基于LoopStructural与MODFLOW的地质结构不确定性无缝建模工作流研究

本研究针对地下水模型中地质结构不确定性这一关键难题，开发了整合LoopStructural地质建模与MODFLOW 6水流模拟的无缝工作流。通过非结构化网格适配多尺度结构解释、全连通流场公式及结构参数化技术，实现了断层位移与含水层尖灭位置不确定性的量化分析，并创新性地将结构参数反演纳入历史拟合过程，为规避传统贝叶斯模型平均(BMA)方法的局限性提供了新范式。

　　

地质结构不确定性长期困扰着地下水模型的可靠性，尽管其影响可能超过参数与局部非均质性（Type 3不确定性），但受限于缺乏自动化多结构实现生成与流动模型耦合的技术，该问题鲜少被系统研究。传统体素网格难以表征断层轨迹、倾斜地层等复杂几何特征，而手动调整结构模型又效率低下。针对这些瓶颈，西澳大利亚大学等机构的研究团队在《Environmental Modelling》发表论文，提出名为LoopFlopy的创新工作流。

该研究核心技术包括：(1) 采用LoopStructural构建参数化隐式三维地质模型，通过结构参数控制断层几何与地层尖灭位置；(2) 基于空间数据驱动的非结构化水平网格生成技术；(3) 利用DISV2DISU转换器实现"全连通性"垂直流场建模；(4) 结合Flopy实现MODFLOW 6输入文件自动化生成；(5) 结构参数与水力参数联合反演框架。研究数据来源于合成案例，包含尖灭情景与断层情景两类典型结构问题。

【工作流总结】部分阐明：工作流通过LoopStructural将地质数据与结构参数转化为隐式3D模型，水平面网格由空间数据与细化准则动态生成，垂直方向则采用非分层离散方案。与传统体素网格相比，该方法计算效率提升显著。

【尖灭情景应用】显示：对含水层尖灭位置的敏感性分析表明，尖灭边界50米偏移可导致局部水力梯度变化达300%，证实结构不确定性对水流路径的显著影响。通过250组结构实现，工作流成功量化了尖灭位置不确定性的传导系数变异范围。

【断层情景应用】揭示：断层垂向位移参数化实现了断层密封性连续表征，反演结果表明观测井数据可有效约束断层位移参数，其后验分布较先验范围缩小67%。

【结构参数反演】创新性提出：将含水层尖灭位置作为连续参数纳入PEST反演框架，联合优化结构参数与水力参数。相比传统BMA方法，该方法避免了离散模型选择的局限性，反演后预测区间收窄82%。

结论部分强调，该工作流首次实现地质结构与水流模型的双向耦合，突破传统体素网格的几何表征限制。其意义在于：(1) 为Type 3不确定性量化提供标准化工具；(2) 结构参数反演避免离散模型选择的任意性；(3) 非结构化网格提升复杂结构建模效率达10倍。讨论指出，未来可扩展至多相流模拟与地球物理数据同化，但需注意当前对褶皱等复杂构造的建模限制。

研究得到澳大利亚研究委员会LP180101153资助，相关代码已在GitHub开源。美国地质调查局的Christian Langevin贡献了关键DISV2DISU转换器技术，Florian Wellmann对结构不确定性的奠基性工作为研究提供重要理论支撑。