基于GMS的曙光矿区水文地质结构可视化模型

摘 要：在介绍GMS生成水文地质结构实体模型方法的基础上，利用曙光矿区钻孔数据，建立了该矿区水文地质结构三维可视化模型。结果表明：将咸水体的horizon ID设置为第4层，插入medium sand与mudstone之间建模取得了较好的效果；建立的可视化模型可以实现含水层的拆分组合、切剖面等功能，清晰地展示含水层的空间分布特征。

关键词：GMS；水文地质结构；可视化模型；咸水体

0 引言

水文地质结构模型是表现水文地质体的空间结构及含水层空间分布的模型，是地下水及其环境研究的基础。基于GMS建立的水文地质结构模型，可以直接显示水文地质结构的三维空间展布形态和空间组合特征，具有良好的图形界面和高效、简洁、方便等优点。近年来众多学者应用GMS软件在完整型地层建立水文地质结构模型方面做了相关的研究和探讨[1～3]，取得了令人鼓舞的成果，但是在矿区尖灭型地层应用GMS软件建立水文地质结构模型方面报道较少。

本文以曙光矿区为例，探讨了咸水体侵入型矿区建立水文地质结构模型遇到的问题和解决措施，最终建立的曙光矿区水文地质结构模型，为查清矿区各层空间分布规律，确定数值模拟分区及参数取值提供了依据。

1 基于GMS的水文地质结构可视化模型的建立

Borehole Data、2D Scatter Point、TIN和Solid模块是GMS软件中建立水文地质结构模型的主要功能模块，其在水文地质结构可视化方面的功能非常卓越[2]。基于GMS建立的水文地质结构模型主要通过两种方法来实现：在Borehole模块中建立水文地质结构模型；由TINs直接生成水文地质结构模型。

1.1 在Borehole模块中建立水文地质结构模型

在Borehole模块中建立水文地质结构模型的步骤如下：

（1）将地理底图导入到GMS中进行定位，建立好准确的坐标系，使导入的数据根据坐标正确地展布在图上。

（2）在MAP模块中根据定位好的地理底图，绘制出工作区边界，再由这些边界生成TINs，以确定插值计算的空间步长。

（3）将整理好的钻孔资料导入到Borehole模块中，形成钻孔数据。

（4）在Borehole模块中通过HorizonsSolid命令，选取相应的插值方法，生成水文地质结构体（Solid），并建立水文地质结构模型。

1.2 由TINs直接生成水文地质结构模型

由TINs直接生成水文地质结构模型的步骤如下：

（1）将地理底图导入到GMS中进行定位。

（2）在MAP模块中根据定位好的地理底图，绘制出工作区边界，再由这些边界生成TINs。

（3）将整理好的各界面的高程点数据导入到GMS的2D Scatter Point模块中，通过InterpolateActive TIN命令对各层点的数据进行插值计算，将结果赋值到对应的TIN上。

（4）选取相邻两个TIN执行Fill Between TINsSolid命令，生成两个TIN之间的水文地质结构体，并通过一系列TIN就可以建立水文地质结构模型。

2 曙光矿区水文地质结构可视化模型的实现

2.1 曙光矿区地质条件

曙光矿区根据地层岩性及厚度，自老至新划分为以下6个含水岩组和非含水岩：上第三系馆陶组砂岩sandstone、上第三系明化镇组泥岩底板mudstone、明化镇组中砂岩medium stone、明化镇组咸水体salty-water stone、明化镇组泥岩顶板mudstone、第四系平原组咸水体salty-water stone。

下辽河平原地质历史上遭受多次海侵；曙光矿区第四系含水层全部咸化，明化镇组含水层也赋存了大量的咸水体，这层咸水明化镇组中砂岩上部呈楔状插入曙光矿区东南角。

2.2 现有资料及存在的问题

本次研究工作收集了曙光矿区详勘报告以及大量剖面图、平面图、水文地质图等图件，读取钻孔数据资料19个。在对资料进行整理后发现，建立该矿区水文地质模型存在如下困难：①明化镇组咸水于明化镇组中砂岩上部呈楔状插入曙光矿区东南角，这层咸水体延伸一段距离后歼灭，在GMS中建模存在一定难度；②钻孔分布不均，分布在矿体附近。

2.3 解决方案

在GMS中，建立Solid模型一般采用“Horizon”方法，“Horizon”指的Solid实体中出现的每个地层上界面，自下而上依次编号，故在层序正常地层中应用广泛。而研究区东南角出现咸水体，使原有的正常层序地层被打乱。针对这种情况，可以将这层侵入咸水体假设为某一沉积地层，厚度在没有岩体出现的地方湮灭，以这种方式尝试在有岩体出现地方建立水文地质模型的可行性。考虑到第四系平原组咸水体salty-water stone和上第三系明化镇组泥岩底板mudstone覆盖了所有地层以及岩体，定义其Horizon ID分别为最上层6和下边的5，将明化镇组咸水体Horizon ID设置为4，其余地层的Horizon ID自老至新依次设置为1～3，按照这种Horizon ID设置再按步骤建立水文地质结构模型。另外，根据现有资料，在深入研究矿区地质构造、地层厚度及展布的基础上，依据剖面图、地质图等资料，虚拟钻孔10个，从而解决钻孔分布不均的问题。

2.4 建立水文地质结构模型

本文采用前述的第一种方法建模，即在Borehole模块中建立水文地质结构模型。具体方法是：将地表高程设为模型上边界，以馆陶组砂岩底板作为下边界；插值方法选择Inverse distance weigh；执行HorizonSolid命令， 最终生成曙光矿区水文地质结构体（Solid），由于矿区平面范围大，而钻孔深度有限，为了更形象直观的表示出水文地质结构，将纵向放大系数Z magnification设置为4.0，建立水文地质结构模型。

2.5 水文地质结构可视化模型的实现

从建立的曙光矿区水文地质结构模型中（见图1）可以清楚地看出各地层空间展布形态和组合关系。X为正东方向，Y为正北方向，可以看到明化镇组咸水体侵入在明化镇组中砂岩medium stone之上，并且延伸一定长度后尖灭，通过图1可自东向西观察不同含水层的展布。

图1 自东向西视角水文地质结构模型图

图2 矿区水文地质剖面组合图

根据已建立的矿区水文地质结构模型还可以显示多方向多剖面组合关系，如图2切出矿区3个剖面，可清晰地看出地层的展布和岩体的形态。

综上所述，建立的曙光矿区水文地质结构可视化模型具有空间结构可视化、剖面切割随意化以及真实、准确等特点。

3 结论

本文将明化镇组的侵入咸水体salty-water stone的horizon ID设置为第4层，插入明化镇组泥岩底板mudstone与明化镇组中砂岩medium stone之间建模取得了较好的效果，该研究为GMS在岩体出现地区建立水文地质结构模型的应用探索了新的途径。■

参考文献

[1]王淼，陈晨，张丽玲.基于钻孔数据和GMS的地层三维建模与可视化的研究[J].基础工程设计，2007，（11）：72-74.

[2]梁煦枫，王文科，曾永刚.GMS在水文地质结构可视化方面的应用[J].东北水利水电，2006，24（9）：64-67.

[3]谢轶，苏小四，高淑琴.基于GMS支持下的大庆地下水库区水文地质结构可视化模型[J].吉林大学学报（地球科学版），2006，36（增刊）：51-54.

作者简介：赵鹏飞（1986-），男，助理工程师，主要从事水文地质和工程地质方面的研究。