彭海晟

摘 要：針對自然界中基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層厚度不均勻和分布連續(xù)性不強的特點，在分析剖面的基礎上運用鉆孔的數(shù)據(jù)對空隙水文地質(zhì)層的三維空間關系進行劃分研究，并使用GIS的三維空間離散來實現(xiàn)技術要求。探討了基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間的離散方法，針對孔隙水文地質(zhì)層分布的特征和目前地下水流在空間離散中存在的問題進行了研究，最后提出了不規(guī)則多面體的三維空間離散方法。

關鍵詞：GIS；孔隙水文地質(zhì)層；三維空間離散方法；地下水

中圖分類號：P641.136 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.085

隨著社會的快速發(fā)展，模擬地下水流的模型已經(jīng)發(fā)展為了三維空間模型。在地下水流的模擬過程中，要模擬含水地質(zhì)層的三維空間離散。對于地下水流的三維空間模擬過程，不僅要涉及到地下水垂直運動，還要涉及到地下水的水平運動，將地下隔水層和含水層當作同一個含水系統(tǒng)進行研究。盡可能保證離散GIS的數(shù)據(jù)自動提取和空間分析，快速提取每一個計算點上的參數(shù)，提高模擬水文地質(zhì)層的實效性，提高實用價值。

1 孔隙水文地質(zhì)層分布特點

孔隙含水地質(zhì)層大部分形成于第四紀，環(huán)境的不斷變遷對孔隙水文地質(zhì)層的空間分布造成了直接的影響。隨著地理地貌的不斷變化，海面和氣候發(fā)生了突變現(xiàn)象，沉積的地層環(huán)境也發(fā)生了相應的變化，受到地表淺水動力和局部區(qū)域的影響，孔隙水文地質(zhì)層的沉積類型、巖性、結構等在垂直和水平的分布中都存在著比較大的差異。同時，在地層中分布的孔隙含水層在巖體的空間分布上也有很大不同，孔隙含水層在總體的分布上是呈層狀分布的，但是每一個含水層在不同的區(qū)域分布上都存在著不均勻的情況，在某個不同的區(qū)域內(nèi)，有的地質(zhì)層分布不均勻，有的是呈尖狀分布的。

孔隙水文地質(zhì)層在空間上分布不均勻給三維空間離散工作帶來了一定的難度，尤其是進行垂向空間離散時，假如沒有考慮到孔隙水文地質(zhì)層分布不均勻的狀況，在某些區(qū)域進行三維空間離散時，存在著多個孔隙水文含水層，那么計算參數(shù)的精度就會被嚴重影響，與此同時，還降低了模擬精度。

2 豎直模擬中使用的三維空間離散方法

當前，在模擬地下水流的有限分值中，孔隙水文地質(zhì)層系統(tǒng)垂直向上的離散大部分采用的是規(guī)則矩形格網(wǎng)的辦法，在這里，最典型的就是美國地質(zhì)調(diào)查局研究的MODFLOW三維有限差分地下水流滲流的模型。這種離散的方式是把模擬區(qū)域的隔水層與含水層當作同一個含水系統(tǒng)，在確定水平空間的基礎上，定義水文地質(zhì)的空間離散長度。形成模擬區(qū)域的含水層系統(tǒng)的三維空間規(guī)則多面體離散格網(wǎng)如圖1所示。

在這種離散方式中，為了盡可能地保證隔水層和含水層的單一性，在垂直的空間里進行離散的時候，應該盡量減少散步長，盡量離散地質(zhì)層中的底層數(shù)。

3 三維空間離散的不足之處

在三維空間離散方式中，采取多面體元對含水層進行三維空間離散，盡管采取了一定的離散措施，最大限度地保證了單個體元中孔隙隔水層或含水層的單一性能，但由于自然界中的孔隙水文地質(zhì)層分布空間不均勻，在每一個分布厚度和范圍上都存在著較大不同，且每一個隔水層和含水層的定地面大多數(shù)都是曲面，用多面體空間進行三維空間離散，就會出現(xiàn)一個體元中存在多個隔水層和含水層，具體如圖2所示。

受到隔水層和含水層沉積類型、巖性等影響，各個隔水層與含水層之間的參數(shù)各不相同。如果一個體元中存在多個隔水層或含水層，那么在模擬計算時，這個體元中的水文地質(zhì)參數(shù)就是多個含水層和隔水層相互存在的綜合值。但是，水文地質(zhì)的參數(shù)都是根據(jù)個各種水文地質(zhì)的試驗來獲取的，無法取得單個個體單元中的綜合值。

4 三維空間離散的特點

以自然界中隔水層和含水層為空間分布的特點為依據(jù)，要保證在每一個空間離散中，三維空間離散的多面體中的隔水層和含水層類型是唯一的，就必須保證多面體的上界面和下界面都在同一個隔水層或含水層中。受這種條件的限制，三維空間離散中的多面體離散無法達到這項要求。需采用基于GIS的三維空間離散方法進行離散工作。

本文所提出的多面體離散方式是用下界面和上界面為曲面，對于離散區(qū)域內(nèi)沒有連續(xù)分布的隔水層和含水層，地層的尖面位置有可能是一個點或曲面，在地層尖面位置相應分布。

5 在GIS下進行三維空間離散的技術分析

孔隙水文地質(zhì)層的隔水層和含水層在空間上分布的特點就是區(qū)域性。對區(qū)域性分布的隔水層和含水層，要采用不規(guī)則的多面體進行空間離散工作。離散時，只使用手工的方法來實現(xiàn)空間離散比較困難，尤其針對某個隔水層或者含水層。處于底部的每一個離散點高程都存在著提取、離散困難，需要GIS輔助，通過空間分析才可以完成等問題。具體分析情況如圖3所示。

首先，在控制水文地質(zhì)庫的隔水層與含水層里讀取高程數(shù)據(jù)，使用GIS自動繪制每一個有斷水層和含水層的底頂板，并存儲為矢量圖。其次，在水平的孔隙水文地質(zhì)層中，使用矩形的網(wǎng)格對模擬區(qū)域進行空間離散，形成平面空間里離散的圖形。使每一層底頂板高程等值圖與離散中水平的網(wǎng)格互相疊加，按照固定好的算法把等值線進行柵格，實現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的互相轉(zhuǎn)換，自動讀取網(wǎng)絡中心節(jié)點上每一個隔水層與含水層之間的數(shù)據(jù)，形成矩形的數(shù)據(jù)文件并保存。最后，假如每一個隔水層與含水層的厚度是垂向空間進行離散的長度，那么每個中心的高程數(shù)據(jù)文件以及空間離散的形成與第三點是一樣的。假如要對某一個水文地質(zhì)進行進一步的剖分，那么就需要讀取剖分目的層高程的數(shù)據(jù)，計算每一區(qū)域內(nèi)的地層厚度和每一個中心節(jié)點的高程值，組成相應的數(shù)據(jù)文件。

6 實現(xiàn)基于GIS的不規(guī)則空間離散

基于GIS和不規(guī)則多面體孔隙含水層的系統(tǒng)離散需要通過垂向不規(guī)則生成和平面矩形的格網(wǎng)圖自動生成完成。

垂向不規(guī)則生成的實現(xiàn)過程是：以離散平面的矩形網(wǎng)格為基礎，依據(jù)所研究區(qū)域內(nèi)的地面沉降概念確定剖分的層數(shù)，隨后依據(jù)每一個含水層底頂板的高程定義進一步的剖分，并對滿足剖分條件的不規(guī)則多面體空間進行離散。

平面矩形的格網(wǎng)圖自動生成在計算機上就可以實現(xiàn)，使用研究區(qū)域的基礎地理位置信息定義確定區(qū)域內(nèi)的原點，并形成剖分的空間定義和格網(wǎng)圖。

不規(guī)則的多面圖形規(guī)則空間離散是基于GIS的空間離散軟件平臺的二次開發(fā)形成的孔隙水文地質(zhì)層三維控制層離散。

7 結束語

由于沉積的影響，孔隙水文地質(zhì)層的隔水層與含水層之間存在著差異，針對分布空間不同的特征，使用GIS的自動采集功能和空間分析功能，用不規(guī)則的多面體進行空間離散，減少了孔隙水文地質(zhì)層離散的工作量，縮短了模擬地下水流所需要的時間，提高了孔隙水文地質(zhì)層的三維空間離散精度。

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〔編輯：王霞〕