楊俊松，汪名鵬，薛玖紅

(江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇 淮安 223005)

0 引言

對地下水的研究，首先是要查明地下水含水層的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的研究方法只能通過水文地質(zhì)勘察以及地下水動態(tài)監(jiān)測才能揭示其賦存條件與運(yùn)動規(guī)律[1]。根據(jù)這些信息繪制各種條件下的水文地質(zhì)剖面圖以及其它數(shù)據(jù)，因條件限制，二維的水文地質(zhì)剖面以及數(shù)據(jù)圖件表達(dá)的地下水含水層結(jié)構(gòu)信息有限，不能滿足對地下水含水層結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和空間分析需求。因此在對地下水含水層結(jié)構(gòu)二維圖件研究的基礎(chǔ)上，若再能實(shí)現(xiàn)三維可視化含水層結(jié)構(gòu)模型，將大大拓展其實(shí)用功能。

所謂三維地質(zhì)建模[2]，就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)可視化與交互式技術(shù)，在三維環(huán)境下將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，并用于地質(zhì)分析和解釋。其本質(zhì)上是基于水文地質(zhì)鉆孔資料，構(gòu)造各含水地層格架三維建模，通過獲取鉆孔數(shù)據(jù)中地層信息，進(jìn)行地層對比以建立數(shù)學(xué)模型，再生成地質(zhì)體模擬的過程。模型建成后，可以進(jìn)行三維模型交互瀏覽、生成三維剖面、切割地層等操作。

本文基于以上考慮，首次構(gòu)建了沭陽主城區(qū)地下水含水層結(jié)構(gòu)三維可視化模型，初步探討論含水層空間結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

研究區(qū)地處沂、沭沖積平原區(qū)，地形平坦。地層巖性為第四系、新近系黏土、中粗砂(局部含礫)，下伏古近系泥巖、砂巖。構(gòu)造上位于郯廬斷裂帶以東，魯蘇古隆起的東南部。

沭陽地下水資源豐富，根據(jù)含水介質(zhì)，水理性質(zhì)及水動力特征，可分為三個含水層組：第Ⅰ層潛水、微承壓含水層組和第Ⅱ、第Ⅲ承壓含水層組。

第Ⅰ微承壓含水層組含水巖性為粉細(xì)砂、中粗砂與粉質(zhì)黏土，河流河堤近側(cè)、河漫灘為粉土、砂土，遠(yuǎn)離河道主要為粉質(zhì)黏土，含水層厚度2～15 m。直接接受大氣降水、地表水補(bǔ)給，排泄方式主要以蒸發(fā)、側(cè)向逕流和人工開采等。

第Ⅱ承壓含水層組含水巖性以中粗砂為主，厚度24.0～36.8 m，底板埋深多在56.1～68.9 m之間，含水層富水性受砂層厚度、粒度等控制。

第Ⅲ承壓含水層組含水巖性具有上細(xì)下粗特征，且韻律多變，砂粒組成整體上比上部含水層的級配差，巖性以粉細(xì)砂、中粗砂、含礫中粗砂、礫砂等為主。砂層可見2～3層，厚度一般50～60 m，底板埋深113.0～115.6 m。

第Ⅱ承壓含水層組和第Ⅲ承壓含水層組地下水，在天然狀態(tài)下，兩者之間基本無水力聯(lián)系。地下水不受大氣降水的影響，主要接受區(qū)外的側(cè)向水平逕流補(bǔ)給，其次接受淺層水的越流補(bǔ)給。

沭陽主城區(qū)各含水層模型示意剖面圖見圖1。

圖1 沭陽主城區(qū)含水層模型示意剖面圖

2 建模軟件的開發(fā)

目前，國際上已有不少三維地質(zhì)建模的軟件，大多面向不同的專業(yè)應(yīng)用，國內(nèi)三維建模軟件在水文地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用較晚，產(chǎn)品也不成熟。本文針對沭陽主城區(qū)地下水含水層結(jié)構(gòu)三維建?？梢暬芯慷ㄖ频能浖?，該軟件基于Visual C++開發(fā)，基于OpenGL圖形庫實(shí)現(xiàn)三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。與目前已有的商業(yè)建模軟件相比(如美國的GMS等)，所建模型在細(xì)節(jié)層次上表現(xiàn)得不夠理想，如對于尖滅的處理、透鏡體的表示等過于生硬，但總體上已能表達(dá)和反映研究區(qū)域的各種類型土層的空間分布、各種含水層組的空間分布。

3 三維地質(zhì)建模

3.1 三維建模及可視化基本原理

B-Rep(邊界代替)模型采用實(shí)體的邊界來代替實(shí)體，且通過拓?fù)潢P(guān)系來建立各邊界的聯(lián)系，能建立具有復(fù)雜層次結(jié)構(gòu)的三維空間實(shí)體，能描述線和面又給描述體，而且在線-面-體轉(zhuǎn)化后，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得以保持的描述方法來進(jìn)行可視化表達(dá)[3]。由B-Rep模型建立的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，能真實(shí)的反映研究區(qū)的水文地質(zhì)含水層的層次結(jié)構(gòu)。

采用B-Rep模型作為基于鉆孔資料建立的三維數(shù)字地層格架的可視化表達(dá)，通過三角剖分建立鉆孔三角網(wǎng)是關(guān)聯(lián)水文地質(zhì)信息數(shù)據(jù)的有效辦法[4]。三角網(wǎng)絡(luò)對計(jì)算區(qū)域根據(jù)編碼原則建立的構(gòu)造-地層格架，具備了三維層次與空間拓?fù)潢P(guān)系，然后運(yùn)用插值方法與空間拓?fù)涞腂-Rep模型結(jié)合起來，就可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)鉆孔資料所包含的空間信息以及基于鉆孔資料建立的水文地質(zhì)地層格架插值成三維水文地質(zhì)地層體[5]。

地層體是在通過三角網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)的一系列三角錐(柱)狀無縫組合的格架實(shí)體，可以在任意層位、任意位置切割剖面，查看地層展布情況，可以從不同的方向觀看模型的結(jié)構(gòu)等，以達(dá)到可視化的效果。

3.2 水文地質(zhì)含水層結(jié)構(gòu)三維建模的步驟

地質(zhì)建模關(guān)鍵步驟包括：鉆孔數(shù)據(jù)錄入、自動建模、模型修改、切割剖面、截圖與打印等。地質(zhì)建模的基本流程如圖2所示。

圖2 建模基本流程圖

3.2.1 鉆孔數(shù)據(jù)錄入

在建模前，按一定的標(biāo)準(zhǔn)格式，將參與建模的水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)錄入到Access數(shù)據(jù)庫中，包括鉆孔編號、位置、高程、孔深、分層信息及巖性等。在建模軟件開發(fā)完成后，可以立即導(dǎo)入，開展建模與分析工作。對于導(dǎo)入后的鉆孔數(shù)據(jù)，可以在分析軟件上進(jìn)行相應(yīng)的編輯修改和自動計(jì)算，如自動根據(jù)層底埋深計(jì)算層底高程、計(jì)算層厚、計(jì)算孔深等。

3.2.2 自動建模

根據(jù)選擇參與建模的鉆孔，通過建模軟件自動計(jì)算生成水文地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型，同時利用到已完成的二維水文地質(zhì)剖面圖，相比鉆孔資料，研究區(qū)二維水文地質(zhì)剖面圖信息更豐富、易懂，而且省去了鉆孔建模時連接對應(yīng)的層位[6]。為了使所建模型更加逼近實(shí)際情況，在建立的二維標(biāo)準(zhǔn)水文地質(zhì)剖面上采集了若干虛擬鉆孔，采集的所有虛擬鉆孔均參與建模。

3.2.3 模型修改

分析軟件自動生成的模型，未必能百分百地表達(dá)真實(shí)的情況，因此有必要進(jìn)行人工干預(yù)和修改。具體的干預(yù)措施是在研究區(qū)特定區(qū)域內(nèi)增加控制性的虛擬鉆孔，以控制該區(qū)地層的連接計(jì)算過程。由于收集的鉆孔數(shù)量并不多，即使加上在標(biāo)準(zhǔn)剖面上采集的虛擬鉆孔，在整個研究區(qū)域內(nèi)，鉆孔的分布并不十分均勻，在一些沒有鉆孔的區(qū)域，仍然需要插入個別控制鉆孔。經(jīng)過多次的建模、修改、再建模、再修改的過程，可以使所建模型更加趨于合理。

3.2.4 切割剖面

模型生成后，為了驗(yàn)證模型是否反映真實(shí)情況，這時可以通過切割空間剖面來進(jìn)行驗(yàn)證。利用建模軟件的三維剖面生成功能，在不同方向上生成三維剖面，然后與標(biāo)準(zhǔn)剖面進(jìn)行對比，對于有出入的地方，增加若干虛擬鉆孔進(jìn)行干預(yù)，然后將增加的虛擬鉆孔再次參與模型的重建。

3.2.5 截圖與打印

利用建模軟件的截圖與打印功能，將不同角度、不同模型組合視圖輸出到圖片或是打印機(jī)，形成研究區(qū)水文地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)分析的成果。

4 研究區(qū)地下水含水層三維空間結(jié)構(gòu)可視化效果

4.1 直觀含水層組分布

通過所構(gòu)建的研究區(qū)三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型，可以直觀研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的整體輪廓，各個含水層之間的位置、相互關(guān)系及厚度信息。圖3展示了沭陽主城區(qū)三個含水層組的三維可視化空間整體效果，可直觀了解到不同含水層組的形態(tài)和厚度變化趨勢。當(dāng)由于隔水層與含水巖組間的上下覆蓋關(guān)系，含水巖組的分布情況難以獲得直觀的認(rèn)識時，可以通過模型管理器，逐層打開和關(guān)閉顯示各個隔水巖層和含水巖組，了解各含水巖組的分布位置、厚薄、面積大小等情況，從而實(shí)現(xiàn)對研究對象特征的突出，將內(nèi)部的水文地質(zhì)信息展現(xiàn)出來[7]。在查看時，可以充分利用系統(tǒng)提供的視窗放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、平移等功能，從全方位、多角度對研究區(qū)三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型進(jìn)行研究。

圖3 沭陽主城區(qū)三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型整體效果

4.2 直觀地下水水位的空間分布

在各含水層結(jié)構(gòu)三維模型的基礎(chǔ)上根據(jù)不同含水層水位信息，繪制不同含水層的等水位面。圖4、圖5分別展示淺層地下水、深層地下水三維結(jié)構(gòu)等水位面。從深層水等水位面可視化效果圖中可以顯示深層地下水降落漏斗的中心位置、范圍大小的空間分布。

圖4 淺層水等水位面空間分布圖

4.3 含水巖組信息的查詢

在瀏覽和查看含水巖組空澡分布狀況時，同樣可以隨時點(diǎn)擊查詢含水巖組的屬性信息，了解含水巖組的名稱、描述、厚度等內(nèi)容。

圖5 深層水等水位面空間分布圖

4.4 進(jìn)行三維剖面切割

水文地質(zhì)含水結(jié)構(gòu)三維可視化的目的是提供準(zhǔn)確又直觀的含水層構(gòu)造模型，通過各種生成剖面或切片清楚地顯示地質(zhì)模型內(nèi)部的各個細(xì)節(jié)，從而更加準(zhǔn)確地解譯各含水層信息提供幫助[8-9]。研究區(qū)三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部剖切可按以下方式進(jìn)行剖切。切割時可以在XOY面平定義剖面，也可以在XOZ、YOZ平面上進(jìn)行定義，可以定義單個剖面，也可以定義折線剖面或是多剖面，如果多個剖面進(jìn)行組合，就可以獲得含水巖組與隔水層間非常直觀的接觸關(guān)系，或是含水巖組在不同位置的厚薄情況、延伸情況、尖滅情況。圖6為標(biāo)高-30 m剖切的三維水文剖面可視化效果圖，圖7展示的是研究區(qū)各含水層結(jié)構(gòu)在四個方向上剖面組成的三維柵欄。

圖6 標(biāo)高-30 m水平切割剖面三維可視化效果

圖7 由四個剖面組成的三維可視化柵欄

5 結(jié)語

(1)通過對基于OpenGL圖形庫實(shí)現(xiàn)三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境建立三維地質(zhì)模型與可視化進(jìn)行初步研究，提高了研究區(qū)地下水含水層的賦存空間的三維可視化效果和可認(rèn)知程度，為地下水資源管理和利用提供了依據(jù)。

(2)在建模過程中，也存在一些不足，對地下水動態(tài)研究尚欠缺，如地下水流向、水質(zhì)變化特征以及地下水水位動態(tài)變化特征等信息的三維可視化動態(tài)研究等，是下一步深入研究的重點(diǎn)，