三維地質(zhì)建模技術(shù)較早的應(yīng)用于石油、礦山領(lǐng)域，２０世紀(jì)９０年代初，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（ＵＳＧＳ）的科學(xué)團(tuán)隊(duì)在位于內(nèi)華達(dá)州南部和加州東南部的死谷含水層系統(tǒng)建立了第一個(gè)區(qū)域三維水文地質(zhì)模型以來，許多學(xué)者開展了地下水資源信息化管理及可視化技術(shù)的應(yīng)用研究，建立了一系列三維水文地質(zhì)模型。三維水文地質(zhì)建模技術(shù)突破了以往對(duì)地質(zhì)體二維表達(dá)的局限，能更加直觀形象的描述與地下水儲(chǔ)運(yùn)有關(guān)的地質(zhì)體的空間及屬性結(jié)構(gòu)；同時(shí)能作為地下水數(shù)值模擬的平臺(tái)，提高水文地質(zhì)計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果，輔助決策等等。但由于三維水文地質(zhì)建模本身存在著一些難點(diǎn)及瓶頸，現(xiàn)有技術(shù)還難以完全滿足水文地質(zhì)行業(yè)的應(yīng)用需求。因此開展三維水文地質(zhì)建模技術(shù)研究有著重大的意義。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（ＵＳＧＳ）已經(jīng)將通過開發(fā)三維（３Ｄ）制圖和可視化工具，應(yīng)用新的地球物理方法，提高對(duì)地下水系統(tǒng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)列為地下水科學(xué)研究機(jī)遇中的六個(gè)跨學(xué)科主題之一。英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（ＢＧＳ）已經(jīng)從以往的圖形調(diào)查、編制機(jī)構(gòu)調(diào)整為三維地質(zhì)模擬組織機(jī)構(gòu)，在全國(guó)范圍內(nèi)部署工作推進(jìn)三維水文地質(zhì)建模技術(shù)的廣泛應(yīng)用。此外，加拿大、澳大利亞等國(guó)家也開展了三維水文地質(zhì)模型的研究和應(yīng)用工作。國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)也開展了三維水文地質(zhì)模型研究工作，建立了一些三維水文地質(zhì)模型。

 

  １ 三維水文地質(zhì)建模技術(shù)的研究現(xiàn)狀

 

  三維水文地質(zhì)建模技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉技術(shù)，需要地質(zhì)、水文地質(zhì)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理等多學(xué)科的支撐。雖然，近些年眾多機(jī)構(gòu)及科研人員開展了相關(guān)的研究工作，取得了一些成果，但由于開展研究應(yīng)用的時(shí)間較短，資金和相關(guān)學(xué)科支持力度有限及水文地質(zhì)專業(yè)本身的特殊性等原因，目前的三維水文地質(zhì)建模技術(shù)還存在著不足，文章主要從以下幾個(gè)方面介紹三維水文地質(zhì)建模技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

 

  １．１ 空間數(shù)據(jù)模型

 

  空間數(shù)據(jù)模型是人們對(duì)地質(zhì)對(duì)象的概化理解和抽象表達(dá)，是構(gòu)建三維水文地質(zhì)模型及進(jìn)行空間分析的基礎(chǔ)。近些年國(guó)內(nèi)外做了很多研究，如：Ｇｕｉｌｌａｕｍｅ Ｃａｕｍｏｎ及劉振平［８－９］在各自的文獻(xiàn)中對(duì)空間數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了介紹和分析；張渭軍［１０］采用三棱柱對(duì)孔隙水文地質(zhì)層進(jìn)行三維空間離散，在保證孔隙水文地質(zhì)層類型的一致性的基礎(chǔ)上，提高了水文地質(zhì)模型三維空間建模及地下水模擬的精度。張立強(qiáng)等［１１］提出了結(jié)點(diǎn)－層數(shù)據(jù)模型組織不同實(shí)體類型的地質(zhì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)和幾何模型的一體化表達(dá)與存儲(chǔ)．通過快速構(gòu)建多分辨率三維地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地質(zhì)數(shù)據(jù)集的可視化方法。孟憲海，李吉?jiǎng)偟龋郏保玻葆槍?duì)三維薄層地層結(jié)構(gòu)的形狀特點(diǎn)，提出了一種利用類三棱柱網(wǎng)格構(gòu)造三維地質(zhì)模型的方法等等。

 

  目前提出的數(shù)據(jù)模型基本上可以分為面模型、體模型和混合模型三大類；這些模型各有適用性，如：面元模型可以較方便地實(shí)現(xiàn)地層可視化和模型更新，卻不是真３Ｄ的；規(guī)則體元模型是真３Ｄ的，模型更新性好，卻難以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)體構(gòu)模；非規(guī)則體元模型是真３Ｄ的，也適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)體構(gòu)模，但模型更新困難；而混合元模型技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度大。要提高模型的精度，就要增加空間數(shù)據(jù)資源，這也降低了模型的運(yùn)行效率，在目前注重應(yīng)用的前提下大多優(yōu)先考慮模型的運(yùn)行效率。如何更好地解決資源與效率的關(guān)系是進(jìn)一步研究與完善的重點(diǎn)。

 

  １．２ 數(shù)據(jù)的組織、管理和發(fā)布

 

  三維水文地質(zhì)建模需要大量的地質(zhì)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的支持。這些數(shù)據(jù)形式不一（如圖形文件、數(shù)字和文字資料等），類型多樣（如鉆孔數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)等），不同類型數(shù)據(jù)的可靠性、完備性差異較大。如何優(yōu)化組織并利用好這些數(shù)據(jù)是建模的關(guān)鍵之一，同時(shí)模型也要有高效的數(shù)據(jù)發(fā)布能力才能滿足社會(huì)對(duì)三維水文地質(zhì)模型的需求。近些年，一些科研及學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)為提高三維模型數(shù)據(jù)的管理和發(fā)布能力展開了研究和應(yīng)用，提出了一些地質(zhì)模擬和信息管理的技術(shù)方法。

 

  但目前的技術(shù)和條件還不能支撐三維地質(zhì)建模技術(shù)在水文地質(zhì)行業(yè)的廣泛應(yīng)用。統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與互聯(lián)網(wǎng)，針對(duì)專業(yè)與非專業(yè)用戶的不同需求，建立地下水三維地質(zhì)信息管理系統(tǒng)，將是推動(dòng)三維水文地質(zhì)建模技術(shù)快速發(fā)展的重要手段。

 

  １．３ 模型的構(gòu)建方法

 

  三維水文地質(zhì)建模尤其是區(qū)域性的水文地質(zhì)建模范圍大，數(shù)據(jù)龐雜，建立地質(zhì)模型要面臨相當(dāng)大的困難，而當(dāng)數(shù)據(jù)稀缺時(shí)，建模困難就更大。目前基于建模所用數(shù)據(jù)源總結(jié)出了基于鉆孔數(shù)據(jù)、基于剖面數(shù)據(jù)及基于多源數(shù)據(jù)等建模方法，利用鉆孔數(shù)據(jù)建模即直接根據(jù)建模目的將整理、概化的鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模工具，自動(dòng)生成三維地質(zhì)模型，如：Ｃ．Ｃ．Ｆａｕｎｔ等［４］為建立加州中央谷地區(qū)地下水流模型，匯編分析了約８ ５００個(gè)鉆孔資料，將巖性二元?jiǎng)澐譃榇诸w粒和細(xì)顆粒的百分比來描述松散沉積物的結(jié)構(gòu)，在水平方向上以１．６ｋｍ、垂向上以１５ｍ為間距建立了一個(gè)刻畫其含水系統(tǒng)特征的三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型?；谄拭娴臄?shù)據(jù)建模方法就是利用鉆孔，物探等資料及專家知識(shí)布置、描繪出剖面，再利用剖面建立三維模型，模型的精度取決于布置剖面線的數(shù)量及剖面垂直精度，如：劉天霸等［３］應(yīng)用基于剖面數(shù)據(jù)的建模方法，建立了華北平原的三維水文地質(zhì)模型。英國(guó)地調(diào)局Ｋａｔｈｅｒｉｎｅ Ｒ．Ｒｏｙｓｅ等［５］采用地質(zhì)平面圖、鉆孔資料及物探資料，結(jié)合專家知識(shí)和軟件自動(dòng)生成功能建立了倫敦盆地白堊系三維水文地質(zhì)模型，強(qiáng)調(diào)了在數(shù)據(jù)稀缺及地質(zhì)條件復(fù)雜條件下專家知識(shí)的重要性。但單純利用剖面不能較好的利用剖面線以外的地質(zhì)數(shù)據(jù)，可以考慮多源數(shù)據(jù)剖面分區(qū)建模的方式，即利用剖面將建模區(qū)分割為地質(zhì)屬性相對(duì)一致的若干個(gè)小區(qū)，再在各個(gè)分區(qū)內(nèi)結(jié)合鉆孔及平面圖等數(shù)據(jù)自動(dòng)插值建模，這樣即避免了單純利用鉆孔數(shù)據(jù)建模精度低的問題，也能避免單純利用剖面數(shù)據(jù)建模中數(shù)據(jù)利用效率低的問題，同時(shí)提高了建模的精度，更新時(shí)只要重新對(duì)各分區(qū)內(nèi)部重新計(jì)算，提高了模型的更新性，但是目前這種方法實(shí)現(xiàn)的難度還較大。

 

  同時(shí)，也應(yīng)該注重其它建模方法的引入，如：數(shù)學(xué)地質(zhì)建模，智能地質(zhì)建模；借鑒三維地質(zhì)建模的新成果，如：ＥｒｉｃＪａｎｓｓｅｎｓ－Ｃｏｒｏｎ等［１５］為優(yōu)化建模方法，減少建模時(shí)間及工作量，首次開展了應(yīng)用專家系統(tǒng)３ＤＧｅｏＥｘｐｅｒｔ建立三維地質(zhì)模型的研究。Ｇｕｉｌｌａｕｍｅ Ｃａｕｍｏｎ［８］指出三維地質(zhì)建模領(lǐng)域應(yīng)該超越單純的數(shù)據(jù)擬合方法，結(jié)合地質(zhì)概念來約束數(shù)據(jù)的解釋或檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，主張考慮時(shí)間演化和不確定性來進(jìn)行三維地質(zhì)模擬［８］。

 

  １．４ 復(fù)雜地質(zhì)體及地質(zhì)現(xiàn)象的表達(dá)

 

  在三維水文地質(zhì)建模中，常常涉及斷層、褶皺等復(fù)雜地質(zhì)體及透鏡體、尖滅、倒轉(zhuǎn)等地質(zhì)現(xiàn)象，它們都有著重要的水文地質(zhì)意義，控制著區(qū)域水文地質(zhì)條件。這些地質(zhì)體及地質(zhì)現(xiàn)象的存在增加了地質(zhì)空間的不均一性和各向異性，增大了建模難度。拿斷層來說通常對(duì)斷層及構(gòu)造的不連續(xù)性需要進(jìn)行加密處理，對(duì)垂直斷層和水平斷層可以在地層中加入斷層面加以表示，這已經(jīng)增加了建模的復(fù)雜程度，而對(duì)傾斜斷層的表達(dá)難度就更大，使建模數(shù)據(jù)量陡增，對(duì)數(shù)據(jù)及插值算法要求也很高。而在對(duì)區(qū)域松散沉積物的模擬中，范圍大，地層穩(wěn)定性差，倒轉(zhuǎn)及互層現(xiàn)象普遍存在，透鏡體廣泛分布，難以對(duì)其準(zhǔn)確、合理的刻畫。

 

  朱良峰等［１６］提出了斷層與地層的統(tǒng)一構(gòu)模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有多值面的逆斷層網(wǎng)格生成技術(shù)［１６］；Ｎｉｃｏｌａｓ Ｃｈｅｒｐｅａｕ等［１７］提出了利用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來逼真的、隨機(jī)的模擬斷層網(wǎng)絡(luò)方法；Ａ．Ｃａｒｍｏｎａ·Ｒ．Ｃｌａｖｅｒａ－Ｇｉｓｐｅｒ［１８］通過離散單元模型來模擬被沉積物覆蓋的構(gòu)造形變，并結(jié)合基于過程的建模方法來模擬同沉積構(gòu)造［１８］。這些嘗試為三維水文地質(zhì)建模提供了很好的借鑒。

 

  １．５ 應(yīng)用三維水文地質(zhì)模型進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬以往的地下水?dāng)?shù)值模擬應(yīng)用已知的地質(zhì)體框架、補(bǔ)徑排條件和水文地質(zhì)參數(shù)等要素建立概念模型進(jìn)行模擬計(jì)算，信息缺失嚴(yán)重，不確定性大。Ｓｈａｒｐｅ等［１９］為適應(yīng)三維地質(zhì)建模技術(shù)在水文地質(zhì)行業(yè)中的應(yīng)用，提出了應(yīng)用三維地質(zhì)模型進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬流程：① 鉆孔、剖面及物探等數(shù)據(jù)的收集、分析整理，導(dǎo)入建模軟件；② 應(yīng)用三維地質(zhì)建模軟件建立三維地質(zhì)模型；③ 建立水文地質(zhì)概念模型；④ 運(yùn)用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬；⑤ 用模擬結(jié)果定量分析地下水及環(huán)境問題，提出決策意見。后期研究及應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這一過程需要進(jìn)行反復(fù)迭代才能得到比較滿意的結(jié)果。

 

  但一直存在著三維地質(zhì)建模軟件與數(shù)值模擬軟件融合性差的問題，導(dǎo)致對(duì)地質(zhì)模型的過度概化，降低了模擬的準(zhǔn)確性。Ｄａｎｉｅｌａ Ｂｌｅｓｓｅｎｔ等［２０］對(duì)此提出了在地質(zhì)模型和數(shù)值模型間加入一個(gè)網(wǎng)格生成階段來改善地下水徑流和污染物運(yùn)移數(shù)值模擬的方法。而英國(guó)地調(diào)局則應(yīng)用ＧＳＩ３Ｄ建立三維地質(zhì)模型，結(jié)合定制的地下水?dāng)?shù)值模擬系統(tǒng)ＺＯＯＭ 進(jìn)行地下水流的數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了ＧＳＩ３Ｄ輸出的結(jié)果直接導(dǎo)入ＺＯＯＭ 系統(tǒng)，減少了信息的損失，提高了模擬結(jié)果的可靠性［１３］。

 

  １．６ 不確定性的研究

 

  水文地質(zhì)系統(tǒng)存在著不確定性（如含、隔水層的幾何形狀，空間分布等），而建模所使用的數(shù)據(jù)是確定的，用確定的數(shù)據(jù)表達(dá)不確定的地質(zhì)現(xiàn)象必然導(dǎo)致所建立的模型存在著不確定性。認(rèn)識(shí)三維地質(zhì)模型的不確定性，有著很重要的意義?？梢灾笇?dǎo)建模人員在建模的過程中降低模型的不確定性，充分合理的應(yīng)用多源數(shù)據(jù)，取得更為合理的建模思路和計(jì)算方法，注重專家知識(shí)等；讓使用者正確合理的使用所建的模型。Ｊ．Ｆｌｏｒｉａｎ Ｗｅｌｌｍａｎｎ等［２１］指出三維地質(zhì)體建模的不確定性可分為三個(gè)不同的類型：數(shù)據(jù)質(zhì)量及地質(zhì)體內(nèi)在隨機(jī)性和人們不完備的知識(shí)，進(jìn)而提出了一種從數(shù)據(jù)的質(zhì)量角度來評(píng)價(jià)不確定性的方法。Ｍ．Ｒ．Ｌｅｌｌｉｏｔｔ，Ｍ．Ｒ．Ｃａｖｅ，Ｇ．Ｐ．Ｗｅａｌｔｈａｌｌ［２２］提出并檢驗(yàn)了一種關(guān)于地質(zhì)表面模擬的不確定性量化方法。朱良峰等［２３］提出了三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型精度評(píng)估、誤差檢測(cè)、動(dòng)態(tài)修正的總體研究框架等等。但目前還缺少一種能被廣泛接受的評(píng)價(jià)不確定性的方法。

 

  ２ 建議

 

  ２．１ 確定有限的工作目標(biāo)

 

  近些年，一系列復(fù)雜的三維地質(zhì)建模技術(shù)已經(jīng)被提出并走向成熟，但它們?cè)趨^(qū)域性水文地質(zhì)建模中卻受到了限制。

 

  同時(shí)三維水文地質(zhì)模型主要描述的是與地下水賦存運(yùn)移有關(guān)的空間結(jié)構(gòu)（如含水層隔水層空間分布、顆粒大小等），屬性條件（孔隙率、導(dǎo)水性質(zhì)等）及作為地下水?dāng)?shù)值模擬平臺(tái)。

 

  基于以上，三維水文地質(zhì)模型的研建需要結(jié)合自身特點(diǎn)及應(yīng)用確定有限的工作目標(biāo)，更好的滿足水文地質(zhì)專業(yè)本身的需求。

 

  ２．２ 開發(fā)針對(duì)三維水文地質(zhì)建模工具

 

  目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)三維水文地質(zhì)建模的工具還比較少，且功能有限，急需一系列功能強(qiáng)大，針對(duì)性強(qiáng)的三維水文地質(zhì)建模的軟件工具。這些工具要能保證開發(fā)出的工具符合水文地質(zhì)專業(yè)的要求，能作為數(shù)值模擬平臺(tái)；友好的可視化與用戶界面，易于理解和操作；可更新性好，模型易于維護(hù)；同時(shí)價(jià)格合理，能夠讓大多數(shù)使用者負(fù)擔(dān)的起。

 

  ２．３ 提高模型的可更新性

 

  模型的建立只能代表現(xiàn)有條件下對(duì)地下空間的認(rèn)識(shí)，當(dāng)獲得了新的數(shù)據(jù)，或者有了新的認(rèn)識(shí)，如果系統(tǒng)不能快速的、簡(jiǎn)便的重建模型，那樣必然耗費(fèi)更多的人力、物力?？筛滦院镁鸵笞詣?dòng)建模程度高，對(duì)建模使用數(shù)據(jù)的規(guī)范化及建模的方法合理性要求更高，如：Ａｋｉ Ａｒｔｉｍｏ等［２４］就結(jié)合一種關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在芬蘭西南部建立了一個(gè)易自動(dòng)更新的水文地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)更新數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)和處理，提高了模型的可更新性。

 

  ２．４ 水文質(zhì)條件概化的方法、原則及標(biāo)準(zhǔn)體系研究雖然目前對(duì)三維水文地質(zhì)建模方法的研究較多，但是針對(duì)地質(zhì)條件概化的方法、原則及標(biāo)準(zhǔn)的研究還很少，缺少一種指導(dǎo)性的方法體系來指導(dǎo)針對(duì)于不同應(yīng)用，不同地質(zhì)條件及不同數(shù)據(jù)源下的三維水文地質(zhì)建模，如地層巖性的歸并，地層的模擬精度等問題。如何結(jié)合專業(yè)自身特點(diǎn)，制定出指導(dǎo)性的概化方法、原則和標(biāo)準(zhǔn)體系是未來研究的方向之一。

 

  ３ 結(jié)語

 

  隨著地下水在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要性日益突出，三維水文地質(zhì)建模技術(shù)迎合了水文地質(zhì)行業(yè)需求，它突破了以往對(duì)地下空間二維表達(dá)的局限，能更加直觀生動(dòng)的表達(dá)地質(zhì)條件，能更加準(zhǔn)確的模擬地下水的空間、屬性結(jié)構(gòu)；同時(shí)，隨著未來的科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，如：計(jì)算機(jī)硬件和軟件的迅速發(fā)展、現(xiàn)代的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)理念和互聯(lián)網(wǎng)信息傳遞能力的提升等對(duì)三維水文地質(zhì)建模技術(shù)的支持，三維地質(zhì)建模技術(shù)必將成為未來水文地質(zhì)行業(yè)重要的工具。除了要靠專業(yè)的水文地質(zhì)建模人員的努力之外，也要借鑒其它行業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和成果，比如目前為石油應(yīng)用開發(fā)的模型已被用于水文地質(zhì)研究。未來，如何結(jié)合專業(yè)自身特點(diǎn)，制定出具有指導(dǎo)性的水文地質(zhì)建模的方法、原則及標(biāo)準(zhǔn)體系是未來專業(yè)水文地質(zhì)工作者研究的重點(diǎn)方向之一.