基于Visual MODFLOW的汉中盆地三维可视化模型构建方法.pdf

2023年第5期水科学与工程技术45基于VisualMODFLOW的汉中盆地三维可视化模型构建方法赵浩,李新斌,田辉，丁廉超，赵立磊，侯孝东（中国地质调查局西安矿产资源调查中心，西安7 1 0 1 0 0）摘要：根据区域水文地质特征将地下水类型划分为潜水和承压水，概化含水层结构为包气带层、潜水含水层、弱透水层和承压含水层。综合利用钻孔、遥感影像、地质地貌、数字高程数据等资料，利用VisualMODFLOW软件中空间三维、非均质、各向异性的非稳定地下水流系统模型实现三维可视化。结果表明，该模型构建方法能够较为准确地刻画地层结构和水文地质特征，实现三维地质体的精准模拟，为进一步开展地下水数值模拟和溶质运移工作提供支撑。关键词：汉中盆地；三维可视化；含水层结构VisualMODFLOW中图分类号：TP31D0I:10.19733/ki.1672-9900.2023.05.14Construction method of three-dimensional visualization modelof Hanzhong basin based on Visual MODFLOWZHAO Hao,LI Xinbin,TIAN Hui,DING Lianchao,ZHAO Lilei,HOU Xiaodong(Xi an Center of Mineral Resources Survey,China Geological Survey,Xi an 710100,China)Abstract:According to the regional hydrogeological characteristics,the groundwater types are divided into phreatic waterand confined water,and generalized aquifer structure as vadose zone,phreatic aquifer,impermeable aquifer and confinedaquifer.Through the spatial three-dimensional,heterogeneous,anisotropic unsteady groundwater system model of VisualMODFLOW software to achieve three-dimensional visualization with using drilling,remote sensing images,geologicalgeomorphology and digital elevation data.The results show that the construction of this model can describe more accuratelystratigraphic structure and hydrogeological characteristics,realize accurate simulation of three-dimensional geologicalbodies,and provide further support for groundwater numerical simulation and solute transport.Key words:Hanzhong Basin;three-dimensional visualization;aquifer structure;Visual MODFLOW2018年，国家发改委颁布汉江生态经济带发展规划，将汉江生态经济带定位为国家战略水资源保障区和内河流域保护开发示范区，位于陕西南部汉江上游的汉中因其特殊的地理位置使得开展水资源调查评价意义重大。汉中盆地作为汉江上游秦巴山区人口密度最大的地区，构建汉中盆地三维水文地质模型，精细刻画地层结构和水文地质特征，进而实现地下水数值模拟与水资源评价，为汉中市合理开发、利用和优化配置地下水资源提供模型和数据支撑具有重要意义。从2 0 世纪9 0 年代初美国地质调查局在内华达州南部和加州东南部建立的第一个区域三维水文地质模型开始，针对地下水资源信息化管理和可视化研究的现实需求1 ,国内外研究学者通过一系列三维水文地质模型的建立，直观地展收稿日期 2 0 2 3-0 1-0 4【基金项目】中国地质调查局地质调查项目（DD20208068;DD20230481）【作者简介 赵浩(1 9 9 0），男（汉族），陕西咸阳人,工程师，主要从事水文地质及水资源调查评价工作。E-mail:文献标识码：B文章编号：1 6 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 5-0 0 45-0 4现地下水的储藏和运移规律及三维空间中地质体的空间结构和属性特征2 。经过多年研究发展形成FEFLOW、M O D FL O W、V is u a l M O D FL O W、M T 3 D M S、GMS等多个地下水数值模拟软件,并在地下水资源评价与开发利用、地下水数值模拟与溶质运移、海水人侵、井筒耦合效应、矿区地下水动态模拟及坝基渗漏模拟等3 领域取得广泛应用。其中,VisualMODFLOW是国际上通用且使用范围较广的一款专业的数值模拟软件，是由加拿大Waterloo水文地质公司在MODFLOW的基础上研发的以三维地下水流和溶质运移为主的标准可视化专业软件系统4。本文以汉中盆地为研究区域，充分搜集已有资料，利用VisualMODFLOW构建汉中盆地三维水文地质模型,重点介绍建模方法与实现过程，为相关工作的开46展提供借鉴。1研究区概况汉中盆地位于陕西南部，大地构造上处在龙门山断裂带NE段的尾端,秦岭和大巴山褶皱带之间，受控于勉略断裂及阳平关一宁陕断裂带，其主体坐落于扬子地块北部边缘汉南地块上。盆地西起勉县武侯镇，东至洋县龙亭镇。东西长约1 1 6 km，南北宽525km，总体呈现西宽东窄的几何形态。盆地内阶地发育，主要分为河漫滩、一级阶地、二级阶地、三级阶地、四级阶地5种类型5。受沉积环境和地形地貌的影响，第四系地层总体呈现北厚南薄、西厚东薄的特征，为地下水储存提供良好的空间，其地下水类型主要分为潜水和承压水。潜水含水层广泛分布全区，岩性主要由全新统、上更新统冲洪积和中、下更新统冲湖积砂砾(卵)石组成，在各支流沿岸则主要由中细、中粗砂组成，含水层厚度55 7 5m。水位埋深在一级阶地及高漫滩为0.6 5.5m、二级阶地为6 1 8 m、三级以上阶地为2035m。总体上埋藏深度、富水性和分布特征表现为远离汉江及支流，水位埋深由浅变深，含水层颗粒由粗变细、富水性由强变弱、渗透性由好变差、含水层厚度由厚变薄的规律。承压水广泛埋藏于各地貌单元底部的第四系中、下更新统冲湖积含砾中粗砂和中细砂中，层间夹3 5层黏性土，含水层厚度约34.1046.10m，承压水水位埋深6.2 3 3 5.0 7 m。盆地内丰富的地表径流和大气降水通过上部松散砂卵石层及河床的渗漏为潜水提供充足的补给来源。在山前地带，以接受山区基岩裂隙水、裂隙溶洞水的补给为主，至盆地中部汉江各级阶地底部，中、下更新统冲积湖积层的承压水与潜水存在着相互补给关系。测区承压水，从盆地边缘山前地带，顺着等水压面的坡降方向，以0.3%0.5%的梯度向盆地中部运动。从地下水长期观测资料分析，汉中盆地水位变化属于降水入渗一人工开采型。研究区属于北亚热带气候区，年均气温为1 4.4，海拔50 0 3 8 8 0 m，年平均降水量7 0 0 1 7 0 0 mm，蒸发量9 0 0 1 2 0 0 mm，降水集中在7 一9 月，其降雨量占全年降雨量的45%左右。2石研究方法及数据来源2.1研究方法三维可视化建模是将地质属性信息数值化并最终通过可视化呈现的过程，建模时需要大量地质、水文、钻孔、地球物理等综合数据做支撑，在建模初期具有数据庞杂工作量大的特点。本文建立以钻孔数赵浩，等：基于VisualMODFLOW的汉中盆地三维可视化模型构建方法水文地质图钻孔分布图DEM数据钻孔数据面。第4步是将各含水层高程数据等值面导入三维模拟软件建立三维可视化模型。模型构建技术流程如图1。图1 三维可视化模型构建技术流程2.2数据来源模型构建过程中利用的钻孔资料主要来自项目实测和区域水文地质勘察报告，汉中盆地第四系地质地貌图、水文地质图和基岩埋深图来自汉中盆地水文地质勘察报告5，汉中市3 0 m数字高程模型(DEM)数据来自地理空间数据云(http:/ 42 个，其中本项目2 4个，收集1 1 8 个。钻孔点位分布如图2。N城固图例1123469101112图2 汉中盆地钻孔点位分布注：1.河床及低漫滩；2.高漫滩；3.一级阶地；4.二级阶地；5.三级阶地；6.四级阶地；7.五级阶地；8.一级洪积扇；9.三级洪积扇；1 0.低山、丘陵；11.本项目钻孔；1 2.收集钻孔3模型构建3.1水文地质条件概化水文地质条件概化目的是建立水文地质概念模2023年第5期据为主，遥感影像、地质地貌、水文等为辅的多元数据建模方法，总体思路是通过汉中盆地水文地质条件的分析，将研究区含水层结构概化为包气带层、潜水含水层、弱透水层和承压含水层，通过计算获得各含水层顶底板分层数据，进而导人三维模拟软件实现可视化。共分为4个步骤：第1 步是综合分析汉中盆地第四系地质地貌图、水文地质图和钻孔点位分布图，将盆地划分若干子区。第2 步是将钻孔和DEM数据提取的等值线高程点与子区进行套合，参考水文地质面为每一个子区确定标准钻孔。第3 步是利用钻孔剖面数据和盆地基岩埋深厚度划分子区各含水层厚度，为子区内等值线高程点赋值，计算获得各含水层顶底板高程数据，并最终生成各含水层顶底板高程数据等值地质地貌图区划分等值线高程点含水层璜底板分层数据含水层顶底板数值等值面三维可视化模型钻孔剖面2023年第5期型，而模型概化过程中的重点和难点是精细刻画地层结构，全面反映盆地内水文地质特征。因此，本文在建模过程中，系统收集整理汉中盆地已有钻孔、地形地貌和水文地质等资料，在综合研究区域水文地质特征的基础上,对地下水含水层内部结构、边界性质、水力特征及补给和排泄等情况进行概化。概化过程：梳理盆地内已知1 42 个钻孔剖面资料,统一地层单元，划分含水层和隔水层。将黏土、粉质黏土和砂质黏土等黏土成分高的地层划分为弱透水层，将中粗砂、砾卵石层划分为透水层,结合各钻孔抽水试验和地下水位埋深等情况确定含水层和隔水层结构。结合区域水文地质特征和地下水补、径、排关系，根据达西定律，将地下水系统概化为空间三维、非均质、各向异性的非稳定流系统。依据确定的含水层结构将第四系地层概化为包气带层、潜水含水层、隔水层和承压含水层，即4个含水层（5个面）。各子区含水层厚度由子区内标准钻孔确定分层厚度，结合标准钻孔高程划分各子区含水层顶底板高程数据，并以汉中盆地第四系埋深厚度图确定承压水底板高程，最后通过高程数据形成各层顶底板高程等值线图。各含水层用Layerl、L a y e r 2、L a y e r 3 和Layer4表示，各面用Surfacel、Su r f a c e 2、Su r f a c e 3、Surface4和Surface5表示。Layerl为包气带层，Surfacel和Surface2代表其顶底面,Surfacel即为地表高程等值面。Layer2为潜水含水层，Surface2和Surface3代表其顶底面。Layer3为隔水层（弱透水层），是介于潜水含水层和承压水含水层之间不连续的弱透水或不透水夹层,Surface3和Surface4代表其顶底面。Layer4为承压含水层，Surface4和Surface5代表其顶底面。3.2子区划分由于钻孔数量有限且分布范围不均，本文依据汉中盆地第四系地貌特征，结合不同阶地类型和汉江子流域单元划分子区，在钻孔密集区对同一地貌单元进行细分切割，同时对部分钻孔未控制区域依据相邻钻孔剖面、水文地质剖面和基岩埋深图等资料进行标准钻孔差值。共计划分3 3 5个子区，如图3。图3 汉中盆地子区划分赵浩，等：基于VisualMODFLOW的汉中盆地三维可视化模型构建方法3.3DEM数据高程点提取DEM数据，即数字高程模型（Digital ElevationModel)数据,是通过有限的地形高程数据实现对地形表面形态的数字化表达，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。分析可知，DEM数据代表地表高程等值面(Surfacel）,为获得其他各层的高程数据，需通过地表高程点数值减去各子区标准钻孔的分层厚度，从而获得各含水层顶底板高程点数据和高程数值等值面。这种近似概化的过程主要是利用Arcgis10.2对DEM进行处理，可分为以下3 个步骤：第1 步是根据汉中盆地第四系地质地貌图确定盆地边界，利用Arcgis10.2软件裁剪汉中市3 0 m精度DEM数据，实际应用中为保证包含所有盆地地形数据将DEM数据按照外扩1 0 0 0 m进行裁剪，在VisualMODFLOW软件中可根据盆地边界自动屏蔽盆地边界以外的数据（如图4）。第2 步是在已裁剪盆地范围DEM数据基础上按照5m间距提取等值线，进而根据要素转点工具提取等值线高程点，共2 7 0 2 1 个点。第3 步是根据属性表提取经纬度坐标，即在属性表中分别添加经度和纬度字段，通过计算几何功能获得经纬度坐标，加上提取的点位高程就能获得完整的包含坐标和高程的点数据集。盆地边界图4汉中盆地DEM数据影像3.4分层数据网格化根据钻孔剖面分层数据获得各含水层厚度，结合已有子区、钻孔和地表高程点的套合对各含水层顶底板进行分层插值，从而获得每层的高程点数据集。在Surfer软件中采用克里金(Kriging)插值法以2 0 0 mx100m间距网格化生成分层数据等值面（Surface#.Grd栅格文件），研究区范围内获得46 6 行x514列共计239524个节点数据。网格几何参数如表1。表1 等值面网格几何参数经度/m最大值最小值实际间距最大值图例751497536648844556钻孔子区编号47城固图例高程/m高：1 2 6 5低：43 1纬度/m最小值实际间距200.1033692439.799364598235299.908对生成的分层数据等值面需进行检查校核，防止部分数据出现交叉现象，如果交叉在三维地质模型中进行数值化模型输出时就会出现错误。因此,采48用Arcgis10.2.2栅格相减功能用上一层减去下一层，如果差值后影像存在368000036000负值，表明数据36600036500055000分层存在异常点，需对数据进690003680000行校核。具体措367000366000施如下：结合负365000值点查找对应369000子区和标准钻3680000孔，依据相邻子36700366000区和标准钻孔365000分层厚度适当3690000增减负值点分368000036700036000层厚度值，对出365000现负值的子区数据进行微调，3690000368000直至无负值出367000366000现。本文在数据赵浩，等：基于VisualMODFLOW的汉中盆地三维可视化模型构建方法700000600距离X/m400760/4Zim6755811150950750550350Z/m1100900700500300Z/m95065035050250Y/m3650002023年第5期Z/mB1200400100080060040075XZim12001000800100369000 36000距离Y/m48839430120711420-73010265205313079641061899/B79168357546735925114336-72-1800图6汉中盆地三维可视化水文地质模型和富水性分区4结语900400高程Z/m-100B750000高程Z/m365000450.56680.26795.11125451包气带层I潜水含水屋弱透水层V承压水含水层含水层组界限及代号丰富中丰富100-3000300-10005132661592718578212292388102653距离/mB国包气带层门黄木合水层IV明透水湿养压水舍水尼合水展组界彩及代号（酒水量（m）46469291139371858323220278743252037166 4181246457距离/m图例(水量（(m%a）)5100中等丰盲300-100100处理过程中发现钻孔未控制区域存在部分负值点，属于标准钻孔插值问题，经调整处理各分层数据等值面无交叉现象。通过数据检查核验最终获得各含水层高程数值等值面，如图5。3.5三维地质模型可视化将分层数据高程等值面（SurfacelSurface5）导人VisualMODFLOW软件空间三维、非均质、各向异性的非稳定流系统模型，根据已有数据结构在软件中设置水文地质参数，确定模拟层数并将分层等值面一一对应添加至各层顶底板数据层。检查无误后结合表1 所述几何参数在VisualMODFLOW中以200mx100m矩形大小对模拟区域进行网格剖分（可根据不同的模拟精度对全域或部分区域进行网格加密），从而生成三维可视化的数值结构模型,如图6。从三维结构模型中可直观展示汉中盆地地形地貌特征，剖面A-A和B-B详细刻画了汉中盆地东西向和南北向剖面地层厚度和展布情况，表达了包气带层、潜水含水层、弱透水层和承压水含水层的结构分布规律和基本特征，并根据涌水量大小将潜水和承压水富水性分为丰富、中等丰富、贫乏、极贫乏四种类型，便于进一步利用汉中盆地水文地质数据开展地下水数值模拟和水资源评价工作。图5分层数据高程等值面(SurfacelSurface5)(1)在综合研究汉中盆地区域地质、地形地貌、水文地质和钻孔等资料的基础上，结合遥感影像和数字高程等数据，将汉中盆地地下水含水层结构划分为包气带层、潜水含水层、弱透水层和承压含水层，利用Visual MODFLOW软件中的空间三维、非均质、各项异性的非稳定流系统实现汉中盆地三维可视化模型的构建。综合利用钻孔、遥感影像、地质地貌、DEM等资料，可准确表征汉中盆地含水层结构和水文地质特征，实现三维地质体的精准模拟。以Arcgis和Surfer两款软件对收集的钻孔、地质地貌、DEM等数据进行预处理，以Visual MODFLOW实现三维模型可视化构建的技术方法可操作性强，便于前期数据综合处理。(2)仅介绍三维可视化模型的构建过程，未展开地下水数值模拟工作，下步将继续利用VisualMODFLOW软件开展相关研究工作。参考文献：1张永波,张雪松,张礼中.地下水资源信息化管理的可视化技术应用J.地理与地理信息科学,2 0 0 2,1 8(1):8 7-8 9.2张渭军.孔隙水文地质层三维建模与可视化研究J.金属矿山,2 0 1 0,41 0(8):1 2 8-1 3 1.3刚什婷,邓英尔.基于GMS在地下水资源评价与管理中的应用综述J.地下水,2 0 1 5,3 7(2):3 3-3 6.4李亚娇,张强,李家科,等.Visual MODFLOW与GMS研究综述J.人民黄河,2 0 2 1,43(4):8 9-9 3.5李鸿林,曾扶祥,冉庚欣,等.汉中盆地水文地质勘察报告R.西安：陕西省地质局第一水文地质队，1 9 7 2.（责任编辑：王艳肖）