基于GIS技術的孔隙水文地質(zhì)層地下水三維空間離散方法研究

(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)

社會經(jīng)濟發(fā)展過程中，在模擬地下水流方面需運用三維空間離散對空隙水文地質(zhì)層進行模擬，孔隙水文地質(zhì)層在空間分布方面差異相對較大，通過對MODFLOW三維有限差分地下水流模型進行分析，對于孔隙水文地質(zhì)層的三維空間離散，可運用空間六面體元進行三維空間離散，并基于GIS技術空間離散過程，通過對不規(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效。

GIS；孔隙水文地質(zhì)層；三維空間離散方法；研究

在社會經(jīng)濟發(fā)展的過程中，在對地下水流模擬方面的模型也不斷改進與完善并形成了三維空間模型。其中，在模擬地下水流的時候，需要運用三維空間離散對含水地質(zhì)層進行模擬。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動，同時還有地下水水平運動，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，應盡量確保離散GIS數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)自動提取并展開空間分析，在短時間內(nèi)將各計算點參數(shù)提取出來，不斷增強水文地質(zhì)層模擬的實效性，使模型的實用價值充分發(fā)揮出來。

1 孔隙水文地質(zhì)層概況

孔隙水文地質(zhì)層是由第四紀形成，其空間分布的特征通常會受地質(zhì)、環(huán)境變遷與氣候等影響。但是，自第四紀之后，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)境當中發(fā)生了變化。與此同時，第四紀底層巖性與沉淀類型以及結構也會受地表水動力條件的相關性影響，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)層空間分布相對復雜，所以開展難度也較大，特別是垂向空間離散方面，如果不能對空間分布的不均勻性進行綜合分析，那么單個體元在該地質(zhì)層中進行空間離散的過程中會形成多元性，會對計算參數(shù)復制的進度產(chǎn)生直接的影響，并且對模型模擬的具體精準度帶來負面作用。

2 三維空間離散方法應用原理

在孔隙水文地質(zhì)層系統(tǒng)中，地下水流進行模擬的有限分值，通常垂直向上的離散都會運用規(guī)則的矩形格網(wǎng)。其中，最具代表性的就是由美國地址調(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，在明確水平空間的情況下，對水文地質(zhì)空間離散的長度進行定義。最終針對模擬區(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

對于孔隙水文地質(zhì)層的三維空間離散，可以運用規(guī)則六面體元。其中，為有效地確保單個體元在孔隙水文地質(zhì)層類型的一元性，已經(jīng)采用了相關性的措施。然而，因為自然環(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?，對?guī)則六面體的使用完成空間離散，也必然使體元當中的孔隙水文地質(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

因為孔隙水文地質(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，如果某一體元當中包含若干孔隙水文地質(zhì)層，在進行模擬計算的時候，水文地質(zhì)參數(shù)應當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)試驗中獲得。而單個體元的各水文地質(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較大。所以，專業(yè)工作人員僅僅是根據(jù)個人經(jīng)驗來對參數(shù)值進行估計，最終影響了模型模擬的精準程度。另外，若將垂向空間的離散步長減小，以減少以上空間離散方法的誤差大小，則會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，實際的工作量也會急速增加。另外，在部分體元當中，始終存在不低于兩種類型的水文地質(zhì)層，所以，很難從根源上對單個體元的水文地質(zhì)多元性問題進行處理與解決。

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，應當合理地運用不規(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當和單個水文地質(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

如果是對分布不連續(xù)區(qū)域的水文地質(zhì)層進行研究，那么地層尖滅位置有可能是一條曲線亦或是一點，相對應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。概括來講，就是通過線或者是點替代了面。

3 基于GIS技術的空間離散技術分析

區(qū)域性是孔隙水文地質(zhì)層的空間分布特點，運用的是不規(guī)則六面體實現(xiàn)空間離散，而只是依靠手工方式，則會使實現(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。而具體的技術方法包括以下幾種：

(1)應充分考慮區(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，還應當為各層標注相應的ID號碼，及時地構建控制性的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。

(2)通過對控制性水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫的合理應用，可以對各孔隙水文地質(zhì)層的頂?shù)捉绺叱虜?shù)據(jù)信息進行及時地讀取，而且通過對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，通過圖形的方式進行存儲。

(3)水平方向上，通過對矩形網(wǎng)格的應用，完成模擬區(qū)域的空間離散，最終構建出平面空間的離散網(wǎng)格圖[7]。其中，應將各層頂?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，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，就可以對網(wǎng)格中心結點的各孔隙水文地質(zhì)層頂?shù)装甯叱虜?shù)據(jù)進行自動化地讀取，最終以矩陣數(shù)據(jù)文件的形式進行保存，進而在計算模型的時候予以調(diào)用。

(4)若將各孔隙水文地質(zhì)層厚度當作垂向的空間離散步長，那么空間離散與各中心結點高程的數(shù)據(jù)文件形成過程與第三點相同。但是，如果針對某一個孔隙水文地質(zhì)層進行剖析與分析，應當對部分目的層的重點結點頂?shù)装甯叱虜?shù)據(jù)信息進行讀取并深入分析。另外，要針對各結點地層的厚度進行計算，對剖分層數(shù)予以明確地定義，最終獲得剖分空間步長。除此之外，需要對剖分層的各格網(wǎng)中心結點高層數(shù)值進行相應的計算，最終形成以矩陣為主要形式的數(shù)據(jù)文件。

4 基于GIS技術空間離散過程

以GIS為基礎的孔隙水文地質(zhì)層，在利用不規(guī)則六面體進行空間離散的過程中，主要可以劃分成兩個部分，平面矩形格網(wǎng)自動化生成和垂向不規(guī)則格網(wǎng)生成。對于前者而言，通常需要有計算機的輔助，在計算機界面中實現(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原點的定義，以及剖分空間步長和格網(wǎng)生成等及時地調(diào)用[8]。而對于后者，則需要運用后臺實現(xiàn)，在計算機界面當中僅能夠?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，就可以自動地生成垂向空間的離散格網(wǎng)，同時也將以相對應的格式形成數(shù)據(jù)文件。具體的過程就是將平面矩形格網(wǎng)離散當作重要的基礎，從這一方面入手，充分考慮所研究地區(qū)的水文地質(zhì)概念模型來對剖分層數(shù)進行定義。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，并且對平面矩形格網(wǎng)的中心結點頂?shù)装甯叱碳皶r提取。另外，應對各層所需深入剖分層數(shù)進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上，形成不規(guī)則六面體空間離散格網(wǎng)。

5 結語

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，對GIS予以合理地運用，特別是空間分析和數(shù)據(jù)自動采集的功能，通過對不規(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度以及水文地質(zhì)模型的三維空間離散精準程度不斷提高。除此之外，還能夠減少水文地質(zhì)模型空間離散的時間，使得地下水流的模擬更具時效。

[1]彭海晟.探究基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間離散方法[J].科技與創(chuàng)新.2015(3):85-86.

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[3]陳翠.基于GIS的地下水位紅線管理可視化技術研究[D].南京師范大學.2015.

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[6]黃春輝,任家民.基于GIS系統(tǒng)煤礦區(qū)水文地質(zhì)勘察技術探究[J].民營科技.2016(6):38.

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[8]吳義陽,李文峰,姜志強，等.基于GIS的蘇州地鐵水文地質(zhì)模型可視化研究[C].2015年江蘇省地基基礎聯(lián)合學術年會論文集.2015:21-24.

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。