孔隙地下水系统三维动态建模时空数据模型研究

发布时间：2020-08-14 16:17

【摘要】：随着人类社会需水量的增加,赋存于松散沉积地层中的孔隙地下水逐渐成为人类活动的重要水源。归因于开采程度的逐年加剧,在我国很多地区出现急剧的水位下降情况,并相继引发了水资源枯竭、地面沉降、海水入侵等一系列环境地质问题,如长三角地区以及苏北滨海平原等地,均面临较为严峻的地下水位下降与地面沉降问题。如何利用实际勘查得到的水文地质资料建立能够充分反应地下水系统在时间和空间上变化特征及趋势的三维模型,为研究和管理人员制订地下水资源开采与保护方案提供参考依据,已成为当前地下水资源管理过程中亟需解决的重要课题。本文综合利用水文地质学、计算几何、3D GIS、地统计学、有限元数值模拟、三维地学可视化等理论或方法,围绕抽水引发土层压缩的典型时空过程模拟需求,研究了支持孔隙地下水系统三维动态建模的时空数据模型构建、管理、分析、操作及应用方法。对现有时空数据模型从动态自适应和机理过程表达两个角度进行改进。论文主要研究内容与成果包括如下三个方面:(1)围绕孔隙地下水系统内部水文地质实体和地下水流两类主要空间对象的三维表达问题展开研究。首先对地下水流对象,采用水位动态监测数据作为地下水渗流场建模数据源,基于三维非稳定地下水渗流有限元数值模拟模型求解过程,研究了可支撑三维地下水非稳定运动有限元数值模拟的时空数据模型。其次,在对比多种建模数据源基础上,选取水文地质钻孔作为水文地质实体空间数据建模的基本数据源,研究了根据钻孔数据推导空间连续分布的含水层与隔水层等实体对象三维几何结构的建模思路,并进行了算法设计与实现,完成了静态条件下水文地质实体三维空间数据模型的构建,该模型一方面实现了对水文地质实体对象空间几何结构的三维表达;另一方面也为地下水系统内部水文地质实体对象三维动态建模提供了有效的基态模型;同时,也为一维固结压缩模拟模型的求解提供了基础计算格网。(2)孔隙地下水系统的自适应三维动态建模时空数据模型研究。在孔隙地下水系统基态3D空间数据模型的基础上,附加时间维度构建基于4D时空的动态数据模型。结合地下水非稳定流及土层固结压缩两类典型地下水系统内部机理过程模拟模型,提出了孔隙地下水系统的自适应三维动态建模方法。提出空间离散格网的自适应生成机制,实现对地下水系统内部地下水渗流及水文地质实体土层两类主要空间对象动态变化的拟合。基于地下水流在水平层面、及水文地质实体土层在垂向层面的动态改变规律分析与归纳,分别研究动态自适应算法,并在考虑二者之间数据传输及转换问题的基础上,形成三维格网动态自适应生成算法框架。以此算法框架为桥梁,结合土体在地下水位下降影响下固结压缩的机理,实现地下渗流非稳定运动与水文地质层固结压缩过程的耦合模拟,并在此模拟过模型的基础上,构建可定量描述水文地质层在地下水渗流运动影响下的空间与属性变化的时空数据模型。(3)动态建模时空数据模型可行性与有效性验证研究。采用原型系统研发的方式对时空数据模型进行验证。基于上述地下水系统时空数据模型设计原型系统整体架构、功能框架及算法流程等,并通过该原型系统研究时空数据模型对地下水系统三维动态建模的支持性能。从两个方面对这一性能进行了验证:首先,该数据模型能够支持在选定时间点或时间段下的地下水系统内部地下水流和水文地质实体两类空间要素的三维表达;其次,该数据模型能够支撑三维渗流-一维土层固结压缩耦合模拟模型的求解,实现地下水系统状况的虚拟预演或反演,支持从时间和空间的维度对模型进行查询。此外,原型系统集成了有限元格网构建、参数识别、水文地质参数分区划分、数值计算以及时空数据可视化表达等时空过程模拟与分析的关键功能模块。以江苏省盐城滨海平原作为空间数据模型验证样区,利用水位监测数据、土层压缩监测数据及地面沉降监测数据对所建的时空数据模型验证,原型系统运行结果表明:所构建时空数据模型,一方面可实现地下水流和实体结构的三维表达,同时可有效反应地下水系统的动态变化特征,从而形成对地下水系统动态建模的有效支撑;基于时空数据模型的原型系统在地下水位变化、土层压缩及地面沉降等过程的模拟中均取得了与实际情况较为相符的结果。
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P641;P208
【图文】：

离散方法,六面体,三维空间,含水层

逡逑宄了基于ＧＩＳ的规则六面体含水层三维空间离散方法（如图１．３），并给出了邋ＧＩＳ下逡逑模型计算参数的自动提取方法，有效提高了模拟精度。逡逑１２３４５６７８９逡逑ｙoQ歔０魏卜逡逑３邋＿褰＿ub埾，蒙逡逑行问距逡逑图１．３规则六面体含水层三维空间离散方法ｌｌｌ７ｌ逡逑随着３Ｄ邋ＧＩＳ技术的发展，针对数值计算过程及模拟结果的可视化方法也逐渐成逡逑为研宄热点，如：武强等［１５３］研宄了地下水渗流场的动态模拟可视化方法；毕振波逡逑等［１５４］采用Ｄｅｌｐｈｉ语言和ＵＭＬ建模方法开发了地下水有限元计算可视化系统等。上逡逑述系统实现了直观展示地下水系统的三维空间特征，且具一定空间分析能力。将ＧＩＳ逡逑技术引入数值模拟过程，有利于兼顾数值模型参数的空间特性和精度、提高模型空间逡逑分析能力和数据管理效率，使地下水模拟系统更具空间辅助决策特性。ＧＩＳ的空间分逡逑析及可视化技术

示意图,地下水流,三维建模,含水层

逑三维地下水流空间数据模型可划分为含水层承压水头分布的场模型和地下水渗逡逑流运动的矢量模型两种类型，水头分布场一般采用如图２．８所示的栅格模型加以表达，逡逑通过对分级渲染区边界进行追踪，可以获取研究区的水位等值线。基于插值方法提取逡逑每一个格网节点位置（ｘ，，ｙ，）处的测压管水头值知，并以（；《：，，ｙ，，邋Ａ，）构建水头ＤＥＭ，逡逑采用颜色映射列表的方法对连续分布的水头值进行分级渲染实现可视化表达。逡逑图２．８多层含水层地下水流三维建模可视化示意图逡逑地下水渗流运动的三维空间模型相对较为简单，为了准确反映渗流的方向和速逡逑度，一般来说可采用“流线”和“箭头”两种模型。其中流线法采用数值积分的方式计算逡逑格网节点位置处的流速大小，并以流速的方向为切线拟合流动曲线，此方法可较为直逡逑观地反映出地下水渗流方向及变化确实，具体计算过程如下：逡逑如图２．９所示，在流线上取一微小线元也，其切线方向与渗流方向一致，设渗流逡逑速度为Ｖ

示意图,流线,拟合,示意图

，ｙ，）处的测压管水头值知，并以（；《：，，ｙ，，邋Ａ，）构建表的方法对连续分布的水头值进行分级渲染实现可视化表图２．８多层含水层地下水流三维建模可视化示意图逡逑运动的三维空间模型相对较为简单，为了准确反映渗流采用“流线”和“箭头”两种模型。其中流线法采用数值积分的流速大小，并以流速的方向为切线拟合流动曲线，此方水渗流方向及变化确实，具体计算过程如下：逡逑，在流线上取一微小线元也，其切线方向与渗流方向一

【参考文献】