江苏沭阳主城区地下水含水层结构三维可视化建模初探

杨俊松，汪名鹏，薛玖红

(江苏省水文地质海洋地质勘查院，江苏 淮安 223005)

0 引言

对地下水的研究，首先是要查明地下水含水层的结构。传统的研究方法只能通过水文地质勘察以及地下水动态监测才能揭示其赋存条件与运动规律[1]。根据这些信息绘制各种条件下的水文地质剖面图以及其它数据，因条件限制，二维的水文地质剖面以及数据图件表达的地下水含水层结构信息有限，不能满足对地下水含水层结构的认识和空间分析需求。因此在对地下水含水层结构二维图件研究的基础上，若再能实现三维可视化含水层结构模型，将大大拓展其实用功能。

所谓三维地质建模[2]，就是运用计算机可视化与交互式技术，在三维环境下将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，并用于地质分析和解释。其本质上是基于水文地质钻孔资料，构造各含水地层格架三维建模，通过获取钻孔数据中地层信息，进行地层对比以建立数学模型，再生成地质体模拟的过程。模型建成后，可以进行三维模型交互浏览、生成三维剖面、切割地层等操作。

本文基于以上考虑，首次构建了沭阳主城区地下水含水层结构三维可视化模型，初步探讨论含水层空间结构及其变化规律。

1 研究区地质环境背景

研究区地处沂、沭冲积平原区，地形平坦。地层岩性为第四系、新近系黏土、中粗砂(局部含砾)，下伏古近系泥岩、砂岩。构造上位于郯庐断裂带以东，鲁苏古隆起的东南部。

沭阳地下水资源丰富，根据含水介质，水理性质及水动力特征，可分为三个含水层组：第Ⅰ层潜水、微承压含水层组和第Ⅱ、第Ⅲ承压含水层组。

第Ⅰ微承压含水层组含水岩性为粉细砂、中粗砂与粉质黏土，河流河堤近侧、河漫滩为粉土、砂土，远离河道主要为粉质黏土，含水层厚度2～15 m。直接接受大气降水、地表水补给，排泄方式主要以蒸发、侧向迳流和人工开采等。

第Ⅱ承压含水层组含水岩性以中粗砂为主，厚度24.0～36.8 m，底板埋深多在56.1～68.9 m之间，含水层富水性受砂层厚度、粒度等控制。

第Ⅲ承压含水层组含水岩性具有上细下粗特征，且韵律多变，砂粒组成整体上比上部含水层的级配差，岩性以粉细砂、中粗砂、含砾中粗砂、砾砂等为主。砂层可见2～3层，厚度一般50～60 m，底板埋深113.0～115.6 m。

第Ⅱ承压含水层组和第Ⅲ承压含水层组地下水，在天然状态下，两者之间基本无水力联系。地下水不受大气降水的影响，主要接受区外的侧向水平迳流补给，其次接受浅层水的越流补给。

沭阳主城区各含水层模型示意剖面图见图1。

图1 沭阳主城区含水层模型示意剖面图

2 建模软件的开发

目前，国际上已有不少三维地质建模的软件，大多面向不同的专业应用，国内三维建模软件在水文地质领域应用较晚，产品也不成熟。本文针对沭阳主城区地下水含水层结构三维建模可视化研究而定制的软件，该软件基于Visual C++开发，基于OpenGL图形库实现三维虚拟现实环境。与目前已有的商业建模软件相比(如美国的GMS等)，所建模型在细节层次上表现得不够理想，如对于尖灭的处理、透镜体的表示等过于生硬，但总体上已能表达和反映研究区域的各种类型土层的空间分布、各种含水层组的空间分布。

3 三维地质建模

3.1 三维建模及可视化基本原理

B-Rep(边界代替)模型采用实体的边界来代替实体，且通过拓扑关系来建立各边界的联系，能建立具有复杂层次结构的三维空间实体，能描述线和面又给描述体，而且在线-面-体转化后，拓扑结构得以保持的描述方法来进行可视化表达[3]。由B-Rep模型建立的水文地质结构模型，能真实的反映研究区的水文地质含水层的层次结构。

采用B-Rep模型作为基于钻孔资料建立的三维数字地层格架的可视化表达，通过三角剖分建立钻孔三角网是关联水文地质信息数据的有效办法[4]。三角网络对计算区域根据编码原则建立的构造-地层格架，具备了三维层次与空间拓扑关系，然后运用插值方法与空间拓扑的B-Rep模型结合起来，就可以实现根据钻孔资料所包含的空间信息以及基于钻孔资料建立的水文地质地层格架插值成三维水文地质地层体[5]。

地层体是在通过三角网络关联的一系列三角锥(柱)状无缝组合的格架实体，可以在任意层位、任意位置切割剖面，查看地层展布情况，可以从不同的方向观看模型的结构等，以达到可视化的效果。

3.2 水文地质含水层结构三维建模的步骤

地质建模关键步骤包括：钻孔数据录入、自动建模、模型修改、切割剖面、截图与打印等。地质建模的基本流程如图2所示。

图2 建模基本流程图

3.2.1 钻孔数据录入

在建模前，按一定的标准格式，将参与建模的水文地质钻孔数据录入到Access数据库中，包括钻孔编号、位置、高程、孔深、分层信息及岩性等。在建模软件开发完成后，可以立即导入，开展建模与分析工作。对于导入后的钻孔数据，可以在分析软件上进行相应的编辑修改和自动计算，如自动根据层底埋深计算层底高程、计算层厚、计算孔深等。

3.2.2 自动建模

根据选择参与建模的钻孔，通过建模软件自动计算生成水文地质三维结构模型，同时利用到已完成的二维水文地质剖面图，相比钻孔资料，研究区二维水文地质剖面图信息更丰富、易懂，而且省去了钻孔建模时连接对应的层位[6]。为了使所建模型更加逼近实际情况，在建立的二维标准水文地质剖面上采集了若干虚拟钻孔，采集的所有虚拟钻孔均参与建模。

3.2.3 模型修改

分析软件自动生成的模型，未必能百分百地表达真实的情况，因此有必要进行人工干预和修改。具体的干预措施是在研究区特定区域内增加控制性的虚拟钻孔，以控制该区地层的连接计算过程。由于收集的钻孔数量并不多，即使加上在标准剖面上采集的虚拟钻孔，在整个研究区域内，钻孔的分布并不十分均匀，在一些没有钻孔的区域，仍然需要插入个别控制钻孔。经过多次的建模、修改、再建模、再修改的过程，可以使所建模型更加趋于合理。

3.2.4 切割剖面

模型生成后，为了验证模型是否反映真实情况，这时可以通过切割空间剖面来进行验证。利用建模软件的三维剖面生成功能，在不同方向上生成三维剖面，然后与标准剖面进行对比，对于有出入的地方，增加若干虚拟钻孔进行干预，然后将增加的虚拟钻孔再次参与模型的重建。

3.2.5 截图与打印

利用建模软件的截图与打印功能，将不同角度、不同模型组合视图输出到图片或是打印机，形成研究区水文地质三维结构分析的成果。

4 研究区地下水含水层三维空间结构可视化效果

4.1 直观含水层组分布

通过所构建的研究区三维水文地质结构可视化模型，可以直观研究区水文地质结构体的整体轮廓，各个含水层之间的位置、相互关系及厚度信息。图3展示了沭阳主城区三个含水层组的三维可视化空间整体效果，可直观了解到不同含水层组的形态和厚度变化趋势。当由于隔水层与含水岩组间的上下覆盖关系，含水岩组的分布情况难以获得直观的认识时，可以通过模型管理器，逐层打开和关闭显示各个隔水岩层和含水岩组，了解各含水岩组的分布位置、厚薄、面积大小等情况，从而实现对研究对象特征的突出，将内部的水文地质信息展现出来[7]。在查看时，可以充分利用系统提供的视窗放大、缩小、旋转、平移等功能，从全方位、多角度对研究区三维水文地质结构可视化模型进行研究。

图3 沭阳主城区三维水文地质结构可视化模型整体效果

4.2 直观地下水水位的空间分布

在各含水层结构三维模型的基础上根据不同含水层水位信息，绘制不同含水层的等水位面。图4、图5分别展示浅层地下水、深层地下水三维结构等水位面。从深层水等水位面可视化效果图中可以显示深层地下水降落漏斗的中心位置、范围大小的空间分布。

图4 浅层水等水位面空间分布图

4.3 含水岩组信息的查询

在浏览和查看含水岩组空澡分布状况时，同样可以随时点击查询含水岩组的属性信息，了解含水岩组的名称、描述、厚度等内容。

图5 深层水等水位面空间分布图

4.4 进行三维剖面切割

水文地质含水结构三维可视化的目的是提供准确又直观的含水层构造模型，通过各种生成剖面或切片清楚地显示地质模型内部的各个细节，从而更加准确地解译各含水层信息提供帮助[8-9]。研究区三维水文地质结构模型内部剖切可按以下方式进行剖切。切割时可以在XOY面平定义剖面，也可以在XOZ、YOZ平面上进行定义，可以定义单个剖面，也可以定义折线剖面或是多剖面，如果多个剖面进行组合，就可以获得含水岩组与隔水层间非常直观的接触关系，或是含水岩组在不同位置的厚薄情况、延伸情况、尖灭情况。图6为标高-30 m剖切的三维水文剖面可视化效果图，图7展示的是研究区各含水层结构在四个方向上剖面组成的三维栅栏。

图6 标高-30 m水平切割剖面三维可视化效果

图7 由四个剖面组成的三维可视化栅栏

5 结语

(1)通过对基于OpenGL图形库实现三维虚拟现实环境建立三维地质模型与可视化进行初步研究，提高了研究区地下水含水层的赋存空间的三维可视化效果和可认知程度，为地下水资源管理和利用提供了依据。

(2)在建模过程中，也存在一些不足，对地下水动态研究尚欠缺，如地下水流向、水质变化特征以及地下水水位动态变化特征等信息的三维可视化动态研究等，是下一步深入研究的重点，