随着GIS技术的飞跃发展, 三维可视化也是重要的研究方向, 许多研究人员已经进行了大量的卓有成效的研究, 并有许多已经成熟的技术应用到实际中, 比如游戏、工业设计以及其他领域。为三维可视化应用到地热资源领域提供了基础。三维GIS技术应用于地质建模也逐渐引起了人们的重视。近几年, 将三维建模应用于地热系统的开发也取得了一定成果。由天津市地质调查研究院和天津市国土资源与房屋管理局联合开发了“天津市地热信息系统”[1]。该系统为基于Mapgis的地热信息系统包括图形系统、数据库管理系统和综合评价系统三部分。其主要功能包括:信息管理、数据信息采集 (属性数据和空间图形数据) 、空间信息查询、资源量计算、水质评价、统计分析等。2007年, 天津整合已经建立的地热空间数据库, 建立地热资源远程实时监测及信息管理系统。利用MapGIS平台二次开发, 实现了地热数据管理、远程监测数据采集、地热数据统计分析功能。2009年韩征等建立了河北省雄县地热资源评价和管理的地热信息系统[2]。该系统采用VS.NET作为软件的集中开发平台。系统分为二维热储模拟子系统和三维地层展示及分析子系统。系统实现了两维数据读取转换、专题地图分析、空间属性双向查询、专题地图制作、投影变换、统计分析决策等空间属性查询分析功能。总之, 目前大部分关于地热的信息系统的开发尚处于研究阶段, 进入实质开发的相关系统建设并不多, 并且以二维的地热数据信息系统为主。建设以三维地热地质模型为基础的地热资源数据信息系统成为形势所需。
一、常用建模软件介绍
三维地质建模 (Three Dimension Geological Modeling) 就是运用计算机技术, 在三维环境下, 将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测, 地学统计, 实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来, 并用于地质分析的技术。它是随着地球空间信息的技术的不断发展而发展起来的。由地质勘探、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像和科学计算可视化等学科交叉而形成的一门新型学科, 这一概念最早由加拿大人Simon W Houlding于1993年提出的。上世纪70年代中期开始, 西方为主的国家开始研制三维采矿技术软件, 80年代相继推出了一批三维建模系统软件, 软件涉及矿床模拟、开采评估、生产管理等领域。但这些软件中也存在一些问题, 例如有的系统对于属性不连续的对象处理和表示有一定的困难。1999年中国矿业大学吴立新等对基于LYNX进行三维地学模拟体可视化技术在煤矿中的应用进行了研究。2002年中国地质科学院区划室陈郑辉、肖克炎等基于Vulcan软件系统对阿舍勒铜锌矿床三维立体模型进行了研究。目前国内常用的三维地质建模软件主要有GOCAD、Arcgis、武汉中地的mapgis K9, 北京大学的GSIS等, 基本功能相似但均有各自特点, 多用于石油勘探领域, 近年来, 逐渐在水文地质、工程地质中有所运用, 主要还是为了展示地下空间地质结构、地层岩性以及地形地貌在空间上的分布特征。本次系统的建设采用mapgis K9软件进行三维地热地质模型的建设, 以期在有关地热的三维模型建设方面有所突破。
二、基于mapgisk9的三维地热地质模型建模实例
本次地热地质模型建模采用mapgis K9软件进行建设, 采用“分区-拼接”的建模方式进行建模, 这种方法采用“分而治之”的方法将复杂数据进行划分, 便于观察和操作, 也便于分工合作完成大数据量复杂模型构建。
(一) 建模范围及现状
深州市, 是河北省衡水市下辖县级市, 地处河北省东南部, 衡水市西北部, 距省会石家庄90千米, 北邻饶阳、安平, 南连衡水、冀县。东与武强、武邑接壤, 西与石家庄地区束鹿县交界。南北长53千米, 东西宽39千米, 总面积1252平方千米。
本区地层沉积自上而下依次为新生界、古生界、中上元古界和太古界。结合地热热储特点和地层沉积, 对有些地层细化到了组, 有些地层细化到了系, 本次地层结构设计为4层, 依次为第四系、明化镇组、馆陶组、古近系。
(二) 模型构建
深州市区三维模型剖面绘制过程中, 使用了钻孔60个, 包括根据大地电磁测深数据概化的虚拟钻孔40个。共绘制剖面图13条, 其中东西走向7条, 南北走向6条 (见图1) ;根据剖面线绘制剖面图, 导入建模软件后, 生成包围格, 最终建成深州市区模型如图2所示。
三、基于三维地热地质模型的地热资源数据信息系统研发
“基于三维地热地质模型的地热地质模型系统”面向地热资源的计算, 集成了三维地质模型的显示界面与数据信息系统的二维查询展示界面, 同时提供了对于区域地热资源的资源量计算平台、布井规划平台以及单井可行性模型系统。其中, 资源量计算包括地热资源储量计算、可开采量计算以及开发利用潜力计算。系统设置了如下模块:模型应用、图件生成、数据计算、规划预测、虚拟钻孔预测和参数设置。除此之外, 平台主页面上还具有一些基础操作功能, 比如属性拾取、距离量测、二维图层叠加、图例查看、行政区切换、三维/二维视图切换、数据查询等。下面就本系统的主要功能进行介绍:
(一) 图件生成
图件生成模块主要功能可以生成地温等值线和地温梯度等值线。平台从地热资源数据库中提取现有井资料的井口水温数据, 通过内置的网格插值, 使各网格都具有热储层温度属性。此时利用核心计算方法中地温及地温梯度的计算公式, 计算各网格的地温和地温梯度值, 再通过集成等值线计算方法, 进行等值线绘制。平台提供了某热储层等值线绘制、某一固定深度等值线绘制两种选项。
(二) 数据计算
数据计算模块包括:地热资源量计算、可开采资源量计算、开发利用潜力计算及计算汇总。可开采量计算提供了利用三种方法计算的模式, 分别是开采系数法、解析法、统计法。其中开采系数法不需要通过人为经验对系统计算结果进行校正或二次判断, 因此将其计算过程完全内置, 没有设置任何参数调整面板, 可极大的提高计算的效率, 提高了计算模型的可操作性。解析法和统计法由于计算过程较为复杂, 需要人工经验干预, 因而设置了人工交互界面, 可以人为调整计算参数至合理范围, 再进行计算。
(三) 规划预测
规划预测模块基于现有布井情况以及可开采地热资源量的计算结果进行地热井建设规划预测。该模块分为三个部分:布井规划、开发利用方式评估和综合效益评价。
(四) 虚拟钻孔预测
虚拟钻孔预测模块是在三维地热模型上的任意点或任意多点进行虚拟钻孔开挖, 可对虚拟钻井进行水温水量预测以及地热井勘查可行性研究报告的自动生成。该勘查井可行性论证报告内容包括区域地热地质条件、地热井可行性研究、可采量计算与评价等内容, 计算内容包括水温水量预测结果、钻井结构图生成、可开采量预测、效益分析、打井费用预测等。
四、结束语
本次基于三维模型进行二次开发, 建设的三维地热信息系统, 充分挖掘三维模型数据的有效利用潜力, 建立了三维地热地质模型系统。系统将二维与三维数据综合利用, 建立了面向地热资源的计算, 集成了三维地质模型的显示界面与数据信息系统的二维查询展示界面, 同时提供了对于区域地热资源的资源量计算平台、布井规划平台以及单井可行性模型系统。
摘要：本文论述了基于gis的三维建模发展现状及常用建模软件介绍, 并基于mapgis K9软件, 结合深州的钻孔等资料建立了深州三维地热地质模型, 并在此模型基础上进行了二次地热系统研发, 建立了基于三维地热地质模型的地热地质模型系统, 实现了模型应用、图件生成、数据计算、规划预测、虚拟钻孔预测等应用功能。
关键词：GIS,三维地热地质模型,地热信息系统
参考文献
[1] 陈文杰等, 基于MapGIS的天津地热信息系统的建立[D].天津:天津市地质调查研究院, 2007.
[2] 刘忠凯等, 河北省地热调查评价报告[D].河北省地勘局第三水文工程地质大队, 2015.