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地下水水量监测主要是测量地下水(或地下热水)孔(井)及泉的水量。方法主要有容积法、堰测法、差压法、叶轮式孔口瞬时流量计法、喷水钻孔法、流速仪法和浮标法。
一、容积法
容积法主要使用量水箱、水塔、蓄水池及时钟等设备。通过记录量水箱、水塔和蓄水池中水位上升高度及相应的时间t，计算涌水量Q。
Q＝V/t
式中：Q—涌水量(m3/s)；V—容器的体积(m3)；t—装水相应时间(s)。
1.方法一
主要仪器设备：1m3容积的量水箱、秒表；
适用条件：涌水量较小，且有管状引水设备的井(孔)；
使用方法：记录量水箱水位上升高度及相应的时间t，反复2～3次，取平均值计算涌水量Q；
优缺点：水箱大时较准确，但比较笨重。
2.方法二
主要仪器设备：有水塔、蓄水池和水位观测设备室，另配计时钟表等即可；
适用条件：在备有水塔(并有水位标尺)的自备水源井采用；
使用方法：记录水塔或蓄水池中水位上升高度及上水时间t，计算涌水量Q；
优缺点：这种方法测时短，精度差，反复观测取其平均值需较长时间。
二、堰测法
使用堰测法时，堰箱水位波动较大，影响观测精度，所以堰测法只适用于涌水量较大的水文环境。测量过堰水位h时，应在堰口上游≥3h处进行。涌水量Q可以通过观测过堰水位进行计算获得，也可以根据水头高度(即过堰水位)，查堰流量表获得。
堰测法通过使用三角堰(图2-10)、梯形堰(图2-11)和矩形堰(图2-12)观测水位并查算表得知涌水量。
图2-10三角堰示意图
B—渠道宽度；b—堰口宽度；p—堰高；h—过堰水位(或水头高度)
图2-11梯形堰示意图
B—渠道宽度；D—水头测量断面；b—堰口宽度；h—过堰水位(或水头高度)
图2-12矩形堰示意图
B—渠道宽度；b—堰口宽度；p—堰高；h—过堰水位(或水头高度)
1.三角堰
适用条件：在涌水量较小时采用三角堰；
主要仪器设备：量水三角堰箱；
涌水量计算公式：Q＝
(式中：h—过堰水位(cm)；c—随h变化的系数，其值查表21)；
使用方法：观测过堰水位，计算涌水量Q；或根据水头高度，查三角堰流量查算表(表2-2)。
表2-1三角堰法计算公式中系数c值选取表
注：数据来源于中国地质调查局主编的《水文地质手册(第二版)》(2012)。
表2-2三角堰水头高度与流量查算表
续表
注：数据来源于中国地质调查局主编的《水文地质手册(第二版)》(2012)。
2.梯形堰
适用条件：在涌水量较大时采用梯形堰；
主要仪器设备：量水梯形堰；
涌水量计算公式：
(式中：h—过堰水位(cm)；b—堰切口底宽(cm))；
使用方法：观测过堰水位，计算涌水量Q；或查梯形堰流量查算表(表2-3)。
适用条件：在涌水量很大时采用矩形堰。
3.矩形堰
主要仪器设备：量水矩形堰；
涌水量计算公式：Q＝0.01838×
(式中：h—过堰水位(cm)；b—堰切口底宽(cm))；
使用方法：观测过堰水位，计算涌水量Q；或查矩形堰流量查算表(表2-4，表2-5)。
表2-3梯形堰水头高度与流量查算表(堰底宽b＝1m)
续表
注：数据来源于中国地质调查局主编的《水文地质手册(第二版)》(2012)。
表2-4矩形堰水头高度与流量查算表
续表
注：数据来源于中国地质调查局主编的《水文地质手册(第二版)》(2012)。
表2-5b＝50cm时矩形堰水头高度与流量查算表
注：数据来源于中国地质调查局主编《水文地质手册(第二版)》(2012)。
三、叶轮式孔口瞬时流量计法
设备组成：叶轮式孔口瞬时流量计有探头部分和仪表部分。探头部分由叶轮、磁棒、感应线圈组成；仪表部分由表头、晶体管电路、电源构成。
涌水量(m3/h)＝读数(格)×格值(不同管径应预先标定出“管径-格值关系曲线”)。
适用条件：①适用管径：仪器的测试范围取决于叶轮直径的大小，现试制的叶轮式孔口瞬时流量计，适用于测量3″～6″出水管的瞬时流量；②适用温度：-10～45℃；③测量误差：与标准三角堰箱对比，误差﹤5%；④适用电源：4F45-2型6V电池3节；⑤质量：约2.5kg；体积：25cm×19cm×11cm。
四、喷水钻孔法
喷水钻孔法通过测量套管内径和水头喷出高度来计算涌水量：
Q＝396d2h
式中：d—套管内径(mm)；h—涌水高度(mm)。
由于喷水钻孔法难以测得准确的水头喷出高度，所以测量精度较差。
五、流速仪法
流速仪主要有旋杯式流速仪和旋桨式流速仪(图2-13，图2-14)。该测量法宜在流量较大的井、泉或测明渠流量时采用。井、泉流量测量，应在井、泉出水口设置明渠，选择顺直的渠段，用流速仪测量断面上各点的流速，计算水流量。其流量计算公式：
地质环境监测技术方法及其应用
式中：?t—测流断面分割的面积(m2)，由相邻测线深的平均值与其间水平距离相乘而得；υt—相应部分平均流速(m/s)。
图2-13旋杯式流速仪
图2-14旋桨式流速仪
六、浮标法
浮标法通过计算水流断面面积和水流速度的乘积来测量。流量计算公式为
Q＝K×A×V
式中：K—浮标系数；A—水流横断面积(m2)；V—水面流速(m/s)。
水面流速计算公式为
V＝L/t
式中：L—上下断面的距离(m)；t—浮标流经上下断面经历的时间(s)。
在井、泉出水口有明渠时，选择顺直的渠段投放浮标；投放浮标数目，视渠道宽度而定。宽度﹤3m时，投放1～2个；宽度为3～5m时，投放2～3个；宽度为5～10m时，每隔3m投放一个；一般河道K＝0.8～0.9；普通渠道水深为0.3～1.0m时，K＝0.55～0.75；长满草的土渠中，K＝0.45～0.65。
浮标法属于经验法，浮标系数K值较难确定，选用经验数值时，误差较大。仅适用于没有其他仪器设备测量水量时，粗略估算涌水量时使用。
七、差压法
差压法测定水量主要包括圆缺孔板仪、缩径管、孔板流量计几种测量手段(表2-6)。相关查算表及系数值详见中国地质调查局主编的《水文地质手册(第二版)》(2012)。
表2-6差压法测量地下水流量观测仪器设备、方法和条件
注：数据来源于中国地质调查局主编的《水文地质手册(第二版)》(2012)。
1、存在一种仪器，能够通过内置的运算功能，自动呈现曲线图和地质剖面图。这些图像可以帮助快速识别矿层、溶洞和含水层等信息。
2、该仪器轻便易携，测线长度只需10米，单人即可完成操作。其全触摸界面使得操作简便，大大节约了人力成本。
3、在夏季，如果地面某处久晒不热，这通常意味着该处有大量水源。例如，那些长时间被太阳照射但依旧保持凉爽的水塘，挖掘加深后往往能够找到水。
4、观察地面的排水情况，如果某些地方排水缓慢或者经常保持潮湿，这表明地下水离地面不远。
5、在四周干旱，唯独某一点保持潮湿，且作物成熟时间较晚的地方，通常存在水源。
6、在山脚下，如果地面上有潮气，或者在清晨、黄昏或冬季有水气上升，或者岩石边长有青苔，以及雨后常有水流出的地方，都可能存在水源。
7、春季解冻早，冬季结冻晚，以及夏季雪融化快的地面上，通常地下水源较为丰富。
8、夏季早晨或晚上，如果蚊子聚集成团，这可能是地下水源旺盛的迹象。
9、秋季早晨如果雾气直上，这表明地下水位较高。
10、冬季结冻后，如果地面出现裂缝并且凝有白霜，这同样意味着地下水位较高。
11、观察坡地上的草木，如果春天发芽早，即使在干旱天气下也不枯萎，这表明附近可能有水源。
12、在准备打井的地面上，挖掘一些深约两尺的小坑，可以用来观测地下水的情况。
注意事项：
1、在选择水泵时，需要根据打井时的排水情况测量静态和动态水位以及相应的出水量。根据地面到动态水位的高差以及所采用的灌溉方式，确定所需水泵的工作扬程。水泵的流量不应超过井的出水量，基于这些条件来选择合适的水泵。
2、井孔的布局应根据当地的水文地质情况进行合理规划。在没有水文地质资料的情况下，可以参考附近已有的水源井作为布局的依据。在地下水不丰富的地区，不宜盲目地打浅井；在地下水丰富的地区，适宜农民自建的浅井，但井孔的布置也不应过密，以免相互影响。
常用的地球物理方法与探测垃圾填埋场所使用的方法基本相同，有直流电阻率法（DC）和甚低频电磁法（VLF-EM），瞬变电磁法（TEM），激发极化法（IP）。探地雷达（GPR），浅层地震反射，井中CT（跨孔电阻率成像法）等方法的应用也逐渐增加。从国内外大量成功事例来看，直流电阻率法（含高密度电阻率法）仍然是应用最广泛，效果最显著的方法之一。电阻率法是测量地下物体电性特征的方法，它与孔隙度、饱和度、流体的导电性密切相关，电阻率法已被广泛应用于地下水、土的污染调查。特点是垂向分辨率高，探测深度有限。
实例一
土耳其某垃圾场地下水污染电阻率法调查。场地地质情况：露天垃圾堆放场位于土耳其某市东南，这一地区是土耳其重要的水源地之一。第四纪的冲积层厚达100m，主要以渗透性良好的卵砾石、沙和粘土组成，是当地的主要含水层，地势西南高，东北低。垃圾未经任何处置，直接露天堆放在上面。垃圾堆下面也没有任何的渗漏液收集系统。据调查，有2/3的含水层已受到不同程度的污染。水中NO3的含量是世界卫生组织限定的饮用水标准的5倍以上。电法勘察的目的是调查污染的范围，为布置监测孔提供最佳的位置。采用的方法有电阻率法（DC）和甚低频电磁法（VLF-EM）。在垃圾场的下游垂直地下水流向的方向布置了11条剖面，每条剖面200～250m长不等（图8.3.4）。剖面间隔40m，斯伦贝格排列，试验了从0.5～30m6种电极距的效果。从图8.3.5看出，0.5m极距的视电阻率测量结果以很高的视电阻率为特征，主要反应的是表层的较大的卵砾石层，含水量少。极距为1m和5m的视电阻率结果主要反应了饱气带内地下水不饱和情况的电场特征，与0.5m也没有太大差别，只是在横向上有一点不同。10～25m电极距反应了地下污染源的电场特征，在图的东北角，视电阻率降为10Ω·m，是污染的发源地，而表层的视电阻率在1000Ω·m以上，视电阻率差异十分显著。
图8.3.4测线布设位置示意图
图8.3.5不同极距的视电阻率测量平面图
实例二
中国北方某市的两处垃圾填埋场渗出液的实测电阻率分别为0.39Ω·m和0.40Ω·m，远远低于自来水的电阻率23Ω·m（表8.3.7）。与日本BosoPeninsula垃圾场的测量
表8.3.7垃圾填埋场渗漏液电阻率测试结果
结果很相近。与清洁的自来水电阻率32.040Ω·m相比，二者相差80多倍。含水土层的视电阻率在10Ω·m左右，与上述土耳其的例子相当，这就为电阻率测量提供了充分依据。测量装置见图8.3.6，计算公式如下：
环境地球物理学概论
式中：S为水样的横截面积；I为电流；V为电压；L为MN间的距离。
（1）北京阿苏卫垃圾填埋场渗漏检测
这是北京兴建的第一个大型垃圾卫生填埋场，位于北京市昌平县沙河镇北东约6km，地处燕山山脉以南的倾斜平原地带，山前冲洪积扇的中上部位，是城区地下水及地表水的上游部位。该区基底为第四纪洪积层，有粘土、粉质粘土、沙土、中细沙层。粘土层渗透系数为1.0×10-8cm/s～9.42×10-7cm/s，隔水性好，但局部有渗透系数达1.84×10-3cm/s的粉沙土透水层，区域地下水由北西流向南东。日处理垃圾2000t，全机械化操作，属现代化卫生填埋场，底部为不透水的粘土层，厚度0.4～1.4m不等，反复压实作为隔水层，设有渗沥液收集系统，周围设有观测井。堆场向下深4m，计划垃圾堆高40m。
在北京市政管理委员会的支持下，第一次利用地球物理探测方法进行渗漏检测，在同一条剖面上选用了高密度电阻率法、瞬变电磁法、探地雷达法、地温法及化学分析法。
测线布置在地下水下游方向，填埋场的南侧，南围墙外面，并与南墙平行，相距8m，测线长660m（图8.3.7，彩图）。
用美国SIR-10A探地雷达仪，100MHz屏蔽天线，时窗400ns。地温法采用日本UV-15精密测温仪，仪器精度0.1℃。化学分析样取1.5m深土样，实验室用气相色谱分析三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯和四氯乙烯等有机污染物。这三种方法的测量结果，都没有异常显示。说明该区地表粘土层比较致密，渗透性不好。
高密度电阻率法，使用E60B仪器，电极距3m，斯伦贝格排列，同时沿剖面布置60个电极。数据经预处理后，进行二维反演。勘测深度15m。视电阻率的水平距离深度剖面见图8.3.8（彩图）。
由图可见，在4～8m深度有一层高阻（＞30Ω·m）层，但并不连续，反应了本区粘土层的特征。垃圾渗沥液由局部透水层渗入深部。在220～240m处9m深度以下的低阻（＜10Ω·m）体，经钻井证实为垃圾渗漏液污染的结果。已于2002年开始施工，做地下水泥防渗墙处理。
图8.3.6测定垃圾渗漏液电阻率的装置
（2）北京某垃圾填埋场的渗漏探测
垃圾填埋场是近年兴建的大型卫生填埋场，底部铺设有塑胶衬底的防漏层，有渗沥液收集装置，有效填埋面积19.6×104m2（300亩强），日填埋垃圾2500t，设计封顶高度为30m。基底为第四纪松散沉积物，厚度在100m左右，第一含水层顶深10～20m，厚度5～10m，粗沙到细沙；第二含水层顶深20～30m，厚度9～25m，沙砾石层，渗透系数40～200m/d。第三含水层顶深38～60m，厚度8～15m，以中粗沙和砾石为主。地下水由西北流向东南。现已下降形成漏斗。浅层水质较差，不能饮用。
根据渗沥液的电阻率值差异，主要使用高密度电阻率、瞬变电磁法以及探地雷达方法。考虑到地下水流方向，三条测线布置在填埋场的东南方向，测线I位于东侧，距填埋场平均27.5m（长400m）；测线Ⅱ和测线Ⅲ在填埋场南侧，测线Ⅱ距填埋场平均35.5m（长741m）；测线Ⅲ距填埋场15m左右（长700m）。测线Ⅱ高密度电阻率法距离深度剖面结果示于图8.3.9（彩图）。垃圾填埋场地表深5～10m主要是干砂质粘土层，电阻率比较高，向下测到的电阻率低（＜15Ω·m），应当是垃圾渗漏液。根据阿尔奇法则ρ土=ρ液·a·φ-m，式中：a=1；m=2；ρ液=0.39。土壤孔隙度φ取30%，则ρ土=4.4与剖面中ρ视=5是很接近的。说明低阻区是渗漏液的地下分布。在垃圾场东边，剖面I10～15m以下有渗漏区（A1.1；A1.2）。在垃圾场南边，10m以下有渗漏区，剖面Ⅱ（图8.3.9）中可划分出3个较大的异常段（A2.0，A2.1，A2.2）及几个小异常体。渗漏液异常分布清晰可见。
电磁法（EM）：电磁法一般用来圈定淡水和咸水的界限，对地下水研究应用较多的是瞬变电磁法（TEM法）和探地雷达法（GPR法）。在我国北方某市垃圾填埋场渗出液检测证明TEM是有效的，瞬变电磁法沿测线Ⅱ进行的，仪器为长沙白云仪器开发公司研制的MSD-1脉冲瞬变电磁仪，采用20m×20m供电线圈工作，目的在于了解较深部情况。测量结果如图8.3.10（彩图）所示。在深40m以下，有三个异常区段，即A2.0（0～15m）；A2.1（50～60m）；A2.2（80～100m）。揭示了渗漏液污染范围在向深部扩展。
实例三
废弃物填埋场为了防止渗漏，常用塑料作为衬底，形成隔离层，比单纯的依靠粘土层作为隔离层要有效。但由于废弃物中常混有尖硬物质或在堆放废弃物时层层压实，遇到局部软（硬）土而受力不均，使污水由漏洞流出。常规的标准方法是污水示踪，或监测污水压力变化，这样做时间长，而且要大流量时，才是有效的，也很难提供进行修补的确切位置。
应用适当布置电极位置的电阻率法，可以准确测定漏洞位置（WillianlFrongos，1997）。有塑料膜衬底的废物填埋场，正在使用，两个供电电极，一个放在填埋场内（A），一个放在塑料膜之外（B），可以放置在足够远处，如图8.3.11所示。驱动电流流过漏洞，漏洞就是电流源。填埋场内废物的电阻率由于正在填埋，很不稳定，一般为2～10Ω·m。面积为1m2，厚度为1mm埋入地下的聚乙烯膜的电阻率为10000Ω·m，衬底外土壤是导电的，电阻率为20Ω·m。对于一个漏孔的平面塑料膜而言，在均匀半空间的表面上，点源用格林函数可以描述通过漏孔流过电流引起的电位。如果孔径不大，则电流（U）可写为
环境地球物理学概论
式中：I为通过漏孔的电流（为总电流的一个分量）；ρ为基底土壤电阻率，R是漏孔与源之间的距离；c为常数，代表参照电极的任意电位。
图8.3.11漏洞探测观测系统工作原理图
图8.3.12点源（漏孔）电流归一化电位图
图8.3.12是漏孔上的电位函数的图示，其观测网为30m×24m，观测点间距1m。孔位（点源）：x=14m，y=11m，z=0，电极进深0.5m。
用这个方法在斯洛伐克一个填埋场，发现6个漏洞，其中5个较小，属点源异常；一个较大的裂口，6个异常都被开挖证实。进行了修补（修补后异常消失），观测确定的漏孔位置平均误差约为30cm。
如果填埋场衬底塑料膜不是一层，而且漏洞不在同一位置，要测定每层塑料膜漏洞位置，难度要大一些。如图8.3.11所示，可以分层跨层分别布置电极，如在测第一层塑料膜漏洞时应当将B电极放在第一层与第二层塑料膜之间的导电物质之中。
实例四
澳大利亚北部有一个铀矿山，1980年开始开采，计划于2005年关闭。在开采过程中，大量的废渣和废液被滞留在尾矿坝中。现在发现尾矿坝中富含Mg2+和的废水，沿着地下裂隙和断裂，发生渗漏，在周围一些地表的植物中已检测出上述离子浓度有明显增加。从钻孔水文调查结果发现，废液的渗漏是广泛和无规律的。这已对当地的自然环境构成严重危害。矿业公司为调查渗漏情况，采用了多种物探方法：自然电位法（SP）（也称氧化还原法）、激发激化（IP）法、直流电阻率法（DC）、瞬变电磁法（TEM）。研究区的地质构造情况和测线布置见图8.3.13。已有的测量结果表明：在河床地带的片麻岩的电阻率在1900～8300Ω·m，地表沉积物的厚度在2～5m之间，粉砂质粘土和粘土的电阻率在0.1～600Ω·m范围。对当地的水文地质情况的调查结果发现，主要有两个含水层：第一含水层是地表粘土和风化后的岩石，厚度在20m；第二含水层实际就是基岩中的断裂带。两套含水系统是互相连通的。地下水位的升降随季节而变化，在干燥季节，水位的日下降幅度在12～14mm。在丰水季节，地下水位的日上升幅度在14～40mm之间。枯水期与丰水期地下水位的相对落差为2～3m。
图8.3.13研究区位置及主要的地质构造分布
在测线1、测线2、测线3分别进行了自然电位、直流电阻率法、激发激化法测量，并重点分析了测线的直流电阻率法、激发激化法测量结果以及二维（2D）自然电位的结果。
激发激化法测量：斯伦贝格排列，31个接收电极，由一根电缆与接收机相连。极距10m，一个发射电极距测线1.7km（视为无穷远），另一个发射电极置于两接收电极之间，随测线一同向前移动。电极排列见下图8.3.14，剖面布置见图8.3.15（彩图）。发射电极AB和接收电极MN以n×a的距离同时向两边移动，获得测线上电阻率随深度的测深剖面。
在图8.3.16（彩图）中，有三个比较大的近地表异常，中心位置分别是8370E，8525E，8650E。前两个异常是由粘土和粉砂质粘土层引起的，第三个异常紧邻南北向的2a断裂，认为是渗漏引起的异常。其次，可以看出，从西到东，激电异常有增加的趋势，从距测线1（距测线3约150m）的钻孔地下水的化验结果发现地下水中Mg2+和的浓度向东逐渐升高，证实了激电的结果。
图8.3.17（彩图）是电阻率观测结果，在8250E、8300E和8350E处呈低电阻率异常。前一个异常与片麻岩和眼球状片麻岩地质单元的交界处对应，视为地层差异引起的异常。8300E异常正好位于一个灌溉用的水管下面。8350E和8500E的低阻异常都与当地的灌溉有关。8550E处的高阻异常正好对应于片麻岩地层。
从激电法和直流电阻率法的测量结果来看，激电法对地表污染（2～5m）的反应没有电阻率法灵敏，这是由于在很小的极距下（10m）地表污染还不足以产生明显的激电效应，相对于地下含有高浓度的污染物而言，被污染的粘土层和地下水更容易产生明显的激电效应。
图8.3.14斯伦贝格排列
图8.3.18（彩图）是在不同的时间观测到的自然电场变化，尽管图形在形状上略有差异，但基本上保持了很好的一致性。为了避免其他方法的干扰，测量是在激电法和直流电阻率法结束后进行。对自然电法的解释需结合实际进行，因为自然电场的场源不固定，受地下水水力梯度，水中离子浓度的综合影响。在靠近断层的地方，显示高电位。其次，还进行了电磁法测量：50m单线圈，25m点距。视电阻率的反演精度小于1%（图8.3.19，彩图），与电阻率法、自然电位法有良好的对应关系。
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