基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間離散方法

白婷婷，牛艷東

（內(nèi)蒙古自治區(qū)第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查院，呼和浩特 010010）

基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間離散方法

白婷婷，牛艷東

（內(nèi)蒙古自治區(qū)第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查院，呼和浩特 010010）

孔隙水文地質(zhì)層具有不均勻性的厚度分布以及不連續(xù)性的空間分布，因此有必要對(duì)基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間離散實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線進(jìn)行研究。本文提出了基于GIS的三維空間離散方法，使水文地質(zhì)層類型的一元性得到最大限度保證，同時(shí)還能夠?qū)Ω鱾€(gè)計(jì)算結(jié)點(diǎn)上空間位置坐標(biāo)進(jìn)行快速提取，可以極大地提升地下水三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬的效率。

三維空間離散；孔隙水文地質(zhì)層；地理信息系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，一維地下水流模擬模型演變成了現(xiàn)在的三維模型，在模擬地下水流數(shù)值時(shí)，含水層的空間離散具有十分重要的作用，由于二維地下水流模擬方法只考慮其水平運(yùn)動(dòng)，其模擬對(duì)象是單個(gè)含水層，因此其含水層的空間離散基本只屬于水平方向。而三維數(shù)值模擬除了包括地下水流的水平運(yùn)動(dòng)之外，同時(shí)也包括垂直運(yùn)動(dòng)。

1　孔隙水文地質(zhì)層概述

孔隙水文地質(zhì)層通常都是在第四紀(jì)形成，孔隙水文地質(zhì)層空間分布特征在很大程度上受到了地質(zhì)、氣候以及環(huán)境變遷的影響。由于第四紀(jì)以來(lái)海平面的突變以及氣候的變化，其孔隙水文地質(zhì)層在沉淀環(huán)境方面發(fā)生了很多變化，再加上第四紀(jì)地層的沉淀類型、巖性以及結(jié)構(gòu)等受到地表水動(dòng)力條件的影響，因此在垂直方向以及水平方向的分布產(chǎn)生了非常大的差異。所以，孔隙水文地質(zhì)層具有差異比較大的空間分布特征，盡管從總體上來(lái)說(shuō)孔隙水文地質(zhì)層的分布方式呈現(xiàn)出層狀形態(tài)，但在區(qū)域方面各層卻呈現(xiàn)非常不均勻的分布?？臻g離散工作因?yàn)榭紫端牡刭|(zhì)層不均勻的空間分布而面臨較多的困難，尤其是在垂向空間離散時(shí)，如果沒(méi)有充分考慮不均勻的空間分布的特點(diǎn)，單個(gè)體元中孔隙水文地質(zhì)層在空間離散時(shí)就會(huì)產(chǎn)生多元性，最終影響到計(jì)算參數(shù)的復(fù)制進(jìn)度，也會(huì)使模型的模擬精度受到影響。

2　常用的三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬空間離散方法

在模擬地下水流三維有限差分?jǐn)?shù)值時(shí)，基本上都是采用規(guī)則矩形格網(wǎng)的剖分方法進(jìn)行空間離散。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局采用的MODFLOW模型是其中最為典型的方法，模擬區(qū)域的孔隙水文地質(zhì)在這個(gè)模型中被看作是同一個(gè)地下水含水系統(tǒng)，在確定水平空間離散格網(wǎng)的基礎(chǔ)之上，同時(shí)也對(duì)其垂向空間離散的步長(zhǎng)進(jìn)行了定義，并以含水層系統(tǒng)的厚度為根據(jù)對(duì)垂向空間離散的層數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以與層數(shù)相同數(shù)量的水平面在垂向上對(duì)水文地質(zhì)層進(jìn)行剖切，最終形成規(guī)則六面體元離散格網(wǎng)。

為充分保證水文地質(zhì)層類型的一元性，在運(yùn)用這種離散方法對(duì)垂直方向進(jìn)行離散時(shí)，選擇增加離散層數(shù)以及減小離散步長(zhǎng)的方法，這樣就能夠盡可能實(shí)現(xiàn)剖分目的。這種方法也存在較多的問(wèn)題，由于在垂直方向以及水平方向的分布產(chǎn)生了非常大的差異，孔隙水文地質(zhì)層也具有差異比較大的空間分布特征，因此很容易出現(xiàn)水文地質(zhì)層類型的多元化。

3　基于GIS的不規(guī)則六面體空間離散的技術(shù)路線

區(qū)域性是空氣水文地質(zhì)層空間分布的非常關(guān)鍵的一個(gè)特點(diǎn)，實(shí)施空間離散時(shí)采用不規(guī)則六面體往往比較困難，尤其是在提取各個(gè)離散點(diǎn)高程時(shí)，需要對(duì)GIS的空間分析功能進(jìn)行建筑，才可以很好地完成這一工作。其具體的方法為：（1）以區(qū)域水文地質(zhì)條件為根據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化方式對(duì)孔隙水文地質(zhì)層實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的劃分，并賦予每一層特定ID號(hào)，同時(shí)還要建立控制性水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。（2）把控制性水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)來(lái)源，對(duì)孔隙水文地質(zhì)的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并且通過(guò)對(duì)GIS專題制圖功能建立頂?shù)装甯叱痰戎稻€圖，選擇圖形的文件形式對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)。（3）在水平上通過(guò)對(duì)矩形網(wǎng)格的利用實(shí)施模擬區(qū)域的空間離散，從而生成平面空間離散網(wǎng)格圖。將水平空間離散網(wǎng)格與每一層的頂?shù)装甯叱痰戎稻€圖疊加起來(lái)，選擇矢柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法柵格化等值線，從而保證柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)有效轉(zhuǎn)化，對(duì)每一孔隙水文地質(zhì)層在取網(wǎng)格中心節(jié)點(diǎn)上的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，最終生成矩陣形式的數(shù)據(jù)文件并保存。

4　基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間離散的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間離散一共分兩個(gè)步驟，即自動(dòng)生成垂向不規(guī)則格網(wǎng)和自動(dòng)生成平面矩形格網(wǎng)。一般在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)垂向空間離散，而在計(jì)算機(jī)只顯示剖分條件的對(duì)話框，在輸入剖分條件并且予以確定之后，自動(dòng)生成垂向空間離散格網(wǎng)，同時(shí)還可以形成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)文件。在計(jì)算機(jī)界面上能夠?qū)崿F(xiàn)平面矩形格網(wǎng)的自動(dòng)生成，要對(duì)研究區(qū)的格網(wǎng)生成、剖分空間步長(zhǎng)、坐標(biāo)原點(diǎn)定義以及基礎(chǔ)地理信息等進(jìn)行調(diào)取。其主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程為，將平面矩形格網(wǎng)離散作為基礎(chǔ)，以區(qū)水文地質(zhì)概念模型為根據(jù)對(duì)層數(shù)進(jìn)行剖分，調(diào)用頂?shù)装甯叱痰戎稻€圖，對(duì)中心節(jié)點(diǎn)上的頂?shù)装甯叱踢M(jìn)行調(diào)取，定義每一層需進(jìn)一步剖分的層數(shù)，生成空間離散格網(wǎng)。

主要參考文獻(xiàn)

［1］陳鎖忠，徐網(wǎng)谷，張磊.基于GIS的地下水流數(shù)值模擬參數(shù)自動(dòng)提取［J］.水利學(xué)報(bào)，2011（11）.

［2］成曉東，徐網(wǎng)谷，陳鎖忠.基于GIS的孔隙含水層系統(tǒng)三維空間離散方法研究［J］.南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版，2011（4）.

［3］賈錦生，陳鎖忠.基于GIS的孔隙含水層系統(tǒng)三維空間離散方法研究［J］.江蘇地質(zhì)，2012（1）.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.08.052

P641.136

A

1673-0194（2015）08-0069-01

2015-02-17