基于GMS的矿山水文地质结构三维可视化系统设计

闫科伟，牛自礼

（1.山西水利职业技术学 交通工程，山西 运城 044000；2.平顶山市公路交通勘察设计院，河南 平顶山 467000）

矿山勘探工程安全生产受到多方面因素的制约，其中矿井水害是最难治理的地质灾害之一，矿井突水引发的事故会给矿区开发造成严重负面影响，甚至还会危害勘探人员的生命安全。因此勘探工作前，首先需要探明矿山水文地质结构，但是由于多数矿山水文地质条件复杂，对准确预测矿井水害带来巨大干扰，增大了矿山开采的工作难度[1]。地下水模拟软件（GMS），为三维可视化地质建模提供了极大的帮助，利用GMS建立的地质模型更为直接，可以有效显示含水层和隔水层等水文地质结构的空间分布和状态，对了解矿山水文地质结构和深入分析地下水内在规律具有重要作用。因此本文基于GMS软件，对矿山水文地质结构三维可视化系统进行设计，对查明矿区水文地质条件，准确判断矿坑涌水量提供技术支持，对提高矿山开采的安全性和经济性起到一定促进作用。

1 矿山水文地质结构监测硬件

1.1 选择芯片

由于是对野外环境中矿山水文地质结构的监测，通常规模较大和节点数量较多，因此系统设计要尽量控制硬件成本。从经济环保的角度考虑，选择的芯片需要选择低能耗且依靠太阳能供电工作，减少人工部署工作量。本文选择SOC芯片，将必要电路集成到单一芯片上，SOC芯片集成度高，具有高性能低成本的特点，满足本文系统的硬件要求。芯片在接收到信号后，对信号进行过滤处理，将有效信息存储进寄存器中；在向外发送信号时，先将信号放入模拟数字转换器，再经天线发送，完成整个信号传递的过程。

1.2 部署传感器

为适应矿山环境，部署采集数据的传感器要满足大范围无线监测的要求，本文选择光纤传感器，将其部署于矿山水文地质钻孔中，传感器的倾角应与钻孔保持一致。通过传感器实时监测钻孔内信息数据的变化，不仅可以查明含水层和渗水层情况，还确定未含水地层变形状况，借此判断地层裂隙发育程度，分析该地层是否与含水层产生联系，总结水文地质结构变化规律。

2 基于GMS的三维可视化系统软件

2.1 构建矿山水文地质结构模型

实际矿山地下水层结构往往十分复杂，因此需要建立水文地质结构模型。建立模型的主要原则是对水文条件进行概念化，保证可以再现水流动态。首先对含水层实际边界条件进行概念化计算，通常情况下，含水层上部为交换边界，接收降雨和河流等的补给，将底部不透水基岩设定为模型隔水边界。将模型水头边界设定为第一类边界，计算公式如下：

其中，Γ2表示二类边界；k表示三维空间的渗透系数；表示边界法向量；h2(x,y,z)表示二类边界上已知流量函数。将模型混合边界设定为第三类边界，计算公式如下：

其中，Γ3表示三类边界；h3(x,y,z)表示三类边界上流量函数；C表示边界条件函数；h表示水头边界取值；h0表示天然边界取值。

2.2 设计水文地质结构数据库

为建立水文地质结构数据库，首先依据数据来源划分类别，本文系统数据库将数据划分为含水层特征、水文地质钻孔和水文地质概念模型边界三大类，再分为不同子类，各类数据具有不同信息属性。其中水文地质钻孔数据表是三维可视化系统的主要依据，描述水文地质结构属性特征，本文设计钻孔基础信息表见表1，地层分层信息表见表2，含水层信息表见表3。

表1 水文地质钻孔基础信息表

表2 钻孔地层分层信息表

表3 钻孔含水层层段信息表

水文地质钻孔的三个信息表，通过钻孔统一编号关联起来，得到钻孔空间结构关系，为三维可视化系统提供信息数据支持。

2.3 选取空间插值算法

在三维可视化建模过程中，需要对采集的原始数据使用插值算法，对空间采样不充足和缺乏的区域进行适当修正，来提高建模完整性和精确度。由于地质结构的复杂和多变性，选取的插值算法会对三维可视化精度造成一定影响，本文选择空间插值算法对模型进行拟合，提高系统准确度。假定平面上分布散乱点p(x,y,z)，其坐标为(xi,yi)，属性值为Zi(i= 1,2,...,n)，根据周围散乱点属性值计算p点的值。空间插值算法可以表示为：

其中，di表示散乱点到p点的距离；k∈[0 ,2]。空间插值算法主要是利用未知点属性进行加权平均，使插值生成曲面较为平滑。

3 实验结果与分析

3.1 系统性能测试

为验证本文设计三维可视化系统的可靠性，以实际某矿山水文地质勘察资料为基础，对系统性能进行测试。首先建立了该矿山水文地质结构数据库，利用实际资料构建三维模型，对其可视化，在计算机环境中展示水文地质结构及其空间分布。根据实际勘探资料中含水层介质分布特征分析，得到水文地质参数取值情况，如表4所示。

表4 水文地质参数实际值

利用本文系统对研究区模型进行识别，计算出渗透系数和给水度见表5。

表5 水文地质参数识别值

通过参数实际值和系统识别值的对比，可以发现偏差相对较小，因此说明含水层拟合情况较好，三维可视化结果较为准确。

3.2 对比测试

为检验本文设计的三维可视化系统实际应用价值，将本文设计系统作为实验组，将使用GOCAD和GIS软件的系统作为对照组，进行对比测试，比较系统的水均衡拟合效果，对比结果见表6。

表6 不同系统对比测试结果

通过表6对比结果可知，本文系统的水均衡效果拟合较好，可应用于实际矿山水文地质勘查中。

4 结束语

本文基于GMS对矿山水文地质结构三维可视化系统进行设计，为探明水文地质结构和含水层特征，提供可视化平台。但本文研究是对稳定水流状态下的模拟预测，还存在一定局限性，未来系统设计还应考虑非稳定流模拟；水文地质结构的三维可视化模型的精度应进一步提高；本文主要对地下水的动态信息进行描述，后续还应结合地层和构造特征对系统进行进一步优化升级，以提高三维可视化系统的科学性。