趙 浩，李新斌，田 輝，丁廉超，趙立磊，侯孝東

（中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，西安 710100）

2018 年，國家發(fā)改委頒布《漢江生態(tài)經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃》，將漢江生態(tài)經(jīng)濟帶定位為國家戰(zhàn)略水資源保障區(qū)和內(nèi)河流域保護開發(fā)示范區(qū)， 位于陜西南部漢江上游的漢中因其特殊的地理位置使得開展水資源調(diào)查評價意義重大。 漢中盆地作為漢江上游秦巴山區(qū)人口密度最大的地區(qū)， 構建漢中盆地三維水文地質(zhì)模型，精細刻畫地層結構和水文地質(zhì)特征，進而實現(xiàn)地下水數(shù)值模擬與水資源評價， 為漢中市合理開發(fā)、利用和優(yōu)化配置地下水資源提供模型和數(shù)據(jù)支撐具有重要意義。從20 世紀90 年代初美國地質(zhì)調(diào)查局在內(nèi)華達州南部和加州東南部建立的第一個區(qū)域三維水文地質(zhì)模型開始，針對地下水資源信息化管理和可視化研究的現(xiàn)實需求［1］，國內(nèi)外研究學者通過一系列三維水文地質(zhì)模型的建立，直觀地展現(xiàn)地下水的儲藏和運移規(guī)律及三維空間中地質(zhì)體的空間結構和屬性特征［2］。經(jīng)過多年研究發(fā)展形成FEFLOW、MODFLOW、Visual MODFLOW、MT3DMS、GMS 等多個地下水數(shù)值模擬軟件，并在地下水資源評價與開發(fā)利用、 地下水數(shù)值模擬與溶質(zhì)運移、海水入侵、井筒耦合效應、礦區(qū)地下水動態(tài)模擬及壩基滲漏模擬等［3］領域取得廣泛應用。 其中，Visual MODFLOW 是國際上通用且使用范圍較廣的一款專業(yè)的數(shù)值模擬軟件， 是由加拿大Waterloo 水文地質(zhì)公司在MODFLOW 的基礎上研發(fā)的以三維地下水流和溶質(zhì)運移為主的標準可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)［4］。本文以漢中盆地為研究區(qū)域，充分搜集已有資料，利用Visual MODFLOW 構建漢中盆地三維水文地質(zhì)模型，重點介紹建模方法與實現(xiàn)過程，為相關工作的開展提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

漢中盆地位于陜西南部， 大地構造上處在龍門山斷裂帶NE 段的尾端，秦嶺和大巴山褶皺帶之間，受控于勉略斷裂及陽平關—寧陜斷裂帶， 其主體坐落于揚子地塊北部邊緣漢南地塊上。 盆地西起勉縣武侯鎮(zhèn)，東至洋縣龍亭鎮(zhèn)。東西長約116 km，南北寬5～25 km，總體呈現(xiàn)西寬東窄的幾何形態(tài)。盆地內(nèi)階地發(fā)育，主要分為河漫灘、一級階地、二級階地、三級階地、四級階地5 種類型［5］。

受沉積環(huán)境和地形地貌的影響， 第四系地層總體呈現(xiàn)北厚南薄、西厚東薄的特征，為地下水儲存提供良好的空間， 其地下水類型主要分為潛水和承壓水。潛水含水層廣泛分布全區(qū)，巖性主要由全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖洪積和中、下更新統(tǒng)沖湖積砂礫（卵）石組成，在各支流沿岸則主要由中細、中粗砂組成，含水層厚度55～75 m。 水位埋深在一級階地及高漫灘為0.6～5.5 m、二級階地為6～18 m、三級以上階地為20～35 m。總體上埋藏深度、富水性和分布特征表現(xiàn)為遠離漢江及支流，水位埋深由淺變深，含水層顆粒由粗變細、富水性由強變?nèi)?、滲透性由好變差、含水層厚度由厚變薄的規(guī)律。 承壓水廣泛埋藏于各地貌單元底部的第四系中、 下更新統(tǒng)沖湖積含礫中粗砂和中細砂中， 層間夾3～5 層黏性土， 含水層厚度約34.10～46.10 m，承壓水水位埋深6.23～35.07 m。盆地內(nèi)豐富的地表徑流和大氣降水通過上部松散砂卵石層及河床的滲漏為潛水提供充足的補給來源。 在山前地帶，以接受山區(qū)基巖裂隙水、裂隙溶洞水的補給為主，至盆地中部漢江各級階地底部，中、下更新統(tǒng)沖積湖積層的承壓水與潛水存在著相互補給關系。測區(qū)承壓水，從盆地邊緣山前地帶，順著等水壓面的坡降方向，以0.3%～0.5%的梯度向盆地中部運動。

從地下水長期觀測資料分析，漢中盆地水位變化屬于降水入滲—人工開采型。研究區(qū)屬于北亞熱帶氣候區(qū)，年均氣溫為14.4 ℃，海拔500～3880 m，年平均降水量700～1700 mm，蒸發(fā)量900～1200 mm，降水集中在7—9 月，其降雨量占全年降雨量的45%左右。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

三維可視化建模是將地質(zhì)屬性信息數(shù)值化并最終通過可視化呈現(xiàn)的過程，建模時需要大量地質(zhì)、水文、鉆孔、地球物理等綜合數(shù)據(jù)做支撐，在建模初期具有數(shù)據(jù)龐雜工作量大的特點。 本文建立以鉆孔數(shù)據(jù)為主，遙感影像、地質(zhì)地貌、水文等為輔的多元數(shù)據(jù)建模方法， 總體思路是通過漢中盆地水文地質(zhì)條件的分析，將研究區(qū)含水層結構概化為包氣帶層、潛水含水層、弱透水層和承壓含水層，通過計算獲得各含水層頂?shù)装宸謱訑?shù)據(jù)， 進而導入三維模擬軟件實現(xiàn)可視化。

共分為4 個步驟： 第1 步是綜合分析漢中盆地第四系地質(zhì)地貌圖、水文地質(zhì)圖和鉆孔點位分布圖，將盆地劃分若干子區(qū)。第2 步是將鉆孔和DEM 數(shù)據(jù)提取的等值線高程點與子區(qū)進行套合， 參考水文地質(zhì)剖面為每一個子區(qū)確定標準鉆孔。 第3 步是利用鉆孔剖面數(shù)據(jù)和盆地基巖埋深厚度劃分子區(qū)各含水層厚度，為子區(qū)內(nèi)等值線高程點賦值，計算獲得各含水層頂?shù)装甯叱虜?shù)據(jù)， 并最終生成各含水層頂?shù)装甯叱虜?shù)據(jù)等值面。 第4 步是將各含水層高程數(shù)據(jù)等值面導入三維模擬軟件建立三維可視化模型。模型構建技術流程如圖1。

圖1 三維可視化模型構建技術流程

2.2 數(shù)據(jù)來源

模型構建過程中利用的鉆孔資料主要來自項目實測和區(qū)域水文地質(zhì)勘察報告， 漢中盆地第四系地質(zhì)地貌圖、水文地質(zhì)圖和基巖埋深圖來自《漢中盆地水文地質(zhì)勘察報告》［5］， 漢中市30 m 數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/search），共收集整理鉆孔資料142 個，其中本項目24 個，收集118 個。鉆孔點位分布如圖2。

圖2 漢中盆地鉆孔點位分布

3 模型構建

3.1 水文地質(zhì)條件概化

水文地質(zhì)條件概化目的是建立水文地質(zhì)概念模型， 而模型概化過程中的重點和難點是精細刻畫地層結構，全面反映盆地內(nèi)水文地質(zhì)特征。因此，本文在建模過程中，系統(tǒng)收集整理漢中盆地已有鉆孔、地形地貌和水文地質(zhì)等資料， 在綜合研究區(qū)域水文地質(zhì)特征的基礎上，對地下水含水層內(nèi)部結構、邊界性質(zhì)、水力特征及補給和排泄等情況進行概化。概化過程：①梳理盆地內(nèi)已知142 個鉆孔剖面資料，統(tǒng)一地層單元，劃分含水層和隔水層。將黏土、粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)黏土等黏土成分高的地層劃分為弱透水層，將中粗砂、礫卵石層劃分為透水層，結合各鉆孔抽水試驗和地下水位埋深等情況確定含水層和隔水層結構。②結合區(qū)域水文地質(zhì)特征和地下水補、徑、排關系，根據(jù)達西定律，將地下水系統(tǒng)概化為空間三維、非均質(zhì)、各向異性的非穩(wěn)定流系統(tǒng)。依據(jù)確定的含水層結構將第四系地層概化為包氣帶層、潛水含水層、隔水層和承壓含水層，即4 個含水層（5 個面）。各子區(qū)含水層厚度由子區(qū)內(nèi)標準鉆孔確定分層厚度，結合標準鉆孔高程劃分各子區(qū)含水層頂?shù)装甯叱虜?shù)據(jù)， 并以漢中盆地第四系埋深厚度圖確定承壓水底板高程， 最后通過高程數(shù)據(jù)形成各層頂?shù)装甯叱痰戎稻€圖。 各含水層用Layer1、 Layer2、Layer3 和Layer4 表示， 各面用Surface1、Surface2、Surface3、Surface4 和Surface5 表示。Layer1 為包氣帶層，Surface1 和Surface2 代表其頂?shù)酌?，Surface1 即為地表高程等值面。Layer2 為潛水含水層，Surface2 和Surface3 代表其頂?shù)酌?。Layer3 為隔水層 （弱透水層），是介于潛水含水層和承壓水含水層之間不連續(xù)的弱透水或不透水夾層，Surface3 和Surface4 代表其頂?shù)酌?。Layer4 為承壓含水層，Surface4 和Surface5代表其頂?shù)酌妗?/p>

3.2 子區(qū)劃分

由于鉆孔數(shù)量有限且分布范圍不均， 本文依據(jù)漢中盆地第四系地貌特征， 結合不同階地類型和漢江子流域單元劃分子區(qū)， 在鉆孔密集區(qū)對同一地貌單元進行細分切割， 同時對部分鉆孔未控制區(qū)域依據(jù)相鄰鉆孔剖面、 水文地質(zhì)剖面和基巖埋深圖等資料進行標準鉆孔差值。共計劃分335 個子區(qū)，如圖3。

圖3 漢中盆地子區(qū)劃分

3.3 DEM 數(shù)據(jù)高程點提取

DEM 數(shù)據(jù)， 即數(shù)字高程模型 （Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達， 它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。分析可知，DEM 數(shù)據(jù)代表地表高程等值面（Surface1），為獲得其他各層的高程數(shù)據(jù)， 需通過地表高程點數(shù)值減去各子區(qū)標準鉆孔的分層厚度， 從而獲得各含水層頂?shù)装甯叱厅c數(shù)據(jù)和高程數(shù)值等值面。

這種近似概化的過程主要是利用Arcgis10.2 對DEM 進行處理，可分為以下3 個步驟：第1 步是根據(jù)漢中盆地第四系地質(zhì)地貌圖確定盆地邊界， 利用Arcgis10.2 軟件裁剪漢中市30 m 精度DEM 數(shù)據(jù)，實際應用中為保證包含所有盆地地形數(shù)據(jù)將DEM 數(shù)據(jù)按照外擴1000 m 進行裁剪，在Visual MODFLOW軟件中可根據(jù)盆地邊界自動屏蔽盆地邊界以外的數(shù)據(jù)（如圖4）。第2 步是在已裁剪盆地范圍DEM 數(shù)據(jù)基礎上按照5 m 間距提取等值線， 進而根據(jù)要素轉點工具提取等值線高程點，共27021 個點。第3 步是根據(jù)屬性表提取經(jīng)緯度坐標， 即在屬性表中分別添加經(jīng)度和緯度字段， 通過計算幾何功能獲得經(jīng)緯度坐標， 加上提取的點位高程就能獲得完整的包含坐標和高程的點數(shù)據(jù)集。

圖4 漢中盆地DEM 數(shù)據(jù)影像

3.4 分層數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

根據(jù)鉆孔剖面分層數(shù)據(jù)獲得各含水層厚度，結合已有子區(qū)、鉆孔和地表高程點的套合對各含水層頂?shù)装暹M行分層插值， 從而獲得每層的高程點數(shù)據(jù)集。在Surfer 軟件中采用克里金（Kriging）插值法以200 m×100 m 間距網(wǎng)格化生成分層數(shù)據(jù)等值面（Surface#.Grd柵格文件）， 研究區(qū)范圍內(nèi)獲得466 行×514 列共計239524 個節(jié)點數(shù)據(jù)。網(wǎng)格幾何參數(shù)如表1。

表1 等值面網(wǎng)格幾何參數(shù)

對生成的分層數(shù)據(jù)等值面需進行檢查校核，防止部分數(shù)據(jù)出現(xiàn)交叉現(xiàn)象， 如果交叉在三維地質(zhì)模型中進行數(shù)值化模型輸出時就會出現(xiàn)錯誤。因此，采用 Arcgis10.2.2柵格相減功能用上一層減去下一層，如果差值后影像存在負值，表明數(shù)據(jù)分層存在異常點，需對數(shù)據(jù)進行校核。具體措施如下：結合負值點查找對應子區(qū)和標準鉆孔，依據(jù)相鄰子區(qū)和標準鉆孔分層厚度適當增減負值點分層厚度值，對出現(xiàn)負值的子區(qū)數(shù)據(jù)進行微調(diào)，直至無負值出現(xiàn)。本文在數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn)鉆孔未控制區(qū)域存在部分負值點，屬于標準鉆孔插值問題，經(jīng)調(diào)整處理各分層數(shù)據(jù)等值面無交叉現(xiàn)象。 通過數(shù)據(jù)檢查核驗最終獲得各含水層高程數(shù)值等值面，如圖5。

圖5 分層數(shù)據(jù)高程等值面（Surface1～Surface5）

3.5 三維地質(zhì)模型可視化

將分層數(shù)據(jù)高程等值面 （Surface1～Surface5）導入Visual MODFLOW 軟件空間三維、非均質(zhì)、各向異性的非穩(wěn)定流系統(tǒng)模型， 根據(jù)已有數(shù)據(jù)結構在軟件中設置水文地質(zhì)參數(shù)， 確定模擬層數(shù)并將分層等值面一一對應添加至各層頂?shù)装鍞?shù)據(jù)層。 檢查無誤后結合表1 所述幾何參數(shù)在Visual MODFLOW 中以200 m×100 m 矩形大小對模擬區(qū)域進行網(wǎng)格剖分（可根據(jù)不同的模擬精度對全域或部分區(qū)域進行網(wǎng)格加密）， 從而生成三維可視化的數(shù)值結構模型，如圖6。

圖6 漢中盆地三維可視化水文地質(zhì)模型和富水性分區(qū)

從三維結構模型中可直觀展示漢中盆地地形地貌特征， 剖面A-A＇和B-B＇詳細刻畫了漢中盆地東西向和南北向剖面地層厚度和展布情況， 表達了包氣帶層、潛水含水層、弱透水層和承壓水含水層的結構分布規(guī)律和基本特征， 并根據(jù)涌水量大小將潛水和承壓水富水性分為豐富、中等豐富、貧乏、極貧乏四種類型， 便于進一步利用漢中盆地水文地質(zhì)數(shù)據(jù)開展地下水數(shù)值模擬和水資源評價工作。

4 結語

（1）在綜合研究漢中盆地區(qū)域地質(zhì)、地形地貌、水文地質(zhì)和鉆孔等資料的基礎上， 結合遙感影像和數(shù)字高程等數(shù)據(jù)， 將漢中盆地地下水含水層結構劃分為包氣帶層、 潛水含水層、 弱透水層和承壓含水層，利用Visual MODFLOW 軟件中的空間三維、非均質(zhì)、 各項異性的非穩(wěn)定流系統(tǒng)實現(xiàn)漢中盆地三維可視化模型的構建。①綜合利用鉆孔、遙感影像、地質(zhì)地貌、DEM 等資料， 可準確表征漢中盆地含水層結構和水文地質(zhì)特征，實現(xiàn)三維地質(zhì)體的精準模擬。②以Arcgis 和Surfer 兩款軟件對收集的鉆孔、 地質(zhì)地貌、DEM 等數(shù)據(jù)進行預處理， 以Visual MODFLOW實現(xiàn)三維模型可視化構建的技術方法可操作性強，便于前期數(shù)據(jù)綜合處理。

（2）僅介紹三維可視化模型的構建過程，未展開地下水數(shù)值模擬工作， 下步將繼續(xù)利用Visual MODFLOW 軟件開展相關研究工作。