三维水文地质建模技术研究综述

  三维地质建模技术较早的应用于石油、矿山领域，２０世纪９０年代初，美国地质调查局（ＵＳＧＳ）的科学团队在位于内华达州南部和加州东南部的死谷含水层系统建立了第一个区域三维水文地质模型以来，许多学者开展了地下水资源信息化管理及可视化技术的应用研究，建立了一系列三维水文地质模型。三维水文地质建模技术突破了以往对地质体二维表达的局限，能更加直观形象的描述与地下水储运有关的地质体的空间及属性结构；同时能作为地下水数值模拟的平台，提高水文地质计算评价结果，辅助决策等等。但由于三维水文地质建模本身存在着一些难点及瓶颈，现有技术还难以完全满足水文地质行业的应用需求。因此开展三维水文地质建模技术研究有着重大的意义。美国地质调查局（ＵＳＧＳ）已经将通过开发三维（３Ｄ）制图和可视化工具，应用新的地球物理方法，提高对地下水系统地质结构的认识列为地下水科学研究机遇中的六个跨学科主题之一。英国地质调查局（ＢＧＳ）已经从以往的图形调查、编制机构调整为三维地质模拟组织机构，在全国范围内部署工作推进三维水文地质建模技术的广泛应用。此外，加拿大、澳大利亚等国家也开展了三维水文地质模型的研究和应用工作。国内许多研究机构也开展了三维水文地质模型研究工作，建立了一些三维水文地质模型。

 

  １ 三维水文地质建模技术的研究现状

 

  三维水文地质建模技术是一个多学科交叉技术，需要地质、水文地质、计算机科学、物理等多学科的支撑。虽然，近些年众多机构及科研人员开展了相关的研究工作，取得了一些成果，但由于开展研究应用的时间较短，资金和相关学科支持力度有限及水文地质专业本身的特殊性等原因，目前的三维水文地质建模技术还存在着不足，文章主要从以下几个方面介绍三维水文地质建模技术的研究现状。

 

  １．１ 空间数据模型

 

  空间数据模型是人们对地质对象的概化理解和抽象表达，是构建三维水文地质模型及进行空间分析的基础。近些年国内外做了很多研究，如：Ｇｕｉｌｌａｕｍｅ Ｃａｕｍｏｎ及刘振平［８－９］在各自的文献中对空间数据模型进行了介绍和分析；张渭军［１０］采用三棱柱对孔隙水文地质层进行三维空间离散，在保证孔隙水文地质层类型的一致性的基础上，提高了水文地质模型三维空间建模及地下水模拟的精度。张立强等［１１］提出了结点－层数据模型组织不同实体类型的地质数据，实现地质观测数据和几何模型的一体化表达与存储．通过快速构建多分辨率三维地质模型，实现大规模地质数据集的可视化方法。孟宪海，李吉刚等［１２］针对三维薄层地层结构的形状特点，提出了一种利用类三棱柱网格构造三维地质模型的方法等等。

 

  目前提出的数据模型基本上可以分为面模型、体模型和混合模型三大类；这些模型各有适用性，如：面元模型可以较方便地实现地层可视化和模型更新，却不是真３Ｄ的；规则体元模型是真３Ｄ的，模型更新性好，却难以适应复杂地质体构模；非规则体元模型是真３Ｄ的，也适应复杂地质体构模，但模型更新困难；而混合元模型技术的实现难度大。要提高模型的精度，就要增加空间数据资源，这也降低了模型的运行效率，在目前注重应用的前提下大多优先考虑模型的运行效率。如何更好地解决资源与效率的关系是进一步研究与完善的重点。

 

  １．２ 数据的组织、管理和发布

 

  三维水文地质建模需要大量的地质、水文地质数据的支持。这些数据形式不一（如图形文件、数字和文字资料等），类型多样（如钻孔数据、物探数据等），不同类型数据的可靠性、完备性差异较大。如何优化组织并利用好这些数据是建模的关键之一，同时模型也要有高效的数据发布能力才能满足社会对三维水文地质模型的需求。近些年，一些科研及学术机构为提高三维模型数据的管理和发布能力展开了研究和应用，提出了一些地质模拟和信息管理的技术方法。

 

  但目前的技术和条件还不能支撑三维地质建模技术在水文地质行业的广泛应用。统一的数据标准，结合现代数据库设计与互联网，针对专业与非专业用户的不同需求，建立地下水三维地质信息管理系统，将是推动三维水文地质建模技术快速发展的重要手段。

 

  １．３ 模型的构建方法

 

  三维水文地质建模尤其是区域性的水文地质建模范围大，数据庞杂，建立地质模型要面临相当大的困难，而当数据稀缺时，建模困难就更大。目前基于建模所用数据源总结出了基于钻孔数据、基于剖面数据及基于多源数据等建模方法，利用钻孔数据建模即直接根据建模目的将整理、概化的钻孔数据导入建模工具，自动生成三维地质模型，如：Ｃ．Ｃ．Ｆａｕｎｔ等［４］为建立加州中央谷地区地下水流模型，汇编分析了约８ ５００个钻孔资料，将岩性二元划分为粗颗粒和细颗粒的百分比来描述松散沉积物的结构，在水平方向上以１．６ｋｍ、垂向上以１５ｍ为间距建立了一个刻画其含水系统特征的三维水文地质结构模型。基于剖面的数据建模方法就是利用钻孔，物探等资料及专家知识布置、描绘出剖面，再利用剖面建立三维模型，模型的精度取决于布置剖面线的数量及剖面垂直精度，如：刘天霸等［３］应用基于剖面数据的建模方法，建立了华北平原的三维水文地质模型。英国地调局Ｋａｔｈｅｒｉｎｅ Ｒ．Ｒｏｙｓｅ等［５］采用地质平面图、钻孔资料及物探资料，结合专家知识和软件自动生成功能建立了伦敦盆地白垩系三维水文地质模型，强调了在数据稀缺及地质条件复杂条件下专家知识的重要性。但单纯利用剖面不能较好的利用剖面线以外的地质数据，可以考虑多源数据剖面分区建模的方式，即利用剖面将建模区分割为地质属性相对一致的若干个小区，再在各个分区内结合钻孔及平面图等数据自动插值建模，这样即避免了单纯利用钻孔数据建模精度低的问题，也能避免单纯利用剖面数据建模中数据利用效率低的问题，同时提高了建模的精度，更新时只要重新对各分区内部重新计算，提高了模型的更新性，但是目前这种方法实现的难度还较大。

 

  同时，也应该注重其它建模方法的引入，如：数学地质建模，智能地质建模；借鉴三维地质建模的新成果，如：ＥｒｉｃＪａｎｓｓｅｎｓ－Ｃｏｒｏｎ等［１５］为优化建模方法，减少建模时间及工作量，首次开展了应用专家系统３ＤＧｅｏＥｘｐｅｒｔ建立三维地质模型的研究。Ｇｕｉｌｌａｕｍｅ Ｃａｕｍｏｎ［８］指出三维地质建模领域应该超越单纯的数据拟合方法，结合地质概念来约束数据的解释或检验数据的一致性，主张考虑时间演化和不确定性来进行三维地质模拟［８］。

 

  １．４ 复杂地质体及地质现象的表达

 

  在三维水文地质建模中，常常涉及断层、褶皱等复杂地质体及透镜体、尖灭、倒转等地质现象，它们都有着重要的水文地质意义，控制着区域水文地质条件。这些地质体及地质现象的存在增加了地质空间的不均一性和各向异性，增大了建模难度。拿断层来说通常对断层及构造的不连续性需要进行加密处理，对垂直断层和水平断层可以在地层中加入断层面加以表示，这已经增加了建模的复杂程度，而对倾斜断层的表达难度就更大，使建模数据量陡增，对数据及插值算法要求也很高。而在对区域松散沉积物的模拟中，范围大，地层稳定性差，倒转及互层现象普遍存在，透镜体广泛分布，难以对其准确、合理的刻画。

 

  朱良峰等［１６］提出了断层与地层的统一构模技术，实现了具有多值面的逆断层网格生成技术［１６］；Ｎｉｃｏｌａｓ Ｃｈｅｒｐｅａｕ等［１７］提出了利用不同的拓扑结构来逼真的、随机的模拟断层网络方法；Ａ．Ｃａｒｍｏｎａ·Ｒ．Ｃｌａｖｅｒａ－Ｇｉｓｐｅｒ［１８］通过离散单元模型来模拟被沉积物覆盖的构造形变，并结合基于过程的建模方法来模拟同沉积构造［１８］。这些尝试为三维水文地质建模提供了很好的借鉴。

 

  １．５ 应用三维水文地质模型进行地下水数值模拟以往的地下水数值模拟应用已知的地质体框架、补径排条件和水文地质参数等要素建立概念模型进行模拟计算，信息缺失严重，不确定性大。Ｓｈａｒｐｅ等［１９］为适应三维地质建模技术在水文地质行业中的应用，提出了应用三维地质模型进行地下水数值模拟流程：① 钻孔、剖面及物探等数据的收集、分析整理，导入建模软件；② 应用三维地质建模软件建立三维地质模型；③ 建立水文地质概念模型；④ 运用地下水数值模拟软件进行地下水数值模拟；⑤ 用模拟结果定量分析地下水及环境问题，提出决策意见。后期研究及应用中发现这一过程需要进行反复迭代才能得到比较满意的结果。

 

  但一直存在着三维地质建模软件与数值模拟软件融合性差的问题，导致对地质模型的过度概化，降低了模拟的准确性。Ｄａｎｉｅｌａ Ｂｌｅｓｓｅｎｔ等［２０］对此提出了在地质模型和数值模型间加入一个网格生成阶段来改善地下水径流和污染物运移数值模拟的方法。而英国地调局则应用ＧＳＩ３Ｄ建立三维地质模型，结合定制的地下水数值模拟系统ＺＯＯＭ 进行地下水流的数值模拟，实现了ＧＳＩ３Ｄ输出的结果直接导入ＺＯＯＭ 系统，减少了信息的损失，提高了模拟结果的可靠性［１３］。

 

  １．６ 不确定性的研究

 

  水文地质系统存在着不确定性（如含、隔水层的几何形状，空间分布等），而建模所使用的数据是确定的，用确定的数据表达不确定的地质现象必然导致所建立的模型存在着不确定性。认识三维地质模型的不确定性，有着很重要的意义。可以指导建模人员在建模的过程中降低模型的不确定性，充分合理的应用多源数据，取得更为合理的建模思路和计算方法，注重专家知识等；让使用者正确合理的使用所建的模型。Ｊ．Ｆｌｏｒｉａｎ Ｗｅｌｌｍａｎｎ等［２１］指出三维地质体建模的不确定性可分为三个不同的类型：数据质量及地质体内在随机性和人们不完备的知识，进而提出了一种从数据的质量角度来评价不确定性的方法。Ｍ．Ｒ．Ｌｅｌｌｉｏｔｔ，Ｍ．Ｒ．Ｃａｖｅ，Ｇ．Ｐ．Ｗｅａｌｔｈａｌｌ［２２］提出并检验了一种关于地质表面模拟的不确定性量化方法。朱良峰等［２３］提出了三维地质结构模型精度评估、误差检测、动态修正的总体研究框架等等。但目前还缺少一种能被广泛接受的评价不确定性的方法。

 

  ２ 建议

 

  ２．１ 确定有限的工作目标

 

  近些年，一系列复杂的三维地质建模技术已经被提出并走向成熟，但它们在区域性水文地质建模中却受到了限制。

 

  同时三维水文地质模型主要描述的是与地下水赋存运移有关的空间结构（如含水层隔水层空间分布、颗粒大小等），属性条件（孔隙率、导水性质等）及作为地下水数值模拟平台。

 

  基于以上，三维水文地质模型的研建需要结合自身特点及应用确定有限的工作目标，更好的满足水文地质专业本身的需求。

 

  ２．２ 开发针对三维水文地质建模工具

 

  目前国内外针对三维水文地质建模的工具还比较少，且功能有限，急需一系列功能强大，针对性强的三维水文地质建模的软件工具。这些工具要能保证开发出的工具符合水文地质专业的要求，能作为数值模拟平台；友好的可视化与用户界面，易于理解和操作；可更新性好，模型易于维护；同时价格合理，能够让大多数使用者负担的起。

 

  ２．３ 提高模型的可更新性

 

  模型的建立只能代表现有条件下对地下空间的认识，当获得了新的数据，或者有了新的认识，如果系统不能快速的、简便的重建模型，那样必然耗费更多的人力、物力。可更新性好就要求自动建模程度高，对建模使用数据的规范化及建模的方法合理性要求更高，如：Ａｋｉ Ａｒｔｉｍｏ等［２４］就结合一种关系数据库和数据管理系统在芬兰西南部建立了一个易自动更新的水文地质模型，实现了对更新数据的自动存储和处理，提高了模型的可更新性。

 

  ２．４ 水文质条件概化的方法、原则及标准体系研究虽然目前对三维水文地质建模方法的研究较多，但是针对地质条件概化的方法、原则及标准的研究还很少，缺少一种指导性的方法体系来指导针对于不同应用，不同地质条件及不同数据源下的三维水文地质建模，如地层岩性的归并，地层的模拟精度等问题。如何结合专业自身特点，制定出指导性的概化方法、原则和标准体系是未来研究的方向之一。

 

  ３ 结语

 

  随着地下水在国民经济发展中的重要性日益突出，三维水文地质建模技术迎合了水文地质行业需求，它突破了以往对地下空间二维表达的局限，能更加直观生动的表达地质条件，能更加准确的模拟地下水的空间、属性结构；同时，随着未来的科技和经济的发展，如：计算机硬件和软件的迅速发展、现代的数据库设计理念和互联网信息传递能力的提升等对三维水文地质建模技术的支持，三维地质建模技术必将成为未来水文地质行业重要的工具。除了要靠专业的水文地质建模人员的努力之外，也要借鉴其它行业的发展经验和成果，比如目前为石油应用开发的模型已被用于水文地质研究。未来，如何结合专业自身特点，制定出具有指导性的水文地质建模的方法、原则及标准体系是未来专业水文地质工作者研究的重点方向之一.