探究基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間離散方法

彭海晟

摘 要：針對(duì)自然界中基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層厚度不均勻和分布連續(xù)性不強(qiáng)的特點(diǎn)，在分析剖面的基礎(chǔ)上運(yùn)用鉆孔的數(shù)據(jù)對(duì)空隙水文地質(zhì)層的三維空間關(guān)系進(jìn)行劃分研究，并使用GIS的三維空間離散來實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求。探討了基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間的離散方法，針對(duì)孔隙水文地質(zhì)層分布的特征和目前地下水流在空間離散中存在的問題進(jìn)行了研究，最后提出了不規(guī)則多面體的三維空間離散方法。

關(guān)鍵詞：GIS；孔隙水文地質(zhì)層；三維空間離散方法；地下水

中圖分類號(hào)：P641.136 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.085

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，模擬地下水流的模型已經(jīng)發(fā)展為了三維空間模型。在地下水流的模擬過程中，要模擬含水地質(zhì)層的三維空間離散。對(duì)于地下水流的三維空間模擬過程，不僅要涉及到地下水垂直運(yùn)動(dòng)，還要涉及到地下水的水平運(yùn)動(dòng)，將地下隔水層和含水層當(dāng)作同一個(gè)含水系統(tǒng)進(jìn)行研究。盡可能保證離散GIS的數(shù)據(jù)自動(dòng)提取和空間分析，快速提取每一個(gè)計(jì)算點(diǎn)上的參數(shù)，提高模擬水文地質(zhì)層的實(shí)效性，提高實(shí)用價(jià)值。

1 孔隙水文地質(zhì)層分布特點(diǎn)

孔隙含水地質(zhì)層大部分形成于第四紀(jì)，環(huán)境的不斷變遷對(duì)孔隙水文地質(zhì)層的空間分布造成了直接的影響。隨著地理地貌的不斷變化，海面和氣候發(fā)生了突變現(xiàn)象，沉積的地層環(huán)境也發(fā)生了相應(yīng)的變化，受到地表淺水動(dòng)力和局部區(qū)域的影響，孔隙水文地質(zhì)層的沉積類型、巖性、結(jié)構(gòu)等在垂直和水平的分布中都存在著比較大的差異。同時(shí)，在地層中分布的孔隙含水層在巖體的空間分布上也有很大不同，孔隙含水層在總體的分布上是呈層狀分布的，但是每一個(gè)含水層在不同的區(qū)域分布上都存在著不均勻的情況，在某個(gè)不同的區(qū)域內(nèi)，有的地質(zhì)層分布不均勻，有的是呈尖狀分布的。

孔隙水文地質(zhì)層在空間上分布不均勻給三維空間離散工作帶來了一定的難度，尤其是進(jìn)行垂向空間離散時(shí)，假如沒有考慮到孔隙水文地質(zhì)層分布不均勻的狀況，在某些區(qū)域進(jìn)行三維空間離散時(shí)，存在著多個(gè)孔隙水文含水層，那么計(jì)算參數(shù)的精度就會(huì)被嚴(yán)重影響，與此同時(shí)，還降低了模擬精度。

2 豎直模擬中使用的三維空間離散方法

當(dāng)前，在模擬地下水流的有限分值中，孔隙水文地質(zhì)層系統(tǒng)垂直向上的離散大部分采用的是規(guī)則矩形格網(wǎng)的辦法，在這里，最典型的就是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局研究的MODFLOW三維有限差分地下水流滲流的模型。這種離散的方式是把模擬區(qū)域的隔水層與含水層當(dāng)作同一個(gè)含水系統(tǒng)，在確定水平空間的基礎(chǔ)上，定義水文地質(zhì)的空間離散長(zhǎng)度。形成模擬區(qū)域的含水層系統(tǒng)的三維空間規(guī)則多面體離散格網(wǎng)如圖1所示。

在這種離散方式中，為了盡可能地保證隔水層和含水層的單一性，在垂直的空間里進(jìn)行離散的時(shí)候，應(yīng)該盡量減少散步長(zhǎng)，盡量離散地質(zhì)層中的底層數(shù)。

3 三維空間離散的不足之處

在三維空間離散方式中，采取多面體元對(duì)含水層進(jìn)行三維空間離散，盡管采取了一定的離散措施，最大限度地保證了單個(gè)體元中孔隙隔水層或含水層的單一性能，但由于自然界中的孔隙水文地質(zhì)層分布空間不均勻，在每一個(gè)分布厚度和范圍上都存在著較大不同，且每一個(gè)隔水層和含水層的定地面大多數(shù)都是曲面，用多面體空間進(jìn)行三維空間離散，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)體元中存在多個(gè)隔水層和含水層，具體如圖2所示。

受到隔水層和含水層沉積類型、巖性等影響，各個(gè)隔水層與含水層之間的參數(shù)各不相同。如果一個(gè)體元中存在多個(gè)隔水層或含水層，那么在模擬計(jì)算時(shí)，這個(gè)體元中的水文地質(zhì)參數(shù)就是多個(gè)含水層和隔水層相互存在的綜合值。但是，水文地質(zhì)的參數(shù)都是根據(jù)個(gè)各種水文地質(zhì)的試驗(yàn)來獲取的，無法取得單個(gè)個(gè)體單元中的綜合值。

4 三維空間離散的特點(diǎn)

以自然界中隔水層和含水層為空間分布的特點(diǎn)為依據(jù)，要保證在每一個(gè)空間離散中，三維空間離散的多面體中的隔水層和含水層類型是唯一的，就必須保證多面體的上界面和下界面都在同一個(gè)隔水層或含水層中。受這種條件的限制，三維空間離散中的多面體離散無法達(dá)到這項(xiàng)要求。需采用基于GIS的三維空間離散方法進(jìn)行離散工作。

本文所提出的多面體離散方式是用下界面和上界面為曲面，對(duì)于離散區(qū)域內(nèi)沒有連續(xù)分布的隔水層和含水層，地層的尖面位置有可能是一個(gè)點(diǎn)或曲面，在地層尖面位置相應(yīng)分布。

5 在GIS下進(jìn)行三維空間離散的技術(shù)分析

孔隙水文地質(zhì)層的隔水層和含水層在空間上分布的特點(diǎn)就是區(qū)域性。對(duì)區(qū)域性分布的隔水層和含水層，要采用不規(guī)則的多面體進(jìn)行空間離散工作。離散時(shí)，只使用手工的方法來實(shí)現(xiàn)空間離散比較困難，尤其針對(duì)某個(gè)隔水層或者含水層。處于底部的每一個(gè)離散點(diǎn)高程都存在著提取、離散困難，需要GIS輔助，通過空間分析才可以完成等問題。具體分析情況如圖3所示。

首先，在控制水文地質(zhì)庫的隔水層與含水層里讀取高程數(shù)據(jù)，使用GIS自動(dòng)繪制每一個(gè)有斷水層和含水層的底頂板，并存儲(chǔ)為矢量圖。其次，在水平的孔隙水文地質(zhì)層中，使用矩形的網(wǎng)格對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行空間離散，形成平面空間里離散的圖形。使每一層底頂板高程等值圖與離散中水平的網(wǎng)格互相疊加，按照固定好的算法把等值線進(jìn)行柵格，實(shí)現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的互相轉(zhuǎn)換，自動(dòng)讀取網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)上每一個(gè)隔水層與含水層之間的數(shù)據(jù)，形成矩形的數(shù)據(jù)文件并保存。最后，假如每一個(gè)隔水層與含水層的厚度是垂向空間進(jìn)行離散的長(zhǎng)度，那么每個(gè)中心的高程數(shù)據(jù)文件以及空間離散的形成與第三點(diǎn)是一樣的。假如要對(duì)某一個(gè)水文地質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的剖分，那么就需要讀取剖分目的層高程的數(shù)據(jù)，計(jì)算每一區(qū)域內(nèi)的地層厚度和每一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)的高程值，組成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。

6 實(shí)現(xiàn)基于GIS的不規(guī)則空間離散

基于GIS和不規(guī)則多面體孔隙含水層的系統(tǒng)離散需要通過垂向不規(guī)則生成和平面矩形的格網(wǎng)圖自動(dòng)生成完成。

垂向不規(guī)則生成的實(shí)現(xiàn)過程是：以離散平面的矩形網(wǎng)格為基礎(chǔ)，依據(jù)所研究區(qū)域內(nèi)的地面沉降概念確定剖分的層數(shù)，隨后依據(jù)每一個(gè)含水層底頂板的高程定義進(jìn)一步的剖分，并對(duì)滿足剖分條件的不規(guī)則多面體空間進(jìn)行離散。

平面矩形的格網(wǎng)圖自動(dòng)生成在計(jì)算機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)，使用研究區(qū)域的基礎(chǔ)地理位置信息定義確定區(qū)域內(nèi)的原點(diǎn)，并形成剖分的空間定義和格網(wǎng)圖。

不規(guī)則的多面圖形規(guī)則空間離散是基于GIS的空間離散軟件平臺(tái)的二次開發(fā)形成的孔隙水文地質(zhì)層三維控制層離散。

7 結(jié)束語

由于沉積的影響，孔隙水文地質(zhì)層的隔水層與含水層之間存在著差異，針對(duì)分布空間不同的特征，使用GIS的自動(dòng)采集功能和空間分析功能，用不規(guī)則的多面體進(jìn)行空間離散，減少了孔隙水文地質(zhì)層離散的工作量，縮短了模擬地下水流所需要的時(shí)間，提高了孔隙水文地質(zhì)層的三維空間離散精度。

參考文獻(xiàn)

[1]顏輝武，祝國(guó)瑞，徐智勇，等.基于Kriging水文地質(zhì)層的三維建模與體視化[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2014（07）：611-614.

[2]顏輝武，吳濤，馬晨燕.水文地質(zhì)層及內(nèi)部物理化學(xué)屬性的體視化[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（06）：747-750.

[3]盛業(yè)華，劉平，袁林旺，等.地學(xué)現(xiàn)象三維空間模擬——以點(diǎn)源煙氣擴(kuò)散為例[J].地球信息科學(xué)，2009（03）：16-20.

[4]謝偉文，顏輝武，周煉紅.基于鉆孔數(shù)據(jù)的水文地質(zhì)層的三維地學(xué)模擬研究——以常州—武進(jìn)地區(qū)為例[J].國(guó)土資源導(dǎo)刊，2010（01）：47-50.

〔編輯：王霞〕