苏州城市规划区三维水文地质模型的构建

朱明君，陆徐荣（1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏·南京 210049；2.江苏省地质调查研究院，江苏·南京 210049）



苏州城市规划区三维水文地质模型的构建

朱明君1,2，陆徐荣1,2
（1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏·南京 210049；2.江苏省地质调查研究院，江苏·南京 210049）

摘 要：三维水文地质模型可全方位展现地下含水介质的空间分布特征，是含水层系统分析的有效手段。以研究区水文地质工程地质与第四纪钻孔、地表DEM、基岩面、第四纪模型、水文地质剖面图、水文地质条件图等为基础数据，以苏州城市地质信息管理与服务系统为平台，采用“钻孔—地质剖面/等值线—地层实体”的整体建模思路，创建了苏州城市规划区三维水文地质结构模型，为苏州城市地下水资源信息化管理和城市可持续发展提供基础地质数据和科学决策依据。

关键词：水文地质；三维模型；含水层系统；地下水资源；信息化管理

三维地质建模最早由加拿大学者Simon W.Houlding于1993年提出[1]，随后此方法广泛地应用于石油、矿产、地质等多个领域。九十年代后期，美国地质调查局（USGS）的科学团队在位于内华达州南部和加州东南部的死谷含水层系统建立了第一个区域三维水文地质模型[2]，加拿大学者Ross M.Parent等建立了加拿大东部第四系地层的三维水文地质模型[3]，国际学术界同时针对地面沉降防治开展了大量的水文地质模型研究[4,5]。国内诸多学者也开展了一系列三维水文地质模型的理论与应用研究[6～11]。近年来，我国先后开展了上海、北京、天津、南京、广州和杭州等多个城市的三维城市地质调查工作[12]，数字城市地质雏形初现[13～16]，在城市规划、建设、管理等方面进行了重要的探索和实践[17]。

2010年开展的苏州城市地质调查项目，进行了系统的城市三维地质结构调查研究，采用数据库技术、编码技术制定苏州市城市地质数据建库标准规范，建设城市地质综合数据库，利用GIS、3D可视化、计算机网络等技术，开发建立了集城市基础地理、遥感、基础地质、水文地质、工程地质等多专业、多参数数据输入、检索查询、可视化分析、计算评价及辅助决策功能于一体的城市地质信息管理与服务系统，为苏州城市建设和可持续发展提供了详实的基础地质数据和科学决策依据。

1　苏州城市规划区水文地质概况

苏州城市规划区位于江苏省南部、太湖流域腹部，南接浙江、西傍无锡、北依长江（图1），地势总体呈西南高而东北低展布，平原区地面高程一般在吴淞基面以上2～5m。该区地下水资源分区隶属长江下游地下水资源区的太湖平原水资源亚区，可分为两个地下水资源次亚区，即：西部环太湖丘陵地下水资源次亚区、东部平原地下水资源次亚区[18]。其中，西部环太湖丘陵地下水资源次亚区指西部基岩出露区，主要分布在浒墅关—苏州市—长桥一线以西及东山、西山地区，按赋存条件可划分为碳酸盐岩类裂隙水、碎屑岩类裂隙水和火成岩类裂隙水，面积约225km2。东部平原地下水资源次亚区指除基岩出露区外的平原地区，属我国典型的水网平原地区，面积约2372km2；第四纪松散层广泛分布发育，沉积厚度自西向东从10m至210m，其间发育有四个含水层组，即潜水含水层、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压含水层。

图1　研究区范围Fig.1 Range map of study area

2　苏州城市规划区三维水文地质层序的划分

水文地质层序的划分是构建三维水文地质模型的基础，而水文地质层序的划分是在第四系地层岩性、地层划分基础上完成的（表1）。根据时代地层划分出大的含水层组，之后再根据不同区域上沉积物的岩相及其特征，综合考虑建模的目标向下划分出具有局部水文地质意义的透镜体或次一级含水层组，以保证三维水文地质模型在大的框架上符合实际的地下水分布特征及变化规律，保证模型的精度及准确度。苏州城市规划区第四系地层由上至下分别为全新统、上更新统、中更新统和下更新统，潜水含水层、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压含水层分别赋存于以上四个不同时期的第四系地层中。划分了水文地质层序即确定了建模区三维水文地质模型的分层结构后，需要对岩性进行概化并对钻孔或剖面中出现的各类岩性进行编码，以利计算机识别并提取分层离散点进行插值从而构建模型。

表1　苏州城市规划区孔隙含水层划分及其沉积时期Table 1 The Quaternary aquifer and its sedimentation period in Suzhou city

2.1 岩性概化

真实的地层是多层次砂层、黏土层交替、不等厚、延展性复杂多变的空间综合体，难以实现模型建设。因此模型建设按岩层层次、岩性进行概化，以突出反映工作区第四系水文地质结构的总体特点。概化的原则为：

（1）根据模型中同一层位岩性必须一致的要求，位于同一层面不同的岩性，如粉细砂、中细砂，区域上概化为同一种最为相近的岩性名称（如细砂）；粉质黏土、淤泥质黏土等则并成黏土类弱透水层，突出砂性土在空间上的展布规律，构筑全区的含水层结构。

（2）2m以内厚度的地层予以概化，如在较为连续的相对隔水层中出现小于2m、岩性颗粒较细的含水层忽略处理，部分情况视作透镜体。

（3）每一含水岩组大多包含数层砂层，为了保证软件的正常运行，模型反映主要的含水层，原则上每一含水岩组不超过二层砂层，将部分含水层进行合并，薄层砂忽略不计，使构建的含水层模型既能反映当地含水层结构又能保证模型的正常建设。

2.2 分层岩性编码

对钻孔或剖面中出现的岩性进行概化处理后，需对各个钻孔分层命名使信息系统平台自动识别并提取分层离散点进行插值从而构建模型。在为钻孔进行水文地质层编码时，首先根据已划分好的建模区水文地层层序，对建模区各钻孔所揭穿的所有地层从上至下进行编号，建立水文地质层层序表，并据此将建模区钻孔中的各个地层与地层层序表相对应，对钻孔中各个地层进行编号。对钻孔进行分层编号的目的是获取各水文地层层的离散点，为插值拟合水文地层层面做准备。钻孔数据通过以上处理后，就可为插值构建模型使用。

3　三维水文地质建模

3.1 建模方法

当前三维地质建模主要有两种方法：基于钻孔资料的建模和基于地质图的建模。以钻孔数据为基础，基于不同插值算法插值构建的三维模型通常称为不确定性模型；而基于钻孔数据、剖面数据等多源数据的建模方法构建的三维模型通常称为确定性模型。确定性模型经过专业人员的解译、概化，将研究区按照一定的划分规则划分为若干个确定的地层，建立层序，再基于差值算法构建而成，能确定地表达各地层的形态及展布，是实现地下水资源高效管理的重要介质[19～21]。

苏州城市规划区三维水文地质建模前期工作收集了各种水文地质钻孔资料59份、第四纪和工程钻孔1200份，并绘制了具有代表性的13条水文地质剖面图[22]。除此，地表DEM、基岩面、工作区范围、已建好的第四纪模型也是水文地质建模的基础数据。“钻孔—地质剖面/等值线—地层实体”是本次工作的整体建模思路。在大的分层上，根据水文地质标准地层与第四纪标准地层的对应关系，绘制以下界面：地表约束面、基岩面、以及中间的如东组与 湖组、昆山组、启东组、海门组界线。再通过水文地质层序标准化后的13条水文地质剖面与1000余个概化钻孔的交互实现含水层与隔水层的建模（图2）。

图2　水文地质钻孔分布与立体剖面网格Fig.2 Distribution of hydrogeological borehole and cross section

3.2 苏州城市规划区三维水文地质模型

苏州城市规划区陆域2597km2范围（图1）为本次三维水文地质建模区。建模区的地下水主要赋存在第四系地层中，因此将第三系及早期地层作为建模的基底，三维水文地质模型如图3所示（图中，粉色代表基底，黄色代表黏性土弱透水层，绿色代表含水层，地表层为卫星遥感影像数据叠加地形起伏面）。

从图3可以看到，建模区第四系地层由东至西逐渐变薄，至西部环太湖地区基底凸起，水文地质结构由上至下分布有4个含水岩组。第Ⅰ承压含水层下段与第Ⅱ承压含水层分布最为广泛，厚度也较大。第Ⅰ承压含水岩组上段和第Ⅲ承压含水层厚度较小，且第Ⅲ承压含水层有较大范围的缺失，仅分布于黄埭、娄家庄、郭巷一线以东的凹陷部位。苏州城市规划区三维水文地质模型不仅可以整体查看苏州城市规划区第四系水文地质三维实体，还可以任意切割剖面查看纵剖面的水文地层层空间分布（图4），也可以点击任意地理位置查看水文地质层的岩性特征和分布特征（图5）。此外，通过模型还可以查看钻孔的空间分布，提供钻孔的详细信息，包括基本信息、分层信息、试验信息等；亦可生成水文地质钻孔综合成果表等多个功能。

图3　苏州城市规划区三维水文地质模型Fig.3 3D hydrogeological model of Suzhou city

图4　水文地质剖面切割及查看Fig.4 Cutting and browsing of hydrogeological profile

图5　任意水文地质层的信息拾取示意图Fig.5 Information picking of Hydrogeological layer

图6为苏州城市规划区承压含水层的三维形态展布。通过地层信息拾取功能可以得知，第Ⅰ承压含水岩组上段顶板埋深一般为8～14m，厚度10～20m，局部地区如黄埭、甪直等地可达30～40m。第Ⅰ承压含水层下段在松陵、虎丘、东桥一带以西缺失，主要分布在市区东部，含水砂层具面状稳定分布特点，厚度一般为20～40m，主要为灰色细砂，中细砂；顶板埋深在西部黄埭、蒌葑一带较低，为70m左右，东部约50～70m。第Ⅱ承压含水层厚度一般为20～40m，局部地区如郭巷、胜浦、斜塘等地可达50m；顶板埋深一般在75～120m之间，呈现由西向东由浅至深的变化特征，望亭一带埋深约72～83m，向西、东北方向砂层厚度一般小于10m，西部至基岩区附近缺失。第Ⅲ承压含水层厚度、岩性都呈南北向条带状展布，顶板埋深145～175m，从西北向东南渐深， 直一带超过170m，含水层厚度由小于10m到22.7m不等，以车坊—相城条带最厚，为10～30m，两侧河间带小于10m；含水层岩性以黄、灰色细砂、中细砂、含砾中粗砂为主，平面上由南往北岩性粒度由细变粗。

图6　承压含水层三维形态Fig.6 3D form of confined aquifers in Suzhou city

4 结语

地下水资源对于保障人民生产、生活不可缺少，因此高效地进行地下水资源信息化管理是发展趋势。三维水文地质模型能够实现含水介质空间分布特征的多方位立体可视化展示，是含水层系统分析的有效手段，也是快速掌握区域地下水资源量分布特征的重要技术。本次工作在充分利用钻孔资料的同时，融入多源地质数据和专家经验，开展了苏州城市规划区三维水文地质建模研究，包括建模数据处理、多源地质数据的综合利用、三维水文地质层序的划分、模型的构建方法等，创建了一套“钻孔—地质剖面/等值线—地层实体”交互建模的数据分析平台。利用该平台创建的苏州城市规划区三维水文地质模型反映了现有条件下对区内水文地质结构的认识，为优化地下水管理提供了可靠依据。经钻孔和资料验证，该模型精确可靠，能很好地满足实际应用的需要，并可为其他地区开展水文地质三维建模提供参考。

参考文献(References)

[1] Houlding S W. 3D Geo-science modeling: Computer techniques for geological characterization[M]. London: Springer-Verlag, 1993.

[2] Agnese F A, Faunt C C, Turner A K, et a1. Hydrogeologic valuation and numerical simulation of the Death Valley regional ground water flow system in Nevada and California[R]. US Geological Survey Water Resources Investigations Report, 1997.

[3] Parent R M, Michaud M. On the construction of 3D geological models for applications in regional hydrogeology in complex Quaternary terrains of eastern Canada[EB/OL]. http://www. isgs.uiuc.edu/3DWorkshop/2004workshop/3_d_geology_2004_ workshop.html, 2001-04-22.

[4] 张阿根,刘毅,龚士良.国际地面沉降研究综述[J].上海地质,2000,21(4):1-7.Zhang A G,Liu Y,Gong S L.Overview of international land subsidence research[J].Shanghai Geology,2000,21(4):1-7.

[5] 张阿根,杨天亮.国际地面沉降研究最新进展综述[J].上海地质,2010,31(4):57-63.Zhang A G,Yang T L.Latest progress review of research on international land subsidence[J].Shanghai Geology,2010,31(4):57-63.

[6] 薛禹群.地下水数值模拟[M].北京:科学出版社,2007.Xue Y Q.Numerical simulation of ground water[M].Beijing:Science Press,2007.

[7] 薛禹群,张云,吴吉春,等.上海和苏锡常地区区域地面沉降数值模拟[J].水文地质工程地质,2010,37(S1):1-6.Xue Y Q,Zhang Y,Wu J C,et al.Numerical simulation of regional land subsidence in Shanghai and Su-Xi-Chang area[J].Hydrogeology and Engineering Geology,2010,37(S1):1-6.

[8] 陈崇希,裴顺平.地下水开采—地面沉降数值模拟及防治对策研究:以江苏省苏州市为例[M].武汉:中国地质大学出版社,2001.Chen C X,Pei S P.Numerical simulation of land subsidence caused by ground water exploitation and prevention countermeasure:A case study of Suzhou city in Jiangsu province[M].Wuhan:China University of Geosciences Press,2001.

[9] 陈崇希.地下水流数值模拟理论方法及模型设计[M].北京:地质出版社,2014.Chen C X.Theory and method on numerical simulation of ground water flow and model design[M].Beijing:Geological Publishing House Press,2014.

[10] 李勤奋,苏河源.上海地下水流三维水动力模型研究[J].上海地质,1991,12(3):28-37.Li Q F,Su H Y.A study on three dimensional ground water flow model in Shanghai[J].Shanghai Geology,1991,12(3):28-37.

[11] 刘天霸,张永波,费宇红,等.华北平原三维水文地质建模及其可视化研究[J].水科学与工程技术,2007,(2):44-46.Liu T B,Zhang Y B,Fei Y H,et al.Study on the 3D hydrogeological modeling and it’s visualization of North China Plain[J].Water Science and Engineering Technology,2007,(2):44-46.

[12] 魏子新,翟刚毅,严学新,等.上海城市地质[M].北京:地质出版社,2010.Wei Z X,Zhai G Y,Yan X X,et al.Shanghai urban geology[M].Beijing:Geological Publishing House Press,2014.

[13] 刘映,尚建嘎,杨丽君,等.上海城市地质信息化工作新模式初探[J].上海地质,2009,30(1):54-58.Liu Y,Shang J G,Yang L J,et al.Pilot study on a new work pattern of Shanghai urban geological informationization[J].Shanghai Geology,2009,30(1):54-58.

[14] 陈勇,刘映,杨丽君,等.上海三维城市地质信息系统优化[J].上海地质,2010,31(3):23-28.Chen Y,Liu Y,Yang L J,et al.Thoughts on Shanghai urban 3D geological information system enhancement[J].Shanghai Geology,2010,31(3):23-28.

[15] 彭文祥.基于开放标准的地质空间信息集群体系结构研究[J].上海国土资源,2012,33(3):85-90.Peng W X.Geospatial standard framework for sharing of geoscience information[J].Shanghai Land &Resources,2012,33(3):85-90.

[16] 乐艳莉.城市地质信息化管理IT基础架构规划[J].上海国土资源,2013,34(3):48-51.Le Y L.An IT infrastructure plan for the management of urban geological information[J].Shanghai Land &Resources,2013,34(3):48-51.

[17] 宋唯,刘利锋,龚威,等.规划和国土资源综合信息监管平台关键技术研究与应用[J].上海国土资源,2015,36(4):52-54.Song W,Liu L F,Gong W,et al.Research and application of key technologies in planning a comprehensive information monitoring platform for land resources[J].Shanghai Land &Resources,2015,36(4):52-54.

[18] 陆徐荣,朱明君,蒋波,等.苏州城市规划区地下水应急水源地调查评价报告[R].南京:江苏省地质调查研究院,2012.Lu X R,Zhu M J,Jiang B,et al.Investigation and evaluation report of emergency groundwater source place[R].Nanjing:Geological Survey of Jiangsu Province,2012.

[19] 顾丽影,花卫华,李三凤.三维城市地质信息平台[J].地质学刊,2012,36(3):285-290.Gu L Y,Hua W H,Li S F.On 3D information platform of urban geology[J].Journal of Geology,2012,36(3):285-290.

[20] 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.Zhang Y B,Zhang X S,Zhang L Z.Application of visual technology for information management on groundwater resources[J].Geography and Territorial Research,2002,18(1):87-89.

[21] 张礼中,张永波,周小元,等.城市环境地质调查信息化建设[J].上海地质,2010,31(2):20-25.Zhang L Z,Zhang Y B,Zhou X Y,et al.Informationization construction in urban environmental geological survey[J].Shanghai Geology,2010,31(2):20-25.

[22] 龚绪龙,花卫华,高立,等.苏州市城市地质信息管理与服务系统研制报告[R].南京:江苏省地质调查研究院,2012.Gong X L,Hua W H,Gao L,et al.Report of geological information management and service system of Suzhou City[R].Nanjing:Geological Survey of Jiangsu Province,2012.

Construction of a three-dimensional hydrogeological model in Suzhou city

ZHU Ming-Jun1,2,LU Xu-Rong1,2
(1.Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster,Ministry of Land and Resources of China,Jiangsu Nanjing 210049,China;2.Geological Surνey of Jiangsu Proνince,Jiangsu Nanjing 210049,China)

Abstract:A three-dimensional (3D) hydrogeological model can show the spatial distribution characteristics of groundwater bearing media in many directions,and it is an effective method for the analysis of aquifer systems.Hydrogeological boreholes,engineering geological boreholes,quaternary boreholes,surface digital elevation models (DEM),bedrock surfaces,the range of modeling areas,completed quaternary models,hydrogeological profiles and hydrogeological maps are the basic data in 3D hydrogeological modeling.Geological information management and the service system of Suzhou city form the basis of a 3D hydrogeological model.The modeling method is “borehole with hydrogeological profile or contour line and stratum entity”.A 3D hydrogeological model of Suzhou city can provide detailed geological data and scientific direction for information management on groundwater resources and sustainable development of the city.

Key words:hydrogeology;three-dimensional model;aquifer system;groundwater resources;information management

基金项目:江苏省国土资源厅科研项目“苏州市城市地质调查”(苏国土资函[2008]409号)

作者简介:朱明君(1985-),女,硕士,工程师,主要从事水文地质研究.

修订日期:2016-01-15

收稿日期:2015-12-24

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.014

中图分类号：P641.6

文献标志码：A

文章编号：2095-1329(2016)01-0062-04

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