基于WellTester的巖溶含水層水文地質參數估算

許 亮，郭高軒,2，辛寶東，劉久榮，沈媛媛，紀軼群，陸海燕，南英華，王曉松

（1北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195；2中國科學院大學地球科學學院，北京 100049；3北京市地質工程勘察院，北京 100037）

0 引言

水文地質參數如滲透系數(k)、導水系數(T)、貯水系數(μ*)和給水度(μ)等是研究地下水運動規律、判斷地下水的富水性、資源量計算等問題的重要參數[1～3]。以往確定水文地質參數的測定方法有室內試驗、單井[4～8]、群孔抽水試驗[9]、沖擊試驗[10～12]、數值法反求[13]、地下水動態觀測資料測定[14～15]等多種方法。相比較而言，尤以現場原位抽水試驗法應用最廣，也最為可靠。受場地、條件等因素限制，在實際中，利用抽水試驗測定水文地質參數的方法中又以單井法最多。

以往單井抽水試驗多采用帶觀測孔的抽水試驗方法，有穩定流試驗法和非穩定流試驗法。其中穩定流方法僅可求取滲透系數和影響半徑，而不能求取給水度或貯水系數。非穩定流試驗法能獲取多個水文地質參數，但需要利用觀測孔的觀測資料進行求參，但在深井抽水試驗中，很難有同地層觀測孔，則采用非穩定流方法獲取的參數準確性降低。

文章引入冰島地質調查局開發的軟件WellTester對2011年開展的“北京巖溶水資源勘查評價工程”中新建巖溶裂隙含水層中水源井進行了參數計算，確定該軟件是否適用于非地熱含水層，參數計算過程簡單，可視化程度好，并且考慮表皮系數和井筒儲存效應作用，計算結果精度高，為水文地質工作者進行單孔深井抽水試驗的參數計算提供了方便。

1 Well Tester軟件簡介

Well tester是由冰島地質調查局研究開發用于處理冰島地熱田多過程流量注水試驗數據的一種軟件，該軟件用于獲取水文地質參數，具有界面友好、操作簡單等特點。在國內該軟件已經在雄縣地熱田水文地質參數計算中得到一定的應用，計算結果且效果較好[16]。

該軟件設計的水流模型是基于單向流，用于處理均質和雙重介質含水層中的水流問題，假設流體可壓縮性很低，軟件可處理多個階段水流量穩定的抽水（注水）試驗或者注水試驗。

WellTester基于壓力擴散方程，根據含水層的結構特征確定其中的一種模型，通過觀測井內水位的突變引起的壓力變化，進行參數擬合，通過調整相應的參數使模型較好擬合觀測曲線，使誤差最小，進而獲取各參數。

軟件包括6個界面3個模塊（圖1）：試驗條件模塊，模型分析模塊和輸出模塊。

圖1 軟件界面

1.1 試驗條件模塊

包括：初始條件輸入界面和抽水階段數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，先準備數據文檔，如果抽水（注水）試驗數據采用或注水試驗記錄采用Diver自動記錄，須用同步觀測的大氣壓力值進行校正。如果采用水位埋深值，則需換算為含水層中點處水頭壓力值。數據整理成DAT格式或ASCII 格式文件的水壓力值。數據輸入后，需在Parameters界面輸入試驗初始狀態相關參數如初始溫度（℃）、初始壓力（bar）、井孔半徑（m）、孔隙度以及模型，分幾個抽水（注水）階段進行參數計算。

（2）抽水階段數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：數據遴選界面，數據模型選取及擬合界面，全部數據擬合界面。

（1）數據遴選界面：該界面為用戶對已輸入數據根據曲線的變化進行數據的重新選樣，或根據溫度變化進行數據矯正。如果需要對特定階段進行分析，軟件將提供所需要的數據選取功能。利用WellTester可對抽水（注水）試驗中數據進行選擇，通過對數據點的分析，刪除影響參數結果的個別試驗點數據，在重采樣過程中可根據壓力值進行選取或者根據時間進行選取。

（2）數據模型選取及擬合界面：含水層模型的選取、邊界條件的選取、井模型的選取（即是否有井表皮效應）和井筒模型的選取（即是否有井筒儲存效應）。在數據的擬合過程中利用WellTester可在分析圖交互更改不同的模型，對各個參數的初始值可通過模型給定，在采用不同模型對數據進行分析時，可快速對比曲線，以選取合適的模型，然后調整各個初始值進行擬合，使實測點盡可能與理論曲線擬合，從而達到對參數進行最優控制。

（3）全部數據擬合界面：在Modle all界面是對全部抽水（注水）階段含水層滲透性進行擬合，以獲取最終的含水層各參數值。

1.3 輸出模塊

輸出模塊為報告輸出，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）試驗的相關信息，如井位、井孔、試驗日期以及擬合過程的相關圖件，將輸出內容以word的格式輸出；另一種方式是將所有的結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，參數結果以文本形式或者Excel的格式輸出。

2 應用實例

2.1 抽水試驗概述

試驗場地位于門頭溝地區，永定河河道內，為山區向平原區過渡的邊緣部位（圖2）。試驗井為2011年開展的北京市重大水資源勘查項目“北京巖溶水資源勘查評價工程”中新建巖溶水井XL-K-1。根據區域地質資料，本地區為基巖裸露區，僅河道內存在第四系砂卵礫石層。

圖2 XL-K-1孔位置圖

該井在建成后進行了單井抽水試驗，附近無合適觀測孔，僅進行了主孔觀測。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（地層結構見圖3）。根據勘探資料，24m以上為第四系砂卵石；24.00～500.70m，全部為灰巖，整個鉆井過程中，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℃。抽水試驗進行了3個落程，各階段見表1。

圖3 鉆孔結構簡圖

表1 抽水試驗過程

2.2 軟件求參

（1）數據的整理及輸入。根據抽水試驗主孔數據，整理成*.DAT格式文件。其中日期、時間和壓力值按照圖4所示對應的格式，進行數據的輸入。

圖4 軟件數據輸入格式

（2）鉆孔結構及初始信息輸入。在Parameters界面中，輸入試驗的初始參數（表2）。

表2 xl-k-1井抽水試驗初始參數

（3）抽水各階段抽水量的確定。根據試驗的過程，對每一階段的抽水量及抽水時間進行確定。

（4）抽水數據的遴選。剔除數據的異常點，再根據需要，按照時間和壓力值進行參數的獲取。

（5）數據模型的選取與建立。本次選取的模型見表3。

表3 抽水試驗模型

（6）限定部分關鍵參數。選取T的位置，確定導水系數的限定值。其他參數相應調整，給出限定值。

（7）各抽水過程擬合。通過模型自動調整計算，擬合效果最佳（圖5），得出擬合結果較好的參數。

圖5 模擬效果圖

（8）報告的輸出。通過輸入試驗的相關信息，如井位置、井號和試驗日期等，以及選擇性輸出圖片和參數結果。

通過模型計算，該抽水試驗的各參數值經換算后列于表4。

表4 xl-k-1孔兩種方法計算含水層參數對照表

2.3 結果分析

為了便于比較，將大落程抽水試驗數據按照如下經驗公式計算，并將結果列于表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對比分析，發現用WellTester計算的結果較采用經驗法計算結果偏小，二者差值為0.0025m/d。計算的結果可信，說明該軟件在巖溶裂隙含水層中使用效果較好。通過WellTester計算，可計算出釋水系數、表皮系數和井筒儲存系數，對成井質量的評價有一定的指導作用。

3 結論與建議

(1) WellTester是由冰島地質調查局開發用于計算地熱含水層水文地質參數的軟件，該軟件具有簡單實用、計算速度快和易于上手的特點。軟件內嵌模型多樣，可滿足用戶對不同水文地質條件中單井抽水試驗數據的擬合求參。

(2) 軟件不僅可以應用到地熱含水層中求取水文地質參數，同樣可以應用到巖溶裂隙含水層中，進而獲取含水層的水文地質參數。

(3) 該軟件可求多個參數，較經驗法獲取參數較多，除滲透系數外可多獲取釋水系數（給水度）、表皮系數和井筒儲存系數。獲取的表皮系數對成井質量的評價有一定的指導意義。

(4) 目前該軟件在國內僅用于獲取地熱含水層水文地質參數，筆者認為該軟件有一定的應用前景及推廣意義。

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