地下水开发与利用第1章

第1章地下水调查1.1水文地质测绘定义是指通过对调查区域内的地质、地貌、地下水露头和地表水状况的观察分析，从宏观上认识地下水的埋藏、分布和形成条件的一种调查手段。主要任务（1）地下水的赋存条件。查明含水介质的特征及埋藏分布情况。（2）地下水的补给、径流、排泄条件。查明地下水的运动特征及水质、水量变化规律。（3）地下水的水文地球化学特征。不仅要查明地下水的化学成分，还要查明地下水化学成分的形成条件。主要内容包括：基岩地质调查、地下水露头调查、地表水体调查、气象资料调查及与地下水、地表水相关的环境地质状况的调查等内容。1.1水文地质测绘基岩地质调查包括：岩性调查、地层调查、构造调查、地貌调查等内容。岩性调查：岩性特征决定了地下水的介质类型。从而决定了地下水的类型，并影响地下水的水质和水量。第四纪松散介质往往赋存丰富的孔隙水火成岩、碎屑岩地区往往赋存相当水量的裂隙水碳酸盐地区主要分布溶岩水（1）对于松散地层：（2）对于非可溶性坚硬岩石：（3）对于可溶性坚硬岩石：孔隙松散岩土中颗粒或颗粒集合体之间普遍存在着孔状空隙，称为孔隙。孔隙度n:单位体积岩土(包括孔隙在内)中的孔隙体积，即含泥沙砾石部分胶结的砂岩裂隙风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙裂隙率f：溶隙溶缝、溶孔、溶洞岩溶率Kk：岩石裂隙可溶岩溶隙基岩地质调查地层调查：地层是构成地质图和水文地质图的最基本要素，也是识别地质构造的基础，也是地下水赋存运移的空间所在。（1）测区地质图，若无，则需野外实测并绘制调查区的标准剖面。（2）确定地层的界限（3）判断区内水文地质条件构造调查：地质构造不仅对地层的分布产生影响，它对地下水的赋存、运移等也有较强的控制作用。（1）对于断裂构造：（2）对于褶皱构造：地貌调查：断层是岩石圈中顺破裂面发生明显位移的一种断裂构造，断层在自然界里发育广泛，是岩石圈中最重要的地质构造类型。断层的研究具有重要的理论意义和实际意义。断层带岩层在形成时，一般是水平的。岩层在构造运动作用下，因受力而发生弯曲，一个弯曲称褶曲，如果发生的是一系列波状的弯曲变形，就叫褶皱。美国马里兰州I-64公路边，向斜褶皱的核部构成山包地下水调查地下水天然露头调查：是水文地质测绘的核心工作。泉是地下水的天然露头。调查内容：（1）泉水出露处的位置、地下和高程。（2）泉水出露的地质构造条件，分析成因。（3）泉水的补给、径流、排泄条件（4）判断泉水类型。（5）调查泉水的动态特征。（6）采样，进行水质分析研究。地下水的人工露头是指民用的机井、浅井以及个别地区少数的钻孔、试坑、矿坑、老窖等。调查内容：地表水调查水文地质测绘的工作阶段1、准备工作阶段

收集测绘区自然地理、地貌、地质及水文地质资料；现场踏勘，建立地层层序，确定标志层；按照“规范”编制设计书。2、野外工作阶段实测剖面：首先是查明层序、岩性、厚度、接触关系，确定标志层；其次是研究岩石中的空隙等水文地质特征。布置观测点：每个测点要求观测仔细、描述认真、测量准确、记录全面、绘图清晰和采样完整。

进行必要的轻型勘探和抽水试验。作好野外时期的汇总工作。3、室内工作阶段完成编写测绘成果的阶段，是整理、分析所得资料，编写出高质量报告。1.2水文地质钻探定义是查明地下水的埋藏条件、补给、径流、水化学特征等水文地质条件，以获取合理开发及利用地下水所需资料而采用的一种主要技术手段，简称水文钻探。目的与任务在水文地质测绘、水文地质物探的基础上，进一步查明含水层的岩性、层次、构造、厚度、埋深分布及水量、水质、水温等水文地质条件、特征和参数。解决和验证水文地质测绘和物探遥感工作中难以解决的水文地质问题，为评价和合理开发利用地下水资源提供可靠的水文地质资料和依据。水文勘探钻孔的布置原则（1）为查明区域水文地质条件布置的钻孔，一般都布置成勘探线的形式。（2）为地下水资源评价布置的勘探孔，其布置方案必须考虑拟采用的地下水资源评价方法。（3）以供水为目的的勘探孔的布设，应考虑勘探与开采结合。水文地质的钻孔结构和钻孔设计参考《水文地质钻探规程》。钻进过程中的水文地质观测工作（1）冲洗液的消耗量、颜色、稠度等的变化。（2）钻孔中水位变化。（3）统计岩芯采取率。（4）测量钻孔水温变化。（5）观测记录钻孔的涌水、涌砂、涌气现象；记录钻进速度、孔底压力等。1.3水文地质试验与地下水动态调查水文地质试验抽水试验是确定含水层参数，了解水文地质条件的主要方法。任务（1）直接测定含水层的富水程度和评价井（孔）的出水能力。（2）确定含水层及越流层的水文地质参数：渗透系数K、导水系数T、给水度μ、弹性释水系数μ*。（3）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）直接评价水源地的可（允许）开采量。（5）查明某些其他手段难以查明的水文地质条件。类型（1）单孔抽水试验。（2）多孔抽水试验。（3）群孔干扰抽水试验。影响半径（4）试验性开采抽水试验。

水井开始抽水时，井中的水位迅速下降，井周围的地下水位也随之下降，整个水面形状象一个漏斗，故称为降落漏斗。漏斗范围内的水位下降值称为降深S，随着抽水继续进行，降深S加大，漏斗逐渐扩大。同时，井的涌水量Q渐渐减少，到相当时间后，涌水量Q稳定不变，S不再下降，漏斗范围亦不扩大，这时地下水向井的运动便是稳定流运动。从井中心到漏斗边缘的距离R，称影响半径，如图所示。

如果在一个地区有许多井同时开采，致使许多单井漏斗互相叠加，从而造成一个大范围的地下水面下降，由于范围大，即使停止抽水，地下水位亦难于迅速恢复。这种水位下降，代表了区域性降落漏斗。石家庄地区2003年地下水流场方法单孔抽水试验采用稳定流抽水试验（在抽水工程中，要求抽水流量和水位同时相对稳定）方法，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。稳定流抽水试验观测要求（1）水位观测时间一般在抽水开始后第1、3、5、10、20、30、45、60、75、90min进行观测，以后每隔30min观测一次，稳定后可延至1h观测一次。水位读数应准确到厘米（cm）。（2）涌水量观测应与水位观测同步进行。（3）停泵后应立即观测恢复水位，观测时间间隔与抽水试验要求基本相同。若连续3h水位不变，或水位呈单向变化，连续4h内每小时水位变化不超过1cm，或者水位升降与自然水位变化相一致时，即可停止观测。抽水试验资料整理单孔抽水试验应提交抽水试验综合成果表，其内容包括：水位和流量过程曲线、水位和流量关系曲线、水位和时间(单对数及双对数)关系曲线、恢复水位与时间关系曲线、水质化验成果、水文地质计算成果、施工技术柱状图、钻孔平面位置图等。

渗水试验——试坑法渗水试验是野外测定包气带非饱和岩（土）层渗透系数的简易方法。利用渗水试验，可提供灌溉设计、研究区域水均衡以及计算山前地区地表水渗入量等。

K=V

渗流的基本定律达西(Darcy)定律1856年，法国水力学工程师H.Darcy曾就Dijon城的水源问题研究了水在直立砂柱中的流动，如图所示根据实验，Darcy得出：h1h2渗流量Q与过水断面面积A及上、下两测压管的水头差h成正比，而与渗透途径长度l成反比。即：这就是著名的达西定律。或则式中，I—水力坡(梯)度；V—渗透速度若令：比例常数K称为渗透系数在实际渗流场中使用达西公式，由于各点的渗透速度包括其大小和方向可能都不相同，为描述渗透速度分布与水头分布之间的关系，可建立达西定律的一般性表达式，即后来的实验表明，并非所有地下水渗流都服从达西定律，它有一个适用范围：或达西定律适用范围：存在一个临界雷诺数Re临，该值约在1～10之间，当Re<Re临，即低雷诺数时，属低速流，这时有一个粘滞力(忽略惯性力)占优势的层流区域，该区域内达西定律是适用的。上述Re临就是达西定律成立的上限。同时说明，服从达西定律的Re临比地下水由层流转变为紊流时的雷诺数要小。也即达西定律的适用范围比层流运动范围要小当Re临<Re<20～60时，出现一个过渡带，从粘滞力占优势的层流运动过渡到非线性的层流运动。该带当渗透速度增大后，惯性力也逐渐增大，当惯性力接近摩擦阻力的数量级时，由于惯性力与速度的平方成正比，从而使渗透速度与水力梯度的关系就不再呈线性关系，也即偏离了达西定律高雷诺数时为紊流，此时达西定律就失效了存在临界（起始）水力梯度I临，即达西定律适用下限实验证明：0.00005<I<0.05时达西定律都能成立实际流速V实V实=V/n

或V=nV实因n<1所以渗透流速永远小于实际流速计算过水断面，面积=A渗透速度V=Q/A实际过水断面，面积=A'实际流速V实=Q/A'A'=nA

V实=V/n

例1

10°C的水通过右下图所示的砂柱流动(L＝120厘米，A＝200厘米2，h1-h2

＝120厘米)。砂的孔隙率n＝0.36，渗透系数K＝20米／日。试确定：(a)流量(Q)和渗透速度(V)；

(b)砂柱中的实际流速(V实)。解：根据达西公式例题

例2

已知在厚度不变的均质各向同性承压含水层中发生的是均匀流动，假定含水层的厚度M＝20米，孔隙率n＝0.2，渗透系数K＝15米/日。沿着水流方向位于A、B两点的两个观测孔的距离为L＝1200米，两观测孔中的水位均高于平均海水位，测压管水头分别为hA＝+5.4米，hB＝+3米。砂的平均粒径d＝1毫米。水的运动粘度＝0.013厘米2/秒。(a)Darcy定律是否适用?(b)求孔隙中的平均流速。解：(a)用水力梯度判断：Darcy定律适用(b)例题地下水动态调查所谓地下水动态是指表征地下水数量与质量的各种要素（水位、流量、开采量、溶质成分与水温等）随时间的变化规律。调查内容包括：地下水含水层系统的水位、水量、水温和水质变化规律及发展趋势，并分析其变化影响因素。1.4地下水调查成果地下水调查成果主要内容包括：原始成果、文字报告、综合水文地图、建立区域水文地质数据库。主要由水文地质图件和文字报告两部分组成。是水文地质调查工作的总结。图件种类：1、基础性图件主要反映调查区地下水形成、赋存的背景环境类图件。如地质图、构造图、地貌图、第四纪地质图、降水量分布图等。综合性或专门性图件直接反映调查区地下水特征的图件。如综合水文地质图、地下水资源图、地下水脆弱程度图、环境水文地质图、地下水质量评价图等。单项地下水特征性图件地下水等水位线图、地下水埋深图、地下水化学类型分区图等。应用性图件为了满足实际生产需要而编制的图件如地下水开发利用区划图、土壤改良水文地质图、地下水质预测图、地下水动态预测图等。二综合水文地质图简介

综合水文地质图，实际上是把在区域水文地质调查中所获得的各种水文地质现象和资料，用各种代表符号和方式，反映到按一定比例尺缩小的图纸上所编制的一种具综合内容的地质—水文地质图件。在图上明确地反映出调查区内地下水的形成条件、赋存规律、地下水的各种特征、与周围环境的相互关系。

综合水文地质图上包括的内容如下：

1.地下水类型

按地质矿产部1982年出版的《区域水文地质普查规范补充规定》中的综合水文地质图编图方法的基本原则，图中首先要划分出五种基本类型地下水，即松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水(岩溶水)、基岩裂隙水和冻结层水。每种基本类型，可根据不同情况划分为若干亚类。类和亚类应突出