地下水资源三维可视化动态监测结构模型的构建方法与流程

本发明属于地下水资源管理及可持续开发利用领域，尤其是一种地下水资源三维可视化动态监测结构模型的构建方法。

背景技术：

中国水资源总量并不丰富，人均占有量更低，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。大部分地区年内连续四个月降水量占全年的70%以上，连续丰水或连续枯水年较为常见。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。沿海地区过渡开采地下水，使得部分沿海地区地下水水位低于海平面，导致海水倒灌，地下水水质恶化，许多工业冷却设备被大量腐蚀，农田荒芜。由于过量开采地下水引发的地面沉降导致了地面裂缝，路基、建筑物、地下管道等下沉、开裂，堤防和河道行洪出现危机，对城市基础设施构成威胁。同时，我国地下水环境污染严重，地下水水质呈恶化趋势，由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，为政府制定有关政策提供科学依据，为地下水的可持续开发利用，城市经济、社会可持续发展服务，必须对地下水资源进行动态监测。

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。另外，现有地下水动态监测没有对水资源利用情况的动态监测功能，不能实时了解地下水开发利用现状。根据地下水资源保护的需要，急需一种可以实现水位实时观测与传输、水资源开发利用预警预报等功能的新方法和技术。

中国专利cn106248895b公开了一种地下水资源在线监测系统，包括传感器组，视频数据采集模块，监测中心，360度幻影成像模块，仿真模拟模块，虚拟传感器，地下水情况评估模块，专家评估模块，显示屏和人机操作模块。该专利通过北斗短报文通讯技术实时监测地下水环境情况并利用监测数据呈现地下水环境二维、三维图形，对于分析地下水污染及运移，开展地下水污染防治具有重要意义，但该专利主要是针对地下水水质等水环境方面的监测，且只是提供水环境三维图形，并不能实现通过建立三维水文地质结构模型对地下水水位、地下水资源量等信息的动态监测，也不能实现地下水资源开发利用预警预报等功能。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种通过对研究区地质、水文地质资料进行分析，布置地下水水位观测孔，并提供一种建立具有地下水资源开发利用程度自动分析、过渡开采预计预报功能的三维水文地质结构模型的方法，以实现地下水资源的动态监测、预警预报，为地下水资源的合理开采利用提供参考依据。该方法简单、实用、易操作，可以准确的对地下水资源进行动态监测。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种地下水资源三维可视化动态监测结构模型的构建方法，

包括以下步骤：

a．原始水文地质条件分析：收集研究区地质、水文地质资料，包括观测孔分布、地层、岩性、水位和水质，分析研究区岩层结构特征，分析各岩层顶底板标高和含水层水位动态特征，评价研究区地下水资源控制程度，确定控制程度较低的区域；

b.观测孔布置及水文信息观测：对控制程度较低的区域布置并施工观测钻孔，并在观测孔中安装水位水质遥测终端，实现含水层地下水水位和水质的实时观测，并将观测数据实时传输至监测系统中心；

c.观测孔岩层结构分析：对每一个观测孔岩层结构进行分析，通过岩层对比划分详细的岩层结构，并为每一层进行编号，计算每一层岩层的顶底板标；

d.模型数据采集：根据空间坐标对研究区进行各岩层顶底板标高和实时水位的水文数据的采集，并录入水文地质基础数据库；

e.三维水文地质结构模型构建：将采集的各岩层顶底板标高、实时水位等数据导入三维地下水模拟软件gms中执行三维水文地质结构模型的构建，并在模型中呈现实时水位；

f.根据各省《地下水位警戒线划定技术大纲》确定四条参考线：基准水位、黄色、橙色和红色警戒水位，并将四条水位线置于三维水文地质结构模型中，通过与实时水位线的空间位置对比实现地下水资源的动态监测；

g.卫星地图覆盖：覆盖研究区卫星地图，实现三维水文地质结构模型任意具体位置的切割可视化。

所述步骤a中原始水文地质条件分析具体包括：

a）收集整理研究区原有地质、水文地质资料，包括各类勘探报告及其附图、水文补勘报告及其附表附图，初步分析研究区地层结构特征及地下水主要含水层，确定需要动态监测的地下水目的含水层；

b）统计已有观测孔空间坐标、各岩层顶底板标高、目的含水层顶底板标高和水位数据，研究各岩层及目的含水层顶底板起伏变化及水位变化特征，根据含水层顶底板起伏变化及水位变化异常区确定控制程度较低的区域。

所述步骤b中观测孔布置及水文信息观测具体包括：

a）在确定的控制程度较低的区域布置新的水文观测孔，新的观测孔孔结合原有观测孔在总体和宏观上应能控制整个水文地质单元，须能反映所在区域地下水系的环境质量状况和地下水质量空间变化；能反映地下水补给源和地下水与地表水的水力联系；观测孔布设密度的原则为主要供水区密，一般地区稀；城区密，农村稀；地下水污染严重地区密，非污染区稀；尽可能以最少的观测孔获取足够的有代表性的环境信息；考虑监测结果的代表性和实际采样的可行性、方便性，尽可能选择在靠近村镇、地下水较为丰富的的地段选择布设观测点；

b）观测孔施工完毕后，安装水位遥测终端，测量水位和水温，并通过短信方式将测量数据发送至监测中心的手机模块，然后由监控计算机读取、显示、存储，确保水位数据的实时采集。

所述步骤c中观测孔岩层结构分析具体包括：通过对横向和纵向方向上观测孔的连线做岩层对比剖面图，分析研究区岩性结构成层性，并对典型岩性岩层编号，通过岩层对比分析，对不同观测孔相同层位进行依次编号；

a）对每一个原有观测孔及已施工的新观测孔进行岩性编录，绘制每一个钻孔柱状图和煤岩层对比图，通过煤岩层对比的方法确定各个岩层空间上的展布特征；

b）对每一个钻孔相同的层位进行id编号，编号id顺序由下到上逐渐增大，不同钻孔相同的层位编号相同，这样可以保证建模时依据编号id进行相同层位的连接。

所述步骤d中模型数据采集具体包括：

收集整理钻孔资料，对每一个钻孔揭露的各岩层顶底板标高和含水层水位进行采集，并录入水文地质基础数据库；

a）结合步骤c中的岩层编号id，对每个编号岩层的顶底板标高进行统计，并录入水文地质基础数据库，为三维水文地质结构模型的构建及三维可视化呈现提供数据；

b）结合步骤b中安装的水位、水温遥测终端，进行水位数据的实时采集，并录入水文地质基础数据库，为三维水文地质模型中等水位面的呈现提供数据。

所述步骤e中三维水文地质结构模型构建具体包括：将水文地质基础数据库中各岩层顶底板标高、实时水位等数据导入三维地下水模拟软件gms中执行三维地质结构模型的构建，并根据实际情况调整修改以实现水位在模型中的实时呈现；

a）按gms软件的要求和格式对数据分析整理后导入，导入时设定观测井名称、坐标，并设置数据类型为boreholedata，导入观测井岩性分层数据后生成观测井模型，并在gms软件中调整观测井模型的显示比例，变换gms软件观察角度并对观测井进行标注；

b）导入用autocad绘制的dwg格式的第四系边界文件，选择cadtofeatureobjects生成第四系模型边界，并选择redistribute|map→tin命令建立平面三角网格图，然后选择horizons→solids命令通过已经导入的观测井岩性分层数据自动生成各岩性实体，从而建立完整的三维地层结构模型。

所述步骤f中根据各省《地下水位警戒线划定技术大纲》确定四条参考线，具体包括：以地下水在开采过程中生态环境不遭受破坏的最低水位为划定地下水位警戒线的基准水位；黄色、橙色和红色警戒水位是为保障供水安全和保护生态环境设定的预警水位线。“黄色”为最轻警戒级别，“橙色”为较高警戒级别，“红色”为最高警戒级别；

a）基准水位采用含水层厚度比例法，该方法主要适用于孔隙水，可分为山前冲洪积平原孔隙水、山间河谷平原孔隙水、黄泛平原浅层孔隙水三种情况：

（1）山前冲洪积平原孔隙水：地下水位达到开发利用目标含水层组厚度的1/2时，定为基准水位；

（2）山间河谷平原孔隙水：地下水位达到开发利用目标含水层组厚度的2/3时，定为基准水位；

（3）黄泛平原浅层孔隙水：地下水位达到开发利用目标含水层组厚度的1/2时，定为基准水位；

b）地下水位警戒线的划定

（1）黄色警戒线。以基准水位为起点，基准水位以上满足3个月城乡生活和工业生产用水的正常供水水量即w3（工、生）所对应的代表水位作为黄色警戒线；

（2）橙色警戒线。以基准水位为起点，基准水位以上满足2个月城乡生活和工业生产用水的正常供水水量即w2（工、生）所对应的代表水位作为橙色警戒线；

（3）红色警戒线。以基准水位为起点，基准水位以上满足1个月城乡生活和工业生产用水的正常供水水量即w1（工、生）所对应的代表水位作为红色警戒线；

c）以上基准水位和警戒水位是结合不同孔隙水类型和含水层组厚度，采用以上所述比例确定一个平行于含水层底板坡度的水位面来划定的；

d）将确定的基准水位、黄色、橙色和红色警戒水位数据植入三维水文地质结构模型；

所述步骤g中卫星地图覆盖具体包括覆盖研究区卫星地图，实现三维水文地质结构模型任意具体位置的切割可视化；

a）下载研究区卫星地图并进行坐标矫正，并植入三维水文地质结构模型中，实现三维水文地质结构模型的精确定位；

b）基于卫星地图选择任意具体位置进行模型切割，可实现切割区域剖面岩层结构的三维可视化，同时实现基准水位、黄色、橙色和红色警戒水位线的呈现。

地下水模拟系统（groundwatermodelingsystem），简称gms，是美国brighamyounguniversity的环境模拟研究实验室和美国军队排水工程试验工作站在综合modflow、femwater、mt3dms、rt3d、seam3d、modpath、seep2d、nuft、utchem等已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的用于地下水模拟的图形界面软件。

本发明的有益效果是：

（1）利用布置的水位观测孔岩层资料建立了三维水文地质结构模型，并自动读取实时监测与传输的地下水水位数据，使得水位在三维水文地质结构模型中动态呈现，为地下水水位可视化监测提供了新途径。

（2）在模型顶部导入卫星地图后，三维水文地质结构模型可以实现在任意位置进行有目的切割，具体查看分析某一具体点的岩层结构和水位等信息。

在三维水文地质结构模型中置入水位基准线、黄色警戒水位线、橙色警戒水位线和红色警戒水位线，利用实时水位线与警戒水位线的空间位置关系自动分析水资源开发利用现状，实现水资源开发预警预报，避免地下水水资源过渡开采，达到了地下水资源动态监测的目的，对地下水资源合理开发利用及可持续发展具有重要的现实意义。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是观测孔布置图；

图3地层结构概化图；

图4三维水文地质结构模型图；

图5置入三维模型的水位警戒线显示图；

图6置顶卫星图的三维水文地质结构模型图；

图7三维模型切割剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

山东某市多年平均水资源量为4.19亿立方米，可利用量仅为2.3亿立方米，时空分布不均，受丰枯年份水量悬殊和海水入侵，水质污染的影响，以及城市工业快速发展，该市水资源已远远满足不了人民生活日益发展的工农业生产的需要，供需矛盾加剧。如果对地下水开采不加控制将导致地下水资源的过度开发利用，引起一系列的环境问题，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，防止新的地下水环境问题出现，必须对地下水资源进行动态监测。

参照附图1，一种地下水资源三维可视化动态监测结构模型的构建方法，采用的技术方案包括以下步骤：

1、水文地质条件分析

（1）收集整理研究区原有地质、水文地质资料，包括各类勘探报告及其附图、水文补勘报告及其附表附图，初步分析研究区地层结构特征及地下水主要含水层，确定需要动态监测的地下水目的含水层。

（2）统计已有观测孔空间坐标、各岩层顶底板标高、目的含水层顶底板标高、水位等数据，研究各岩层及目的含水层顶底板起伏变化及水位变化特征，根据含水层顶底板起伏变化及水位变化异常区确定控制程度较低的区域增加观测孔。

2、观测孔布置及水文信息观测

（1）参照附图2，该市其中一个河流流域部分区域控制程度较低，增加23个观测孔，新的观测孔孔结合原有17个观测孔在总体和宏观上应能控制整个水文地质单元，须能反映所在区域地下水系的环境质量状况和地下水质量空间变化；能反映地下水补给源和地下水与地表水的水力联系；观测孔布设密度的原则为主要供水区密，一般地区稀；城区密，农村稀；地下水污染严重地区密，非污染区稀。尽可能以最少的观测孔获取足够的有代表性的环境信息；考虑监测结果的代表性和实际采样的可行性、方便性，尽可能选择在靠近村镇、地下水较为丰富的的地段选择布设观测点。

（2）观测孔施工完毕后，安装水位遥测终端，测量水位、水温，并通过短信方式将测量数据发送至监测中心的手机模块，然后由监控计算机读取、显示、存储，确保水位数据的实时采集。

3、观测孔岩层结构分析

（1）对每一个原有观测孔及已施工的新观测孔进行岩性编录，绘制每一个钻孔柱状图和煤岩层对比图，通过煤岩层对比的方法确定各个岩层空间上的展布特征。

（2）参照附图3，对每一个钻孔相同的层位进行id编号，编号id顺序由下到上逐渐增大，不同钻孔相同的层位编号相同，这样可以保证建模时依据编号id进行相同层位的连接。

4、模型数据采集

（1）结合步骤3中岩层编号id，对每个编号岩层的顶底板标高进行统计，并录入水文地质基础数据库，为三维水文地质结构模型的构建及三维可视化呈现提供数据。

（2）结合步骤2中安装的水位、水温遥测终端，进行水位数据的实时采集，并录入水文地质基础数据库，为三维水文地质模型中等水位面的呈现提供数据。

5、三维水文地质结构模型构建

（1）按gms软件的要求和格式对数据分析整理后导入，导入时设定观测井名称、坐标，并设置数据类型为boreholedata，导入观测井岩性分层数据后生成观测井模型，并在gms软件中调整观测井模型的显示比例，变换gms软件观察角度并对观测井进行标注。

（2）导入用autocad绘制的dwg格式的第四系边界文件，选择cadtofeatureobjects生成第四系模型边界，并选择redistribute|map→tin命令建立平面三角网格图，然后选择horizons→solids命令通过已经导入的观测井岩性分层数据自动生成各岩性实体，参照附图4，建立完整的三维地层结构模型，并显示实际水位。

6、根据《山东省地下水位警戒线划定技术大纲》确定四条参考线

以地下水在开采过程中生态环境不遭受破坏的最低水位为划定地下水位警戒线的基准水位；黄色、橙色和红色警戒水位是为保障供水安全和保护生态环境设定的预警水位线。“黄色”为最轻警戒级别，“橙色”为较高警戒级别，“红色”为最高警戒级别。

1）基准水位采用含水层厚度比例法，该方法主要适用于孔隙水，可分为山前冲洪积平原孔隙水、山间河谷平原孔隙水、黄泛平原浅层孔隙水三种情况：

（1）山前冲洪积平原孔隙水：地下水位达到开发利用目标含水层组厚度的1/2时，定为基准水位。

（2）山间河谷平原孔隙水：地下水位达到开发利用目标含水层组厚度的2/3时，定为基准水位。

（3）黄泛平原浅层孔隙水：地下水位达到开发利用目标含水层组厚度的1/2时，定为基准水位。

2）地下水位警戒线的划定

（1）黄色警戒线。以基准水位为起点，基准水位以上满足3个月城乡生活和工业生产用水的正常供水水量即w3（工、生）所对应的代表水位作为黄色警戒线。

（2）橙色警戒线。以基准水位为起点，基准水位以上满足2个月城乡生活和工业生产用水的正常供水水量即w2（工、生）所对应的代表水位作为橙色警戒线。

（3）红色警戒线。以基准水位为起点，基准水位以上满足1个月城乡生活和工业生产用水的正常供水水量即w1（工、生）所对应的代表水位作为红色警戒线。

3）以上基准水位和警戒水位是结合不同孔隙水类型和含水层组厚度，采用以上所述比例确定一个平行于含水层底板坡度的水位面来划定的。

4）参考附图5，将确定的基准水位、黄色、橙色和红色警戒水位数据植入三维水文地质结构模型，呈现警戒线与实际水位线的空间位置关系。

7、卫星地图覆盖

覆盖研究区卫星地图，实现三维水文地质结构模型任意具体位置的切割可视化。

a）参考附图6，下载研究区卫星地图并进行坐标矫正，并植入三维水文地质结构模型中，实现三维水文地质结构模型的精确定位。

b）参考附图7，基于卫星地图选择任意具体位置进行模型切割，可实现切割区域剖面岩层结构的三维可视化，同时实现水位基准线、黄色、橙色和红色警戒水位线的呈现，从附图7区域实际水位线和警戒线的关系可以看出，生活生产依赖的地下水实际水位位于黄色警戒线与橙色警戒线之间，表明此区域水位已经进入预警范围，接近橙色较高警戒级别，后期需注意控制地下水开采及采区一定措施节约用水。而实际此区域水资源短缺，地下水开采过渡，相关管理部门已经制定措施控制地下水资源过渡使用，表明该动态监测地下水资源的发明方法的可靠性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。