CN103246783A - 一种含水介质模型的多尺度随机耦合建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含水介质模型的多尺度随机耦合建模方法，其特征是：以被测区域为中心划定扩展区域，扩展区域包含被测区域；将扩展区域内的钻孔岩性数据按岩性的含水性质进行分类，使用转移概率地统计方法建立父尺度模型，然后建立父尺度模型中被测区域内所有材质类别分别对应的子尺度模型，最后将子尺度模型与父尺度模型融合。本发明使用父尺度模型的材质空间分布作为先验知识，约束选取父尺度模型中各材质类别分别对应的子尺度的建模数据，使得建立子尺度模型的数据是使用父尺度同一材质控制的子尺度的数据，建模数据统计特性更符合该材质的空间分布规律，且使得建立的耦合含水介质模型兼具有父尺度的结构性和子尺度的随机性优点。

Description

一种含水介质模型的多尺度随机耦合建模方法

技术领域

本发明涉及水文地质、地质领域，更具体地说是一种建立具有多尺度性质的非均质含水介质或者岩性介质模型的方法。

背景技术

建立含水介质模型对于分析研究区水文地质条件、建立水文地质概念模型和获取水文地质参数等具有重要的意义。转移概率地统计方法（TPROGS,TransitionProbabilityGeostatistics），使用基于马尔科夫链性质的含水介质材质类型转移概率，替代指示变异函数或协方差实现指示地统计，从而根据钻孔岩性数据建立含水介质三维空间模型。含水介质及其参数具有非均质性和尺度特性，其往往表现为大尺度上的结构性和小尺度上的随机性特征。传统上，使用转移概率地统计方法，是基于研究区全部钻孔含水介质材质类型分布数据基础上，统计转移概率从而进行模拟的，其模拟结果往往只能体现单一尺度上的含水介质分布信息，难以体现水文地质的结构性和随机性耦合特征；而且，在自然界中不同区域的含水介质材质类型分布规律并不相同，即含水介质材质类型的空间变异性是一种非平稳的随机过程，

而传统方法使用所有钻孔数据计算转移概率，其无法描述不同水文地质结构体之间的含水介质材质类型分布特征的差异性。而且这种问题不仅在转移概率地统计建模时存在，对于序贯指示模拟（Sequentialindicatorsimulation）和指示克里金方法（IndicatorKriging）等，同样存在类似问题。因此，迫切需要提出一种新的处理方法以解决含水介质建模时存在的上述问题。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种利用钻孔岩性数据的含水介质模型的多尺度随机耦合建模方法，以便使模拟结果即可以体现含水介质的结构性，又可以体现含水介质的随机性耦合特征。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明含水介质模型的多尺度随机耦合建模方法，其特点是按如下步骤进行：

（1）建立父尺度模型：

以被测区域为中心划定扩展区域，所述扩展区域包含所述被测区域；

将所述扩展区域中的钻孔岩性数据按岩性的含水性质分类为m类，分别标记为父尺度材质类别i，i=1，2，…，m，利用所述父尺度材质类别i使用转移概率地统计方法进行模拟，建立初始尺度的含水介质三维网格模型，以所述初始尺度的含水介质三维网格模型作为父尺度模型；

（2）建立父尺度模型中所有材质类别分别对应的子尺度模型：

（a）以被测区域为子尺度模型的子尺度模拟范围，将所述子尺度模拟范围内的钻孔岩性数据按岩性的含水性质分为n类，标记为子尺度材质类别j，j=1，2，…，n，n≥m；

（b）统计所述子尺度模拟范围内的父尺度材质类别i所对应的子尺度材质类别j，使用转移概率地统计方法进行模拟，建立子尺度模拟范围内的与父尺度材质类别i所对应的各子尺度模型i；所述子尺度模型i在空间直角坐标系中X、Y、Z三个方向的网格大小分别为父尺度模型相同方向的网格大小的整数分之一倍；所述子尺度模型i的位置和体积按如下方法设置：

若所述子尺度模拟范围的边界位于父尺度模型的网格线上，则所述子尺度模型i的位置与所述子尺度模拟范围的位置相同，所述子尺度模型i的体积等于所述子尺度模拟范围的体积；

若所述子尺度模拟范围的边界不位于父尺度模型的网格线上，则将子尺度模拟范围向外扩大到子尺度模拟范围的边界位于父尺度模型的网格线上，得外扩子尺度模拟范围，所述子尺度模型i的位置与所述外扩子尺度模拟范围的位置相同，所述子尺度模型i的体积等于所述外扩子尺度模拟范围的体积；

(3)父尺度模型与子尺度模型的融合：

将子尺度模拟范围内的父尺度材质类别i所在区域用子尺度模型i的相同区域替换，得到被测区域含水介质模型。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明使用具有结构性特征的父尺度模型作为先验知识，约束提取各材质类别对应的子尺度建模的数据，然后建立子尺度的随机模型，最后再耦合两个尺度的模型，使得建立的含水介质模型兼具有父尺度的结构性和子尺度的随机性；

2、本发明在建立各子尺度模型时，所使用的建模数据是父尺度模型对应材质类型控制的子尺度的钻孔材质类型数据，因此，子尺度模型计算的转移概率更符合含水介质材质类型的空间分布规律；

3、本发明在父尺度和子尺度两个尺度上分别对钻孔岩性数据进行概化，使得不同尺度使用不同详细程度的含水介质分类数据，从而使建立的含水介质模型具有相应尺度的概化特性。

附图说明

图1为本发明实施例1中m=2时建立的父尺度模型示意图；

图2为本发明实施例1中n=4、子尺度模拟范围为整个父尺度模型的区域时，父尺度模型与子尺度模型的融合示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实例以美国密歇根州渥太华县辖区内主体部分的矩形区域为被测区域。

本实施例中含水介质模型的多尺度随机耦合建模方法，按如下步骤进行：

（1）建立父尺度模型：

以所述被测区域为中心划定扩展区域，扩展区域包含被测区域。本实施例中被测区域与扩展区域相同。

将扩展区域中的钻孔岩性数据按照表1的父尺度钻孔岩性与含水介质材质类别对照关系分类为Ⅰ含水材质、Ⅱ隔水材质两类，分别标记为父尺度材质类别i，i=1，2，所述父尺度材质类别i数据格式为：ID、X、Y、Z、H、材质类别，同一钻孔垂向上不同材质段ID相同，X和Y表示材质段的平面坐标，Z表示材质段顶部高程，H表示材质段长度，材质类别用Ⅰ或Ⅱ表示。利用所述父尺度材质类别i使用转移概率地统计方法进行模拟，建立初始尺度的含水介质三维网格模型，以所述初始尺度的含水介质三维网格模型作为父尺度模型；模拟结果如图1所示，模型的参数如下：

X方向：最小值：477599(m)，网格大小：682(m)，网格个数：60(个)；

Y方向：最小值：245725(m)，网格大小：682(m)，网格个数：59(个)；

Z方向：最小值：130.37(m)，网格大小：3.29(m)，网格个数：40(个)；

转移概率地统计是基于马尔科夫链性质进行材质转移概率统计，然后使用序贯指示模拟，并使用退火模拟优化的一套方法，该方法具体原理参照(Carle,S.F.(1999).T-PROGS:TransitionProbabilityGeostatisticalSoftware(Version2.1),HydrologicSciencesGraduateGroup,UniversityofCalifornia,Davis.)。

表1父尺度钻孔岩性与含水介质材质类别对照关系

注：Ⅰ—含水材质，Ⅱ—隔水材质

（2）建立父尺度模型中所有材质类别分别对应的子尺度模型：

（a）以被测区域为子尺度模型的子尺度模拟范围，将所述子尺度模拟范围内的钻孔岩性数据按照表2的子尺度钻孔岩性与含水介质材质类别对照关系分为4类，即含水材质A、弱含水材质B、弱隔水材质C和隔水材质D，依次标记为子尺度材质类别j，j=1，2，3，4，子尺度材质类别j数据格式与步骤1中父尺度材质类别i数据格式相同，只是材质类别改为用A、B、C或D表示。

（b）统计子尺度模拟范围内的父尺度材质类别i所对应的子尺度材质类别j，使用转移概率地统计方法进行模拟，建立子尺度模拟范围内的与父尺度材质类别i所对应的各子尺度模型i；所述子尺度模型i在空间直角坐标系中X、Y、Z三个方向的网格大小分别为父尺度模型相同方向的网格大小的1/2；子尺度模型i的位置与父尺度模型的位置相同，子尺度模型i的体积等于父尺度模型的体积；

表2子尺度钻孔岩性与含水介质材质类别对照关系

注：A—含水材质，B—弱含水材质，C—弱隔水材质，D—隔水材质

(3)父尺度与子尺度模型的融合：

如图2所示，将子尺度模拟范围内的父尺度材质类别i所在区域用子尺度模型i的相同区域替换。

本发明中当n=m时，即子尺度材质类别个数与父尺度材质类别个数相等时，子尺度建模所使用的数据是受父尺度模型控制的，所以子尺度模子尺度建模数据与父尺度建模数据不同，子尺度模拟时所选参数也可不同，因此，即使n=m时，本发明仍然可以有效处理的，而且是有意义的。

Claims (1)

1.一种含水介质模型的多尺度随机耦合建模方法，其特征是按如下步骤进行：

（1）建立父尺度模型：

以被测区域为中心划定扩展区域，所述扩展区域包含所述被测区域；

将所述扩展区域中的钻孔岩性数据按岩性的含水性质分类为m类，分别标记为父尺度材质类别i，i=1，2，…，m，利用所述父尺度材质类别i使用转移概率地统计方法进行模拟，建立初始尺度的含水介质三维网格模型，以所述初始尺度的含水介质三维网格模型作为父尺度模型；

（2）建立父尺度模型中所有材质类别分别对应的子尺度模型：

（a）以被测区域为子尺度模型的子尺度模拟范围，将所述子尺度模拟范围内的钻孔岩性数据按岩性的含水性质分为n类，标记为子尺度材质类别j，j=1，2，…，n，n≥m；

（b）统计所述子尺度模拟范围内的父尺度材质类别i所对应的子尺度材质类别j，使用转移概率地统计方法进行模拟，建立子尺度模拟范围内的与父尺度材质类别i所对应的各子尺度模型i；所述子尺度模型i在空间直角坐标系中X、Y、Z三个方向的网格大小分别为父尺度模型相同方向的网格大小的整数分之一倍；所述子尺度模型i的位置和体积按如下方法设置：

若所述子尺度模拟范围的边界位于父尺度模型的网格线上，则所述子尺度模型i的位置与所述子尺度模拟范围的位置相同，所述子尺度模型i的体积等于所述子尺度模拟范围的体积；

若所述子尺度模拟范围的边界不位于父尺度模型的网格线上，则将子尺度模拟范围向外扩大到子尺度模拟范围的边界位于父尺度模型的网格线上，得外扩子尺度模拟范围，所述子尺度模型i的位置与所述外扩子尺度模拟范围的位置相同，所述子尺度模型i的体积等于所述外扩子尺度模拟范围的体积；

(3)父尺度模型与子尺度模型的融合：

将子尺度模拟范围内的父尺度材质类别i所在区域用子尺度模型i的相同区域替换，得到被测区域含水介质模型。

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