Question

黑河流域地下水三维地质模型构建方案

Answer 1

（一）黑河流域地下水三维地质模型构建流程

模型构建，需要制定其构建流程，使模型能有条不紊地完成。经过软件的开发实践，我们制定了模型制作的流程：

（1）数据的收集、整理与检查；

（2）数据导入到建模系统软件中，进行单个盆地的模型构建；

（3）根据导入的数据，理清其对应的关系，依序建立断层、地层、透镜体等地质体；

（4）检查与校验所建立的分盆地三维可视化模型，如果发生错误，重复前面的步骤，进行模型的修改工作；

（5）组合各分盆地模型，形成整体的三维可视化模型。

（二）黑河流域地下水三维地质模型比例尺设计

地下水三维模型的建模区域存在着横向区域广、纵向深度浅的特点，这就必须设置不同的横向比例和垂向比例，并且横向垂向比例值的对比又要恰当，这样才可能建立起模型，而且模型外形比较美观。

黑河流域的工区长约七八百千米，宽约400千米，而地下勘探深度只有几百米甚至几十米，如果以统一的比例进行模型构建，那么所建的模型就会缩小为一个面。地下的地质结构表达不出来，也无法进行浏览。如果纵比例放大，那么在流域境内的祁连山海拔高五千多米，与地下的勘探资料深度相比，也有几十倍的差距，所建的模型在高度上较高，地下部分会是很薄的一片。

在这种情况下，需要确定合适的纵横比例，使模型比较美观，且符合实际要求。建模系统的数据输入统一以米为单位，经过多次试验，我们确定了黑河流域建模横向比例与纵向比例为2000较为合适。即XY方向在输入示缩小2000倍，纵向数据如剖面深度在输入时长度不变。经过这样的变化，所建的模型纵横比恰当，能更好地反映黑河流域的地质结构。

（三）分块建模的设计依据及各模块边界的确定

黑河地质构造复杂，多个盆地单元是在不同构造背景下发育的，这就导致了该流域盆地的独立性，同时也决定了地下水系统结构空间变化和地下水运动的复杂性。

构建黑河流域这样大区域的地质模型，系统光读入的原始资料数据就可达上百兆，加上地层所生成的三角网格的数量占用的内存，对机器资源的要求会相当高，而我们的软件定位是使用微机而不是工作站进行建模，这就必须考虑解决这一矛盾。

流域内根据地质构造，可以把流域分为若干各盆地单元，对各个盆地单元进行独立建模。这为我们解决问题提供了帮助，即在统一的框架下分块建立各个盆地的子模型，然后把各个子模型的三角网格面拼装组合起来，形成流域总模型。既克服了机器速度的限制，使各个模型可以单独完成，又保证了整体模型的完整性。可谓一举多得。

整体模型的构建过程是合—分—合的过程。先建立整体框架，即建立整个工区的断层、地表模型，再根据地质情况严格按坐标分区，进行子模型的构建，最后按坐标在同一地表下进行组装。

对流域内各个盆地单元的分区是按照地质结构特征进行分区的。断层和隆起对地下水的运移、变化起很大的作用，是各盆地的自然分界线。依据地质资料，可以在流域地图上标出分界线。然后按照分界线对地质资料进行分区处理，之后依据各分区地质资料进行建模。分开建模的七块为：大马营盆地、山丹盆地和大青阳盆地、张掖盆地、酒泉东盆地、酒泉西盆地、金塔盆地、额济纳旗盆地。具体来说，各盆地分界线位置描述如下：

（1）总寨—永固断层为张掖盆地、大马营盆地的分界线；

（2）永固隆起为张掖盆地、山丹盆地的分界线；

（3）榆木山西端的苦水山隆起到高台隐伏隆起之间的弧形地带构成了酒泉东盆地和张掖盆地的分界线；

（4）嘉峪关以北的中部山地南北两侧的断层是酒泉盆地和金塔盆地各自的分界线；

（5）嘉峪关断裂是酒泉东盆地与酒泉西盆地的分界线；

（6）地湾东梁隆起是金塔盆地与额济纳旗盆地的分界线。

（四）子模型的构建设计

对子模型，也就是具体的一个盆地来说，地质构造相对来说是较为复杂的，所要表现的地质体较多，而且这些地质体之间具有切割、相交等关系，这就需要按照一定的顺序对这些地质体进行构建，逐类逐个地按顺序进行。模型构建的顺序，这里简单说明，即是读入原始数据、生成地表，根据地表的断层线和选取剖面上的断层线，建立断层模型、之后，构建各个地层、指定地层的有效区域、构建透镜体、调整地层与透镜体之间的空间位置，最后生成地质体。地质体生成后，可进行可视化操作与图形输出。

为说明按照此顺序进行建模，这就涉及到建模的各地质体之间的关系处理，一般来说，所有的数据都需要有一个确定的地质体在建模过程起一个参照的作用，地表面就能很好地担当这一角色，当地表面输入后，断层线、剖面线都可在地表面上进行绘制，并且按照地表面的起伏变化而起伏。因此，需要首先建立起地表的模型。当地表建立起来后，就可以在地表面输入绘制盆地边界、地表地理信息图元数据等。在构建地层和断层地质体时，由于地层面被断层面切割，形成断层的上下盘，而断层面在此过程中，是不需要进行变化的，因此，需要优先构建断层面，断层面构建完毕后，再构建地层面，进行地层面的自动切割处理。地层面构建之后，透镜体就随之而来，由于透镜体分属于不同的地层，因此需要在地层面的基础上进行构建。透镜体生成后，至此，所有的准备工作都以进行完毕，就可进行地质块体的生成。这个过程是构建模型的一个优化的过程，实践证明是正确的。

（五）地表数据点的抽稀与剔除

地表数据由ARCINFO格式数据转换而来，组成等高线的平面线段与它的高程值一一对应，这样，就有了地表的三维坐标集。系统输入时，读入组成等值线的各个点，即读入各个线段的点，结合线段所对应的高程值，就形成了生成模型所需的离散点，系统使用这些离散点进行插值，生成地表面。由于黑河流域1∶25万数据所有的数据量相当多，离散点的密度也大，以MAPGIS明码文件存放的数据容量达到150多兆，如果把这些数据都输入到系统中，插值生成地表面，那么生成地表面的小三角形数量将会相当大，占用过多的计算机资源，对后续模型的构建影响很大。同时，生成地表面时速度慢，效果不理想。因此就需要对这些离散点进行抽稀处理。抽稀的效果是减少等值线上的点的数量，由于等值线上有大量的点存在，按比值抽稀不会对它的精度造成影响。抽稀后，生成模型所需的离散点密度降低，离散点的数量减少，系统生成地表面时速度加快，地表面的平滑度提高。

对于地表面的一些坏点，如高程值过高或过低的点，即高程高于地表最高点，或高程低于地表最低点的高程，这些点是由于误差或数据转换时造成的，使用这样的点插值，就会造成地表面的起伏变化剧烈，地表面粗糙不平，影响地表面的光滑度，对于这样的点需要在输入系统时进行剔除处理。即在系统输入模块中，采用门槛值进行限制，过高或过低的点剔除，不让其参与建模。

（六）黑河流域地下水三维地质模型网格大小的设计

由建模的原理可以知道，模型所建的地质体如地层、断层等都是由网格相连构成面，面相包而组成体。构成模型的最小单位是小三角形，三角形的数量多少对模型的精度、系统运转的快慢有直接的影响。

一般来说，生成模型的三角形网格过大，则模型面比较粗糙，模型不精细，甚至不能表现面的形态特征，网格过小，则网格的密度大，对这些三角形运算需占用大量的系统资源，使计算机处理的数据量剧增，从而使机器运行速度慢，如果离散点数据量过多或过少，则会使模型面较复杂，不能表现模型面的总体特征。因此，在构建模型时，需要选择合适的网格大小。

在黑河流域盆地模型构建过程中，经过实践，地表的网格大小选用50～200m的格网间距较好，机器速度和表面光滑度能达到协调统一。一般在模型初建中，选用200m的格网间距，机器速度快，当各小盆地模型构建完成后，选用50m格网间距进行地表面生成，使地表面比较精细。

地层和断层由于使用剖面图上的线段进行建模，系统会自动在这些线段上加密离散点，选用200m的格网间距，对地层和断层的生成影响不大，精细度也符合要求。透镜体由于其面积小，对精度要求适中，因此网格大小选用100m的格网间距即可满足需要。

对于栅格数据，如遥感影像图片，其空间分辨率可根据模型显示的精度调整像素的大小。一般100～300dpi即可。可根据需要把精细的具有800多兆的遥感影像图片生成BMP、JPG等图形格式，达到保证像素精度和减少内存占用量的需要。

（七）模型的自动生成与局部调整

模型的断层面、地层面、透镜体的顶底面，都是系统根据技术人员在剖面上选中的线段进行离散点化，然后使用这些离散点，进行插值处理而形成一系列的小三角形相连，而构成不同地质体的面，这样生成面过程，会产生面按离散点的趋势伸展，引起地质面变形、歪曲等现象的发生，与实际地质情况不相符合。如断层之间相互切割、断层切割地层、地层相交切割等一系列的地层面关系无法建立。

在这种情况下，就需要使用控制点对面进行局部微调，改变面的形态。使生成的面尽量接近地质资料的解译成果，表达真实的地质状况。同时也能使断层之间相互切割、断层切割地层、地层相交切割等地质体关系成立。系统再依据技术人员对这些面之间的关系进行定义，自动生成符合条件的地质体。

因此，在模型构建过程中，需要结合实际，使用系统自动生成与控制点局部调整的功能，完成模型的构建。

（八）黑河流域地下水三维地质模型误差分析及处理

在模型构建过程中，不可避免地会导致误差的产生、传递与积累，应分析误差产生的原因，建立误差的控制机制，提高所建模型的质量和精度。从误差产生的源头分析，有基础资料方面的原因，也有建模过程中系统产生的误差，下面分别进行论述。

1.基础资料方面的误差

模型的构建主要使用剖面数据和钻孔数据，钻孔数据会由于钻孔地层变化过于凌乱而使生成的地层起伏太大。剖面方面，在绘制的过程中，由于人为因素的影响，也会产生误差。

概括来说，不同的技术人员对地质结构有不同的认识和处理，必然会反映在剖面图的地层变化及数值上。另外，采用不同的地质资料，有些地质资料之间存在着不同的论点甚至矛盾的观点，以致造成误差的产生。绘制过程中，技术人员使用不同的资料进行合成处理的过程中，如透图时，使误差产生。当用手工在方格计算纸上进行绘制时，尤其是绘制长剖面时，由于纸的褶皱，接图过程必然会出现误差。甚至有的计算方格纸本身不标准，出现格线倾斜的状况。同时，在图纸扫描、矢量化的过程中也会传递误差。突出的表现是在剖面图交叉位置，地层线的位置出现不能相交的情况，或发生与别的剖面图地层走向趋势不一致的现象。

2.系统运行中产生的误差

由于构建模型的基础资料在数据生产过程中会产生一定的误差，当带有误差的数据输入到建模系统中后，会造成误差的传递与放大，使模型的精确度降低。在尽量避免基础资料数据出现误差的情况下，还应分析系统在运行过程中出现的误差。

对建模过程的误差进行分析，可以得出在建模的所有步骤中，都有可能由于操作失误或系统精度的设置而产生误差。可具体进行以下分析。在数据处理阶段，各种数据、图文资料进行数据融合时会出现误差，如投影变换，误差校正时的误差。另外，系统建模在插值运算处理过程中，局部的点较密集，如选中的剖面线处，其余的区域离散点稀少，几乎没有，按照数学方法插值，会出现插值曲面与实际曲面有不相符合的现象，为使曲面符合实际一些，采取使用控制点拉或压的方法，这必然会造成一定的误差。

另外，当模型层与层之间的距离小时，容易发生地层面的交叉与重叠，当使用控制点进行校正时，透镜体或地层面发生改变，误差极易发生。还有，当调整地层面与透镜体之间的位置时，极易发生连锁反应，造成误差的产生。

3.误差控制

误差的产生，有些是必然的，有些是偶然发生的。针对这些误差，我们主要的策略是，对于基础资料方面的误差，进行资料的核查校准，如在剖面图绘制过程中，加强质量控制，增强技术人员的责任心，在同一区域让地质技术人员进行协调对图校准，聘请地质专家把关审核，这些措施起到了很好的质量监控作用。对于系统运行中出现的误差，项目组成员分析原因，加强调试，采取了很多措施，力争把误差减少到最低。如精确地调整剖面的位置、尽量使地层的位置一致，对于明显的误差，如地层线不相匹配，则依据别的剖面分析该地层的变化情况，使用系统的编辑功能编辑出现误差的地层线，把误差减少到最低。在生成层面过程中，尽量在剖面线上多加点，使形成的地层网格通过所属剖面的线等等。这些措施对最大限度地减小误差起到了很好的作用。

在建模中进行模型检验也是减少误差的一种方法。模型的检验，包括原始数据的精度检查，即所形成的面是否与原始数据点相一致，原始点的数据是否被保留；地质合理性的检查，可利用地质资料如钻孔和剖面图同时检查。另外，还可通过进行模型的剖切制作原剖面附近的剖面，进行两剖面的对照，来检查每一层（包括断层面）的地质界线。对一些重要剖面可用来检查断层的交切、断层与地层的交切、不同层间以及断层两侧的地层形态的一致性。模型的检验过程在模型的误差控制中具有实时验证的作用。