基于转移概率的水文地质结构三维模拟理论与应用

论文摘要

地质体中岩性的空间分布状态是各类水文地质、勘探地质等学科研究的基础,岩性空间分布的精度在很大程度上促进各类相关地质问题的研究,为它们提供量化的基础数据。本研究基于地质统计学,利用转移概率地质统计学软件对区域内的离散钻孔数据进行分析插值,模拟出整个空间域的岩性分布情况。本文首先总结了水文地质结构模拟的发展历程以及国内外研究现状,然后简单介绍了地质统计学的相关理论基础,对转移概率统计学软件（T-PROGS）的原理、特点、建模步骤等进行了全面阐述。随后介绍了应用转移概率统计学软件的主要步骤:修改T-PROGS开源程序,使之符合北京平原区的模拟情况;调整优化参数文件,主要是调整水平和垂直方向的马尔科夫链;编写数据格式转换程序,将T-PROGS的模拟结果转化成包含“x”、“y”、“z”、属性列的格式;用科学可视化软件TECPLOT三维显示模拟结果;并通过编写程序采用空间分析方法检测模拟结果的准确率。最后把总结的模型规律推广应用到华北平原。本文重点是将转移概率统计学方法应用到4454 km2的北京平原区包气带。综合考虑模型模拟时间和模拟准确度,每个单元格大小设置为500 m×500 m×2 m,把研究区域剖分成261×185×65个单元格。利用1135个钻孔资料计算不同间隔下岩性间的垂向转移概率;在垂向上采用离散转移概率法建立马尔科夫链模型;通过沃尔索原理,建立水平方向上的嵌入转移比率矩阵,采用嵌入转移比率法建立水平方向的马尔科夫链模型;最后利用条件模拟方法完成北京平原区包气带的水文地质结构模型的建立。并将上述方法推广到更大范围的华北平原,建立剖分单元格为4000 m×4000 m×2 m的模型。结果检验也是本文的一个重点,根据检验用点的水平位置对模拟结果进行插值,得到相同坐标下的属性值,将实测值与模拟值相比较,得到模型结果的正确率。本研究表明,地质统计学方法不仅适用于较小区域的水文地质结构模拟,对于大区域、复杂地层的模拟同样适用。而且通过检验结果的正确率可以确定水文地质结构模型可以为其他地质相关研究提供较精确的数据基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与研究意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 研究内容和技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第2章 地质统计学简介
• 2.1 地质统计学的起源与发展
• 2.2 地质统计插值的基本步骤
• 2.3 前提假设
• 2.3.1 区域化变量
• 2.3.2 变异函数和协方差函数
• 2.3.3 平稳假设
• 2.3.4 估计方差
• 2.4 克里金方程
• 第3章 T-PROGS 软件相关理论及建模步骤
• 3.1 转移概率地质统计学基本概念
• 3.1.1 转移概率
• 3.1.2 马尔科夫链
• 3.1.3 条件模拟
• 3.2 T-PROGS 的软件特点
• 3.3 T-PROGS 软件的建模步骤
• 第4章 北京平原区地质环境概况
• 4.1 地形地貌
• 4.2 地层岩性
• 4.3 地质构造
• 4.4 水文地质条件
• 第5章 基于转移概率的三维地质结构模拟
• 5.1 北京平原区包气带模拟及规律
• 5.1.1 模型情况
• 5.1.2 数据的概化整理
• 5.1.3 垂向转移概率
• 5.1.4 建立3-D 马尔科夫链
• 5.1.5 地质结构插值
• 5.1.6 插值结果格式转换
• 5.2 准确性检验
• 5.2.1 正确率检验
• 5.2.2 三维可视化及结果分析
• 5.3 华北平原模拟
• 5.3.1 华北平原概况
• 5.3.2 数据分析
• 5.3.3 华北平原水文地质结构模拟
• 5.3.4 检验结果
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录