基于GMS的礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維可視化系統(tǒng)設(shè)計

閆科偉，牛自禮

（1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué) 交通工程，山西 運城 044000；2.平頂山市公路交通勘察設(shè)計院，河南 平頂山 467000）

礦山勘探工程安全生產(chǎn)受到多方面因素的制約，其中礦井水害是最難治理的地質(zhì)災(zāi)害之一，礦井突水引發(fā)的事故會給礦區(qū)開發(fā)造成嚴(yán)重負(fù)面影響，甚至還會危害勘探人員的生命安全。因此勘探工作前，首先需要探明礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，但是由于多數(shù)礦山水文地質(zhì)條件復(fù)雜，對準(zhǔn)確預(yù)測礦井水害帶來巨大干擾，增大了礦山開采的工作難度[1]。地下水模擬軟件（GMS），為三維可視化地質(zhì)建模提供了極大的幫助，利用GMS建立的地質(zhì)模型更為直接，可以有效顯示含水層和隔水層等水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間分布和狀態(tài)，對了解礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和深入分析地下水內(nèi)在規(guī)律具有重要作用。因此本文基于GMS軟件，對礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維可視化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，對查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件，準(zhǔn)確判斷礦坑涌水量提供技術(shù)支持，對提高礦山開采的安全性和經(jīng)濟(jì)性起到一定促進(jìn)作用。

1 礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)監(jiān)測硬件

1.1 選擇芯片

由于是對野外環(huán)境中礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，通常規(guī)模較大和節(jié)點數(shù)量較多，因此系統(tǒng)設(shè)計要盡量控制硬件成本。從經(jīng)濟(jì)環(huán)保的角度考慮，選擇的芯片需要選擇低能耗且依靠太陽能供電工作，減少人工部署工作量。本文選擇SOC芯片，將必要電路集成到單一芯片上，SOC芯片集成度高，具有高性能低成本的特點，滿足本文系統(tǒng)的硬件要求。芯片在接收到信號后，對信號進(jìn)行過濾處理，將有效信息存儲進(jìn)寄存器中；在向外發(fā)送信號時，先將信號放入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)天線發(fā)送，完成整個信號傳遞的過程。

1.2 部署傳感器

為適應(yīng)礦山環(huán)境，部署采集數(shù)據(jù)的傳感器要滿足大范圍無線監(jiān)測的要求，本文選擇光纖傳感器，將其部署于礦山水文地質(zhì)鉆孔中，傳感器的傾角應(yīng)與鉆孔保持一致。通過傳感器實時監(jiān)測鉆孔內(nèi)信息數(shù)據(jù)的變化，不僅可以查明含水層和滲水層情況，還確定未含水地層變形狀況，借此判斷地層裂隙發(fā)育程度，分析該地層是否與含水層產(chǎn)生聯(lián)系，總結(jié)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

2 基于GMS的三維可視化系統(tǒng)軟件

2.1 構(gòu)建礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

實際礦山地下水層結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜，因此需要建立水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。建立模型的主要原則是對水文條件進(jìn)行概念化，保證可以再現(xiàn)水流動態(tài)。首先對含水層實際邊界條件進(jìn)行概念化計算，通常情況下，含水層上部為交換邊界，接收降雨和河流等的補(bǔ)給，將底部不透水基巖設(shè)定為模型隔水邊界。將模型水頭邊界設(shè)定為第一類邊界，計算公式如下：

其中，Γ2表示二類邊界；k表示三維空間的滲透系數(shù)；表示邊界法向量；h2(x,y,z)表示二類邊界上已知流量函數(shù)。將模型混合邊界設(shè)定為第三類邊界，計算公式如下：

其中，Γ3表示三類邊界；h3(x,y,z)表示三類邊界上流量函數(shù)；C表示邊界條件函數(shù)；h表示水頭邊界取值；h0表示天然邊界取值。

2.2 設(shè)計水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫

為建立水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，首先依據(jù)數(shù)據(jù)來源劃分類別，本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)劃分為含水層特征、水文地質(zhì)鉆孔和水文地質(zhì)概念模型邊界三大類，再分為不同子類，各類數(shù)據(jù)具有不同信息屬性。其中水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)表是三維可視化系統(tǒng)的主要依據(jù)，描述水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬性特征，本文設(shè)計鉆孔基礎(chǔ)信息表見表1，地層分層信息表見表2，含水層信息表見表3。

表1 水文地質(zhì)鉆孔基礎(chǔ)信息表

表2 鉆孔地層分層信息表

表3 鉆孔含水層層段信息表

水文地質(zhì)鉆孔的三個信息表，通過鉆孔統(tǒng)一編號關(guān)聯(lián)起來，得到鉆孔空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，為三維可視化系統(tǒng)提供信息數(shù)據(jù)支持。

2.3 選取空間插值算法

在三維可視化建模過程中，需要對采集的原始數(shù)據(jù)使用插值算法，對空間采樣不充足和缺乏的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)修正，來提高建模完整性和精確度。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和多變性，選取的插值算法會對三維可視化精度造成一定影響，本文選擇空間插值算法對模型進(jìn)行擬合，提高系統(tǒng)準(zhǔn)確度。假定平面上分布散亂點p(x,y,z)，其坐標(biāo)為(xi,yi)，屬性值為Zi(i= 1,2,...,n)，根據(jù)周圍散亂點屬性值計算p點的值。空間插值算法可以表示為：

其中，di表示散亂點到p點的距離；k∈[0 ,2]。空間插值算法主要是利用未知點屬性進(jìn)行加權(quán)平均，使插值生成曲面較為平滑。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)性能測試

為驗證本文設(shè)計三維可視化系統(tǒng)的可靠性，以實際某礦山水文地質(zhì)勘察資料為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試。首先建立了該礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，利用實際資料構(gòu)建三維模型，對其可視化，在計算機(jī)環(huán)境中展示水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其空間分布。根據(jù)實際勘探資料中含水層介質(zhì)分布特征分析，得到水文地質(zhì)參數(shù)取值情況，如表4所示。

表4 水文地質(zhì)參數(shù)實際值

利用本文系統(tǒng)對研究區(qū)模型進(jìn)行識別，計算出滲透系數(shù)和給水度見表5。

表5 水文地質(zhì)參數(shù)識別值

通過參數(shù)實際值和系統(tǒng)識別值的對比，可以發(fā)現(xiàn)偏差相對較小，因此說明含水層擬合情況較好，三維可視化結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3.2 對比測試

為檢驗本文設(shè)計的三維可視化系統(tǒng)實際應(yīng)用價值，將本文設(shè)計系統(tǒng)作為實驗組，將使用GOCAD和GIS軟件的系統(tǒng)作為對照組，進(jìn)行對比測試，比較系統(tǒng)的水均衡擬合效果，對比結(jié)果見表6。

表6 不同系統(tǒng)對比測試結(jié)果

通過表6對比結(jié)果可知，本文系統(tǒng)的水均衡效果擬合較好，可應(yīng)用于實際礦山水文地質(zhì)勘查中。

4 結(jié)束語

本文基于GMS對礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維可視化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，為探明水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和含水層特征，提供可視化平臺。但本文研究是對穩(wěn)定水流狀態(tài)下的模擬預(yù)測，還存在一定局限性，未來系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)考慮非穩(wěn)定流模擬；水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維可視化模型的精度應(yīng)進(jìn)一步提高；本文主要對地下水的動態(tài)信息進(jìn)行描述，后續(xù)還應(yīng)結(jié)合地層和構(gòu)造特征對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化升級，以提高三維可視化系統(tǒng)的科學(xué)性。