基于GIS的孔隙水文地質層三維空間離散方法

白婷婷，牛艷東

（內蒙古自治區第一水文地質工程地質勘查院，呼和浩特 010010）

基于GIS的孔隙水文地質層三維空間離散方法

白婷婷，牛艷東

（內蒙古自治區第一水文地質工程地質勘查院，呼和浩特 010010）

孔隙水文地質層具有不均勻性的厚度分布以及不連續性的空間分布，因此有必要對基于GIS的孔隙水文地質層三維空間離散實現的技術路線進行研究。本文提出了基于GIS的三維空間離散方法，使水文地質層類型的一元性得到最大限度保證，同時還能夠對各個計算結點上空間位置坐標進行快速提取，可以極大地提升地下水三維有限差分數值模擬的效率。

三維空間離散；孔隙水文地質層；地理信息系統

在計算機技術不斷發展的今天，一維地下水流模擬模型演變成了現在的三維模型，在模擬地下水流數值時，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動，其模擬對象是單個含水層，因此其含水層的空間離散基本只屬于水平方向。而三維數值模擬除了包括地下水流的水平運動之外，同時也包括垂直運動。

1　孔隙水文地質層概述

孔隙水文地質層通常都是在第四紀形成，孔隙水文地質層空間分布特征在很大程度上受到了地質、氣候以及環境變遷的影響。由于第四紀以來海平面的突變以及氣候的變化，其孔隙水文地質層在沉淀環境方面發生了很多變化，再加上第四紀地層的沉淀類型、巖性以及結構等受到地表水動力條件的影響，因此在垂直方向以及水平方向的分布產生了非常大的差異。所以，孔隙水文地質層具有差異比較大的空間分布特征，盡管從總體上來說孔隙水文地質層的分布方式呈現出層狀形態，但在區域方面各層卻呈現非常不均勻的分布。空間離散工作因為孔隙水文地質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，如果沒有充分考慮不均勻的空間分布的特點，單個體元中孔隙水文地質層在空間離散時就會產生多元性，最終影響到計算參數的復制進度，也會使模型的模擬精度受到影響。

2　常用的三維有限差分數值模擬空間離散方法

在模擬地下水流三維有限差分數值時，基本上都是采用規則矩形格網的剖分方法進行空間離散。美國地質調查局采用的MODFLOW模型是其中最為典型的方法，模擬區域的孔隙水文地質在這個模型中被看作是同一個地下水含水系統，在確定水平空間離散格網的基礎之上，同時也對其垂向空間離散的步長進行了定義，并以含水層系統的厚度為根據對垂向空間離散的層數進行計算，以與層數相同數量的水平面在垂向上對水文地質層進行剖切，最終形成規則六面體元離散格網。

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

3　基于GIS的不規則六面體空間離散的技術路線

區域性是空氣水文地質層空間分布的非常關鍵的一個特點，實施空間離散時采用不規則六面體往往比較困難，尤其是在提取各個離散點高程時，需要對GIS的空間分析功能進行建筑，才可以很好地完成這一工作。其具體的方法為：（1）以區域水文地質條件為根據，采用標準化方式對孔隙水文地質層實時準確的劃分，并賦予每一層特定ID號，同時還要建立控制性水文地質數據庫。（2）把控制性水文地質鉆孔數據庫作為數據來源，對孔隙水文地質的高程數據進行讀取，并且通過對GIS專題制圖功能建立頂底板高程等值線圖，選擇圖形的文件形式對其進行存儲。（3）在水平上通過對矩形網格的利用實施模擬區域的空間離散，從而生成平面空間離散網格圖。將水平空間離散網格與每一層的頂底板高程等值線圖疊加起來，選擇矢柵數據轉換算法柵格化等值線，從而保證柵格數據與矢量數據能夠實現有效轉化，對每一孔隙水文地質層在取網格中心節點上的高程數據進行讀取，最終生成矩陣形式的數據文件并保存。

4　基于GIS的孔隙水文地質層三維空間離散的實現

實現基于GIS的孔隙水文地質層三維空間離散一共分兩個步驟，即自動生成垂向不規則格網和自動生成平面矩形格網。一般在后臺實現垂向空間離散，而在計算機只顯示剖分條件的對話框，在輸入剖分條件并且予以確定之后，自動生成垂向空間離散格網，同時還可以形成相應格式的數據文件。在計算機界面上能夠實現平面矩形格網的自動生成，要對研究區的格網生成、剖分空間步長、坐標原點定義以及基礎地理信息等進行調取。其主要實現過程為，將平面矩形格網離散作為基礎，以區水文地質概念模型為根據對層數進行剖分，調用頂底板高程等值線圖，對中心節點上的頂底板高程進行調取，定義每一層需進一步剖分的層數，生成空間離散格網。

主要參考文獻

［1］陳鎖忠，徐網谷，張磊.基于GIS的地下水流數值模擬參數自動提取［J］.水利學報，2011（11）.

［2］成曉東，徐網谷，陳鎖忠.基于GIS的孔隙含水層系統三維空間離散方法研究［J］.南京師范大學學報：工程技術版，2011（4）.

［3］賈錦生，陳鎖忠.基于GIS的孔隙含水層系統三維空間離散方法研究［J］.江蘇地質，2012（1）.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.08.052

P641.136

A

1673-0194（2015）08-0069-01

2015-02-17