GMS三维可视化建模

摘要：本文结合研究区具体的水文地质条件、含水介质的空间结构，融合基础地理数据、钻孔数据，建立了与实际情况相符的数学模型，研究了模型的边界条件、时间和空间离散、含水介质的水文地质参数的确定，利用目前较为流行的地下水数值模拟软件GMS，进行数值模拟，并进行模型识别与检验。

关键词：GMS；可视化；三维建模

Abstract：This article establishes the mathematical model on the basis of knowing and grasping the hydrological condition, space structure of the water bearing medium of fengfeng mine in Handan, fusing the basic geography data and bore data. The boundary condition generalizing, the model time and spatial separate and the hydrological parameter selection are researched. The program is numerically simulated, including identification and optimization.

Key words: GMS; visualization; three-dimensional modeling

中图分类号：O343.2文献标识码：A文章编号：

三维可视化建模在20世纪90年代初期开始为人类所重视，并逐渐成为数学地质、石油勘探、岩土工程、GIS和科学计算可视化领域的研究与应用热点。所谓三维可视化地质建模，按照Simon W Houlding的观点是指运用计算机技术，在三维环境下将空间信息管理、地质解译、空间分析、地学统计与预测、实体内容分析以及三维图形可视化等技术工具结合起来，实现地质模型的三维显示，并用于地质分析的技术[1]。

一、GMS

GMS是地下水模拟系统(Groundwater Modeling System)的简称, 是美国Brigham Young University的环境模型研究室和美国军队排水工程试验工作站在综合已有地下水模拟软件的基础上开发的用于地下水模拟的综合性图形界面软件包。GMS是集各种软件于一体的，能够从钻孔到地层结构、从平面到空间、从单元到系统的综合性、系统性、全面性的软件[2]。

二、三维可视化模型的建立

1、资料收集

工作所收集的资料主要包括区域及各流域水文地质报告、构造分布图、水文地质图、地貌图、水文地质剖面图、第四系埋深图、潜水埋深图、电子地理底图、地表高程等值线图、各含水层顶底板高程等值线图、二维剖面图以及最重要的钻孔数据资料等，为模型建立做准备。由于峰峰煤矿曾进行过不同目的、不同精度的地质调查与评价工作，积累了大量的资料。

2、资料分析

(1)在原有钻孔资料的基础上，加入从电子底图上提取的地面高程点数据，显示地表面的起伏状态；(2)当已有钻孔资料不足时，应在已有钻孔资料的基础上，依据剖面图、地质图和地质报告中的相关内容，虚拟一些钻孔；(3)结合工作区和现有资料，对钻孔数据进行修正和补充；(4)整理资料，录入GMS中。

3、三维可视化模型构建

利用GMS软件建模时，应先建立坐标系，即将地理底图导入到GMS中定位。然后，利用GIS模块将*.shp文件转化到MAP模块中，根据定位好的地理底图，绘制确定计算区域边界，再由这些边界生成TINs。将整理好的钻孔资料导入到GMS中的Borehole模块中形成钻孔数据，以便对钻孔资料进行管理。通过编辑钻孔岩性及对每个钻孔进行编号，将每个钻孔上不同岩性的连接处设置水平地质，创建钻孔剖面，进而显示地层（见图1、2）；在Borehole模块中选择Horizons->Solid命令，采用相应的插值方法，从而生成地质结构体，建立地质结构模型。Solid 则是水文地质结构模块。我们可以利用该模块来根据需要分解和组合不同的层，在任意层位、任意位置切剖面，查看剖面上地层的展布情况，并可对模型进行空间上的旋转，从不同角度观察模型结构[3]。

图1钻孔柱状图图2地层图

三、应用实例

1、研究区概况

研究区峰峰煤田位于太行山东麓武安盆地南端，鼓山与磁山之间，南洺河横贯井田。属暖温带、半干旱大陆性季风气候区，四季分明，夏季炎热多雨，冬季干燥寒冷，春秋干旱多风沙。研究区地处丘陵地带，地势南高北低，东西部地形向中间倾斜，中间低洼地带为南洺河河床。井田内有季节性河流—南洺河，属海河流域子牙河水系滏阳河支流。

研究区地层由老至新有元古界震旦系（Z），古生界寒武系（ ）、奥陶系（O）、石炭系（C）、二迭系（P），新生界第三系（R）和第四系（Q）。万年矿井田的构造以NNE向、SN向、NE向断层为主，属于典型的帚状构造。井田断裂构造较为发育，褶皱次之。

2、含水层与隔水层

区内含水层有第四系卵砾石孔隙含水层，二迭系砂岩裂隙含水层，石炭系薄层灰岩岩溶裂隙含水层，奥陶系石灰岩岩溶含水层，闪长岩风化裂隙含水层；隔水层有二迭系泥岩隔水层、石炭系砂页岩隔水层、寒武系下统页岩隔水层、闪长岩隔水层。

3、补、径、排条件

大气降水是主要补给来源，其次是南洺河河床及灌渠的渗漏还有奥陶系灰岩水。补给途径一是在基岩区直接入渗，二是河流的渗漏，三是第四系孔隙水的渗漏补给，四是二迭系砂岩水通过断裂对该层的补给。

4、三维可视化建模

（1）边界条件

南部边界以F11断层为界，该断层具有阻水性质，奥陶系灰岩被其切割，与下盘的二迭系地层接触，隔绝了与南部奥陶系灰岩水的联系。

北部西段以F1断层为界，该断层使石炭-二迭系地层与上盘奥陶系灰岩对接，其构造简单，富水性差，不形成越流补给。

东部南段以F15断层为界，该断层具阻水作用，构成隔水屏障，中段为坚硬致密的岩浆岩体，隔绝了井田与外界的水力联系。

西部边界以F1断层为界，该断层与西部磁山岩体构成西部的南段边界；西部北段，该断层使煤层与奥陶系灰岩对接，但本区构造简单，富水性较弱，两侧的水力联系也较弱。

以上分析表明，本区形成一个基本封闭的水文地质单元。

（2）数学模型的建立

通过对矿区的地质条件和水文地质条件进行详尽系统的分析，本文建立了与矿区地下水

系统水文地质概念模型相对应的三维非稳定流数学模型：

式中： 、 、 ──分别为沿 轴方向上含水层的渗透系数 ； ──为点 在 时刻的水头值 ； ──为初始时刻的水头值 ； ──为边界 上在 时刻的水头值 ； ──为源汇项 ； ──为点 处的贮水率 ； ──为时间 ； ──为立体计算域； ──为第一类边界； ──为第二类边界； ──为边界 的外法线沿 轴方向的单位矢量； ──为边界 的外法线沿 轴方向的单位矢量； ──为边界 的外法线沿 轴方向的单位矢量； ──为边界 上单位面积的侧向流量 。