1.青海省水文地质及地热地质重点实验室 青海西宁 810000；2.青海省水文地质工程地质环境地质调查院 青海西宁 810000
摘要：渗流场能够对地下水以及运移时空特征进行有效反映，而地下水开采过程中，水位红线属于关键指标。对此，本文介绍了孔隙地下水渗流场可视化方法，分析了相关方法结合虚拟现实技术等方面应用要点，希望能够为相关人员提供参考。
关键词：地下水；渗流场；可视化方法
前言：
在地学应用深度、广度持续深化以及拓宽过程中，迫切需要构建3D动态、多分辨率的可视化模型，让地质从业人员在地学数据获取、储存以及处理等方面的方法得到充分转化。因为地下水主要存在地下岩石的空隙内，相关人员并不能够直接进行观察，需要借助地下水监测以及勘察等工作才可以对地下水运动规律以及赋存条件进行有效揭示。但是，基于勘查经费影响，无法布置数量足够的勘察孔，进而无法为准确检测地质条件与水文条件[1]。
1 孔隙地下水渗流场可视化方法
对于孔隙地下水渗流场而言，其可视化处理能够充分体现地下水空间动态，借助渗流场以及动态演变等能够对地下水流向、水力梯度、流速等情况进行有效分析。按照渗流场实际物理性质分析，主要涵盖标量场与向量场两种形式；按照渗流场物理状态以及时间关系，涵盖动态场和静态场两种形式。此类渗流场为向量场，因此主要采用向量线法、特征法、纹理法、点箭头法等实现可视化。对此，主要采用相关方法并结合动态模拟演变实现可视化目标[2]。
2 体系架构
基于已构建系统结构与相关模块关系，选择有限元数值法，结合可视化环境，在非均质、边界条件以及异性分区等方面能够准确、灵活处理，为了可视化模拟地下水3D数据场，提出有效技术方法与研究方法。
第一，集成空间信息。建立3D流水模拟过程中，一般按照当前异构系统、数据库、GIS、GMS数据等情况进行。所以，集成空间信息技术是项目基础。选择异构体系的引擎驱动，强化3D地质模拟体系输出功能以及输入功能等方面，对相关类型系统以及数据进行充分融合，强化数据储存管理以及信息共享水平。以此为基础，实现对象耦合，涵盖含水层、水位、流线、虚拟井、元结点等异构数据或是同构数据的耦合。
第二，3D含水层模型移植以及重构。涵盖以封闭曲面为基础以及矢量的模型移植以及重构，包括逆断层复杂含水层与正断层复杂含水层的模型。另外，系统选择纹理技术，可以向含水层模型映射区域地貌、地形，特别在河流与水库方面，为地下水可视化模拟构建准确、真实的模型。
第三，地下水信息前处理设计。要想可视化模拟渗流场，需要在构建3D含水层模型前提下，将计算方法、边界条件、水文条件、几何参数以及其他必需信息准确输入其中，同时自动剖分有限元三角网格，建立离散点插值以及流场，进而实现地下水信息前处理[3]。
第四，分析空间数据。开展地下水可视化模拟以及分析，涵盖水位模拟、建立与跟踪流线、基于虚拟开采井条件模拟流场，可以针对地下水3D模型展示时空模拟以及显示，根据含水层模型分析趋势面、计算剖面、分析等值线等。
第五，虚拟现实以及可视化设计。借助虚拟现实以及可视化技术，开展渗流场模型差异及含水层模拟一体化显示工作，同时对地下水资源演化趋势以及发展状况展开充分预测，为环保管理决策以及水资源开发利用等工作提供良好依据保障。
3 模型以及算法
渗流场可视化模拟涵盖流线生成以及动态跟踪、水位模拟等，见下图。
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图1 渗流场模拟的基本流程
3.1基于虚拟开采井流场模拟
可以将基于虚拟开采井情况流场变化充分发展映出，对地下水流动进行充分仿真处理。系统可以采用1个以上流场进行地下水预测与计算的初始流场设计，开展虚拟单井以及虚拟多井等流场模拟工作。
第一，挑选感兴趣流场进行地下水预测与计算的初始流场设计。第二，系统中含有交互式模块，基于3D空间对虚拟开采井位置任意选定，另外，能够对开采井与关联参数进行编辑、删除或是增加处理。第三，用户对钻井位置深度与坐标设定之后，采用潜水含水层、承压含水层等模式，同时将抽水量、计算精度已经储水系数等参数输入其中。第四，根据输入的参数，对潜水含水层或是承压含水层在抽水t时刻实际水位降深值进行计算。第五，进行光滑与插值处理，获得各个时间段水位数值。第六，将水位变化情况动态显示出来，结合输入参数输出情况，建立各种水位埋深、各种范围降落漏斗。
3.2地下水位模拟
根据地下水水位监测数据信息，通过插值和拟合技术，促使水体垂向发生变化，能够与历史资料连接，进而仿真显示地下水流动。一般涵盖以下数据：水位数据，主要是预测资料与历史资料，建立TIN水位模型；另外动态水位重要帧的索引文件，涵盖水位模型以及名称等。涵盖以下步骤。第一，系统中文件导入以及交互式设计方式建立动态模拟重要帧水位数据。第二，挑选模拟分析环节水位项目，进行显示方式、时段比例以及插值时段设置。显示填充主要涵盖定值、等值、纹理、单一四种模式。其中，单一方式：以光照模型为基础实现可视化。纹理方式：选择纹理映射贴显示水位。等值方式：基于某时间段的水位等值线进行填充处理，进而横向对比水位。定值方式：在所有时间段中水位等值线中，填充处理，进而纵向对比水位。第三，通过差值技术以及算法，对水位展开模拟计算，同时通过虚拟场景实现动态显示。
3.3生成以及跟踪流线
对于地下水模拟计算的某时刻流场，根据有限元计算理论，将含水层的顶板标高设计成样本数据，借助水流模型进行流水线建设。现阶段，国际通用软件显示流水线过程中，主要以离散矢量为主，无法绘制连续流线，而连续流线对于模拟后处理效率具有直接影响，另外可以充分促进地下水可视化显示效果与质量。所以，系统生成离散流线过程中，根据粒子系统理论以及可视化技术，采用特征跟踪算法，可以对复杂流场生成以及跟踪连续流线，具有鲁棒性强以及跟踪精度高等特点。
第一，挑选初始流场进行流线跟踪流场设计。第二，合理挑选生成以及跟踪模式，就是连续流线跟踪或是离散流线构建模式。第三，开展流线设计。按照初始流场建立方式，科学确定实际流线模拟以及基于虚拟井开采流线模拟，促使流线模拟过程中具有丰富的参数获取渠道。比如，采用实际流线模拟，应该将参数分区与相关参数导入其中。第四，若是采用离散流线模式，应该设置以及计算离散流线。若是采用连续流线模式，应该构建初始流场拓扑结构，提取特征，涵盖流线跟踪分水岭识别以及终止条件等，同时对流场区域进行布点处理，对初始跟踪的起点进行确定。第五，对质点经过有限元单元过程中实际流速进行计算，选择以网格为基础，结合特征跟踪算法，有效追踪连续流线。第六，跟踪各条流线，在各个布点均结束之后终止条件，结束跟踪作业。第七，以含水层模型为基础，借助插值技术对流线进行修正。若是等水线和流线之间并不属于垂直关系，那么对初始流程的模型进行改变，重新建立流线。第八，保存流线模拟结果，同时显示流线，并展开可视化分析。
结语：
以有限元数值理论为基础，将虚拟现实作为支撑，能够对渗流场展开可视化模拟，充分提高地质数据信息表现力，为深入预测区域地下水演化趋势以及发展状况提供良好保障。
参考文献：
[1]高长军. 注浆加固对近水库隧道裂隙密集带区地下水渗流场的影响性分析[J]. 城市道桥与防洪，2020，258（10）：25-26+231-235.