朱明君，陸徐榮（1.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，江蘇·南京 210049；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇·南京 210049）

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蘇州城市規(guī)劃區(qū)三維水文地質(zhì)模型的構(gòu)建

朱明君1,2，陸徐榮1,2
（1.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，江蘇·南京 210049；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇·南京 210049）

摘 要：三維水文地質(zhì)模型可全方位展現(xiàn)地下含水介質(zhì)的空間分布特征，是含水層系統(tǒng)分析的有效手段。以研究區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)與第四紀鉆孔、地表DEM、基巖面、第四紀模型、水文地質(zhì)剖面圖、水文地質(zhì)條件圖等為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以蘇州城市地質(zhì)信息管理與服務(wù)系統(tǒng)為平臺，采用“鉆孔—地質(zhì)剖面/等值線—地層實體”的整體建模思路，創(chuàng)建了蘇州城市規(guī)劃區(qū)三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，為蘇州城市地下水資源信息化管理和城市可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)和科學(xué)決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)；三維模型；含水層系統(tǒng)；地下水資源；信息化管理

三維地質(zhì)建模最早由加拿大學(xué)者Simon W.Houlding于1993年提出[1]，隨后此方法廣泛地應(yīng)用于石油、礦產(chǎn)、地質(zhì)等多個領(lǐng)域。九十年代后期，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的科學(xué)團隊在位于內(nèi)華達州南部和加州東南部的死谷含水層系統(tǒng)建立了第一個區(qū)域三維水文地質(zhì)模型[2]，加拿大學(xué)者Ross M.Parent等建立了加拿大東部第四系地層的三維水文地質(zhì)模型[3]，國際學(xué)術(shù)界同時針對地面沉降防治開展了大量的水文地質(zhì)模型研究[4,5]。國內(nèi)諸多學(xué)者也開展了一系列三維水文地質(zhì)模型的理論與應(yīng)用研究[6～11]。近年來，我國先后開展了上海、北京、天津、南京、廣州和杭州等多個城市的三維城市地質(zhì)調(diào)查工作[12]，數(shù)字城市地質(zhì)雛形初現(xiàn)[13～16]，在城市規(guī)劃、建設(shè)、管理等方面進行了重要的探索和實踐[17]。

2010年開展的蘇州城市地質(zhì)調(diào)查項目，進行了系統(tǒng)的城市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查研究，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、編碼技術(shù)制定蘇州市城市地質(zhì)數(shù)據(jù)建庫標準規(guī)范，建設(shè)城市地質(zhì)綜合數(shù)據(jù)庫，利用GIS、3D可視化、計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，開發(fā)建立了集城市基礎(chǔ)地理、遙感、基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等多專業(yè)、多參數(shù)數(shù)據(jù)輸入、檢索查詢、可視化分析、計算評價及輔助決策功能于一體的城市地質(zhì)信息管理與服務(wù)系統(tǒng)，為蘇州城市建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供了詳實的基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)和科學(xué)決策依據(jù)。

1　蘇州城市規(guī)劃區(qū)水文地質(zhì)概況

蘇州城市規(guī)劃區(qū)位于江蘇省南部、太湖流域腹部，南接浙江、西傍無錫、北依長江（圖1），地勢總體呈西南高而東北低展布，平原區(qū)地面高程一般在吳淞基面以上2～5m。該區(qū)地下水資源分區(qū)隸屬長江下游地下水資源區(qū)的太湖平原水資源亞區(qū)，可分為兩個地下水資源次亞區(qū)，即：西部環(huán)太湖丘陵地下水資源次亞區(qū)、東部平原地下水資源次亞區(qū)[18]。其中，西部環(huán)太湖丘陵地下水資源次亞區(qū)指西部基巖出露區(qū)，主要分布在滸墅關(guān)—蘇州市—長橋一線以西及東山、西山地區(qū)，按賦存條件可劃分為碳酸鹽巖類裂隙水、碎屑巖類裂隙水和火成巖類裂隙水，面積約225km2。東部平原地下水資源次亞區(qū)指除基巖出露區(qū)外的平原地區(qū)，屬我國典型的水網(wǎng)平原地區(qū)，面積約2372km2；第四紀松散層廣泛分布發(fā)育，沉積厚度自西向東從10m至210m，其間發(fā)育有四個含水層組，即潛水含水層、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層。

圖1　研究區(qū)范圍Fig.1 Range map of study area

2　蘇州城市規(guī)劃區(qū)三維水文地質(zhì)層序的劃分

水文地質(zhì)層序的劃分是構(gòu)建三維水文地質(zhì)模型的基礎(chǔ)，而水文地質(zhì)層序的劃分是在第四系地層巖性、地層劃分基礎(chǔ)上完成的（表1）。根據(jù)時代地層劃分出大的含水層組，之后再根據(jù)不同區(qū)域上沉積物的巖相及其特征，綜合考慮建模的目標向下劃分出具有局部水文地質(zhì)意義的透鏡體或次一級含水層組，以保證三維水文地質(zhì)模型在大的框架上符合實際的地下水分布特征及變化規(guī)律，保證模型的精度及準確度。蘇州城市規(guī)劃區(qū)第四系地層由上至下分別為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)，潛水含水層、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層分別賦存于以上四個不同時期的第四系地層中。劃分了水文地質(zhì)層序即確定了建模區(qū)三維水文地質(zhì)模型的分層結(jié)構(gòu)后，需要對巖性進行概化并對鉆孔或剖面中出現(xiàn)的各類巖性進行編碼，以利計算機識別并提取分層離散點進行插值從而構(gòu)建模型。

表1　蘇州城市規(guī)劃區(qū)孔隙含水層劃分及其沉積時期Table 1 The Quaternary aquifer and its sedimentation period in Suzhou city

2.1 巖性概化

真實的地層是多層次砂層、黏土層交替、不等厚、延展性復(fù)雜多變的空間綜合體，難以實現(xiàn)模型建設(shè)。因此模型建設(shè)按巖層層次、巖性進行概化，以突出反映工作區(qū)第四系水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的總體特點。概化的原則為：

（1）根據(jù)模型中同一層位巖性必須一致的要求，位于同一層面不同的巖性，如粉細砂、中細砂，區(qū)域上概化為同一種最為相近的巖性名稱（如細砂）；粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土等則并成黏土類弱透水層，突出砂性土在空間上的展布規(guī)律，構(gòu)筑全區(qū)的含水層結(jié)構(gòu)。

（2）2m以內(nèi)厚度的地層予以概化，如在較為連續(xù)的相對隔水層中出現(xiàn)小于2m、巖性顆粒較細的含水層忽略處理，部分情況視作透鏡體。

（3）每一含水巖組大多包含數(shù)層砂層，為了保證軟件的正常運行，模型反映主要的含水層，原則上每一含水巖組不超過二層砂層，將部分含水層進行合并，薄層砂忽略不計，使構(gòu)建的含水層模型既能反映當(dāng)?shù)睾畬咏Y(jié)構(gòu)又能保證模型的正常建設(shè)。

2.2 分層巖性編碼

對鉆孔或剖面中出現(xiàn)的巖性進行概化處理后，需對各個鉆孔分層命名使信息系統(tǒng)平臺自動識別并提取分層離散點進行插值從而構(gòu)建模型。在為鉆孔進行水文地質(zhì)層編碼時，首先根據(jù)已劃分好的建模區(qū)水文地層層序，對建模區(qū)各鉆孔所揭穿的所有地層從上至下進行編號，建立水文地質(zhì)層層序表，并據(jù)此將建模區(qū)鉆孔中的各個地層與地層層序表相對應(yīng)，對鉆孔中各個地層進行編號。對鉆孔進行分層編號的目的是獲取各水文地層層的離散點，為插值擬合水文地層層面做準備。鉆孔數(shù)據(jù)通過以上處理后，就可為插值構(gòu)建模型使用。

3　三維水文地質(zhì)建模

3.1 建模方法

當(dāng)前三維地質(zhì)建模主要有兩種方法：基于鉆孔資料的建模和基于地質(zhì)圖的建模。以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于不同插值算法插值構(gòu)建的三維模型通常稱為不確定性模型；而基于鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)的建模方法構(gòu)建的三維模型通常稱為確定性模型。確定性模型經(jīng)過專業(yè)人員的解譯、概化，將研究區(qū)按照一定的劃分規(guī)則劃分為若干個確定的地層，建立層序，再基于差值算法構(gòu)建而成，能確定地表達各地層的形態(tài)及展布，是實現(xiàn)地下水資源高效管理的重要介質(zhì)[19～21]。

蘇州城市規(guī)劃區(qū)三維水文地質(zhì)建模前期工作收集了各種水文地質(zhì)鉆孔資料59份、第四紀和工程鉆孔1200份，并繪制了具有代表性的13條水文地質(zhì)剖面圖[22]。除此，地表DEM、基巖面、工作區(qū)范圍、已建好的第四紀模型也是水文地質(zhì)建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?！般@孔—地質(zhì)剖面/等值線—地層實體”是本次工作的整體建模思路。在大的分層上，根據(jù)水文地質(zhì)標準地層與第四紀標準地層的對應(yīng)關(guān)系，繪制以下界面：地表約束面、基巖面、以及中間的如東組與 湖組、昆山組、啟東組、海門組界線。再通過水文地質(zhì)層序標準化后的13條水文地質(zhì)剖面與1000余個概化鉆孔的交互實現(xiàn)含水層與隔水層的建模（圖2）。

圖2　水文地質(zhì)鉆孔分布與立體剖面網(wǎng)格Fig.2 Distribution of hydrogeological borehole and cross section

3.2 蘇州城市規(guī)劃區(qū)三維水文地質(zhì)模型

蘇州城市規(guī)劃區(qū)陸域2597km2范圍（圖1）為本次三維水文地質(zhì)建模區(qū)。建模區(qū)的地下水主要賦存在第四系地層中，因此將第三系及早期地層作為建模的基底，三維水文地質(zhì)模型如圖3所示（圖中，粉色代表基底，黃色代表黏性土弱透水層，綠色代表含水層，地表層為衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)疊加地形起伏面）。

從圖3可以看到，建模區(qū)第四系地層由東至西逐漸變薄，至西部環(huán)太湖地區(qū)基底凸起，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)由上至下分布有4個含水巖組。第Ⅰ承壓含水層下段與第Ⅱ承壓含水層分布最為廣泛，厚度也較大。第Ⅰ承壓含水巖組上段和第Ⅲ承壓含水層厚度較小，且第Ⅲ承壓含水層有較大范圍的缺失，僅分布于黃埭、婁家莊、郭巷一線以東的凹陷部位。蘇州城市規(guī)劃區(qū)三維水文地質(zhì)模型不僅可以整體查看蘇州城市規(guī)劃區(qū)第四系水文地質(zhì)三維實體，還可以任意切割剖面查看縱剖面的水文地層層空間分布（圖4），也可以點擊任意地理位置查看水文地質(zhì)層的巖性特征和分布特征（圖5）。此外，通過模型還可以查看鉆孔的空間分布，提供鉆孔的詳細信息，包括基本信息、分層信息、試驗信息等；亦可生成水文地質(zhì)鉆孔綜合成果表等多個功能。

圖3　蘇州城市規(guī)劃區(qū)三維水文地質(zhì)模型Fig.3 3D hydrogeological model of Suzhou city

圖4　水文地質(zhì)剖面切割及查看Fig.4 Cutting and browsing of hydrogeological profile

圖5　任意水文地質(zhì)層的信息拾取示意圖Fig.5 Information picking of Hydrogeological layer

圖6為蘇州城市規(guī)劃區(qū)承壓含水層的三維形態(tài)展布。通過地層信息拾取功能可以得知，第Ⅰ承壓含水巖組上段頂板埋深一般為8～14m，厚度10～20m，局部地區(qū)如黃埭、甪直等地可達30～40m。第Ⅰ承壓含水層下段在松陵、虎丘、東橋一帶以西缺失，主要分布在市區(qū)東部，含水砂層具面狀穩(wěn)定分布特點，厚度一般為20～40m，主要為灰色細砂，中細砂；頂板埋深在西部黃埭、蔞葑一帶較低，為70m左右，東部約50～70m。第Ⅱ承壓含水層厚度一般為20～40m，局部地區(qū)如郭巷、勝浦、斜塘等地可達50m；頂板埋深一般在75～120m之間，呈現(xiàn)由西向東由淺至深的變化特征，望亭一帶埋深約72～83m，向西、東北方向砂層厚度一般小于10m，西部至基巖區(qū)附近缺失。第Ⅲ承壓含水層厚度、巖性都呈南北向條帶狀展布，頂板埋深145～175m，從西北向東南漸深， 直一帶超過170m，含水層厚度由小于10m到22.7m不等，以車坊—相城條帶最厚，為10～30m，兩側(cè)河間帶小于10m；含水層巖性以黃、灰色細砂、中細砂、含礫中粗砂為主，平面上由南往北巖性粒度由細變粗。

圖6　承壓含水層三維形態(tài)Fig.6 3D form of confined aquifers in Suzhou city

4 結(jié)語

地下水資源對于保障人民生產(chǎn)、生活不可缺少，因此高效地進行地下水資源信息化管理是發(fā)展趨勢。三維水文地質(zhì)模型能夠?qū)崿F(xiàn)含水介質(zhì)空間分布特征的多方位立體可視化展示，是含水層系統(tǒng)分析的有效手段，也是快速掌握區(qū)域地下水資源量分布特征的重要技術(shù)。本次工作在充分利用鉆孔資料的同時，融入多源地質(zhì)數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗，開展了蘇州城市規(guī)劃區(qū)三維水文地質(zhì)建模研究，包括建模數(shù)據(jù)處理、多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的綜合利用、三維水文地質(zhì)層序的劃分、模型的構(gòu)建方法等，創(chuàng)建了一套“鉆孔—地質(zhì)剖面/等值線—地層實體”交互建模的數(shù)據(jù)分析平臺。利用該平臺創(chuàng)建的蘇州城市規(guī)劃區(qū)三維水文地質(zhì)模型反映了現(xiàn)有條件下對區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識，為優(yōu)化地下水管理提供了可靠依據(jù)。經(jīng)鉆孔和資料驗證，該模型精確可靠，能很好地滿足實際應(yīng)用的需要，并可為其他地區(qū)開展水文地質(zhì)三維建模提供參考。

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Construction of a three-dimensional hydrogeological model in Suzhou city

ZHU Ming-Jun1,2,LU Xu-Rong1,2
(1.Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster,Ministry of Land and Resources of China,Jiangsu Nanjing 210049,China;2.Geological Surνey of Jiangsu Proνince,Jiangsu Nanjing 210049,China)

Abstract:A three-dimensional (3D) hydrogeological model can show the spatial distribution characteristics of groundwater bearing media in many directions,and it is an effective method for the analysis of aquifer systems.Hydrogeological boreholes,engineering geological boreholes,quaternary boreholes,surface digital elevation models (DEM),bedrock surfaces,the range of modeling areas,completed quaternary models,hydrogeological profiles and hydrogeological maps are the basic data in 3D hydrogeological modeling.Geological information management and the service system of Suzhou city form the basis of a 3D hydrogeological model.The modeling method is “borehole with hydrogeological profile or contour line and stratum entity”.A 3D hydrogeological model of Suzhou city can provide detailed geological data and scientific direction for information management on groundwater resources and sustainable development of the city.

Key words:hydrogeology;three-dimensional model;aquifer system;groundwater resources;information management

基金項目:江蘇省國土資源廳科研項目“蘇州市城市地質(zhì)調(diào)查”(蘇國土資函[2008]409號)

作者簡介:朱明君(1985-),女,碩士,工程師,主要從事水文地質(zhì)研究.

修訂日期:2016-01-15

收稿日期:2015-12-24

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.014

中圖分類號：P641.6

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1329(2016)01-0062-04

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