基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散方法

基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散方法

【摘要】自然界中的孔隙水文地质层分布形式不均匀的厚度分布以及不连续的空间分布。基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散的方法应用于地下水流三维有限差分数值模拟中优势明显，具有很高的使用价值。在本文中详细介绍了基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散的方法。

【关键词】孔隙水文地质层；空间分布；三维空间离散

1.前言

存在于自然界中的孔隙水文地质层分布形式较为复杂多变，并且存在厚度分布的不均匀性以及空间分布的不连续性。近些年来，人们不断的将计算机技术用于构造地下水流模拟的模型，并且模型结构已从最初的一维结构发展到当前的三维结构,地下水流模拟模型的解也发展到了数值解形式。在本文中我们主要介绍基于地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的水文地质层三维空间离散方法。

2.孔隙水文地质层的空间分布

孔隙含水层系统空间分布的复杂情况与其形成环境有着直接的关系。孔隙水文地质层大多在第四纪形成，地层的沉积环境随着气候和海面突变而产生极大的变化，再加上局部地表水动力变化的作用，最终使得在这段时期内成形的地质层的结构、岩性、沉积类型等方面在空间的分布形式极不均一，不仅在水平有较大的差异，在底层的垂直方向的分布也不均匀。自然而然的，存在于地层孔隙中的含水层受地层影响，虽然总体上呈层状分布，但是分布的具体各层极不匀称，比如在某一位置出现地层不连续或者地层厚度分布不一致的情况等，这些都给孔隙水文地质的模型建立以及空间离散带来了极大的不方便。

3.孔隙水文地质层的空间离散方法

近些年来，在对孔隙水文地质层进行三维有限差分数值模拟计算过程中，大部分均采用规则矩形格网的剖分的方法来描述水文地质层在垂直方向上的空间离散情况，这些三维模型都有自身的有点，其中表现较为突出的是一种MODFLOW三维有限差分地下水渗流模型（源于美国地质调查局的组织开发）。其空间离散的原理为：首先确立模拟区域的孔隙水文地质层，并将其作为同一个地下水含水

系统的研究对象，然后分别确立孔隙水文地质层的水平空间离散步长ΔX与ΔY以垂直方向上的空间离散的步长ΔZ，利用孔隙水文地质层的厚度除以层厚ΔZ即可计算水文地质层再垂直方向上空间离散层数N，最后用层数N对孔隙水文地址错进行横向剖切以形成模拟区域部分孔隙水文地质层的渗流模型，其示意图如图1所示。

图1 规则矩形格网三维空间离散图

3.1不规则六面体空间离散的特点

对孔隙水文地质层采用规则六面体元进行三维空间离散过程中，为了确保离散的规则六面体单元中地下含水层类型尽可能在垂向上保持均一性，则应首先确规则六面体元的上、下两个表面均位于同样的孔隙含水层。但是，基于六面体单元的规则性以及以上条件的限制，使用规则六面体元对孔隙水文地质层的空间离散一般不可能实现预期的要求，因此可以采用不规则六面体元代替规则六面体元对孔隙水文地质层进行空间离散。

此处的不规则六面体元应为上下表面均为曲面、侧面全部为平面的六面体结构单元，如图2（a）所示，不规则六面体元的上下表面的弯曲趋势以及方向在理论上与孔隙水文地质层单层的上下表面保持一致；如果所需要研究的孔隙水文地质层在空间上分布不连续，单层的边缘部位趋近于一个点或者一条曲线，则描述此处水文地质层的不规则六面体元的侧面部分也应为一个点或者一条线，如图2（b）所示，可以以点或线的形式代替面。

(a)

(b)

图2 不规则六面体元三维空间离散示意图

3.1规则六面体空间离散方法的不足

由于孔隙水文地质层的空间分布极为复杂多变，孔隙水文地质层的每个单层之间都有层厚、分布区域等一系列的实际差异，并且单层的表面大部分都不是规则的形状，因此对孔隙水文地质层采取规则六面体元空间离散的模拟方法，将不可避免地出现模拟模型与实际的孔隙水文地质层存在偏差的情况，甚至有些偏差极大，如图3所示。

图3 规则六面体元中包括多个孔隙水文地质层

如果一个规则六面体元中包含了多个孔隙水文地质层单层，则在对其进行相关的模拟计算所得到的该模拟单元的水文地质参数应是孔隙水文地质层的多个单层的参数相结合的复合值（综合值）。但是，由于现有条件以及设备的限制，孔隙水文地质层各个单层的水文地质参数值相叠加的综合值难以取得，结果导致难以对规则六面体元中的水文地质层参数进行比较精确的赋值，直接降低了模型模拟的精度和效果。虽然减小孔隙水文地质层垂直方向的离散步长ΔZ、增加地质层离散层数N的措施能够在一定程度上提高模拟的精确性，但是同时也增加了

空间离散的模型层数，因此就需要增加大量的为模型模拟准备的各类数据文件，直接增加了大量的工作量。

4.基于GIS的不规则六面体空间离散的方法

由于孔隙水文地质层的空间分布复杂多变，因此采用不规则六面体空间离散发对其进行模拟计算不仅工作量大，而且精度也不高，尤其难以实现对对孔隙水文地质层单层的两个底面的各个离散点高程提取，只有借助GIS的空间分析功能才能实现对孔隙水文地质层较为精确的模拟与计算。基于GIS的不规则六面体空间离散方法的具体技术路线为：选择一定的模拟区域；划分孔隙水文地质层并定义各层的ID；构建各层的顶、底板高程等值线图并保存，同时采用规则格网对选定的模拟区域进行水平空间离散，以形成水平的空间离散格网；将顶、底板高程等值线图与水平的空间离散格网相叠加；高程等值线栅格化，提取格网中心节点的高程值，形成矩阵数据文件并对其进行保存；定义孔隙水文地质层垂直方向的离散类型；以孔隙水文地质层的顶、底板作为剖分单元顶、底面，同时还需要对孔隙水文地质层的单层进一步剖分，然后定义剖分层数，计算剖分步长，计算水平剖分格网中心节点上每一层的高层值；最后即可形成剖分矩阵数据文件，对其保存，即完成了基于基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散。

5.基于GIS的不规则六面体空间离散的实现途径

对孔隙水文地质层进行三维空间离散模拟时，完成平面矩形格网以及垂向不规则格网的生成即可实现基于GIS的孔隙水文地质层不规则六面体空间离散。在计算机界面上可以实现平面矩形格网的自动生成，平面矩形格网的自动生成的原理为：调用所选区域的的相关地理信息；定义原点的坐标；定义平面剖分空间的步长ΔX与ΔY；平面矩形格网生成。垂向不规则格网的生成则在后台实现，在计算机的计算界面显示的只是剖分条件的窗口，只有在输入待剖分条件后才能则实现孔隙水文地质层垂向不规则格网的生成。具体生成过程为：在生成的平面矩形格网基础上对所选区域的水文地质模型进行定义剖分层数；调用孔隙水文地质层单层的顶底板高程等值线图；提取平面矩形格网中心结点上的顶底板高程；定义每个单层进一步剖分的层数；生成孔隙水文地质层的垂向不规则格网；生成满足相关要求的不规则六面体的空间离散格网。

6.结语

孔隙水文地质层虽然总体上呈层状分布，但是分布的具体各层极不匀称，存在空间上分布的不连续性以及厚度的不均匀性，这些都给孔隙水文地质的模型建立以及空间离散带来了极大的不方便。基于GIS的孔隙水文地质层不规则六面体空间离散方法可实现不规则六面体元中所包含水文地质层的一元性，极大的提高水文地质模型三维空间离散的精度，具有很好的应用前景。 【参考文献】

[1]武强、董东林、武钢等.水资源评价的可视化专业软件(VisualModflow)与应用潜力[J].水文地质工程地质,2009,(15):21-23.

[2]陈锁忠、马千程.苏锡常地区GIS与地下水开采及地面沉降模型系统集成分析[J].水文地质工程地质,2009,(26):8-10.

[3]吕庆田、杨竹森、严加永等.长江中下游成矿带深部成矿潜力、找矿思路与初步尝试-以铜陵矿集区为实例[J].地质学报,2007,(07):86-88.

[4]张渭军.孔隙水文地质层三维建模与可视化研究[J].金属矿山,2010,(08):29-31.