基于GIS技术的孔隙水文地质层地下水三维空间离散方法研究

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院，河南 郑州 450000)

基于GIS技术的孔隙水文地质层地下水三维空间离散方法研究

周文

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院，河南 郑州 450000)

社会经济发展过程中，在模拟地下水流方面需运用三维空间离散对空隙水文地质层进行模拟，孔隙水文地质层在空间分布方面差异相对较大，通过对MODFLOW三维有限差分地下水流模型进行分析，对于孔隙水文地质层的三维空间离散，可运用空间六面体元进行三维空间离散，并基于GIS技术空间离散过程，通过对不规则六面体的使用，完成三维空间离散。使地下水流模拟更具时效。

GIS；孔隙水文地质层；三维空间离散方法；研究

在社会经济发展的过程中，在对地下水流模拟方面的模型也不断改进与完善并形成了三维空间模型。其中，在模拟地下水流的时候，需要运用三维空间离散对含水地质层进行模拟。而在模拟地下水流三维空间方面，模拟的内容不仅包括地下水垂直运动，同时还有地下水水平运动，并且把含水层以及隔水层作为相同含水系统展开全面研究。另外，应尽量确保离散GIS数据可以实现自动提取并展开空间分析，在短时间内将各计算点参数提取出来，不断增强水文地质层模拟的实效性，使模型的实用价值充分发挥出来。

1 孔隙水文地质层概况

孔隙水文地质层是由第四纪形成，其空间分布的特征通常会受地质、环境变迁与气候等影响。但是，自第四纪之后，海平面出现了突发性变化，气候随之改变，而孔隙水文地质层则在沉淀环境当中发生了变化。与此同时，第四纪底层岩性与沉淀类型以及结构也会受地表水动力条件的相关性影响，所以，使其在垂直与水平方向分布存在诸多差异[1]。由此可见，孔隙水文地质层在空间分布方面的差异相对较大，从整体角度分析，孔隙水文地质层的分布式层状的形态，然而从区域角度分析，每一层的分布也极其不均匀。开展空间离散工作，最主要的原因就是孔隙水文地质层空间分布相对复杂，所以开展难度也较大，特别是垂向空间离散方面，如果不能对空间分布的不均匀性进行综合分析，那么单个体元在该地质层中进行空间离散的过程中会形成多元性，会对计算参数复制的进度产生直接的影响，并且对模型模拟的具体精准度带来负面作用。

2 三维空间离散方法应用原理

在孔隙水文地质层系统中，地下水流进行模拟的有限分值，通常垂直向上的离散都会运用规则的矩形格网。其中，最具代表性的就是由美国地址调查局所研究的三维有限差分地下水流渗流模型[2]。这一离散方式主要是将模拟区域内部的含水层以及隔水层作为同一含水系统，同时，在明确水平空间的情况下，对水文地质空间离散的长度进行定义。最终针对模拟区域内部含水层系统三维空间的规则多面体离散格网。

2.1 规则六面体元的空间离散问题

对于孔隙水文地质层的三维空间离散，可以运用规则六面体元。其中，为有效地确保单个体元在孔隙水文地质层类型的一元性，已经采用了相关性的措施。然而，因为自然环境中的孔隙水文地质层的空间分布均匀性十分不理想，且各孔隙水文地质层分布的范围以及厚度都具有区域差异[3]。通常情况下，顶底面都是曲面，对规则六面体的使用完成空间离散，也必然使体元当中的孔隙水文地质层多元性情况出现，如图1所示。

图1 规则六面体三维空间离散

因为孔隙水文地质层的岩性与沉积类型等诸多因素的影响，不同孔隙水文地质层在水文地质参数方面也存在差异。所以，如果某一体元当中包含若干孔隙水文地质层，在进行模拟计算的时候，水文地质参数应当是诸多孔隙水文地质层的参数综合数值。但是，一般来讲，水文地质参数值主要是根据单孔隙水文地质层，在不同类型的水文地质试验中获得。而单个体元的各水文地质参数综合数值却很难获取[4]。在这种情况下，体元内部各水文地质参数精确赋值的难度就相对较大。所以，专业工作人员仅仅是根据个人经验来对参数值进行估计，最终影响了模型模拟的精准程度。另外，若将垂向空间的离散步长减小，以减少以上空间离散方法的误差大小，则会增加空间离散模型的层数。在这种情况下，模拟所需的数据文件量也将迅速提高，为此，实际的工作量也会急速增加。另外，在部分体元当中，始终存在不低于两种类型的水文地质层，所以，很难从根源上对单个体元的水文地质多元性问题进行处理与解决。

2.2 不规则六面体元的空间离散研究

要想确保各空间离散六面体水文地质层具有一元性的特征，最关键的就是要保证六面体上下的界面始终都位于同一孔隙水文地质层中。但是，在这一条件的约束之下，规则六面体元空间离散是很难满足具体要求的。为此，应当合理地运用不规则六面体元展开空间离散[5]。

其中，不规则六面体元具体指的就是上界面与下界面都是曲面而侧面为平面的一种六面体元。其中，上下界面曲度和起伏的方向在理论上应当和单个水文地质层的上下界面保持一致，如图2所示。

图2 不规则六面体元

如果是对分布不连续区域的水文地质层进行研究，那么地层尖灭位置有可能是一条曲线亦或是一点，相对应的分布在底层尖灭的六面体元侧面，则表现的是曲线或者是点。概括来讲，就是通过线或者是点替代了面。

3 基于GIS技术的空间离散技术分析

区域性是孔隙水文地质层的空间分布特点，运用的是不规则六面体实现空间离散，而只是依靠手工方式，则会使实现的难度增加，尤其是提取各孔隙水文地质层顶与底面位置的各离散点高程[6]。在这种情况下，就需要充分利用GIS空间分析功能。而具体的技术方法包括以下几种：

(1)应充分考虑区域性的水文地质条件，并且有效地划分模拟区域内部的各控制性水文地质钻孔，但需要注意的是性质存在差异的孔隙水文地质层。与此同时，还应当为各层标注相应的ID号码，及时地构建控制性的水文地质数据库。

(2)通过对控制性水文地质钻孔数据库的合理应用，可以对各孔隙水文地质层的顶底界高程数据信息进行及时地读取，而且通过对GIS的制图功能，还可以根据各孔隙水文地质层顶底板的高程绘制出等值线图，通过图形的方式进行存储。

(3)水平方向上，通过对矩形网格的应用，完成模拟区域的空间离散，最终构建出平面空间的离散网格图[7]。其中，应将各层顶底板高程的等值线图调取出来，同水平空间的离散网格进行叠加，根据矢栅数据转换算法可以完成等值线的栅格化，与此同时，矢量数据和栅格数据也可以有效转化。这样一来，就可以对网格中心结点的各孔隙水文地质层顶底板高程数据进行自动化地读取，最终以矩阵数据文件的形式进行保存，进而在计算模型的时候予以调用。

(4)若将各孔隙水文地质层厚度当作垂向的空间离散步长，那么空间离散与各中心结点高程的数据文件形成过程与第三点相同。但是，如果针对某一个孔隙水文地质层进行剖析与分析，应当对部分目的层的重点结点顶底板高程数据信息进行读取并深入分析。另外，要针对各结点地层的厚度进行计算，对剖分层数予以明确地定义，最终获得剖分空间步长。除此之外，需要对剖分层的各格网中心结点高层数值进行相应的计算，最终形成以矩阵为主要形式的数据文件。

4 基于GIS技术空间离散过程

以GIS为基础的孔隙水文地质层，在利用不规则六面体进行空间离散的过程中，主要可以划分成两个部分，平面矩形格网自动化生成和垂向不规则格网生成。对于前者而言，通常需要有计算机的辅助，在计算机界面中实现。而具体的过程主要就是将所研究区域的基本地理信息与坐标原点的定义，以及剖分空间步长和格网生成等及时地调用[8]。而对于后者，则需要运用后台实现，在计算机界面当中仅能够将剖分条件显示出来，而在输入完成并确定剖分条件以后，就可以自动地生成垂向空间的离散格网，同时也将以相对应的格式形成数据文件。具体的过程就是将平面矩形格网离散当作重要的基础，从这一方面入手，充分考虑所研究地区的水文地质概念模型来对剖分层数进行定义。需要将以各孔隙水文地质层顶底板的高程绘制的等值线图调用出来，并且对平面矩形格网的中心结点顶底板高程及时提取。另外，应对各层所需深入剖分层数进行明确地定义并确定。这样一来，就可以在满足剖分条件的基础上，形成不规则六面体空间离散格网。

5 结语

综上所述，孔隙水文地质层主要是受到沉积环境影响，使其空间分布呈现出不连续的状态，而且厚度也十分不均匀，地层顶底界面的几何形状也不确定。根据这一空间分布的特点，对GIS予以合理地运用，特别是空间分析和数据自动采集的功能，通过对不规则六面体的使用，完成三维空间离散。其中，可以尽可能地确保不规则的六面体元水文地质层具有一元性，使得地下水流的模拟精准度以及水文地质模型的三维空间离散精准程度不断提高。除此之外，还能够减少水文地质模型空间离散的时间，使得地下水流的模拟更具时效。

[1]彭海晟.探究基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散方法[J].科技与创新.2015(3):85-86.

[2]白婷婷,牛艳东.基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散方法[J].中国管理信息化.2015(8):69-69.

[3]陈翠.基于GIS的地下水位红线管理可视化技术研究[D].南京师范大学.2015.

[4]钱程,武雄,穆文平，等.GIS技术在水文地质领域的应用进展[J].南水北调与水利科技.2016.14(3):115-122,131.

[5]刘娟娟.基于GIS的水文地质信息管理系统探析[J].中国化工贸易.2016.8(3):93.

[6]黄春辉,任家民.基于GIS系统煤矿区水文地质勘察技术探究[J].民营科技.2016(6):38.

[7]王婵,郭正萌,周晓艳，等.基于GIS的水文地质空间信息系统研究与应用[J].新材料新装饰.2014(13):525-525.

[8]吴义阳,李文峰,姜志强，等.基于GIS的苏州地铁水文地质模型可视化研究[C].2015年江苏省地基基础联合学术年会论文集.2015:21-24.

P641.136

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1004-1184(2017)05-0038-02

2017-03-16

周文(1981-)，女，河南新乡人，工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质等工作。