基于EVSpro 的某工業園區三維地質模擬及地下水污染物空間分布模擬

張 弛，王旭乾，付高平，張 蔚

（浙江省環境科技有限公司，杭州 311100）

隨著社會經濟的發展，我國在山前洪積、河流沖洪積形成的平原上建立了諸多工業園區，這些園區的設立有利于實現資源共享和產業共生、提高資源能源利用效率[1]，但是隨著生產時間增長，園區范圍內的土壤及地下水環境受到污染的風險也不斷增大[2]，因此對園區地質、水文地質條件、污染狀況的調查評估迫在眉睫。

現有的調查評估手段主要基于有限的現場鉆孔、采樣及實驗檢測，這種以點概面的調查方法在沉積環境復雜區域無法精確反映地質環境和污染狀況，也無法判斷采樣單點附近的污染狀況[3]。隨著三維空間插值軟件的出現和發展，能夠用于三維地質建模及污染物空間分布模擬的軟件已有很多，比如美國C Tech 公司旗下地球科學軟件EVSpro（Earth Volumetric Studio pro），該軟件適用于地球科學領域的高級可視化分析工具，能夠滿足地質、地球化學、水資源與環境等多個專業的需求[4]。

目前，文獻缺乏對位于較復雜地質條件區域的三維地質模擬，比如山前洪積平原與河流沖積平原交匯地帶。并且由于鉆孔稀疏，所獲取的地層信息不足以建立精確的三維地質模型，模擬結果也缺少驗證。本文將以某工業園區為例，利用收集到的大量地質勘察資料，基于EVSpro 分析建立精確的區域三維地質模型，驗證其準確性，并開展污染物分布趨勢的模擬。

1 研究區地質及水文地質概況

研究區位于浙江省臺州市，占地面積約136 萬m2，內部工業企業主要為化工（醫藥）行業。地處河流一級階地，同時背靠山體，園區地質條件不但受到河流沖洪積作用的影響，亦會有山前洪積作用的特征。因此園區地貌單元屬山前洪積平原與河流沖洪積平原交匯地帶。

園區地下水主要為淺部第四系土層中的圓礫孔隙潛水。該層孔隙潛水受大氣降水，地表水或山區基巖地下水補給。在不同季節補給源亦有所不同，在豐水期和平水期，主要由大氣降水和地表水補給孔隙潛水；但在枯水季節，地表水位下降，主要由上游山區基巖地下水補給孔隙潛水。

孔隙潛水與下游地表水之間的水力聯系密切，地下水水位隨季節動態變化明顯，據區域資料，動態變幅一般在0.50～1.0 m，孔隙潛水埋深2.05～6.63 m。相對標高38.63～43.41 m。據歷史資料，豐水期時，地下水位接近地表。

2020 年7 月，對園區各地下水監測點位統一測量其標高和地下水水位。經測量，園區地下水埋深在1～8 m 之間，由北向南埋深逐漸增大；園區地下水水位在36～45 m 之間，水位呈現明顯的北高南低趨勢，地下水由北向南流向地表水體。

2 EVSpro 三維地質模型建立及優化

2.1 三維地質模型建立

本次主要收集園區內各企業的地質勘察資料，整理實測鉆孔共1 013 個，將鉆孔的地面高程、坐標和分層厚度等信息輸入Microsoft Excel 軟件中制成表格。將監測井的地面高程、坐標和水位等進行統計并制成表格。

利用EVSpro 中Tools 功能將鉆孔信息表通過Generate PGF File 制成地層巖性文件[5]（文件格式為PDF），使用Generate ADPV File 將檢測數據表制成點處測量的分析數據文件（文件格式為ADPV）。將生成的PDF 文件和ADPV 文件保存用于構建模型[6]。

使用kring-3d-geology 模塊進行插值計算，將離散的點轉化為地質層邊界的表面，為三維地質建模和參數估計提供框架[7]。該模塊可以使用的估算方法有克里金法、樣條曲線、IDW 和最近鄰算法[8]等。其中克里金法的基本方法是通過計算點附近函數的已知值的加權平均值來預測給定點處函數的值。插值計算結束后，經過必要的優化設置，化工園區的三維地質模型基本完成，如圖1 所示。

圖1 EVSpro 構建園區三維地質模型

2.2 模型優化

已建立的園區三維地質模型雖然能夠顯示不同地質體及其層序關系，但仍然存在一定的缺陷，具體如下：

（1）模型以最外側鉆孔為界自動確定的模擬范圍，與實際研究范圍相比有偏差。

（2）根據園區鉆孔資料可知，園區范圍內細砂、粉質黏土和含礫粉質黏土等底層存在尖滅情況，但模型并未正確顯示。

（3）建立的模型不能與地面現狀參照物建立位置關系，后期使用模型的便捷性較差。

（4）模型對地層的顏色渲染與實際地層顏色、性狀對應性較差。

為了完善上述模型的缺陷，本次研究對模型進行優化。

（1）為使三維地質模型的模擬范圍與園區范圍一致，首先增加read-cad 模塊加載園區范圍紅線；其次連接polyline-spline 和triangulate-polygons 模塊與原plume模塊一并接入area-cut 模塊實現對模型的切割；最后增加plume-shell 模塊輸出area-cut 模塊切割結果。

（2）結合鉆孔揭露地層信息，對Boundary offset、Layer thickness 和Pinch factor 等參數值重新設置和定義。Boundary offset 為0.1%，Layer thickness 為0.1，Pinch factor 為2。

（3）為使三維地質模型與地面位置相互對應，采用91 位圖助手下載與模型坐標系統相同的園區范圍內的位圖圖像，采用地表貼圖方式顯示在三維地質模型的表面。

（4）將texture-geology 模塊接入plume-shell，設置texture-geology 模塊的Data Type 為Cell Date，同時在Image Filenames 增加各地層圖例，這樣就更新了三維地質模型中各地層的渲染效果。

利用三維地質模型對地層分布特征進行分析，見表1。

表1 EVSpro 構建園區三維地質模型中地層分布特征

3 EVSpro 三維地質模擬結果驗證

本次研究選取園區不同區域進行實地鉆孔勘察，通過將實際鉆孔信息與本次建立的園區三維地質模型中相同位置的地層分類、層厚和分層深度等地質特征進行對比，驗證所建地質模型的準確性。

利用各鉆孔坐標信息，確定其在三維地質模型中的位置，各鉆孔依次相連形成剖面線。在建模流程中接入draw-lines 和thin-fence 將上述鉆孔及剖面線位置導入三維地質模型。

通過三維地質模型提取各鉆孔對應虛擬鉆孔地層分布，讀出模型中各點地面高程及地層的底面高程，與實際鉆孔揭露地層進行對比并計算地面高程、地層底面高程及層厚三個指標之間的相對偏差，以檢驗三維地質模型的模擬結果的偏差程度，見表2。

表2 各指標相對偏差計算表

通過對比計算，得到以下結論：

（1）鉆孔揭露深度和模擬深度范圍內，三維地質模型模擬研究區地層巖性與實際鉆孔揭露地層巖性一致，均為填土、細砂、粉質黏土和圓礫。

（2）實際鉆孔數據與模擬結果相比，地面高程的相對偏差在0.15%～0.81%之間，地層底面高程的相對偏差在0.15%～3.13%之間，層厚的相對偏差在0.56%～44.0%。

（3）整體來看，研究區三維地質模型對研究區地層的模擬結果較準確，但在地層起伏較大的區域，層厚的模擬結果會出現較大偏差。

4 地下水中總氮污染物分布變化趨勢模擬

總氮為醫化園區企業的特征污染物，對園區企業的污染滲漏存在明顯的指示性。本次研究基于園區2020 年6 月不同時間測得的地下水中總氮的濃度值對園區地下水中總氮隨時間的變化進行模擬刻畫。

本研究實測點位共51 個，插值計算范圍為最外圍監測井點圍成區域，實現對數據連續時間上的插值計算，實測數據時間分別為2020 年6 月4 日、2020 年6月7 日及2020 年6 月10 日，插值時間范圍為2020 年6 月1 日—2020 年6 月30 日。

EVSpro 具有播放功能，可在Viewer 窗口中按照設置時間間隔對模擬結果進行連續顯示，用于觀察不同時間總氮在不同位置的變化規律。

圖2為6 月5 日總氮濃度分布，及預測6 月15 日和6 月30 日的總氮濃度分布圖。

圖2 總氮濃度空間分布圖

上述地下水總氮的濃度空間分布各圖，監測井上的顏色表示該點地下水中總氮的濃度水平，濃度分布的顏色和高度代表了三維插值計算的總氮的濃度水平。從圖中可以看出，總氮濃度高的區域主要位于園區的南部區域，實際上結合園區水文地質條件，地下水流向大致從北向南，地下水中的總氮可能是隨著地下水遷移擴散并富集在園區南部區域。對比來看，隨著時間的變化，總氮整體的濃度不斷下降，表明園區污染物逐步向地表水體遷移，且無新增污染物進入，園區污染水平逐步降低。

5 結論

（1）通過對EVS 建立的園區三維地質模型模擬范圍、地層色彩渲染及參數設置等方面的優化和驗證，本研究所建立的三維地質模型準確可信。通過對三維地質模型可視化分析得出了園區范圍內地層分布特征，對地質勘察和土壤及地下水污染調查等工作具有指導意義。

（2）EVS 軟件可以對地下水中污染物的分布及隨時間變化規律進行模擬和可視化顯示，本研究以園區地下水中的總氮為例，利用其不同時間的檢測濃度值刻畫總氮的空間分布，并預測一段時期內的污染物空間變化情況。通過對可視化三維模擬結果進行分析可用于指導地下水污染的調查和治理工作。