发了一系列的资源、环境问题,给我国地下水资源可持续利用和生态环境保护带来了一系列的严峻挑战。其主要表现如下。

1. 地下水资源紧缺和浪费问题并存

从1980~2000年,全国用水量急剧增长,地下水开采量平均以325亿m/a的速度增加。由于工农业及生活用水需求量逐年增加,中国(特别北方地区)的大中城市本已十分严峻的水资源的供需形势将面3临更大的压力。如甘肃省天水市目前地下水的可采量仅为8 957万m/3a,而其城市的发展规划预测该城市的总需水量将达33 154万m/a,存在巨大的供需缺口,水资源已成为影响当地经济发展的一个主要制约因素。目前,全国600多座城市中有一半左右不同程度地存在缺水问题,全国还有数千万人需解决饮用水问题。但同时,水资源浪费问题仍相当突出。农业生产过程中水资源的浪费问题最为突出,每千克粮食的耗水量是发达国家的2~3倍;我国工业用水量的浪费也很大,万元工业产值耗水量一般是发达国家的10~20倍,大部分城市工业水的重复利用率平均只有30%~40%,远低于发达国家的水平。

2. 地下水超采诱发严重的环境地质问题

目前,北方已有相当一部分地区地下水处于超采状态(图1),其中河北省整体超采,北京、天津、呼和浩特、沈阳、哈尔滨、济南、太原、郑州等一些大中城市地下水已超采或严重超采;20世纪90年代以来,地下水超采量呈持续上升趋势。图1 各省(自治区、直辖市)地下水开采程度(据中国地质环境信息网,2010,中国地下水资源——新一轮全国地下水资源评价成果)

地下水大规模开发,导致地下水位持续下降,含水层疏干,地下水资源面临枯竭,大量机井报废,造成农村饮水严重困难。许多地区盲目大量开发深层承压水,如不加以严格控制管理,深层承压水将面临枯竭的危险。我国北方部分地区因不合理开采地下水,出现地下水位持续下降,形成区域地下水位降落漏斗。据初步统计,全国已形成2区域地下水降落漏斗100多个,面积达15万km,华北平原深层地下2水已形成了跨冀、京、津、鲁的区域地下水降落漏斗,有近7万km面积的地下水位低于海平面。区域地下水位下降还使平原或盆地湿地萎缩或消失、地表植被破坏,导致生态环境退化。

由于过量开采深层承压水,我国沿海河口三角洲地区、东部和南部沿海地区、华北和东北平原地区、河谷平原和山间盆地均发生了地面沉降。全国有40多座城市由于不合理开采地下水而发生了地面沉降,其中沉降中心累计最大沉降量超过2m的有上海、天津、太原、天津塘沽,个别点最大沉降量已达3.1m。在河北平原、西安、大同、苏锡常(苏州、无锡、常州)等地区,过量开采地下水还导致了地裂缝,对城市基础设施构成严重威胁。

在我国的沿海城市地区,由于大量开采地下水后,引起海水入侵,导致地下水水质恶化。发生海水入侵的地区从北向南有辽宁、河北、山东、广西、海南等,问题比较严重的地区主要有辽宁省大连市、河北省秦始岛市、山东省青岛市、福建省厦门市以及广西壮族自治区北海市等。近年来,环渤海地区的海水入侵发展迅速,2003年海水入22侵面积达2 457km,比20世纪80年代末增加了937km,平均每年增2加62km。

3. 地下水污染日渐加剧、导致水质恶化问题

随着经济的发展,农药、化肥、生活污水及工业“三废”的排放量日益增大,这些污水大部分都未经处理就直接排放,构成了地下水的主要污染源;过量开采造成的地下水位的持续下降客观上为废污水的加速入渗创造了有利条件。我国现利用污水灌溉的农田有2 000多万亩,直接污染了地下水,有的还受到农药和化肥的污染。在185个城市的253个主要地下水开采地段中,污染趋势加重的有63个,占25%;污染趋势减轻的有45个,占18%;保持基本稳定的为145个,占57%。污染组分主要有硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、氯化物、重金属等。淮河流域浅层地下水面状污染加重;“三致”(致癌、致畸、致突变)有机污染物在京津地区、长江三角洲等地区的地下水中被检出。目前全国城市地下水资源遭受污染的情况较为严重,据不完全统计,全国已有136个大中城市的地下水受到不同程度的污染,其中比较严重的有包头、长春、郑州、鞍山、太原、沈阳、哈尔滨、北京、西安、兰州、乌鲁木齐、上海、无锡、常州、杭州、合肥、武汉等城市。

据全国水资源调查评价成果,在全国地下水资源中,按分布面积统计,有63%的地下水资源可供直接饮用、17%需经适当处理后方可饮用、12%为不宜饮用但可作为工农业供水水源、约8%的地下水2资源不能直接利用(需经专门处理后才能利用)。在评价的197万km平原区面积中,Ⅰ类和Ⅱ类水质的面积仅为5%、Ⅲ类水质面积占35%、Ⅳ类和Ⅴ类水质面积占60%。太湖流域、辽河、淮河、海河区域地下水污染最为严重。据对全国115个地下水水源地水质评价分析,水质不合格的比例达35%,部分地区水源地甚至检出有毒有机物。

全国约有7 000多万人仍在饮用不符合饮用水水质标准的地下水。各省(自治区、直辖市)不同程度地存在着与饮用水水质有关的地方病区。我国北方丘陵山区分布着与克山病、大骨节病、砷中毒、氟中毒、甲状腺肿大等地方病有关的高氟水、高砷水、低碘水和高铁锰水等。截至2003年底,全国有氟斑牙患者3 877万人、氟骨症患者284万人、地方性砷中毒患者9 686人、大骨节病患者81万人(其中12岁以下患者5.59万人)、潜在型克山病患者2.99万人、慢型克山病患者1.09万人。全国有4 194万饮水型地方性氟中毒病区的人口和115万饮水型地方性砷中毒病区的人口需要改水;有7个省(自治区、直辖市)尚未实现消除碘缺乏病的目标。

地下水一旦污染,治理非常困难,不仅代价高昂,而且时间长久、难以治理,应引起高度警觉和重视。

4. 土地沙化、荒漠化、石漠化趋势问题

我国西北内陆河地区由于地下水位持续下降,导致天然绿洲退缩和严重退化,土地沙化面积不断扩大。如石羊河流域由于地表径流减少而大量开发地下水使地下水位持续下降,造成河流区外围土地严重沙化,大量土地弃耕,产生大量生态难民;新疆塔里木流域由于过渡开发利用导致地下水补给减少,地下水位下降,草场覆灭,大量土地废耕,绿色走廊消失。2

调查表明,中国北方地区共有荒漠化土地达175.81万km,其中22沙漠化土地面积达58.76万km、水蚀荒漠化土地面积达98.59万km、2土地盐渍化面积达18.46万km,加上北方地区的戈壁和以流沙为主的2沙漠面积(112.66万km),北方地区荒漠和荒漠化土地面积总和达2到288.47万km,占国土总面积的30%。2

20世纪末,在西南岩溶石山区74万km调查区内,石漠化的面积2达10.5万km,占调查区面积的14.2%,其中轻度石漠化面积为4.0万222km、中度石漠化面积为3.9万km、重度石漠化面积为2.6万km。石漠化主要发生在云南、贵州和广西三省(自治区),总面积为8.8万22km。目前西南岩溶地区石漠化面积年均增长1 650km,年增长率为2%。

5. 采矿等开发建设活动造成地下水严重破坏问题

我国西北、华北、华中、西南等许多地区煤水共生,煤炭开采业发达。煤炭开采不仅疏干了含水层,采矿过程中形成的巷道和开采后形成的采空区严重地破坏了地表水和地下水运移、赋存的天然状态,造成河水断流、地下水位下降、泉水流量锐减甚至干涸、水污染加重2等。据调查,山西采煤对水资源的破坏面积已达20 352km,占全省总面积的13%。其中,严重破坏区面积占全省面积的1.7%、一般破坏区面积占全省面积的6.5%、影响区面积占全省面积的4.9%。山西3每挖1 t煤损耗2.48 t的水资源,全省每年采煤破坏水资源达12亿m;采煤排水引起矿区水位下降,导致泉水流量下降或断流,近600万人以及几十万头大牲畜饮水出现严重困难。三、我国地下水资源开发利用中需加强的研究领域

在我国地下水资源开发利用中,需加强对“三水”的统一规划与管理、水资源评价方法及管理模型实用性研究、多重介质模型与污染模型的研究、矿井突水和环境地质问题的预报与防治、地下水生态系统的研究方法、同位素技术的应用与推广、深部地下水的探测技术、高原沙漠和森林高山地区水文地质调查与勘查技术等领域的研究工作,以进一步提高我国地下水资源利用的综合效益。

第一章 水文地质勘查阶段

第一节 水文地质勘查阶段划分的必要性

水文地质勘查一般都是分阶段进行的,其原因主要如下。(1)水文地质勘查是为工程建设项目设计服务的,而项目的设计工作一般都是分阶段进行的,不同设计阶段所需水文地质资料的内容和精度也有不同的要求。为满足设计的需要,水文地质勘查工作亦应划分为相应的阶段来进行,以防止所提供的水文地质资料出现不符合各设计阶段需要的情况。(2)勘查工作之所以分为不同的阶段,是人们由浅入深正确认识事物规律在水文地质勘查工作中的反映。将其分为不同的勘查阶段,可以防止我们对勘查区水文地质条件认识上的疏忽、遗漏或片面性;可以使整个勘查工作逐渐深入地进行,就可以避免在工作中犯重大的、全局性的错误。

例如,某工厂的供水工程,由于未进行工程前期论证(或规划设计)阶段和普查阶段的勘查工作,没有提出不同水源地的方案进行比较,仅在工厂附近几平方千米的小范围进行详查阶段的水文地质勘查工作,结果投资上百万元,打了20多个钻孔,只有一个产水量为33800m/d的钻孔可供开采,远远满足不了工厂3 000m/d的需水量要求,不得不另选新区进行勘查工作。

第二节 水文地质勘查阶段的划分及各阶段的任务与要求

在进行水文地质勘查工作时,首先要明确的是水文地质勘查阶段的划分,即要搞清楚在从事哪一个阶段的水文地质勘查工作及该阶段的任务与要求。我国不同种类、不同行业部门的水文地质勘查工作,其阶段的划分、名称及各阶段的任务与要求等一般是各不相同的,具体要根据各类水文地质勘查规范来确定。

例如,我国供水水文地质勘查、天然矿泉水地质勘探、矿区水文地质工程地质勘探、地下水资源勘查等不同种类的水文地质勘查工作,其阶段划分、名称及各阶段的任务与要求就不完全相同(表1-1)。表1-1 不同种类水文地质勘查的阶段划分及各阶段的任务与要求

我国不同部门对供水水文地质勘查阶段的划分如表1-2所示。由此可见,就供水水文地质勘查来说,其同一阶段的任务是基本一致的,仅阶段名称有所不同。表1-2 我国不同部门对供水水文地质勘查阶段的划分

综上所述,可将水文地质勘查分为普查、详查(初勘)、勘探(详勘)和开采四个阶段,具体各阶段的一般任务和要求如下。

1. 普查阶段

水文地质普查阶段是一项区域性的、小比例尺的水文地质勘查工作,是为经济建设规划提供水文地质资料而进行的区域性综合水文地质调查工作。通常进行水文地质测绘工作,其比例尺的选择应根据国民经济建设的要求和水文地质条件的复杂程度来确定,一般为1:25万~1:10万,通常选用1:20万。若进行地下水允许开采量E级精度评价时宜选用1:100万~1:20万;在严重缺水或工农业集中发展地区也可采用1:10万。其主要任务是查明区域性的水文地质条件及其变化规律,查明区域地下水形成的初步规律,提供区域水文地质资料,并概括地对区域地下水量和开发远景作出评价;具体要求是初步查明区域内各类含水层的形成和赋存条件、地下水类型和分布规律、地下水的补给、径流和排泄、地下水的水质、水量等,为国民经济远景规划和为水文地质勘查设计提供依据。

2. 详查(初勘)阶段

水文地质详查阶段是在水文地质普查的基础上,为国民经济建设部门提供所需的水文地质依据而进行的水文地质勘查工作或是为某项生产任务而进行的专门性水文地质勘查工作,如为城镇或工矿企业供水、为农田灌溉供水、为矿山开采等进行水文地质调查。多采用1:10万~1:5万的大中比例尺。本阶段的任务是较确切地查明地质条件和地下水形成条件、赋存特征,初步评价地下水资源,进行水源地方案比较,初步圈定供水开采地段(或重点排水地段),预测水量、水质和水位变化,提出合理开发(或疏干)措施,为供(排)水初步设计或布置勘探工作提供依据。

3. 勘探(详勘)阶段

水文地质勘探阶段是在详查圈定的地段上,对水文地质条件进行进一步勘查和研究,为提出合理的开采方案和为技术(施工)设计提供依据进行的水文地质勘查工作。采用的比例尺通常是1:5万~1:2.5万。该阶段的任务是精确地查明勘查区的水文地质条件,对含水层的水文地质参数、地下水动态的变化规律、各种供水的水质标准以及开采后井的数量和布局提出切实可靠的数据,对水质、水量作出精确的全面评价,并预测将来开采后可能出现的水文地质问题(如海水入侵、水质恶化等)和工程地质问题(如地面沉降、岩溶地区地面塌陷等)。

4. 开采阶段

水文地质开采阶段是在勘探的基础上,针对开采过程中出现的水文地质和工程地质问题进行的水文地质勘查工作。由于它带有研究的性质和地下水系统的区域性,比例尺一般应大于1:2.5万。其主要任务是查明水源地扩大开采的可能性,或研究水量减少、水质恶化和不良工程地质现象等发生的原因,验证地下水的允许开采量(可开采量),为合理开采和保护地下水资源,为水源地的改、扩建提供依据,在具备条件时,建立地下水资源管理模型及数据库。

在开采阶段产生的水文地质问题和工程地质问题,有的是因为在开采前从未进行过水文地质勘查工作而必然要发生的;有的则是因为以前的勘查工作精度不够高,数据不可靠,不能准确作出预测而产生的。比如,在详查阶段,由于比例尺太小,不能满足基坑排水设计的要求,就要更准确地了解勘查区的水文地质条件,进行补充勘查和实验;又比如,在供水水文地质工作中,由于井距不合理导致水井间严重干扰、地下水降落漏斗不断扩大及由此引发的地面沉降、水量枯竭、水质恶化等,都属于开采阶段应该解决的水文地质问题。

第三节 水文地质勘查各阶段的勘查内容

水文地质勘查各阶段的内容是不同的。不同种类的水文地质勘查规范、标准等对各阶段的勘查内容都有明确的规定。下面以《地下水资源勘察规范》(SL 454—2010)为例进行说明(表1-3)。表1-3 各勘查阶段勘查内容[据《地下水资源勘察规范》(SL 454—2010)]

第四节 水文地质勘查阶段的简化

水文地质勘查阶段一般分为上述四个阶段,但对某个具体的勘查项目应划分为几个勘查阶段,应根据当地水文地质条件的复杂程度、工程建设项目的规模和重要性及已有的水文地质研究程度等具体确定,适当条件下可以简化。(1)地下水资源勘查时,水文地质条件简单、已有资料较多或中小型地下水水源地,勘查阶段可适当合并,但合并后的勘查工作量、勘查方法和工作布置应满足高阶段的要求。(2)已有1:20万或1:10万比例尺的区域水文地质调查成果或者供水工程项目规模较小,可不进行普查阶段(或规划阶段、前期论证阶段)的工作或只进行补充性的勘查工作。(3)如供水工程项目无不同的水源地比较方案,则可将详查和勘探合并为一个勘查阶段。(4)需水量较小的单个厂、矿、企事业单位的供水工程项目,当水文地质条件又不是十分复杂,只需开凿两三个钻孔即可满足需水量需要时,可采用探采相结合的方式,直接进入开采阶段的调查。

思考题1. 为什么要划分水文地质勘查阶段?各种类、部门的水文地质勘查

阶段是如何划分的?2. 通常水文地质勘查阶段是如何划分的?各阶段的主要任务是什

么?

第二章 水文地质勘查技术手段

水文地质勘查技术手段是指在水文地质勘查工作中取得各种水文地质资料的方法和途径。目前在水文地质勘查中所使用的基本手段主要有11种:水文地质测绘、水文地质物探、水文地质坑探、水文地质钻探、水文地质野外试验、地下水动态长期观测、室内分析测定与实验、同位素技术的应用、遥感(RS)技术的应用、地理信息系统(GIS)的应用、全球定位系统(GPS)的应用等。另外,核磁共振技术、水文地质参数的直接测定方法等新技术方法已被应用于水文地质勘查中,大大提高了水文地质勘查的精度和工作效率。

任何一项水文地质勘查工作都是通过不同勘查手段的有机配合而获得相应的水文地质资料,而且这些手段的精度直接决定了勘查成果的质量。下面对水文地质勘查中常用的勘查技术手段进行简要说明。

第一节 遥感技术在水文地质勘查中的应用

一、遥感技术概述

遥感(RS)顾名思义就是遥远的感知,即借助于专门的探测仪器,把遥远的物体所辐射(或反射)的电磁波信号接收记录下来,再经过加工处理,变成人眼可以直接识别的图像,从而揭示出所探测物体的性质及其变化规律。遥感属于空间科学的范畴,是物理、计算数学、电子、光学、航空(天)、地学等密切结合的新兴学科,对工农业、国防、自然科学研究具有重大的意义。

1839年,第一张黑白航片问世;到了20世纪30年代,遥感主要应用于军事侦察;进入20世纪50年代,前苏联、美国广泛应用黑白、彩色航片进行军事、地质测量,取得了明显的效果;1937~1960年,航空摄影机、电视摄像机、图像扫描仪制造技术及航空大孔径成像雷达技术有了显著的进步,记录图像的波长范围从近紫外到远红外并扩大到微波,使遥感技术迅速发展;1957年苏联发射第一颗人造卫星、1972年美国发射第一颗地球资源卫星,遥感技术实现了从航空遥感到航天遥感的飞跃,从真正意义上实现了对地观测的需要,遥感技术也由此进入到全新的航天遥感时代。我国1970年4月24日发射人造地球卫星(东方红1号),1971年3月3日发射科学实验卫星并回收,中国风云系列气象卫星(包括3颗极轨卫星和1颗同步卫星)已经能获取全球多种气象数据;中巴地球资源卫星于1999年10月14日升空至2005年第二颗已发射升空。目前我国已形成较为完整的遥感卫星技术系统和实用化的应用系统,进入同地理信息系统和全球定位系统相融合的产业化进程。

遥感技术可以根据不同的依据进行划分(表2-1)。表2-1 遥感分类

按国际上的习惯,可以把遥感遥测理解为摄影测量、电视测量、多光谱测量、红外测量、雷达测量、激光测量和全息摄影测量等,而不包括使用航空物探方法。陆地资源卫星照片属于多光谱测量的资料,又称遥感影像。二、遥感技术在水文地质勘查中的应用

遥感技术应用于水文地质学中是近30年的事情。近30年来,遥感技术依靠传感器技术、图像处理技术及计算机技术的提高,在水、工、环领域的应用取得了长足的发展。迄今它已走过了从定性评价到半定量、定量评价、从指示要素分析到计算机模型模拟、从单一解译到综合方法互补等阶段,已充分显示了其信息量大、宏观、快速、节省经费且具有多时相动态监测等优势。

遥感水文地质开始逐步发展成为一门独立的学科。传统的遥感水文地质着重于水文地质测绘系统中对定性特征的解释和对特殊标志的识别,近期的研究则扩展到应用热红外和多光谱影像进行地下水流系统内的地下水分析和管理,目前的研究重点则集中到了地下水空间的补给模式、污染评价中植被、区域测图单元参数的确定和空间地下水模型中地表水文地质特征的监测。

近30年来,国土资源部在各种比例尺的水文地质调查中都广泛采用了遥感技术。遥感方法作为先导,密切配合常规调查方法,有效地减少了野外调查工作量,减轻了水文地质工作者的劳动强度,加快了调查速度,提高了成果质量。尤其在一些人迹罕至或根本难以抵达的高山、密林、沼泽、滩涂、盐湖等地区,遥感方法更加体现出了它在技术上的先进性和优越性。

在地下水勘查中,利用遥感图像上的色调、形态、纹理、结构等影像特征,运用遥感技术对勘查区各类地质要素进行解译和提取,并结合多学科、多信息的综合分析,可以对区域的水文地质条件和地下水的分布特征得出系统、客观的结论;可以圈定相对富水地段、判断含水层的层位和各种边界条件;通过编制水文地质下垫面图,并结合多年降水量及入渗系数等水文地质参数分析,可估算出地下水天然补给量;可用以揭示地表水与地下水之间的空间关系,推测地下暗河的展布,为进行岩溶发育规律的研究和寻找地下富水地段提供直观依据等。

另外,热红外影像及雷达图像在水文地质调查与勘查中有特殊的作用。热红外影像可以反映因地下水露头或浅层地下水存在而导致的地热异常;雷达图像对地表水点及土壤湿度反应敏感,用于探测浅层地下水及含水古河道等效果较好。傅磬宏曾运用Landsat卫星的TM热红外遥感数据定量反演干旱地区地下水富集带的温度信息,结果表明:遥感反演的温度与当地3月下旬地表实际温度误差在0.8K以内,地下水富集带的温度比地表水体的温度高5K左右,而比其他类型的低7K以上。据此,可利用热红外遥感技术有效地探测干旱地区地下水富集带的信息。

用热红外遥感方法勘查地下热水资源的效果更佳。在美国亚利桑那州斯塔福得附近红外成像时,发现山脚处地表温度比其他地方的高,后经钻探证实,在地表下127m深处有118℃的热水。三、不同水文地质单元区遥感技术的应用

遥感技术在水文地质勘查中应用的一般步骤为:确定数据源→选取合适的数据时相及光谱的波段→图像处理→提取地下水信息。由于我国地域辽阔,东西部地区气候差异较大,故对不同水文地质区进行遥感解译时,要有针对性地选择遥感数据源。通过获得的卫星图像,可以推断出岩石类型、结构、地层以及地层中岩石的组成。总体来说,对航空相片或卫星图像的分析应在实地调查之前进行,这样可以排除含水较少的地层,确定需要进一步调查的区域。地下水遥感信息提取的基本流程一般包括图像处理、地下水提取方法、富水区圈定、专题图制作等内容,如图2-1所示。

从遥感数据中能够获取地下水信息量的多少,取决于区域地质、气候条件和地表覆盖类型等因素。在干旱、半干旱地区,地表覆盖物较少,很容易从遥感图像上解译出地质特征;在有植被覆盖的地区,航空和卫星图像的解译结果需要结合实地调查进行。合成孔径雷达(SAR)数据在干旱、半干旱地区地下水的监测中有很大的潜力,由于长波雷达的穿透能力和雷达具有探测土壤含水量的能力,使得SAR在干旱地区地下水探测中成为一个比较重要的工具。下面对主要的水文地质单元区遥感技术的应用作简单介绍。图2-1 地下水遥感信息提取流程图(据水文地质工程地质技术方法研究所,2006)

1. 基岩山区遥感技术的应用

基岩山区地貌地质单元种类较多,既有山间盆地、河川谷地,又有构造盆地、熔岩台地。地下水类型较多,补、径、排关系复杂,应用水文地质遥感信息分析与环境遥感信息分析相结合,可以解译不同地貌、不同地质单元的分布范围,建立不同地下水类型的解译标志。(1)数据源的选择方法。基岩山区地下水勘查,主要数据源应选择TM/ETM,而寻找基岩裂隙水、构造裂隙水以红外波段及微波图像为主;为解译河谷川地地下水溢出带、泉水出露点等,应以TM6/ETM6图像为主。数据时相选择应为受干扰因素较少的冬、春季节,热红外图像选择春初、秋末季节较好。(2)图像处理与地下水信息提取。基岩山区多为基岩裸露或覆盖物较少,图像处理应侧重区分不同的地层岩性、增强断裂构造特征信息,以提高图像的可读性,利于地下水信息的提取。采用多光谱图像波段组合或波段比值组合,能起到增强、突出构造形态和地层岩性特征信息的作用,以TM图像为主,TM7、TM4、TMl及TM5、TM4、TM3波段组合,效果较好。(3)应用效果。以辽西丘陵山区为例。在辽宁西部丘陵山区地下水勘查中应用遥感技术应根据遥感技术的特点,结合勘查区的水文地质条件,以寻找基岩裂隙水和松散层孔隙水。在松散层中提取地下水遥感信息效果较好,提取时宜选用ETM图像;基岩断层在影像上的特征明显,水信息异常在主断裂层反映较好,而小断层反映异常较差。

2. 红层地区遥感技术的应用

红层地区地形起伏不大,水文地质单元分区不明显,植被发育,基岩较少裸露,利用环境遥感信息分析技术建立地层岩性、微地貌解译标志,能达到勘查浅层风化裂隙水和构造裂隙水的目的。(1)数据源选择方法。红层地区碎屑岩孔隙裂隙水量小而分布广泛,可作为居民分散供水水源,浅层孔隙裂隙水遥感数据源的选择应以春季ETM图像为主,勘查深部基岩裂隙水、构造裂隙水应选用TM、ETM及SPOT或SAR图像。(2)图像处理与地下水信息的提取。由于红层地区主要分布在四川盆地及云南、贵州的少部分地区,气候湿润,植被发育,对该区遥感图像的处理主要以TM/ETM可见光波段图像假色彩合成,或采用TM/ETM与SAR图像融合进行图像增强处理,在图像经过增强处理的基础上,采用主成分分析方法,提取与地下水信息有关的因子进行专题图分析解译。(3)应用效果。以红层丘陵区为例。利用遥感技术寻找红层丘陵区浅层风化裂隙水,除解译地层岩性、地质构造外,微地貌条件的解译是圈定富水靶区的主要目的。实践表明,在红层地区,利用地下水遥感技术对调查浅层风化裂隙水效果较好;构造裂隙水也可通过遥感技术来解译出岩性和断层的位置,再与其他方面的信息进行综合分析即可确定出找水靶区。四、遥感在水文地质勘查中的应用前景

遥感作为一种新兴的对地观测技术,其信息获取的范围已从可见光波段延伸到了红外波段和微波波段;数据采集方式从单波段发展到了多波段、多极化、多角度,从空间维扩展到了光谱维;数据处理和应用方法已从定性发展到了定量、定位。一个多层次、多角度、全方位、立体化、全天候、全天时的对地观测网正在迅速形成。各种遥感技术的应用深入到资源、环境各领域。遥感技术的发展新趋向将使其成为推动地质科学研究和包括地下水资源勘查在内的地质矿产资源调查工作的新手段。

1. 高空间分辨率的遥感资料广泛地应用于地下水资源勘查

随着水文地质调查与勘查工作精度的不断提高,人们对遥感数据源质量的要求也越来越高。其中衡量地物可识别尺度的空间分辨率是最受普遍关注的质量指标之一。因此,航空遥感方法仍然广泛地被应用于水文地质调查和地下水勘查工作;除此以外,近年国外多种高空间分辨率的卫星数据已经商业化,如美国的IKONOS(分辨率为1m)、QuickBird(分辨率为0.68m)、俄罗斯的SPIN-2(分辨率为2m)、以色列的EROS-1(分辨率优于1m)和法国SPOT-5(分辨率为2.5m)等。这些数据都将为开展大比例尺、高精度的地下水资源勘查工作提供新的数据来源。

2. 热红外遥感技术在探测地下水中具有特殊作用

热红外遥感图像能敏感地反映目标地物与背景之间的热辐射能量差异,在地下水勘查中常用于确定溢出带、泉点等地下水的排泄部位,因而在圈定浅层地下水分布范围,寻找热水源和监测环境热污染等方面可发挥特殊的作用。目前在轨运行的多颗遥感卫星,包括我国的中巴地球资源一号卫星都可以获取热红外数据,机载成像光谱仪和多波段红外扫描仪也能获取航空热红外图像,均可为地下水勘查中采用热红外遥感技术提供必要的数据。

3. 微波遥感技术在探测浅层地下水方面有较好效果

微波雷达技术是一种全天时、全天候的主动遥感技术,是通过对微波传播到地物后发生的后向散射强度的测量来研究地物表面和浅层的物理特性,近年来除了被广泛应用于地形测绘,地貌、地质构造和地物属性的识别外,还因其对水体敏感,对沙体、冰雪等物体有一定穿透能力的特性被应用于地下水勘查。中国国土资源航空物探遥感中心在塔克拉玛干沙漠科学考察中从航空侧视雷达图像所反映的已枯萎胡杨林带的分布状态,成功地揭示了克里雅河下游古河床的走势,找到了受古河床控制的地下潜水,解决了穿越沙漠过程中的骆驼饮水问题,使考察任务得以顺利完成。

目前加拿大的Radarsat、欧空局的ERS-2 等卫星所提供的微波雷达数据有多种数据采集方式和多种空间分辨率,可供用户选择。可以预计,微波遥感技术将成为今后我国地下水勘查的最重要手段之一。

4. “3S”技术的结合将进一步提高地下水资源调查的水平“3S”技术是现代高新技术发展的结晶,为人类观测和研究地球提供了全新的手段。它们的相互结合或融合是科学技术发展的必然趋势和各领域技术应用的需要。“3S”技术之间存在着相互依存和相互促进的密切关系,一方面RS 可以快速、高精度地获取地物的属性数据,GPS 可以精确地提供地物三维空间的定位数据,GIS 为储存—管理—分析上述数据提供了有效工具;另一方面RS 的影像识别需要在GIS 的支持下改善其准确性,在GPS 的结合下提高几何精度,而GIS 则随时需要用新的RS 和GPS 数据不断地充实和更新其数据库。实践证明,“3S”技术的结合将进一步提高地下水资源调查的水平,产生巨大的社会经济效益。

另外,在具体手段配合上,也出现了遥感技术与物探技术、钻探技术等相结合的新方法,不断拓展着遥感技术的应用领域。

第二节 水文地质测绘

水文地质测绘也称水文地质填图,是以地面调查为主,对地下水和与其相关的各种现象进行现场观察、描述、测量、编录和制图的一项综合性水文地质工作。水文地质测绘是水文地质勘查工作的基础与先行工作,是认识和掌握测区地层、地质构造、地貌、水文地质条件等的重要调查研究方法。就水文地质勘查工作程序而言,一般应做到先测绘后钻探。在特殊情况下,测绘和钻探也可以同时进行,但测绘工作仍应尽量先行一步,以便为及时调整勘查设计提供依据。

水文地质测绘的工作过程是通过现场观察、记录及填绘各种界线与现象,以及室内的进一步分析整理,最终编制出从宏观和三维空间上反映区内水文地质条件的图件,并编写出相应的水文地质测绘报告。

进行水文地质测绘时,要求有相同比例尺的地质图作为底图。如无地质图或已有地质图的精度不合要求时,则应在水文地质测绘中同时填出地质图,这种测绘又称为综合性地质-水文地质测绘。此种测绘所用的地形底图比例尺一般要求比最终成果图的比例尺大一倍。一、水文地质测绘的目的与任务

1. 水文地质测绘的目的

水文地质测绘的目的在于通过对地质、地貌、新构造运动、地下水点的调查和填绘水文地质图等,查明勘查区内地下水形成与分布的基本规律,在此基础上作出初步的开发利用远景评价,并对区内存在的环境水文地质问题等提出防治措施的论证。水文地质测绘还将进一步为水文地质钻探、试验和观测工作提供设计依据。

2. 水文地质测绘的任务

水文地质测绘的主要任务如下。(1)调查与地下水形成有关的区域地质、区域水文、气象因素、地貌及第四纪地质特征。(2)调查研究测区内的主要含水层、含水带及其埋藏条件;隔水层的特征与分布。(3)查明测区内地下水的基本类型及各类型地下水的分布状态、相互联系情况。(4)查明地下水的补给、径流、排泄条件。(5)概略评价各含水层的富水性、区域地下水资源量和水化学特征及其动态变化规律。(6)调查研究各种地质构造的水文地质特征。(7)了解区内现有地下水供水、排水设施以及地下水开采情况。(8)论证与地下水有关的环境地质问题。二、水文地质测绘的精度要求

水文地质测绘所取得的成果主要反映在各种图件上,因此,测绘的精度要求主要是通过图幅的比例尺大小来反映的。不同比例尺填图的精度,取决于地层划分的详细程度和地质界线描绘的精度以及对地区的水文地质现象的研究和阐明的详细、准确程度。(1)测绘填图时所划分单元的最小尺寸。一般规定为2mm或5mm,即大于2mm的相应比例尺的闭合地质体和长度大于5mm的构造线等均应标示在图上。根据这一要求,各种单元地质体标示在图上的允许尺寸为2mm乘以图幅比例尺的分母。但在实际填图时还应结合具体情况灵活掌握,对于具有特别重要意义的地质体,即使小于2mm宽度者,也应该用放大比例尺的方法标示在图上;相反,对于与水文地质条件关系不大且相近似的几种单元,可合并表示。(2)填图单位的地层厚度。以1:5万比例尺为例,其褶皱岩层不大于500m、缓倾斜岩层不大于100m。岩性单一时可适当放宽精度。厚度小于3m的第四纪残积物应按基岩填图。(3)根据不同比例尺的精度要求,规定在单位面积内必须有一定数量的观测点及观测路线,一般在1:5万地形图上每隔1~2cm布置一条观测线,每隔0.5~1.0cm即应有一个观测点。条件简单者可以放宽一倍。观测点的布置应尽量利用天然露头,当天然露头不足时,可布置少量的勘探(坑探、钻探)点,并选取少量的试样进行实验。(4)为了达到所规定的精度要求,一般在野外测绘填图中,采用比例尺较提交成果图件比例尺大一级的地形图作为填图底图。例如,当进行1:5万比例尺测绘时,常采用1:2.5万比例尺的地形图作为外业填图底图。外业填图完成后,再缩制成1:5万比例尺图件作为正式资料提交。三、水文地质测绘的内容

水文地质测绘的主要内容有:基岩地质调查、地貌及第四纪地质调查、地表水体的调查、地下水露头的调查、与地下水有关的环境地质状况的调查。(一)基岩地质调查

地下水的形成、类型、埋藏条件、含富水性等都严格受到当地地质条件的制约,因此基岩地质调查是水文地质测绘中最基本的内容。但水文地质测绘中对地质的研究与地质测绘中对地质的研究是不同的:水文地质中对地质的研究目的在于阐明控制地下水的形成和分布的地质条件,也就是要从水文地质观点出发来研究地质现象。因此,在水文地质测绘中进行地质填图时,不仅要遵照一般的地层划分原则,还必须考虑决定含水条件的岩性特征,允许不同时代地层合并或将同一时代的地层分开。

1. 岩性调查

岩性特征往往决定地下水的含水类型、影响地下水的水质和水量。如第四纪松散层往往分布着丰富的孔隙水,岩浆岩、碎屑岩地区往往分布着裂隙水,而碳酸岩地区则主要分布着岩溶水。对于岩石而言,影响地下水水量的关键在于岩石的空隙性,而岩石的化学成分和矿物成分则在一定程度上影响着地下水的水质。因此,在水文地质测绘中要求观测研究岩石对地下水的形成、赋存条件、水量、水质等诸多影响因素,具体观察的内容如下。(1)松散地层。要着重观察土的粒径大小、排列方式、颗粒级配、组成矿物及其化学成分、包含物等。(2)非可溶性坚硬岩石。岩石的裂隙发育情况影响地下水赋存,因此要重点调查和研究裂隙的成因、分布、张开程度和充填情况等。(3)可溶性坚硬岩石。要重点调查、研究岩石的化学和矿物成分、溶隙的发育程度及影响岩溶发育的因素。

2. 地层调查

地层是构成地质图的最基本要素,也是识别地质构造的基础。在水文地质测绘中,研究地层的方法如下。(1)如测区已有地质图,在进行水文地质测绘时,首先要到现场校核和充实标准剖面,再根据其岩性和含水层进行补充分层(即把地层归纳为含水岩组和隔水岩组)。(2)如测区还没有地质图,就需要进行综合性地质-水文地质测绘。在进行测绘时,首先要测制出调查区的标准剖面。(3)在测制或校核好标准地层剖面的基础上,确定出水文地质测绘时所采用的地层填图单位,即要确定必须填绘的地层界线。(4)野外测绘时,应实地测绘所确定地层的界线,并对其作描述。(5)根据测区内地层的分布及其岩性,判断区内地下水的形成、赋存等水文地质条件。

3. 地质构造调查

地质构造不仅对地层的分布产生影响,它对地下水的赋存、运移等也起到很大的作用。在基岩地区,构造裂隙和断层带是最主要的贮水空间,一些断层还能起到阻隔或富集、引导地下水的作用。在水文地质测绘中,对地质构造的调查和研究的重点如下。

1)褶皱构造(1)应查明其形态、规模及其在平面上和剖面上的展布特征与地形之间的关系,尤其注意两翼的对称性和倾角大小变化及其变化特点。(2)查明主要含水层在褶皱构造中的部位和在轴部中的埋藏深度。(3)研究张应力集中部位裂隙的发育程度。(4)研究褶皱构造和断裂、岩脉、岩体之间的关系及其对地下水运动和富集的影响。

2)断裂构造(1)对裂隙的调查。裂隙是基岩地下水的主要贮水空间运移通道,在水文地质测绘中应详细测量各种地层岩性的裂隙长度、宽度、产状、密度和充填情况。(2)对断层的调查。具体包括的内容如下。

a. 要仔细观察断层本身(断层面、构造岩)及影响带的特征和两盘错动的方向,并据此判断断层的性质(正断层、逆断层、平移断层),分析断裂的力学性质。

b. 调查各种断层的分布范围、空间展布及彼此之间的接触关系,以确定有利于地下水贮存的构造部位。

c. 规模较大的断裂,要详细地调查其成因、规模、产状、张开程度,构造岩的岩性结构、厚度,断裂的填充情况及断裂后期的活动特征。

d. 查明断层各个部位的含水性以及断层带两侧地下水的水力联系程度。

e. 调查、研究各种构造及其组合形式对地下水的赋存、补给、运移和富集的影响。(二)地貌调查

地貌与地下水的形成和分布有着密切的关系,通常地形的起伏控制着补给、径流和排泄。地貌调查在水文地质测绘中占有重要位置,对调查区的地貌条件认识不清,对该区水文地质条件的分析也必定会出现问题。

在基岩区,地貌单元常可反映出当地可能存在的含水层类型、埋深和补、径、排条件。如在侵蚀构造山区,地形陡,切割剧烈,第四系地层薄;降水易流失,入渗条件差,地下水径流条件好,且多被沟谷排泄;孔隙水不发育,地下水贮存条件不好。在基岩中,除局部分布有大面积层状含水层外,多有脉(带)状地下水存在,但贮存量一般不大、埋藏较深。在剥蚀堆积的丘陵区,第四纪盖层虽不太厚,但风化壳较厚,故风化裂隙水较发育。在构造盆地或单面山地貌区,常有丰富的承压水分布。

地貌调查一般是与地质调查同时进行的,故在布置观测路线时要考虑穿越不同的地貌单元,并将观测点布置在地貌控制点及地貌变化界线上。

在野外进行地貌调查时,主要任务是对各种地貌单元的形态特征进行观察、描述和测量,查明其成因类型和地貌单元形成的地质年代及发育演变历史(表2-2),分析其与地层岩性、构造和地下水之间的关系,从而揭示地貌与地下水形成与分布的内在联系。同时,还要对各种地貌的不同形态进行详细、定性的描述和定量测量,并编制地貌图。表2-2 地貌单元分类表(据《工程地质手册》,1992)

在野外进行地貌调查时应注意的问题如下。(1)地貌观测路线大多是地质观测线,观测点应布置在地貌变化显著的地点,如阶地最发育的地段、冲沟、洪积扇、山前三角面以及岩溶发育点等。(2)划分地貌成因类型时,必须考虑新构造运动这个重要因素。新构造运动是控制地形的重要因素,我国是一个新构造运动强烈的国家,从新近纪末期至今的新构造运动对于我国各地地貌的形成起着十分重要的作用。对新构造运动强度的判别,在很大程度上还依赖于对地形(河流曲切割深度、古代剥蚀面隆起所达到的高度、水文网分布情况、阶地的变形、沉积厚度等)的分析。如果新构造运动强烈上升,会形成切割强烈的高山;而新构造运动下降,常形成宽谷、沉积平原等。洪积扇发生前移或后退现象也是新构造运动作用的标志。地质构造的影响有时也可以反映在地形的特征上,例如单斜构造在地形上常表现为单面山、断层构造常表现为断层陡坎等。(3)注意岩性对地形形成的影响。岩石性质对地形形成的影响也十分明显,因为不同岩性的岩石常能形成不同成因及形态的地形,很多峡谷与开阔盆地的形成常常与岩性的软硬有关的。(4)应编制地貌剖面图。地貌剖面法是沿着一定方向(尽可能直线)来详细地研究当地地形的成因与变化的一种方法。剖面线应布置在可以很好地判定最重要地形要素的性质和相互关系并获得关于整个地形成因和发展史资料的地方。编制地貌剖面图是地貌观测工作中的一种极其重要的调查方法,它能很明显地、准确地和真实地反映出当地的地貌结构、地层间的接触关系、厚度及成因类型。

现以图2-2所示的地形、岩性和泉水出露等情况,尤其是地貌特征分析该区的水文地质条件。图2-2 某河谷地形剖面和底层岩性分布图1. 白垩系;2. 侏罗系;3. 二叠系上统;4. 上更新统;5. 中更新统;6. 全新统;7. 冲积层;8. 洪积层;9. Ⅰ~Ⅵ为地貌单元(1)如果不知道该剖面中的地貌与第四纪的成因类型,很可能认为①、②、③处有断层;也可能认为阶地Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的组成都是山前冲洪积物。当有了地貌和第四纪成因年代的概念,就能分析出该区的地质结构和水文地质条件。(2)从平行河流的阶梯状地形和向上堆积的河流冲积物便可认定这些平台是河流的阶地,其时代由低到高逐渐变老。据岩性和结构特征,则可确定阶地的类型:Ⅰ、Ⅱ为内叠阶地,冲积物厚度较大;Ⅲ、Ⅳ为基座阶地,冲积物厚度较薄。地貌单元Ⅴ从④往右地形坡度突然变大,平面上具扇形,由颗粒从平原到山区逐渐变粗为洪积物可知,地貌单元Ⅴ为近期的比阶地Ⅳ年轻的山前洪积扇,并覆盖在阶地Ⅳ之上。(3)洪积扇的后缘与由侏罗系碎屑岩组成台地Ⅵ的接触处,有一沿山麓方向分布的平直的陡坎,说明两者为断层接触。(4)水文地质条件。由于从山前到河床,第四纪含水层的厚度范围均有限,且被基座阶地分割成各自的水文地质单元,使阶地之间的地下水无直接水力联系,故地下水资源有限。从补给条件看,由于侏罗系和断层阻水,山区岩溶水不能直接补给河谷内的含水层。阶地Ⅲ、Ⅳ只能在其分布范围内接受大气降水的入渗补给。阶地Ⅰ、Ⅱ在天然条件下有降水入渗补给,在开采条件下可接受河水的反补给,故开采资源较丰富。(三)水文地质调查

地下水不是孤立存在的,地下水的埋藏、赋存、分布、补给、径流、排泄等,与地表水及周围环境密切相关,因此在水文地质调查过程中,必须详细观测和记录测区的地下水点,包括天然露头、人工露头与地表水体,并绘制地形和地质剖面图或示意图;对地下水的天然露头(如泉、沼泽和湿地)、地下水的人工露头(如井、钻孔、矿井、坎儿井以及揭露地下水的试坑和坑道等),均应进行统一编号,并以相应的符号准确地标在图上。

1. 地表水调查

对于没有水文站的较小河流、湖泊等,应在野外测定地表水的水位、流量、水质、水温和含沙量,并通过走访水利工作者和当地群众了解地表水的动态变化。对于设有水文站的地方,调查地表水体则应搜集有关资料进行分析整理。还应重点调查和研究地表水的开发利用现状及其与地下水的联系。

2. 地下水露头的调查

地下水露头是地下水存在的直接标志,对地下水露头点进行全面调查研究是水文地质测绘的核心工作。在测绘中,要正确地把各种地下水露头点绘制在地形地质图上,并将各主要水点联系起来分析调查区内水文地质条件;还应选择典型部位,尽可能多地通过地下水露头点绘制水文地质剖面图。

地下水露头通常分为两类:一类是地下水天然露头,包括泉、地下水溢出带、某些沼泽、湿地、岩溶区的暗河出口及岩溶洞穴、落水洞等;另一类是地下水人工露头,如水井、钻孔、矿山井巷、地下开挖工程等。

在地下水露头调查中,最常见的是泉和井孔。

1)泉的调查研究

泉是地下水直接流出地表的天然露头,是基本的水文地质点,通过对大量泉水(包括地下暗河)的调查研究,我们就可以认识工作区地下水的形成、分布与运动规律,也为开发利用地下水的前景提供了直接可靠的依据。一些大泉,由于其水量丰富、水量良好和动态稳定,供水意义大,应成为重点研究对象。对泉水的调查主要内容如下。(1)根据地形、地貌、地质条件,结合调查访问寻找泉点。(2)查明泉水出露的地质条件(特别是出露的地层层位和构造部位)、补给的含水层,确定泉的成因类型和出露高程,判明地下水类型。通过对泉水出露条件和补给水源的分析,可帮助确定区内的含水层层位,根据泉的出露标高,可确定地下水的埋藏条件。(3)观测泉的流量、涌势及高度。测量泉流量的常用方法包括容量法、堰测法、流速仪法或浮标法。

a. 容量法。当泉流量较小(<1L/s),地形上有跌水陡坎时可采用容量法(流量=水体积/时间)。

b. 堰测法。一般情况下可用堰测法,即用堰板测量泉流量,堰板有三角堰、梯形堰和矩形堰三种(图2-3)。常用三角堰,当流量较大(>10L/s)时采用梯形堰或矩形堰。测量的方法是:在泉口下游一定距离(3~10m)将堰板垂直水流铅直平正埋好,不能漏水,使上游水流平稳,下游形成跌水,测量堰口水层高度(h),查表或用公式计算泉流量(图2-3)。图2-3 堰测法示意图及公式Q. 泉流量;h. 堰口水层高度;b. 堰底宽度

c. 流速仪法或浮标法。当水量很大、不能用堰测时,可用流速仪法或浮标法测定泉流量。流速仪法指用流速仪测定水流速(v),并测定输水沟渠的过水断面面积(ω),二者乘积,即为泉流量(Q=ωv);浮标法是近似法,即用木块、作物杆等做浮标,测定水的流速,与过水断面的乘积即为泉流量。(4)调查泉的动态。根据泉的不稳定系数α,确定泉的动态类型(表2-3),判断泉的补给情况。通常α愈大,说明泉的补给面积愈大、补给来源愈远、含水层调节容量大、泉水愈稳定。表2-3 泉的动态类型与不稳定系数(5)对重要的泉点,取水样进行水质分析。(6)调查泉的开发利用状况及居民长期饮用后的反映。(7)对于泉流量出现衰减或干枯的泉,应分析原因,提出恢复措施。(8)对矿泉、温泉,在研究前述各项的基础上,还应查明其特殊组分及出露条件与周围地下水的关系,并对其开发利用的可能性作出评价。

2)地下水的人工露头(水井、钻孔)的调查

在缺乏泉的工作区,要把重点放在现有水井、钻孔的观测中。当两者都缺时,则应布置重点揭露工程。如当含水层埋藏较浅时,可采用洛阳铲、麻花钻等工具揭露;当含水层埋藏较深时,可用钻机揭露。

在水文地质测绘中,井孔调查比泉的调查意义更大。井孔调查能可靠地帮助查明工作区内现有开采深度内含水层的分布、埋藏规律和地下水的动态等。井孔的调查内容如下。(1)井孔所处的位置、标高、地形、地貌、地质环境及其附近的卫生防护状况。(2)调查和搜集井孔的地质剖面和开凿时的水文地质观测资料。(3)测量井孔的水位埋深、井深,井孔的出水量、水质、水温等。(4)调查井孔内水的动态。(5)查明井孔的储水层位,确定地下水的类型、补给、径流、排泄特征,水井的结构、使用年限,长期使用井孔水的反映。(6)对主要含水层中典型地段上有代表性的井孔进行简易的抽水试验,以取得必要的参数,并取水样,测定其化学成分。(7)井孔开采地下水量的情况,注意含水层之间的水力联系。

3. 地下水与地表水的联系性调查

地下水与地表水之间的水力联系,主要取决于两者之间的水头差及两者之间介质的渗透性。野外调查时,一般选择河流平直而无支流的地段进行流量测量,测量其上下游两个断面之间的流量差,如果上游断面流量大于下游断面流量,说明河流补给地下水,反之,则地下水补给河流。

有下降泉出露的地段,说明是地下水补给地表水。泉水出露高出地表水面的高度,即为该处地下水位与地表水位的水位差。

应注意的是,有时虽然存在水位差,但是由于不透水层的阻隔,地表水与地下水不发生水力联系。

野外调查时,还需查明地下水与地表水的化学成分的差异性。可通过采取地下水与地表水的水样分析来对比它们的物理性质、化学成分和气体成分,判断它们之间有无水力联系。(四)地表植物的调查

植物生长离不开水,某些植物的分布、种类可以指示该地区有无地下水及其水文地质特征,因而在某些地区,特别是干旱、半干旱和盐渍化地区进行水文地质测绘时,应注意对地表植物的调查。如在干旱、半干旱地区,某些喜水植物的生长常指示该处有地下水,若其生长繁茂,说明该段地下水埋藏较浅;在盐渍化地区,可依据植物的分带现象来判断土壤的盐渍化程度;在松散层覆盖区,如植物成线状分布则指示下面可能有含水断裂带存在等。

在野外对地表植物描述一般包括下列内容。(1)植物分布区周围的环境。包括地理位置、地形、土壤、地貌特点、地表水情况等。(2)植物的群落及生态特征。包括植物群落种类名称,植物的高度、分层、覆盖密度和均匀程度及其与地下水的关系(耐寒性、喜水性、喜盐性等)。(五)与地下水有关的环境地质调查

地下水是导致许多环境地质作用发生的最活跃、最重要的因素。许多环境地质问题的产生,都可不同程度地反映出地下水的存在及地下水的埋藏条件或活动情况。因此,在供、排水的水文地质测绘中,应对现存的或可能发生的环境地质问题进行观察研究。

1. 分清环境地质问题的类型(1)在天然条件下,与地下水活动有关的环境地质问题有滑坡、地震、塌陷、崩坍、沼泽化、盐渍化、冻胀以及地方病等。(2)在供、排水条件下(人为条件下),与地下水作用有关的环境地质问题有地下水位持续大幅度下降、地面沉降、塌陷、地裂缝、崩坍、地震、井(泉)水枯竭、水质恶化、海水入侵、土地沙漠化、植被衰亡、次生盐碱化及地方病等。

上述有些问题,在天然条件下可以发生,在开采条件下(人为条件下)也可以发生,调查中应仔细区分。

2. 与地下水有关的环境地质调查(1)研究、调查区内地下水开采或排水前后产生的环境地质问题的类型、规模。将重点放在供、排水后可能发生的环境地质问题上。(2)调查、研究各种环境地质现象与区域地质构造、地下水状况和开发利用的关系。(3)了解各种环境地质作用的时、空变化规律,预测其发展趋势。(4)对现存和预测出的环境地质问题,提出防治措施。四、水文地质测绘的基本工作方法

水文地质测绘的基本工作方法和步骤包括准备工作、野外工作及室内整编三个方面。(一)准备工作

主要的准备工作内容如下。(1)搜集与熟悉测绘区自然地理、地貌、地质资料。(2)对已有的航片、卫片进行解释。(3)确定各项工作量,对测绘点、测绘路线作出合理安排。(4)现场踏勘,建立地层层序并确定标志层。(5)按照相关规范编制各项技术要求、工作规程和成果标准,制定有关的规章制度。(二)野外工作

1. 观测剖面的选择

观测剖面有两种:一种为全区综合性地层、构造剖面;另一种为典型地段控制性地貌、岩性剖面,例如河流阶地、洪积扇轴部、泉水出露地段等。剖面长度视需要和所要说明的问题而定。全区综合性剖面一般应与勘查线相结合,必要时应进行实测。

2. 实测地层剖面

野外水文地质测绘应从研究或实测控制性地层剖面开始。其目的是为了查明区内各类地层的层序、岩性、结构和构造、岩相、厚度及接触关系,裂隙岩溶发育特征,确定标志层或层组及填图单位,研究各类岩石的含水性和其他水文地质特征,最后编制出所测地区的地层综合柱状图。

实测地层剖面应选在地层发育较全、地质构造简单、没有或很少岩浆岩穿插的地段上;剖面方向尽可能垂直地层走向或主要构造线方向布置,一般来说两者间的夹角不宜小于60°;剖面地层分层的详细程度应根据测绘的需要而定;选择一定的比例尺绘制实测地层剖面图,比例尺一般应为测绘比例尺的5~10倍。要在现场进行草图的测绘,以便发现问题及时补充。按要求采取地层、构造、化石等标本和水、土、岩样等,以供分析鉴定使用。在水文地质条件复杂的地区,最好能多测一两条剖面,以便于对比。如控制剖面上某些关键部位掩盖不清,还应进行一定量的剥土或轻型坑探工作。

3. 布置观测线、观测点

在野外进行水文地质测绘时要布置观测线和观测点,并将各在观测线和观测点观察到的各种地质现象、实测资料及测定的各种界线按规定的图例符号在野外就地标记于地形底图上,作为室内资料分析和编制各种成果图件的基础。

1)观测线的布置

观测线的布置原则是花费最少的时间、以最短的路线观察到最多的有意义的地质现象。观测线一般根据地质图、地形图结合实际情况进行布置。具体布置观测线的要求如下。(1)从主要含水层的补给区向排泄区,即水文地质条件变化最大的方向布置。(2)沿能见到更多的井、泉、钻孔等天然和人工地下露头点及地表水体的方向布置。(3)所布置的观测线上应有较多的地质露头。

在基岩山区或丘陵地带,一般是垂直区域岩层走向或褶皱、断层等构造的走向,尽量控制整个工作区来布置观测线;其次是沿河谷、沟谷和地下水露头较多的地方,根据测绘填图的实际需要,有时也沿岩层走向和构造线方向布置。在第四纪松散沉积物分布区,一般应沿着沉积作用方向和地貌单元较多、地貌形态较完整的方向去布置观测线,在山前地区观测线由山区到平原,应穿越洪积扇的顶端至前缘来布置;在平原地区一般垂直河流,按控制所有阶地的方向布置观测路线;对于自流盆地或潜水盆地则应穿越盆地的补给区及排泄区。

2)观测点的布置(1)观测点分类。在水文地质测绘过程中,为便于记录,可将观测点分为如下三类。

a. 地质点。主要描述地层岩性及地质构造。地质点可分为基岩点与第四纪松散沉积物点。

b. 地貌点。以描述景观地理、地貌形态及现代自然地质现象为主。

c. 水文地质点。以描述泉、井、钻孔等水文地质现象为主。(2)观测点的布置。野外测绘时,观测点的布置要求既能控制全区,又能照顾到重点地段。通常,观测点应布置在具有地貌、水文地质意义等有代表性的地段。一般的地质点可以布置在地层界面、断裂带、褶皱变化剧烈部位、裂隙岩溶发育部位及各种接触带;地貌点应布置在地形控制点、地貌成因类型控制点、各种地貌分界线以及物理地质现象发育点;水文地质点应布置在泉、井、钻孔和地表水体处,主要的含水层或含水断裂带的露头处,地表水渗漏地段,水文地质界线上,以及一些能反映地下水存在与活动的各种自然地理、地质现象等的标志处,对已有的取水和排水工程也要布置观测点。

不宜平均布点、同等对待,要善于寻找好的露头,进行详细观察研究,将所观察的地层、构造、地貌、水文地质现象、各种观察点界线等及时用统一规定的符号准确标绘在地形图上,必要时应作实测剖面、素描或摄影。要注意采集动、植物化石,孢子花粉和古地磁测试样品,作为鉴定地层时代和判断岩石成因的依据。

观测点的数量应满足设计要求,布置时一方面是考虑有控制性的地点,如在地层界线、断层线、褶皱轴线、岩浆岩与围岩接触带、标志层、典型露头和岩性、岩相变化带、构造不整合等地,各种不同地貌成因、形态界线,各种自然地质现象和岩溶发育地段,以及各种天然、人工地下水露头(井、泉、钻孔、矿井、坎儿井、地下暗河出入口、地下潮),地表水水体,不同水文地质单元界线,各种水文地质现象分布地段均应布点;另一方面则应照顾到均匀性,即在水文地质条件简单地区也应有适当的点控制。(3)观测点的测定。根据不同比例尺的精度要求,常采用仪器法、半仪器法、目测法等方法测定观测点的位置。(4)观测点的记录与描述内容如下。

a. 露头的地点、位置和类型。首先记录图幅的编号及该点所在县、乡、村。观测点离开标志点的方位和距离,并说明观测点位置的具体特征(山顶、坡脚、悬崖及冲沟、河谷、河岸等);然后写明是基岩露头还是第四纪松散沉积物露头,以及是天然露头还是人工露头(钻孔、浅井、探槽或剥土等);最后应注明调查日期和调查人姓名。

b. 基岩露头点的野外观测与描述内容。主要观测描述内容有岩石的名称、岩层的顺序、地质时代、颜色(新鲜面、风化面)、结构、构造、岩层厚度及产状、岩层的接触关系和观测点所处构造部位;对于构造形迹及结构面的地质力学性质特征、节理的类型、发育程度(深、宽、高)、产状和充填物都应进行详细地观测和描述,对典型地段进行节理统计;还要描述风化裂隙的发育程度和充填情况以及观测点所处的地形、地貌特征和沿途地质现象。

c. 第四纪松散沉积物地层露头点的野外观测与描述内容。主要包括:地层的颜色、成分、结构、构造等岩性特征;它们的松散性和固结性、孔隙裂隙的发育情况、含不含钙质结核和铁锰结核以及遇稀盐酸起泡的程度等。除用文字描述外,还应有素描图。

d. 地层中的特殊夹层。如含矿层、泥炭层、风化壳、古土壤及火山沉积层等也要进行详细地描述。

e. 化石及人类遗迹(文化层)。对于化石名称、数量、形态大小、保存状况、石化程度、分布状况等要详细描述。化石层位应在地质剖面上注明。对人类遗迹如石器、灰烬和猿人洞穴等都应详细描述。

f. 地层的厚度。要认真测量露头上的出露厚度,并注意它在空间上的变化。

g. 层间界线。主要指层与层之间的接触关系,要确定界线性质并描述其特点。

h. 沉积物和岩石组成的地貌特征。包括露头的地貌位置、沉积物和岩石本身所组成的地形形态。

i. 标本。在现场要记录下标本采集的地点和层位并进行编号,将其标示在剖面图上。

3)观测线、观测点的密度

观测线、观测点的间距即观测线、观测点布置的密度,主要依据地质填图要求的精度及地质条件的复杂程度并结合地质研究程度而定,必须根据实际情况有目的地布置观测线、观测点,使观测线、观测点既能起到控制填绘各类界线的需要,又不遗漏重要的地质现象,以利于提高测绘工作地区的地下水分布规律和找水标志的研究程度,达到多、快、好、省地完成工作任务的目的。

4. 水文地质测绘方法

野外水文地质测绘要采用文字记载和素描图结合、观测点的描述和沿线观察结合及全面观察与解剖典型剖面相结合的方法,具体有以下三种方法。

1)横向穿越法

横向穿越法是垂直或大致垂直于工作区的地质界线、地质构造线、地貌单元、含水层走向的方向进行观测,有“S”型或直线型。穿越测区沿线作详细的地质观察,这样可以在较短的路线上观察到较多的内容(地层界线、岩性界线、地貌界线、接触关系、褶曲、断层线、岩层产状、各种水文地质现象等),测绘出较多的地质界线。该种方法效率高,以最少的工作量能获得最多的成果,在基岩区或中小比例尺测绘时多用该种方法。

2)纵向追索法

纵向追索法是一种辅助测绘方法,是沿着地质界线、地质构造线、地质单元界线、不良地质现象周界等布点追索(顺层追索)。当地质条件复杂而横向穿越的观测又不能控制各类界线的正确填绘时,往往需要沿地质体、地质界线或构造线的走向进行追索,力求弄清它们沿走向的变化和接触关系。利用该方法可以详细查明地质界线和地质现象分布规律,但工作量较大,主要用于大比例尺水文地质测绘。

3)全面观察法

全面观察法是在工作区内,采用穿越法与追索法相结合的方法观测。例如,在松散分布区,要垂直于现代河谷或平行地貌变化最大的方向观测,并要求穿越分水岭,必要时可沿河追索,对新构造现象要认真研究;在山前倾斜平原区,应沿山前至平原观测,从洪积扇顶至扇缘、平行山体岩性变化显著的方向也应观测;在露头较差的地段,有时可用全面勘查法,以寻找地层及地下水露头;在第四系地层广泛分布的平原区,基岩露头较少,可采用等间距均匀布点形成测绘网络,以达到面状控制的目的。全面观察法是水文地质测绘的主要方法,适用于大比例尺及中比例尺的部分复杂地区地质填图。

4)信手剖面图、地质素描、地质摄影(像)

在野外地质测绘中,除文字描述外,必须有观测线信手剖面图和各种地质素描图并配合地质摄影,使测绘资料记录图文并茂并互相印证。

5)动用必要的勘查工程

水文地质测绘中,除全面观测、搜集区内现有的地面、井孔、坑道等资料外,还要求在测区动用必要的勘查工程进行一些勘查工作。为取得被掩埋的地层、断层的确切位置,裂隙或岩溶发育地段,揭露地下水等资料,可以布置些试坑、探槽、浅钻或物探工作;为取得含水层的富水性资料,需布置一些机井进行抽水试验;为取得松散层厚度及被覆盖的基岩构造等,可布置物探工作。

6)野外资料整理工作

野外工作期间,应做到当天的资料当天整理,避免积压及以后发生遗忘,造成差错。经常性的资料整理内容如下。(1)检查、补充和修正野外记录簿和草图,并进行着墨。检查地质点在图幅内的坐标位置,修正地质草图,编制各种综合图及辅助的地质剖面。对野外所拍摄的照片或录像资料进行编号和附文字说明。(2)整理试验结果,并进行相关的计算,按规定绘制相关的图表。(3)整理和记录所采集的各种样品及标本,对各种标本、样品按统一的编号进行登记和填写标签,并分别进行包装。(4)与邻区进行接图,进行路线小结,以及时发现问题并找出补救办法。(5)进行航空照片判读,研究和确定次日的具体工作路线和工作方法。(三)室内整编

室内整编是编写水文地质测绘成果的阶段,是整理和分析所得野外资料、编写出高质量测绘报告的关键工作,该工作的主要内容如下。(1)仔细核实、检查野外获得的全部原始资料,一旦发现问题需返回现场作补充工作。(2)进行实验室工作,完成水、土、岩样分析、实验和鉴定工作。(3)做好物探、坑探、钻探、野外试验等资料的整编工作。(4)编制水文地质图件和编写水文地质测绘文字报告。

第三节 水文地质物探

地球物理勘探(简称物探)是研究地球物理场或某些物理现象,并使用仪器测量地下物质的各种基本物理参数,获得地球物理异常,并通过解释,赋予合理的地质意义,间接地对地下地质体进行探测及预测的一种方法。

地球物理勘探可在地面或地面以上的空间中进行,即地面物探;也可以在钻孔中进行,即地下物探(测井)。依据物质不同的物理属性,人们设计了不同的地球物理勘探方法以获取地下物质的物理参数,地面物探的方法主要有电法勘探、磁法勘探、重力勘探、地震勘探,每种方法又有许多不同的分支;测井方法主要有自然电位测井、电阻率测井、声波测井、自然伽马测井等。

水文地质物探是获取深部水文地质资料的一种辅助勘查技术手段。物探方法可用于探测地表松散介质的厚度、地下水位的埋深、断层的位置、基岩的深度等,在一些情况下还可以估计沉积的砾石和黏土层的位置、厚度及在地下的分布情况。将它与水文地质测绘、钻探资料等一起进行综合解释,往往能得到较满意的效果。这里简单介绍几种水文地质勘查中常见的地面物探及测井方法。一、常见地面地球物理勘探方法(一)电法勘探

电法勘探是以介质的电性差异为基础,通过观测分析天然、人工电场或电磁场的时间和空间分布规律,来查明地下介质的形态和性质的一种地球物理方法(图2-4)。利用的岩石电学性质有导电性、介电性、极化特性等;接受的场源可以是人工场源,也可以是天然场源;所观测的信号可以是直流电场,也可以是交流电场;观测的地点可以是地面、空间、海洋或坑道内。图2-4 电法勘探分类

1. 电阻率剖面法

电阻率剖面法也称电剖面法,以岩石的电阻率差异为基础,人工建立地下稳定电场,按某种极距的装置形式沿测线逐点观测(各电极间距保持不变,整个或部分装置沿测线移动),研究某一深度范围内岩石介质沿水平方向的空间电阻率变化,通常我们使用下式计算:

式中:ρ——电阻率,Ω·m;

k——装置系数或布极常数;

ΔU——MN电极间电位差(测量电极间电位差),V;MN

I——电流大小,A。

地介质都具有一定的电阻性,当被地下水所饱和时,是良好的导体,地下水含盐量增加,电导率也随之增大。按照供电电极及测量电极排列的方式不同,又可将电剖面法分为中间梯度法、对称四极法、联合剖面法等(图2-5)。图2-5 常用电阻率剖面法装置类型示意图(钱桂兰,2007)

例如,联合剖面法为两个三极(AMN∞和∞MNB)排列的联合,每个三极排列的另一个供电电极为无穷远极C(简称联剖)。工作中A、M、N、B沿测线一起移动,并保持极距不变,MN的中点O为测点位置。在每个测点上利用换向开关切换,可分别测出两个三极排列的ΔU和I,并分别求出ρ和ρ,因此,联合剖面法的剖面图上有两条sAsB视电阻率曲线。在实际工作中,常采用不同极距的联合剖面曲线交点的位移来判断脉状体的倾向。例如,图2-6测线的方向沿横惯河谷布置,采用的电极装置为AO=20m,MN=5m,从观测结果可见在6号点处出现了低阻正交点,推断可能为破碎带引起的,因为只有在裂隙中才含有水而呈低阻带,经坑探证明确有破碎裂隙,厚约1m。为了追索破碎带的走向,使用同样的电极距在河谷下游距前一剖面30m处又布置了一条剖面,结果在10号点附近又出现了一低阻正交点,两交点连线的方向即为破碎带的走向。该区河谷宽为200m,河谷内地形平坦,大部分为砂卵石覆盖,在河谷两侧出露的岩石为白垩纪流纹岩。联合剖面法的任务就是在流纹岩中寻找破碎带。

在水文地质工作中,电剖面法常用探测水平方向地质情况,用来追踪和圈定含水层、古河道和冲积扇、断层破碎带及水文地质填图等。图2-6 某地破碎带上联合剖面曲线1. 砂卵石;2. 流纹岩;3. 断层

2. 电阻率测深法

电阻率测深法(电测深法)就是利用地质体导电性的差异,通过建立人工电场,观察某点不同深度的视电阻率,进行推断和地质解释。即了解某一地区垂直向下由浅到深的视电阻率等方面地质变化的情况,就是在同一个测点上逐次扩大供电电极AB间距,使探测逐渐加深,这样便可得到观测点处沿垂直方向含水层的分布情况、埋藏深度、厚度以及圈定咸水和淡水的分布范围,查明裂隙含水层的存在情况,寻找适于蓄存地下水的断层破碎带、岩溶发育带及古河床等。常见的电测深法的装置类型有对称四极测深、三极测深及偶极测深,最常应用的是对称四极测深法(图2-7)。图2-7 对称四极测深法电极布置图

3. 高密度电阻率法

传统的电阻率法布极效率不高,劳动强度大;高密度电阻率法(高密度电法)是一种在方法技术上有较大进步的电阻率法,采用阵列勘探的方法,但其原理与常规电阻率法完全相同。采用多电极高密度一次布极并实现了跑极和数据采集的自动化,野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于测点上,然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪实现数据的快速、自动采集,将测量数据输入微机后,还可对数据进行处理并得出关于地电断面分布的各种图示结果。

相比传统电阻率法有如下优点:①电极布设是一次完成的,这不仅减少了因电极设置而引起的故障和干扰,而且为野外数据的快速和自动测量奠定了基础;②能有效地进行多种电极排列方式的扫描测量,因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息;③野外数据采集实现了自动化或半自动化,不仅采集速度快,而且避免了由于手工操作所出现的错误;④可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态,脱机处理后还可自动绘制和打印各种成果图件;⑤与传统的电阻率法相比,成本低、效率高,信息丰富,解释方便,勘探能力显著提高。

4. 充电法

对地面上、坑道内或者钻孔中已经揭露的良导体直接充电,以解决某些地质问题的一种电法勘探方法。对于水文地质勘查,利用充电法主要是为了探明地下水流速、流向等。

其原理为对地下良导体进行充电时,整个地质体就相当于一个大电极,当良导体的电阻率远小于围岩电阻率时,则将其看作理想导体。理想导体充电后,在导体内部不产生电压降,导体表面实际上就是一个等位面,电流垂直于导体表面流出后便形成了围岩中的充电电场。实际中地质体不能被视为理想导体,充电电场的空间分布将随充电点的位置不同而有一定的变化。简单地说就是对钻井、坑道等人工揭露或天然露头的良导体上接一供电电极A,将另一供电电极B置于离充电体很远的地方(称为无穷远极),对充电体进行充电。进而查明充电体的空间分布形态、产状及延伸信息(图2-8)。图2-8 充电法原理示意图

充电法可用于岩溶地区地下暗河连通性试验及探查地下埋设的金属管道;另外在井孔的含水层段注入盐水,并对其充电可形成随地下水流动而运移的带电盐水体,在地表观测到的等电位线形状与带电盐水体的分布形态有关,根据不同时间观测的等电位线可判断地下水的流向和实际流速。

5. 自然电场法

自然条件下,无需向地下供电,通过一定的装置形式,地面两点间通常也能观测到一定大小的电位差,研究岩(矿)石和地下水之间产生的氧化—还原电化学反应(包括在大地电流、雷电放电等长期激励下的电化学反应),以及地下水渗透、扩散作用、生物化学、气体交换和热电效应等产生的稳定或缓慢变化的自然电场的分布规律,称为自然电场法。常见的自然电场有两类:其一为呈区域性分布的不稳定的电场——大地电磁场(与地壳表层构造有关);其二为呈局部性分布的稳定电场(与地下某些金属矿、非金属矿或地下水运动有关),在水文地质勘查中我们最为关心的是后者。自然电场法在水文地质工作中常被用来了解地下水的补给关系,测定地下水流向,寻找水库漏水点和隐伏的上升泉或落水洞等。

6. 激发极化法

简称激电法,是以地下岩、矿石在人工电场作用下发生的物理和电化学效应(激发极化效应)差异为基础的一种电法勘探方法。激发极化按其场源区别可分为:直流电——直流(时间域)激发极化法;低频交流电——交流(频率域)激发极化法。应用激发极化法找水主要有以下作用:用来区分含炭质的岩层、泥质夹层与含水层的异常;用来划分富水地段,特别是利用激发极化法找水或确定地层的含水性,最好与高密度电阻率法相结合,这样可以降低多解性,提高找水的成功率。

7. 在水文地质中应用的电法勘探新方法

近年来电法勘探的仪器和技术都取得了很大的进步与成功,很多新设备、新仪器、新方法从理论走向实践,为水文地质勘查开辟了新思路、新方法,下面简单介绍几种近年来使用较多的电法勘探新方法。

1)地质雷达(GPR)

地质雷达是利用一个天线发射高频宽带(1MHz~1GHz)电磁波,而另一个天线接收来自地下介质界面的反射波,通过分析所接收到电磁波的时频、振幅特性来进行地下介质结构探测的一种电磁法,与军事中的雷达原理相似,只是频率有所不同。由于雷达穿透深度与发射的电磁波频率有关,其穿透深度有限,但分辨率很高,可达0.05m以下。地质雷达与地震反射原理相似,一些地震资料处理解释方法可以借用。目前,地质雷达探测深度最大可达100m,是近年来在环境、水文、工程探测中发展最快、应用最广的地球物理方法。

地质雷达是一种非破坏性地球物理探测技术,抗干扰能力较强,不受场地限制;分辨率较高,具有实时剖面记录与显示,图像清晰直观;全数字化数据采集、处理;适用于石灰岩地区溶洞探测、覆盖层厚度、淡水及沙漠地区探测、地下空洞及地下管道、隧道、堤岸等探查。

2)地面核磁共振(SNMR)地面核磁共振(SNMR)找水方法是近年发展起来的新的应用地球物理方法,此方法是前苏联科学院西伯利亚分院化学动力和燃烧研究所在20世纪80年代初最早研究成功的,并研制出第一代核磁共振层析找水仪Hydroscope,用于图2-9 核磁感应系统NUMIS设备地下水的探测试验和应用,之后其与法国地调局IRIS公司合作于20世纪90年代中期生产出了商业化仪器——核磁感应系统NUMIS(图2-9)。

SNMR方法属于体积勘探,横向分辨精度尚显不足,勘探深度较+小,目前NUMIS系统勘探深度为100m,而其升级系统NUMIS为150m。

3)瞬变电磁法(TEM)

瞬变电磁法是时间域的人工源主动探测法。其基本原理是通过地面水平线框向地下发射脉冲磁矩,该一次场关断后,测量一段时间内由地下介质感应生成的二次场。地质体所感应出电流越大,其异常也越明显,因此,瞬变电磁法对含水的高导地层灵敏,并且有较强的抗干扰能力。该方法的探测深度与所使用的磁矩(即发射框面积乘以发射电流大小)大小成正比,一般有效分辨区间为400m以内。突出优点是能观测纯二次场,且不受静态、近场效应、地形、接地条件影响。瞬变电磁法的不足之处是评估地层含水量时一般只能通过电阻率对比,定量研究需要做抽水试验。瞬变电磁法在变质岩地区对异常进行推断较困难。随着探测深度加大,层间渗透水和金属矿的影响越来越明显。瞬变电磁法资料中容易因激发极化效应出现测深曲线的非正常变化。另外还存在数据量大,资料解释较为复杂的特点,不便于野外工作的快速分析和现场决策。

4)大地电磁成像系统(EH-4)EH-4大地电磁系统(图2-10)是由美国GEOME-TRICS和EMI公司联合生产的采用最新数字处理器的连续电导率成像系统,该系统是采用天然场源与人工场源相结合的大地电磁测量系统,能实现10Hz~100kHz范围内信号的连续采图2-10 EH-4系统设备集,该系统轻便、灵活、分辨率高、不受高阻盖层影响,其有效勘探深度为几十米至一千米。我国于20世纪90年代末期引进,最先用于西北地区找水,取得较好的效果;但其抗干扰能力较差,需要远离干扰源。(二)地震勘探

自然界中存在大量级别不同的天然地震,这是由地球内部发生运动而引起地壳的震动,天然地震不可掌控,地震勘探则是利用人工的方法引起地壳的震动(如炸药爆炸、可控震源震动等),再用精密的仪器按一定的观测方式记录爆炸后地面上各接收点的震动信息,对原始记录进行加工处理得到成果资料,从而推断地下地质情况。

水文地质学主要研究基岩上松散介质的厚度,常见的是折射波法,地震波在松散介质中传播速度小于固结基岩,研究距震源不同位置处地震波的到达时间,可确定基岩的深度。震源通常为浅孔中的小型爆炸设备,当工作区更浅时可用大锤敲击地面上的钢板充当震源,埋设检波器检出地震波。

地震勘探在水文地质勘查中可解决如下问题:①确定基岩的埋藏深度,圈定贮水地段;②确定潜水埋藏深度;③推测断层带;④探测基岩风化层厚度,风化层是良好的储水层;⑤划分第四纪含水层的主要沉积层次等。(三)磁法勘探

磁法勘探有助于确定上覆含有较高含铁物质的沉积物的基底岩层形状。磁力勘探常用的仪器有磁通磁力仪及质子磁力仪,测量出来的值必须经过校正,常包括地球磁场多年及昼夜变化、经纬度等,磁法勘探还受磁暴影响(与太阳黑子活动有关),而且磁场感应强度随距离增大急剧降低(埋深较浅的磁化物质影响较大),另外沉积物的磁化率较小,所以磁法勘探在水文地质勘探中使用较少。用于探测区域构造、确定松散盆地沉积物或埋藏河谷型的含水层;沉积岩一般没有磁性,一些有磁性的岩石,如玄武岩往往是重要的含水层,所以在无磁性的岩石区确定玄武岩也可以使用到磁法勘探。(四)重力勘探

地球表面上不同点的重力加速度略有不同,这是因为各点至地心的距离略有差异,同时各测点下面的地层介质的密度也存在一些差别。由于未饱和物质的密度比充分饱和的沉积岩及火成岩小,因此可以通过对重力数据的分析来估算冲积物的厚度和形状。虽然重力勘探十分简便,但测试成果较为粗糙,资料分析复杂,要对其经纬度、高度和偏差做大量的校正工作,常被用来探测盆地基底起伏及断裂构造,在水文地质勘查中应用较少,采用高精度重力探测仪有可能探测到埋深不大但有一定规模的溶洞。

所以磁法及重力勘探常适用于区域地质构造的探测,在水文地质勘查中应用不多,其实例只在那些与区域构造成因有关的地下水勘探中才能见到。(五)其他勘探手段及综合物探技术

1. 放射性勘探

不同岩石所含放射性元素含量不同,可通过探测放射性衰变,进而判断岩层的特性及岩石空隙及流体的特性。放射性勘探在水文地质中常被用于:测定地下水位、含水层埋深、厚度及分布范围;圈定地下水富集部位;测定地下水矿化程度及污染范围;研究地下水动力学特征,放射性物质是良好的流体示踪剂。

2. 温度勘探法

温度是物质的基本属性之一,热能总是从高温区传向低温区,地球内部较地表热,从地球内部到地表总有一种经常不变的热流向外传导;在深度较浅处,温度受大气及周围环境影响,当达到一定深度时温度变化不大,除非受地下水流的影响;温度较低的地下水流经空隙介质,地热从空隙介质传递到流体中,水温增加,介质温度降低;由于水比热较高,可有效地吸收或导走热量,形成热传导过程,传导的热流会调整地面环境温度,通过长期观察不同埋藏位置的测温仪器,可分析地下水系的水动力情况。

3. 综合物探技术

地球物理技术具有多解性,为了减少多解性并约束解释成果,更快更好地达到地质勘查的目的,常在同一剖面、同一测网、同一地区使用不同的地球物理方法,将数据资料相互印证、综合分析,减少干扰,提高解释成果的可信度。如图2-11所示,用电测曲线显示两溶洞差别不大,结合磁法勘探及重力勘探,进行解释才推断出充水溶洞与充填土被淋滤含铁溶洞的区别,排除电法解释的多解性,取得正确的地质结论,并且此地区按此综合物探方法所确定的九个充水溶洞经钻孔印证,其正确率达100%。图2-11 岩溶地区综合物探技术应用二、常见地球物理测井方法

地球物理测井方法投入使用前,水井井下资料只局限于测试岩性资料。1860年凯尔文勋爵在浅孔中测量地温时首次使用地球物理方法,1927年斯伦贝谢兄弟于法国首次进行电阻率测井,此后推出了50多种根据电子和化学等各种原理制作的地球物理测井装置(表2-4),下面简单介绍几种常见的地球物理测井方法。表2-4 测井方法水文地质运用表(一)电阻率测井

利用岩石导电特性——电阻率(或电导率)研究地层的一类测井方法称电阻率法测井。电阻率测井系列大致可分为四类:普通电阻率测井、感应测井、侧向测井和微电阻率测井。通常也把各种电阻率测井称为饱和度测井系列,因为在裸眼井中它是提供岩层含油气饱和度(含水饱和度)参数的主要方法。

1. 普通电阻率测井

普通电阻率测井也称为视电阻率测井,它采用三电极电极系进行电阻率曲线测量。普通电阻率测井的视电阻率曲线由于受井眼、围岩和高阻邻层等因素影响,其测井值与岩层真电阻率差异比较大,特别是在盐水泥浆井或碳酸盐岩剖面差异尤其明显。

2. 感应测井

感应测井(IL)是一种测量地层电导率的测井方法,其电导率是电阻率的倒数。感应测井下井仪器的线圈系包括主发射主接收线圈对、补偿线圈对、聚焦线圈对,一般采用6线圈系。发射线圈发射的交变磁场在井轴周围介质中产生环状涡流(感应电流),涡流产生的二次磁场在接收线圈中产生感应电势——接收信号。由于涡流大小正比于介质电导率,涡流越大,在接收线圈产生的感应电势也越大,所以接收信号能反映介质的电导率。聚焦线圈减小了围岩对测量结果的影响,补偿线圈减小了井眼对测量结果的影响。

3. 侧向测井

侧向测井(LL)属于电流聚焦测井,即在主电极A0(供电电极,正极)的上、下设置同极性的屏蔽电极A1、A2,与主电流同极性的屏蔽电流迫使主电流聚焦成片状进入地层,然后测量主电极(或监督电极)的电位并计算其视电阻率。由于主电流片状侧向进入地层,显著地减小了井眼的分流作用和围岩的影响。

4. 微电阻率测井

微电阻率测井是测量井壁附近小范围内电阻率极板型测井方法,对于储集层主要测量泥浆滤液冲洗带电阻率R。目前,微电阻率测XO井系列包括微电极测井(ML)、微侧向测井(MLL)、微球形聚焦测井(MSFL)和邻近测井(PL)等。除ML可作为泥饼指示测井划分渗透层外,使用微电阻率测井的主要目的在于准确反映冲洗带电阻率R以便求出冲洗带的含水饱和度S。XOXO

除上述四类电阻率测井方法外,电法类测井中还有电磁波传播测井,用于测量电磁波在介质中的传播时间和信号衰减,反映岩层的介电特性,从而区分含水层并计算含水饱和度。(二)自然电位

人们在测井时,工程上出现一次偶然失误使供电电极没供电但仍测出了电位随井深的变化曲线,由于这个电位是自然产生的,所以称为自然电位(钻井液与地层水矿化度及压力的差异,地层和井眼泥浆之间产生电化学作用和动电学作用,形成扩散-吸附电位和过滤电位),用SP表示。

自然电位测井技术在所有测井方法中算是最简单的。如图2-12(a)所示,将一个稳定电极M放入井中,另一个电极N放在地面上接地,在不存在任何人工电场的情况下,用测量电位差的仪器测量M电极相对于N电极之间的电位差,便可以进行自然电位测井。而在实际测井中,常常是在进行普通视电阻率测井的同时,利用图2-12(b)所示的原理线路,当电极在井内连续移动时,即可测得井内自然电位沿井剖面的变化曲线,即自然电位曲线。图2-12 自然电位测井示意图

自然电位曲线常应用于:划分渗透性地层,对于砂、泥岩剖面,可用其异常来判断;估计泥质含量;确定地层水电阻率(R);判断W水淹层;研究沉积环境等。(三)核测井

根据岩石及其孔隙流体和井内介质(套管、水泥等)的核物理性质,采取一系列的测井方法,最常用的测井方法包括测定岩石和流体的天然放射性及其感应衰减量,可用于各种井型,不受泥浆类型影响,使用时应注意安全防护。常见类型有自然伽马、自然伽马能谱、地层密度、中子孔隙度、中子寿命、脉冲中子碳氧比测井(C/O)等。

1. 自然伽马测井40238232

岩石中的K、U、Th等衰变后释放出伽马射线,页岩、黏40土岩有较高的放射性,长石和云母含K较高,由此可区别不同的储水岩性。

2. 中子测井

中子探针中含有放射性元素,既是中子源也是探测器,放射出的中子受氢原子核的碰撞,其速度变慢并散开。氢在地质体中主要以水和碳氢化合物的形式存在,水储存在岩石空隙中,水量增加,捕捉到的中子数也增加。在潜水面上中子测井可测得含水量但无法测孔隙度;利用中子测井能确定非承压含水层的给水量。

3. 伽马测井

将伽马放射源放入钻孔中,与孔内物体(液体、套管、岩石等)接触会吸收或驱散伽马光子,吸收量与地层体积密度成正比,体积密度为岩石质量除以含孔隙在内的岩石体积,故用此方法可反应地下岩层孔隙度。(四)井径测井

测量岩层中裸孔的直径,该方法也可以用以确定套管的深度。一般来说,井径就是钻头的尺寸,但实际上因为岩层坍塌,钻井液溶解矿物会使孔径变大。钻头钻到一定深度,向下的压力消失也会使孔径变大;井径测井还可使用于确定碳酸盐岩含水层中的溶蚀扩大层面及节理。孔壁上的泥饼或塑形岩层可以使井径减小(图2-13)。

该方法主要应用于:判断岩性、进图2-13 多臂井径测井仪行地层对比;求实际井径(直接对应深度读数);计算平均井径(为固井计算水泥用量提供依据);作为测井曲线综合解释所不可少的资料;作为酸化、固井时选择封隔器、套管鞋位置的依据。(五)温度测井

温度测井就是连续记录钻孔中液体的垂向温度。该记录显示岩石中的液体温度与钻孔循环液温度的差异。在新钻的孔中,钻孔中的流体会混合在一起。当井和周围环境达到平衡时,测温曲线能显示井中不同温度分区。温度测井可以反映地温梯度;不同含水层的温度不同,均可在测井曲线上显示出来。(六)声波测井

该方法是通过测量井孔剖面上岩层及井壁附近的声学特性参数来判断岩性、估算孔隙度和确定岩层的弹性力学性质以及检查固井质量等的测井方法。它不受泥浆性质和侵入影响,适应性强。主要有声波速度测井、声波幅度测井、声波全波列测井、声波井下电视、噪声测井等。声波测井可以用来:划分地层,不同岩性地层的差值不一样;估算地层的孔隙度,当岩石骨架时差和孔隙流体时差已知时,利用时差曲线的读数可求出地层孔隙度;探测水泥胶结情况。

第四节 水文地质坑探

坑探工程是指当勘查区局部或全部被不厚的表土掩盖时,利用人工或机械掘进的方式来探明地表浅部的地质条件的勘查技术手段。坑探工程的特点是使用工具简单、施工技术要求不高、揭露的面积较大、可直接观察地质现象,但其勘查深度受到一定的限制。它常常配合水文地质测绘,用于揭露局部被不厚的表土层掩盖的地质现象。一、坑探工程类型图2-14 常用坑探工程示意图1. 试坑;2. 探槽;3. 探井;4. 竖井;5. 平硐

坑探工程包括剥土、浅坑、探槽、探井、竖井、平硐等,可将其分为轻型和重型两种:轻型坑探工程包括剥土、浅坑、探槽、探井,常用于配合水文地质测绘,揭露被不厚的浮土掩盖的地质现象;重型坑探工程包括竖井、平硐等,主要用于地形条件复杂、钻探施工困难的山区或其他勘查手段效果不好的地区获得地质资料,但由于其成本较高、周期长,一般不采用此法。

常用的坑探工程有探槽、探井(浅井)、竖井、平硐等(图2-14)。二、坑探工程的特点及用途

不同坑探工程的特点和适用条件如表2-5所示。表2-5 常用坑探工程的特点和用途

第五节 水文地质钻探

水文地质钻探是指利用机械回转或冲击钻进方式,向地下钻进钻孔以取得岩芯(粉)进行观测研究,从而得到水文地质资料的勘查技术手段。水文地质钻探是水文地质勘查最重要的勘查技术手段之一,是水文地质勘查工作中取得地下水文地质资料的主要技术方法,是直接探明地下水的一种最可靠的手段,也是开发利用深层地下水的唯一技术手段,同时也是进行各种水文地质试验的必备工程,是对水文地质测绘、水文地质物探所作地质结论的检验途径。由于钻探深度大、工作效率高,所以它既是获得深部水文地质资料和采取岩样以进一步查明水文地质条件的基本途径,也是一项投资大、占用劳力多、技术性复杂的工作。随着水文地质勘查阶段的深入,水文地质钻探在整个勘查工作中占有越来越重要的地位。一、水文地质钻探的目的、任务和特点

1. 水文地质钻探的目的(1)查明勘查深度内含水层的埋藏条件和分布范围。(2)采集各种岩、土、水样,为研究地层的岩土性质、含水特征、地质时代、成因、岩相变化等提供依据。(3)查明各含水层(组)的水位、水质、水温、水量。(4)进行抽水试验和地下水动态观测。

2. 水文地质钻探的基本任务(1)查明含水层(组)的数目、层位 、埋藏深度及不同含水层(组)的岩性、厚度、水位、水量特征及其在水平和垂直方向上的分布特征;观测不同含水层(组)地下水动态变化规律,了解各含水层(组)之间的水力联系及地下水的补排条件;在有地下咸水分布的地区,则要查明咸、淡水界面的位置及变化规律,从而为地下水资源评价和其他专门试验工作提供水文地质资料。(2)进行的水文地质试验主要是抽水试验,用来了解含水层的渗透性和富水性,取得一些水文地质参数及合理井距、机井深度、分段用水等方面的资料,从而指导群众打井,合理开发利用地下水。(3)遵循“以探为主、探采结合”的原则,成井或专门打井后开采地下水,为工农业生产、国防建设和城镇居民及干旱地区人民提供生产生活用水或矿泉水饮料,直接为国民经济建设和人民生活服务;注意对地下热水、卤水、肥水的综合勘查,使地下水资料得到充分利用。(4)通过钻孔(或在钻进过程中)采集水样、岩土样,以确定含水层的水质、水温和测定岩土的物理力学和水理性质。(5)利用钻孔监测地下水动态。

3. 水文地质钻探的特点

水文地质钻探不单纯是为了采取岩芯、研究地质剖面,而且还必须取得各含水层和地下水特征的基本水文地质资料以及进行地下水动态观测和开采地下水等。为此,水文地质钻探与一般的地质钻探相比具有以下特点。(1)水文地质钻孔的孔径较大。一般地质钻孔的主要任务是取岩芯,故孔径一般小于150mm。而水文地质钻孔除取岩芯外,还必须满足抽水试验或作为生产井取水的要求,为保证抽出更多的水和便于下入水泵,钻孔的直径较大,一般大于150mm。当前水文地质钻孔的直径一般在300~500mm,少量孔径可达1 000mm以上。(2)钻孔深度小,对垂直度有一定要求。一般在数十米至数百米之间,特殊的超过1 000m;因钻孔上部需要安装水泵、下部要安装过滤器,所以要求钻孔在100m 以内偏斜不大于1°、1 000m以内偏斜不大于5°。(3)水文地质钻孔的结构比较复杂。为了分别取得各含水层的水位、水温、水质和水量等基本的水文地质资料,需要在钻孔内下套管、变换孔径、止水隔离等。(4)水文地质钻探对所采用的冲洗液要求很严格。为了不破坏或少破坏含水层的天然状况,以便能准确测定水文地质各要素(水位、水质、水量等)以及为今后能顺利抽水,要求所用的冲洗液不能堵塞井孔内的岩石空隙。(5)水文地质钻探的工序较复杂、施工期也较长。钻探工作中需要分层观测地下水的稳定水位,还要进行下套管止水、安装过滤器、安装抽水设备、洗井、做抽水试验等一系列辅助工作。(6)水文地质钻进过程中观测项目多。为了判断钻进过程中水文地质条件的变化,在钻进过程中除了观测描述岩性变化外,还要观测孔内的水位、水温、冲洗液的消耗情况以及涌水量等多个项目。二、钻探设备的选择与钻进方法(一)钻探设备的选择钻探设备一般包括钻机、水泵、动力机、钻塔、钻探管材、钻探工具等(图2-15)。钻机由机架、传动装置、回转器、绞车等组成;水泵在钻探中可以将冲洗液(清水或泥浆)送入孔内,冷却、润滑钻具和钻头及保护孔壁并带出孔内岩粉,或通过泵的压力表了解孔变化情况;动力机是带动钻机钻进的动力,可以是电动机或柴油机;钻塔主要用于升降与悬挂钻具、起下套管,其底图2-15 钻探设备组成示意图座用于固定、安装钻探机,要求有足够1. 钻机;2. 水泵;3. 动力机;的强度和稳定性、高度和结构要合理4. 钻塔;5. 机台;6. 天车;7. 水箱;8. 钻杆等;钻探管材有钻头、岩芯管、钻杆、立轴、接手等;钻探工具包括提引工具、拧卸工具、打捞工具等。

水文地质钻探设备应按勘查设计中提出的钻探目的、施工技术要求和勘查区水文地质条件、钻孔类型、钻孔结构、钻探方法等因素,结合现有设备状况进行选择和配套。常用水文地质钻探设备见表2-6。表2-6 常用水文地质钻探设备(二)钻进方法

钻进方法是指向地下钻孔(井)时,破碎孔(井)底岩石的方法及技术措施的总称。

1. 钻进方法的划分

水文地质钻探的钻进方法可从不同的角度进行划分(表2-7)。表2-7 钻进方法的划分

2. 钻进方法的选择

水文地质钻探具体的钻进方法应根据岩石的机械物理性质、可钻性以及孔径、深度和施工条件,分别选择相适应的钻进方法,可参照表2-8选用。表2-8 钻进方法选择[据《水文地质钻探规程》(DZ/T 0148—1994)]注:岩石的可钻性是在一定技术条件下钻进岩石的难易程度,也可以说是钻进时岩石抵抗破碎的能力,是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标。岩石的可钻性划分目前尚不统一,地质勘查钻进工作中,经常用以下方法来划分岩石的可钻性级别:①按岩石力学性质分级——据压入硬度,分六类12级;②按实际钻进速度分级——用钻进速度(m/h),分12级;③微钻法——用微型孕镶钻头模拟钻进速度,分12级;④破碎比功法——用单位接触面积破碎比功,分10级。三、水文地质钻孔的类型、结构

钻孔是通过机械回转或冲击钻进,向地下钻成的相对直径小而深度大的圆孔。钻孔一般由孔口、孔壁、孔径、孔底、孔深等基本要素构成(图2-16)。图2-16 钻孔要素示意图1. 孔口;2. 孔底;3. 孔壁;4. 孔径;5. 变径;6. 孔深(一)水文地质钻孔的类型

水文地质钻孔的类型可以从不同的角度进行划分。

1)根据水文地质钻孔承担的主要任务划分(1)地质孔。通常只在小、中比例尺的区域水文地质普查中布置,一般要通过钻探取芯进行地层描述和简易水文地质观测,但不进行抽水试验。主要是为了解地层、构造和含水层情况,属于控制性钻孔。其基本要求是:满足岩芯采取率、校正孔深、测孔斜、进行原始编录和简易水文地质观测、取得分层水位资料和封孔等,并作电测井校对与取样。通常采用91mm、110mm、130mm、150mm等常规口径钻进。(2)水文地质孔。在各种比例尺的水文地质普查与勘探中布置,一般要进行单孔稳定流抽水试验,必要时要进行多(群)孔非稳定流抽水试验,以获取不同要求的水文地质参数,评价与计算地下水资源。采用常规口径取芯钻进,大口径扩孔后进行试验。终孔下管后进行充分冲洗。(3)探采结合孔。在各种比例尺的水文地质普查与勘探中均会遇到,取得水文地质资料后,结合地方需要,将钻孔扩成开采井。在成井下管之前,应校正孔斜,每100m不应超过1°,并留有足够长度的沉淀管(一般5~10m)。(4)观测孔。有抽水试验观测孔和长期观测孔(简称长观孔)两种,通常只在大、中比例尺的水文地质勘查中布置。为研究区域地下水动态变化规律和主孔抽水时的影响半径,以及了解不同深度含水层的水位,都需要布置观测孔。

2)根据水文地质钻孔的钻进深度划分(1)浅孔。指钻进深度小于或等于100m的钻孔。(2)中深孔。指钻进深度为100~300m的钻孔。(3)深孔。指钻进深度大于300m的钻孔。

3)根据水文地质钻孔顶角(即钻孔轴心线与铅垂线的夹角)或倾角(即钻孔轴心线与水平面的夹角)划分(1)直孔。指顶角为规定范围内的钻孔。(2)斜孔。指顶角超过规定范围的钻孔。(3)水平孔。指顶角为90°的钻孔。(二)水文地质钻孔的结构

1. 钻孔结构的内涵

水文地质钻孔结构是指由开孔至终孔的深度内钻孔孔径和孔段的变化,包括孔径、孔段和孔深等。除地质孔外,钻孔结构具体应包括(图2-17)以下内容。(1)井管。包括井壁管、过滤器和沉淀管的直径、孔段和深度。(2)填砾、止水与固井位置及深度。

2. 典型钻孔结构型式图2-17 钻孔结构示意图(1)一径成孔(井)。指除孔口管外,一径到底的钻孔,即一种口径、一道管柱的钻孔。这类钻孔通常是较稳定的第四纪松散地层或基岩为主的水文地质钻孔、探采结合孔或观测孔。有下井管、过滤器并填砾或不填砾及没有井管、过滤器的基岩裸孔等几种。下井管、过滤器并填砾孔的孔径一般应比井管的直径大150~200mm。(2)多径成孔(井)。具有两个或两个以上变径孔段的钻孔,即多次变径,并用一套或多套管柱的钻孔。通常是上部为第四纪松散层、下部为基岩或具有两个以上主要含水层的水文地质钻孔、探采结合孔及地质孔。通常只在第四系地层中下井管、过滤器并填砾或不填砾;基岩除破碎带、强烈风化带需下套管外,一般为裸孔。

3. 钻孔结构设计

水文地质钻孔结构设计是依据钻探的目的、任务、钻孔地质和水文地质条件及已有钻探设备等因素,对钻孔的深度、孔斜、孔径变换、过滤器等提出的具体方案。钻孔结构设计是水文地质钻探的重要环节,是高效施工和优质钻进的前提,也是获取完整的水文地质资料的保证,是直接影响水文地质钻探的质量、钻孔出水量及能耗、安全等方面的重要因素。

钻孔结构设计的内容包括钻孔深度、终孔直径、开孔直径、中间套管变径的层次和深度、过滤器的类型和规格等。

1)孔深的确定

孔深是根据钻孔的目的、要求、地质条件,并结合钻探设备所允许钻进的深度或目前可能的开采深度等生产技术条件来确定的,一般应揭穿主要含水层,即钻孔的深度取决于含水层底板的深度,至于更深部的含水层(组),可选择少量的钻孔只作一般性的了解,以便为进一步勘查和远景规划提供依据。对于厚度很大的含水层,钻孔揭穿整个含水层较困难或技术上不必揭穿整个含水层时,应按下述原则确定孔深:对于基岩含水层,钻孔应揭穿含水层的主要富水段或富水构造带;对于岩溶含水层,钻孔应揭穿岩溶发育带;对于厚度小、水位深的含水层,设计孔深时要考虑试验设备的要求(如满足空气压缩机抽水沉没比的要求)。另外,对于地下水开采孔或长期疏干降压孔,在确定钻孔深度时还应考虑沉淀管的长度,以保证钻孔工作段不被淤塞,沉淀管的长度一般为3~5m。

钻孔深度最终以钻孔地质设计为准,若地质设计依据不足或地质条件变化需加深或提前终孔,必须以持有钻孔任务变更通知书为前提。

2)孔径的确定

孔径的确定是钻孔结构设计的中心环节。孔径的大小取决于选用的钻探设备和钻进方法、套管的类型、钻孔类型、抽水设备和方法、对钻孔出水量大小的要求等。

确定孔径的内容包括终孔直径、变径尺寸和开孔直径。对于结构比较复杂的钻孔,设计孔径时应首先确定终孔直径,再根据变径次数和变径尺寸,由下向上逐步推定钻孔的开孔直径。(1)终孔直径的确定。根据钻孔类型、水文地质条件、预计水量、钻进方法与工艺、含水层岩性、填砾要求、过滤管类型及孔深等因素综合确定,以满足水文地质试验和供水井抽水要求为原则。需填砾的钻孔,必须满足填砾厚度和下入过滤管口径的要求;不填砾的钻孔,一般以下入过滤管口径为准;但在易缩径地层施工的钻孔口径,还应考虑过滤管起拔等因素;浅孔及小于200m的孔,钻孔直径或过滤管直径一般可按表2-9确定;大于200 m的孔或特大水量及有特殊要求的抽水试验钻孔,则根据单孔设计的要求确定。表2-9 钻孔直径或过滤管直径表[据《水文地质钻探规程》(DZ/T 0148—1994)]注:1. 松散层是指第四系地层和新近系、古近系疏松砂砾岩及基岩强烈风化带、破碎带,基岩是指完整岩体(含构造裂隙带、岩溶地层)。2. 括号内数值为《水文水井钻探管材系列》(GB 9808—1988)颁布前的规格数值。3. 本表所列口径为一般规定。对于水文地质普查、勘探孔,当单孔出水量小于0.2L/s和采用提桶作简易抽水试验的钻孔口径,允许比表列孔径或管径小一级;探采结合孔、供水井直径主要根据水量、抽水设备类型规格及过滤管径来确定。

对于水文地质勘查试验孔而言,设计钻孔直径时,以将来能在孔内顺利地安装过滤器和抽水设备,并能使抽水试验正常进行为原则,因此要按抽水试验的要求并根据预计的出水量和是否需要下过滤器及其类型、拟用的抽水设备等来确定其终孔直径。

在浅部松散沉积层和基岩破碎带,为保证进水、维护孔壁稳定,应在孔内下护壁井管、过滤器,有时还要在井孔与井壁之间充填砾料。此时的钻孔孔径除需满足出水量大小要求外,还需满足过滤器及砾料的尺寸要求。一般抽水孔直径应比过滤器大1~2级、观测孔直径应比过滤器直径大一级,需要充填砾料的钻孔孔身直径应比过滤器直径大150~200mm。(2)确定变径的深度和尺寸。根据已确定的终孔直径,再按预计要求隔离的含水层(段)个数及止水方法、部位和要求,并考虑钻孔的类型、深度、钻进方法、岩石的可钻程度和孔壁的稳定程度等多种因素,确定钻孔变径与否、变径深度和变径尺寸、下套管的深度(应考虑沉淀管的长度)和直径。一般在下列情况下需要变换孔径进行止水:有多个含水层(段),需要取得分层(段)水文地质参数;需要隔离水质较差的含水层;需要有选择地疏降或开采某一含水层;需要维护松散层和岩层破碎带的孔壁稳定等。而对于地层松软易钻、孔深较浅、孔径较大的开采孔,可以采用同径止水而不变换孔径。根据止水要求,典型的钻孔结构有三种:异径止水、同径止水、异径同径联合止水。如图2-18所示。图2-18 钻孔结构图(据杨成田,1981)(a)深孔、地质条件复杂时的钻孔结构图(异径到底、多层套管、异径止水);(b)中深孔、地质条件较复杂时的钻孔结构图(异径到底、多层套管、异径同径联合止水);(c)浅孔、地质条件简单时勘探开采孔结构图(同径到底、单层套管、同径止水);1. 非开采含水层;2. 开采含水层;3. 基岩含水层;4. 第一层套管;5. 第二层套管;6. 止水填料;7. 隔水层;8. 过滤器;9. 滤料

在某些地质结构复杂的地区,可能在不太大的深度内出现数个含水层,如果均下套管止水,换径次数过多,就造成钻孔结构复杂,施工困难,此时就必须仔细研究该地区的地质条件和抽水实验(或开采条件)的要求,合理地采用有关技术措施,在确保优质、高产、低耗、安全的前提下,尽可能同径到底,简化钻孔结构。当不得不变径时,变径的部位多在含水层下部的隔水层顶部。(3)开孔直径的确定。根据已确定的终孔直径、变径次数和尺寸,自下而上逐级推定开孔直径。开孔直径除满足孔内最大套管和填料厚度的要求外,还应满足钻孔浅部松散层下入护壁管的要求,对供水孔还应考虑所用抽水设备的外部尺寸。因此,水文地质钻孔的开孔直径都大于终孔直径,一般钻孔开孔直径选用172mm、152mm较为适宜(即下入168mm或146mm井壁管);试验孔或开采孔的开孔口径应扩大到250mm以上。

3)过滤器的设计(1)过滤器的作用和基本要求。过滤器是安装在钻孔中的一种能起过滤作用的带孔井管。在松散沉积物及不稳定岩层中钻进时,必须装置过滤器。它的作用是保证含水层中的地下水能够顺利地流入井管,同时又防止井壁坍塌,阻止地层中细粒物质进入井内造成水井堵塞,保证井的涌水量和井的使用寿命。

对过滤器的基本要求是:①具有较大的孔隙率和一定的直径,以减小过滤器的阻力,获得最大的出水量;②具有良好的滤水作用,既能阻挡含水层中的砂砾进入,又不堵塞过滤器的孔隙;③有足够的强度,要能够承受井管的重力、地层和滤料的侧向压力,保证过滤器能安全顺利地下入井下且使用期间不损坏,对钻孔还要求能顺利起拔;④具有较高的抗腐蚀能力,以防酸性水的侵蚀,延长井孔的使用寿命;⑤加工方便,易于安装,成本低廉。

过滤器可用金属或各种非金属材料制作,长度一般应与含水层(段)厚度相一致。当含水层很厚时,应设计成非完整井(即只穿入含水层的部分厚度、井底落在含水层中间的水井),每段过滤器长度一般不超过20m。为防孔内沉淀,常设计3~5m的沉淀管。(2)过滤器的组成。过滤器主要由过滤骨架和过滤层组成。

a. 过滤骨架。过滤骨架主要是在保证透水性的条件下起支撑作用,一般有孔眼管状骨架和钢筋骨架两种结构(图2-19)。图2-19 过滤器骨架类型示意图1. 短管;2. 钢筋;3. 支撑圈

孔眼管状骨架是由各种材料的管子按一定的技术要求和规格打孔或开槽制成。其材料可以是钢的、铸铁的、水泥的或塑料的,水文地质钻探多用钢管。管子上的孔眼一般为圆孔、条形孔。孔的大小、排列和间距与管材强度及所要求的孔隙率有关。通常,钢管孔眼过滤器的孔隙率为30%~35%、铸铁管孔眼过滤器的孔隙率为20%~25%,而水泥管孔眼过滤器的孔隙率仅为10%~15%,条形孔钢管孔眼过滤器的孔隙率可达40%~50%。

钢筋骨架是用直径为10~16mm的钢筋以一定的间距(20~30mm)间隔排列,焊接在两节短管之间。这种骨架的孔隙率可达60%以上,但强度稍低,主要用在强透水的基岩含水层完整井(指贯穿含水层、井底座落在隔水层上的水井)中,以增强进水能力。

b. 过滤层。过滤层起过滤作用,分布于过滤骨架之外。过滤层的种类主要有带孔眼的包网、密集缠丝、砾石填充等(图2-20)。图2-20 过滤层类型示意图(3)过滤器的种类。由不同骨架与不同过滤层可组合成各种过滤器,其分类如表2-10所示。但过滤器基本类型有骨架过滤器、网状过滤器、缠丝过滤器、砾石过滤器四种(图2-21)。表2-10 过滤器分类表图2-21 过滤器类型示意图

a. 骨架过滤器。只由骨架组成,不带过滤层,仅用于井壁不稳定的基岩井。作为勘查试验用的多为钢管骨架过滤器[图2-21(a)、(b)、(c)]。

b. 缠丝过滤器。过滤器由密集程度不同的缠丝构成[图2-21(d)]。缠丝效果较滤网为佳,且制作简单、经久耐用,又能适用于中砂及更粗岩石。若岩石颗粒太小,要求缠丝间距太小,加工常有困难,此时可在缠丝过滤器外充以砾石。

c. 包网过滤器。过滤层为滤网,为了发挥滤网的稳定性,在骨架上需焊接纵向垫条,滤网被包于垫条外,滤网外再绕以稀疏的护丝,以防腐损[图2-21(e)]。滤网有铁、铜、塑料压膜等,铁易被腐蚀,已少用;铜价贵,故有被塑料代替的趋势。网眼规格应以颗粒级配成分为依据,应能在网外形成以中、粗砾为基础的天然过滤层,以保证抽水正常进行。

d. 砾石过滤器。过滤层由充填的砾石构成。骨架可以是圆管或钢筋骨架。钢筋骨架上的缠丝间距视岩石颗粒大小而定。按结构,砾石过滤器可分为以下几种。

填砾过滤器——在骨架外充填砾石而成,砾石与骨架是分离的。这是勘查中最常用的过滤器类型[图2-21(f)]。

笼状和筐状过滤器——在骨架外预先做好盛砾石的笼架和框架,然后将选定的砾石充填于其中[图2-21(g)、(h)]。用时将其整体下入井中。该种过滤器多用于井径较大的浅层开采孔。

上述砾石过滤器所用砾石的大小应与含水层粒度相配合。孔壁岩石颗粒越细,过滤层所选用砾石应越小。所用砾石的大小还应与骨架空隙尺寸相配合(表2-11)。表2-11 管外填砾规格、缠丝间距选用表

贴砾过滤器——是近年来出现的一种新型过滤器,它是在骨架衬管外用环氧树脂粘贴一定厚度的石英砂,使骨架和滤层成为一体,贴砾厚度为10~18mm,孔隙率在20%以上。其优点是透水性好、滤砂可靠、成本低、强度高、使用方便等,特别适用于细颗粒、口径小、难以投砾的深井,其安装深度可达400~500m。

砾石水泥过滤器——由砾石或碎石用水泥胶结而制成,又称无砂混凝土过滤器。通常砾石粒径为3~7mm、灰砾比为1:5~1:4、水灰比为0.28~0.35,水泥与砾石之间为不完全胶结,因而被水泥胶结的砾石、孔隙仅一部分被水泥充填,另一部分仍相互连通,故有一定的透水性。这种过滤器制作方便、价格低廉,但强度较低,通常用于井深小于100m的井孔,多用于农用机井。

针对各地区不同的水文地质条件,应选用不同材料和不同结构形式的过滤器(表2-12、表2-13)。表2-12 过滤器类型选择[据《水文地质钻探规程》(DZ/T 0148—1994)]表2-13 不同含水层适用的过滤器类型(据史长春,1983)

4. 钻孔结构的确定

钻孔结构是根据钻孔类型、水文地质条件、终孔直径及深度、抽水方法、钻进工艺方法及钻探设备等因素综合确定。通常,进行抽水试验的钻孔,其松散地层的钻孔直径要能满足根据预计出水量选用的过滤器直径和填砾间隙的要求;基岩钻孔直径则一般以满足抽水设备口径或过滤器直径要求为依据确定。在条件具备与可能时,要采用一径成井工艺;在松散、破碎、严重漏失等复杂地层(即发生事故多、效率低、钻进和取芯都困难的地层),应采用护壁性能好且易于破壁解淤的优质泥浆钻进,争取少下或不下套管,以简化钻孔结构。

第六节 水文地质试验

水文地质试验是水文地质勘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水文地质试验和室内水文地质试验两种,其中,主要的野外水文地质试验包括抽水试验、渗水试验、注水试验、联通试验等。下面重点介绍抽水试验的相关内容,对其他试验限于篇幅只作一般介绍。一、抽水试验的目的、任务及类型(一)抽水试验的目的、任务

抽水试验是以地下水井流理论为基础,通过在井孔中进行抽水和观测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一种野外水文地质试验工作。抽水试验在各个勘查阶段都很重要,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计算成果的精确程度。抽水试验的主要任务如下。(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、a等)。ed(3)研究井孔的出水量(Q)与水位降深(S)的关系及其与抽水时间(t)的关系,研究降落漏斗的形状、大小及扩展过程。(4)研究含水层之间及地下水与地表水之间的水力联系,以及地下水补给通道和强径流带位置等。(5)确定含水层的边界位置及性质。(6)通过抽水试验,为取水工程提供所需水文地质数据(如影响半径、单井出水量等),评价水源地的地下水允许开采量。(二)抽水试验的类型

由于划分的原则和角度不同,所以形成的抽水试验类型繁多且相互交叉。主要有以下几种划分方法。

1)按抽水试验依据的井流理论划分(1)稳定流抽水试验。指在抽水过程中,要求流量和水位降深同时相对稳定(即不随时间而变)并且有一定延续时间的抽水试验。稳定流抽水试验结果可用稳定径流公式进行分析计算,方法简便。在补给边界附近或水源充沛且相对稳定的地段抽水可形成相对稳定的水流,可用稳定流抽水试验方法。(2)非稳定流抽水试验。指在抽水过程中,只要求水位和流量其中一个稳定、观测另一个随时间的变化的抽水试验。非稳定流抽水试验结果用非稳定径流理论进行分析计算。在实际工作中一般采用定流量(变降深)非稳定流抽水试验。自然界地下水大都是非稳定流,因此,非稳定流抽水试验有更广泛的适用性,能研究更多的因素,能测定更多的参数,并能充分利用整个抽水过程提供的全部信息,但非稳定流计算较复杂,观测技术要求高。

2)按抽水试验井孔数划分(1)单孔抽水试验。指只有一个抽水孔而无观测孔的抽水试验。该种试验方法简便,成本低廉,但所担负的任务有限,成果精度较低,一般多用于稳定流抽水试验,常用于普查和初步勘查阶段。(2)多孔抽水试验。即带观测孔的单孔抽水试验。该种试验能完成抽水试验的各项任务,所得成果精度也高,但成本一般较高,多用于详细勘探阶段。(3)干扰抽水试验(或称群孔抽水试验)。指在相距较近的两个或多个孔中同时抽水,造成水位降落漏斗相互重叠干扰,各孔的水位和流量有明显相互影响的抽水试验。一般在抽水孔周围还配有若干观测孔。按抽水试验的规模和任务,又可分为一般干扰井群孔抽水试验和大型群孔抽水试验。

3)按抽水井的类型划分(1)完整井抽水试验。即在完整井孔(过滤器长度等于含水层厚度)中进行的抽水试验。(2)非完整井抽水试验。即在非完整井孔(过滤器长度小于含水层厚度)中进行的抽水试验。

4)按抽水试验的含水层情况划分(1)分层抽水试验。以含水层为单位进行抽水试验,以单独求取各含水层的水文地质参数。如对潜水、承压水或孔隙水与裂隙水、岩溶水,应当进行分层抽水,以分别掌握各层的水文地质特征。(2)分段抽水试验。即在透水性有较大差异的巨厚含水层中,分不同岩性段(如上、中、下段)进行抽水试验,以了解各段的透水性及水量情况。(3)混合抽水试验。即在井孔中将不同含水层合为一个试验段进行抽水,以了解各层的混合平均状况和井孔的整体出水能力。混合抽水试验如需配备观测孔时,必须分层设置。

5)按抽水顺序划分(1)正向抽水。降深由小到大,有利于抽水井孔周围天然过滤层的形成,多用于松散含水层。(2)反向抽水。降深由大到小,抽水开始时的大降深有利于对井壁和裂隙的清洗,多用于基岩。

不同类型的抽水试验,主要解决的问题是不一样的(表2-14)。表2-14 各种抽水试验可解决的水文地质问题

至于在具体的水文地质勘查工作中选用何种抽水试验,主要取决于勘查工作进行的阶段和主要目的。在区域性水文地质调查及专门性水文地质调查的初始阶段,抽水试验的目的主要是获得含水层具代表性的水文地质参数和富水性指标(如钻孔的单位涌水量或某一降深条件下的涌水量),故一般选用单孔抽水试验即可;当只需要取得含水层渗透系数和涌水量时,一般选用稳定流抽水试验;当需获得渗透系数、导水系数、贮水系数及越流系数等更多的水文地质参数时,则须选用非稳定流的抽水试验方法;在专门性水文地质调查的详勘阶段,当希望获得开采孔群(组)设计所需水文地质参数(如影响半径、井间干扰系数等)和水源地允许开采量(或矿区排水量)时,则须选用多孔干扰抽水试验;当设计开采量(或排水量)远比地下水补给量小时,可选用稳定流的抽水试验方法,反之,则选用非稳定流的抽水试验方法。二、抽水孔和观测孔的布置要求(一)抽水孔的布置要求

抽水孔的布置,应根据勘查阶段,水文地质条件和地下水资源评价方法等因素确定,并宜符合下列要求。(1)根据勘查阶段布置抽水孔,抽水孔占勘查孔(不包括观测孔)总数的百分比(%),宜不少于表2-15的规定。

a. 详查阶段,在可能富水的地段均宜布置抽水孔。

b. 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。表2-15 抽水孔占勘查孔总数的百分比(%)[据《供水水文地质勘察规范》(GB 50027—2001)]注:抽水试验的工作量中,宜包括带观测孔的抽水试验。(2)布置抽水孔时要考虑抽水试验的目的和任务。

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,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。

b. 对于探采结合的抽水井(包括供水勘探阶段的抽水井),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,以便观测到边界两侧明显的水位差异或查明两侧的水力联系程度。(3)在布置带观测孔的抽水井时,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,则应考虑附近有无布置水位观测井的条件。(4)抽水孔附近不应有其他正在使用的生产水井或地下排水工程。(5)抽水井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。(二)水位观测孔的布置要求

1. 布置抽水试验水位观测孔的意义(1)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。这是因为:观测孔中的水位,不存在抽水孔水跃值和抽水孔附近三维流的影响,不存在抽水主孔“抽水冲击”的影响,水位波动小,水位观测数据精度较高。(2)利用观测孔的水位,可用多种方法求解水文地质参数。(3)利用观测孔水位,可绘制出抽水的人工流场图(等水位线或下降漏斗),从而可帮助我们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(分析水文地质条件)。(4)一般大型孔群抽水试验,可根据观测孔控制渗流场的时、空特征,作为建立地下水流数值模拟模型的基础(模型验证)。

2. 水位观测孔的布置要求

抽水试验观测孔的布置,应根据试验目的和计算公式确定,并宜符合下列一般要求[据《供水水文地质勘察规范》(GB 50027—2001)]。(1)以抽水孔为原点,宜布置1~2条观测线。(2)布置一条观测线时,宜垂直地下水流向布置;布置两条观测线时,其中一条宜平行地下水流向布置。(3)每条观测线上的观测孔宜为三个。(4)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,并应保证各观测孔内有一定水位下降值。(5)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。

具体不同目的的抽水试验,其水位观测孔布置的要求是不同的。(1)为求取含水层水文地质参数,一般应和抽水主孔组成观测线。而且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。

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较下游侧小,故在与地下水流向垂直方向上布置一条观测线即可[图2-22(a)]。

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2-22(b)]。图2-22 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贮、导水性质好的方向发展(延伸)(漏斗长轴),该方向水力坡度较小;贮、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贮、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。(2)为某些专门目的进行抽水试验时,观测孔的布置以能解决实际问题为原则。研究断层的导水性时,可将观测孔布置在断层的两盘;为判别含水层之间的水力联系时,观测孔则分别布置在各个含水层中;研究河水地下水关系时,观测孔应布置在岸边;为了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位置,并在边界两侧附近都要布置观测孔。(3)对干扰井群抽水及大型抽水试验,应比较均匀地布置观测孔,以便控制整个流场的变化和边界上的水位与流量。(4)观测孔的数目、距离和深度主要取决于抽水试验的目的任务、精度要求和抽水试验类型。

a. 观测孔的数目。为求取含水层水文地质参数,一般设一个观测孔即可,在观测线上的观测孔一般为两个以上,以便使用多种方法求取水文地质参数;如需绘制漏斗剖面,则一条观测线上的观测孔不应少于三个;如判定水力联系及边界性质,则观测孔应为1~2个。

b. 观测孔的距离。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;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);最远的观测孔,要求观测到的水位降深大于20cm;相邻观测孔距离,亦应保证两孔的水位差大于20cm。

c. 观测孔的深度。要求揭穿含水层,至少深入含水层10m,或观测孔孔深达抽水主孔最大降深以下。三、抽水设备及测水工具(一)抽水设备

当前抽水试验中经常使用的抽水设备主要有以下几种(表2-16)。表2-16 常用抽水设备性能对比表

选择抽水设备时,应考虑吸程、扬程、出水量能否满足设计要求;还要考虑孔深、孔径是否满足水泵等设备下入的要求,以及搬迁难易及花费大小等。如水量较大、地下埋藏浅、降深小时可用离心式水泵;埋深或降深大、精度要求高、井径足够大时可使用深井泵;精度要求不高、井径较小,则可选用空气压缩机(风泵);井径小、埋藏较深、涌水量较小,可采用往复式水泵或射流泵。(二)测水工具

抽水试验时用的测水工具主要是水位计和流量计。

1. 水位计

在抽水试验中,常用的是电测水位计。使用时,当探头接触水面时,水和导线构成闭合电路,即可发出信号,据此确定水位(图2-23)。其信号可以是光、声或指针摆动。由于探头直径小,只需2~3cm的间隙即可测量。测量深度可达100m。误差小于1cm,但随深度增加,其误差会加大。这类水位计目前应用最广。目前我国正试制并开始使用一些既能读出瞬时水位,又便于遥控或自记的测水位仪器。

对自流水,若水位高出地表不多,可接套管测定水位,否则需安置压力计测定水位。

2. 流量计

目前抽水试验和生产中所用的流量计主要有量水容器、堰测法、孔板流量计、水表等。量水容器主要用于涌水量小或断续抽水(如提桶抽水)的情况,多用于稳定流抽水试验。

堰测法是用堰板或堰箱测量(图2-24),其中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。水自箱后部进入,从前方切口流出。适用于流量连续但又不很稳定,且在100L/s以内的流量的测定。图2-23 电测水位计工作示意图1. 套管;2. 导线;3. 电流计;4. 电池;5. 探头;6. 水位图2-24 堰箱示意图

孔板流量计的类型很多(图2-25、图2-26),但原理基本相似。在出水管末端或靠近末端设置一定直径的薄壁圆孔。抽水时测定两侧水位差,或测定距孔口一定距离处(流量计置于水管末端时)的测压水头值。此差值在固定的管径和孔口条件下,仅取决于流速,因此,根据这个压力差可以换算出流量。孔板流量计的优点是轻便、精确,但不能用于空压机抽水。图2-25 孔板流量计安装示意图1. 孔板压盖;2. 水泵;3. 截门;4. 法兰盘;5. 测压标尺;6. 水管;7. 胶管;8. 手柄;9. 有机玻璃管图2-26 圆缺孔板示意图1. 输水管;2. 圆缺孔板;3. 取压处(接水银压力计);4. 封死

还有一种叶轮式孔口瞬时流量计(流速流量计)。它利用叶轮转速测定管中水的流速,从而换算出流量。叶轮转速由电子仪器读出。其优点是体积小、质量小、操作简便,但也不能用于空压机抽水。四、抽水试验的技术要求(一)稳定流抽水试验的主要技术要求

稳定流抽水试验在技术要求上主要有水位降深(或落程)、水位降深和流量稳定后的抽水延续时间及水位和流量的观测等。

1. 水位降深

水位降深是指天然情况下的静水位与抽水时稳定动水位之间的距离。正式的稳定流抽水试验,一般要求进行三次不同水位降深的抽水,并要求各次降深的抽水连续进行,以便于确定流量(Q)和水位降深(S)之间的关系,提高水位地质参数的计算精度和预测更大水位降深时井的出水量。

对于富水性较差的含水层、非开采含水层,或最大降深未超过1m时,可只做一次最大降深的抽水试验。对松散孔隙含水层,为有助于在抽水孔周围形成天然的过滤层,一般采用正向抽水;对于裂隙含水层,为了使裂隙中充填的细粒物质(天然泥沙或钻进产生的岩粉)及早吸出,增加裂隙的导水性,可采用反向抽水。

对最大水位降深的要求主要取决于试验目的,为求参数时,降深值可小些;为地下水资源评价和疏干计算时,降深值应能保证外推至设计要求。一般抽水试验所选取的最大水位降深值(S),对潜水max含水层,S=(1/3~1/2)H(H为潜水含水层厚度);对承压含水max层,S =承压含水层的承压高度。对于三次不同水位降深的抽水试max验,其余两次降深可均匀分布,即S=1/3S,S=2/3S,以便绘1max2max制Q-S曲线。当含水层富水性好,而勘查中使用的水泵出水量又有限时,则很难达到上述抽水降深的要求,此时S等于水泵的最大扬程max即可。另外最小降深和两次降深之差一般均不得小于1m。

2. 稳定延续时间

稳定延续时间是指抽水试验孔在某一降深下水位降和流量趋于稳定后的抽水延续时间,它是抽水过程中井的渗流场达到近似稳定后的延续时间。对稳定延续时间提出要求,主要是检验抽水量和补给量是否达到平衡,保证抽水井的水位和流量真正达到稳定状态,使稳定流抽水试验的水位和流量均达到稳定的要求,保证试验的可靠性。稳定延续时间愈长愈容易发现微小而有趋势的变化和临时性补给所造成的短暂稳定或某些假稳定。

如果抽水试验的目的仅仅是求参数,则水位和流量的稳定延续时间要求达到24h即可;如果还必须确定出水井的出水能力,则水位和流量的稳定延续时间至少应达到48h;当抽水试验带有专门的水位观测孔时,距主孔最远的水位观测孔的水位稳定延续时间应不少于2h。

必须注意的是:①稳定延续时间必须从抽水孔的水位和流量均达到稳定后开始计算;②要注意抽水孔和观测孔水位或流量微小而有趋势性的变化,如果存在这种变化,说明抽水试验尚未真正进入稳定状态。

通常,抽水孔水位波动不超过平均水位降深的1%,涌水量不超过抽水量的3%即可视为稳定。水位、流量波动值按下式计算:

当降深较小(<10m)时,水位波动值以3~5cm为限,且不能有趋势性的变化(如持续下降或上升)。

3. 水位及流量观测

抽水前应观测天然条件下的静水位,并测量井深。

抽水过程中,水位、流量应同时观测,观测频率应先密后疏。一般在抽水开始后的第5min、10min、15min、25min、30min各观测一次,以后每隔30min或60min观测一次,直至水位、流量稳定,并符合稳定延续时间的要求。水位观测读数精确到厘米,当用堰板或堰箱测流量时,读数精确到毫米,对多孔抽水试验,抽水孔与观测孔应同步观测。抽水停止或中断后,应观测恢复水位,恢复水位的观测频率与抽水时相同。

另外,在抽水过程中,应观测水温、气温,一般2~4h同步观测一次,并与水位、流量观测时间相对应。抽水结束前,一般应取水样进行水质分析。(二)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定流量抽水试验和定降深抽水试验。实际生产中一般用定流量非稳定流抽水试验。在自流孔中可进行涌水试验(固定自流水头高度,而自流量逐渐减少稳定)。当模拟定降深疏干或开采地下水时,也可用定降深抽水试验。下面以定流量非稳定流抽水试验为例,说明其主要技术要求。

1. 抽水流量及流量、水位的观测要求

在定流量非稳定流抽水试验中,流量应始终保持定值,并且抽水流量在抽水井中产生的水位降深不应超过所使用的水泵吸程。对探采结合孔,应尽量接近设计需水量。另外,也可参考勘探井洗井时的水位降深和出水量来确定抽水量值。

非稳定流抽水试验流量、水位观测与稳定流抽水试验要求基本相同。流量和水位观测应同时进行,观测频率(主要是抽水前期的观测频率)比稳定流抽水试验要密。一般宜在抽水开始后第1min、2min、3min、4min、5min、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,直至满足非稳定流抽水延续时间的要求或直至水位、流量稳定。停抽或因故中断抽水时,应观测恢复水位,观测频率应与抽水一致,水位应恢复或接近恢复到抽水前的静止水位。由于水位恢复资料不受人为抽水的影响,所以常比利用抽水资料计算水文地质参数可靠。

2. 抽水延续时间

抽水延续时间主要取决于试验的目的、任务、水文地质条件、试验类型、参数计算方法等,不同试验抽水延续时间的差别很大。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,通常不超过24h,只要水位降深-时间对数(S-lgt)曲线形态比较固定和能明显地反映出含水层的边界性质即可停抽。

非稳定流抽水试验的延续时间也要考虑求参方法的要求。当试验层为无界承压含水层时,常用配线法和直线图解法求解参数。前者虽然只要求抽水试验的前期资料,但后者从简便计算取值出发,则要求S-lgt曲线的直线段(即参数计算取值段)至少能延续两个以分钟为单位的对数周期,故总的抽水延续时间应达到三个对数周期,即达1 000min(约17h)。如有多个水位观测孔,则要求每个观测孔的水位资料均符合此要求。

当有越流补给时,如用拐点法计算参数,抽水至少应延续到能可靠判定拐点(即S)为止。max

当抽水试验目的主要在于确定水井的出水量、可靠的允许开采量等时,试验延续时间应尽可能长一些,最好能从含水层的枯水期末期开始,一直抽到丰水期到来。这类抽水试验要比其他抽水试验长得多,通常不超过三个月,个别试验也可延续5~7个月。

如抽水试验的目的是为了判定边界位置和性质,则抽水的延续时间应进行到S-lgt曲线能可靠地反映出含水层边界性质为止,保证试验任务的完成。例如,对于定水头补给边界,抽水应延续到合乎稳定状态的要求;对于隔水边界,S-lgt曲线的斜率应出现明显增大段;如为直线隔水边界,抽水应延续至S-lgt曲线图上的第二直线段。(三)群孔干扰抽水试验的主要技术要求

群孔干扰抽水试验的主要目的是进行试验性开采抽水,求矿井在设计疏干降深下的排水量,对某一开采量条件下的未来水位降作出预报,或判定区域边界性质等。为便于计算,各干扰井孔的井深、井径和过滤器安装深度应尽量相同,各抽水孔抽水起止时间应相同,一般应尽抽水设备能力进行一次最大降深抽水。此类型的抽水试验,可以是稳定流抽水试验,也可以是非稳定流抽水试验,对抽水过程中出水量和水位应同步观测。

开采性抽水试验或大型群孔抽水试验,还应满足以下技术要求。(1)为了提高水量计算的精度,抽水试验一般在枯水期进行。如还需要通过抽水试验求得水源地在丰水期所获得的补给量,则抽水试验应延续到丰水期。该类型的抽水试验,其抽水和稳定时间不宜少于一个月。(2)对于供水水文地质勘查,一般要进行稳定流开采抽水试验。(3)一般应模拟未来的开采方案进行抽水,通常抽水量应尽量接近设计开采量,或至少达到设计开采量的1/3。(4)开采性抽水试验的水位降深应尽可能接近水源地(或地下疏干工程)设计的水位降深,至少应使下降漏斗中心达到设计水位降深的1/3,特别是当需要通过抽水时地下水流场分析或查明某些水文地质条件时,更须有较大的水位降深。五、抽水试验的现场工作及资料整理(一)抽水试验的现场工作

正式抽水前应进行以下准备工作。(1)掌握试验段的水文地质条件,包括试验层的埋藏、分布、边界条件及与地下水的联系等。(2)掌握抽水孔和观测孔的位置、距离、结构、孔深、止水及过滤器的安置,以及相应的水文地质剖面。(3)检查抽水设备、动力装置等。(4)检查各种用具、记录表格是否备齐。(5)构筑或检查排水设施。(6)进行试抽。通过试抽,可以进一步洗孔,还可以全面检查抽水试验的各项准备工作,预测最大降深及相应涌水量,分配各次降深值等。

抽水试验的同时要进行现场观测和记录,主要包括以下内容。(1)测量抽水前后的孔深。此项工作的目的是核查抽水段深度、层位,判断抽水过程中是否发生了淤井。(2)观测天然水位(抽水前的静止水位)。(3)观测抽水过程中的流量和动水位(水位降深)。流量和动水位应同时观测,主孔和观测孔的水位应同步观测。抽水停止后,观测恢复水位。(4)观测水温、气温并且同时观测,一般每隔2~4h观测一次。(5)在抽水结束前,一般应取水样进行水质分析。(二)抽水试验的资料整理

在抽水试验进行过程中,应及时对抽水试验的基本观测数据——抽水流量和水位降深等观测数据进行现场检查与整理,并绘制出相应的关系曲线,这有助于及时掌握试验情况,发现异常或错误,促使抽水试验正常、顺利进行。

1. 稳定流(单孔)抽水试验的现场资料整理(1)绘制流量、水位历时曲线(Q-t和S-t曲线)。对稳定流的抽水试验,在试验过程中应及时绘制出Q-t 和S-t 曲线图(图2-27),在正常抽水情况下,Q-t 和S-t 曲线是近乎平行的,可以帮助我们及时了解抽水试验进行的是否正常,同时可根据Q-t 和S-t 曲线变化趋势,合理制定稳定延续时间的起点和确定稳定延续时间。图2-27 Q-t及S-t历时曲线图(2)绘制涌水量与水位降深曲线(Q-S曲线)和单位涌水量与水位降深关系曲线(q-S曲线)。根据稳定流抽水试验资料,将三次降深值和对应的流量标绘在Q-S坐标图上,即为Q-S曲线图(图2-28)。单位涌水量(q)是指某此降深内,水位下降1m时井孔的出水量,即q=Q/S(i=1,2,3),将三次降深所对应的单位涌水量标iii绘在q-S坐标图上,即为q-S曲线图(图2-29)。Q-S曲线和q-S曲线是相对应的,两种曲线可以帮助我们了解含水层的水力特性(含水层类型),推算钻孔的出水能力,检查试验是否有误等。常见的Q-S、q-S曲线类型有五种(图2-28、图2-29)。

曲线Ⅰ为直线型,表示承压井流(或厚度很大、降深相对较小的潜水井流)。

曲线Ⅱ为抛物线型,表示潜水或承压转无压的井流(或为三维流、紊流影响下的承压井流)。

曲线Ⅲ为幂曲线,表明含水层规模有限,水源不足,补给条件不好,从某一降深值起,涌水量随降深的加大而增加很少。

曲线Ⅳ为对数曲线,表明含水层补给条件差、补给量衰竭或水流受阻,Q随S加大反而减少。

曲线Ⅴ通常表明试验有错误,但也可能反映在抽水过程中,原来被堵塞的裂隙、岩溶通道被突然疏通等而出现的异常情况。图2-28 Q-S曲线图图2-29 q-S曲线图

2. 非稳定流抽水试验现场资料整理

对于非稳定流抽水试验,在抽水试验过程中主要是绘制水位降深和时间的各类关系曲线,这些曲线,除用于掌握抽水试验进行得是否正常和帮助确定试验的延续、终止时间外,主要是为了计算水文地质参数,故在抽水试验现场应编制出能满足所选用参数计算方法要求的曲线形式。在一般情况下,主要编制S-lgt曲线或lgS-lgt曲线,当水位2观测孔较多时,还需编制S-lgr或S-lg(t/r)曲线(r为观测孔至抽水主孔距离)。

停抽后的水位恢复观测资料不受抽水时流量波动的干扰,因此用水位恢复资料计算参数更为准确,为此应编绘出S′-lg(1+t/t′)曲线p图,S′为剩余水位降深;t为抽水的持续时间;t′为停抽后算起的水位p恢复时间。

3. 群孔干扰抽水试验现场资料整理

对群孔干扰抽水试验,除编制各抽水孔和观测孔的S-t曲线(主要用于稳定流抽水),S-lgt曲线(非稳定流抽水)和各抽水孔及群孔的Q-t曲线图外,还须编绘试验区抽水开始前的初始等水位线图、不同抽水时刻的等水位线图、不同方向的水位下降漏斗剖面图及水位恢复阶段的等水位线图,有时还需编制某一时刻的等降深图等。

4. 室内资料整理

抽水试验的室内资料整理主要是编制抽水试验报告,该报告一般包括文字说明和成果图、表两部分,其具体内容应符合下列要求。(1)文字说明包括工程概况、试验目的、试验地段的水文地质条件、计算成果和分析成果、成果质量评价、对下一孔(组)试验的建议等内容。(2)成果图表即绘制抽水试验综合成果图表,其内容包括孔(井)位置,水文地质综合柱状图,抽水试验技术资料表,Q-t曲线、S-t曲线、Q-S曲线、q-S曲线、S-lgt曲线(非稳定流抽水试验)、试验数据、参数等抽水成果表,水质分析表等。成果图表可采用表2-17、表2-18的格式,并根据需要选用试验场地平面图、抽水孔和观测孔施工技术剖面图、多孔抽水试验场地内稳定或相对稳定时段的地下水等水位线图、绘制导水系数分区图、基本数据和计算成果表等。六、其他野外水文地质试验

除抽水实验外,还有许多其他野外水文地质试验,现将常用的试验简单介绍如下。(一)渗水试验

渗水试验是一种在野外现场测定包气带土(岩)层垂向渗透系数的简易方法。在研究大气降水、灌水、渠水、暂时性表流对地下水的补给量时,常需进行此种试验。

1. 渗水试验的方法

渗水试验的方法有试坑法和环渗法(单环法和双环法),它们的试验装置和特点如表2-19所示。

1)试坑法2

试坑法是指在试验层中开挖一个截面积不大(0.3~0.5m)的正方形或圆形试坑,坑底铺设2cm厚的砂砾石层,离潜水位3~5m不断将水注入坑中,并使坑底的水层厚度(z)保持一定(一般为厚10cm,表2-19),当单位时间注入水量(即包气带岩层的渗透流量)保持稳定并延续2~4h,试验即可结束。可根据达西渗透定律计算出包气带土层的渗透系数(K),即:

在通常情况下,试验点都选择在潜水位埋深较大(即L很大)的地方,渗入水的水力坡度为,于是式(2-3)可写成:表2-17 单孔抽水实验成果表[据《地下水资源勘测规范》(SL 454-2010)]表2-18 多孔抽水实验成果表[据《地下水资源勘测规范》(SL 454-2010)]表2-19 渗水试验各方法的装置及其特点(据 《工程地质手册》,1992)

式(2-5)说明,在通常条件下,包气带土层的垂向渗透系数(K)实际上等于渗入水在包气带土层中的渗透速度(V),即等于试坑底单位面积上的渗透水量。3

式中:Q——稳定渗入流量,m/d;

V——渗透水流速度,m/d;2

F——渗水坑的底面积,即过水断面面积,m;

I——水力坡度;

H——包气带岩土层的毛细上升高度,m,可直接测定或用经验k数据(表2-20);

Z——渗水坑内水层厚度,m;

L——水从坑底向下渗入的深度,m,可由实验结束后利用麻花钻(或其他钻具)探测确定。表2-20 不同岩性毛细压力水头H值表k

试坑法常用于测定毛细力影响不大的砂类土的渗透系数,不适合于毛细力影响大的黏性土类。黏性土中渗水土体浸润部分示意图如图2-30所示。图2-30 试坑渗水试验——黏性土中渗水土体浸润部分示意图

由于试坑法直接从试坑中渗水,未考虑渗入水向试坑以外土层中侧向渗入的影响,故所求得的K值常常偏大。

2)环渗法

为了克服试坑法侧向渗水的影响,常采用环渗法,环渗法有单环法和双环法。其中单环法是在试坑中嵌入一个铁环(直径约为235.75cm、高一般为0.20m),该铁环圈定面积为1 000cm,以减少侧渗,提高精度。在试验开始时,用马氏(Mariotte)瓶控制铁环内水层厚度,使之保持在10cm高度附近;试验一直进行到渗入水量固定不变时为止,就可按下式计算此时的渗透速度:

式中:V——渗透速度,cm/min;3

Q——渗入水量,cm/min;2

F——入渗面积,cm;

K——渗透系数,cm/min。表明渗透速度此时等于该岩(土)层的渗透系数。

目前多采用双环法(图2-31),整个装置由内、外环及马氏瓶组成。内、外环间水体下渗所形成的环状水帷幕即可阻止内环水向侧向渗透,使其竖直渗入,以便用内环渗水资料更精确地计算渗透系数。马氏瓶为定水头自动给水装置,为防止冲刷,环内还应铺设2cm厚的砾石层。试验时,用两瓶分别向内、外环注水,并记录渗水量,直至流量稳定并延续2~4h,即可停止注水,此时通过内环的稳定渗透速度,就是包气带岩石的渗透系数,即K=V。一般双环法的精确度高于单环法。

在野外进行渗水试验时,为了说明试验过程和渗透速度的变化情况,一般要求在试验现场绘制渗透速度随时间变化的过程线(图2-32),其稳定后的V值,即为包气带岩土层的渗透系数。由于水体下渗时岩层中的空气常常不能完全被排除,对渗水试验结果有一定影响。图2-31 双环法试坑渗入试验装置图1. 内环(直径为0.25m);2. 外环(直径为0.5m);3. 马氏瓶;4. 水量标尺(m)图2-32 渗透速度与时间关系曲线图

2. 渗水试验观测、记录和成果资料整理

在渗水试验中,应定时、准确地观测给水装置中所注入的水量。观测时间通常为渗水后的第3min、5min、10min、15min、30min各观测一次,以后每隔30min观测一次,直到流量达到稳定后2h以上。渗水试验的流量观测和成果记录表的格式可参见表2-21、表2-22。表2-21 渗水试验的流量观测记录表(据史长春,1983)表2-22 渗水试验的成果记录表(据史长春,1983)

渗水试验需提交的成果包括:①试坑平面位置图;②水文地质剖面图与试验装置示意图,并说明试验岩(土)层的名称以及其最大毛细上升高度;③流量历时曲线、渗透速度历时曲线;④渗水试验计算表(附计算公式),在计算结束后还需把渗透系数K的单位换算为“m/d”;⑤原始记录表。(二)钻孔注水试验

钻孔注水试验通常用于地下水位埋藏很深或试验层为透水不含水层,不便于进行抽水试验时采用,近似地测定该岩(土)层的渗透系数。在干的透水岩(土)层,也常使用注水试验近似测定岩(土)层渗透系数。注水试验还可用于人工补给和废水地下水处理研究。

注水试验形成的流场,正好和抽水试验相反(图2-33)。抽水试验是在含水层天然水位以下形成上大、下小的正向疏干漏斗,而注水试验则是在地下水天然水位以上形成反向的充水漏斗,在试验过程中往钻孔中注水,一般采用稳定注水方法,使孔中水位抬高,造成水流图2-33 钻孔注水试验示意图(据《工程地质手册》,1992)由钻孔内向外周含水层运动的现象,形成一个以钻孔为中心的反漏斗曲面;再往孔中注入一定的水量,使钻孔中的水位抬高到一定的高度;当其水位和注水量稳定时,则可按注水井公式计算岩层的渗透系数。

公式建立过程与抽水井的裘布依公式的原理相似。其不同点仅为注水时由于注入的水是沿井壁向外流的,故水力坡度为负值。连续往孔内注水,形成稳定的水位和常量的注入量。注水的稳定时间因目的和要求不同而异,一般延续2~8h。

注水试验的方法、观测要求与抽水试验基本相同,在此不予重复。但必须指出,由于注水井未经洗孔等过程,故所测得的渗透系数较抽水试验测得的渗透系数小,且它不能求钻孔涌水量和水位降深的关系。因此,只在地下水埋深很大、进行抽水试验确有困难并有注入水源的情况下,才用注水试验来近似地测定岩(土)层的渗透系数。(三)地下水实际流速和流向的测定

地下水实际流速和流向的测定是密切相关的,在测定地下水实际流速前应先测定或确定地下水流向。

1. 地下水流向的测定

地下水的流向是阐明区域地下水径流条件,确定地下水补给方向和流量计算断面的方向,正确布置地下水取水、排水、堵水截留工程设施以及示踪试验井组位置等必不可少的依据。地下水流向的测定(确定)方法主要有:①根据等水位线图确定,即垂直等水位线由高到低的方向就是地下水流向;②物探方法,如充电法;③三角形井孔法确定地下水流向,即大体按等边三角形布置三个钻孔,并测定天然地下水位,用插值方法作出等水位线,垂直等水位线由高到低的方向即为地下水流向(图2-34)。图2-34 地下水流向、流速测定钻孔布置示意图1. 投剂孔;2. 主要流速观测孔;3、4. 辅助观测孔;5. 地下水流向注:A、B、C为地下水位观测孔;水位标高单位为m。

2. 地下水实际流速测定

测定地下水的实际流速,主要是为了确定地下水的补给方向和强弱径流带的位置,有时还可根据地下水的实际流速来计算地下水过水断面的流量;在某些强富水层中测定地下水的实际流速,还可以用于判别地下水的运动性质(层流或紊流);可利用它研究化学物质在水中的扩散,确定含水层的一些参数以及作为决定地下水灌浆中一些技术措施的依据等。

测定地下水的实际流速有指示剂法和物探方法两种类型,这里仅介绍指示剂法。其具体方法如下。(1)测定流速前先测定地下水流向,方法同前。(2)布置投剂孔(注入孔)和观测孔(接受孔)。在地下水流向已知的基础上,沿地下水流向至少布置两个井孔,上游孔为投剂孔、下游孔为观测孔,为防止流向偏离,可在观测孔两侧相距0.5~1.0m处各布置一个辅助观测孔(图2-34)。投剂孔与观测孔之间距离主要取决于岩石透水性,一般细砂为2.5m,粗砂砾石为5~10m,透水性很强的裂隙岩层为10~15m。(3)选择示踪剂并将其投放入投剂孔中,在观测孔中进行检测。应根据实验条件和要求选择合适的示踪剂,目前我国测定实际流速主要采用化学试剂和染料(表2-23)。进行试验时,首先将示踪剂以瞬时脉冲方式注入投剂孔中的含水层段;然后用定深取样分析方法或定深探头(如离子探针等)定时观测井中示踪剂的出现;待示踪剂晕的前缘在观测孔中出现后,应加密观测(取样)次数,以准确地测定出示踪剂前缘和峰值到达观测井的时间。表2-23 示踪剂类型、特点和应用条件(4)计算地下水实际流速。因为投剂孔与观测孔的距离是已知的,所以确定地下水实际流速的问题实际上就是确定示踪剂从投剂孔到达观测孔的时间。示踪剂在孔隙和裂隙中运动,不是活塞式的推进,而是对流—弥散方式进行的,空隙通道的复杂性使观测孔中示踪剂浓度历时曲线也复杂多样,它主要取决于岩性、示踪剂类型及投剂孔和观测孔间的距离等,一般条件下观测孔中示踪剂浓度历时曲线如图2-35所示。实际上,当所测地下水用于供水时,常取B点对应时间tB参与计算;当用于疏干时,常取A、B间点C所对应的时间tC参与计算。则:

式中:u——地下水实际流速,m/h;

L——投剂孔与观测孔之间的距离,m;

t——示踪剂从投剂孔到达观测孔所需要的时间,h。图2-35 观测孔中指示剂含量变化过程曲线(四)连通试验

连通试验实质上也是一种示踪试验,它是在上游某个地下水点(水井、岩溶竖井、落水洞、地下暗河表流段、坑道等)投入某种指示剂,在下游地下水点(除前述各类水点外,还包括泉水、岩溶暗河出口等)检测示踪剂是否出现,若出现,检测其出现的时间和浓度,从而确定其连通情况。连通试验是确定研究地段地下水流经途径的一种有效方法,主要用于研究和查明岩溶地下水的运动途径、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寻找矿坑涌水的水源与通道,查明水库漏失途径,判断地下水分水岭的位置等。

由于连通试验主要是查明地下水系统的补、径、排条件,因此,对试验井点布置及试验方法没有严格要求,一般利用现有的人工或天然地下水点和岩溶通道进行试验,监测水点应尽可能地多。常用的试验方法如下。(1)水位传递法。一般是利用天然的岩溶通道,对天然地下水进行堵、闸、放水或抽水、注水等,以改变地下水流水位,而在上、下游岩溶水点(包括钻孔)和其他点上观测水位、流量的变化,从而确定其连通性及具体途径。这种方法主要用于查明岩溶管流区岩溶水点间的联系。但也应考虑到,这种方法可能引起地下水天然流动方向的改变。(2)示踪试验法。一般在岩溶管道发育区和裂隙岩溶区进行此种试验。常利用天然岩溶水点投放和接收示踪剂,一般可选用谷糠、锯屑、石松孢子、黄泥等作为指示剂。其次还可投放食盐、荧光素、天然放射性同位素等进行测试。对流量较大的地下暗河还可用漂浮式小型定时炸弹和电磁波发射器来查明地下暗河流经途径和位置。近年来,一种微小的彩色塑料颗粒示踪物得到应用,此法除查明水点间连通性外,还可大致估算地下水流速。(3)气体传递法。对无水或非充满水的通道,可用烟熏、施放烟雾弹等方法,探明通道的连通性及其连通程度,但一般只能作近距离试验。

第七节 地下水动态监测

地下水的长期观测工作,也是水文地质勘查必不可少的手段之一。它对于了解地下水的形成和变化规律,获取水文地质参数,对地下水资源进行准确评价和预测,以及为地下水资源的合理开发利用和科学管理提供依据均有十分重要的意义。地下水监测常常需要长时间、有组织地搜集地下水的各类信息,形成地下水的监测系统,才能更好地做好地下水的监测工作。

地下水动态是指地下水的水位、水温、水量及水化学成分等要素随时间和空间有规律地变化,它是自然因素(如气候、水文、地质、土壤、生物等)和人为因素对地下水综合作用的过程。地下水动态监测是对一个地区或水源地的地下水动态要素(水位、水量、水质和水温等)、物理化学性质进行定时测量、记录和存储整理的过程。地下水资源较地表水资源复杂,因此地下水本身质和量的变化以及引起地下水变化的环境条件和地下水的运移规律不能直接观察,同时,地下水的污染以及地下水超采引起的地面沉降是缓变型的,一旦积累到一定程度,就成为不可逆的破坏。因此准确开发、保护地下水就必须依靠长期的地下水动态监测,及时掌握其动态变化情况。

地下水动态监测目的与任务包括以下几点。(1)监测地下水水位、水量、水温和水质的变化规律及发展趋势。(2)分析地下水动态变化的影响因素,确定地下水动态类型。(3)研究与地下水有关的环境地质问题。(4)为研究某些专门问题提供基础资料。(5)优化或完善区域地下水动态监测网。一、地下水动态监测孔(网)的布置

地下水动态监测孔(网)的布置主要取决于水文地质勘查的目的、任务、调查阶段和水文地质条件等。根据其目的、任务,可把地下水动态监测孔(网)分为区域性基本监测孔(网)和专门性监测孔(网)两种。区域性基本监测孔(网)的主要任务是研究地下水水位、水量、水温和水质等的一般变化规律,查明地下水动态的成因类型,积累区域内地下水动态多年监测资料;专门性监测孔(网)主要是为了专门的目的任务(如供水、地下水管理等)或特殊要求布置的。

总的来说,对地下水动态监测孔(网)布置的基本要求如下。(1)地下水动态监测点,应尽量利用已有的钻孔、水井和泉,被利用的监测点应有完整的水文地质资料。(2)为了查明区域地下水补、径、排条件及不同地区水质、水温、水位和水量变化情况,监测点应分布均匀,从补给区→径流区→排泄区及不同含水介质都要有监测点控制,这样可以绘制不同时期的等水位(压)线和水质等值线图,便于分析径流条件和水质变化。(3)地下水补给边界处要控制一定数量的监测孔,而且要布置在有代表性的边界地段。(4)为查明两个水源地的相互影响或附近矿区排水对水源地的影响,应在连接两个开采漏斗中心线方向上布置监测线,在开采漏斗内应适当加大监测点密度。(5)在多层含水层分布地区,为查明各含水层之间的水力联系,应布置分层监测孔组。(6)为查明污染源对水源地地下水水质的影响,监测孔应沿污染源至水源地的方向布置,并使监测线贯穿水源地各个卫生防护带。(7)为查明地下水与地表水之间的补排关系,应垂直地表水体的岸边布置监测线,并对地表水水位、流量、水温、水质进行监测。(8)为查明咸水与淡水分界面动态特征,应垂直咸水与淡水的分界面布置监测线。(9)为查明水源地在开采过程中下降漏斗的发展情况,通过漏斗中心布置相互垂直的两条监测线。(10)基岩地区应在主要构造富水带、岩溶大泉、地下河出口处及地下水与地表水相互转化处布置监测点。(11)为获得计算地下水径流量用的水位动态资料,监测线应垂直和平行计算断面布置。(12)为获得计算地区降水入渗系数用的水位动态资料,监测孔应布置在有代表性的不同地段。

另外,长期监测孔(网)的布置,还应考虑不同勘查阶段的工作要求。一般在普查阶段,可适当布置一些长期监测孔;在详查阶段,应建立基本的监测线网和控制性监测井孔;勘探阶段,应增加专门性监测线(网)的布置,健全地下水动态监测点,监测点、线、网应有机结合。二、地下水动态监测的主要技术要求

1. 监测孔结构

监测孔的结构取决于含水层性质、监测层数和内容,如松散层应设置过滤器,一孔监测多层(图2-36、图2-37)则要求分层止水,孔径应保证能安装各层测水管,如监测孔有测流量的要求,其孔径应能够下入抽水设备。监测孔的深度,根据要求可以是完整孔或非完整孔,后者的孔深一般应达到所要监测的含水层最低水位以下2~5m。通常监测孔孔口应高出地面0.5~1.0m,并在孔口加保护帽。孔口应有固定的监测水准。对每个监测点,均应建立技术档案资料。图2-36 同孔分层监测管的安装1. 固定井台;2. 止水深度;3. 第一含水层;4. 第二含水层;5. 同心式内管可测第二含水层水位;6. 两管之间可测第一含水层水位;7. 监测管口保护帽图2-37 一孔多层水位监测孔结构图1. 砂砾填料;2. 黏土止水;3. 混凝土堵塞;4. 监测孔过滤器;5. 水位

2. 监测内容和技术要求

地下水动态监测项目主要是地下水位、水量、水质、水温。必要时还需监测地表水、气象要素、环境地质现象等。

地下水动态监测内容主要包括地下水水位、水量(主要是泉、地下河出口、自溢孔和生产井的流量)、水质、水温、环境地质问题以及气象要素的监测,当研究地表水体与地下水关系时,还应包括地表水体的水位、流量、水质的监测。(1)地下水水位监测。必须测量其静水位,水位测量精确到厘米。一般每10d(每月10日、20日、月末)监测一次,对有特殊意义的监测孔,按需要加密监测。若监测井为长年开采井,可测量动水位,每月必须对静水位数据监测一次。(2)地下水水量监测。包括监测泉水流量、自流井流量和地下水开采量。泉水与自流井流量监测频率与地下水位监测同步,流量监测宜采用容积法或堰测法,采用堰测法时,堰口水头高度(h)测量必须精确到毫米;地下水开采量的监测,宜安装水表定期记录开采的水量;未安装水表的开采井,应建立开采时间及开采量的技术档案,并每月实测一次流量,保证取得较准确的开采量数据。(3)地下水水温监测。可每月进行一次,并与水位、流量同步监测,水温测量误差小于0.5℃,同时监测气温。根据地下水位埋深和环境温度变化,采用合适的测量工具,保证监测数据的精度。(4)地下水水质监测。频率宜为每年两次,应在丰水期、枯水期各采样一次,初次采样须做全分析,以后可做简分析。(5)地表水体的监测。其内容包括水位、流量、水温、水质。地表水体的监测频率应和与其有水力联系的地下水监测同步。当河流设有可以利用的水文站时,可搜集该水文站的有关资料。(6)区域地下水动态长期监测孔宜安装水位、水温自动记录仪器。(7)环境地质监测。包括与地下水有关的水环境问题、地质环境问题和生态环境问题,应根据水文地质条件和存在的主要环境地质问题及其严重程度,新建或利用已建立的设施进行与地下水动态相应的环境地质监测。

同一水文地质单元应力求各点同时监测,否则应在季节代表性日期内统一监测。为了能从动态变化规律中分析不同动态要素间的相互联系,对各项目的监测时间在一年中至少要有几次是统一的。

为查明地下水动态与当地水文、气象因素的相互关系,应系统搜集工作区范围内多年的水文、气象资料。在水文、气象资料不能满足地下水均衡计算的地区,应对水文、气象作短期监测工作。三、地下水动态监测资料整理与分析

地下水动态监测所获取的资料量大,因此必须对监测资料进行系统、全面的整理,从中研究地下水动态变化规律。由于地下水监测工作是长期、连续进行的,因此,必须对所获得的资料进行经常性的整理与分析,一般分为日整理、月整理、年终整理、多年资料整编等。最好能用地下水计算机数据库系统进行数据处理和资料整编。(1)编制地下水动态监测资料统计表(报表)。主要包括地下水动态各要素以及水文、气象要素的月、年及多年报表。(2)绘制地下水动态综合曲线图或各种关系曲线。根据需要和按动态要素与影响因素的相关性,编制各种综合曲线图(把动态要素与主要影响因素的历时变化绘在同一张图上称综合曲线图)、动态要素间或动态要素与影响因素间的关系曲线图。如潜水动态综合曲线图(图2-38)、潜水位变幅与降水关系曲线图、河水位与地下水关系曲线图等。图2-38 潜水动态综合曲线图(3)各监测线地下水动态要素剖面图。地下水动态要素剖面图是沿一定方向,把监测点代表性时刻(如丰水期、枯水期)的动态要素值(如水位、水质、水温等)绘制成图,同时图上还应附有含水层、隔水层、监测孔等内容。如水化学剖面图、水位动态剖面图等。剖面图能反映动态要素沿监测线方向上的变化,以及在时间和空间上的变化。(4)动态要素平面图。如果监测点和监测资料较多,一般还应编制各种不同要素在代表性时期(丰、枯水期等)的平面图,以说明地下水动态在平面上的变化规律。如不同时期等水位线系列图、潜水埋藏深度图、水化学类型图、某要素等值线或变幅等值线图等。

第八节 同位素技术在水文地质勘查中的应用

一、概述

自20世纪50年代以来,国外在水文地质研究中使用了同位素技术,并使其获得了迅速发展。在水文地质研究成果中,如缺少相应的同位素研究数据和资料,则其质量将会降低。

元素的同位素指某一种元素具有的原子序数相同而原子量不同的数种原子。所谓原子序数是每一种元素原子核的质子数,对某一种元素来说,其质子数是一定的,但中子数可以不同,故原子量可以不同,这样就形成了该元素的同位素。自然界中某些元素常见多种同位素,161718623如氧有O、O、O三种同位素,氢有H、H(D,氘)、H(T,143氚)三种同位素等。同位素可以分为放射性同位素如C、H等和稳131212161718定同位素如C、C、H、H、O、O、O等。地下水中稳定同位素成分及其含量变化,主要是由于地下水在埋藏和循环过程中因地球物理、地球化学和生物化学作用发生的同位素分馏作用引起;放射性同位素的成分及含量变化主要是由于核物理作用引起的放射性衰变作用形成。二、同位素技术在水文地质研究中的应用

1)利用放射性同位素测定地下水的年龄

放射性同位素处于不断地蜕变之中,一种放射性元素的衰变期是一个常数,可据此测定地下水的年龄。

氚是氢的一种宇宙射线成因的放射性同位素,它是在大气上部由14于宇宙射线快速中子与稳定的N原子发生核反应而产生的:7

氚原子生成后,很快就同大气中的氧原子化合成HTO水分子。HTO与大气水混合并随之一起降落到地表后再渗入地下,成为地下水的组成部分。从高空生成到进入地下水的过程中,氚要不断地衰变,因此氚在水中的浓度不断减少,地下水埋藏越深,循环时间越长,氚值越低。氚的半衰期为12.26年,因此,根据地下水中氚含量的降低情况可判断地下水的年龄。

2)利用稳定同位素研究地下水的起源和形成

不同起源的地下水由于水的来源和形成环境不同,其氢、氧同位18素的组成也有很大差异。大气降水与河水中D和O最少,海水中二18者比较富集,强烈蒸发浓缩的埋藏水中的D和O含量也较高。因此18测定了地下水中的D和O便不难确定地下水的起源。表2-24为各种18成因的地下水中δD和δO的变化范围。表2-24 天然水氢、氧同位素组成变化范围注:δ为以千分偏差(‰)表示的样品对标准样品的偏离度,其中R为同位素比值,是一种元素的稀有与富含的同位素封堵之比,如R(D)=D/H。

3)确定不同含水层之间的水力联系以及各种来源水的混合比例

由于不同含水层地下水的同位素组成不同,故根据各含水层中T18和O的含量便可判别它们之间是否有水力联系及相互联系的程度与补给比例。同位素方法是判别矿井充水水源及含水层之间水力联系的可靠手段,常能取得比较好的效果。

4)判别地下水与地表水之间的水力联系1818

地表水由于蒸发比较强烈,D和O富集,因此地表水的D和O18的含量总是高于地下水,因此,可根据水中δD和δO图上直线的斜率来判别它们之间是否有水力联系。

5)利用稳定同位素研究地下水中化学组分的来源

不同成因的岩石其同位素组成不同,根据同位素组成,可以判别水是来自岩浆岩还是沉积岩,是来自陆相沉积还是海相沉积。例如淡12131213水碳酸岩的C/C比值较大,而海水的较小,根据水中C/C的比值大小,就可确定地下水的补给与形成历史。

6)利用放射性同位素示踪研究地下水运动及水文地质过程

放射性同位素作为示踪剂具有化学性质稳定、不会被岩石吸附、监测灵敏度高等优点。在岩溶地下河系的上游投入某种放射性元素如氚等,在下游监测其含量变化情况,可以确定岩溶通道的分布和联通情况、地下水流速、含水层之间及其与地表水体间的水力联系情况及确定矿井涌水的水源。

7)利用井的示踪试验及人工放射源测定水文地质参数

将人工放射性同位素投入井中示踪地下水的流动,可求得流向、流速、渗透系数,利用多井进行示踪还可求得孔隙度、导水系数和实际流速等资料。

第九节 水文地质勘查技术手段的选择

在水文地质勘查中,如何合理选用勘查技术手段是编制水文地质勘查设计时要重点考虑的一个方面。选择合适的勘查技术手段,可降低成本、减少损失、提高效率和缩短勘查工期。选择勘查技术手段总的原则是:“先地面后地下、先物探后钻探”;取长补短;综合运用。实际工作中,要综合考虑影响勘查技术手段的不同因素,正确选择和确定使用的勘查技术手段。一般来说,影响勘查技术手段选择的主要因素包括勘查阶段、地质-水文地质条件、自然地理条件、施工条件等。

在不同的勘查阶段,对勘查技术手段选择时的侧重点和工作内容是有差异的。水文地质勘查的阶段不同,采用的勘查手段也不相同。在水文地质普查阶段,为地区总的经济建设规划提供水文地质资料而进行的区域水文地质调查,其勘查手段以水文地质测绘为主,配合少量的物探、坑探、钻探和试验工作;在水文地质详查阶段,主要以大中比例尺的水文地质测绘为主,配合少量的水文地质钻探、试验和一定时期的地下水长期监测工作;在水文地质勘探阶段,主要以钻探及试验为主,并要求进行一年以上的地下水动态监测以及全面的室内实验、分析和研究;在开采阶段的主要勘查手段是进行水源地开采动态的研究,必要时辅以补充勘探、专门试验等。具体可参见表2-25。表2-25 水文地质勘查各阶段的勘查技术手段(据史长春,1983,修改)

勘查区的地质-水文地质条件决定了勘查技术手段的种类和具体工程点的密度、间距。若地质-水文地质条件相对简单,则选择水文地质测绘、地面物探、轻型坑探、少量的钻探并辅以必要的水文地质试验和监测工作,且各勘查工程的线(网)距、点距可适当放稀,就可达到勘查工作的要求;反之,若地质-水文地质条件相对复杂,则选择在大中比例尺的水文地质测绘、地面物探的基础上,选择钻探并配合专门物探、井下物探和大量的水文地质试验、长期监测等工作,各勘查工程的线(网)距、点距应适当加密,才能达到勘查工作的要求。

自然地理条件一般包括工作区的地形地貌、气候、水系发育程度、基岩的出露情况、第四系覆盖层(表土)的厚度等。实际工作中,对具有代表性的自然地理条件可进行分区,具体可划分为平原地区、丘陵地区、岩溶地区、黄土地区、滨海地区、冻土地区等;或根据工作区是否有表土覆盖,分为松散层区、基岩区等。不同的自然地理条件直接影响勘查手段的选择,例如,表土掩盖程度高,不宜用水文地质测绘;表土厚、多水则不宜用坑探等。

施工条件主要是指勘查区的交通、水源、电力等条件,也会影响勘查技术手段的选择,如交通、电力、水源不便,则不太适宜选择钻探手段。

另外,勘查单位技术力量和水平、设备配置数量及先进性等,也在一定程度上影响手段的选择。如“3S”技术、空气钻进技术、无固相冲洗液钻进技术、绳索取芯等新技术、新方法的推广应用等。

思考题1. 遥感技术在水文地质勘查中有什么作用?2. 什么是水文地质测绘?测绘的目的与任务是什么?3. 试述基岩地质、地貌调查的研究内容?4. 水文地质测绘的主要内容是什么?5. 对泉的调查研究主要有哪些内容?6. 井孔的调查研究有哪些内容?7. 简述几种地球物理勘探方法的原理?8. 常见地球物理测井技术有哪些?9. 简述地球物理勘探在水文地质勘查中的运用?10. 什么是坑探工程?试述常用坑探工程的特点和用途。11. 什么是水文地质钻探?水文地质钻探的任务是什么?12. 水文地质钻探与一般的地质钻探相比,具有哪些特点?13. 试述水文地质钻探中的钻进方法。14. 根据承担的主要任务,水文地质钻孔可被划分为哪些类型,各承

担什么任务?15. 水文地质钻孔结构包括哪些部分?16. 水文地质钻孔对孔深、孔径、过滤器有什么要求?17. 抽水试验的作用是什么?18. 试述抽水试验的类型及应用条件。19. 什么是稳定流抽水试验?什么是非稳定流抽水试验?20. 简述单孔抽水试验、多孔抽水试验、干扰抽水试验的含义。21. 简述抽水孔的布置要求。22. 抽水试验中为什么要布置监测孔?监测孔的布置要求有哪些?23. 试述常用抽水设备及其应用条件。24. 简述有哪些流量计?25. 稳定流抽水试验的主要技术要求有哪些?26. 试述非稳定抽水试验和干扰抽水试验的技术要求。27. 试述抽水试验的现场监测和记录内容。28. 试说明稳定流抽水试验的Q-t,S-t曲线图的作用。29. 简述Q-S和q-S曲线的类型及其水文地质意义。30. 简述渗水试验的用途及常用方法。31. 注水试验在什么条件下适用?其所得参数与抽水试验有何不同?32. 地下水的流向、流速如何测定?常用的示踪剂有哪些类型?33. 简述常用的联通试验方法。34. 地下水动态监测的含义是什么?试述地下水动态监测孔(网)布

置的基本要求。35. 地下水动态监测的内容有哪些?36. 如何整理地下水动态监测资料?37. 试述地下水环境监测点(网)布设的原则和要求。38. 地下水环境监测中常规监测项目有哪些?39. 试述同位素技术在水文地质研究中有什么用途。40. 试述如何合理选择勘查技术手段。

第三章 水文地质勘查采样

水文地质勘查采样是指在地表水体、地下含水层或土层、岩层中采集一小部分水、土、岩石、气体等作为测试、化验用样品的工作过程。在水文地质勘查中,由于研究的主要对象是水,故采集的样品中,水样占大多数,除此以外,还要按勘查设计的要求采集一定数量的其他样品,如土样、岩样、气体样、同位素样等。

对于不同种类的水文地质勘查,在任何勘查阶段采用不同的勘查技术手段进行勘查时,都应按照勘查设计的要求采集岩、土、水、气、同位素等样品,经过专门的测试后,得到相关的测试结果,对勘查区水、岩、土等特征进行准确分析和研究,有利于提高勘查成果的精度。

第一节 采样的目的与要求

一、采样的目的

采样的目的是通过对水样等进行野外现场或室内测试,得到水样的相关物理化学参数后,以查明地下水的类型、水位、水量、水质、水温、pH值等,确定勘查区内地表水、地下水的补、径、排条件,为地下水的动态监测、环境监测、水质评价提供可靠的参数,进而为水资源开发利用、保护、管理等提供依据。因此,采样是水文地质勘查中的一项重要工作,也可以把它看作一种特殊的勘查技术手段或方法。二、采样的要求

1. 采样的基本要求

采样工作贯穿于各类水文地质勘查的不同勘查阶段,一般在编制勘查设计时,就应同时做好采样设计,对采样点的布置、采样的方法以及在样品采集设备、包装、送验等方面提出要求。为提高样品质量,在采样时应注意以下几点基本要求。(1)采样要如实地反映含水层、岩土层及地表水体等的自然特征。采样时,应严格按操作规程采集样品,要做到样品不污染、不混入杂质、不人为地多采或少采样品等。(2)采样地点要有代表性。保证样品能反映工作区水、岩、土的总体特征,在采样地点、深度等方面要按计划选择。(3)样品的质量、体积要满足化验测试的要求。(4)采样的设备、容器及样品的包装、送验时间等,应根据不同样品的特殊要求,严格遵守有关规定。

2. 采样的具体要求

采样的具体要求应按不同种类水文地质勘查规范的规定执行。如《1:25万区域水文地质调查技术要求》(DD 2004-01)和《供水水文地质勘察规范》(GB 50027—2001)对采样的规定见表3-1。表3-1 不同规范对采样的规定

第二节 地下水样的采集

下面根据《地下水环境监测技术规范》(HJ/T 164—2004)说明地下水采样的频次和时间、工作过程、质量保证、样品管理及现场测定项目等内容。一、采样频次和采样时间

1. 确定采样频次和采样时间的原则(1)依据不同的水文地质条件和地下水监测井使用功能,结合当地污染源、污染物排放的实际情况,力求以最低的采样频次,取得最有时间代表性的样品,达到全面反映区域地下水质状况、污染原因和规律的目的。(2)为反映地表水与地下水的水力联系,地下水采样频次与时间尽可能与地表水相一致。

2. 采样频次和采样时间(1)背景值监测井和区域性控制的孔隙承压水井每年枯水期采样一次。(2)污染控制监测井逢单月采样一次,全年六次。(3)作为生活饮用水集中供水的地下水监测井,每月采样一次。(4)污染控制监测井的某一监测项目如果连续两年均低于控制标准值的1/5,且在监测井附近确实无新增污染源,而现有污染源排污量未增的情况下,该项目可每年在枯水期采样一次进行监测。一旦监测结果大于控制标准值的1/5,或在监测井附近有新的污染源、现有污染源新增排污量时,即恢复正常采样频次。(5)同一水文地质单元的监测井采样时间应尽量相对集中,日期跨度不宜过大。(6)遇到特殊的情况或发生污染事故,可能影响地下水水质时,应随时增加采样频次。二、采样技术工作过程(一)采样前的准备

1. 确定采样负责人

采样负责人负责制订采样计划并组织实施。采样负责人应了解采样的目的和要求,并了解采样监测井周围的情况,熟悉地下水采样方法、采样容器的洗涤和样品保存技术。当有现场测定项目和任务时,还应了解有关现场测定技术。

2. 制订采样计划

采样计划应包括:采样目的、监测井位、监测项目、采样数量、采样时间和路线、采样人员及分工、采样质量保证措施、采样器材和交通工具、需要现场监测的项目、安全保证等。

3. 采样器材与现场监测仪器的准备(1)采样器材。主要是指采样器和水样容器。

A. 采样器。 地下水水质采样器分为自动式和人工式两类,自动式用电动泵进行采样,人工式可分活塞式与隔膜式,可按要求选用。地下水水质采样器应能在监测井中准确定位,并能取到足够量的代表性水样。采样器的材质和结构应符合《水质采样器技术要求》中的规定。

B. 水样容器。水样容器的选择原则是:容器不能引起新的沾污;容器壁不应吸收或吸附某些待测组分;容器不应与待测组分发生反应;能严密封口,且易于开启;容易清洗,并可反复使用。

水样采集通常用硬质玻璃瓶或聚乙烯塑料瓶作为取水容器。对取水容器要彻底清洗,以去除污垢;取水样时再用所采集的水样洗涤三次以上。水样采集后应及时封盖好,并用石蜡封闭,以防运输途中水溢出。当要测定水中的不稳定成分时,取样的同时应加防稳定剂。例如分析CO时,应在取样瓶中放入CaCO粉末;分析挥发性酚、氰化23物时,应在取样瓶中加入NaOH,且pH≥12等。对泉水可以直接从泉口取样,对开采井可以在出水口取样,对观测孔需要用专门的取样器采集水样(图3-1)。图3-1 监测孔采水器装置图1. 绳子;2. 带有绳子的橡皮塞;3. 采样瓶;4. 重锤;5. 采水瓶架;6. 挂钩

为了确定不同季节地下水化学成分的变化规律和含水层之间地下水的水力联系,要在钻孔中分层采取水样作化学分析。现介绍两种取样方法。

a. 常规取样法。通常是在抽水稳定后取样。如在不抽水孔或观测孔中取样,必须先用提筒自孔内提出套管容积2~3倍的水后再取样。

b. 定深取样法。在钻孔的一定深度取水样,使用定深取水器,如图3-2所示。先用3~5mm的细钢丝绳将固定在上面的锤底下到取水深度,而后把圆筒沿着钢丝绳放下去。锤底为向上的微锥体,圆筒的上下部有密封圈。圆筒下去以后即严密地插套在锤底上,再沿钢丝绳将锤盖下入,锤盖下去后即把圆筒上部封闭,便可提钢丝绳取出取水器。

取样时,应记录钻孔深度、水样、取样前自孔内抽出的水量、取样时间、当时的水温和气温等。图3-2 定深取水器1. 锤盖;2. 细钢丝绳;3. 圆筒;4. 密封圈;5. 锤底;6. 放水阀门

水样容器选择、洗涤方法和水样保存方法见表3-2。该表中所列洗涤方法指对在用容器的一般洗涤方法。如新启用容器,则应作更充分地清洗,水样容器应做到定点、定项。表3-2 水样保存、容器的洗涤和采样体积注:1. “*”表示应尽量现场测定;“**”表示低温(0~4℃)避光保存。2. G为硬质玻璃瓶;P为聚乙烯瓶(桶)。3. ①为单项样品的最少采样量;②如用溶出伏安法测定,可改用1L水样中加19mL浓HClO。44. Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别表示四种洗涤方法:Ⅰ——洗涤剂洗一次,自来水洗三次,蒸馏水洗一次;Ⅱ——洗涤剂洗一次,自来水洗两次,1+3HNO3荡洗一次,自来水洗三次,蒸馏水洗一次;Ⅲ——洗涤剂洗一次,自来水洗两次,1+3HNO荡洗一次,自来水洗三次,去离子水洗一次;Ⅳ——铬酸洗3液洗一次,自来水洗三次,蒸馏水洗一次。5. 经160℃干热灭菌2h的微生物采样容器必须在两周内使用,否则应重新灭菌。经121℃高压蒸汽灭菌15min的采样容器如不立即使用,应于60℃将瓶内冷凝水烘干,两周内使用。细菌监测项目采样时不能用水样冲洗采样容器,不能采混合水样,应单独采样后2h内送实验室分析。(2)现场测定仪器。对水位、水量、水温、pH值、电导率、浑浊度、色、嗅和味等现场监测项目,应在实验室内准备好所需的仪器设备,安全运输到现场,使用前进行检查,确保性能正常。(二)采样方法(1)地下水水质监测通常采集瞬时水样。(2)对需测水位的井水,在采样前应先测地下水位。(3)从井中采集水样必须在充分抽汲后进行,抽汲水量不得少于井内水体积的两倍,采样深度应在地下水水面0.5m以下,以保证水样能代表地下水水质。(4)对封闭的生产井可在抽水时从泵房出水管放水阀处采样,采样前应将抽水管中存水放净。(5)对于自喷的泉水,可在涌口处出水水流的中心采样。采集不自喷泉水时,将停滞在抽水管的水汲出,新水更替之后,再进行采样。(6)采样前,除五日生化需氧量、有机物和细菌类监测项目外,先用采样水荡洗采样器和水样容器两三次。(7)测定溶解氧、五日生化需氧量和挥发性、半挥发性有机污染物项目的水样,采样时水样必须注满容器,上部不留空隙。但对准备冷冻保存的样品则不能注满容器。测定溶解氧的水样采集后应在现场固定,盖好瓶塞后需用水封口。(8)测定五日生化需氧量、硫化物、石油类、重金属、细菌类、放射性等项目的水样应分别单独采样。(9)各监测项目所需水样采集量见表3-3,其中的采样量已考虑重复分析和质量控制的需要,并留有余地。(10)在水样采入或装入容器后,立即按表3-3的要求加入保存剂。(11)采集水样后,立即将水样容器瓶盖紧、密封,贴好标签,标签设计可以根据各站具体情况,一般应包括监测井号、采样日期和时间、监测项目、采样人等。(12)用墨水笔在现场填写地下水采样记录表(表3-4),字迹应端正、清晰,各栏内容填写齐全。(13)采样结束前,应核对采样计划、采样记录与水样,如有错误或漏采,应立即重采或补采。(三)采样记录

地下水采样记录包括采样现场描述和现场测定项目记录两部分。各省可按表3-3的格式设计全省统一的采样记录表。每个采样人员应认真填写地下水采样记录表。表3-3 地下水采样记录表三、地下水采样质量保证(1)采样人员必须在通过岗前培训后持证上岗,切实掌握地下水采样技术,熟知采样器具的使用和样品固定、保存、运输条件。(2)采样过程中采样人员不应有影响采样质量的行为,如使用化妆品,在采样时、样品分装时及样品密封现场吸烟等。汽车应停放在监测点(井)下风向50m以外处。(3)每批水样,应选择部分监测项目加采现场平行样和现场空白样,与样品一起送实验室分析。(4)每次测试结束后,除必要的留存样品外,样品容器应及时清洗。(5)各监测站应配置水质采样准备间,地下水水样容器和污染源水样容器应分架存放,不得混用。地下水水样容器应按监测井号和测定项目分类编号、固定专用。(6)同一监测点(井)应有两人以上进行采样,注意采样安全,采样过程要相互监护,防止中毒及掉入井中等意外事故的发生。

第三节 地下水样品管理

一、样品运输(1)不得将现场测定后的剩余水样作为分析样品送往实验室。(2)水样装箱前应将水样容器内外盖盖紧,对装有水样的玻璃磨口瓶应用聚乙烯薄膜覆盖瓶口并用细绳将瓶塞与瓶颈系紧。(3)同一采样点的样品瓶尽量装在同一箱内,与采样记录逐件核对,检查所采水样是否已全部装箱。(4)装箱时应用泡沫塑料或波纹纸板垫底和间隔防震。有盖的样品箱应有“切勿倒置”等明显标志。(5)样品运输过程中应避免日光照射,气温异常偏高或偏低时还应采取适当保温措施。(6)运输时应有押运人员,防止样品损坏或受沾污。二、样品交接

样品送达实验室后,由样品管理员接收。(1)样品管理员对样品进行符合性检查,包括:①样品包装、标志及外观是否完好;②对照采样记录单检查样品名称、采样地点、样品数量、形态等是否一致,核对保存剂加入情况;③样品是否有损坏、污染。(2)当样品有异常,或对样品是否适合监测有疑问时,样品管理员应及时向送样人员或采样人员询问,样品管理员应记录有关说明及处理意见。(3)样品管理员确定样品唯一性编号,将样品唯一性标识固定在样品容器上,进行样品登记,并由送样人员签字(表3-4)。(4)样品管理员进行样品符合性检查、标识和登记后,应尽快通知实验室分析人员领样。表3-4 样品登记表三、样品标识(1)样品唯一性标识由样品唯一性编号和样品测试状态标识组成。各监测站可根据具体情况确定唯一性编号方法。唯一性编号中应包括样品类别、采样日期、监测井编号、样品序号、监测项目等信息。

样品测试状态标识分未测、在测、测毕三种,可分别以表示。样品初始测试状态为“未测”,由样品管理员标识。(2)样品唯一性标识应明示在样品容器较醒目且不影响正常监测的位置。(3)在实验室测试过程中由测试人员及时做好分样、移样的样品标识转移,并根据测试状态及时作好相应的标记。(4)样品流转过程中,除样品唯一性标识需转移和样品测试状态需标识外,任何人、任何时候都不得随意更改样品唯一性编号。分析原始记录应记录样品唯一性编号。四、样品贮存(1)每个监测站应设样品贮存间,用于进站后测试前及留样样品的存放,两者需分区设置,以免混淆。(2)样品贮存间应置冷藏柜,以贮存对保存温度条件有要求的样品。必要时,样品贮存间应配置空调。(3)样品贮存间应有防水、防盗和保密措施,以保证样品的安全。(4)样品管理员负责保持样品贮存间清洁、通风、无腐蚀的环境,并对贮存环境条件加以维持和监控。(5)地下水样品变化快、时效性强,监测后的样品均留样保存的意义不大,但对于测试结果异常样品、应急监测和仲裁监测样品,应按样品保存条件要求保留适当时间。留样样品应有留样标识。

第四节 地下水现场监测

凡能在现场测定的项目,均应在现场测定。一、现场监测项目

包括水位、水量、水温、pH值、电导率、浑浊度、色、嗅和味、肉眼可见物等指标,同时还应测定气温、描述天气状况和近期降水情况。二、现场监测方法

1. 水位(1)地下水水位监测要测量静水位埋藏深度和高程。水位监测井的起测处(井口固定点)和附近地面必须测定高度。可按《水文普通测量规范》(SL 58-1993)执行,按五等水准测量标准监测。(2)水位监测每年两次(丰水期、枯水期各一次)。(3)与地下水有水力联系的地表水体的水位监测应与地下水水位监测同步进行。(4)同一水文地质单元的水位监测井,监测日期及时间尽可能一致。(5)有条件的地区,可采用自记水位仪、电测水位仪或地下水多参数自动监测仪进行水位监测。(6)手工法测水位时,用布卷尺、钢卷尺、测绳等测具测量井口固定点至地下水水面垂直距离两次,当连续两次静水位测量数值之差不大于±1cm/10m时,将两次测量数值及其均值记入地下水采样记录表(表3-3)内。(7)水位监测结果(m)记至小数点后两位。(8)每次测水位时,应记录监测井是否曾抽过水,以及是否受到附近井的抽水影响。

2. 水量(1)生产井水量监测可采用水表法或流量计法。(2)自流水井和泉水水量监测可采用堰测法或流速仪法。(3)当采用堰测法或孔板流量计进行水量监测时,固定标尺读数应精确到mm。3(4)水量监测结果(m/s)记至小数点后两位。

3. 水温(1)对下列地区应进行地下水温度监测:地表水与地下水联系密切地区;进行回灌地区;具有热污染及热异常地区。(2)有条件的地区,可采用自动测温仪测量水温,自动测温仪探头位置应放在最低水位以下3m处。(3)手工法测水温时,深水水温用电阻温度计或颠倒温度计测量,水温计应放置在地下水面以下1m处(对泉水、自流井或正在开采的生产井可将水温计放置在出水水流中心处,并全部浸入水中),静置10min后读数。(4)连续监测两次,连续两次测值之差不大于0.4℃时,将两次测量数值及其均值记入地下水采样记录表(表3-3)内。(5)同一监测点应采用同一个温度计进行测量。(6)水温监测每年一次,可与枯水期水位监测同步进行。(7)监测水温的同时应监测气温。(8)水温监测结果(℃)记至小数点后一位。

4. pH值

用测量精度高于0.1的pH计测定。测定前按说明书要求认真冲洗电极并用两种标准溶液校准pH计。

5. 电导率

用误差不超过1%的电导率仪测定,报出校准到25℃时的电导率。

6. 浑浊度

用目视比浊法或浊度计法测量。

7. 色(1)黄色色调地下水色度采用铂-钴标准比色法监测。(2)非黄色色调地下水,可用相同的比色管,分取等体积的水样和去离子水比较,进行文字定性描述。

8. 嗅和味

测试人员应不吸烟,未食刺激性食物,无感冒、鼻塞症状。(1)原水样的嗅和味。取100mL水样置于250mL锥形瓶内,振摇后从瓶口嗅水的气味,用适当词语描述,并按六级记录其强度。与此同时,取少量水样放入口中(此水样应对人体无害),不要咽下去,品尝水的味道,加以描述,并按六级记录强度等级(表3-5)。(2)原水煮沸后的嗅和味。将上述锥形瓶内水样加热至开始沸腾,立即取下锥形瓶,稍冷后按(1)法嗅气和尝味,用适当的词句加以描述,并按六级记录其强度,如表3-5所示。表3-5 嗅和味的强度等级注:有时可用活性炭处理过的纯水作为无嗅对照水。

9. 肉眼可见物

将水样摇匀,在光线明亮处迎光直接观察,记录所观察到的肉眼可见物。

10. 气温

可用水银温度计或轻便式气象参数测定仪测量采样现场的气温。三、现场监测仪器设备的校准(1)自记水位仪和电测水位仪应每季校准一次,地下水多参数自动监测仪每月校准一次,以及时消除系统误差。(2)布卷尺、钢卷尺、测绳等水位测具每半年检定一次(检定量具为50m或100m的钢卷尺),其精度必须符合《中国国家计量检定规程》允许的误差规定。(3)水表、堰槽、流速仪、流量计等计量水量的仪器每年检定一次。(4)水温计、气温计最小分度值应不大于0.2℃,最大误差不超过±0.2℃,每年检定一次。(5)pH计、电导率仪、浊度计和轻便式气象参数测定仪应每年检定一次。(6)目视比浊法和目视比色法所用的比色管应成套。

第五节 环境同位素样品野外采集要点

根据《1:25万区域水文地质调查技术要求》(DD 2004-01),野外采集水的环境同位素样品时要符合以下规定。一、一般要求(1)野外采集水的环境同位素样品应采用正确的方法,避免样品被污染(如取水设备污染、大气污染、客水污染、不干净容器污染或同位素分馏,保证样品的代表性。(2)容器。小口玻璃瓶是最好的保存器皿,密封状态下可以保218存数年,高密度聚乙烯瓶对H和O样可保存数月时间。取样瓶的塑料瓶塞或橡胶塞要用油封。新样瓶必须通过注水和称重的方法进行数月时间的水量损失测试。(3)在野外采样利用GPS系统、地形图(1:5万)或航片等获得取样点的地理坐标及高程。应记录采样点位置、水源类型、地下水位埋深、采样深度(地下水或地表水的水下深度)、井(泉)的地层结构以及水温、pH值、Eh值、电导率、碱度、溶解氧、现场化学特征等。水样瓶必须贴上防水标签,并填写项目代码、样品编号、取样日期、取样人、样品类型和分析项目等。(4)降水(雨和雪)样采集。用雨量计按周或月采集水样时,应在采样瓶中加入少许矿物油(油膜厚度最少为2mm),使油浮在降水样的上部以防止水样蒸发。采集雪样时,把密封的雪样放在环境温度下让雪样自然融化,然后装瓶。同时,记录降水量,以便计算同位素成分的加权平均值。(5)地表水样的采集。湖水应在近水面位置和深部同时采集;河、溪水样应在河流中间或其流动部位中采集;在河流交汇处取样时,应在其完全混合后的河段采集。(6)包气带水样采集。土壤中的水分可通过真空抽吸、微蒸馏(仅适用于氢)、沸腾蒸馏、压榨法和离心法等方法采集。(7)地下水样采集。在不常抽水的井(孔)中,应先进行抽水洗井(孔),抽出的水量至少超过井筒水体积的两倍,或者抽出的地下水的Eh值、溶解氧、pH值等达到稳定状态方可取样。应注意抽水形成降落漏斗时会接受其他水源(如傍河水井)的补给而污染水样。182二、地下水O和H样品的采集(1)样品体积。100mL,至少10mL。(2)保存。密封以防止蒸发。(3)方法。用水样彻底冲洗样瓶,完全注满并盖严。三、地下水氚样品的采集(1)样品体积。500mL。(2)保存。密封以防止蒸发。(3)方法。用样品彻底冲洗样瓶,完全注满并盖严,尽量不与空气接触,禁止采用空气压缩机抽水。14四、地下水C样品的采集

1. 水样体积14

国际原子能机构(IAEA)实验室利用2.5g碳做水的环境C分析。碳年龄鉴定所需水样体积取决于水中碳酸盐和重碳酸盐的浓度。2.5g碳所需要的最少水样体积(V)依照下式计算:-2-V=12.5×1 000/(HCO+CO) (3-1)33-2-

注:V的单位为L;(HCO和CO)表示碳酸盐和重碳酸盐的浓33度,单位为mg/L。

原则上取样量应多于计算值的25%。取样时应尽量避免水样与空气接触,禁止用空气压缩机抽水。

2. 试剂(1)试剂级硫酸亚铁(FeSO·7HO)5g。42(2)不含碳酸盐的NaOH溶液。把650g NaOH溶解在800mL除去CO的去离子水中,封闭保存2~3周,使溶液中不溶解的NaCO沉223淀出来,把上部清溶液轻轻倒出保存备用,避免空气中CO溶入。2(3)试剂级SrCl(或BaCl)溶液。将170g SrCl或200g BaCl2222溶解在800mL水样中。(4)聚丙烯酰胺溶液(速沉剂)。将5g的聚丙烯酰胺溶于1 000mL煮沸的蒸馏水中。

3. 方法14

野外采集C样宜采用沉淀法。(1)用1个60L的圆锥形沉淀箱,在沉淀箱底部拧紧一个1L的聚乙烯广口瓶作为接收瓶。把水样注入干净的沉淀箱。(2)水样预处理(在沉淀箱中进行)的步骤如下。

a. 加入5g硫酸亚铁(FeSO·7HO),使其溶解均匀。如果水中42含有溶解HS(凭嗅味),不要加FeSO,否则生成FeS沉淀,影响水24样预处理。

b. 加入50mLNaOH溶液,充分搅动,测定溶液的pH值,使其pH>12。

c. 把770mL SrCl(或BaCl)溶液(预留30mL供检查用)加入22沉淀箱中,盖严容器并搅动5min,使之形成大量沉淀物。

d. 加入40mL聚丙烯酰胺溶液,盖严容器,每30min慢慢搅动1min,共搅动三次。

e. 在沉淀箱的顶部加入30mL SrCl(或BaCl)溶液,检查是否22完全沉淀,如果出现暗色物质则表明未完全沉淀,需加入更多的SrCl溶液,同时需加入NaOH溶液并搅动,确保完全沉淀。2(3)采样。将沉淀箱中沉淀物全部装入接收瓶中盖紧并贴上标签。标签应标明日期、样品编号、井号,取样位置及其他附加信息。(4)为了合理计算水的年龄,应现场测定pH值和游离CO含2量。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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