(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

基于GIS技術(shù)的孔隙水文地質(zhì)層地下水三維空間離散方法研究

周文

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，在模擬地下水流方面需運(yùn)用三維空間離散對(duì)空隙水文地質(zhì)層進(jìn)行模擬，孔隙水文地質(zhì)層在空間分布方面差異相對(duì)較大，通過對(duì)MODFLOW三維有限差分地下水流模型進(jìn)行分析，對(duì)于孔隙水文地質(zhì)層的三維空間離散，可運(yùn)用空間六面體元進(jìn)行三維空間離散，并基于GIS技術(shù)空間離散過程，通過對(duì)不規(guī)則六面體的使用，完成三維空間離散。使地下水流模擬更具時(shí)效。

GIS；孔隙水文地質(zhì)層；三維空間離散方法；研究

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，在對(duì)地下水流模擬方面的模型也不斷改進(jìn)與完善并形成了三維空間模型。其中，在模擬地下水流的時(shí)候，需要運(yùn)用三維空間離散對(duì)含水地質(zhì)層進(jìn)行模擬。而在模擬地下水流三維空間方面，模擬的內(nèi)容不僅包括地下水垂直運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還有地下水水平運(yùn)動(dòng)，并且把含水層以及隔水層作為相同含水系統(tǒng)展開全面研究。另外，應(yīng)盡量確保離散GIS數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取并展開空間分析，在短時(shí)間內(nèi)將各計(jì)算點(diǎn)參數(shù)提取出來，不斷增強(qiáng)水文地質(zhì)層模擬的實(shí)效性，使模型的實(shí)用價(jià)值充分發(fā)揮出來。

1 孔隙水文地質(zhì)層概況

孔隙水文地質(zhì)層是由第四紀(jì)形成，其空間分布的特征通常會(huì)受地質(zhì)、環(huán)境變遷與氣候等影響。但是，自第四紀(jì)之后，海平面出現(xiàn)了突發(fā)性變化，氣候隨之改變，而孔隙水文地質(zhì)層則在沉淀環(huán)境當(dāng)中發(fā)生了變化。與此同時(shí)，第四紀(jì)底層巖性與沉淀類型以及結(jié)構(gòu)也會(huì)受地表水動(dòng)力條件的相關(guān)性影響，所以，使其在垂直與水平方向分布存在諸多差異[1]。由此可見，孔隙水文地質(zhì)層在空間分布方面的差異相對(duì)較大，從整體角度分析，孔隙水文地質(zhì)層的分布式層狀的形態(tài)，然而從區(qū)域角度分析，每一層的分布也極其不均勻。開展空間離散工作，最主要的原因就是孔隙水文地質(zhì)層空間分布相對(duì)復(fù)雜，所以開展難度也較大，特別是垂向空間離散方面，如果不能對(duì)空間分布的不均勻性進(jìn)行綜合分析，那么單個(gè)體元在該地質(zhì)層中進(jìn)行空間離散的過程中會(huì)形成多元性，會(huì)對(duì)計(jì)算參數(shù)復(fù)制的進(jìn)度產(chǎn)生直接的影響，并且對(duì)模型模擬的具體精準(zhǔn)度帶來負(fù)面作用。

2 三維空間離散方法應(yīng)用原理

在孔隙水文地質(zhì)層系統(tǒng)中，地下水流進(jìn)行模擬的有限分值，通常垂直向上的離散都會(huì)運(yùn)用規(guī)則的矩形格網(wǎng)。其中，最具代表性的就是由美國(guó)地址調(diào)查局所研究的三維有限差分地下水流滲流模型[2]。這一離散方式主要是將模擬區(qū)域內(nèi)部的含水層以及隔水層作為同一含水系統(tǒng)，同時(shí)，在明確水平空間的情況下，對(duì)水文地質(zhì)空間離散的長(zhǎng)度進(jìn)行定義。最終針對(duì)模擬區(qū)域內(nèi)部含水層系統(tǒng)三維空間的規(guī)則多面體離散格網(wǎng)。

2.1 規(guī)則六面體元的空間離散問題

對(duì)于孔隙水文地質(zhì)層的三維空間離散，可以運(yùn)用規(guī)則六面體元。其中，為有效地確保單個(gè)體元在孔隙水文地質(zhì)層類型的一元性，已經(jīng)采用了相關(guān)性的措施。然而，因?yàn)樽匀画h(huán)境中的孔隙水文地質(zhì)層的空間分布均勻性十分不理想，且各孔隙水文地質(zhì)層分布的范圍以及厚度都具有區(qū)域差異[3]。通常情況下，頂?shù)酌娑际乔?，?duì)規(guī)則六面體的使用完成空間離散，也必然使體元當(dāng)中的孔隙水文地質(zhì)層多元性情況出現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 規(guī)則六面體三維空間離散

因?yàn)榭紫端牡刭|(zhì)層的巖性與沉積類型等諸多因素的影響，不同孔隙水文地質(zhì)層在水文地質(zhì)參數(shù)方面也存在差異。所以，如果某一體元當(dāng)中包含若干孔隙水文地質(zhì)層，在進(jìn)行模擬計(jì)算的時(shí)候，水文地質(zhì)參數(shù)應(yīng)當(dāng)是諸多孔隙水文地質(zhì)層的參數(shù)綜合數(shù)值。但是，一般來講，水文地質(zhì)參數(shù)值主要是根據(jù)單孔隙水文地質(zhì)層，在不同類型的水文地質(zhì)試驗(yàn)中獲得。而單個(gè)體元的各水文地質(zhì)參數(shù)綜合數(shù)值卻很難獲取[4]。在這種情況下，體元內(nèi)部各水文地質(zhì)參數(shù)精確賦值的難度就相對(duì)較大。所以，專業(yè)工作人員僅僅是根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來對(duì)參數(shù)值進(jìn)行估計(jì)，最終影響了模型模擬的精準(zhǔn)程度。另外，若將垂向空間的離散步長(zhǎng)減小，以減少以上空間離散方法的誤差大小，則會(huì)增加空間離散模型的層數(shù)。在這種情況下，模擬所需的數(shù)據(jù)文件量也將迅速提高，為此，實(shí)際的工作量也會(huì)急速增加。另外，在部分體元當(dāng)中，始終存在不低于兩種類型的水文地質(zhì)層，所以，很難從根源上對(duì)單個(gè)體元的水文地質(zhì)多元性問題進(jìn)行處理與解決。

2.2 不規(guī)則六面體元的空間離散研究

要想確保各空間離散六面體水文地質(zhì)層具有一元性的特征，最關(guān)鍵的就是要保證六面體上下的界面始終都位于同一孔隙水文地質(zhì)層中。但是，在這一條件的約束之下，規(guī)則六面體元空間離散是很難滿足具體要求的。為此，應(yīng)當(dāng)合理地運(yùn)用不規(guī)則六面體元展開空間離散[5]。

其中，不規(guī)則六面體元具體指的就是上界面與下界面都是曲面而側(cè)面為平面的一種六面體元。其中，上下界面曲度和起伏的方向在理論上應(yīng)當(dāng)和單個(gè)水文地質(zhì)層的上下界面保持一致，如圖2所示。

圖2 不規(guī)則六面體元

如果是對(duì)分布不連續(xù)區(qū)域的水文地質(zhì)層進(jìn)行研究，那么地層尖滅位置有可能是一條曲線亦或是一點(diǎn)，相對(duì)應(yīng)的分布在底層尖滅的六面體元側(cè)面，則表現(xiàn)的是曲線或者是點(diǎn)。概括來講，就是通過線或者是點(diǎn)替代了面。

3 基于GIS技術(shù)的空間離散技術(shù)分析

區(qū)域性是孔隙水文地質(zhì)層的空間分布特點(diǎn)，運(yùn)用的是不規(guī)則六面體實(shí)現(xiàn)空間離散，而只是依靠手工方式，則會(huì)使實(shí)現(xiàn)的難度增加，尤其是提取各孔隙水文地質(zhì)層頂與底面位置的各離散點(diǎn)高程[6]。在這種情況下，就需要充分利用GIS空間分析功能。而具體的技術(shù)方法包括以下幾種：

(1)應(yīng)充分考慮區(qū)域性的水文地質(zhì)條件，并且有效地劃分模擬區(qū)域內(nèi)部的各控制性水文地質(zhì)鉆孔，但需要注意的是性質(zhì)存在差異的孔隙水文地質(zhì)層。與此同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)為各層標(biāo)注相應(yīng)的ID號(hào)碼，及時(shí)地構(gòu)建控制性的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2)通過對(duì)控制性水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)的合理應(yīng)用，可以對(duì)各孔隙水文地質(zhì)層的頂?shù)捉绺叱虜?shù)據(jù)信息進(jìn)行及時(shí)地讀取，而且通過對(duì)GIS的制圖功能，還可以根據(jù)各孔隙水文地質(zhì)層頂?shù)装宓母叱汤L制出等值線圖，通過圖形的方式進(jìn)行存儲(chǔ)。

(3)水平方向上，通過對(duì)矩形網(wǎng)格的應(yīng)用，完成模擬區(qū)域的空間離散，最終構(gòu)建出平面空間的離散網(wǎng)格圖[7]。其中，應(yīng)將各層頂?shù)装甯叱痰牡戎稻€圖調(diào)取出來，同水平空間的離散網(wǎng)格進(jìn)行疊加，根據(jù)矢柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法可以完成等值線的柵格化，與此同時(shí)，矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)也可以有效轉(zhuǎn)化。這樣一來，就可以對(duì)網(wǎng)格中心結(jié)點(diǎn)的各孔隙水文地質(zhì)層頂?shù)装甯叱虜?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化地讀取，最終以矩陣數(shù)據(jù)文件的形式進(jìn)行保存，進(jìn)而在計(jì)算模型的時(shí)候予以調(diào)用。

(4)若將各孔隙水文地質(zhì)層厚度當(dāng)作垂向的空間離散步長(zhǎng)，那么空間離散與各中心結(jié)點(diǎn)高程的數(shù)據(jù)文件形成過程與第三點(diǎn)相同。但是，如果針對(duì)某一個(gè)孔隙水文地質(zhì)層進(jìn)行剖析與分析，應(yīng)當(dāng)對(duì)部分目的層的重點(diǎn)結(jié)點(diǎn)頂?shù)装甯叱虜?shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取并深入分析。另外，要針對(duì)各結(jié)點(diǎn)地層的厚度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)剖分層數(shù)予以明確地定義，最終獲得剖分空間步長(zhǎng)。除此之外，需要對(duì)剖分層的各格網(wǎng)中心結(jié)點(diǎn)高層數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，最終形成以矩陣為主要形式的數(shù)據(jù)文件。

4 基于GIS技術(shù)空間離散過程

以GIS為基礎(chǔ)的孔隙水文地質(zhì)層，在利用不規(guī)則六面體進(jìn)行空間離散的過程中，主要可以劃分成兩個(gè)部分，平面矩形格網(wǎng)自動(dòng)化生成和垂向不規(guī)則格網(wǎng)生成。對(duì)于前者而言，通常需要有計(jì)算機(jī)的輔助，在計(jì)算機(jī)界面中實(shí)現(xiàn)。而具體的過程主要就是將所研究區(qū)域的基本地理信息與坐標(biāo)原點(diǎn)的定義，以及剖分空間步長(zhǎng)和格網(wǎng)生成等及時(shí)地調(diào)用[8]。而對(duì)于后者，則需要運(yùn)用后臺(tái)實(shí)現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)界面當(dāng)中僅能夠?qū)⑵史謼l件顯示出來，而在輸入完成并確定剖分條件以后，就可以自動(dòng)地生成垂向空間的離散格網(wǎng)，同時(shí)也將以相對(duì)應(yīng)的格式形成數(shù)據(jù)文件。具體的過程就是將平面矩形格網(wǎng)離散當(dāng)作重要的基礎(chǔ)，從這一方面入手，充分考慮所研究地區(qū)的水文地質(zhì)概念模型來對(duì)剖分層數(shù)進(jìn)行定義。需要將以各孔隙水文地質(zhì)層頂?shù)装宓母叱汤L制的等值線圖調(diào)用出來，并且對(duì)平面矩形格網(wǎng)的中心結(jié)點(diǎn)頂?shù)装甯叱碳皶r(shí)提取。另外，應(yīng)對(duì)各層所需深入剖分層數(shù)進(jìn)行明確地定義并確定。這樣一來，就可以在滿足剖分條件的基礎(chǔ)上，形成不規(guī)則六面體空間離散格網(wǎng)。

5 結(jié)語

綜上所述，孔隙水文地質(zhì)層主要是受到沉積環(huán)境影響，使其空間分布呈現(xiàn)出不連續(xù)的狀態(tài)，而且厚度也十分不均勻，地層頂?shù)捉缑娴膸缀涡螤钜膊淮_定。根據(jù)這一空間分布的特點(diǎn)，對(duì)GIS予以合理地運(yùn)用，特別是空間分析和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的功能，通過對(duì)不規(guī)則六面體的使用，完成三維空間離散。其中，可以盡可能地確保不規(guī)則的六面體元水文地質(zhì)層具有一元性，使得地下水流的模擬精準(zhǔn)度以及水文地質(zhì)模型的三維空間離散精準(zhǔn)程度不斷提高。除此之外，還能夠減少水文地質(zhì)模型空間離散的時(shí)間，使得地下水流的模擬更具時(shí)效。

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P641.136

A

1004-1184(2017)05-0038-02

2017-03-16

周文(1981-)，女，河南新鄉(xiāng)人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等工作。