一种耦合地质与地下水模型的四维地质建模方法与系统与流程

本发明涉及城市地质技术领域，特别是涉及一种耦合地质与地下水模型的四维地质建模方法与系统。

背景技术：

中国水资源人均占有量处于低水平，地区分布不均，水土资源不相匹配，年内年际分配不匀，旱涝灾害频繁。同时地下水资源过度开发利用，导致地下水位下降，水源枯竭，有些地区已经形成了严重的地下水漏斗。

由于过量开采地下水引发的地面沉降导致了地面裂缝，同时，我国地下水环境污染严重，地下水水质呈恶化趋势，由于污染造成的缺水城市和地区日益增多，严重影响人们的生存环境，给人们的生产和生活造成了巨大的损失。因此为了保护和合理开发利用地下水资源，动态分析地下水运动的时空变化规律及趋势，遏制地下水环境进一步恶化，防止新的地下水环境问题出现，具有重要意义。

现有的地下水动态监测主要集中于地下水水位、水质、水温的实时观测与数据采集，并没有实现水位等信息的三维可视化，因此根据地下水资源保护的需要，急需一种可以实现耦合地质模型与地下水模拟的城市地质建模方法，以对城市地下水资源进行监测。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种耦合地质与地下水模型的四维地质建模方法与系统，旨在解决现有技术中缺少地下水可视化建模的问题，实现包含地下水模型的四维模型可视化，为地下空间分析提供有效的可视化工具。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种耦合地质与地下水模型的四维地质建模方法，所述方法包括以下操作：

根据钻孔数据投影至预定的基准线上形成二维剖面线，并按照地层划分规则进行地层对比连线，将二维剖面线投影至三维空间中，对三维空间中的地层连线插值形成tin面，对各个地层面进行拓扑重建，将上下相邻地层面围合成地质体，建立三维地质模型；

根据动力学方程构建地下水非稳态运动，确定计算渗流区的边界范围和性质，圈定越流补给范围，以水位高程数据作为背景格网，获得格网单元尺寸随水力梯度变化的离散格网，将地下水非稳态运动计算参数赋值于格网节点，得到动态三维地下水模型；

以适当的时间步长，将动态三维地下水模型逐帧嵌入三维地质模型中，构成随时间变化的四维地质动态模型。

优选地，所述动力学方程具体如下：

t表示模拟时段，kz表示越流补给系数，dz表示越流经过的垂直距离，th表示含水层水平方向的导水系数，hz表示含水层补给层的水头，h(x,y)为水头函数，h(x,y,0)表示初始模拟时段时的水头分布函数，h|γ1表示第一类边界上水头的分布函数，w表示单位时间、单位面积上含水层补给水量，d表示渗流区，q表示边界上单位宽度内流入的流量，n表示外法线方向，s为含水层的贮水系数，h0为初始水位。

优选地，所述单元尺寸与水力梯度的关系如下：

其中，hmax为最大单元尺寸，hmin为最小单元尺寸，vmax为区域内部最大水力梯度，vmin为最小水力梯度。

本发明还提供了一种耦合地质与地下水模型的四维地质建模系统，所述系统包括：

地质模型构建模块，用于根据钻孔数据投影至预定的基准线上形成二维剖面线，并按照地层划分规则进行地层对比连线，将二维剖面线投影至三维空间中，对三维空间中的地层连线插值形成tin面，对各个地层面进行拓扑重建，将上下相邻地层面围合成地质体，建立三维地质模型；

地下水模型构建模块，用于根据动力学方程构建地下水非稳态运动，确定计算渗流区的边界范围和性质，圈定越流补给范围，以水位高程数据作为背景格网，获得格网单元尺寸随水力梯度变化的离散格网，将地下水非稳态运动计算参数赋值于格网节点，得到动态三维地下水模型；

模型耦合模块，用于以适当的时间步长，将动态三维地下水模型逐帧嵌入三维地质模型中，构成随时间变化的四维地质动态模型。

优选地，所述动力学方程具体如下：

t表示模拟时段，kz表示越流补给系数，dz表示越流经过的垂直距离，th表示含水层水平方向的导水系数，hz表示含水层补给层的水头，h(x,y)为水头函数，h(x,y,0)表示初始模拟时段时的水头分布函数，h|γ1表示第一类边界上水头的分布函数，w表示单位时间、单位面积上含水层补给水量，d表示渗流区，q表示边界上单位宽度内流入的流量，n表示外法线方向，s为含水层的贮水系数，h0为初始水位。

优选地，所述单元尺寸与水力梯度的关系如下：

其中，hmax为最大单元尺寸，hmin为最小单元尺寸，vmax为区域内部最大水力梯度，vmin为最小水力梯度。

本发明还提供了一种耦合地质与地下水模型的四维地质建模设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现所述的耦合地质与地下水模型的四维地质建模方法。

本发明还提供了一种可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的耦合地质与地下水模型的四维地质建模方法。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明通过对钻孔数据进行三维地质体建模，对构建的tin面，将上下相邻地层面围合成地质体以建立三维地质模型，并通过动力学方程构建地下水非稳态运动，以水位高程数据作为背景格网，获得格网单元尺寸随水力梯度变化的离散格网，将地下水非稳态运动计算参数赋值于格网节点，以建立动态三维地下水模型，通过将两种模型进行耦合，从而实现包含地下水模型的四维模型可视化，通过可视化为地下空间分析提供了有效的可视化工具，提高了建模效率。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的一种耦合地质与地下水模型的四维地质建模方法流程图；

图2为本发明实施例中所提供的一种耦合地质与地下水模型的四维地质建模系统框图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面结合附图对本发明实施例所提供的一种耦合地质与地下水模型的四维地质建模方法与系统进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例公开了一种耦合地质与地下水模型的四维地质建模方法，所述方法包括以下操作：

根据钻孔数据投影至预定的基准线上形成二维剖面线，并按照地层划分规则进行地层对比连线，将二维剖面线投影至三维空间中，对三维空间中的地层连线插值形成tin面，对各个地层面进行拓扑重建，将上下相邻地层面围合成地质体，建立三维地质模型；

根据动力学方程构建地下水非稳态运动，确定计算渗流区的边界范围和性质，圈定越流补给范围，以水位高程数据作为背景格网，获得格网单元尺寸随水力梯度变化的离散格网，将地下水非稳态运动计算参数赋值于格网节点，得到动态三维地下水模型；

以适当的时间步长，将动态三维地下水模型逐帧嵌入三维地质模型中，构成随时间变化的四维地质动态模型。

利用钻孔数据构建地质体三维模型。钻孔数据包括钻孔索引编号、孔口高程、横坐标、纵坐标以及钻孔深度，从原始勘探数据中选取具有代表性、所含信息较丰富的钻孔数据，经钻孔数据投影到二维平面中，以预定的基准线为准进行缓冲区计算，将缓冲区范围内的钻孔投影到基准线上。

对于钻孔数据，记录各钻孔中地层界限点的平面坐标及其在点阵列表中的位置，按照地层划分规则，采用直线依次进行地层对比连线，将二维剖面线投影到三维空间中。

对三维空间中的地层连线进行插值，形成tin面，并对各个地层面进行拓扑重建，并将相邻的上下地层面进行围合成地质体，从而构建地质实体模型，建立该区域得到三维地质模型。

利用地下水动态监测数据进行地下水模型构建。利用动力学方程描述地下水的非稳态运动：

t表示模拟时段，kz表示越流补给系数，dz表示越流经过的垂直距离，th表示含水层水平方向的导水系数，hz表示含水层补给层的水头，h(x,y)为水头函数，h(x,y,0)表示初始模拟时段时的水头分布函数，h|γ1表示第一类边界上水头的分布函数，w表示单位时间、单位面积上含水层补给水量，d表示渗流区，q表示边界上单位宽度内流入的流量，n表示外法线方向，s为含水层的贮水系数，h0为初始水位。

确定计算渗流区的边界范围和性质，圈定越流补给范围。利用离散格网将渗流区剖分为三角形单元，以水位高程数据作为背景格网，建立水力梯度和单元控制尺寸之间的映射关系，预估剖分三角形单元的最大单元尺寸hmax以及最小单元尺寸hmin，计算区域内部最大水力梯度vmax和最小水力梯度vmin，单元尺寸与水力梯度的关系如下：

得到格网单元尺寸随水力梯度变化的离散格网。

依据地下水动态模拟的空间分布特征，将模型计算参数赋值到格网节点上，从而利用水位高程数据和地下水流场模型进行可视化表达，得到动态三维地下水模型。

以适当的时间步长，将动态三维地下水模型逐帧嵌入地质体三维模型中，从而耦合地质模型与地下水模型，构成随时间变化的四维地质动态模型。

本发明实施例通过对钻孔数据进行三维地质体建模，对构建的tin面，将上下相邻地层面围合成地质体以建立三维地质模型，并通过动力学方程构建地下水非稳态运动，以水位高程数据作为背景格网，获得格网单元尺寸随水力梯度变化的离散格网，将地下水非稳态运动计算参数赋值于格网节点，以建立动态三维地下水模型，通过将两种模型进行耦合，从而实现包含地下水模型的四维模型可视化，通过可视化为地下空间分析提供了有效的可视化工具，提高了建模效率。

如图2所示，本发明实施例还公开了一种耦合地质与地下水模型的四维地质建模系统，所述系统包括：

地质模型构建模块，用于根据钻孔数据投影至预定的基准线上形成二维剖面线，并按照地层划分规则进行地层对比连线，将二维剖面线投影至三维空间中，对三维空间中的地层连线插值形成tin面，对各个地层面进行拓扑重建，将上下相邻地层面围合成地质体，建立三维地质模型；

地下水模型构建模块，用于根据动力学方程构建地下水非稳态运动，确定计算渗流区的边界范围和性质，圈定越流补给范围，以水位高程数据作为背景格网，获得格网单元尺寸随水力梯度变化的离散格网，将地下水非稳态运动计算参数赋值于格网节点，得到动态三维地下水模型；

模型耦合模块，用于以适当的时间步长，将动态三维地下水模型逐帧嵌入三维地质模型中，构成随时间变化的四维地质动态模型。

利用钻孔数据构建地质体三维模型。钻孔数据包括钻孔索引编号、孔口高程、横坐标、纵坐标以及钻孔深度，从原始勘探数据中选取具有代表性、所含信息较丰富的钻孔数据，经钻孔数据投影到二维平面中，以预定的基准线为准进行缓冲区计算，将缓冲区范围内的钻孔投影到基准线上。

对于钻孔数据，记录各钻孔中地层界限点的平面坐标及其在点阵列表中的位置，按照地层划分规则，采用直线依次进行地层对比连线，将二维剖面线投影到三维空间中。

对三维空间中的地层连线进行插值，形成tin面，并对各个地层面进行拓扑重建，并将相邻的上下地层面进行围合成地质体，从而构建地质实体模型，建立该区域得到三维地质模型。

利用地下水动态监测数据进行地下水模型构建。利用动力学方程描述地下水的非稳态运动：

t表示模拟时段，kz表示越流补给系数，dz表示越流经过的垂直距离，th表示含水层水平方向的导水系数，hz表示含水层补给层的水头，h(x,y)为水头函数，h(x,y,0)表示初始模拟时段时的水头分布函数，h|γ1表示第一类边界上水头的分布函数，w表示单位时间、单位面积上含水层补给水量，d表示渗流区，q表示边界上单位宽度内流入的流量，n表示外法线方向，s为含水层的贮水系数，h0为初始水位。

确定计算渗流区的边界范围和性质，圈定越流补给范围。利用离散格网将渗流区剖分为三角形单元，以水位高程数据作为背景格网，建立水力梯度和单元控制尺寸之间的映射关系，预估剖分三角形单元的最大单元尺寸hmax以及最小单元尺寸hmin，计算区域内部最大水力梯度vmax和最小水力梯度vmin，单元尺寸与水力梯度的关系如下：

得到格网单元尺寸随水力梯度变化的离散格网。

依据地下水动态模拟的空间分布特征，将模型计算参数赋值到格网节点上，从而利用水位高程数据和地下水流场模型进行可视化表达，得到动态三维地下水模型。

以适当的时间步长，将动态三维地下水模型逐帧嵌入地质体三维模型中，从而耦合地质模型与地下水模型，构成随时间变化的四维地质动态模型。

本发明实施例还公开了一种耦合地质与地下水模型的四维地质建模设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现所述的耦合地质与地下水模型的四维地质建模方法。

本发明实施例还公开了一种可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的耦合地质与地下水模型的四维地质建模方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。