一种适用于水文地质建模需求的钻孔布点方法与流程

1.本发明属于水文地质领域，尤其涉及需要对建模场地进行水文地质建模且对模型中地层展布、厚度变化精确度有较高要求时的一种适用于水文地质建模需求的钻孔布点方法。


背景技术：

2.水文地质建模是目前研究地下水及土壤环境污染的有效方法，能够通过对地下情况的初步描绘以及降雨等补径排条件的概化形成模型，通过改变污染物参数，可预知污染物不同空间不同时间上的变化，为土壤地下水污染修复提供基础数据。因此准确度较高的水文地质模型是土壤地下水污染修复的前提，而有一定精确度的地层情况描述则是水文地质模型建立的基础。
3.水文地质建模研究地下水及土壤环境污染需要钻孔作业，而钻孔的费用往往较高，且会造成一定的人工扰动，钻孔后若处置不当也会引起新的污染注入，因此如何用尽可能少的钻孔数据获得尽可能准确的地下地层展布变得格外重要。建模的面积往往不仅仅包括所要研究的目标场地面积，还包括和目标产地在同一基本水文单元的区域来保证该区域的水文循环的独立性，因此，面积往往较大，若钻孔量很少难以满足地层插值后的准确性，若钻孔量过多则容易导致费用过大有引入二次污染的风险，所以钻孔的安排方式十分关键。目前我国有公开的“全国重要钻孔数据平台”有较多的钻孔数据，也可作为钻孔数据的有效来源，与自行钻孔进行有效的互相补充，进一步节省费用。但在实践中发现，钻孔数据平台无法满足建模要求，实际自行钻孔往往必不可少。
4.考虑到钻孔的经济性与实用性，影响钻孔数量的第一直接因素为建模区域的面积。其次整个建模区域的坡度即高差也是影响钻孔数量的关键。一般认为地层的展布即顶底板高程与地形的变化趋势大致一致，高程变化大的地区地层顶底板高程往往变化大且易发生地层厚度变化剧烈甚至发生尖灭的情况，因此对坡度变化较大的关键点应给予足够重视，因为地层很可能会发生较大变化。若单纯的区域面积越大钻孔数量越多，则很容易导致钻孔的数量过多经济压力大。不同建模区域的坡度更是区别较大，等比例增加也会导致钻孔数量冗余，因此需要有效的钻孔布点方法，为水文地质建模的钻孔布点给予一定指导。
5.目前对于土壤布点的方法主要集中于污染场地调查布点方法研究，在该方面也有较多比较成熟的文件，但针对水文地质建模所需的钻孔布点方法鲜有涉及。《污染场地土壤和地下水调查与风险评价规范》(dd2014-06)中对污染土壤表层调查的调查点布设提供了方法，将场地的污染情况首先进行了分类并提供了相应的方法，间距则根据污染源调查情况确定，提供了对应采样间距表格和计算公式，不符合前提条件则使用场地边长的1/10-1/20确定间距，明确采样间距计算方法。但该方法仅适用于操作较为简单经济花费较少的表层采样，采样较为密集，基于污染源调查，所以相对而言不适用于花费较高无太多前期调研结果的钻孔布点。《重点行业企业用地调查疑似污染地块不点技术规定》(试行)则针对疑似污染区域的布点位置进行了明确的标注，例如地下槽罐、管线等位置，并对采样深度采样数
量提出了要求，采样深度等往往小于3m，因此无法给予钻孔布点借鉴，且整个过程集中于疑似污染区域，不涉及其周围区域，区域较小。《建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则》(hj25.2-2019)则规定了一些原则性采样要求，要求修复后监测的点位的代表面积不得超过某一面积值，例如危险废物土壤的监测点代表面积不得超过100m2等，要求角度同上两个有所不同，规定不影响布点方法，仅对上限进行了规定，具有一定参考性，但无法直接指导钻孔布点。与水文地质模型直接相关的《水文地质模型概化导则》则只规定了建模过程，以及常用的概化方法，例如水头边界如何概化，所需地质资料有哪些，但未明确钻孔数据如何采集能够既经济又能够保证一定准确度，此方面在标准文件中仍为空白。
6.专利文章方面，大多也都集中于特殊场地的污染采样布点方法。cn108507813a公开了一种典型石油烃污染场地土壤和地下水采样方法，针对污染区域进行了多重土壤采样，首先针对厂区采样，然后采集土壤地下水样品，最后加密采样，但是该方法仍不涉及到高深度采样，也没有对布点方法进行详述。cn110457422a公开了一种土壤样品采集自动布点系统及方法采用对土壤三维矢量模型进行划分，布点数量设定子系统，直接生成布点规则和布点数量，得到更为准确的土壤布点，但未说明布点的准确性且未提及布点的具体数量等案例，参考性较差。cn11707490a公开了一种农用地土壤污染调查分阶段分区采样的方法，主要针对农用土壤的采样，多次分区采样，但是皆为深度小于3m的土壤表层采样，采样布点仍然较为密集，适合于场地较小区域，没有结合地形的变化，无法指导花费较高的钻孔布点，且多次分区对钻孔布点不适宜。cn111521754a公开了一种产焦化企业场地土壤污染初步调查布点根据焦化企业的工艺流程、污染物扩散模型和采样布点尺度规定，建立了采样点数量和精确度模型，结合局部空间变异性确定了采样点数量，控制了采样成本，方法采用数学模型方法使得结论较为精确，值得参考借鉴，但是由于采样深度不够，无法与钻孔进行比对，数量借鉴性差。文章《gis支持下豫东地区土壤野外采样布点方法探索》则根据gis数据采用2km*2km的网格布点方法涵盖了建模区域所有的土地类型，完善了当地的土壤图，但是该方法对建模区域本身的匹配性要求很高，不适用于其他场地，不可推广。文章《土壤污染调查加密布点优化方法构建及验证》解决了对污染物范围的估计精度不能满足修复治理的问题，在初步调查基础上首先预测土壤污染概率，然后进行加密布点，该方法准确度较高，是一种很好的对土壤进行采样的布点方法，但是无法对钻孔这种高花费的工程提供参考。
7.因此，目前并没有适用于水文地质建模需求的钻孔布点方法，尤其缺失针对建模的经济且有效钻孔布点方法。钻孔具有与一般土壤采样区别很大的花费高、维护难、易引入新污染的特点，钻孔的数量必须少而精，且结合地形这些简要背景条件，不能单一增加或减少，以免影响建模效果。因此，为了填补此区域的空白，本发明提供一种适用于水文地质建模需求的有效钻孔布点方法，解决建模时所需地层钻孔目前没有统一布点方法的问题，同时结合建模区域的面积、高差，使布点方法更具有特殊性，经过计算整体布点数量不大，能够满足建模所需的准确且经济要求，且不需要过多的前期调研，节约了人力物力。


技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于水文地质建模需求的钻孔布点方法，解决目前没有对花费较贵且易有二次污染的的钻孔布点进行指导的问题。尤其对需要
对建模场地进行水文地质建模且对模型中地层展布、厚度变化精确度有较高要求时提供了一种有效的钻孔布点方法。
9.一种适用于水文地质建模需求的钻孔布点方法，所述布点方法包括以下步骤：
10.s1、调查建模场地的基本信息；
11.s2、根据建模场地面积选择布点方案；
12.s3、将建模场地进行矩形概化，确定概化矩形的长边长度和短边长度；
13.s4、根据概化矩形长宽比计算布点相邻点距离d；
14.s5、根据建模场地面积与布点相邻点距离d确定初步布点方法；
15.s6、结合目前已有的钻孔数据与位置以及建模区域坡度的变化情况，根据最大限度利用已知钻孔点原则和坡度大加密布点原则，对确定的初步布点方法进行补充形成最终的钻孔布点方法。
16.进一步地，所述布点方案包括棋盘布点法和蛇形布点法。
17.进一步地，所述步骤s1中的建模场地的基本信息包括场地的范围、高程差、场地范围内公开钻孔数据及位置和场地坡度变化。
18.进一步地，步骤s2中的所述布点方案中棋盘布点法和蛇形布点法划分界限为1.5km2的建模面积。
19.进一步地，步骤s2中的布点方案为，建模面积大于1.5km2采用蛇形布点法、小于等于1.5km2采用棋盘布点法。
20.进一步地，步骤s3中建模场地进行矩形概化的方法为，将建模场地内距离最远的两个点进行连线，最远的两个点的连线长度定义为概化矩形的长边长、长度为a，作最远的两点的连线的中垂线，中垂线与建模场地的两个交点之间的长度定义为短边长、长度为b，以建模场地内距离最远的两个点和最远两点连线的中垂线与建模场地的交点共四个点构建矩形。
21.进一步地，步骤s4中布点相邻点距离d的获取根据概化矩形的长边长与短边长之比以4为临界进行分情况计算。
22.进一步地，根据概化矩形的长边长和短边长之比进行分情况计算的具体计算方法为：
23.当a/b≤4时
[0024][0025]
当a/b＞4时
[0026][0027]
式中：h为建模区域内的高程差；c为置信区间。
[0028]
进一步地，所述置信区间c的取值为0.8-1。
[0029]
进一步地，步骤s6中最终的钻孔布点方法中，当场地坡度变化均匀时，不需要对确定的初步布点方法进行额外加密布点。
[0030]
进一步地，所述钻孔布点方法中，钻孔的钻孔深度为穿透隔水层的最小深度。
[0031]
进一步地，步骤s6中的对确定的初步布点方法进行补充，所述进行补充并非进行
调整原有的布点，而是进行加密布点与补充布点。
[0032]
有益效果，提供了一种有效的钻孔布点方法，首先根据建模区域的面积大小选择棋盘布点法或者蛇形布点法，然后将建模场地概化为简单的矩形场地，根据矩形的长宽比进行分情况计算，然后根据建模场地的高差、矩形小边长度、并增加置信区间，利用数学公式计算出布点区间，再与现有钻孔点和坡度情况结合，得到最终的布点方案。解决了建模时原始地层钻孔数据目前没有统一布点方法的问题，同时结合建模区域的面积、高差，使布点方法更具有针对性，经过计算整体布点数量较小，能够满足建模所需的准确且经济的要求。
附图说明
[0033]
图1、本法的流程示意图；
[0034]
图2、为棋盘布点法示意图；
[0035]
图3、为蛇形布点法示意图；
[0036]
图4、建模场地矩形概化示意图。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0038]
实施案例1：
[0039]
某小面积坡度均匀地块的水文地质模型建模的钻孔分布。
[0040]
首先调查建模场地的基础信息，得知：场地的范围横纵坐标、该地块面积约为1.5km2、场地最高点和最低点高差在50m、场地范围内无公开数据的钻孔、场地坡度变化较为均匀，无明显的突然凸起或凹陷。
[0041]
由于场地面积小于等于1.5km2则采用棋盘布点法；将建模场地进行矩形概化，选择建模场地内距离最远的两个点进行连线，定义为长边，长度a＝50m，取长边的中垂线与建模场地的交点进行连线，定义为短边，长度b＝27m。由于a/b＜4，根据公式
[0042]
代入置信度c为1，计算得布点间距为：d＝22.91m，
[0043]
根据最大限度利用已知钻孔数据原则以及坡度大加密布点原则，最终布点方案为棋盘法，间距22.91m，由于坡度变化均匀不进行额外加密布点。
[0044]
实施案例2：
[0045]
某大面积坡度均匀地块的水文地质模型建模的钻孔分布。
[0046]
首先调查建模场地的基础信息，得知：场地的范围横纵坐标、该地块面积约为2.5km2、场地最高点和最低点高差在50m、场地范围内有两个公开数据的钻孔x1、x2、场地坡度变化较为均匀，无明显的突然凸起或凹陷。
[0047]
由于场地面积大于1.5km2则采用蛇形布点法；将建模场地进行矩形概化，选择建模场地内距离最远的两个点进行连线，定义为长边，长度a＝75m，取长边的中垂线与建模场地的交点进行连线，定义为短边，长度b＝27m。由于a/b＜4，根据公式
[0048]
代入置信度c为1，计算得布点间距为：d＝22.91m，
[0049]
根据最大限度利用已知钻孔数据原则以及坡度大加密布点原则，最终布点方案为蛇形法，间距22.91m，现有钻孔进行补充，由于坡度变化均匀不进行额外加密布点。
[0050]
实施案例3：
[0051]
某细长形坡度变化大地块的水文地质模型建模的钻孔分布。
[0052]
首先调查建模场地的基础信息，得知：场地的范围横纵坐标、该地块面积约为1.5km2、场地最高点和最低点高差在50m、场地范围内有两个公开数据的钻孔x1x2、场地坡度变化较大，场地南侧有明显的突然凸起。
[0053]
由于小于等于1.5km2则采用棋盘布点法；将建模场地进行矩形概化，选择建模场地内距离最远的两个点进行连线，定义为长边，长度a＝60m，取长边的中垂线与建模场地的交点进行连线，定义为短边，长度b＝14m。由于a/b＞4，根据公式
[0054]
代入置信度c为0.8，计算得布点间距为：d＝14.25m，
[0055]
根据最大限度利用已知钻孔数据原则以及坡度大加密布点原则，最终布点方案为棋盘法，间距17.82m，现有钻孔进行补充，由于坡度变化较大，在场地南侧进行额外加密布点。
[0056]
实施案例4：
[0057]
某大面积细长形坡度变化大地块的水文地质模型建模的钻孔分布。
[0058]
首先调查建模场地的基础信息，得知：场地的范围横纵坐标、该地块面积约为2.5km2、场地最高点和最低点高差在50m、场地范围内有两个公开数据的钻孔x1x2、场地坡度变化较大，场地南侧有明显的突然凸起。
[0059]
由于大于1.5km2则采用蛇形布点法；将建模场地进行矩形概化，选择建模场地内距离最远的两个点进行连线，定义为长边，长度a＝60m，取长边的中垂线与建模场地的交点进行连线，定义为短边，长度b＝14m。由于a/b＞4，根据公式
[0060]
代入置信度c为0.8，计算得布点间距为：d＝14.25m，
[0061]
根据最大限度利用已知钻孔数据原则以及坡度大加密布点原则，最终布点方案为蛇形布点法，间距14.25m，现有钻孔进行补充，由于坡度变化较大，在场地南侧进行额外加密布点。
[0062]
实施案例5：
[0063]
某大面积细长形高差大地块的水文地质模型建模的钻孔分布。
[0064]
首先调查建模场地的基础信息，得知：场地的范围横纵坐标、该地块面积约为2.5km2、场地最高点和最低点高差在150m、场地范围内有两个公开数据的钻孔x1、x2、场地坡度变化较大，场地南侧有明显的突然凸起。
[0065]
由于大于1.5km2则采用蛇形布点法；将建模场地进行矩形概化，选择建模场地内距离最远的两个点进行连线，定义为长边，长度a＝60m，取长边的中垂线与建模场地的交点进行连线，定义为短边，长度b＝14m。由于a/b＞4，根据公式
[0066]
代入置信度c为1，计算得布点间距为：d＝10.5m，
[0067]
根据最大限度利用已知钻孔数据原则以及坡度大加密布点原则，最终布点方案为蛇形布点法，间距10.5m，现有钻孔进行补充，由于坡度变化较大，在场地南侧进行额外加密布点。
[0068]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。