我院教授黄璟胜指导博士生王晨在多尺度井流数值模拟研究中取得新...

2022-09-15 204

微水实验是一种快速获取水文地质参数的地下水野外试验方法，通过从井孔瞬间抽出一定水量，观测井孔中随时间恢复的水位。在试验井安装过程中，因钻井扰动而在井周围产生非均质的井肤层，忽略井肤层的影响将对试验结果造成显著误差。对于井流数值模拟，井肤层的处理方式分为两种：(1) 边界条件。能有效考虑井肤层的渗透性影响，但假设井肤层宽度无限小，并忽略了井肤层贮水性的影响。(2) 水流方程。能考虑井肤层的尺寸、渗透性、贮水性等重要影响，但必须采用细网格离散井肤层，粗网格离散大尺度含水层，导致大－小尺度混合，造成网格构建困难、数量庞大、计算耗时、高内存需求等高计算成本的问题，制约了模型的应用和实践。

针对以往研究不足，2022年7月，我院教授黄璟胜指导博士生王晨在国际知名期刊Journal of Hydrology发表题为A low-cost model for slug tests in a confined aquifer with skin-zone effect的论文。论文提出了一个处理井肤层的新方法，引进能有效反映井肤层贮水性影响的新肤层因子（skin factor），推导出新肤层因子、肤层宽度、贮水率、井半径的关系式，建立承压含水层非完整井微水试验的地下水流解析和数值模型（图1）。结果表明数值模型在粗网格离散的基础上成功反映井肤层的影响，相对于基于细网格离散的传统数值模型，本研究模型仅需1/10的网格数量，1/200的计算时间，即可精准模拟微水试验结果，大幅降低计算成本（图2）。模型预测的水力水头与野外试验数据能够很好地拟合，获得可靠的水文地质参数（图3）。综上，研究成果对于发展多尺度井流模型具有重要的理论和实践价值，是估计水力参数反演问题的新途径。

论文链接：Wang, C., Huang, C.-S., Tong, C., Xiong, M. & Lee., C.-H. (2022). A low-cost model for slug tests in a confined aquifer with skin-zone effect. Journal of Hydrology, 612, 128273. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.128273.

图1 (a) 双区非完整井承压含水层剖面示意图。(b) 传统有限元法的“含水层粗网格和井肤层细网格”。(c) 本研究有限元法的“含水层粗网格”

图2 传统“粗－细网格”模型与本研究“粗网格”模型的有限元法数值解计算效能与精度。NP：网格节点总数，EI：传统模型与本研究模型的计算时间之比，AI：计算精度的评价指标。当AI =1, 模型的预测结果精准

图3 传统模型和本模型预测的水力水头分别与野外试验数据拟合。 (a) – (b) 参数敏感度分析。(c) – (d) 两种模型反演出的最佳水文地质参数范围