① 模型建立的方法和步驟
一、模型建立的方法
GMS軟體有三種建立確定性模型的方法,包括概念模型法、網格法和Solids法。本書中所選擇的方法為Solids法。不管是利用網格法或者概念模型法建模,對含水層結構進行合理的概化是其中一個重要環節,所建模型的准確性很大程度上取決於對實際水文地質條件的正確判斷。若輕視對具體水文地質條件的研究,過多依賴模擬技術建立的模型,通常與實際問題相差甚遠,也沒有使用價值(魏加華等,2003)。當地層出現尖滅、垂向上具有多元結構、水文地質條件比較復雜時,前兩種方法不能准確描述此類地層結構,也不能驗證基於地質統計學插值求得的含水層頂底板高程是否與實際的鑽孔資料相符。GMS中的實體模塊Solids利用鑽孔資料可以建立地層的三維結構可視化模型,Solids模型定義了地層結構的空間分布,可以切割生成三維顯示任意方向的地層剖面(王麗霞等,2011)。
二、模型建立的步驟
利用Solids建模的步驟:
(1)在鑽孔模塊(borehole)中定義鑽孔的坐標位置及垂向上的層位(horizon)。層位即不同地層的交線或岩性分界線。由於地層沉積通常是連續的,因此層位按照一定的次序排列。然而實際地層一般比較復雜,鑽孔資料常出現地層缺失現象,遇到此種情況,將缺失的層位空出,使Solids得到的剖面和實際地層剖面相符合。
(2)根據實際的鑽孔資料將相應的層位用弧線連接,同時注意地層尖滅的標示。層位連接後生成不同多邊形,每個多邊形表示相應的地層或岩性。
(3)在地圖模塊Maps中定義不規則三角網格TIN,來表示地層單元插值的表面邊界。
(4)在實體模塊Solids選擇恰當的插值方法,由horizons生成其相應地層的Solids。如果有N個horizons則有N-1個Solids,Solids生成後即可以在模型上切割任意剖面來檢驗模型的三維空間結構。
(5)根據Solids數來確定所需網格的最小層數,生成三維網格並進行MODFLOW的初始化。將Solids記錄的地層空間信息轉成MODFLOW中含水層的頂底板標高,至此地下水三維空間結構模型建立完成。
三、建模過程中可能遇到的問題及解決方法
地下水三維可視化模型建立,首先要基本查明灌區的水文地質條件。了解灌區的地貌、地質條件、構造發育、各地層厚度等信息,需要收集和整理地下水的相關資料,包括灌區水文地質報告、構造圖、地質地貌圖、水文地質剖面圖、電子版地理底圖、等高線圖、含水層頂底板高程等值線圖以及鑽孔數據資料等。再結合水文地質條件對含水層資料進行整理和概化。利用GMS建立地下水三維可視化模型時,尤其是在大區域建模中,可能出現3類問題(張永波等,2007;孫紅梅等,2008)。
1.由於鑽孔分布不均勻而導致的地層缺失
在大區域建模中,由於研究區范圍較大,各部分研究程度不同,一般會引起鑽孔分布的不均勻。通過不均勻分布的鑽孔資料建立水文地質結構模型,可能致使部分地層產生缺失,導致結構模型失真。另外,鑽孔分布均勻程度是一個相對概念,對於地形平緩、地層結構相對簡單的地區,少量鑽孔基本可以比較清楚地反映地層結構;對於地形起伏較大、地層結構比較復雜、構造比較發育的地區,需要較多的有效鑽孔,才可能准確揭示地層分布及構造發育狀況,然而實際工作中完全實現是不可能的。對於此種問題,根據研究區的地質地貌圖、構造分布圖及前人繪制的剖面圖,對已有的鑽孔數據資料進行分析和整理,在具有控制點作用的位置可以適當虛擬部分鑽孔數據或者各層面的高程數據,以准確反映該區域地層結構和構造。採用擴充後的鑽孔數據資料建立水文地質結構模型,可以彌補由於鑽孔資料缺乏而導致的部分地層的缺失。
2.由於鑽孔不夠深而引起的下伏地層抬升
在鑽探工作中,往往有些鑽孔深度不夠,不能完整地揭露地層。根據這樣的鑽孔數據建立水文地質結構模型時,系統默認將鑽孔底部的標高作為上一層的底部界面。這樣就造成下伏地層的抬升。對於這種情況,根據前人繪制的地層等厚度線及剖面圖,結合四周鑽孔數據對該鑽孔資料進行修正,修正後的鑽孔資料可以比較准確地反映地層結構。採用修正後的數據資料建立水文地質結構模型,可以有效地控制下伏地層的抬升。
3.由於鑽孔資料過細而引起的地層混雜
在野外紀錄的鑽孔資料中,局部有透鏡體形成的地層,透鏡體分布的連續性相對較差。採用過細的資料建模,計算機不能分辨透鏡體及連續地層,容易出現地層混雜,即將某個鑽孔的透鏡體地層和另一個或其他幾個鑽孔的連續地層分界面相連接,導致生成錯誤的地層結構。對於這種情況,根據該區域剖面圖整理資料時,將透鏡體區分出來,忽略較小的透鏡體,針對較大的透鏡體則另外生成地層結構。
此外,在插值計算中,由於計算方法的不同,產生的結果也許會有很大差異,這需要在進行插值計算時,根據不同的具體條件選擇適當的插值方法。