蘇州城市規劃區三維水文地質模型的構建

朱明君，陸徐榮（1.國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇·南京 210049；2.江蘇省地質調查研究院，江蘇·南京 210049）

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蘇州城市規劃區三維水文地質模型的構建

朱明君1,2，陸徐榮1,2
（1.國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇·南京 210049；2.江蘇省地質調查研究院，江蘇·南京 210049）

摘 要：三維水文地質模型可全方位展現地下含水介質的空間分布特征，是含水層系統分析的有效手段。以研究區水文地質工程地質與第四紀鉆孔、地表DEM、基巖面、第四紀模型、水文地質剖面圖、水文地質條件圖等為基礎數據，以蘇州城市地質信息管理與服務系統為平臺，采用“鉆孔—地質剖面/等值線—地層實體”的整體建模思路，創建了蘇州城市規劃區三維水文地質結構模型，為蘇州城市地下水資源信息化管理和城市可持續發展提供基礎地質數據和科學決策依據。

關鍵詞：水文地質；三維模型；含水層系統；地下水資源；信息化管理

三維地質建模最早由加拿大學者Simon W.Houlding于1993年提出[1]，隨后此方法廣泛地應用于石油、礦產、地質等多個領域。九十年代后期，美國地質調查局（USGS）的科學團隊在位于內華達州南部和加州東南部的死谷含水層系統建立了第一個區域三維水文地質模型[2]，加拿大學者Ross M.Parent等建立了加拿大東部第四系地層的三維水文地質模型[3]，國際學術界同時針對地面沉降防治開展了大量的水文地質模型研究[4,5]。國內諸多學者也開展了一系列三維水文地質模型的理論與應用研究[6～11]。近年來，我國先后開展了上海、北京、天津、南京、廣州和杭州等多個城市的三維城市地質調查工作[12]，數字城市地質雛形初現[13～16]，在城市規劃、建設、管理等方面進行了重要的探索和實踐[17]。

2010年開展的蘇州城市地質調查項目，進行了系統的城市三維地質結構調查研究，采用數據庫技術、編碼技術制定蘇州市城市地質數據建庫標準規范，建設城市地質綜合數據庫，利用GIS、3D可視化、計算機網絡等技術，開發建立了集城市基礎地理、遙感、基礎地質、水文地質、工程地質等多專業、多參數數據輸入、檢索查詢、可視化分析、計算評價及輔助決策功能于一體的城市地質信息管理與服務系統，為蘇州城市建設和可持續發展提供了詳實的基礎地質數據和科學決策依據。

1　蘇州城市規劃區水文地質概況

蘇州城市規劃區位于江蘇省南部、太湖流域腹部，南接浙江、西傍無錫、北依長江（圖1），地勢總體呈西南高而東北低展布，平原區地面高程一般在吳淞基面以上2～5m。該區地下水資源分區隸屬長江下游地下水資源區的太湖平原水資源亞區，可分為兩個地下水資源次亞區，即：西部環太湖丘陵地下水資源次亞區、東部平原地下水資源次亞區[18]。其中，西部環太湖丘陵地下水資源次亞區指西部基巖出露區，主要分布在滸墅關—蘇州市—長橋一線以西及東山、西山地區，按賦存條件可劃分為碳酸鹽巖類裂隙水、碎屑巖類裂隙水和火成巖類裂隙水，面積約225km2。東部平原地下水資源次亞區指除基巖出露區外的平原地區，屬我國典型的水網平原地區，面積約2372km2；第四紀松散層廣泛分布發育，沉積厚度自西向東從10m至210m，其間發育有四個含水層組，即潛水含水層、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層。

圖1　研究區范圍Fig.1 Range map of study area

2　蘇州城市規劃區三維水文地質層序的劃分

水文地質層序的劃分是構建三維水文地質模型的基礎，而水文地質層序的劃分是在第四系地層巖性、地層劃分基礎上完成的（表1）。根據時代地層劃分出大的含水層組，之后再根據不同區域上沉積物的巖相及其特征，綜合考慮建模的目標向下劃分出具有局部水文地質意義的透鏡體或次一級含水層組，以保證三維水文地質模型在大的框架上符合實際的地下水分布特征及變化規律，保證模型的精度及準確度。蘇州城市規劃區第四系地層由上至下分別為全新統、上更新統、中更新統和下更新統，潛水含水層、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層分別賦存于以上四個不同時期的第四系地層中。劃分了水文地質層序即確定了建模區三維水文地質模型的分層結構后，需要對巖性進行概化并對鉆孔或剖面中出現的各類巖性進行編碼，以利計算機識別并提取分層離散點進行插值從而構建模型。

表1　蘇州城市規劃區孔隙含水層劃分及其沉積時期Table 1 The Quaternary aquifer and its sedimentation period in Suzhou city

2.1 巖性概化

真實的地層是多層次砂層、黏土層交替、不等厚、延展性復雜多變的空間綜合體，難以實現模型建設。因此模型建設按巖層層次、巖性進行概化，以突出反映工作區第四系水文地質結構的總體特點。概化的原則為：

（1）根據模型中同一層位巖性必須一致的要求，位于同一層面不同的巖性，如粉細砂、中細砂，區域上概化為同一種最為相近的巖性名稱（如細砂）；粉質黏土、淤泥質黏土等則并成黏土類弱透水層，突出砂性土在空間上的展布規律，構筑全區的含水層結構。

（2）2m以內厚度的地層予以概化，如在較為連續的相對隔水層中出現小于2m、巖性顆粒較細的含水層忽略處理，部分情況視作透鏡體。

（3）每一含水巖組大多包含數層砂層，為了保證軟件的正常運行，模型反映主要的含水層，原則上每一含水巖組不超過二層砂層，將部分含水層進行合并，薄層砂忽略不計，使構建的含水層模型既能反映當地含水層結構又能保證模型的正常建設。

2.2 分層巖性編碼

對鉆孔或剖面中出現的巖性進行概化處理后，需對各個鉆孔分層命名使信息系統平臺自動識別并提取分層離散點進行插值從而構建模型。在為鉆孔進行水文地質層編碼時，首先根據已劃分好的建模區水文地層層序，對建模區各鉆孔所揭穿的所有地層從上至下進行編號，建立水文地質層層序表，并據此將建模區鉆孔中的各個地層與地層層序表相對應，對鉆孔中各個地層進行編號。對鉆孔進行分層編號的目的是獲取各水文地層層的離散點，為插值擬合水文地層層面做準備。鉆孔數據通過以上處理后，就可為插值構建模型使用。

3　三維水文地質建模

3.1 建模方法

當前三維地質建模主要有兩種方法：基于鉆孔資料的建模和基于地質圖的建模。以鉆孔數據為基礎，基于不同插值算法插值構建的三維模型通常稱為不確定性模型；而基于鉆孔數據、剖面數據等多源數據的建模方法構建的三維模型通常稱為確定性模型。確定性模型經過專業人員的解譯、概化，將研究區按照一定的劃分規則劃分為若干個確定的地層，建立層序，再基于差值算法構建而成，能確定地表達各地層的形態及展布，是實現地下水資源高效管理的重要介質[19～21]。

蘇州城市規劃區三維水文地質建模前期工作收集了各種水文地質鉆孔資料59份、第四紀和工程鉆孔1200份，并繪制了具有代表性的13條水文地質剖面圖[22]。除此，地表DEM、基巖面、工作區范圍、已建好的第四紀模型也是水文地質建模的基礎數據。“鉆孔—地質剖面/等值線—地層實體”是本次工作的整體建模思路。在大的分層上，根據水文地質標準地層與第四紀標準地層的對應關系，繪制以下界面：地表約束面、基巖面、以及中間的如東組與 湖組、昆山組、啟東組、海門組界線。再通過水文地質層序標準化后的13條水文地質剖面與1000余個概化鉆孔的交互實現含水層與隔水層的建模（圖2）。

圖2　水文地質鉆孔分布與立體剖面網格Fig.2 Distribution of hydrogeological borehole and cross section

3.2 蘇州城市規劃區三維水文地質模型

蘇州城市規劃區陸域2597km2范圍（圖1）為本次三維水文地質建模區。建模區的地下水主要賦存在第四系地層中，因此將第三系及早期地層作為建模的基底，三維水文地質模型如圖3所示（圖中，粉色代表基底，黃色代表黏性土弱透水層，綠色代表含水層，地表層為衛星遙感影像數據疊加地形起伏面）。

從圖3可以看到，建模區第四系地層由東至西逐漸變薄，至西部環太湖地區基底凸起，水文地質結構由上至下分布有4個含水巖組。第Ⅰ承壓含水層下段與第Ⅱ承壓含水層分布最為廣泛，厚度也較大。第Ⅰ承壓含水巖組上段和第Ⅲ承壓含水層厚度較小，且第Ⅲ承壓含水層有較大范圍的缺失，僅分布于黃埭、婁家莊、郭巷一線以東的凹陷部位。蘇州城市規劃區三維水文地質模型不僅可以整體查看蘇州城市規劃區第四系水文地質三維實體，還可以任意切割剖面查看縱剖面的水文地層層空間分布（圖4），也可以點擊任意地理位置查看水文地質層的巖性特征和分布特征（圖5）。此外，通過模型還可以查看鉆孔的空間分布，提供鉆孔的詳細信息，包括基本信息、分層信息、試驗信息等；亦可生成水文地質鉆孔綜合成果表等多個功能。

圖3　蘇州城市規劃區三維水文地質模型Fig.3 3D hydrogeological model of Suzhou city

圖4　水文地質剖面切割及查看Fig.4 Cutting and browsing of hydrogeological profile

圖5　任意水文地質層的信息拾取示意圖Fig.5 Information picking of Hydrogeological layer

圖6為蘇州城市規劃區承壓含水層的三維形態展布。通過地層信息拾取功能可以得知，第Ⅰ承壓含水巖組上段頂板埋深一般為8～14m，厚度10～20m，局部地區如黃埭、甪直等地可達30～40m。第Ⅰ承壓含水層下段在松陵、虎丘、東橋一帶以西缺失，主要分布在市區東部，含水砂層具面狀穩定分布特點，厚度一般為20～40m，主要為灰色細砂，中細砂；頂板埋深在西部黃埭、蔞葑一帶較低，為70m左右，東部約50～70m。第Ⅱ承壓含水層厚度一般為20～40m，局部地區如郭巷、勝浦、斜塘等地可達50m；頂板埋深一般在75～120m之間，呈現由西向東由淺至深的變化特征，望亭一帶埋深約72～83m，向西、東北方向砂層厚度一般小于10m，西部至基巖區附近缺失。第Ⅲ承壓含水層厚度、巖性都呈南北向條帶狀展布，頂板埋深145～175m，從西北向東南漸深， 直一帶超過170m，含水層厚度由小于10m到22.7m不等，以車坊—相城條帶最厚，為10～30m，兩側河間帶小于10m；含水層巖性以黃、灰色細砂、中細砂、含礫中粗砂為主，平面上由南往北巖性粒度由細變粗。

圖6　承壓含水層三維形態Fig.6 3D form of confined aquifers in Suzhou city

4 結語

地下水資源對于保障人民生產、生活不可缺少，因此高效地進行地下水資源信息化管理是發展趨勢。三維水文地質模型能夠實現含水介質空間分布特征的多方位立體可視化展示，是含水層系統分析的有效手段，也是快速掌握區域地下水資源量分布特征的重要技術。本次工作在充分利用鉆孔資料的同時，融入多源地質數據和專家經驗，開展了蘇州城市規劃區三維水文地質建模研究，包括建模數據處理、多源地質數據的綜合利用、三維水文地質層序的劃分、模型的構建方法等，創建了一套“鉆孔—地質剖面/等值線—地層實體”交互建模的數據分析平臺。利用該平臺創建的蘇州城市規劃區三維水文地質模型反映了現有條件下對區內水文地質結構的認識，為優化地下水管理提供了可靠依據。經鉆孔和資料驗證，該模型精確可靠，能很好地滿足實際應用的需要，并可為其他地區開展水文地質三維建模提供參考。

參考文獻(References)

[1] Houlding S W. 3D Geo-science modeling: Computer techniques for geological characterization[M]. London: Springer-Verlag, 1993.

[2] Agnese F A, Faunt C C, Turner A K, et a1. Hydrogeologic valuation and numerical simulation of the Death Valley regional ground water flow system in Nevada and California[R]. US Geological Survey Water Resources Investigations Report, 1997.

[3] Parent R M, Michaud M. On the construction of 3D geological models for applications in regional hydrogeology in complex Quaternary terrains of eastern Canada[EB/OL]. http://www. isgs.uiuc.edu/3DWorkshop/2004workshop/3_d_geology_2004_ workshop.html, 2001-04-22.

[4] 張阿根,劉毅,龔士良.國際地面沉降研究綜述[J].上海地質,2000,21(4):1-7.Zhang A G,Liu Y,Gong S L.Overview of international land subsidence research[J].Shanghai Geology,2000,21(4):1-7.

[5] 張阿根,楊天亮.國際地面沉降研究最新進展綜述[J].上海地質,2010,31(4):57-63.Zhang A G,Yang T L.Latest progress review of research on international land subsidence[J].Shanghai Geology,2010,31(4):57-63.

[6] 薛禹群.地下水數值模擬[M].北京:科學出版社,2007.Xue Y Q.Numerical simulation of ground water[M].Beijing:Science Press,2007.

[7] 薛禹群,張云,吳吉春,等.上海和蘇錫常地區區域地面沉降數值模擬[J].水文地質工程地質,2010,37(S1):1-6.Xue Y Q,Zhang Y,Wu J C,et al.Numerical simulation of regional land subsidence in Shanghai and Su-Xi-Chang area[J].Hydrogeology and Engineering Geology,2010,37(S1):1-6.

[8] 陳崇希,裴順平.地下水開采—地面沉降數值模擬及防治對策研究:以江蘇省蘇州市為例[M].武漢:中國地質大學出版社,2001.Chen C X,Pei S P.Numerical simulation of land subsidence caused by ground water exploitation and prevention countermeasure:A case study of Suzhou city in Jiangsu province[M].Wuhan:China University of Geosciences Press,2001.

[9] 陳崇希.地下水流數值模擬理論方法及模型設計[M].北京:地質出版社,2014.Chen C X.Theory and method on numerical simulation of ground water flow and model design[M].Beijing:Geological Publishing House Press,2014.

[10] 李勤奮,蘇河源.上海地下水流三維水動力模型研究[J].上海地質,1991,12(3):28-37.Li Q F,Su H Y.A study on three dimensional ground water flow model in Shanghai[J].Shanghai Geology,1991,12(3):28-37.

[11] 劉天霸,張永波,費宇紅,等.華北平原三維水文地質建模及其可視化研究[J].水科學與工程技術,2007,(2):44-46.Liu T B,Zhang Y B,Fei Y H,et al.Study on the 3D hydrogeological modeling and it’s visualization of North China Plain[J].Water Science and Engineering Technology,2007,(2):44-46.

[12] 魏子新,翟剛毅,嚴學新,等.上海城市地質[M].北京:地質出版社,2010.Wei Z X,Zhai G Y,Yan X X,et al.Shanghai urban geology[M].Beijing:Geological Publishing House Press,2014.

[13] 劉映,尚建嘎,楊麗君,等.上海城市地質信息化工作新模式初探[J].上海地質,2009,30(1):54-58.Liu Y,Shang J G,Yang L J,et al.Pilot study on a new work pattern of Shanghai urban geological informationization[J].Shanghai Geology,2009,30(1):54-58.

[14] 陳勇,劉映,楊麗君,等.上海三維城市地質信息系統優化[J].上海地質,2010,31(3):23-28.Chen Y,Liu Y,Yang L J,et al.Thoughts on Shanghai urban 3D geological information system enhancement[J].Shanghai Geology,2010,31(3):23-28.

[15] 彭文祥.基于開放標準的地質空間信息集群體系結構研究[J].上海國土資源,2012,33(3):85-90.Peng W X.Geospatial standard framework for sharing of geoscience information[J].Shanghai Land &Resources,2012,33(3):85-90.

[16] 樂艷莉.城市地質信息化管理IT基礎架構規劃[J].上海國土資源,2013,34(3):48-51.Le Y L.An IT infrastructure plan for the management of urban geological information[J].Shanghai Land &Resources,2013,34(3):48-51.

[17] 宋唯,劉利鋒,龔威,等.規劃和國土資源綜合信息監管平臺關鍵技術研究與應用[J].上海國土資源,2015,36(4):52-54.Song W,Liu L F,Gong W,et al.Research and application of key technologies in planning a comprehensive information monitoring platform for land resources[J].Shanghai Land &Resources,2015,36(4):52-54.

[18] 陸徐榮,朱明君,蔣波,等.蘇州城市規劃區地下水應急水源地調查評價報告[R].南京:江蘇省地質調查研究院,2012.Lu X R,Zhu M J,Jiang B,et al.Investigation and evaluation report of emergency groundwater source place[R].Nanjing:Geological Survey of Jiangsu Province,2012.

[19] 顧麗影,花衛華,李三鳳.三維城市地質信息平臺[J].地質學刊,2012,36(3):285-290.Gu L Y,Hua W H,Li S F.On 3D information platform of urban geology[J].Journal of Geology,2012,36(3):285-290.

[20] 張永波,張雪松,張禮中.地下水資源信息化管理的可視化技術應用[J].地理學與國土研究,2002,18(1):87-89.Zhang Y B,Zhang X S,Zhang L Z.Application of visual technology for information management on groundwater resources[J].Geography and Territorial Research,2002,18(1):87-89.

[21] 張禮中,張永波,周小元,等.城市環境地質調查信息化建設[J].上海地質,2010,31(2):20-25.Zhang L Z,Zhang Y B,Zhou X Y,et al.Informationization construction in urban environmental geological survey[J].Shanghai Geology,2010,31(2):20-25.

[22] 龔緒龍,花衛華,高立,等.蘇州市城市地質信息管理與服務系統研制報告[R].南京:江蘇省地質調查研究院,2012.Gong X L,Hua W H,Gao L,et al.Report of geological information management and service system of Suzhou City[R].Nanjing:Geological Survey of Jiangsu Province,2012.

Construction of a three-dimensional hydrogeological model in Suzhou city

ZHU Ming-Jun1,2,LU Xu-Rong1,2
(1.Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster,Ministry of Land and Resources of China,Jiangsu Nanjing 210049,China;2.Geological Surνey of Jiangsu Proνince,Jiangsu Nanjing 210049,China)

Abstract:A three-dimensional (3D) hydrogeological model can show the spatial distribution characteristics of groundwater bearing media in many directions,and it is an effective method for the analysis of aquifer systems.Hydrogeological boreholes,engineering geological boreholes,quaternary boreholes,surface digital elevation models (DEM),bedrock surfaces,the range of modeling areas,completed quaternary models,hydrogeological profiles and hydrogeological maps are the basic data in 3D hydrogeological modeling.Geological information management and the service system of Suzhou city form the basis of a 3D hydrogeological model.The modeling method is “borehole with hydrogeological profile or contour line and stratum entity”.A 3D hydrogeological model of Suzhou city can provide detailed geological data and scientific direction for information management on groundwater resources and sustainable development of the city.

Key words:hydrogeology;three-dimensional model;aquifer system;groundwater resources;information management

基金項目:江蘇省國土資源廳科研項目“蘇州市城市地質調查”(蘇國土資函[2008]409號)

作者簡介:朱明君(1985-),女,碩士,工程師,主要從事水文地質研究.

修訂日期:2016-01-15

收稿日期:2015-12-24

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.014

中圖分類號：P641.6

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1329(2016)01-0062-04

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