東營(yíng)市地面沉降模型的構(gòu)建與應(yīng)用

孫斌，武顯倉(cāng)，林廣奇，張樂(lè)

(1.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014；2.東營(yíng)市國(guó)土資源局，山東 東營(yíng) 257000)

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東營(yíng)市地面沉降模型的構(gòu)建與應(yīng)用

孫斌1，武顯倉(cāng)1，林廣奇1，張樂(lè)2

(1.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014；2.東營(yíng)市國(guó)土資源局，山東 東營(yíng) 257000)

東營(yíng)市是山東省內(nèi)重要的沿海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，近年來(lái)地面沉降災(zāi)害制約了東營(yíng)市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。構(gòu)建三維地面沉降模型可以實(shí)現(xiàn)東營(yíng)市地面沉降監(jiān)測(cè)資料的信息化、可視化。根據(jù)東營(yíng)市地質(zhì)條件及礦產(chǎn)資源賦存層位，將三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的標(biāo)準(zhǔn)分層分為13層；而后收集了東營(yíng)地區(qū)深鉆540個(gè)，深度均在2000m及以上，其中有82個(gè)能夠達(dá)到4000～5000m甚至更大深度，按照標(biāo)準(zhǔn)分層，對(duì)所有鉆孔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并進(jìn)一步利用Mapgis K9軟件建立了三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，首次實(shí)現(xiàn)了以礦產(chǎn)資源層位劃分為依據(jù)的大深度的東營(yíng)市三維可視化地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型模擬分析。同時(shí)，結(jié)合東營(yíng)市19座地面沉降監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)，構(gòu)建了地面沉降模型，首次實(shí)現(xiàn)了地面沉降的動(dòng)態(tài)預(yù)演及監(jiān)測(cè)，為東營(yíng)市地面沉降評(píng)估與防治提供了科學(xué)依據(jù)。

三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型；地面沉降；東營(yíng)市

0 引言

東營(yíng)市先后于2009年、2011年被納入《黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》及《山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，是山東省內(nèi)重要的沿海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)。2012年5月，國(guó)家科技部正式批復(fù)東營(yíng)市高效生態(tài)農(nóng)業(yè)示范區(qū)為國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)。“黃”、“藍(lán)”兩大國(guó)家戰(zhàn)略在東營(yíng)融合交會(huì)、疊加聚焦，東營(yíng)成為全省唯一全部納入兩大國(guó)家戰(zhàn)略的城市。然而，由于長(zhǎng)期以來(lái)的油氣資源開(kāi)采、地下水資源開(kāi)采、自然沉降、地面載荷、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及海平面上升等綜合因素[1-4]影響，東營(yíng)地面沉降災(zāi)害已經(jīng)普遍存在[5-6]，制約了東營(yíng)市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

隨著地質(zhì)信息化及三維可視化技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。地質(zhì)信息系統(tǒng)是指對(duì)城市地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、處理，并配以一定可視化表現(xiàn)手段的地質(zhì)信息分析、共享系統(tǒng)[7-8]。

而三維地質(zhì)信息的表達(dá)稱為三維地學(xué)模擬,它是由地質(zhì)勘探學(xué)、數(shù)學(xué)地質(zhì)、地球物理、礦山測(cè)量、礦井地質(zhì)、GIS、圖形圖象學(xué)、科學(xué)可視化等學(xué)科交叉而形成的一門新興學(xué)科,它由加拿大Simon W Houlding于1994年首先提出[9-10]。經(jīng)過(guò)十多年的研究,研究者提出20多種應(yīng)用于三維地質(zhì)體建模三維空間數(shù)據(jù),李清泉等把它們歸納為基于柵格的數(shù)據(jù)模型、基于矢量的三維空間模型和混合結(jié)構(gòu)的三維模型[11]。多年來(lái)地質(zhì)學(xué)家一直在關(guān)注地質(zhì)體三維建模技術(shù)的探討，并將構(gòu)模方法總的歸納為基于面模型、基于體模型和基于混合模型的構(gòu)模法三大類[12]。高贊東等[13]于2012年建立了濟(jì)南市水文地質(zhì)信息系統(tǒng)，推動(dòng)了濟(jì)南市城市地質(zhì)的發(fā)展。類似的研究也在濱州市沿海地區(qū)、泰安市等地展開(kāi)，而東營(yíng)市目前尚欠缺此類研究。

該文基于東營(yíng)市地質(zhì)條件及礦產(chǎn)資源賦存層位，并進(jìn)一步收集深鉆540個(gè)，采用三維可視化技術(shù)，建立了東營(yíng)市三維立體化地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，而后耦合地面沉降模型，對(duì)東營(yíng)市地面沉降現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，為東營(yíng)市地面沉降防控提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

東營(yíng)市位于山東省東北部，魯北黃河三角洲平原上[14]，東、北兩面瀕臨渤海，西與濱州市毗鄰，南與淄博、濰坊市接壤。大地構(gòu)造區(qū)位于魯西南坳陷的西南部[15]。東營(yíng)市市域范圍內(nèi)被厚達(dá)168～420m的第四系覆蓋，巖性以粉土、粉質(zhì)粘土和砂層互層為主[16]。其下為盆地型沉積，拗陷基底由太古界變質(zhì)巖系構(gòu)成，基底之上沉積蓋層厚逾萬(wàn)米。早古生代廣泛發(fā)育碳酸鹽巖，晚古生代演變?yōu)楹ｊ懡换ハ嗪撼练e，至中、新生代轉(zhuǎn)為陸相河湖碎屑巖沉積，這一包括巨厚的暗色泥巖、碳酸鹽巖和砂巖在內(nèi)的地層，為復(fù)式油氣藏的形成提供了富含有機(jī)質(zhì)的生油層。新生界發(fā)育齊全，包括古近系、新近系和第四系，其中古近系厚度超過(guò)7000m，新近系厚度1000～2000m。第四紀(jì)沉積物以黃河沖洪積、湖沼相堆積物為主[17]，沉積厚度370～450m。該區(qū)屬魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)，北部海積沖積平原地下水以咸水為主，在南部沖積洪積平原淡水水文區(qū)地下水超采嚴(yán)重，存在降落漏斗，除降落漏斗外水位埋深普遍小于4m。

東營(yíng)市地面沉降發(fā)現(xiàn)于1985年，2002—2008年共進(jìn)行了6次地面沉降水準(zhǔn)測(cè)量。通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)地面沉降觀測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，監(jiān)測(cè)區(qū)普遍存在地面沉降，且廣饒縣沉降量大于東營(yíng)區(qū)，東營(yíng)區(qū)西部沉降量大于東部。東營(yíng)市存在東營(yíng)區(qū)和廣饒縣2個(gè)較為明顯的沉降“洼地”：東營(yíng)地面沉降區(qū)是以東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)勝利油田基地(該點(diǎn)位于西四路與黃河路交叉處)為中心的沉降區(qū)，-150mm等降深線面積為15km2，中心點(diǎn)累計(jì)沉降量為155.1mm，年均沉降速率28.2mm；廣饒沉降區(qū)以廣饒縣城北開(kāi)發(fā)區(qū)為中心，-150mm等沉降線面積為523km2，中心點(diǎn)沉降量356.0mm，年均沉降速率64.7mm[18-19]。

2 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的建立

三維地質(zhì)建模功能主要是基于地質(zhì)多專業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型的構(gòu)建。鑒于東營(yíng)市資源環(huán)境的現(xiàn)狀，為地質(zhì)礦產(chǎn)資源管理及地質(zhì)找礦提供三維可視化平臺(tái)，同時(shí)為決策者及時(shí)掌握地質(zhì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，制定決策提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)收集資料的翔實(shí)程度及精度大小，綜合分析可以覆蓋整個(gè)東營(yíng)市范圍的基本要求，能夠滿足建模標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)據(jù)為地?zé)徙@孔數(shù)據(jù)、地面沉降數(shù)據(jù)。

東營(yíng)市地面沉降形成及影響因素復(fù)雜，這與其區(qū)域地質(zhì)背景條件和人為因素密不可分，為了深入了解其地下資源空間分布及人類開(kāi)發(fā)利用基礎(chǔ)，該文利用MapGIS K9軟件，首先建立了整個(gè)東營(yíng)市的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。

2.1 建立標(biāo)準(zhǔn)地層

東營(yíng)市具有特殊的地形地貌、地理地質(zhì)條件，其礦產(chǎn)資源種類繁多，有地下淡水、鹵水、貝殼、地?zé)帷⑹?、天然氣、油?yè)巖、煤等，各類礦產(chǎn)資源的賦存與儲(chǔ)藏與區(qū)域地層巖性、構(gòu)造及古沉積環(huán)境有著密切關(guān)系。為了比較清晰地認(rèn)識(shí)和了解地下地質(zhì)礦產(chǎn)資源、地質(zhì)儲(chǔ)層的空間結(jié)構(gòu)分布特征，根據(jù)東營(yíng)市地質(zhì)條件及礦產(chǎn)資源賦存層位，將三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的標(biāo)準(zhǔn)分層分為13層(表1)，以不同顏色填充區(qū)分。

表1 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型標(biāo)準(zhǔn)分層

2.2 鉆孔資料整編

該次研究共收集到的可利用的深鉆孔共計(jì)540個(gè)，主要集中于東城城區(qū)附近及北部河口區(qū)一帶，其余鉆孔分布相對(duì)較為均勻。根據(jù)鉆孔統(tǒng)計(jì)資料，鉆孔類型主要以地?zé)徙@孔為主，埋藏深度一般為2000m左右；收集到的石油鉆孔中有82個(gè)能夠達(dá)到4000～5000m甚至更大深度，雖然都集中分布于東營(yíng)市勝利油田的幾大采油區(qū)附近，但也對(duì)該地區(qū)深層地質(zhì)情況提供了參考。按照上述分層標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所有鉆孔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2.3 地質(zhì)剖面搭建

首先，編輯剖面軌跡線。用txt文檔順序記錄每一條剖面所經(jīng)過(guò)的鉆孔編碼，生成每一條軌跡線txt數(shù)據(jù)；其次，編輯剖面圖。在成果編輯視圖中，對(duì)自動(dòng)生成的剖面，根據(jù)專業(yè)地質(zhì)條件進(jìn)行編輯修改，以符合地質(zhì)現(xiàn)狀；最后，剖面圖保存。把生成和編輯完成的剖面圖存儲(chǔ)到HDF數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.4 地質(zhì)子面構(gòu)建

將二維地質(zhì)剖面轉(zhuǎn)化為三維剖面，并構(gòu)建單元格。對(duì)屬性相同的弧段進(jìn)行弧段封閉構(gòu)網(wǎng)，形成地層面，然后對(duì)已有的地質(zhì)面進(jìn)行合并、顏色修改、追面邊界線，完成地層剖面約束下的地質(zhì)子面構(gòu)建。

2.5 地質(zhì)塊體封閉

將所需的地質(zhì)面添加到該圖層中，全選地質(zhì)面進(jìn)行塊體封閉，最終將屬性相同的塊體進(jìn)行合并。然后，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)地層層序，依次構(gòu)建出所有地質(zhì)體的地質(zhì)子面模型，最后，通過(guò)拓?fù)涮幚恚瑯?gòu)建出整個(gè)東營(yíng)市的三維立體結(jié)構(gòu)模型(圖1)。

圖1 東營(yíng)市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型示意圖

3 地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型應(yīng)用

3.1 空間定位虛擬鉆孔查詢

根據(jù)地質(zhì)找礦的需要，點(diǎn)選空間任意位置坐標(biāo)后，可以查詢?cè)擖c(diǎn)的地層結(jié)構(gòu)信息，生成剖面信息，揭露該點(diǎn)垂向上的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，為地質(zhì)勘察鉆探目的層位深度的確定提供較為可靠的地質(zhì)依據(jù)。

3.2 三維模型信息查詢

三維模型信息查詢只需用同一個(gè)操作功能菜單，即可完成對(duì)地層模型、鉆孔模型、屬性模型、剖面模型等的拾取查詢，對(duì)于切割后的模型，正在演示的隧道模型等都能進(jìn)行拾取，并用列表的方式羅列出模型所帶的屬性，可以進(jìn)行多屬性聯(lián)動(dòng)信息的檢索查詢，從而得到圖形和文字多重信息。

3.3 三維模型爆炸顯示

三維模型爆炸顯示功能實(shí)現(xiàn)將整個(gè)模型進(jìn)行一次爆炸顯示的過(guò)程，使得模型能夠被充分的打散開(kāi)來(lái)，便于用戶了解地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的細(xì)節(jié)問(wèn)題。揭露每一層地質(zhì)層在空間的厚度、分布及位置。

3.4 三維模型剖切分析

基于網(wǎng)格剖分技術(shù)的三維實(shí)體模型，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)體剖切分析功能，如平面切割、組合切割、折線切割、任意平面切割、隧道模擬、創(chuàng)建虛擬鉆孔等等，通過(guò)剖切，可以更真實(shí)地獲取模型內(nèi)部的組織情況，了解任意位置需要揭露的地質(zhì)信息，為地質(zhì)勘察、工程建設(shè)提供綜合全面的地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

4 地面沉降模型的建立及應(yīng)用

4.1 地面沉降數(shù)據(jù)收集

根據(jù)東營(yíng)市地面沉降監(jiān)測(cè)總結(jié)報(bào)告(2008—2012)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)是在東營(yíng)市B級(jí)GPS控制點(diǎn)、CORS站的分布情況，加密布設(shè)GPS沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)11座，標(biāo)準(zhǔn)參照B級(jí)GPS觀測(cè)點(diǎn)施建方案。共同組建成該區(qū)的沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)，點(diǎn)位共計(jì)19座。監(jiān)測(cè)網(wǎng)每年觀測(cè)2個(gè)周期，時(shí)間窗口定為4—5月和9—10月。每個(gè)點(diǎn)位一次觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)為72h。對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精密處理，基準(zhǔn)參考國(guó)際地球參考框架(ITRF)，并最終獲取毫米級(jí)點(diǎn)位大地高程。該次收集了新建沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)之后的9期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)周期自2008年9月至2012年4月。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布情況分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)均勻分布于東營(yíng)市轄區(qū)各縣市內(nèi)，基本可以滿足地面沉降模型建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 地面沉降模型建立

通用曲面建模和多曲面建模功能模塊，將東營(yíng)市所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)直接自動(dòng)生成不同監(jiān)測(cè)時(shí)期的地面沉降三維曲面，然后通過(guò)克里格插值形成2008年9月至2012年4月連續(xù)變化的動(dòng)態(tài)曲面，再將模型加上遙感影像或者標(biāo)注，進(jìn)行地理位置參照，或者進(jìn)行地質(zhì)、地理貼圖，建立一個(gè)多時(shí)態(tài)連續(xù)變化的動(dòng)態(tài)地面沉降模型(圖2)。

圖2 東營(yíng)市某一時(shí)刻地面沉降模型

4.3 地面沉降模型的應(yīng)用

(1)地面沉降動(dòng)態(tài)預(yù)演。利用豐富的四維時(shí)序功能，在原有靜態(tài)模型顯示的基礎(chǔ)上，充分挖掘模型在時(shí)間維上的表達(dá)手段，通過(guò)時(shí)態(tài)演變動(dòng)態(tài)對(duì)模型進(jìn)行分析，如曲面動(dòng)態(tài)預(yù)演功能可以用來(lái)進(jìn)行歷年的地面沉降分析等。

(2)沉降特征分析。利用地面沉降模型，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化地觀看沉降變化，同時(shí)可以查詢?nèi)我恻c(diǎn)位地面沉降信息，進(jìn)行多年地面沉降特征綜合分析及沉降量大小統(tǒng)計(jì)計(jì)算，了解沉降曲線變化規(guī)律(圖3)。

圖3 東營(yíng)市某一點(diǎn)地面沉降特征圖

(3)地面沉降監(jiān)測(cè)與防治。利用建好的模型，可以通過(guò)地表貼圖直觀地看到沉降中心所處的地理位置，提醒相關(guān)部門對(duì)控制地面沉降的重點(diǎn)地區(qū)加以調(diào)整和擴(kuò)大，以適應(yīng)新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)可視化的演示，控沉部門可以根據(jù)沉降的范圍和嚴(yán)重程度，采取相應(yīng)的調(diào)控措施，減緩地面沉降速率。

地面沉降由中心城區(qū)擴(kuò)展到全市范圍，影響因素主要是地下水開(kāi)采、地?zé)崴_(kāi)采、石油開(kāi)采等；中心城區(qū)由于地下空間開(kāi)發(fā)、城市建筑荷載等使地面沉降規(guī)律更加復(fù)雜。結(jié)合水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型、地下水采灌及地下水位動(dòng)態(tài)，進(jìn)一步研究地面沉降規(guī)律和機(jī)理，有針對(duì)性地制定控制措施[20-22]。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)所收集到的540個(gè)深鉆，對(duì)揭露深度達(dá)5000m范圍內(nèi)的地層進(jìn)行標(biāo)化，首次建立了適合東營(yíng)市礦產(chǎn)資源存儲(chǔ)管理的標(biāo)準(zhǔn)化地層，共劃分為13層?；诖?，成功建立了三維立體化地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，首次實(shí)現(xiàn)了東營(yíng)市區(qū)域大范圍、大縱深地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維可視化。

(2)結(jié)合東營(yíng)市19座地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，首次建立了東營(yíng)市地面沉降三維可視化模型，實(shí)現(xiàn)了地面沉降的監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)模擬與預(yù)演，為掌握東營(yíng)市地面沉降發(fā)生、發(fā)展趨勢(shì)及預(yù)測(cè)評(píng)估與防治提供了三維可視化依據(jù)。

(3)東營(yíng)市地層三維立體化模型和地面沉降模型，改變了傳統(tǒng)的礦產(chǎn)資源管理方式，提供了一個(gè)多角度、全方位了解地下資源及防控地面沉降災(zāi)害的窗口，為東營(yíng)市資源開(kāi)發(fā)利用保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐。

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Construction and Application of Land Subsidence Model in Dongying City

SUN Bin1, WU Xiancang1, LIN Guangqi1, ZHANG Le2

(1. Shandong Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Jinan 250014, China; 2. Dongying Bureau of Land and Resources, Shandong Dongying 257000, China)

Dongying city is an important coastal economic opening area in Shandong province. In recent years, land subsidence has seriously restricted the economic and social development of the city. Three dimensional land subsidence model can realize the information and visualization of land subsidence monitoring data. According to geological conditions and the occurrence of mineral resources, 3D geological structure model is divided into 13 standard layers. 540 deep drillings have been collected in Dongying city, and the depth is more than 2000m. Among them, the depth of 82 holes can 4000～5000m. In accordance with the standard layers, all drill holes were standardized, and three-dimensional geological structure model has been established by using MapGIS K9. It is the first time to realize the simulation and analysis of geological structure model in Dongying city at a great depth, which is based on the division of mineral resources. Then, land subsidence model has been established based on date of 19 ground subsidence monitoring stations, which makes the dynamic preview and monitoring on the ground subsidence possiblely. This study has provided a scientific basis for the evaluation and control of land subsidence in Dongying city.

Three-dimensional geological structure model; land subsidence; Dongying city

2016-11-03；

2016-12-23；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

山東省國(guó)土資源廳，山東省東營(yíng)市資源環(huán)境綜合地質(zhì)信息系統(tǒng)建設(shè)，編號(hào):魯勘字(2013)9號(hào)

孫斌(1982—),男,山東榮成人,高級(jí)工程師,從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)研究;E-mail:spinhlr@163.com

P642.26

B

孫斌，武顯倉(cāng)，林廣奇，等.東營(yíng)市地面沉降模型的構(gòu)建與應(yīng)用[J].山東國(guó)土資源，2017,33(4)：63-66.SUN Bin, WU Xiancang, LIN Guangqi etc.Construction and Application of Land Subsidence Model in Dongying City[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(4)：63-66.