許 亮，郭高軒,2，辛寶東，劉久榮，沈媛媛，紀(jì)軼群，陸海燕，南英華，王曉松

（1北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100037）

0 引言

水文地質(zhì)參數(shù)如滲透系數(shù)(k)、導(dǎo)水系數(shù)(T)、貯水系數(shù)(μ*)和給水度(μ)等是研究地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律、判斷地下水的富水性、資源量計(jì)算等問題的重要參數(shù)[1～3]。以往確定水文地質(zhì)參數(shù)的測(cè)定方法有室內(nèi)試驗(yàn)、單井[4～8]、群孔抽水試驗(yàn)[9]、沖擊試驗(yàn)[10～12]、數(shù)值法反求[13]、地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料測(cè)定[14～15]等多種方法。相比較而言，尤以現(xiàn)場(chǎng)原位抽水試驗(yàn)法應(yīng)用最廣，也最為可靠。受場(chǎng)地、條件等因素限制，在實(shí)際中，利用抽水試驗(yàn)測(cè)定水文地質(zhì)參數(shù)的方法中又以單井法最多。

以往單井抽水試驗(yàn)多采用帶觀測(cè)孔的抽水試驗(yàn)方法，有穩(wěn)定流試驗(yàn)法和非穩(wěn)定流試驗(yàn)法。其中穩(wěn)定流方法僅可求取滲透系數(shù)和影響半徑，而不能求取給水度或貯水系數(shù)。非穩(wěn)定流試驗(yàn)法能獲取多個(gè)水文地質(zhì)參數(shù)，但需要利用觀測(cè)孔的觀測(cè)資料進(jìn)行求參，但在深井抽水試驗(yàn)中，很難有同地層觀測(cè)孔，則采用非穩(wěn)定流方法獲取的參數(shù)準(zhǔn)確性降低。

文章引入冰島地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的軟件WellTester對(duì)2011年開展的“北京巖溶水資源勘查評(píng)價(jià)工程”中新建巖溶裂隙含水層中水源井進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算，確定該軟件是否適用于非地?zé)岷畬?，參?shù)計(jì)算過程簡(jiǎn)單，可視化程度好，并且考慮表皮系數(shù)和井筒儲(chǔ)存效應(yīng)作用，計(jì)算結(jié)果精度高，為水文地質(zhì)工作者進(jìn)行單孔深井抽水試驗(yàn)的參數(shù)計(jì)算提供了方便。

1 Well Tester軟件簡(jiǎn)介

Well tester是由冰島地質(zhì)調(diào)查局研究開發(fā)用于處理冰島地?zé)崽锒噙^程流量注水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一種軟件，該軟件用于獲取水文地質(zhì)參數(shù)，具有界面友好、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)該軟件已經(jīng)在雄縣地?zé)崽锼牡刭|(zhì)參數(shù)計(jì)算中得到一定的應(yīng)用，計(jì)算結(jié)果且效果較好[16]。

該軟件設(shè)計(jì)的水流模型是基于單向流，用于處理均質(zhì)和雙重介質(zhì)含水層中的水流問題，假設(shè)流體可壓縮性很低，軟件可處理多個(gè)階段水流量穩(wěn)定的抽水（注水）試驗(yàn)或者注水試驗(yàn)。

WellTester基于壓力擴(kuò)散方程，根據(jù)含水層的結(jié)構(gòu)特征確定其中的一種模型，通過觀測(cè)井內(nèi)水位的突變引起的壓力變化，進(jìn)行參數(shù)擬合，通過調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)使模型較好擬合觀測(cè)曲線，使誤差最小，進(jìn)而獲取各參數(shù)。

軟件包括6個(gè)界面3個(gè)模塊（圖1）：試驗(yàn)條件模塊，模型分析模塊和輸出模塊。

圖1 軟件界面

1.1 試驗(yàn)條件模塊

包括：初始條件輸入界面和抽水階段數(shù)及各階段抽水量輸入界面。

（1）初始條件輸入界面：在條件輸入前，先準(zhǔn)備數(shù)據(jù)文檔，如果抽水（注水）試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用或注水試驗(yàn)記錄采用Diver自動(dòng)記錄，須用同步觀測(cè)的大氣壓力值進(jìn)行校正。如果采用水位埋深值，則需換算為含水層中點(diǎn)處水頭壓力值。數(shù)據(jù)整理成DAT格式或ASCII 格式文件的水壓力值。數(shù)據(jù)輸入后，需在Parameters界面輸入試驗(yàn)初始狀態(tài)相關(guān)參數(shù)如初始溫度（℃）、初始?jí)毫Γ╞ar）、井孔半徑（m）、孔隙度以及模型，分幾個(gè)抽水（注水）階段進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

（2）抽水階段數(shù)及各階段抽水量輸入界面：該界面要求劃分抽水階段，并輸入初始抽（注）水量及各階段抽（注）水量（L/s）。

1.2 模型分析模塊

包括：數(shù)據(jù)遴選界面，數(shù)據(jù)模型選取及擬合界面，全部數(shù)據(jù)擬合界面。

（1）數(shù)據(jù)遴選界面：該界面為用戶對(duì)已輸入數(shù)據(jù)根據(jù)曲線的變化進(jìn)行數(shù)據(jù)的重新選樣，或根據(jù)溫度變化進(jìn)行數(shù)據(jù)矯正。如果需要對(duì)特定階段進(jìn)行分析，軟件將提供所需要的數(shù)據(jù)選取功能。利用WellTester可對(duì)抽水（注水）試驗(yàn)中數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，通過對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分析，刪除影響參數(shù)結(jié)果的個(gè)別試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，在重采樣過程中可根據(jù)壓力值進(jìn)行選取或者根據(jù)時(shí)間進(jìn)行選取。

（2）數(shù)據(jù)模型選取及擬合界面：含水層模型的選取、邊界條件的選取、井模型的選?。词欠裼芯砥ば?yīng)）和井筒模型的選?。词欠裼芯矁?chǔ)存效應(yīng)）。在數(shù)據(jù)的擬合過程中利用WellTester可在分析圖交互更改不同的模型，對(duì)各個(gè)參數(shù)的初始值可通過模型給定，在采用不同模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，可快速對(duì)比曲線，以選取合適的模型，然后調(diào)整各個(gè)初始值進(jìn)行擬合，使實(shí)測(cè)點(diǎn)盡可能與理論曲線擬合，從而達(dá)到對(duì)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)控制。

（3）全部數(shù)據(jù)擬合界面：在Modle all界面是對(duì)全部抽水（注水）階段含水層滲透性進(jìn)行擬合，以獲取最終的含水層各參數(shù)值。

1.3 輸出模塊

輸出模塊為報(bào)告輸出，軟件允許用戶兩種輸出模式，一種方式是選擇性輸出抽水（注水）試驗(yàn)的相關(guān)信息，如井位、井孔、試驗(yàn)日期以及擬合過程的相關(guān)圖件，將輸出內(nèi)容以word的格式輸出；另一種方式是將所有的結(jié)果以圖形或者表格形式輸出，其中擬合過程圖以圖片的形式輸出到指定文件夾下，參數(shù)結(jié)果以文本形式或者Excel的格式輸出。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 抽水試驗(yàn)概述

試驗(yàn)場(chǎng)地位于門頭溝地區(qū)，永定河河道內(nèi)，為山區(qū)向平原區(qū)過渡的邊緣部位（圖2）。試驗(yàn)井為2011年開展的北京市重大水資源勘查項(xiàng)目“北京巖溶水資源勘查評(píng)價(jià)工程”中新建巖溶水井XL-K-1。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本地區(qū)為基巖裸露區(qū)，僅河道內(nèi)存在第四系砂卵礫石層。

圖2 XL-K-1孔位置圖

該井在建成后進(jìn)行了單井抽水試驗(yàn)，附近無合適觀測(cè)孔，僅進(jìn)行了主孔觀測(cè)。抽水孔孔深500.70m，開孔口徑0.311m，套管下入深度151.8m，在151.80～500.70m為口徑0.216m的裸眼（地層結(jié)構(gòu)見圖3）。根據(jù)勘探資料，24m以上為第四系砂卵石；24.00～500.70m，全部為灰?guī)r，整個(gè)鉆井過程中，未見大型溶孔、溶洞，含水層厚度為476.7m，抽水井初始水位埋深31.82m，初始水溫14℃。抽水試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)落程，各階段見表1。

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 抽水試驗(yàn)過程

2.2 軟件求參

（1）數(shù)據(jù)的整理及輸入。根據(jù)抽水試驗(yàn)主孔數(shù)據(jù)，整理成*.DAT格式文件。其中日期、時(shí)間和壓力值按照?qǐng)D4所示對(duì)應(yīng)的格式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入。

圖4 軟件數(shù)據(jù)輸入格式

（2）鉆孔結(jié)構(gòu)及初始信息輸入。在Parameters界面中，輸入試驗(yàn)的初始參數(shù)（表2）。

表2 xl-k-1井抽水試驗(yàn)初始參數(shù)

（3）抽水各階段抽水量的確定。根據(jù)試驗(yàn)的過程，對(duì)每一階段的抽水量及抽水時(shí)間進(jìn)行確定。

（4）抽水?dāng)?shù)據(jù)的遴選。剔除數(shù)據(jù)的異常點(diǎn)，再根據(jù)需要，按照時(shí)間和壓力值進(jìn)行參數(shù)的獲取。

（5）數(shù)據(jù)模型的選取與建立。本次選取的模型見表3。

表3 抽水試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

（6）限定部分關(guān)鍵參數(shù)。選取T的位置，確定導(dǎo)水系數(shù)的限定值。其他參數(shù)相應(yīng)調(diào)整，給出限定值。

（7）各抽水過程擬合。通過模型自動(dòng)調(diào)整計(jì)算，擬合效果最佳（圖5），得出擬合結(jié)果較好的參數(shù)。

圖5 模擬效果圖

（8）報(bào)告的輸出。通過輸入試驗(yàn)的相關(guān)信息，如井位置、井號(hào)和試驗(yàn)日期等，以及選擇性輸出圖片和參數(shù)結(jié)果。

通過模型計(jì)算，該抽水試驗(yàn)的各參數(shù)值經(jīng)換算后列于表4。

表4 xl-k-1孔兩種方法計(jì)算含水層參數(shù)對(duì)照表

2.3 結(jié)果分析

為了便于比較，將大落程抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，并將結(jié)果列于表4。

其中：Q—涌水量（m3/d）；S—降深（m）；M—含水層厚度（m）；R—影響半徑（m）；r —井半徑（m）。

通過表4對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)用WellTester計(jì)算的結(jié)果較采用經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算結(jié)果偏小，二者差值為0.0025m/d。計(jì)算的結(jié)果可信，說明該軟件在巖溶裂隙含水層中使用效果較好。通過WellTester計(jì)算，可計(jì)算出釋水系數(shù)、表皮系數(shù)和井筒儲(chǔ)存系數(shù)，對(duì)成井質(zhì)量的評(píng)價(jià)有一定的指導(dǎo)作用。

3 結(jié)論與建議

(1) WellTester是由冰島地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)用于計(jì)算地?zé)岷畬铀牡刭|(zhì)參數(shù)的軟件，該軟件具有簡(jiǎn)單實(shí)用、計(jì)算速度快和易于上手的特點(diǎn)。軟件內(nèi)嵌模型多樣，可滿足用戶對(duì)不同水文地質(zhì)條件中單井抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合求參。

(2) 軟件不僅可以應(yīng)用到地?zé)岷畬又星笕∷牡刭|(zhì)參數(shù)，同樣可以應(yīng)用到巖溶裂隙含水層中，進(jìn)而獲取含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。

(3) 該軟件可求多個(gè)參數(shù)，較經(jīng)驗(yàn)法獲取參數(shù)較多，除滲透系數(shù)外可多獲取釋水系數(shù)（給水度）、表皮系數(shù)和井筒儲(chǔ)存系數(shù)。獲取的表皮系數(shù)對(duì)成井質(zhì)量的評(píng)價(jià)有一定的指導(dǎo)意義。

(4) 目前該軟件在國(guó)內(nèi)僅用于獲取地?zé)岷畬铀牡刭|(zhì)參數(shù)，筆者認(rèn)為該軟件有一定的應(yīng)用前景及推廣意義。

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