第15卷 1997年 第4期
12月
河 南 地 质
HEN AN GEOLOGY
V ol.15 N o.4
Dec. 1997论水文地质概念模型的建立
皇甫行丰①
(河南省地矿厅第一水文地质工程地质队)
摘 要 本文结合小杨庄水源地重点介绍了建立水文地质概念模型的体会,强调了建立概念模型
前,一定要对水文地质条件进行全面分析,以使数学模型尽量符合实际原型。
关键词 水文地质概念模型,计算目的层,关键链,原型
中图法分类号 P333
目前评价地下水资源的方法很多,如解析法,开采试验法、水量均衡法、系统分析法和数值法等。虽然每种方法都有各自的适用条件,但存在一个共同点,都需要建立切合水文地质实际条件的概念模型。
所谓水文地质概念模型就是对从现场和实验中所收集数据的综合;也即表示有关含水层结构和作用以及含水系统特征方面数据的图。它是依据现场所收集到的数据建立起来的,是水文地质理论研究和应用之间的一个环节,是地下水资源评价和管理的重要基础。正确的水文地质概念模型,应该综合地下水系统的基本特征,反映地下水系统整体存在、整体运动的特点,为地下水系统模型化奠定基础。笔者以新乡火电厂小杨庄水源地为例,浅谈对建立概念模型的理解和体会。
1 计算目的层的确定
建立概念模型首先要在认真收集、整理和分析已有水文地质资料的基础上,确定计算目的层,进而勾画出地下水实体系统的内部与外部边界。
水源地勘查中,根据含水层岩性、富水性、水质及补、径、排条件,可以划分若干含水层组。一般将单井涌水量大、水质好,可以做集中供水为目的层的含水层组作为计算目的层。
新乡火电厂小杨庄水源地位于新乡市东部,地处黄河冲积平原。地下水属第四系冲积平原孔隙水类型。区内含水层有多层,其中有一层分布稳定、厚度大的粉质粘土层,将地下水分为两个含水组。第一含水组为潜水,底界埋深75～85m,含水介质为粗砂、中砂,单层厚20m左右,累计厚50～70m,单位涌水量大于15m3/h·m,为淡水;第二含水组为承压水,底界埋深
①作者简介:皇甫行丰,男,31岁,1985年毕业于长春地质学院,工程师,水文地质与工程地质.邮编453002,河南省新
乡市北干道23号
收稿日期:1996—10—30;改回日期:1996—11—06
140～155m ,含水介质为细砂,单层厚5～10m ,累计厚20.7～52.5m ,单位涌水量4～6m 3
/h ·m ,为微(半)咸水。两个含水组之间有12m 左右的粉质粘土层。勘探期间施工探采结合井15眼,井深71～89m ,进行了长达33天的群孔干扰抽水试验,总出水量 5.62万m 3/d 。因此,以群抽利用的第一含水组作为本次计算目的层。
2 计算区范围及边界条件
2.1 水平边界
计算目的层明确后,根据评价要求,应圈定出计算区的范围。一般情况下,计算区最好是一个独立的天然水文地质系统,它具有自然边界,便于较准确地利用其真实的边界条件,避免人为边界在资料提供上的困难和误差。但在实际工作中,常常不能完全利用自然边界,这就需要充分利用勘查和长观资料等建立人为边界。
对小杨庄水源地来讲,勘查范围远未波及水文地质单元边界,因此选择群抽影响范围及其附近地区作为计算域。相应的边界条件则以实测的变水头边界来概化,边界水位变化规律依据实际观测值。2.2 垂向边界
计算区内第一含水组的顶部为透水边界,一方面接受大气降水入渗补给、引黄灌渠渗漏补给等;另一方面通过地表蒸发、人工开采、河流泄流进行排泄。
第一含水组底板为厚12m 左右的粉质粘土构成的弱透水层,处理起来比较复杂。这是因为在开采过程中,第二含水组向第一含水组的越流补给,不仅存在量的运移,而且存在质的交换。从安全角度出发,并能较准确地预测水质变化。我们将第一含水组底板概化为双重性:一方面在进行第一含水组资源评价时,根据弱水层分布连续稳定、隔水性能较强的特点,将其作为隔水底板,但在计算时必须将越流量予以刨除;另一方面考虑到第二含水组水质较差,第一含水组在水源地开采后,随着水位的降低,在开采漏斗一定区域内,当第一含水组地下水位低于第二含水组水位时,将有部分质量较差的第二含水组地下水向第一含水组越流(图1)。为了较准确地预测第一含水组地下水质随开采时间的延长而发生的变化,又将其作为弱透水边界处理。
3 含水层内部结构及水力特征
3.1 内部结构
含水层内部结构概化主要包括含水层类型、空间分布状态以及参数分布规律等。小杨庄水源地计算目的层属潜水含水层。
经单孔、多孔、互阻、大型群孔干扰抽水试验结果分析,计算区内含水层无明显的各向异性现象,可作为非均质各向同性介质处理。
计算区可分为五个参数区:弱径流区、中等径流区、较强径流区、强径流区、极强径流区。3.2 水力特征
含水层水力特征的概化主要包括三个方面:一是渗流是否符合达西流;二是水流呈平面运
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动还是三维运动;三是水流呈稳定流还是非稳定流。图1 越流形成条件示意图Fig.1 Fo r ma tio n co ndition o f leakag e
①—第一含水组初始水位;②—第二含水组初始水位;③—开采条件下第一含水组水位;④—开采条件下
第二含水组水位
对小杨庄水源地来说,计算区地下水呈非稳定流状态,水流符合达西定律。考虑弱透水层的垂向渗透系数(K Z =0.004～0.008m /d )远小于第一含水组的渗透系数(K =11.0～20.8m /d )的实际情况,依据地下水动力学原理:当K Z <0.01K 时,可以近似地认为含水层中的地下水作水平流动,而弱透水层中的地下水仅作垂直流动,其误差不会超过5%,因此全区可概化为平面二维流。
4 开采量概化
对计算区内的井位、井数及开采动态,都
应进行调查统计。一般情况下,对开采井数较多且井位集中的,可在小面积上概化成局部的开采强度或开采大井(点源);对于井位分散且均匀的,则可在大面积上概化成平均开采强度。
小杨庄水源地开采量概化是按三种情况处理的。对工业较发达的乡镇,根据调查统计的开采量,概化为点井;乡镇以外的农业开采量统计,是按照渠灌区、井灌区年浇灌次数、灌溉定额进行统计,概化为不同灌区上的开采强度;对于计算区内的人、畜饮用水量,按需水定额进行统计,概化为全区内的开采强度。
5 初始条件
根据计算区内所有观测孔、抽水孔(井)和地表水位资料,编制计算区在初始时刻的等水位线图,最后求出所需各点的水位。计算机模拟初始流场,只适用于被校正后的数学模型,否则模拟的初始流场可靠性不大。
6 数学模型的识别与检验
根据上述建立的水文地质概念模型,就可以抽象出数学模型。通过对数学模型的识别,校正了计算区的水文地质参数、微分方程以及边界条件等,但其可靠性,还需利用历史水位进行验证。识别和验证标准以计算误差的精度(拟合精度)作为判别依据,至于拟合达到怎样的精度才算合乎要求,目前尚没有一个公认的统一标准。一般情况下,拟合的相对误差小于时段水位变幅的5%即可。本次对小杨庄水源地的有限元计算,模型识别阶段和检验阶段水位拟合误差多在0.20m 以内(表1)。
在模型识别和检验过程中,需特别注意的是,若计算结果不理想,与观测孔相比误差太大,或得出的参数背离水文地质条件时,要仔细检查模型是否真实地反映了地质体,是否遗漏了某个主要因素,在对条件的认识上是否有缺项,对边界的处理是否正确等,切勿不查原因而单纯
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追求拟合结果去硬凑。
表1 计算区拟合结果统计表Table 1 Fitting results of calculated area
观测孔号拟合误差(m )
模型识别阶段模型检验阶段时段1时段2时段3时段4时段5时段6G30.080.090.03-0.17-0.020.11C 3-0.030.05-0.04-0.200.170.15C 210.220.010.070.220.09-0.21C 10.020.000.170.16-0.020.01G230.230.13-0.090.010.020.08S150.110.110.18-0.100.08-0.14C230.090.01-0.290.06-0.170.17S80.120.090.000.110.130.25C6-0.170.130.11-0.170.01-0.16G8-0.050.260.220.100.040.09G140.020.05-0.050.28-0.160.27S150.130.09-0.030.150.05-0.17S 190.270.20-0.150.030.11-0.03S 13-0.010.020.18-0.070.120.05T 2780.050.140.270.100.08-0.22T 163-0.150.160.08-0.16-0.200.04T283-0.130.22-0.090.230.150.21T1640.210.00-0.200.21-0.04-0.08T1280.210.07-0.01-0.15-0.010.11T1330.140.120.120.030.150.01T950.120.310.16-0.03-0.230.00T260.160.11-0.04-0.15-0.14-0.16T9
0.14
0.00
-0.23
0.22
0.09
0.22
7 两点体会
一是,查明水文地质条件和建立地下水资源计算模型(数学模型和经验模型)之间,存在着一个关键链,即水文地质概念模型。通过概念模型才能把水文地质条件和数学模型、经验模型有机地结合起来,达到地下水资源评价的真正目的。只有建立了正确的水文地质概念模型,才有可能建立合适的数学模型,确定相应的计算参数;因此建立概念模型时,必须对当地水文地质条件做细致而严谨的研究,全面完整地把握水文地质条件的各个方面,据此构成的模型,才
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是原型的抽象,才能用于模拟;否则就容易造成模型的识别错误。
二是,水文地质概念模型的确立过程,是对复杂的地下水系统的客观实体进行宏观上的抽象处理(包括含水层结构、水力条件和边界条件的处理),这种处理必须保持地下水系统内渗流场、水化学场的基本特征不变,而仅仅是对某些局部细节作适当的处理。由此可见,建立的概念模型,无论是边界条件、内部结构等均要概化合理,最大限度地反映原型。在计算机、数学模型普遍推广的今天,因定量手段的提高,对搞清水文地质条件的要求就更严、更细。因此说,数值法计算本身不单是一种计算方法,它也是深刻全面认识水文地质条件的一个重要手段。
参 考 文 献
1 殷昌平等.地下水水源地勘查与评价.北京:地质出版社,19932 薛禹群主编.地下水动力学原理.北京:地质出版社,1986
O N THE ESTABLISHMENT OF HYDROGEOLOGICAL
CONCEPTUAL MODEL
Huang fu Xingfeng
(No .1Hydrogeological and Engineering Ge ological Party ,Department of Ge ology and Mineral Resources of Henan Provinc e ,X inx iang City ,453002,China )Abstract
The ex perience to establish hydro geological conceptual mo del in co mbination with Xi-aoya ng zhuang wa terso urce field has been introduced em phatically in this paper.The autho r underlines that befo re the establishm ent of co nceptual model the hydrogeological condition m ust be ov erall ana lyzed to co nfo rm the mathema tical model as fully as possible to actua l pro to ty pe.
Key words hydrog eo logical co nceptual model,caculated aquifer,key link,
prototype
更 正
《河南地质》1997年第15卷第3期199页第15行“国际本位制(SI)词头及其应用”应为“国际单位制(SI )词头及其应用”。特此更正,并向读者致歉。
本刊编辑部
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8.1 一般规定 8.1.1 水文地质参数的计算，必须在分析勘察区水文地质条件的基础上，合理地选用公式（选用的公式应注明出处）。 8.1.2 本章所列潜水孔的计算公式，当采用观测孔资料时，其使用范围应限制在抽水孔水位下降漏斗坡度小于1/4处。 8.2 渗透系数 8.2.1 单孔稳定流抽水试验，当利用抽水孔的水位下降资料计算渗透系数时，可采用下列公式： 1 当Q～s（或Δh2）关系曲线呈直线时， 1）承压水完整孔： (8.2.1-1) 2）承压水非完整孔： 当M>150r，l/M>0.1时： (8.2.1-2) 或当过滤器位于含水层的顶部或底部时： （8.2.1-3）
3）潜水完整孔： （8.2.1-4） 4）潜水非完整孔： 当>150r，l＞0.1时： （8.2.1-5） 或当过滤器位于含水层的顶部或底部时： （8.2.1-6）式中K——渗透系数（m/d）； Q——出水量（m3/d）； s——水位下降值（m）； M——承压水含水层的厚度（m）； H——自然情况下潜水含水层的厚度（m）； h——潜水含水层在自然情况下和抽水试验时的厚度的平均值（m）； h——潜水含水层在抽水试验时的厚度（m）； l——过滤器的长度（m）； r——抽水孔过滤器的半径（m）；
R——影响半径（m）。 2 当Q～s（或Δh2）关系曲线呈曲线时，可采用插值法得出Q～s 代数多项式，即： s＝a1Q+a2Q2+……a n Qn （8.2.1-7） 式中a1、a2……a n——待定系数。 注：a1宜按均差表求得后，可相应地将公式（8.2.1-1）、（8.2.1-2）、（8.2.1-3）中的 Q/s和公式（8.2.1-4）、（8.2.1-5）、（8.2.1-6）中的以1/a1代换，分别进行计算。 3 当s/Q （或Δh2/Q）～Q关系曲线呈直线时，可采用作图截距法求出a1后，按本条第二款代换，并计算。 8.2.2 单孔稳定流抽水试验，当利用观测孔中的水位下降资料计算渗透系数时，若观测孔中的值s（或Δh2）在s（或Δh2）～lgr关系曲线上能连成直线，可采用下列公式： 1 承压水完整孔： （8.2.2-1） 2 潜水完整孔： (8.2.2-2) 式中s1、s2——在s～lgr关系曲线的直线段上任意两点的纵坐标值（m）； ——在Δh2～lgr关系曲线的直线段上任意两点的纵坐标值（m2）； r1、r2———在s（或Δh2）～lgr关系曲线上纵坐标为s1、s2（或）的两点至抽水孔的距离（m）。
1、什么是储层地质模型？为什么要建立三维储层地质模型？ 答：储层地质模型是指能定量表示地下地质特征和各种储层（油藏）三维空间分布的数据体，一个完整的储层地质模型应包括构造模型、沉积模型、储层模型和流体模型等。 三维储层地质建模是从三维的角度对储层的各种属性进行定量的研究并建立相应的三维地质模型，其核心是对井间储层进行三维定量化及可视化的预测，与传统的二维储层研究相比具有以下的优势： 1）更客观地描述并展现储层各种属性的空间分布，克服了用二维图件描述三维储层的局限性。三维储层建模可以从三维空间上定量的表征储层的非均质性，从而有利于油藏工程师进行合理的油藏评价及开发管理。 2）更精确地计算油气储量。在常规的储量计算时，储层参数（含油面积、有层厚度、孔隙度、含有饱和度等）均用平均值表示，这显然忽视了储层非均质性的影响。应用三维储层模型计算储量时，储量的基本计算单元是三维空间上的网格（分辨率比二维高得多），因为每一个网格均附有储集体（相）类型的孔、渗、饱等参数。因此，通过三维空间运算，可计算出实际的含油储集体（砂体）体积、孔隙体积及油气体积，其计算精度比二维储量计算高得多。 3）有利于三维油藏数值模拟。三维油藏数值模拟要求有一个把油藏各项特征参数在三维空间上定量表征出来的地质模型。粗化的三维储层地质模型可以直接作为油藏数值模拟的输入器，而油藏数值模拟成败的关键在很大程度上取决于三维储层地质模型的准确性。 2、如何理解储层概念模型、静态模型和预测模型？它们有何异同？ 答：储层概念模型是指把所描述油藏的各种地质特征，特别是储层，典型化、概念化，抽象成具有代表性的地质模型。只追求油藏（储层）总的地质特征和关键性地质特征的描述，基本符合实际，并不追求所有局部的客观描述。 静态模型也称实体模型，是把一个具体研究对象(一个油田、一个开发区块或一套层系)的储层，依据资料控制点实测的数据将其储层表征在三维空间的变化和分布如实的描述出来而建立的地质模型，并不追求控制点间的预测精度。 预测模型不仅忠实于资料控制点的实测数据，而且追求控制点间的内插与外推值具有相当的精度，并遵循地质和统计规律，即对无资料点有一定得预测能力。 概念模型、静态模型和预测模型的区别： 1）研究阶段的区别。概念模型应用于油田的勘探与开发早期；静态模型应用于油田开发中期，一般是开发井网完成后进行；预测模型应用于油田开发后期。 2）研究方法的区别。概念模型一般以储层地质学（沉积学）和写实的描述方法为基本手段，尽可能直接利用岩心资料来建立概念模型，避免依赖测井解释等间接资料；静态模型的研究方法主要是在概念模型的基础上，充分应用开发井的各种资料，采用地质统计学方法来描述储层在二维或三维空间的实际特征；预测模型主要是采用随机建模技术，即将等概率的随机抽样方法（蒙特卡洛）与确定性的插值方法（克里金）相结合，所形成的地质统计学
增刊(总第114期)山西水利科技(To tal No.114) 1996年12月SHANXI HYDROT EC HNICS Dec.1996太原地区水文地质概念模型 冯玉明 常发强 (太原市水利科学研究所) (山西省水利职工大学) 文摘 本文在系统全面分析了太原地区的地质条件、构造发育特征、水文地质条件、地下水含水介质的岩性特征、地下水类型及其赋存分布规律、地下水流系统及水动力场、水文地球化学特征和水同位素特征的基础上,对太原地区的水文地质概念模型进行了概化,尤其对多年来人们一直争论的兰村泉域、晋词泉域以及东山娘子关泉域及其边界和它们之间的联系进行重新划分和充分的论述。 主题词 地下水 泉 水文地质 概念模型 水补给 水文分析 自由词 兰村泉域 晋祠泉域 娘子关泉域。 1 前 言 一个地区的水文地质概念模型是在全面系统地分析该区含水介质的岩性特征、水循环条件、水化学场、水动力学特征及水同位素分布特征的基础上建立的,是地下水资源评价的基础和依据。 同时,一个地区水文地质概念模型的合理概化,对于该地区地下水资源的科学规划,合理开发利用,水污染的防治和水源保护以及水行政主管部门对水资源进行分区目标管理,总量控制等都是至关重要的。 笔者在国家“七五”科技攻关项目75570306《太原市水资源系统规划和调度优化》中,对太原地区水文地质概念模型进行了概化,依此进行地下水资源评价,取得了满意的结果。太原地区水文地质概念模型图见图1。 图1 太原地区水文地质概念模型 · ·6
2 系统分区 根据地下水类型、含水层岩性、富水特征、水流型式、水循环条件、水化学及水同位素特征将太原地区地下水系统进一步划分为五个系统,即西山岩溶裂隙水系统、北山岩溶水系统、东山岩溶裂隙水系统、娄烦裂隙岩溶水系统及盆地区孔隙水系统。 3 系统边界 太原地区地下水系统边界:北部以石岭关、康家会至柳科府断裂构造带为界,与北部变质岩地区接壤,为二类隔水边界;北东部边界受系山断裂带的控制,北部为变质岩地区,为二类隔水边界;东部边界位于杨兴乡善都至盂县西烟一带,为一地下水分水岭,边界水位约1020m,东侧的温川水位980m,西侧阳曲盆地水位小于820m,东南边界由北东向的寺家坪张家河断裂带组成,断裂带伴有岩脉侵入,东段边界上寒武系高于1600m以上,远高于两侧地下水位,为一隔水边界,其西段龙王堂至张家河为一开放段。南部孔隙水边界以行政区划为界。西部边界南段以狐堰山山字型挤压构造带为界,为二类隔水边界。北段以娄烦县与外地区的行政区划界线为界,边界含水层均为变质岩系,亦视其为隔水边界。总体上看,系统的西、北、东三面高,向南及东南倾伏,呈簸箕状,下面就系统内部边界作一简述: 娄烦裂隙岩溶水系统与西山岩溶裂隙水系统以狐堰山山字型构造为分界,为二类隔水边界,位于柳科府、罗家曲至白家滩一线。 西山岩溶裂隙水系统与北山岩溶水系统的分界:北段以柳林河为界,河谷中出露地层为下奥陶统,主要含水岩层奥陶系中统上下马家沟组均被切割,而下奥陶统在太原地区普遍具有相对隔水,可视为隔水边界,南段以横跨汾河的北石横背斜至王封地垒为界,北石横背斜核部地层为寒武系,出露于汾河河谷,由于该背斜的阻隔作用,形成玄泉寺泉群,并与兰村泉分开。 北山岩溶水系统的南部边界为三给隐伏地垒,地垒上岩溶水位616m,北侧兰村水位800m,南侧白家庄岩溶水位806m,亦为一地下分水岭。 北山岩溶水系统与东山岩溶裂隙水系统的分界:北部为田家梁背斜,南部为东山背斜,背斜核部奥陶系被抬升于区域岩溶水位之上,可视其为隔水边界。 山区岩溶裂隙水系统与盆地区孔隙水系统的分界为东西边山断裂带,一般为弱透水边界,唯土堂断裂北段(兰村)为一强透水边界。 4 含水介质 (1) 娄烦裂隙岩溶水系统,地下水类型为变质岩裂隙水和少量碳酸盐岩类岩溶水,含水介质主要为前寒武系变质岩。 (2) 西山岩溶裂隙水系统,地下水主要为奥陶系碳酸盐岩类岩溶水,上覆石碳二迭系碎屑岩裂隙孔隙水,含水介质主要为奥陶系中统上下马家沟组和峰峰组石灰岩,径流排汇区上覆石炭二迭系碎屑岩。 (3) 北山岩溶水系统,地下水类型为碳酸盐岩类岩溶水,含水介质主要为奥陶系中统上下马家沟组石灰岩。 (4) 东山岩溶裂隙水系统,地下水类型主要为碳酸盐岩类岩溶水,含水介质主要为奥陶系统上下马家沟组和峰峰组石灰岩,上覆石岩二迭系碎屑岩。 (5) 盆地区孔隙水系统,含水介质为第四系下更新统至全新统松散堆积物砂砾石层和砂层。 5 水流型式及水动力特征 · ·7
第二章 地下水污染调查与监测 第二章 地下水污染调查与监测 (1) 第一节污染场地水文地质调查 (1) 一、初步场地勘察及初始评估 (2) 二、初步野外调查 (4) 三、详细场地调查 (4) 四、野外试验与室内实验 (6) 五、调查工作的总结及报告的编写 (11) 第二节 地下水污染调查与监测 (12) 一、污染源与污染途径的调查 (12) 二、调查范围与水化学监测网设计 (13) 三、地下水样采集与保存 (14) 四、现场分析与监测 (15) 五、地下水化学数据分析 (16) 第一节污染场地水文地质调查 污染场地水文地质调查是地下水污染研究的基础和出发点。其主要目的是： （1）探测与识别地下污染物； （2）测定污染物的浓度； （3）查明污染物在地下水系统中的迁移特性； （4）确定地下水的流向和速度，查明主径流向及控制污染物运移的因素，定量描述控制地下水流动和污染物运移的水文地质参数。 为实现以上目的，必须确定一个严格的、针对特定场地的调查程序。 表4-1污染场地水文地质调查的主要步骤 步骤工作内容 已有资料的搜集整理 步骤1初步场地踏勘和初始评估 场地踏勘 确立初步的水文地质概念模型 布置初始监测孔 步骤2初步野外调查 大体厘定含水层 开展其它野外工作 扩充监测孔网及沉积物采样 步骤3详细现场调查和试验 获取水文地质参数，评估污染物运移途径 步骤4编写报告 绘制平面及剖面流网 列出重要物理参数值
总结（报告）及对以后的监测工作进行安排 一、初步场地勘察及初始评估 这一阶段包括已有资料的搜集整理和场地踏勘。该阶段的目的是： （1）描述场地的基本地质特征及对已搜集整理资料信息进行验证； （2）搜集当地的水文资料，包括降雨和地表排水； （3）搜集有关污染源和污染特性的资料； （4）确立或改进地下水系统概念模型； （5）评价与健康和安全有关的潜在问题。 （一）搜集前人资料 1 污染现场历史资料 在第一阶段调查中最关键的资料涉及有以下几个方面： １）.已知污染物或可能存在的污染物的性质 ２）.污染物的来源或可能来源 ３）.污染程度 ４）.健康与安全 2 地质与水文地质资料 前人的现场调查报告可以提供有关地形、岩土体和填埋材料的厚度及分布、含水层的分布、基岩高程、岩性、厚度、区域地质条件、构造特征（例如基岩中的断层）等方面的资料。 3 水文资料 调查内容包括地表水的位置、流动情况、水质、与地下水的联系方式等。 如果可能的话，已有资料还应包括场地水文地质平面图、剖面图及初步的概念模型。 （二）初步现场踏勘 在这一阶段，应完成以下重要的踏勘任务：
数学模型在地质学中的应用 一、绪论 数学模型是一门新兴学科，是数学理论与实际问题相结合的一门科学．数学模型就是通过研究观察到的现象及实践经验，将其归结成一套反映其内部因素数量关系的数学公式、逻辑准则和具体算法，用以描述和研究客观现象的运动规律．它将现实问题归结为相应的数学问题，并在此基础上利用数学的概念、理论和方法进行深入的分析和研究，从定性或定量的角度描述实际问题，并为解决现实问题提供精确的数据和可靠的指导．数学建模是指建立数学模型，是运用数学的语言和方法，通过抽象、简化等方法来建立能够近似描述和解决实际问题的一种强有力的数学手段． 数学模型的应用相当广泛，在分析与设计、预报与决策、控制与优化、规划与管理等方面都发挥了巨大的作用，取得了良好的社会效益和经济效益，为世人所瞩目，成为知识经济的推动力．同样，在广泛的地质学领域中，数学建模也处处存在，数学建模的存在，将地质学的发展推向了一个新的浪潮，可能有希望将地质学从一门定性科学转换成为一门定量科学[1]．如今，在地质学的众多分支学科中，数学模型都得到了极其广泛的应用． 本文主要运用数学模型来分析地质学中的一些实际问题，并把两者有机的结合起来，拓宽数学模型的发展领域，增加其对实践的指导意义，并为地质学的研究与发展提供新的方法． 二、数学模型在矿产资源评价中的应用 在矿产资源评价中，地质模型和数学模型的结合点是按有效的成矿理论建立区域成矿模式，然后用数学模型逼近，确定成矿地质条件与矿产资源量之间的关系，建立定量评价模型．简言之，矿产资源定量评价模型是用数学语言阐明地质条件与矿产资源量之
间的关系[2]．矿产资源评价中的数学模型是实现定量评价的工具，在矿产资源评价的实际工作中使用的数学模型可以是概率统计模型，也可以是确定性模型．1973年，D．P．Harris确定了矿产资源量（R）与地质条件（g1、g2、……、g n）之间的数学关系： R= f（g1、g2、……、g n）+ e + μ（1）式中，f为g1、g2、……、g n的函数，在一般情况下指评价使用的数学模型；e为函数f（g1、g2、……、g n）的估计误差；μ与g1、g2、……、g n以外的地质变量有关．公式（1）表明了地质模型转化为数学模型的基本原理，同时也表明了可以用数学模型来沟通矿产资源量与地质环境．从中也可以看到采用合理的数学模型描述矿产资源与地质条件之间关系是矿产资源评价实践的关键． 随着数学模型的引进，矿产资源的评价进入了新的时代，用数学模型评价矿产资源，用经济指标圈定矿体成为主流．对于用经济指标圈定矿体，一种指标代替多种指标，不仅方便快捷，而且是经济合理的．下面介绍评价矿产资源的几个常用模型．矿产资源经济指数计算公式： σt=[(P0+△P t)/P0]/[(Q0+△Q t)/Q0]=αt/βt （2）式中，σt为矿产资源经济指数；P0、αt分别为基准年和t年矿产资源工业储量潜在价值及指数；Q0、βt分别为基准年和t年沿海地区工业总产值及指数；△P t、△Q t分别为矿产潜在价值增量与工业总产值增量． 矿山资产评估模型（此处为期权定价的Black-Sholes模型）： C=e-r T [FN(d1)-XN(d2)] （3）其中d1=[ln(F/X)- (σ2/2)T]/ σ[(T)1/2]，d2= d1-σ[(T)1/2]． 式中，C为欧式看涨期权的价格；X为执行价格；T为一年表示的权利期间的长短；
地下水数值模拟在我国——回顾与展望——为《水文地质工程地质》创刊40年而作 薛禹群 吴吉春(南京大学地球科学系,南京 210093) 今年《水文地质工程地质》将迎来它创刊40周年。40年来,它为发展我国的水文地质工程地质事业,提高我国水文地质学和工程地质学的整体水平作出了不可磨灭的贡献。回顾过去,成绩斐然;展望未来,前景灿烂。仅以此文纪念《水文地质工程地质》双月刊创刊40周年。 1 概貌 我国自1973年以来在地下水的数值模拟方面发展很快,它的应用已遍及与地下水有关的各个领域和各个产业部门。高校、科研院所与生产部门相结合,已运用数值模拟解决了很多国民经济建设中急需解决的各类问题,其中包括: 水资源评价问题(包括供水、排水、水利等各类问题中的地下水水位或压强预报和水量计算等);地下水污染问题,水2岩作用和生物降解作用的模拟;非饱和带水分和盐分运移问题;海水入侵、高浓度咸水 卤水入侵问题;热量运移和含水层贮能问题;地下水管理与合理开发、井渠合理布局和渠道渗漏问题;地下水2地面水联合评价调度问题;地面沉降问题;参数的确定问题。它所涉及的地质情况多种多样,有潜水,也有承压水;有单个含水层的情况,也有多个含水层存在越流的情况,以及种种复杂的地质构造和岩相变化情况。由此,探讨了相应的模型概化与边界条件的处理。模型有二维的(平面的、剖面的),也有三维的,但以二维为主。虽然国内一共建立了多少个模型无法精确统计,但从有限的资料可以看出,从模型类型上看,按国际地下水模拟中心(IG WM C)的分类,几种类型的模型我们都有了,即: (1)预报模型包括水流模型 物质运移模型(溶质运移模型);热量运移模型;形变模型;多目标模型。 (2)管理模型; (3)识别模型其中大部分(估计在90%左右,甚至有可能超过)是预报模型,用来预测水流、污染物、热量、地面变化的时空变化,包括水资源(水量)评价、矿山涌水量、渠系及水库渗漏量预测等。在这些模型中以水流模型为主(80年代早期以前基本上是清一色的水流模型),溶质运移模型次之,其它几类模型占的比例很少。水流模型有饱和的、非饱和的、饱和2非饱和的、地下水2地表水联合的几类,以饱和带模型为主。同时考虑地下水2地表水的模型只是个别的、探讨性的。水流模型一般只考虑均质流体,非均质流体的水流模型则是作为子模型和盐分运移子模型同时处理的。溶质运移模型在我国多数是处理低浓度的水质(地下水污染)问题。因此,由水流方程和对流2弥散方程分别组成的两个子模型可以独立求解,运动方程也以传统的达西定律为基础。只有少数研究海水入侵、卤水 咸水入侵和污水中高浓度污染物运移问题中,密度、粘度要由状态方程决定。此时,上述两个子模型要耦合起来求解。迭代法是解这类问题常用的解法。我国最早的三维可混溶海水入侵模型,是在80年代末期建立的。根据《W ater R esou rces R esearch》的评审意见,该模型发展了潜水含水层条件下的海水入侵模型。在此以前,国际上一直把潜水含水层简化作承压含水层处理,以回避处理降水入渗、潜水面波动对溶质运移的影响。在我国这些海水入侵、卤水 咸水入侵模型以及以后将要谈到的热量运移模型、运动方程中,除了根据传统的达西定律考虑以水头梯度为基础的强迫对流外,还考虑了自然对流。卤水 咸水入侵由于浓度高还考虑了由于粘滞性产生的切应力对水流运动的阻滞。溶质运移模型中,只考虑污染物运移的模型在我国粗略看来略多于同时考虑吸附、解吸等的模型。少数模型已深入探讨了海水入侵过程中,水2土间发生的N a+2Ca2+、M g2+2Ca2+阳离子交换。但,处理更为复杂的如氮素生物化学转换的模型尚未见报导。我国研究热量运移、形变的模型不多,且都和一些大城市的地面沉降及为控制地面沉降进行的回灌联系在一起。热量运移模型,已考虑了与热量运移有关的各种主要因素(对流、传导、热机械弥散、自然对流、水
地下水的概念P1：地下水是赋存于地表以下岩石（土）空隙中各种形态的水的总称。既有液态的水液，也有气态的水汽，也包括固态的水冰，还有介于它们之间其他形态的水。 地下水的功能属性P2：地下水的资源属性，地下水是生态因子，地下水是环境（灾害）因子，地下水是一种重要的地质营力，地下水是地球深部的信息载体。 水文地质学的研究方法P4：野外调查，野外试验，室内试验，遥感，地球物理勘察，信息技术的应用。 第一章水循环与地下水赋存 1、了解地球内部圈层构P7 地球圈层构造划分表 地球外部圈层：由五个大致成层分布的自然子系统组成，按照性质可以分成3类。即3个无机子系统———大气圈、水圈、岩石圈。1个类有机子系统———土壤圈。1个有机子系统———生物圈。 2、地球水圈可以划分为地质水圈和水文水圈。P9 3、地球上的水循环P10：地球各个圈层中的水相互联系、相互转化的过程统称为大气水的水循环，又叫做自然界的水循环。按其循环途径的长短、循环速度的快慢以及涉及层圈的范围，可分为地质循环和水文循环两类。 4、岩石（土）介质中水的存在形式P17页
5、赋存介质的水理性质P19-20：指与水的储容和运移有关的赋存介质的性质，主要包括空隙的大小、多少、连通程度及其分布的均匀程度，这些性质的差异，会使其储容、滞留、释放以及透过水的能力不同。表征介质水理性质的指标有容水度，给水度，持水度。 容水度：指介质能够容纳一定水量的性质。 给水性：指饱水介质在重力作用下，能够自由给出一定水量的性质持水性：指重力释水后，介质能够保持一定水量的性能。 二、地下水的基本类型及其特征 1、包气带和饱水带：P21 2、越流P22：把两个含水层透过该弱透水层发生垂直水量交换的现象称为地下水的越流。 按照地下水的埋藏条件，可以把地下水分为潜水、承压水、与上层滞水。其中潜水和承压水在一定条件下是可以相互转化的。P23 3、潜水的概念P26：潜水是地表一下埋藏在饱水带中第一个稳定隔水层智商的具有自由水面的重力水。
冬小麦叶面积指数(LAI)的遥感反演 ——经验模型和物理模型方法 李淑敏 2010/12/13
?第一部分.基础知识 ?第二部分.遥感反演LAI 的方法 ?第三部分.研究实例 本次课程主要内容 叶面积指数LAI 、遥感反演 经验模型反演方法、物理模型反演方法 几何光学模型、辐射传输模型 PROSAIL 模型 硕士论文——―基于MODIS/ASTER 的区域冬小麦叶面 积指数PROSAIL 模型反演研究” BRDF 模型PROSPECT 模型、SAIL 模型
叶面积指数leaf area index ?定义：单位土地面积上植被叶片总面积。 叶片总面积/占地面积 ?陆地生态系统的一个十分重要的参数： 农作物产量预估和病虫害评价； 反映作物生长发育的动态特征和健康状况。 ?叶面积指数越大，表明单位土地面积上的叶面积越大。 那么，叶面积指数越大越好吗?? ?以冬小麦为例了解叶面积指数变化情况
图为不同群体叶面积指数消长模型（彭永欣等，1992）1—过大群体;2—高产群体;3—过小群体. 低增缓增快 增衰减LAI 消长动态分为四个时期 1. 低速增长期，叶片总数较多，但叶面积较小，总叶面积增速较低； 2. 缓慢增长期，单叶面积渐次增加，但低温条件，出叶周期延长； 3. 快速增长期，气温回升，植株生长快速，至孕穗期LAI 达峰值； 4. 衰减期，植株生殖生长，叶片消亡叶面积衰减，至成熟期LAI 为0。一个生长期内冬小麦叶面积指数变化
叶面积指数获取方法 ?实测方法 长宽法、称重法这些方法均需要消耗一定的人力进行实物测量。 借助有关测量工具例如LAI-2000、LAI-2200、LI-3100C、LI-3000、AccuPAR等，此方法仍需实地进行测量。 仅能获得地面有限点的LAI值，对于推广获取大范围LAI存在很大局限性，不能满足植被生态和作物长势监测需求 ?遥感反演方法由于遥感数据具有覆盖范围广、时间与空间分辨率高、花费相对较少等优点。 可以用定量遥感方法反演区域LAI ?作物生长模型模拟LAI
堆石料弹塑性本构模型参数反演方法研究 筑坝堆石料的本构模型及其参数是合理计算面板堆石坝施工、运行及地震过程中应力与变形的重要基础。目前主要通过级配缩尺后的室内三轴试验确定模型参数,但缩尺效应对参数的影响规律尚不清楚。 一些学者结合室内三轴试验成果,根据大坝施工期变形监测数据进行筑坝材料参数的反演。但由于土石坝施工期、地震反应过程及震后沉降计算分别采用不同的本构模型且模型参数之间的相关性缺乏统计资料,反演得到的模型参数仅能进行所反演问题的验证分析。 如:根据施工期沉降监测反演得到的邓肯EB模型、南水模型或清华K-G模型参数仅能进行大坝的施工填筑及蓄水过程模拟。近年来,随着堆石料本构理论的发展,一些学者开始尝试在弹塑性理论框架内建立能够反应堆石料在静、动力及循环荷载作用下变形与强度特性的弹塑性本构模型。 随着监测手段的不断发展和完善,高土石坝在施工过程中基本能够获取详实、可靠的位移监测数据,结合静、动力统一的弹塑性本构模型,根据施工期监测数据反演堆石料模型参数,进而预测地震荷载作用下大坝的动力响应,对于高土石坝 抗震设计方法和安全评价具有一定的理论意义和工程价值。本文反演分析采用改进的广义塑性模型,该模型将初始孔隙比作为模型输入参数,同时考虑了筑坝堆 石料颗粒破碎,可以描述不同密度的堆石料在单调和循环荷载条件下的变形与强度特性,包括剪胀、剪缩、颗粒破碎、循环滞回、循环密实及循环残余变形,采用一套参数即可完成大坝施工、蓄水及地震反应全过程分析,并直接得到地震残余变形。 论文针对堆石料弹塑性本构模型参数反演方法,开展了下列工作:(1)首先通
过有限元敏感性分析确定待反演参数,进而通过粒子群算法和人工蜂群算法等启发式智能优化算法随机产生待反演的本构模型参数向量,代入到有限元模型中进行计算,并根据计算得到大坝竣工期典型测点沉降与实际测得沉降之间的误差不断优化待反演参数,直至达到设定的收敛准则,然后确定优化后堆石料的模型参数。(2)采用拉丁超立方抽样对敏感参数进行抽样并进行有限元分析,得到敏感参数与大坝典型测点沉降之间的关系样本,通过神经网络建立敏感参数与大坝典型测点沉降的响应面,进而进行敏感参数的反演分析。 该方法降低了有限元数值分析的工作量。(3)针对紫坪铺面板堆石坝施工填筑过程现场监测结果,根据上述方法得到的堆石料参数进行了汶川地震震害模拟,并与实际震害结果进行对比分析。 结果表明:通过反演分析得到的弹塑性模型参数能够较好的模拟紫平铺大坝地震沉降变形。
一、水文地质调查的目的 1、查明地下水的形成、赋存和运移特征 2、查明地下水水量、水质的变化规律 3、为地下水资源评价、开发利用、管理和保护以及环境问题防治提供水文地质依据。 二、水文地质调查的任务 1.查明地下水的赋存条件-含水介质特征及埋藏分布. 2.查明地下水运动特征-地下水的补给、径流和排泄条件及渗流参数，为地下水资源定量评价和开采设计提供水文地质资料. 3.查明地下水的动态特征-地下水位、水量、水温和水质等随时间变化的规律及其控制因素，为地下水资源开发利用、管理和保护提供资料. 4. 查明地下水的水文地球化学特征-地下水和地表水的化学成分，为地下水水质评价、地下水的形成条件及运动特征提供资料. 三、水文地质调查工作阶段的划分 1.供水水文地质勘察共划分为：地下水普查、详查、勘探和开采四个阶段。 2. 农田供水水文地质勘察阶段的划分：区域水文地质勘察阶段、详细勘察阶段、开采阶段。 四、水文地质测绘的目的 1．水文地质测绘是认识水文地质条件的基础，是水调查的第一步工作。根据一定的精度要求，在地表对地下水和与其相关的地质—水文地质现象进行实地的观察、测量、描述、综合分析，并将它们绘制成图件，总结出该地区水文地质规律。 2.水文地质测绘成果是布置各种水文地质勘探、试验、动态观测等工作的主要依据。 五、水文地质测绘的基本任务 1.确定地下水的基本类型及各类型地下水的分布与相互联系； 2.确定主要含水层（带）及其埋藏和分布情况，隔水层的特征与分布； 3.查明褶皱构造和断裂构造的水文地质特征； 4.查明地下水的补给、径流与排泄条件； 5.查明地下水的水化学成分及水文地球化学环境； 6.概略评价各含水层（带）的富水性、区域地下水资源量、水化学特征及其动态变化规律； 7.查明与地下水有关的环境地质问题。 六、干旱半干旱、山间河谷地区地下水资源分布特征 七、地下水资源的特点 1、系统性：是指由一定的地质结构组织而成的、具有密切水力联系的统一整体。 2、流动性：地下水是流体，是动态资源，在补给、径流、排泄的过程中，不断循环流动。 3、可恢复性：地下水资源的可恢复性(可再生性)是地下水资源可持续利用的保证。 4、可调节性：可调节性主要针对水量，指地下水在系统结构的作用下，使不连续的降水和水量输入变为相对连续、均匀输出的这种自然特性。 八、地下水资源的分类 1.补给量：指天然状态或开采条件下，单位时间内，通过各种途径进入含水层（或含水系统）的水量。 2.储存量：指储存在单元含水层中的重力水体积。 3.可开采量：指通过技术经济合理的取水构筑物，在整个开采期内出水量不会减少，动水位不超过设计要求，水质和水温变化在允许范围内，不影响已建水源地正常开采，不发生危害性环境地质现象等前题下，单位时间内从含水系统或取水地段中能够取出的水量。 九、开采量由三部分组成 Q 开＝ ΔQ 补 +ΔQ 排 + μ·F·Δh/Δt 1.增加的补给量（ΔQ 补），可称为开采夺取量； 2.减少的天然排泄量（ΔQ 排），可称为开采截取量； 3.可动用的储存量（μ·F·Δh/Δt ）。 十、地下水开采资源组成 ：补给量、存储量、允许开采量 十一、生活饮用水评价 首先要按照规定进行取样、检测分析，分析项目应不少于生活饮用水水质标准中所列项目；其次要对分析结果和采用的分析方法进行全面的复查：然后按照《生活饮用水卫生标准》规定的指标逐项进行对比评价。只有全部项目符合标准要求时，才能作为生活饮用水。 )(Q Q 潜水－排补t h F ??±=μ)(Q Q 承压水－排补t h F ??±=*μ
实习七地质构造模型 目的：初步建立各种产状的岩层、褶皱、断层和角度不整合的立体概念。 要求： 在教师带领下，观察下列各种模型，并将观察结果填入实习报告。 1.三种基本产状的岩层在平面、剖面上的特点。 2.熟悉褶皱要素及背斜和向斜在平面及剖面上的表现。 3.熟悉断层要素及各种断层在平面、剖面上的表现。 4.观察角度不整合在平面、剖面上的表现。 注意事项：对地质构造，常需从平面和剖面上进行观察，这样才能全面掌握其形态特征。剖面按方向与地质构造的走向是垂直还是平行，分为横剖面和纵剖面。 在平面及剖面上观察地质构造特征的主要内容有： 1.地层层面界线的形状是直线还是曲线，界线是否连续。 2.不同时代的层面界线是平行还是相交，它们的倾角大小有无变化。 3.新老岩层出现的顺序和分布，有无缺失或重复，是对称重复出现还是不对称重复出现。 从平面上观察大体能反映地质构造的地表特征，如果知道各岩层的产状要素，一般就可推测剖面上的情况。如果在平面上看到不同时代的岩层有规律的对称生复出现时，则大多数情况下的褶皱；不对称重复或有缺失则说明有可能有断层存在。由于实习所用木块模型缺乏地形，因而不能反映地形对地质界线的影响。与地质图上的表现有一定差异。例如，水平岩层在地形起伏时可出现不同时代地层；倾斜岩的地质界线在地质图上往往是曲线等。 横剖面的方向与地质构造走向相垂直，因而能正确地、较全面地反映地质构造的主要
形态特征。在角地质构造所属的类型。 纵剖面的方向与地质构造走向相平行，因而一般不能反映地质构造的形态特征，岩层界线往往是水平的。只有当构造沿走向有变化时（如褶皱枢纽有起伏时），纵剖面上才有反映。 实习时，要分类观察地质构造模型，从简单到复杂，循序渐进，并填写实习报告。 实习用模型图示如下：
建立三维水文地质结构模型 和地下水流数值模拟模型所需资料 一、基础图件和资料 用于划分水文地质单元，确定模型的边界和范围，并作为模型的工作底图（注意底图的比例尺和坐标的转换和统一）。 1. 地形地貌图； 2. 第四纪地质图； 3. 水文地质图； 4. 地下水等水位线及埋深图； 5. 研究区遥感影像数据； 6. 地表数字高程模型数据（DEM）； 7. 前人有关区域地下水、地表水方面的调查、勘察、研究报告及成果。 二、模型结构 为建立研究区水文地质模型和地下水流模拟模型，首先要对研究区的地质和水文地质条件加以概化，建立水文地质概念模型（含水层和隔水层（弱透水层）的空间分布），进而建立数值模型。 1. 尽可能多的水文地质剖面图（要有剖面线的位置）； 2. 尽可能多的地质、水文地质钻孔资料，深孔资料尤为重要，要有钻孔的名称、地理位置（坐标）、孔口标高、终孔深度、分层信息和岩性描述； 3. 模型范围：最好以完整的水文地质单元（地下水系统）作为模拟区。如边界太远，可考虑模拟区范围尽量大些，或采用模型嵌套技术。 三、模型参数 1. 潜水、承压水含水层和弱透水层水平、垂向渗透系数（K）分区图和值（根据岩性和抽水试验分区）； 2. 潜水含水层给水度（μ）分区图和值； 3. 承压水含水层储水率（S s）分区图和值； 4. 弱透水层（隔水层）储水率（S s）分区图和值；
5. 各层有效孔隙度（此项在MODPA TH 中应用，MODFLOW 模拟不使用）、总孔隙度（在MODFLOW 模拟中不使用）； 6. 各类抽（渗）水试验资料和成果； 四、源汇项（地下水开发利用情况）和边界条件 区内潜水的主要补给方式为大气降水入渗补给、灌溉入渗补给、渠系渗漏补给、河流侧渗补给和地下水径流补给，主要排泄方式为人工开采、蒸散发、侧向径流、向河流排泄和越流补给承压水。承压水的补给来源有自北部区外的侧向径流流入和上部潜水的越流补给，排泄方式为径流、人工开采和顶托补给潜水。各项均换算成相应分区的开采强度，然后分配到相应的单元格。 1. 大气降水入渗补给量（模拟期逐月降水量、降水入渗系数及其分区）； 2. 灌溉水入渗补给（回归）量（农业灌溉分布图，灌溉总用水量（包括地表水）、灌溉入渗系数及其分区）； 3. 渠系渗漏补给量（渠系引水量和渗漏补给系数）； 4. 河水侧渗补给量（河流的基本参数，如河流起点和终点的河水位、河床底板标高、河床厚度、河床渗透系数、河流宽度等）； 5. 人工回灌井分布位置、回灌层位和回灌量； 6. 潜水蒸发排泄量（逐月蒸发量，蒸发系数，潜水蒸发极限埋深分区图）； 7. 人工开采量（水源地生产井、农业开采井、其它集中开采井和大型自备井的分布位置、开采深度（层位）和开采量； 8. 不使用水源地和其他集中开采井水资源的城镇居民的数量和用水量； 9. 工业及乡镇企业用水量； 10. 农村人牲饮用水量； 11. 模型边界类型划分及流入流出量。在前处理中必须对 各个补排项进行累计，求出其代数和。 边界条件 边界条件：通常以具有水文地质意义的界面作为模型的边界，主要有：地貌单元的分界线、地层界限、阻水断层、与地下水有水力联系的河流，边界很远的情况下可考虑通过边界的灵敏度分析确定边界位置。边界条件类型有三类：一类边界条件；二类边界条件；三类（混合）边界条件。
三维地质建模是从三维的角度对储层的各种属性进行定量的研究并建立相应的三维模型。其核心是对井间储层进行多学科综合一体化、三维定量化及可视化的预测。与传统的二维储层研究相比，三维地质建模具有以下明显的优势： 井数据的网格化：选择参与插值的井，并将单井相数据根据建模网格层进行网格化采样，生成沿井轨迹的网格化沉积相数据；选择参与模拟的井，并将单井储层参数数据根据建模网格层进行网格化采样，生成沿井轨迹的网格化储层参数数据。 参数截断变换是对井数据做统计直方图，查看数据分布情况。如分布图中存在奇异值的情况，可设置数据最大、最小值进行截断，超过最大值部分将变换为最大值，小于最小值部分将变换为最小值。截断变换还可针对建模结果进行设置。另外，如果选择相控参数建模，应分相统计分析并设置截断值。 变差函数是区域化变量空间变异性的一种度量，反映了空间变异程度随距离而变化的特征。强调三维空间上的数据构形，从而可定量描述区域化变量的空间相关性，是克里金技术以及随机模拟的一个重要工具。 变程(Range)：指区域化变量在空间上具有相关性的范围。在变程范围之内，数据具有相关性；而在变程之外，数据之间互不相关，即在变程以外的观测值不对估计结果产生影响。 克里金方法是一种实用的、有效的插值方法。优于传统方法，在于它不仅考虑到被估点位置与已知数据位置的相互关系，而且还考虑到已知点位置之间的相互联系，因此更能反映客观地质规律，估值净度相对较高，是定量描述储层的有力工具。 序贯模拟：也为顺序模拟，其总体思路是沿着随机路径序贯地求取各节点的累积条件分布函数ccdf，并从ccdf中提取模拟值。其中用于求取ccdf的条件数据不仅包括原始的样品点，还包括已模拟好的点。 模型粗化是使细网格的精细“转化”为粗网格模型的过程。在这一个过程中用一系列等效的粗网格去“替代”精细模型中的细网格，并使该等效粗网格模型能反映原模型的地质特征及流动响应。 净毛比模型是指有效储层网格模型；根据有效储层的孔隙度截断值和三维孔隙度模型，对各三维网格的含油有效性进行分析，建立各小层的有效层网格模型。其中有效网格赋值为1，无效网格赋值为0 角点网格是目前应用较广的一种结构化网格类型，网格位置能用i , j , k 定义，并且单元网格的长、宽大小可变，垂向连接顶底网格点的网格面可以是倾斜的。角点网格的特点是网格的走向可以沿着断层线，边界线或尖灭线，也就是说网格可以是扭曲的。
把含水层实际的边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和补给排泄等条件概化为便于进行数学与物理模拟的基本模式。 （1）透水边界Permeable boundary 渗透性良好的含水层边界。 （2）隔水边界Confing boundary 渗透性极差的含水层边界，即法向方向水力梯度（或流量）等于零的边界。 （3）弱透水边界Weakly-permeable boundary 能通过一定流量的渗透性较弱的含水层边界。 （4）已知水位边界（一类边界）Boundary of known water level 已知外节点水位值的边界。 （5）已知流量边界（二类边界）Boundary of known flow 已知地下水流入或流出量的边界。 （6）混合边界（三类边界）Mixed boundary 由已知水位和已知流量边界共同组成的计算渗流场的边界。 （7）定水头边界Boundary of fixed water level 水位数值不变的已知水位边界。 （8）定流量边界Boundary of fixed flow 流量数值不变的已知流量边界。 1目的与任务
（1）充分收集研究区以往各类地质、水文地质、地形地貌、气象、水文、钻孔、水资源开发利用等资料，进行系统的分析与研究，明确研究区的水文地质条件； （2）对研究区水文地质条件进行合理的概化，使概化模型达到即反映水文地质条件的实际情况，又能用先进的工具进行计算的目的，并最终提交概化的框图、平面图、剖面图及其文字说明。 2.模型概化原则 （1）实用性 地下水流模拟是一实用性很强的技术，解决现实问题是它的根本目的。因此，建立的水文地质概念模型须与一定时期的科学技术水平以及研究区的水文地质调查研究程度相适应，能用于解决社会、经济发展中所面临的地下水模拟与管理问题。 （2）完整性 概念模型必须尽可能真实全面地反映实体系统的内部结构与动态特征，专业人员既要到现场进行调查，又要广泛收集有关的各种信息，必要时还要补充部分现场调查（包括观测、试验等）工作，详细分析系统的输入、输出、状态演变、功能作用以及它与周围环境的相互作用关系等，以达到对于真实系统全面深入的掌握，保证模型在理论上的完整性，提高地下水流系统模拟的精度。 （3）处理好简单与精度的矛盾 一味追求简单，要以牺牲精度为代价；一味追求精度，将导致模型复杂化，花费更多的时间和经费；要根据需要将二者协调好。 3.模型概化步骤 （1）确定研究范围 模型研究区应尽可能地选择研究程度较高的地区，选择天然地下水系统，尽量避免人为
三维数字地质模型在矿区水文地质评价中的分析与运用 本文基于对云南省兰坪县金顶铅锌矿跑马坪矿段2180中段的地质结构分析，结合三维数字地质模型分析手段，对该矿区水文地质情况进行分析，以达到对三位数字地质模型的解析和运用。 标签：三维数字地质模型矿区水文地质评价 1地质数据的提取 水文地质数据一般通过钻探、物探、坑探、试验等手段获得，通过资料整理获得含水层、岩性、断层等分布情况。在3DMine软件中，就是通过数据库的存储，对地勘数据按照统一的格式进行收集整理，可以在三维空间上对数据进行分析和利用。同时，在软件系统里建立数据库和中心图形系统内在逻辑联系，通过菜单选择或者鼠标右键功能可以迅速的浏览数据信息。在屏幕上可以选择容差范围内的数据按照标高生成平面或沿勘探线形成竖直剖面。在剖面上，通过鼠标切换，轻松辅助用户进行数据查询、地质解译，保证了数据的延续性、准确性，也使得数据与三维空间相结合。 2矿区水文地质特征 区域地层以侏罗～白垩系地层为主，组成复式向斜，褶皱形态开阔平缓。但在白垩纪末至古新世间，发生了大规模的区域性由东向西的水平推覆作用，沿弥沙河断裂西侧，从白基山至河西，在长达80km，宽约20km的范围内均可见到由上三迭统三合洞组灰岩组成的推覆体叠置于白垩系和古新统云龙组地层之上。区域内推覆体主要保存于沘江断层西侧，沘江断层东侧由于上升剥蚀，只残留一些“飞来峰”。由此区域地层可分为两大套：即原地系统和外来系统。原地系由中上侏罗统、白垩系、第三系等组成；外来系主要为上三叠统及中侏罗统等。 以侏罗系为例侏罗系组成倒转外来系的中部，覆于白垩系景星组之上，两者接触关系为倒转不整合。矿区内侏罗系有中侏罗统花开左组及上侏罗统坝注路组地层。矿井充水因素有三；一是巷道揭露含水层引起巷道充水。该含水层位于矿层底板以下，除了部分井筒和主要大巷揭露该含水层外，一般巷道不通过该含水层。虽然Ⅰ含水层的富水性极弱，补给条件有限，多为含水层中的静储水，但当井巷工程揭露到该含水层时，其瞬时涌水量还是比较大。二是张性小断层引起矿井充水。因断层的导水性使各含水层发生了水力联系，当井巷工程揭露到断层带时，会引起矿井充水。三是工作面回采后引起顶板冒落，产生破碎带及裂隙，使Ⅱ、Ⅲ含水层的水通过冒落破碎带和冒落裂隙进入工作面而引起矿井充水。矿井的水文地质条件应属于简单型。 （1）花开左组（J2h）：分布于矿区中部，环绕上三叠统三合洞组内侧分布，保存较完整；地层以富泥质碎屑岩为主，岩性以紫红色泥质粉砂岩、粉砂岩、细粒石英砂岩、粉砂质泥岩、泥岩为主，厚度变化大，引起该地层厚度变化的原因
第11章工程地质模拟与评价 11.1 概述 模拟是分析和解决复杂工程地质问题的有效手段。几十年来，工程地质工作者在充分吸取相关学科先进研究成果的基础上，结合大量工程实践，形成了重视工程地质原型研究，以工程地质模型为基础的工程地质模拟和方法。模拟研究按采用的手段可分为数值模拟与物理模拟两大类型。数值模拟主要包括有限元、边界元和离散元等方法；物理模拟包括光弹模拟、电模拟和相似材料地质力学模拟试验等。 模拟研究的基本任务是通过再现复杂工程地质现象的形成和演化过程，对以下问题进行论证：①验证地质分析所建立的机制模型或概念模型是否符合实际，并对其演化机制进行深入的量化分析；②量化评价地质现象演化过程中，各主要控制要素之间及其与主导内、外作用力间的相互关系，论证所建立的分析评价模型是否合理；③量化评价地质现象或过程在所处环境条件下的演化和发展趋势，论证所建立的预测模型是否可信；④量化评价工程设计或治理措施的效果，论证拟订的对策和方案是否有效和优化。 现代工程建设的规模越来越大，场地条件也越来越复杂，工程地质问题也越来越复杂。随着电子计算机的广泛使用和量测技术的发展，解决工程地质问题的数值模拟和物理模拟的理论和方法发展迅速，使得解决的工程地质问题更加广泛，研究的课题更加深入。一方面，飞速发展的工程地质学不断地提出新的难题，用现成的数学、力学理论对其无法作出确切的描述，工程地质模拟为解决这类问题提供了可能的手段；另一方面，模拟方法的不断成功应用，深化了人们对许多工程地质现象的理解，有力地推动了工程地质学科的定量化进程。 工程地质评价就是通过一定的勘察手段，应用工程地质学及其它相关学科的原理方法、分析与工程相关联地质体的性质、特征以及各种特征之间的相互关系，从而评价工程地质条件或地质环境对工程建筑物的适宜程度以及相关的工程地质问题。其结果可直接为工程设计提供有关参数和相关设计依据。工程地质问题的复杂性给工程地质的评价造成了极大的困难。到目前为止，很难找到一种通用的办法去评价所有工程的工程地质问题。本章主要阐述和总结从工程地质模型建立到实施工程地质数值模拟、物理模拟的过程和工作思路，并介绍工程地质评价方法。