三维水文地质模型中的主要建模对象分析

三维水文地质模型中的主要建模对象分析
【摘要】本文探讨了构建三维水文地质可视化模型会涉及到的主要研究对象，并对这些研究对象进行了信息分类，以便后期建模时数据筛选。

【关键词】水文地质；数字模型；地层岩性；建模对象；可视化模型；地质构造
0 引言
在三维水文地质建模研究中，由于其建模尺度上的差异，一些地质现象，如节理、劈理、线理等规模过小，不会涉及到，会涉及的地质现象主要是大尺度、大规模的，如山地、平原、断层、褶皱等。

1 主要建模对象
1.1 地貌
地貌，是指地球硬表面由地貌内外动力相互作用塑造而成的多种多样的外貌或形态。

主要的地貌包括平原、台地、丘陵、低山、中山、高山、极高山、大陆架、大陆坡、大陆裙、深海平原等。

1.2 地层岩性
地层是指在一定地质时期内所形成的层状堆积物或岩石，岩性是指一种岩石或岩石构造的所有物理属性。

地层的上、下界面叫层面，上层面又称顶面，下层面又称底面。

两个地层的接触面，既是上覆地层的底面，又是下伏地层的顶面。

地层的空间位置取决于地层的产状，即地层的走向、倾向、倾角及地层的厚度。

走向是指层面与假想水平面交线的方向，它标志着地层的延长方向；层面上与走向垂直并指向下方的直线成为倾斜线，它的水平投影所指的方向即为倾向，倾向代表了地层面倾斜的方向；倾角指层面与假想水平面的交角；地层的厚度指地层顶底面间的距离。

由于同一地区在不同地质时期地壳运动的性质不同以及所形成的地质构造的特征不同，就会造成新老地层之间具有不同的相互关系，即接触关系。

概括说来，地层的接触关系主要有以下几种：
1）整合接触
新老地层产状一致，其岩石性质与生物演化连续而渐变，沉积作用上没有间断。

它表明该地层是在地壳运动处于持续下降或持续上升的背景中在沉积盆地内连续形成的。

2）平行不整和接触
又称假整和接触。

新老地层产状一致，其岩石性质与古生物演化突变，沉积作用上有间断。

平行不整和接触表示老地层形成后，地壳曾明显地均衡上升，老地层遭受剥蚀，接着地壳又均衡下降，在剥蚀面上重新接受沉积，形成新的地层。

平行不整和在平面上和剖面上都表现为：不整和面上、下两套地层的界线在较大区域内呈平行展布，产状也基本一致，但其间却缺失部分地层。

3）角度不整和
新老地层产状不一致，其岩石性质与古生物演化突变，沉积作用上有间断，新老地层间又广泛的剥蚀面。

角度不整和表示在老地层形成以后发生过强烈的地壳运动，老地层褶皱隆起并遭受剥蚀，形成剥蚀面，然后地壳下降并在剥蚀面上接受沉积，形成新地层。

角度不整和在平面上和剖面上均表现为：不整和面上、下两套地层的产状有较明显的差异，其间又缺失一部分地层；上覆较新地层的底面的界线（即不整和线）与下伏较老的不同层位的地层相交截。

1.3 构造
1.3.1 褶皱
褶皱是岩石受力发生的弯曲变形，它是岩石中原来近于平直的面变成了曲面而表现。

要正确描述褶皱，必须表述清楚褶皱的以下主要要素：
核部：泛指褶皱中心部分的地层；
翼部：系指褶皱核部两侧的地层；
转折端：系指从一翼向另一翼过渡的部分；
枢纽：在褶皱的各个横剖面上，同一褶皱面的各最大弯曲点的联线；
轴面：是一个褶皱内各相邻褶皱面上的枢纽联成的面；
1.3.2 断裂
断裂分为两种，岩石破裂但沿破裂面无明显滑动者称为节理，岩石破裂且沿破裂面有明显滑动者称为断层。

由于建模尺度的原因，我们这里的断裂特指断层。

要描述清楚断层，需考虑它的主要几何要素：
断层面：断裂岩块之间发生相对滑动的滑动面；
断层盘：被断开的两部分岩块，断层面上面的一盘称为上盘，断层面下面的一盘称为下盘；
断层线：断层面与地面的交线；
断距：被错断岩层在两盘上的对应层之间的相对距离。

根据断层两盘相对滑动的方向，断层可分为：
正断层：上盘沿断层面相对向下滑动，下盘沿断层面相对向上滑动；
逆断层：上盘沿断层面相对向上滑动，下盘沿断层面相对向下滑动；
平移断层：断层两盘沿断层面走向相对滑动，断层面常近于直立；
1.3.3 透镜体
有的地层厚度不稳定发生一定的变化，当它向两侧同时变薄和尖灭，就形成了透镜体。

1.3.4 侵入体和盐丘
侵入体是地下高韧性岩体，在构造力的作用下，或者由于岩石物质间密度的差异所引起的浮力作用下，向上流动并挤入上覆地层之中而形成的一种构造；盐丘是由于盐岩和石膏向上流动并挤入围岩，使上覆岩层发生拱曲隆起而形成的一种构造。

1.4 地下水
地下水是指赋存于地面以下岩石空隙中的水。

按照地下水的埋藏条件，可将地下水分为上层滞水、潜水和承压水，按照含水介质类型，又可将地下水分为孔隙水、裂隙水及岩溶水。

上层滞水是指，当包气带存在局部隔水层（弱透水层）时，局部隔水层（弱透水层）上会积聚具有自由水面的重力水，这部分水便是上层滞水。

潜水是指饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水。

承压水是指充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水。

2 主要建模对象的信息分类
在三维水文地质建模中涉及的研究对象较多，有点状对象如高程点，线状对象如钻孔，面状对象如地貌、地层面，体状对象如地下水体、孔隙度等。

对于这
些不同类型的对象需要用不同的数据类型来表达和存储，而这些对象之间也存在着复杂的关系，这些关系也需要在模型中表达出来。

从GIS角度来说，矢量数据结构精度高，容易表达拓扑关系，数据存储量少，图形输出精确美观，图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都容易实现，其缺点是数据结构和矢量叠置较为复杂，数学模拟也比较困难，且技术复杂，对软硬件要求较高。

而栅格数据结构简单，空间迭置分析速度快，数学模拟方便，但其数据存储量大，用大像元减少数据量时，精度和信息量会受损，图形输出也不美观。

一般来说，在三维地质建模中，多用矢量数据结构来表达几何模型，用栅格数据结构来表达属性模型。

本文中，我们从构建几何模型和构建属性模型的角度，将建模信息分为描述地质体空间几何形态的几何信息，和描述附着在地质体空间几何形态上的属性信息两类，具体内容参见表1。

表1
3 结束语
总之，利用现代计算机技术建立水文地质三维可视化模型，不但减轻了水文地质工作者的任务，方便他们进行专业领域知识的讨论、传播和发展，而且，这样的模型还能将专业领域复杂的、抽象的或专业性过强的成果及结论用简洁的、直观的、易于被广泛接受的方法和形式表现出来，它还将有助于不同领域间方便、正确的进行知识交流，有助于决策者做出正确判断。

【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].地理学与国土研究，2002，18（1）：87-89.
[2]颜辉武，祝国瑞.地下水的体视化研究[M].武汉：武汉大学出版社，2004.。