基于GMS的礦山水文地質結構三維可視化系統設計

閆科偉，牛自禮

（1.山西水利職業技術學 交通工程，山西 運城 044000；2.平頂山市公路交通勘察設計院，河南 平頂山 467000）

礦山勘探工程安全生產受到多方面因素的制約，其中礦井水害是最難治理的地質災害之一，礦井突水引發的事故會給礦區開發造成嚴重負面影響，甚至還會危害勘探人員的生命安全。因此勘探工作前，首先需要探明礦山水文地質結構，但是由于多數礦山水文地質條件復雜，對準確預測礦井水害帶來巨大干擾，增大了礦山開采的工作難度[1]。地下水模擬軟件（GMS），為三維可視化地質建模提供了極大的幫助，利用GMS建立的地質模型更為直接，可以有效顯示含水層和隔水層等水文地質結構的空間分布和狀態，對了解礦山水文地質結構和深入分析地下水內在規律具有重要作用。因此本文基于GMS軟件，對礦山水文地質結構三維可視化系統進行設計，對查明礦區水文地質條件，準確判斷礦坑涌水量提供技術支持，對提高礦山開采的安全性和經濟性起到一定促進作用。

1 礦山水文地質結構監測硬件

1.1 選擇芯片

由于是對野外環境中礦山水文地質結構的監測，通常規模較大和節點數量較多，因此系統設計要盡量控制硬件成本。從經濟環保的角度考慮，選擇的芯片需要選擇低能耗且依靠太陽能供電工作，減少人工部署工作量。本文選擇SOC芯片，將必要電路集成到單一芯片上，SOC芯片集成度高，具有高性能低成本的特點，滿足本文系統的硬件要求。芯片在接收到信號后，對信號進行過濾處理，將有效信息存儲進寄存器中；在向外發送信號時，先將信號放入模擬數字轉換器，再經天線發送，完成整個信號傳遞的過程。

1.2 部署傳感器

為適應礦山環境，部署采集數據的傳感器要滿足大范圍無線監測的要求，本文選擇光纖傳感器，將其部署于礦山水文地質鉆孔中，傳感器的傾角應與鉆孔保持一致。通過傳感器實時監測鉆孔內信息數據的變化，不僅可以查明含水層和滲水層情況，還確定未含水地層變形狀況，借此判斷地層裂隙發育程度，分析該地層是否與含水層產生聯系，總結水文地質結構變化規律。

2 基于GMS的三維可視化系統軟件

2.1 構建礦山水文地質結構模型

實際礦山地下水層結構往往十分復雜，因此需要建立水文地質結構模型。建立模型的主要原則是對水文條件進行概念化，保證可以再現水流動態。首先對含水層實際邊界條件進行概念化計算，通常情況下，含水層上部為交換邊界，接收降雨和河流等的補給，將底部不透水基巖設定為模型隔水邊界。將模型水頭邊界設定為第一類邊界，計算公式如下：

其中，Γ2表示二類邊界；k表示三維空間的滲透系數；表示邊界法向量；h2(x,y,z)表示二類邊界上已知流量函數。將模型混合邊界設定為第三類邊界，計算公式如下：

其中，Γ3表示三類邊界；h3(x,y,z)表示三類邊界上流量函數；C表示邊界條件函數；h表示水頭邊界取值；h0表示天然邊界取值。

2.2 設計水文地質結構數據庫

為建立水文地質結構數據庫，首先依據數據來源劃分類別，本文系統數據庫將數據劃分為含水層特征、水文地質鉆孔和水文地質概念模型邊界三大類，再分為不同子類，各類數據具有不同信息屬性。其中水文地質鉆孔數據表是三維可視化系統的主要依據，描述水文地質結構屬性特征，本文設計鉆孔基礎信息表見表1，地層分層信息表見表2，含水層信息表見表3。

表1 水文地質鉆孔基礎信息表

表2 鉆孔地層分層信息表

表3 鉆孔含水層層段信息表

水文地質鉆孔的三個信息表，通過鉆孔統一編號關聯起來，得到鉆孔空間結構關系，為三維可視化系統提供信息數據支持。

2.3 選取空間插值算法

在三維可視化建模過程中，需要對采集的原始數據使用插值算法，對空間采樣不充足和缺乏的區域進行適當修正，來提高建模完整性和精確度。由于地質結構的復雜和多變性，選取的插值算法會對三維可視化精度造成一定影響，本文選擇空間插值算法對模型進行擬合，提高系統準確度。假定平面上分布散亂點p(x,y,z)，其坐標為(xi,yi)，屬性值為Zi(i= 1,2,...,n)，根據周圍散亂點屬性值計算p點的值。空間插值算法可以表示為：

其中，di表示散亂點到p點的距離；k∈[0 ,2]。空間插值算法主要是利用未知點屬性進行加權平均，使插值生成曲面較為平滑。

3 實驗結果與分析

3.1 系統性能測試

為驗證本文設計三維可視化系統的可靠性，以實際某礦山水文地質勘察資料為基礎，對系統性能進行測試。首先建立了該礦山水文地質結構數據庫，利用實際資料構建三維模型，對其可視化，在計算機環境中展示水文地質結構及其空間分布。根據實際勘探資料中含水層介質分布特征分析，得到水文地質參數取值情況，如表4所示。

表4 水文地質參數實際值

利用本文系統對研究區模型進行識別，計算出滲透系數和給水度見表5。

表5 水文地質參數識別值

通過參數實際值和系統識別值的對比，可以發現偏差相對較小，因此說明含水層擬合情況較好，三維可視化結果較為準確。

3.2 對比測試

為檢驗本文設計的三維可視化系統實際應用價值，將本文設計系統作為實驗組，將使用GOCAD和GIS軟件的系統作為對照組，進行對比測試，比較系統的水均衡擬合效果，對比結果見表6。

表6 不同系統對比測試結果

通過表6對比結果可知，本文系統的水均衡效果擬合較好，可應用于實際礦山水文地質勘查中。

4 結束語

本文基于GMS對礦山水文地質結構三維可視化系統進行設計，為探明水文地質結構和含水層特征，提供可視化平臺。但本文研究是對穩定水流狀態下的模擬預測，還存在一定局限性，未來系統設計還應考慮非穩定流模擬；水文地質結構的三維可視化模型的精度應進一步提高；本文主要對地下水的動態信息進行描述，后續還應結合地層和構造特征對系統進行進一步優化升級，以提高三維可視化系統的科學性。