基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散方法

白婷婷，牛艳东

（内蒙古自治区第一水文地质工程地质勘查院，呼和浩特 010010）

基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散方法

白婷婷，牛艳东

（内蒙古自治区第一水文地质工程地质勘查院，呼和浩特 010010）

孔隙水文地质层具有不均匀性的厚度分布以及不连续性的空间分布，因此有必要对基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散实现的技术路线进行研究。本文提出了基于GIS的三维空间离散方法，使水文地质层类型的一元性得到最大限度保证，同时还能够对各个计算结点上空间位置坐标进行快速提取，可以极大地提升地下水三维有限差分数值模拟的效率。

三维空间离散；孔隙水文地质层；地理信息系统

在计算机技术不断发展的今天，一维地下水流模拟模型演变成了现在的三维模型，在模拟地下水流数值时，含水层的空间离散具有十分重要的作用，由于二维地下水流模拟方法只考虑其水平运动，其模拟对象是单个含水层，因此其含水层的空间离散基本只属于水平方向。而三维数值模拟除了包括地下水流的水平运动之外，同时也包括垂直运动。

1　孔隙水文地质层概述

孔隙水文地质层通常都是在第四纪形成，孔隙水文地质层空间分布特征在很大程度上受到了地质、气候以及环境变迁的影响。由于第四纪以来海平面的突变以及气候的变化，其孔隙水文地质层在沉淀环境方面发生了很多变化，再加上第四纪地层的沉淀类型、岩性以及结构等受到地表水动力条件的影响，因此在垂直方向以及水平方向的分布产生了非常大的差异。所以，孔隙水文地质层具有差异比较大的空间分布特征，尽管从总体上来说孔隙水文地质层的分布方式呈现出层状形态，但在区域方面各层却呈现非常不均匀的分布。空间离散工作因为孔隙水文地质层不均匀的空间分布而面临较多的困难，尤其是在垂向空间离散时，如果没有充分考虑不均匀的空间分布的特点，单个体元中孔隙水文地质层在空间离散时就会产生多元性，最终影响到计算参数的复制进度，也会使模型的模拟精度受到影响。

2　常用的三维有限差分数值模拟空间离散方法

在模拟地下水流三维有限差分数值时，基本上都是采用规则矩形格网的剖分方法进行空间离散。美国地质调查局采用的MODFLOW模型是其中最为典型的方法，模拟区域的孔隙水文地质在这个模型中被看作是同一个地下水含水系统，在确定水平空间离散格网的基础之上，同时也对其垂向空间离散的步长进行了定义，并以含水层系统的厚度为根据对垂向空间离散的层数进行计算，以与层数相同数量的水平面在垂向上对水文地质层进行剖切，最终形成规则六面体元离散格网。

为充分保证水文地质层类型的一元性，在运用这种离散方法对垂直方向进行离散时，选择增加离散层数以及减小离散步长的方法，这样就能够尽可能实现剖分目的。这种方法也存在较多的问题，由于在垂直方向以及水平方向的分布产生了非常大的差异，孔隙水文地质层也具有差异比较大的空间分布特征，因此很容易出现水文地质层类型的多元化。

3　基于GIS的不规则六面体空间离散的技术路线

区域性是空气水文地质层空间分布的非常关键的一个特点，实施空间离散时采用不规则六面体往往比较困难，尤其是在提取各个离散点高程时，需要对GIS的空间分析功能进行建筑，才可以很好地完成这一工作。其具体的方法为：（1）以区域水文地质条件为根据，采用标准化方式对孔隙水文地质层实时准确的划分，并赋予每一层特定ID号，同时还要建立控制性水文地质数据库。（2）把控制性水文地质钻孔数据库作为数据来源，对孔隙水文地质的高程数据进行读取，并且通过对GIS专题制图功能建立顶底板高程等值线图，选择图形的文件形式对其进行存储。（3）在水平上通过对矩形网格的利用实施模拟区域的空间离散，从而生成平面空间离散网格图。将水平空间离散网格与每一层的顶底板高程等值线图叠加起来，选择矢栅数据转换算法栅格化等值线，从而保证栅格数据与矢量数据能够实现有效转化，对每一孔隙水文地质层在取网格中心节点上的高程数据进行读取，最终生成矩阵形式的数据文件并保存。

4　基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散的实现

实现基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散一共分两个步骤，即自动生成垂向不规则格网和自动生成平面矩形格网。一般在后台实现垂向空间离散，而在计算机只显示剖分条件的对话框，在输入剖分条件并且予以确定之后，自动生成垂向空间离散格网，同时还可以形成相应格式的数据文件。在计算机界面上能够实现平面矩形格网的自动生成，要对研究区的格网生成、剖分空间步长、坐标原点定义以及基础地理信息等进行调取。其主要实现过程为，将平面矩形格网离散作为基础，以区水文地质概念模型为根据对层数进行剖分，调用顶底板高程等值线图，对中心节点上的顶底板高程进行调取，定义每一层需进一步剖分的层数，生成空间离散格网。

主要参考文献

［1］陈锁忠，徐网谷，张磊.基于GIS的地下水流数值模拟参数自动提取［J］.水利学报，2011（11）.

［2］成晓东，徐网谷，陈锁忠.基于GIS的孔隙含水层系统三维空间离散方法研究［J］.南京师范大学学报：工程技术版，2011（4）.

［3］贾锦生，陈锁忠.基于GIS的孔隙含水层系统三维空间离散方法研究［J］.江苏地质，2012（1）.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.08.052

P641.136

A

1673-0194（2015）08-0069-01

2015-02-17