探究基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散方法

彭海晟

摘 要：针对自然界中基于GIS的孔隙水文地质层厚度不均匀和分布连续性不强的特点，在分析剖面的基础上运用钻孔的数据对空隙水文地质层的三维空间关系进行划分研究，并使用GIS的三维空间离散来实现技术要求。探讨了基于GIS的孔隙水文地质层三维空间的离散方法，针对孔隙水文地质层分布的特征和目前地下水流在空间离散中存在的问题进行了研究，最后提出了不规则多面体的三维空间离散方法。

关键词：GIS；孔隙水文地质层；三维空间离散方法；地下水

中图分类号：P641.136 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.085

随着社会的快速发展，模拟地下水流的模型已经发展为了三维空间模型。在地下水流的模拟过程中，要模拟含水地质层的三维空间离散。对于地下水流的三维空间模拟过程，不仅要涉及到地下水垂直运动，还要涉及到地下水的水平运动，将地下隔水层和含水层当作同一个含水系统进行研究。尽可能保证离散GIS的数据自动提取和空间分析，快速提取每一个计算点上的参数，提高模拟水文地质层的实效性，提高实用价值。

1 孔隙水文地质层分布特点

孔隙含水地质层大部分形成于第四纪，环境的不断变迁对孔隙水文地质层的空间分布造成了直接的影响。随着地理地貌的不断变化，海面和气候发生了突变现象，沉积的地层环境也发生了相应的变化，受到地表浅水动力和局部区域的影响，孔隙水文地质层的沉积类型、岩性、结构等在垂直和水平的分布中都存在着比较大的差异。同时，在地层中分布的孔隙含水层在岩体的空间分布上也有很大不同，孔隙含水层在总体的分布上是呈层状分布的，但是每一个含水层在不同的区域分布上都存在着不均匀的情况，在某个不同的区域内，有的地质层分布不均匀，有的是呈尖状分布的。

孔隙水文地质层在空间上分布不均匀给三维空间离散工作带来了一定的难度，尤其是进行垂向空间离散时，假如没有考虑到孔隙水文地质层分布不均匀的状况，在某些区域进行三维空间离散时，存在着多个孔隙水文含水层，那么计算参数的精度就会被严重影响，与此同时，还降低了模拟精度。

2 竖直模拟中使用的三维空间离散方法

当前，在模拟地下水流的有限分值中，孔隙水文地质层系统垂直向上的离散大部分采用的是规则矩形格网的办法，在这里，最典型的就是美国地质调查局研究的MODFLOW三维有限差分地下水流渗流的模型。这种离散的方式是把模拟区域的隔水层与含水层当作同一个含水系统，在确定水平空间的基础上，定义水文地质的空间离散长度。形成模拟区域的含水层系统的三维空间规则多面体离散格网如图1所示。

在这种离散方式中，为了尽可能地保证隔水层和含水层的单一性，在垂直的空间里进行离散的时候，应该尽量减少散步长，尽量离散地质层中的底层数。

3 三维空间离散的不足之处

在三维空间离散方式中，采取多面体元对含水层进行三维空间离散，尽管采取了一定的离散措施，最大限度地保证了单个体元中孔隙隔水层或含水层的单一性能，但由于自然界中的孔隙水文地质层分布空间不均匀，在每一个分布厚度和范围上都存在着较大不同，且每一个隔水层和含水层的定地面大多数都是曲面，用多面体空间进行三维空间离散，就会出现一个体元中存在多个隔水层和含水层，具体如图2所示。

受到隔水层和含水层沉积类型、岩性等影响，各个隔水层与含水层之间的参数各不相同。如果一个体元中存在多个隔水层或含水层，那么在模拟计算时，这个体元中的水文地质参数就是多个含水层和隔水层相互存在的综合值。但是，水文地质的参数都是根据个各种水文地质的试验来获取的，无法取得单个个体单元中的综合值。

4 三维空间离散的特点

以自然界中隔水层和含水层为空间分布的特点为依据，要保证在每一个空间离散中，三维空间离散的多面体中的隔水层和含水层类型是唯一的，就必须保证多面体的上界面和下界面都在同一个隔水层或含水层中。受这种条件的限制，三维空间离散中的多面体离散无法达到这项要求。需采用基于GIS的三维空间离散方法进行离散工作。

本文所提出的多面体离散方式是用下界面和上界面为曲面，对于离散区域内没有连续分布的隔水层和含水层，地层的尖面位置有可能是一个点或曲面，在地层尖面位置相应分布。

5 在GIS下进行三维空间离散的技术分析

孔隙水文地质层的隔水层和含水层在空间上分布的特点就是区域性。对区域性分布的隔水层和含水层，要采用不规则的多面体进行空间离散工作。离散时，只使用手工的方法来实现空间离散比较困难，尤其针对某个隔水层或者含水层。处于底部的每一个离散点高程都存在着提取、离散困难，需要GIS辅助，通过空间分析才可以完成等问题。具体分析情况如图3所示。

首先，在控制水文地质库的隔水层与含水层里读取高程数据，使用GIS自动绘制每一个有断水层和含水层的底顶板，并存储为矢量图。其次，在水平的孔隙水文地质层中，使用矩形的网格对模拟区域进行空间离散，形成平面空间里离散的图形。使每一层底顶板高程等值图与离散中水平的网格互相叠加，按照固定好的算法把等值线进行栅格，实现栅格数据和矢量数据的互相转换，自动读取网络中心节点上每一个隔水层与含水层之间的数据，形成矩形的数据文件并保存。最后，假如每一个隔水层与含水层的厚度是垂向空间进行离散的长度，那么每个中心的高程数据文件以及空间离散的形成与第三点是一样的。假如要对某一个水文地质进行进一步的剖分，那么就需要读取剖分目的层高程的数据，计算每一区域内的地层厚度和每一个中心节点的高程值，组成相应的数据文件。

6 实现基于GIS的不规则空间离散

基于GIS和不规则多面体孔隙含水层的系统离散需要通过垂向不规则生成和平面矩形的格网图自动生成完成。

垂向不规则生成的实现过程是：以离散平面的矩形网格为基础，依据所研究区域内的地面沉降概念确定剖分的层数，随后依据每一个含水层底顶板的高程定义进一步的剖分，并对满足剖分条件的不规则多面体空间进行离散。

平面矩形的格网图自动生成在计算机上就可以实现，使用研究区域的基础地理位置信息定义确定区域内的原点，并形成剖分的空间定义和格网图。

不规则的多面图形规则空间离散是基于GIS的空间离散软件平台的二次开发形成的孔隙水文地质层三维控制层离散。

7 结束语

由于沉积的影响，孔隙水文地质层的隔水层与含水层之间存在着差异，针对分布空间不同的特征，使用GIS的自动采集功能和空间分析功能，用不规则的多面体进行空间离散，减少了孔隙水文地质层离散的工作量，缩短了模拟地下水流所需要的时间，提高了孔隙水文地质层的三维空间离散精度。

参考文献

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〔编辑：王霞〕