基于EVSpro 的某工业园区三维地质模拟及地下水污染物空间分布模拟

张 弛，王旭乾，付高平，张 蔚

（浙江省环境科技有限公司，杭州 311100）

随着社会经济的发展，我国在山前洪积、河流冲洪积形成的平原上建立了诸多工业园区，这些园区的设立有利于实现资源共享和产业共生、提高资源能源利用效率[1]，但是随着生产时间增长，园区范围内的土壤及地下水环境受到污染的风险也不断增大[2]，因此对园区地质、水文地质条件、污染状况的调查评估迫在眉睫。

现有的调查评估手段主要基于有限的现场钻孔、采样及实验检测，这种以点概面的调查方法在沉积环境复杂区域无法精确反映地质环境和污染状况，也无法判断采样单点附近的污染状况[3]。随着三维空间插值软件的出现和发展，能够用于三维地质建模及污染物空间分布模拟的软件已有很多，比如美国C Tech 公司旗下地球科学软件EVSpro（Earth Volumetric Studio pro），该软件适用于地球科学领域的高级可视化分析工具，能够满足地质、地球化学、水资源与环境等多个专业的需求[4]。

目前，文献缺乏对位于较复杂地质条件区域的三维地质模拟，比如山前洪积平原与河流冲积平原交汇地带。并且由于钻孔稀疏，所获取的地层信息不足以建立精确的三维地质模型，模拟结果也缺少验证。本文将以某工业园区为例，利用收集到的大量地质勘察资料，基于EVSpro 分析建立精确的区域三维地质模型，验证其准确性，并开展污染物分布趋势的模拟。

1 研究区地质及水文地质概况

研究区位于浙江省台州市，占地面积约136 万m2，内部工业企业主要为化工（医药）行业。地处河流一级阶地，同时背靠山体，园区地质条件不但受到河流冲洪积作用的影响，亦会有山前洪积作用的特征。因此园区地貌单元属山前洪积平原与河流冲洪积平原交汇地带。

园区地下水主要为浅部第四系土层中的圆砾孔隙潜水。该层孔隙潜水受大气降水，地表水或山区基岩地下水补给。在不同季节补给源亦有所不同，在丰水期和平水期，主要由大气降水和地表水补给孔隙潜水；但在枯水季节，地表水位下降，主要由上游山区基岩地下水补给孔隙潜水。

孔隙潜水与下游地表水之间的水力联系密切，地下水水位随季节动态变化明显，据区域资料，动态变幅一般在0.50～1.0 m，孔隙潜水埋深2.05～6.63 m。相对标高38.63～43.41 m。据历史资料，丰水期时，地下水位接近地表。

2020 年7 月，对园区各地下水监测点位统一测量其标高和地下水水位。经测量，园区地下水埋深在1～8 m 之间，由北向南埋深逐渐增大；园区地下水水位在36～45 m 之间，水位呈现明显的北高南低趋势，地下水由北向南流向地表水体。

2 EVSpro 三维地质模型建立及优化

2.1 三维地质模型建立

本次主要收集园区内各企业的地质勘察资料，整理实测钻孔共1 013 个，将钻孔的地面高程、坐标和分层厚度等信息输入Microsoft Excel 软件中制成表格。将监测井的地面高程、坐标和水位等进行统计并制成表格。

利用EVSpro 中Tools 功能将钻孔信息表通过Generate PGF File 制成地层岩性文件[5]（文件格式为PDF），使用Generate ADPV File 将检测数据表制成点处测量的分析数据文件（文件格式为ADPV）。将生成的PDF 文件和ADPV 文件保存用于构建模型[6]。

使用kring-3d-geology 模块进行插值计算，将离散的点转化为地质层边界的表面，为三维地质建模和参数估计提供框架[7]。该模块可以使用的估算方法有克里金法、样条曲线、IDW 和最近邻算法[8]等。其中克里金法的基本方法是通过计算点附近函数的已知值的加权平均值来预测给定点处函数的值。插值计算结束后，经过必要的优化设置，化工园区的三维地质模型基本完成，如图1 所示。

图1 EVSpro 构建园区三维地质模型

2.2 模型优化

已建立的园区三维地质模型虽然能够显示不同地质体及其层序关系，但仍然存在一定的缺陷，具体如下：

（1）模型以最外侧钻孔为界自动确定的模拟范围，与实际研究范围相比有偏差。

（2）根据园区钻孔资料可知，园区范围内细砂、粉质黏土和含砾粉质黏土等底层存在尖灭情况，但模型并未正确显示。

（3）建立的模型不能与地面现状参照物建立位置关系，后期使用模型的便捷性较差。

（4）模型对地层的颜色渲染与实际地层颜色、性状对应性较差。

为了完善上述模型的缺陷，本次研究对模型进行优化。

（1）为使三维地质模型的模拟范围与园区范围一致，首先增加read-cad 模块加载园区范围红线；其次连接polyline-spline 和triangulate-polygons 模块与原plume模块一并接入area-cut 模块实现对模型的切割；最后增加plume-shell 模块输出area-cut 模块切割结果。

（2）结合钻孔揭露地层信息，对Boundary offset、Layer thickness 和Pinch factor 等参数值重新设置和定义。Boundary offset 为0.1%，Layer thickness 为0.1，Pinch factor 为2。

（3）为使三维地质模型与地面位置相互对应，采用91 位图助手下载与模型坐标系统相同的园区范围内的位图图像，采用地表贴图方式显示在三维地质模型的表面。

（4）将texture-geology 模块接入plume-shell，设置texture-geology 模块的Data Type 为Cell Date，同时在Image Filenames 增加各地层图例，这样就更新了三维地质模型中各地层的渲染效果。

利用三维地质模型对地层分布特征进行分析，见表1。

表1 EVSpro 构建园区三维地质模型中地层分布特征

3 EVSpro 三维地质模拟结果验证

本次研究选取园区不同区域进行实地钻孔勘察，通过将实际钻孔信息与本次建立的园区三维地质模型中相同位置的地层分类、层厚和分层深度等地质特征进行对比，验证所建地质模型的准确性。

利用各钻孔坐标信息，确定其在三维地质模型中的位置，各钻孔依次相连形成剖面线。在建模流程中接入draw-lines 和thin-fence 将上述钻孔及剖面线位置导入三维地质模型。

通过三维地质模型提取各钻孔对应虚拟钻孔地层分布，读出模型中各点地面高程及地层的底面高程，与实际钻孔揭露地层进行对比并计算地面高程、地层底面高程及层厚三个指标之间的相对偏差，以检验三维地质模型的模拟结果的偏差程度，见表2。

表2 各指标相对偏差计算表

通过对比计算，得到以下结论：

（1）钻孔揭露深度和模拟深度范围内，三维地质模型模拟研究区地层岩性与实际钻孔揭露地层岩性一致，均为填土、细砂、粉质黏土和圆砾。

（2）实际钻孔数据与模拟结果相比，地面高程的相对偏差在0.15%～0.81%之间，地层底面高程的相对偏差在0.15%～3.13%之间，层厚的相对偏差在0.56%～44.0%。

（3）整体来看，研究区三维地质模型对研究区地层的模拟结果较准确，但在地层起伏较大的区域，层厚的模拟结果会出现较大偏差。

4 地下水中总氮污染物分布变化趋势模拟

总氮为医化园区企业的特征污染物，对园区企业的污染渗漏存在明显的指示性。本次研究基于园区2020 年6 月不同时间测得的地下水中总氮的浓度值对园区地下水中总氮随时间的变化进行模拟刻画。

本研究实测点位共51 个，插值计算范围为最外围监测井点围成区域，实现对数据连续时间上的插值计算，实测数据时间分别为2020 年6 月4 日、2020 年6月7 日及2020 年6 月10 日，插值时间范围为2020 年6 月1 日—2020 年6 月30 日。

EVSpro 具有播放功能，可在Viewer 窗口中按照设置时间间隔对模拟结果进行连续显示，用于观察不同时间总氮在不同位置的变化规律。

图2为6 月5 日总氮浓度分布，及预测6 月15 日和6 月30 日的总氮浓度分布图。

图2 总氮浓度空间分布图

上述地下水总氮的浓度空间分布各图，监测井上的颜色表示该点地下水中总氮的浓度水平，浓度分布的颜色和高度代表了三维插值计算的总氮的浓度水平。从图中可以看出，总氮浓度高的区域主要位于园区的南部区域，实际上结合园区水文地质条件，地下水流向大致从北向南，地下水中的总氮可能是随着地下水迁移扩散并富集在园区南部区域。对比来看，随着时间的变化，总氮整体的浓度不断下降，表明园区污染物逐步向地表水体迁移，且无新增污染物进入，园区污染水平逐步降低。

5 结论

（1）通过对EVS 建立的园区三维地质模型模拟范围、地层色彩渲染及参数设置等方面的优化和验证，本研究所建立的三维地质模型准确可信。通过对三维地质模型可视化分析得出了园区范围内地层分布特征，对地质勘察和土壤及地下水污染调查等工作具有指导意义。

（2）EVS 软件可以对地下水中污染物的分布及随时间变化规律进行模拟和可视化显示，本研究以园区地下水中的总氮为例，利用其不同时间的检测浓度值刻画总氮的空间分布，并预测一段时期内的污染物空间变化情况。通过对可视化三维模拟结果进行分析可用于指导地下水污染的调查和治理工作。