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黑河流域地下水三維地質模型構建方案

(1)黑河流域地下水三維地質模型的構建過程

模型構建需要制定其構建流程,以便模型能夠有序完成。經過軟件開發實踐,我們制定了模型制作流程:

(1)數據收集、整理和檢查;

(2)將數據導入建模系統軟件,建立單個盆地的模型;

(3)根據導入的數據,整理出對應關系,依次建立斷層、地層、透鏡體等地質體;

(4)檢查並驗證已建立的子流域三維可視化模型,如有錯誤,重復上述步驟修改模型;

(5)將子盆地模型組合成壹個完整的三維可視化模型。

(2)黑河流域地下水三維地質模型的比例尺設計

三維地下水模型的建模區域具有橫向面積廣、縱向深度淺的特點,需要設置不同的橫向和縱向尺度,橫向和縱向尺度值的比較要適當,這樣才能建立模型,且外觀美觀。

黑河流域的工區長約七八百公裏,寬400公裏,而地下勘探的深度只有幾百米甚至幾十米。如果模型是按統壹的比例建造的,那麽模型就會縮小為壹個面。地下的地質結構無法表達,無法瀏覽。如果放大垂直尺度,盆地內祁連山海拔5000多米,比地下勘探資料深度低幾十倍。建成的模型高度較高,地下部分會很薄。

在這種情況下,需要確定合適的長寬比,使模型更加美觀,符合實際要求。建模系統的數據輸入統壹以米為單位。經過多次試驗,我們確定黑河流域模擬的縱橫尺度為2000。也就是說,XY方向在輸入時縮小了2000倍,而縱向數據的長度(如截面深度)在輸入時保持不變。經過這樣的修改,模型的長寬比是合適的,可以更好地反映黑河流域的地質結構。

(3)模塊建模的設計基礎和各模塊邊界的確定

黑河地質結構復雜,不同構造背景下發育多個盆地單元,導致了盆地的獨立性,也決定了地下水系統結構的空間變化和地下水運動的復雜性。

構建黑河流域這麽大面積的地質模型,系統讀入的原始數據可達數百兆,地層生成的三角網格數所占用的內存將需要大量的機器資源。而我們的軟件定位是用微機代替工作站建模,必須考慮解決這個矛盾。

根據地質構造,可以將盆地劃分為若幹個盆地單元,每個盆地單元可以獨立建模。這有助於我們解決問題,即在統壹的框架下分塊建立各個流域的子模型,然後將各個子模型的三角網格面進行組裝組合,形成壹個總的流域模型。既克服了機器速度的限制,又保證了整個模型的完整性。可以說是多方面的。

整個模型的構建過程是壹個整合-分離-整合的過程。首先建立整體框架,即建立整個工區的斷層和地表模型,然後根據地質條件嚴格按照坐標構建子模型,最後按照坐標在同壹地表下進行組裝。

盆地內各盆地單元的劃分以地質構造特征為依據。斷層和隆起對地下水的遷移和變化起著很大的作用,是盆地的天然分界線。根據地質資料,可以在流域圖上標出分界線。然後根據分割線將地質數據劃分成區,再根據每個區的地質數據建立模型。七個獨立的模式是:大馬營盆地、山丹盆地和大青陽盆地、張掖盆地、酒泉東盆地、酒泉西盆地、金塔盆地和額濟納旗盆地。具體來說,每個盆地的分界線位置描述如下:

(1)總寨-顧雍斷裂是張掖盆地和大馬營盆地的分界線;

(2)顧雍隆起是張掖盆地和山丹盆地的分界線;

(3)玉木山西端苦水山隆起與高泰隱伏隆起之間的弧帶構成了酒泉東盆地與張掖盆地的分界線;

(4)嘉峪關以北中央山南北兩側的斷裂是酒泉盆地和金塔盆地的分界線;

(5)嘉峪關斷裂是酒泉東盆地和酒泉西盆地的分界線;

(6)地灣梁冬隆起是金塔盆地和額濟納旗盆地的分界線。

(4)子模型的構建和設計。

對於子模型,也就是壹個具體的盆地,地質結構相對復雜,要表現的地質體比較多,而且這些地質體之間存在切割和相交的關系,這就要求按照壹定的順序,壹個壹個的構建這些地質體。這裏簡單說明壹下模型構建的順序,就是讀入原始數據,生成地表,根據地表的斷層線和所選剖面上的斷層線建立斷層模型,然後構建各個地層,指定地層的有效面積,構建透鏡體,調整地層和透鏡體之間的空間位置,最後生成地質體。地質體生成後,可以進行可視化操作和圖形輸出。

為了按此順序說明建模,它涉及建模的地質體之間的關系。壹般來說,所有的數據都需要壹定的地質體在建模過程中起到參考作用,而地表可以很好的起到這個作用。輸入局部地表後,可以在地表上畫出斷層線和剖面線,並根據地表的起伏而起伏。因此,首先需要建立曲面的模型。本地表建立後,可以在地表輸入流域邊界圖和地表地理信息圖的元數據。在構造地層和斷層地質體時,由於地平面被斷層面切割,形成斷層的下盤和下盤,在這個過程中不需要改變斷層面。所以需要先建立斷層面,斷層面建立後再建立地平面,才能自動切割地平面。地平建好之後,鏡頭也就跟著來了。因為鏡頭屬於不同的地層,所以需要建立在地平面上。透鏡體生成後,到目前為止,所有的準備工作已經完成,可以生成地質塊了。這個過程是建立模型的壹個優化過程,實踐證明是正確的。

(5)表面數據點的細化和消除

表面數據由ARCINFO格式數據轉換而來,組成等高線的平面線段與其高程值壹壹對應,這樣就有了表面的三維坐標集。系統輸入時,讀入組成等值線的點,即讀入每條線段的點,通過組合線段對應的高程值,形成生成模型所需的離散點。系統使用這些離散點進行插值來生成地面。由於黑河流域1∶250000的數據量相當大,離散點密度也很大,MAPGIS平原文件存儲的數據達到150兆以上。如果將這些數據全部輸入到系統中進行插值生成地表,那麽地表上生成的小三角形數量會相當大,占用過多的計算機資源,對後續的模型構建影響很大。同時生成地表的速度較慢,效果不理想。所以要淡化這些離散點。細化的效果是減少等值線上的點數。因為等值線上有大量的點,所以按比例細化不會影響其精度。細化後,生成模型所需的離散點密度降低,離散點數量減少,生成地表的速度加快,地表的光滑度提高。

對於地表上的壹些壞點,如高程過高或過低的點,即高程高於地表最高點或低於地表最低點,這些點是由於誤差或數據轉換造成的。使用這樣的點插值,地表的起伏會比較劇烈,地表會比較粗糙不平,影響地表的平滑度。對於這樣的點,在輸入系統的時候需要去掉。也就是說,在系統輸入模塊中,用閾值來限制,過高或過低的點都被淘汰,不允許參與建模。

(6)黑河流域地下水三維地質模型網格尺寸設計。

從建模原理可以知道,模型構建的地質體,如地層、斷層等,都是由網格連接起來形成面,並被面包圍。模型的最小單元是壹個小三角形,三角形的數量直接影響模型的精度和系統運行的速度。

壹般來說,如果生成的模型三角網格過大,模型表面粗糙,模型不精細,甚至無法表達表面的形態特征。如果網格過小,網格密度高,在這些三角形上的運算占用了大量的系統資源,使得計算機處理的數據量急劇增加,從而使機器運行緩慢。如果離散點數據量過多或過少,都會使模型表面更加復雜,無法表達模型表面的整體特征。因此,在建立模型時,有必要選擇合適的網格尺寸。

在黑河流域的流域模型構建過程中,通過實踐,地表的網格尺寸為50 ~ 200 m,網格間距較好,機器速度和地表光滑度能夠協調統壹。壹般在模型初始構建時,選擇200m的網格間距,機器速度高。當每個小流域的模型完成後,選擇50m的網格間距生成地表,這樣地表就精細了。

由於地層和斷層在剖面上用線段建模,系統會自動加密這些線段上的離散點,選擇200m的網格間距,對地層和斷層的形成影響很小,在精細度上滿足要求。由於面積較小,鏡頭要求精度適中,因此100m的網格尺寸可以滿足需要。

對於柵格數據,如遙感圖像,可以根據模型顯示的精度調整空間分辨率。壹般100 ~ 300 dpi就夠了。800兆以上的精細遙感影像可根據需要生成BMP、JPG等圖形格式,保證像素精度,減少內存占用。

(7)模型的自動生成和局部調整

系統根據技術人員在剖面上選取的線段對模型的斷層面、地平面和透鏡體的頂部和底部進行離散化,然後對這些離散點進行插值,形成壹系列小三角形,形成不同地質體的面。這樣,生成面的過程會造成面按照離散點的走向延伸,導致地質面變形扭曲的發生,與實際地質情況不符。比如斷層之間相互切割、斷層切割地層、地層交叉切割等壹系列地層關系無法成立。

在這種情況下,需要使用控制點對人臉進行局部微調,改變人臉的形狀。使生成的表面盡可能接近地質資料的解釋結果,表達真實的地質情況。同時還可以建立斷層間相互切割、斷層切割地層、地層交叉切割等地質體之間的關系。然後系統根據技術人員定義這些表面之間的關系,並自動生成符合條件的地質體。

因此,在模型構建過程中,需要利用系統自動生成和控制點局部調整的功能來完成模型的構建。

(8)黑河流域地下水三維地質模型誤差分析與處理

在模型構建過程中,必然會導致誤差的產生、傳遞和積累。要分析誤差產生的原因,建立誤差控制機制,提高模型的質量和精度。從誤差來源分析,有基礎數據的原因,也有系統在建模過程中產生的誤差,下面單獨討論。

1.基礎數據中的錯誤

模型構建主要使用剖面數據和鉆孔數據,鉆孔數據會因為鉆孔地層變化太雜亂而使生成的地層波動太大。在剖面圖方面,在繪制過程中,由於人為因素的影響,也會出現誤差。

壹般來說,不同的技術人員對地質構造的理解和處理是不同的,這必然會反映在剖面的地層變化和數值上。另外,利用不同的地質資料,有些地質資料存在不同的論點,甚至相互矛盾的觀點,從而產生錯誤。在繪圖過程中,技術人員使用不同的數據進行合成和處理,如通過繪圖,這使得錯誤發生。在網格計算紙上手工繪制時,尤其是繪制長截面時,由於紙張的褶皺,在繪制過程中不可避免地會產生誤差。甚至有些計算紙本身就不標準,網格線是斜的。同時,在圖紙掃描和矢量化的過程中也會傳遞誤差。突出表現為地層線的位置在剖面的相交位置不能相交,或者地層走向與其他剖面的走向不壹致。

2.系統操作中的錯誤

由於模型的基礎數據在數據生產過程中會產生壹定的誤差,當有誤差的數據輸入建模系統時,誤差會被傳遞和放大,降低模型的精度。在盡可能避免基礎數據出錯的情況下,還要分析系統運行中的錯誤。

通過分析建模過程中的誤差,可以得出結論:在建模的所有步驟中,由於操作失誤或系統精度的設置,都可能出現誤差。具體可以進行以下分析。在數據處理階段,各種數據和圖形資料的數據融合會出現誤差,如投影變換、誤差修正等。另外,在進行系統建模的插值運算過程中,局部點比較密集,比如所選的剖面線,其他區域離散點很少。按照數學方法進行插值,會導致插值曲面與實際曲面不符的現象。為了使曲面更加逼真,采用了用控制點拉或壓的方法,這必然會造成壹定的誤差。

此外,當模型層之間的距離較小時,容易與地平面交叉和重疊。使用控制點進行校正時,鏡頭體或地平面發生變化,容易產生誤差。此外,當調整接地面和透鏡體之間的位置時,容易發生連鎖反應,導致誤差。

3.錯誤控制

有些錯誤是不可避免的,有些是偶然的。針對這些誤差,我們的主要策略是檢查和校正基礎數據中的誤差,如加強質量控制,增強技術人員的責任心,允許地質技術人員在同壹區域協調和校正地圖,聘請地質專家檢查和驗證。這些措施對質量監控起到了很好的作用。對於系統運行中出現的誤差,項目組成員分析原因,加強調試,采取多種措施將誤差降到最低。如果剖面位置調整準確,地層位置盡量壹致,對於明顯的誤差,如地層線不匹配,根據其他剖面分析地層的變化,利用系統的編輯功能對有誤差的地層線進行編輯,使誤差最小化。在生成地層的過程中,盡量在剖面線上多加點,使形成的地層網格穿過剖面線,以此類推。這些措施對減少誤差起到了很好的作用。

建模中的模型檢查也是減少錯誤的壹種方法。模型檢查,包括原始數據的精度檢查,即形成的曲面是否與原始數據點壹致,原始點的數據是否保留;同時利用鉆孔、剖面等地質資料可以檢驗地質合理性。另外,我們還可以通過切割模型,在原剖面附近做壹個剖面,對比兩個剖面,查看各層的地質邊界(包括斷層面)。壹些重要的剖面可以用來檢查斷層的交匯處、斷層與地層的交匯處、不同層間和斷層兩側地層形態的壹致性。模型的驗證過程在模型的誤差控制中具有實時驗證的作用。