三維水文地質(zhì)建模技術(shù)研究綜述

  三維地質(zhì)建模技術(shù)較早的應用于石油、礦山領(lǐng)域，２０世紀９０年代初，美國地質(zhì)調查局（ＵＳＧＳ）的科學(xué)團隊在位于內華達州南部和加州東南部的死谷含水層系統建立了第一個(gè)區域三維水文地質(zhì)模型以來(lái)，許多學(xué)者開(kāi)展了地下水資源信息化管理及可視化技術(shù)的應用研究，建立了一系列三維水文地質(zhì)模型。三維水文地質(zhì)建模技術(shù)突破了以往對地質(zhì)體二維表達的局限，能更加直觀(guān)形象的描述與地下水儲運有關(guān)的地質(zhì)體的空間及屬性結構；同時(shí)能作為地下水數值模擬的平臺，提高水文地質(zhì)計算評價(jià)結果，輔助決策等等。但由于三維水文地質(zhì)建模本身存在著(zhù)一些難點(diǎn)及瓶頸，現有技術(shù)還難以完全滿(mǎn)足水文地質(zhì)行業(yè)的應用需求。因此開(kāi)展三維水文地質(zhì)建模技術(shù)研究有著(zhù)重大的意義。美國地質(zhì)調查局（ＵＳＧＳ）已經(jīng)將通過(guò)開(kāi)發(fā)三維（３Ｄ）制圖和可視化工具，應用新的地球物理方法，提高對地下水系統地質(zhì)結構的認識列為地下水科學(xué)研究機遇中的六個(gè)跨學(xué)科主題之一。英國地質(zhì)調查局（ＢＧＳ）已經(jīng)從以往的圖形調查、編制機構調整為三維地質(zhì)模擬組織機構，在全國范圍內部署工作推進(jìn)三維水文地質(zhì)建模技術(shù)的廣泛應用。此外，加拿大、澳大利亞等國家也開(kāi)展了三維水文地質(zhì)模型的研究和應用工作。國內許多研究機構也開(kāi)展了三維水文地質(zhì)模型研究工作，建立了一些三維水文地質(zhì)模型。

 

  １ 三維水文地質(zhì)建模技術(shù)的研究現狀

 

  三維水文地質(zhì)建模技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉技術(shù)，需要地質(zhì)、水文地質(zhì)、計算機科學(xué)、物理等多學(xué)科的支撐。雖然，近些年眾多機構及科研人員開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，取得了一些成果，但由于開(kāi)展研究應用的時(shí)間較短，資金和相關(guān)學(xué)科支持力度有限及水文地質(zhì)專(zhuān)業(yè)本身的特殊性等原因，目前的三維水文地質(zhì)建模技術(shù)還存在著(zhù)不足，文章主要從以下幾個(gè)方面介紹三維水文地質(zhì)建模技術(shù)的研究現狀。

 

  １．１ 空間數據模型

 

  空間數據模型是人們對地質(zhì)對象的概化理解和抽象表達，是構建三維水文地質(zhì)模型及進(jìn)行空間分析的基礎。近些年國內外做了很多研究，如：Ｇｕｉｌｌａｕｍｅ Ｃａｕｍｏｎ及劉振平［８－９］在各自的文獻中對空間數據模型進(jìn)行了介紹和分析；張渭軍［１０］采用三棱柱對孔隙水文地質(zhì)層進(jìn)行三維空間離散，在保證孔隙水文地質(zhì)層類(lèi)型的一致性的基礎上，提高了水文地質(zhì)模型三維空間建模及地下水模擬的精度。張立強等［１１］提出了結點(diǎn)－層數據模型組織不同實(shí)體類(lèi)型的地質(zhì)數據，實(shí)現地質(zhì)觀(guān)測數據和幾何模型的一體化表達與存儲．通過(guò)快速構建多分辨率三維地質(zhì)模型，實(shí)現大規模地質(zhì)數據集的可視化方法。孟憲海，李吉剛等［１２］針對三維薄層地層結構的形狀特點(diǎn)，提出了一種利用類(lèi)三棱柱網(wǎng)格構造三維地質(zhì)模型的方法等等。

 

  目前提出的數據模型基本上可以分為面模型、體模型和混合模型三大類(lèi)；這些模型各有適用性，如：面元模型可以較方便地實(shí)現地層可視化和模型更新，卻不是真３Ｄ的；規則體元模型是真３Ｄ的，模型更新性好，卻難以適應復雜地質(zhì)體構模；非規則體元模型是真３Ｄ的，也適應復雜地質(zhì)體構模，但模型更新困難；而混合元模型技術(shù)的實(shí)現難度大。要提高模型的精度，就要增加空間數據資源，這也降低了模型的運行效率，在目前注重應用的前提下大多優(yōu)先考慮模型的運行效率。如何更好地解決資源與效率的關(guān)系是進(jìn)一步研究與完善的重點(diǎn)。

 

  １．２ 數據的組織、管理和發(fā)布

 

  三維水文地質(zhì)建模需要大量的地質(zhì)、水文地質(zhì)數據的支持。這些數據形式不一（如圖形文件、數字和文字資料等），類(lèi)型多樣（如鉆孔數據、物探數據等），不同類(lèi)型數據的可靠性、完備性差異較大。如何優(yōu)化組織并利用好這些數據是建模的關(guān)鍵之一，同時(shí)模型也要有高效的數據發(fā)布能力才能滿(mǎn)足社會(huì )對三維水文地質(zhì)模型的需求。近些年，一些科研及學(xué)術(shù)機構為提高三維模型數據的管理和發(fā)布能力展開(kāi)了研究和應用，提出了一些地質(zhì)模擬和信息管理的技術(shù)方法。

 

  但目前的技術(shù)和條件還不能支撐三維地質(zhì)建模技術(shù)在水文地質(zhì)行業(yè)的廣泛應用。統一的數據標準，結合現代數據庫設計與互聯(lián)網(wǎng)，針對專(zhuān)業(yè)與非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)的不同需求，建立地下水三維地質(zhì)信息管理系統，將是推動(dòng)三維水文地質(zhì)建模技術(shù)快速發(fā)展的重要手段。

 

  １．３ 模型的構建方法

 

  三維水文地質(zhì)建模尤其是區域性的水文地質(zhì)建模范圍大，數據龐雜，建立地質(zhì)模型要面臨相當大的困難，而當數據稀缺時(shí)，建模困難就更大。目前基于建模所用數據源總結出了基于鉆孔數據、基于剖面數據及基于多源數據等建模方法，利用鉆孔數據建模即直接根據建模目的將整理、概化的鉆孔數據導入建模工具，自動(dòng)生成三維地質(zhì)模型，如：Ｃ．Ｃ．Ｆａｕｎｔ等［４］為建立加州中央谷地區地下水流模型，匯編分析了約８ ５００個(gè)鉆孔資料，將巖性二元劃分為粗顆粒和細顆粒的百分比來(lái)描述松散沉積物的結構，在水平方向上以１．６ｋｍ、垂向上以１５ｍ為間距建立了一個(gè)刻畫(huà)其含水系統特征的三維水文地質(zhì)結構模型?；谄拭娴臄祿７椒ň褪抢勉@孔，物探等資料及專(zhuān)家知識布置、描繪出剖面，再利用剖面建立三維模型，模型的精度取決于布置剖面線(xiàn)的數量及剖面垂直精度，如：劉天霸等［３］應用基于剖面數據的建模方法，建立了華北平原的三維水文地質(zhì)模型。英國地調局Ｋａｔｈｅｒｉｎｅ Ｒ．Ｒｏｙｓｅ等［５］采用地質(zhì)平面圖、鉆孔資料及物探資料，結合專(zhuān)家知識和軟件自動(dòng)生成功能建立了倫敦盆地白堊系三維水文地質(zhì)模型，強調了在數據稀缺及地質(zhì)條件復雜條件下專(zhuān)家知識的重要性。但單純利用剖面不能較好的利用剖面線(xiàn)以外的地質(zhì)數據，可以考慮多源數據剖面分區建模的方式，即利用剖面將建模區分割為地質(zhì)屬性相對一致的若干個(gè)小區，再在各個(gè)分區內結合鉆孔及平面圖等數據自動(dòng)插值建模，這樣即避免了單純利用鉆孔數據建模精度低的問(wèn)題，也能避免單純利用剖面數據建模中數據利用效率低的問(wèn)題，同時(shí)提高了建模的精度，更新時(shí)只要重新對各分區內部重新計算，提高了模型的更新性，但是目前這種方法實(shí)現的難度還較大。

 

  同時(shí)，也應該注重其它建模方法的引入，如：數學(xué)地質(zhì)建模，智能地質(zhì)建模；借鑒三維地質(zhì)建模的新成果，如：ＥｒｉｃＪａｎｓｓｅｎｓ－Ｃｏｒｏｎ等［１５］為優(yōu)化建模方法，減少建模時(shí)間及工作量，首次開(kāi)展了應用專(zhuān)家系統３ＤＧｅｏＥｘｐｅｒｔ建立三維地質(zhì)模型的研究。Ｇｕｉｌｌａｕｍｅ Ｃａｕｍｏｎ［８］指出三維地質(zhì)建模領(lǐng)域應該超越單純的數據擬合方法，結合地質(zhì)概念來(lái)約束數據的解釋或檢驗數據的一致性，主張考慮時(shí)間演化和不確定性來(lái)進(jìn)行三維地質(zhì)模擬［８］。

 

  １．４ 復雜地質(zhì)體及地質(zhì)現象的表達

 

  在三維水文地質(zhì)建模中，常常涉及斷層、褶皺等復雜地質(zhì)體及透鏡體、尖滅、倒轉等地質(zhì)現象，它們都有著(zhù)重要的水文地質(zhì)意義，控制著(zhù)區域水文地質(zhì)條件。這些地質(zhì)體及地質(zhì)現象的存在增加了地質(zhì)空間的不均一性和各向異性，增大了建模難度。拿斷層來(lái)說(shuō)通常對斷層及構造的不連續性需要進(jìn)行加密處理，對垂直斷層和水平斷層可以在地層中加入斷層面加以表示，這已經(jīng)增加了建模的復雜程度，而對傾斜斷層的表達難度就更大，使建模數據量陡增，對數據及插值算法要求也很高。而在對區域松散沉積物的模擬中，范圍大，地層穩定性差，倒轉及互層現象普遍存在，透鏡體廣泛分布，難以對其準確、合理的刻畫(huà)。

 

  朱良峰等［１６］提出了斷層與地層的統一構模技術(shù)，實(shí)現了具有多值面的逆斷層網(wǎng)格生成技術(shù)［１６］；Ｎｉｃｏｌａｓ Ｃｈｅｒｐｅａｕ等［１７］提出了利用不同的拓撲結構來(lái)逼真的、隨機的模擬斷層網(wǎng)絡(luò )方法；Ａ．Ｃａｒｍｏｎａ·Ｒ．Ｃｌａｖｅｒａ－Ｇｉｓｐｅｒ［１８］通過(guò)離散單元模型來(lái)模擬被沉積物覆蓋的構造形變，并結合基于過(guò)程的建模方法來(lái)模擬同沉積構造［１８］。這些嘗試為三維水文地質(zhì)建模提供了很好的借鑒。

 

  １．５ 應用三維水文地質(zhì)模型進(jìn)行地下水數值模擬以往的地下水數值模擬應用已知的地質(zhì)體框架、補徑排條件和水文地質(zhì)參數等要素建立概念模型進(jìn)行模擬計算，信息缺失嚴重，不確定性大。Ｓｈａｒｐｅ等［１９］為適應三維地質(zhì)建模技術(shù)在水文地質(zhì)行業(yè)中的應用，提出了應用三維地質(zhì)模型進(jìn)行地下水數值模擬流程：① 鉆孔、剖面及物探等數據的收集、分析整理，導入建模軟件；② 應用三維地質(zhì)建模軟件建立三維地質(zhì)模型；③ 建立水文地質(zhì)概念模型；④ 運用地下水數值模擬軟件進(jìn)行地下水數值模擬；⑤ 用模擬結果定量分析地下水及環(huán)境問(wèn)題，提出決策意見(jiàn)。后期研究及應用中發(fā)現這一過(guò)程需要進(jìn)行反復迭代才能得到比較滿(mǎn)意的結果。

 

  但一直存在著(zhù)三維地質(zhì)建模軟件與數值模擬軟件融合性差的問(wèn)題，導致對地質(zhì)模型的過(guò)度概化，降低了模擬的準確性。Ｄａｎｉｅｌａ Ｂｌｅｓｓｅｎｔ等［２０］對此提出了在地質(zhì)模型和數值模型間加入一個(gè)網(wǎng)格生成階段來(lái)改善地下水徑流和污染物運移數值模擬的方法。而英國地調局則應用ＧＳＩ３Ｄ建立三維地質(zhì)模型，結合定制的地下水數值模擬系統ＺＯＯＭ 進(jìn)行地下水流的數值模擬，實(shí)現了ＧＳＩ３Ｄ輸出的結果直接導入ＺＯＯＭ 系統，減少了信息的損失，提高了模擬結果的可靠性［１３］。

 

  １．６ 不確定性的研究

 

  水文地質(zhì)系統存在著(zhù)不確定性（如含、隔水層的幾何形狀，空間分布等），而建模所使用的數據是確定的，用確定的數據表達不確定的地質(zhì)現象必然導致所建立的模型存在著(zhù)不確定性。認識三維地質(zhì)模型的不確定性，有著(zhù)很重要的意義?？梢灾笇ЫＨ藛T在建模的過(guò)程中降低模型的不確定性，充分合理的應用多源數據，取得更為合理的建模思路和計算方法，注重專(zhuān)家知識等；讓使用者正確合理的使用所建的模型。Ｊ．Ｆｌｏｒｉａｎ Ｗｅｌｌｍａｎｎ等［２１］指出三維地質(zhì)體建模的不確定性可分為三個(gè)不同的類(lèi)型：數據質(zhì)量及地質(zhì)體內在隨機性和人們不完備的知識，進(jìn)而提出了一種從數據的質(zhì)量角度來(lái)評價(jià)不確定性的方法。Ｍ．Ｒ．Ｌｅｌｌｉｏｔｔ，Ｍ．Ｒ．Ｃａｖｅ，Ｇ．Ｐ．Ｗｅａｌｔｈａｌｌ［２２］提出并檢驗了一種關(guān)于地質(zhì)表面模擬的不確定性量化方法。朱良峰等［２３］提出了三維地質(zhì)結構模型精度評估、誤差檢測、動(dòng)態(tài)修正的總體研究框架等等。但目前還缺少一種能被廣泛接受的評價(jià)不確定性的方法。

 

  ２ 建議

 

  ２．１ 確定有限的工作目標

 

  近些年，一系列復雜的三維地質(zhì)建模技術(shù)已經(jīng)被提出并走向成熟，但它們在區域性水文地質(zhì)建模中卻受到了限制。

 

  同時(shí)三維水文地質(zhì)模型主要描述的是與地下水賦存運移有關(guān)的空間結構（如含水層隔水層空間分布、顆粒大小等），屬性條件（孔隙率、導水性質(zhì)等）及作為地下水數值模擬平臺。

 

  基于以上，三維水文地質(zhì)模型的研建需要結合自身特點(diǎn)及應用確定有限的工作目標，更好的滿(mǎn)足水文地質(zhì)專(zhuān)業(yè)本身的需求。

 

  ２．２ 開(kāi)發(fā)針對三維水文地質(zhì)建模工具

 

  目前國內外針對三維水文地質(zhì)建模的工具還比較少，且功能有限，急需一系列功能強大，針對性強的三維水文地質(zhì)建模的軟件工具。這些工具要能保證開(kāi)發(fā)出的工具符合水文地質(zhì)專(zhuān)業(yè)的要求，能作為數值模擬平臺；友好的可視化與用戶(hù)界面，易于理解和操作；可更新性好，模型易于維護；同時(shí)價(jià)格合理，能夠讓大多數使用者負擔的起。

 

  ２．３ 提高模型的可更新性

 

  模型的建立只能代表現有條件下對地下空間的認識，當獲得了新的數據，或者有了新的認識，如果系統不能快速的、簡(jiǎn)便的重建模型，那樣必然耗費更多的人力、物力?？筛滦院镁鸵笞詣?dòng)建模程度高，對建模使用數據的規范化及建模的方法合理性要求更高，如：Ａｋｉ Ａｒｔｉｍｏ等［２４］就結合一種關(guān)系數據庫和數據管理系統在芬蘭西南部建立了一個(gè)易自動(dòng)更新的水文地質(zhì)模型，實(shí)現了對更新數據的自動(dòng)存儲和處理，提高了模型的可更新性。

 

  ２．４ 水文質(zhì)條件概化的方法、原則及標準體系研究雖然目前對三維水文地質(zhì)建模方法的研究較多，但是針對地質(zhì)條件概化的方法、原則及標準的研究還很少，缺少一種指導性的方法體系來(lái)指導針對于不同應用，不同地質(zhì)條件及不同數據源下的三維水文地質(zhì)建模，如地層巖性的歸并，地層的模擬精度等問(wèn)題。如何結合專(zhuān)業(yè)自身特點(diǎn)，制定出指導性的概化方法、原則和標準體系是未來(lái)研究的方向之一。

 

  ３ 結語(yǔ)

 

  隨著(zhù)地下水在國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要性日益突出，三維水文地質(zhì)建模技術(shù)迎合了水文地質(zhì)行業(yè)需求，它突破了以往對地下空間二維表達的局限，能更加直觀(guān)生動(dòng)的表達地質(zhì)條件，能更加準確的模擬地下水的空間、屬性結構；同時(shí)，隨著(zhù)未來(lái)的科技和經(jīng)濟的發(fā)展，如：計算機硬件和軟件的迅速發(fā)展、現代的數據庫設計理念和互聯(lián)網(wǎng)信息傳遞能力的提升等對三維水文地質(zhì)建模技術(shù)的支持，三維地質(zhì)建模技術(shù)必將成為未來(lái)水文地質(zhì)行業(yè)重要的工具。除了要靠專(zhuān)業(yè)的水文地質(zhì)建模人員的努力之外，也要借鑒其它行業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗和成果，比如目前為石油應用開(kāi)發(fā)的模型已被用于水文地質(zhì)研究。未來(lái)，如何結合專(zhuān)業(yè)自身特點(diǎn)，制定出具有指導性的水文地質(zhì)建模的方法、原則及標準體系是未來(lái)專(zhuān)業(yè)水文地質(zhì)工作者研究的重點(diǎn)方向之一.