CN116090219A - 一种矿区流域污染物迁移的gis风险管控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统及方法，涉及污染物迁移规律模拟的技术领域。包括三维GIS功能模块、水动力‑水质模型耦合模块、矿山流域污染风险管控模块，基于流域水文学理论、污染物迁移扩散机理,充分考虑堆场区域在降雨后污染物随地表微径流迁移的情况,并在研究微径流形成的规律模拟出不同降雨强度下矿区污染物流域迁移过程，进而更加准确的计算污染物迁移扩散通量，对流域污染物迁移风险进行管控。其基于历史及实时数据和模型，通过三维模型展示污染物空间分布规律和发展变化趋势，实现污染物精准识别与溯源追踪，对矿区流域污染措施能够模拟，对发展态势能够推演，对污染事件能够进行预警。

Description

一种矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统及方法

技术领域

本发明涉及一种矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统及方法，尤其适用于煤炭采选工业区、有机复合污染场地和固体废物堆存场地，涉及污染物迁移规律模拟的技术领域。

背景技术

大型煤炭基地的开采方式主要以井工作业和露天开采为主，井工开采会导致大面积的土地沉陷，露天开采需要铲除地表上生长的稀疏植被挖掘表土，对脆弱的矿区生态造成巨大影响。开采过程中产生的碎石、矸石、沙土等废弃矿渣堆积起来形成排土场和矸石山，不但完全破坏了地表原有的植物生长环境占压大量土地，而且这些堆积本身含有As、Mo、Hg、Pb、Cr、Ni、Ba、Sb、CO2、SO2、NOX有害元素和有机污染物，是潜在的污染风险源。降雨径流是堆体污染物迁移扩散的主要动力之一，雨水对堆体的浸泡、冲刷，淋溶液体将会携带这些污染物质，随着地表径流汇入周围土地，并沉积在土壤或进入下游水体，对周边土壤以及水源、水体造成污染，导致“小雨小污染、暴雨重污染”的现象。由于地表微径流只伴随降雨才短时间产生，且每次产生后的流经途径会发生一定的变动，因此目前并无充分考虑地表微径流携带污染扩散的技术方案，同时也没有能够对堆场降雨后产生的扩散微径流进行模拟的方法。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于流域水文学理论、污染物迁移扩散机理,充分考虑堆场区域在降雨后污染物随地表微径流迁移的情况,并在研究微径流形成的规律模拟出不同降雨强度下矿区污染物流域迁移过程，进而更加准确的计算污染物迁移扩散通量，对流域污染物迁移风险进行管控的矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统及方法，。

为实现上述技术目的，一种矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统，包括三维GIS功能模块、水动力-水质模型耦合模块、矿山流域污染风险管控模块，其中三维GIS功能模块包括测量单元、微径流分析单元、三维污染模型单元；水动力-水质模型耦合模块包括实景三维模型单元、现场调查采样单元、数据资料预处理单元、水质模型构建单元、水动力模型构建单元、水动力学水质模型耦合单元；矿山流域污染风险管控模块包括污染物流域迁移风险评估与预警单元，污染物迁移动态可视化单元，风险控制策略单元；

测量单元：包括空间距离测量、空间面积测量和三角测量，空间距离测量：通过无人机用以测算所选两点坐标的之间的直线距离；空间面积测量：测量所绘制面的空间平面的面积大小；三角测量：测算所选两点之间的直线距离，垂直距离和平面距离；

微径流分析单元：应用无人机航测技术获取并生成了研究区域1.5cm高精度分辨率的三维倾斜和正射影像数据，再根据三维倾斜和正射影像数据生成三维倾斜模型和正射模型，基于射线投射算法，按照设定的密度0.1条射线/平方米—100条射线/平方米从Z轴坐标系高空，垂直于XY轴平面射下相应数量的射线，然后取每道射线与三维倾斜模型的交点得到对应的高程数据，并利用GSFLOW软件对流域矿山微径流进行高精度提取；

三维污染模型单元：用于对污染迁移数据进行三维渲染，进行可视化展示，使隐蔽性的污染便于观测；

实景三维模型单元：通过无人机的五台相机镜头同时从垂直和四个倾斜角度采集实景信息，结合倾斜摄影自动建模技术与GIS平台应用技术获取POS数据和像素点数据，将数据导入处理软件得到高精度实景三维模型，数字正射影像和表面模型；

现场调查采样单元：用于设置无人机飞行采样点坐标导航，安排采样任务；

数据资料预处理单元，用于对收集到的无人机采样数据按照标准格式进行处理，包括编辑采样编号、经纬度坐标、检测浓度和采样深度；

水质模型构建单元：污染物在水体中的迁移，堆场在降雨作用下淋溶出的污染物溶液形成的污染物，通过给定降雨的水质浓度，以降雨的形式添加至模型，最大程度贴合实际污染情况；

水动力模型构建单元：将地形进行网格化处理，输入对象的糙率、边界、降雨、蒸发、风速等参数，将实测水位、流量、流向等流场数据代入模型；

水动力学水质模型耦合单元：用以建立水动力模型，耦合溶质迁移模型，在利用建立的模型对地表水的污染物迁移进行插值计算和预测模拟，分析污染羽的范围及浓度分布；

污染物迁移风险评估与预警单元：用以对流域水质进行评价分级，将地表水污染预警等级确定为5级，即无警-轻警-中警-重警-巨警；无警表示地表水面临污染的风险很小，不需要发布预警，轻警、中警、重警、巨警表示地表水面临不同程度的污染，需要发布预警；

风险控制策略单元：通过计算污染物迁移扩散通量评估污染物对流域的影响，同时将计算结果导出，结合三维GIS功能模块对污染物迁移过程进行动态可视化，并根据地表水环境质量标准指导决策者给出相应的风险管控对策和方案。

一种矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统的方法，其步骤如下：

通过无人机获取矿山流域实景信息，再利用实景信息建立矿山流域的高精实景三维模型；无人机同时从垂直和四个倾斜角度采集矿区流域污染物迁移的图像数据，从而将图像数据转换为高精实景三维模型，包括数字正射影像和表面模型；

在生成高精度实景三维数据模型之后利用制作地形图软件对矿山流域的整体矿区范围进行等高线绘制跟高程点的提取，从而采集到整体矿区的二维等高线图，以更加的直观的二三维联动结合分析该区域的现场状况；

利用无人机航测技术获取并生成了研究区域高精度分辨率的三维倾斜和正射影像数据，区分矿区地表被植被覆盖的区域以及未被植被覆盖区域，并在降雨后利用射线投射算法获取未被植被覆盖区域中产生的地表微径流；由于植被具有良好的保水效果，且植被的蒸腾作用会消耗部分地下水，因此只需要考虑污染物在渗透到地下后随地下水移动以及随地表微径流进行移动的情况；污染物随地下水移动通过设置检测设备获取，而地表微径流不但细小，同时还会随着降雨减小而慢慢减小，并在降雨结束后逐渐消失；因此需要综合CIS表面分析、水文分析和数理统计方法,通过矿区坡度、坡向、高程剖面可视化分析微地形中地表表层微径流发育特征，获得地表表层微径流伴随降雨短时间的发育规律，结合地下水以及随降雨而短期存在的地表微径流在实景三维模型中生成矿区流域随水流的污染迁移路径；

根据矿区流域污染物迁移的实景三维模型，结合地表表层微径流发育特征数据，进行矿区流域污染物迁移模拟，建立矿区流域污染物迁移数学模型，包括水动力模型和水质模型；先将地形进行网格化处理，输入对象的糙率、边界、降雨、蒸发、风速参数，将测量获得的地表微径流的流场数据构建水动力模型，然后根据水动力模型为基础构建地表微径流的水质模型，将污染物浓度作为水质初始条件，污染输入为堆场在降雨作用下淋溶出的污染物溶液，通过以降雨的形式给定污染输入量；

通过空间面积测量计算矿区流域整体降雨量和降雨入渗量，配合水动力模型和水质模型模拟计算出地表微径流的瞬时流量以及堆场污染物随微径流迁移扩散通量；

对计算出的堆场污染物随微径流迁移扩散通量进行矿山流域污染风险预警和管控评估，采用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中推荐的水质评价方法单因子评价法对流域水质进行评价分级，根据评价分级中水质最差的单项指标所属类别来确定整个评价水域的综合水质类别，从而直观反应水质状况，以满足水质保护要求，然后再对地表微径流采用综合指数评价法对水质类别相同的径流断面进行比较，判断出主要污染因子，综合反映出地表微径流水污染状态；对各污染指标的相对污染指数进行统计，据此算出污染物的污染指数，根据污染指数判断出水体的污染程度级主要污染物，然根据预先设定的预警级别判断那是否发布预警；

通过污染物迁移扩散通量评估污染物对流域的影响，同时将污染物迁移扩散通量数值结合三维GIS功能模块对污染物迁移过程进行动态可视化，并根据地表微径流水环境质量标准指导决策者给出相应的风险管控对策和方案。

进一步，利用射线投射算法获取地表微径流的过程如下：根据三维倾斜和正射影像数据生成三维倾斜模型和正射模型，按照设定的密度0.1条射线/平方米—100条射线/平方米从Z轴坐标系高空，垂直于XY轴平面射下相应数量的射线，然后取每道射线与三维倾斜模型的交点得到对应的高程数据，利用GSFLOW软件从高程数据中提取复原出流域矿山微径流的发育特征，完善地表微径流的水流资料。

进一步，利用图像识别算法将矿区图像中植被茂盛区域识别为不透水区，无植被区域识别为透水区，选取正常降雨和极端降雨气象条件，采用水温模型GSFLOW以及超渗产流机制即可计算出透水区地表径流及水分下渗信息，计算出不透水区的水分储存、蒸发及超渗径流数据，进而根据水量平衡计算处堆场的雨水实际入渗量。

进一步，水动力模型构成方法具体如下：

a1、划分水动力模型网格：通过无人机倾斜摄影测量技术获取研究区高精度地形数据，将其转化为MIKE软件适用的格式，采用MIKE软件网格生成器生成研究区域的计算网格，综合考虑模型模拟精度、软件计算时间和结果精度要求等，模型采用三角形网格，考虑到地形起伏情况，进一步进行局部加密，以保证更高的计算效率；

a2、设定水动力模型初始条件：初始条件包括初始水位和初始流速，为了避免计算产生不稳定性，初始条件的设定应尽可能与模型模拟周期中的初始时刻的实际数据一致；

a3、设定水动力模型边界条件：将污染物迁移的径流路径上游边界设为入水口，下游边界设为出水口，在水动力模型上游边界与各支流入口设置流量值，下游边界设置水位值；

a4、设置水动力参数：在水动力计算过程中，考虑微径流的河床糙率和水动力模型计算起始时间，利用河床糙率反映水流运动过程中的阻力的综合因子，根据无人机航测技术获取并生成了研究区域1.5cm高精度分辨率的三维倾斜和正射影像数据，按地形、地貌特征和地表特征，对河床糙率进行界定，其余干湿边界模型参数、涡粘系数模型参数、底床摩檫力模型参数采用默认值；

a5、验证水动力模型：以实测数据为基准对模型参数进行率定，以边界位置为检验点，输出其水位、流量模拟结果，再选取研究时段内的实测水位、实测流量数据，绘制二者的水位、流速模型模拟结果与实际结果的比较图，并进行对比，如果模拟值基本处于实测值的范围内，并无较大差异，趋势吻合度较高，误差相对较小，证明该水动力模型的精度好，能够用以进行水动力模拟研究。

进一步，水质模型的适用性评估：

利用水质模拟数据与实测数据间的技能评分SI和均方根误差RMSE来定量描述水质模拟数据与实测数据的相似程度，SI的值从0到1，分别代表着“模拟结果差”到“模拟结果完全吻合”，算式如下：

式中，n表示布设在流域上游入水口和下游出水口附近的水质监测点个数；Q_i和S_i分别为水质实测值和水质模拟值。

进一步，利用单因子评价法流域水质进行评价分级，通过在所有参与综合水质评价的水质指标中选择水质最差的单项指标所属类别来确定所属水域综合水质类别，计算公式如下：

G＝maxG_i

式中：G_i为第i项污染物的水质类别，C_i为第i项污染物的浓度，C_s为第i项污染物的评价标准。

进一步，流域微径流水采用的综合指数评价法，综合指数评价法先对各污染指标的相对污染指数进行统计，据此算出污染物的污染指数，根据污染指数判断出水体的污染程度级主要污染物，综合污染指数评价法的计算公式如下：

式中：P_i为第i项污染物的污染指数；n为参评水质指标的项数：

其评价分级方法如下：

若预警指标仅需要对单因子水质指标进行预警，引入水质变化速率的概念，其计算公式为：

式中：S_i为水质模拟值；Q_i为水质实测值；t为时间；

通过分析比较现有水质、水质预测变化速率Q，对地表水水质及动态进行赋值，赋值参考下表：

矿山流域地表水水质及动态赋值(单因子)

进一步，染物迁移扩散通量的计算方法如下：

式中Q(t)为瞬时流量，m³/s；C(t)为瞬时浓度，mg/L。

有益效果：

本方法采用贴近摄影技术建模精度1.5cm，为后续精准测量预测提供模型基础，从而实现矿区流域精细化建模，并建立高精度地形，真实刻画空间细节，基于1.5cm精度的实景三维模型进行地表微径流分析更精确；

精准分析降雨入渗量与地表径流，基于流域水文学理论、污染物迁移扩散机理,精准分析降雨入渗量与地表径流，充分考虑堆场区域在降雨后污染物随地表微径流迁移的情况,并在研究微径流形成的规律模拟出不同降雨强度下矿区污染物流域迁移过程，进而更加准确的计算污染物迁移扩散通量。

实现污染模拟与预测预警。基于历史及实时数据和模型，通过三维模型展示污染物空间分布规律和发展变化趋势，实现污染物精准识别与溯源追踪，对矿区流域污染措施能够模拟，对发展态势能够推演，对污染事件能够进行预警。

附图说明

图1是本发明的一种矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

实施例一、

以矿区流域为研究对象，设计并实现符合矿区流域需求的相关功能，基于WebGL技术开发实现三维客户端开发平台，基于Cesium优化提升与B/S架构设计，支持矿区流域轻量级高效能GIS开发平台，能够免安装、无插件地在浏览器中高效运行，并可快速接入与使用多种GIS数据和三维模型，呈现三维空间的可视化，开发具备基于流域水文学理论、污染物迁移扩散机理，构建流域水动力学-水质耦合模型模拟不同降雨强度下矿区污染物流域的迁移过程，进而计算污染物迁移扩散通量及其可视化、分析与数据管理等功能，对流域污染物迁移风险进行管控的矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统。

WebGL(全写Web Graphics Library)是一种3D绘图协议，这种绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定，WebGL可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员就可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型了，还能创建复杂的导航和数据视觉化。

Cesium为三维GIS提供了一个高效的数据可视化平台，Cesium是一个跨平台、跨浏览器的展示三维地球和地图的JavaScript库，使用WebGL来进行硬件加速图形，使用时不需要任何插件支持。

使用3d tiles格式流式加载各种不同的3d数据，包含倾斜摄影模型、三维建筑物、CAD和BIM的外部和内部，点云数据。并支持样式配置和用户交互操作。

根据矿山流域正射影像实现高精度地形数据可视化，支持地形夸张效果、以及可编程实现的等高线和坡度分析效果。

支持多种资源的图像图层，包括WMS，TMS，WMTS以及时序图像。图像支持透明度叠加、亮度、对比度、GAMMA、色调、饱和度都可以动态调整，支持图像的卷帘对比，展示不同阶段矿区流域污染迁移状况。

支持标准的矢量格式KML、GeoJSON、TopoJSON、以及矢量的贴地效果。

使用CZML支持动态时序数据的展示，CZML是一种JSON格式的字符串,用于描述与时间有关的动画场景,CZML包含点、线、地标、模型、和其他的一些图形元素,并指明了这些元素如何随时间而变化。

地形、模型、3d tiles模型的面裁剪。

矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统功能包括空间距离测量、空间面积测量、坡度三角测量、坐标测量、淹没分析、微径流分析、属性数据体绘制渲染、土方渲染。

无人机倾斜摄影建模技术是通过无人机获取实景三维模型，在无人机上搭载塞尔202S五镜头相机，五台相机镜头同时从垂直和四个倾斜角度采集实景信息，该产品结合倾斜摄影自动建模技术与GIS平台应用技术获取POS数据和像素点数据，将数据导入处理软件得到高精度实景三维模型，数字正射影像和表面模型。在项目实施的过程中整体3cm的实景模型满足不了课题对局部地形的进一步决策分析，于是在现有的倾斜摄影的基础之上添加新的摄影技术：贴近摄影测量。要开展贴近摄影测量，无人机需要具有高精度定位，云台姿态控制的功能，摄影测量软件也需要支持处理不规则的航带数据。贴近摄影测量作业流程，是一个从无到有，由粗到细的过程，在原先拍摄的3cm模型基础上，获取目标的位置结构信息，再依据3cm模型的成果，规划无人机贴近摄影测量的航线，进而生成1.5cm精细化的三维模型。利用拍摄设备贴近物体表面摄影，获取(亚厘米级)高清影像，并进行摄影测量处理，从而恢复被摄对象的精确坐标和精细形状结构来重建精细三维模型，弥补了其他摄影测量无法达到的精度要求，从而满足本次课题对局部区域的进一步分析决策。在生成高精度实景三维数据模型之后利用制作地形图软件对整体矿区范围进行等高线绘制跟高程点的提取，从而采集到该区域的二维等高线图，这样能更加的直观的二三维联动结合分析该区域的现场状况。介于该项目需要将数据发布于数据平台之上进行数据三维分析管理，我们将生成的高精度的DEM数据跟倾斜模型通过CesiumLab平台软件进行切片处理，将高精度的地形数据发布到GIS数据平台里边做进一步的分析处理，替代原来低精度、老版本的地形数据。

基于高还原的全视角影像，地面分辨率达到1.5厘米的高精度。矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统可以对矿区流域空间结构数据进行保护存档，成为可溯源数据。

以GIS系统为基础框架，融合无人机倾斜摄影、空间三角计算、3D实景建模及矢量化、BIM等多源异构数据，集成场地虚拟现实(VR)与污染物三维空间分布插值等核心技术，对矿山3D实景建模。通过三维场景功能平台，完成矿山高分辨率刻画，实现三维可视化展示，精细化修复施工。在实景三维GIS功能模块里，除了基本的尺寸、面积、地理坐标等信息，还有高还原度的三维影像模型及BIM信息模型，能直观的为使用者提供决策依据，提高管理效率，更有色彩还原度高、影像高保真地图兼容性好、加载多样数据、共享多部门、基于大数据的可视化分析等特点和优势。实现GIS+BIM+IOT+AI，全要素空地四维一体矿山数字化平台。

双屏对比：在三维平台中，对不同的场景进行比较分析，用于历史场景的比对以及不同方案之间的比较。在场景的编辑窗口，点击左侧工具栏中的双屏对比设置按钮，点击右侧双屏对比工具窗口中的“添加副屏幕场景”在弹出的场景选择窗口中，选择需要双屏对比的场景设置完成之后，点击保存场景按钮，在场景预览窗口就可以看到双屏对比的工具。点击双屏对比工具，可以对刚刚选择的场景进行选择并进行联动、不联动的双屏对比；

飞行路径设置：在场景编辑窗口中，点击左侧工具栏中的飞行路径设置，在右侧出现的飞行路径编辑窗口中，点击添加一条飞行路径。飞行路径由许多的窗口状态构成，不同的窗口状态+持续时间，构成了一个连续的飞行路径。点击添加一条飞行路线新建一条飞行路线点击“添加当前位置为视点”后，将当前的窗口状态记录下来，如果需要修改当前飞行路径的当前视点，先点击编辑进去编辑状态，然后点击“视点”右侧的相机按钮，修改窗口状态为当前窗口状态。同时，可以修改当前窗口状态持续的时间，默认为2s；

线面内插值计算：在地形上绘制完贴地多边形后，根据设置的插值数进行面内插值计算，形成构建TIN多边形、三角网的效果，然后返回每个三角形的值，可对不规则的堆体表面积进行计算；

微径流分析：应用无人机航测技术获取并生成了研究区域1.5cm高精度分辨率的三维倾斜和正射影像数据。

模型方量分析：可分析并计算出模型选定范围内的填挖体积总量。点击场景浏览窗口右侧的分析模块，选择模型方量分析工具点击“创建分析范围”，在模型上绘制需要进行方量分析的范围绘制结束之后，在弹出的窗口中可以设置分析面的基准高度、分析精度大小。点击“开始分析”，并得到挖方或填方的数据；

空间距离测量：空间距离测量可以测算所选两点之间的直线距离；

空间面积测量：可以测量所绘制面的空间平面的面积大小；

三角测量：可测算所选两点之间的直线距离，垂直距离和平面距离；(放坡坡度测量)

暴雨淹没分析(地形)：利用实景三维模型高程数据，结合平台强大的空间分析能力，模拟降雨影响的淹没区范围进行计算，对淹没面积以及哑膜的水深分布进行模拟。

如图1所示，本发明的一种矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统，它包括三维GIS功能模块、水动力-水质模型耦合模块、矿山流域污染风险管控模块；

三维GIS功能模块：通过无人机获取矿山流域实景三维模型，在无人机上搭载塞尔202S五镜头相机，五台相机镜头同时从垂直和四个倾斜角度采集实景信息，该产品结合倾斜摄影自动建模技术与GIS平台应用技术获取POS数据和像素点数据，将数据导入处理软件得到高精度实景三维模型，数字正射影像和表面模型。在项目实施的过程中整体3cm的实景模型满足不了课题对局部地形的进一步决策分析，于是在现有的倾斜摄影的基础之上添加新的摄影技术：贴近摄影测量。要开展贴近摄影测量，无人机需要具有高精度定位，云台姿态控制的功能，摄影测量软件也需要支持处理不规则的航带数据。贴近摄影测量作业流程，是一个从无到有，由粗到细的过程，在原先拍摄的3cm模型基础上，获取目标的位置结构信息，再依据3cm模型的成果，规划无人机贴近摄影测量的航线，进而生成1.5cm精细化的三维模型。利用拍摄设备贴近物体表面摄影，获取(亚厘米级)高清影像，并进行摄影测量处理，从而恢复被摄对象的精确坐标和精细形状结构来重建精细三维模型，弥补了其他摄影测量无法达到的精度要求，从而满足本次课题对局部区域的进一步分析决策。在生成高精度实景三维数据模型之后利用制作地形图软件对整体矿区范围进行等高线绘制跟高程点的提取，从而采集到该区域的二维等高线图，这样能更加的直观的二三维联动结合分析该区域的现场状况。介于该项目需要将数据发布于数据平台之上进行数据三维分析管理，我们将生成的高精度的DEM数据跟倾斜模型通过CesiumLab平台软件进行切片处理，将高精度的地形数据发布到GIS数据平台里边做进一步的分析处理，替代原来低精度、老版本的地形数据。

应用无人机航测技术获取并生成了研究区域1.5cm高精度分辨率的三维倾斜和正射影像数据，采用CIS表面分析、水文分析和数理统计方法,通过坡度、坡向、高程剖面、河网分布等数据可视化分析微地形中地表表层微径流发育特征，找到污染迁移路径。

根据图像算法自动识别(植被茂盛为不透水区，无植被为透水区)矿山流域透水区和不透水区，在水文响应单元透水区采用超渗产流机制计算地表径流及水分下渗。在不透水区计算水分储存、蒸发及超渗径流。选取正常降雨和极端降雨气象条件，采用GSFLOW模型计算地表产流量、蒸发量以及入渗量，进而根据水量平衡计算区域堆体雨水实际入渗量。

通过空间面积测量计算矿区流域整体降雨量和降雨入渗量，配合水动力-水质模型耦合模块计算污染通量。

水动力-水质模型耦合模块：用于模拟矿区污染物随降雨径流迁移过程，基于水动力-水质模型耦合模型，通过输入初始条件、边界条件、运行条件建立模型，模拟矿区污染物迁移过程，可以得出不同降雨强度下场地污染物随雨水径流迁移扩散量，并进行可视化。

水动力-水质模型耦合模块：首先要建立水动力模型。水动力模型构建的基础是将地形进行网格化处理，输入对象的糙率、边界、降雨、蒸发、风速等参数，将实测水位、流量、流向等流场数据代入模型。

(1)水动力模型网格划分

通过无人机倾斜摄影测量技术获取研究区高精度地形数据，将其转化为MIKE软件适用的格式。采用MIKE软件网格生成器生成研究区域的计算网格，综合考虑模型模拟精度、软件计算时间和结果精度要求等，模型采用三角形网格。考虑到地形起伏情况，进一步进行局部加密，以保证更高的计算效率。

(2)水动力模型初始条件

水动力模型所涉及的初始条件包括初始水位和初始流速。为了避免计算产生不稳定性，初始条件的设定应尽可能与模型模拟周期中的初始时刻的实际数据一致。

(3)水动力模型边界条件

上游边界为入水口，下游边界为出水口。在模型上游边界与各支流入口设置流量值，下游边界设置水位值。

(4)水动力参数设置

在水动力计算过程中，主要考虑了河床糙率和模型计算起始时间。糙率n是反映水流运动过程中的阻力的综合因子，是水力学计算中的一个重要指标。根据无人机航测技术获取并生成了研究区域1.5cm高精度分辨率的三维倾斜和正射影像数据，按地形、地貌特征和地表特征，对糙率进行界定。其余模型参数例如科氏力、风力等均采用默认值。

(5)水动力模型验证

以实测数据为基准对模型参数进行率定，以边界位置为检验点，输出其水位、流量模拟结果，再选取研究时段内的实测水位、实测流量数据，绘制二者的水位、流速模型模拟结果与实际结果的比较图，并进行对比。如果模拟值基本处于实测值的范围内，并无较大差异，趋势吻合度较高，误差相对较小，证明该水动力模型的精度较优，可以较为谁确的进行水动力模拟研究。

下一步建立水质模型。水质模型的建立是以水动力模型为基础。水质初始条件为污染物浓度的设定，有实测数据给定。污染输入主要是堆场在降雨作用下淋溶出的污染物溶液。通过给定降雨的水质浓度，以降雨的形式添加至模型，最大程度贴合实际污染情况。水质模型的计算基于水动力模型之上，在对水动力模型率定完成后，还需对水质模型进行率定，以确保模型可以较为真实反映水质变化情况。率定与验证过程主要包括水质参数敏感性分析、参数率定和水质验证。为评估水环境模型的适用性，本文选取了水质模拟数据与实测数据间的技能评分(SI)和均方根误差(RMSE)来定量描述水质模拟数据与实测数据的相似程度。SI的值从0到1，分别代表着“模拟结果差”到“模拟结果完全吻合”。它们分别被定义如下：

式中，n为水质监测点个数；Q_i和S_i分别为水质实测值和水质模拟值。

矿山流域污染风险管控模块：本模块设计了矿山流域污染风险预警和管控评估方法，以地表水水质及动态赋值成为污染预警的主要参考指标。

采用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中推荐的水质评价方法单因子评价法对流域水质进行评价分级，其方法为在所有参与综合水质评价的水质指标中选择水质最差的单项指标所属类别来确定所属水域综合水质类别，计算公式如下：

G＝maxG_i

式中：G_i为第i项污染物的水质类别，C_i为第i项污染物的浓度，C_s为第i项污染物的评价标准。

流域地表水综合评价采用综合指数评价法，综合指数评价法先对各污染指标的相对污染指数进行统计，据此算出污染物的污染指数，根据污染指数可判断出水体的污染程度级主要污染物。综合污染指数评价法的计算公式如下：

式中：C_i和C_s含义同公式(2)；P_i为第i项污染物的污染指数；n为参评水质指标的项数。

其评价分级方法如下：

若预警指标仅需要对单因子水质指标进行预警，引入水质变化速率的概念，其计算公式为：

式中：S_i——水质模拟值；

Q_i——水质实测值；

t——时间。

通过分析比较现有水质、水质预测变化速率Q，对地表水水质及动态进行赋值，赋值参考下表：

矿山流域地表水水质及动态赋值(单因子)

将地表水污染预警等级确定为5级，即无警-轻警-中警-重警-巨警。无警表示地表水面临污染的风险很小，不需要发布预警。轻警、中警、重警、巨警表示地表水面临不同程度的污染，需要发布预警。

通过计算污染物迁移扩散通量评估污染物对流域的影响，同时将计算结果导出，结合三维GIS功能模块对污染物迁移过程进行动态可视化，并根据地表水环境质量标准指导决策者给出相应的风险管控对策和方案。

根据水动力-水质模型模拟结果计算污染物迁移扩散通量，计算方法如下：

式中Q(t)为瞬时流量，m³/s；C(t)为瞬时浓度，mg/L。

Claims (9)

1.一种矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统，其特征在于：包括三维GIS功能模块、水动力-水质模型耦合模块、矿山流域污染风险管控模块，其中三维GIS功能模块包括测量单元、微径流分析单元、三维污染模型单元；水动力-水质模型耦合模块包括实景三维模型单元、现场调查采样单元、数据资料预处理单元、水质模型构建单元、水动力模型构建单元、水动力学水质模型耦合单元；矿山流域污染风险管控模块包括污染物流域迁移风险评估与预警单元，污染物迁移动态可视化单元，风险控制策略单元；

测量单元：包括空间距离测量、空间面积测量和三角测量，空间距离测量：通过无人机用以测算所选两点坐标的之间的直线距离；空间面积测量：测量所绘制面的空间平面的面积大小；三角测量：测算所选两点之间的直线距离，垂直距离和平面距离；

微径流分析单元：应用无人机航测技术获取并生成了研究区域1.5cm高精度分辨率的三维倾斜和正射影像数据，再根据三维倾斜和正射影像数据生成三维倾斜模型和正射模型，基于射线投射算法，按照设定的密度0.1条射线/平方米—100条射线/平方米从Z轴坐标系高空，垂直于XY轴平面射下相应数量的射线，然后取每道射线与三维倾斜模型的交点得到对应的高程数据，并利用GSFLOW软件对流域矿山微径流进行高精度提取；

三维污染模型单元：用于对污染迁移数据进行三维渲染，进行可视化展示，使隐蔽性的污染便于观测；

实景三维模型单元：通过无人机的五台相机镜头同时从垂直和四个倾斜角度采集实景信息，结合倾斜摄影自动建模技术与GIS平台应用技术获取POS数据和像素点数据，将数据导入处理软件得到高精度实景三维模型，数字正射影像和表面模型；

现场调查采样单元：用于设置无人机飞行采样点坐标导航，安排采样任务；

数据资料预处理单元，用于对收集到的无人机采样数据按照标准格式进行处理，包括编辑采样编号、经纬度坐标、检测浓度和采样深度；

水质模型构建单元：污染物在水体中的迁移，堆场在降雨作用下淋溶出的污染物溶液形成的污染物，通过给定降雨的水质浓度，以降雨的形式添加至模型，最大程度贴合实际污染情况；

水动力模型构建单元：将地形进行网格化处理，输入对象的糙率、边界、降雨、蒸发、风速等参数，将实测水位、流量、流向等流场数据代入模型；

水动力学水质模型耦合单元：用以建立水动力模型，耦合溶质迁移模型，在利用建立的模型对地表水的污染物迁移进行插值计算和预测模拟，分析污染羽的范围及浓度分布；

污染物迁移风险评估与预警单元：用以对流域水质进行评价分级，将地表水污染预警等级确定为5级，即无警-轻警-中警-重警-巨警；无警表示地表水面临污染的风险很小，不需要发布预警，轻警、中警、重警、巨警表示地表水面临不同程度的污染，需要发布预警；

风险控制策略单元：通过计算污染物迁移扩散通量评估污染物对流域的影响，同时将计算结果导出，结合三维GIS功能模块对污染物迁移过程进行动态可视化，并根据地表水环境质量标准指导决策者给出相应的风险管控对策和方案。

2.一种使用权利要求1所述矿区流域污染物迁移的GIS风险管控系统的方法，其特征在于步骤如下：

通过无人机获取矿山流域实景信息，再利用实景信息建立矿山流域的高精实景三维模型；无人机同时从垂直和四个倾斜角度采集矿区流域污染物迁移的图像数据，从而将图像数据转换为高精实景三维模型，包括数字正射影像和表面模型；

在生成高精度实景三维数据模型之后利用制作地形图软件对矿山流域的整体矿区范围进行等高线绘制跟高程点的提取，从而采集到整体矿区的二维等高线图，以更加的直观的二三维联动结合分析该区域的现场状况；

利用无人机航测技术获取并生成了研究区域高精度分辨率的三维倾斜和正射影像数据，区分矿区地表被植被覆盖的区域以及未被植被覆盖区域，并在降雨后利用射线投射算法获取未被植被覆盖区域中产生的地表微径流；由于植被具有良好的保水效果，且植被的蒸腾作用会消耗部分地下水，因此只需要考虑污染物在渗透到地下后随地下水移动以及随地表微径流进行移动的情况；污染物随地下水移动通过设置检测设备获取，而地表微径流不但细小，同时还会随着降雨减小而慢慢减小，并在降雨结束后逐渐消失；因此需要综合CIS表面分析、水文分析和数理统计方法,通过矿区坡度、坡向、高程剖面可视化分析微地形中地表表层微径流发育特征，获得地表表层微径流伴随降雨短时间的发育规律，结合地下水以及随降雨而短期存在的地表微径流在实景三维模型中生成矿区流域随水流的污染迁移路径；

根据矿区流域污染物迁移的实景三维模型，结合地表表层微径流发育特征数据，进行矿区流域污染物迁移模拟，建立矿区流域污染物迁移数学模型，包括水动力模型和水质模型；先将地形进行网格化处理，输入对象的糙率、边界、降雨、蒸发、风速参数，将测量获得的地表微径流的流场数据构建水动力模型，然后根据水动力模型为基础构建地表微径流的水质模型，将污染物浓度作为水质初始条件，污染输入为堆场在降雨作用下淋溶出的污染物溶液，通过以降雨的形式给定污染输入量；

通过空间面积测量计算矿区流域整体降雨量和降雨入渗量，配合水动力模型和水质模型模拟计算出地表微径流的瞬时流量以及堆场污染物随微径流迁移扩散通量；

对计算出的堆场污染物随微径流迁移扩散通量进行矿山流域污染风险预警和管控评估，采用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中推荐的水质评价方法单因子评价法对流域水质进行评价分级，根据评价分级中水质最差的单项指标所属类别来确定整个评价水域的综合水质类别，从而直观反应水质状况，以满足水质保护要求，然后再对地表微径流采用综合指数评价法对水质类别相同的径流断面进行比较，判断出主要污染因子，综合反映出地表微径流水污染状态；对各污染指标的相对污染指数进行统计，据此算出污染物的污染指数，根据污染指数判断出水体的污染程度级主要污染物，然根据预先设定的预警级别判断那是否发布预警；

通过污染物迁移扩散通量评估污染物对流域的影响，同时将污染物迁移扩散通量数值结合三维GIS功能模块对污染物迁移过程进行动态可视化，并根据地表微径流水环境质量标准指导决策者给出相应的风险管控对策和方案。

3.根据权利要求2所述矿区流域污染物迁移的GIS风险管控方法，其特征在于，利用射线投射算法获取地表微径流的过程如下：根据三维倾斜和正射影像数据生成三维倾斜模型和正射模型，按照设定的密度0.1条射线/平方米—100条射线/平方米从Z轴坐标系高空，垂直于XY轴平面射下相应数量的射线，然后取每道射线与三维倾斜模型的交点得到对应的高程数据，利用GSFLOW软件从高程数据中提取复原出流域矿山微径流的发育特征，完善地表微径流的水流资料。

4.根据权利要求2所述矿区流域污染物迁移的GIS风险管控方法，其特征在于，利用图像识别算法将矿区图像中植被茂盛区域识别为不透水区，无植被区域识别为透水区，选取正常降雨和极端降雨气象条件，采用水温模型GSFLOW以及超渗产流机制即可计算出透水区地表径流及水分下渗信息，计算出不透水区的水分储存、蒸发及超渗径流数据，进而根据水量平衡计算处堆场的雨水实际入渗量。

5.根据权利要求2所述矿区流域污染物迁移的GIS风险管控方法，其特征在于，水动力模型构成方法具体如下：

a1、划分水动力模型网格：通过无人机倾斜摄影测量技术获取研究区高精度地形数据，将其转化为MIKE软件适用的格式，采用MIKE软件网格生成器生成研究区域的计算网格，综合考虑模型模拟精度、软件计算时间和结果精度要求等，模型采用三角形网格，考虑到地形起伏情况，进一步进行局部加密，以保证更高的计算效率；

a2、设定水动力模型初始条件：初始条件包括初始水位和初始流速，为了避免计算产生不稳定性，初始条件的设定应尽可能与模型模拟周期中的初始时刻的实际数据一致；

a3、设定水动力模型边界条件：将污染物迁移的径流路径上游边界设为入水口，下游边界设为出水口，在水动力模型上游边界与各支流入口设置流量值，下游边界设置水位值；

a4、设置水动力参数：在水动力计算过程中，考虑微径流的河床糙率和水动力模型计算起始时间，利用河床糙率反映水流运动过程中的阻力的综合因子，根据无人机航测技术获取并生成了研究区域1.5cm高精度分辨率的三维倾斜和正射影像数据，按地形、地貌特征和地表特征，对河床糙率进行界定，其余干湿边界模型参数、涡粘系数模型参数、底床摩檫力模型参数采用默认值；

a5、验证水动力模型：以实测数据为基准对模型参数进行率定，以边界位置为检验点，输出其水位、流量模拟结果，再选取研究时段内的实测水位、实测流量数据，绘制二者的水位、流速模型模拟结果与实际结果的比较图，并进行对比，如果模拟值基本处于实测值的范围内，并无较大差异，趋势吻合度较高，误差相对较小，证明该水动力模型的精度好，能够用以进行水动力模拟研究。

6.根据权利要求5所述矿区流域污染物迁移的GIS风险管控方法，其特征在于，水质模型的适用性评估：

利用水质模拟数据与实测数据间的技能评分SI和均方根误差RMSE来定量描述水质模拟数据与实测数据的相似程度，SI的值从0到1，分别代表着“模拟结果差”到“模拟结果完全吻合”，算式如下：

式中，n表示布设在流域上游入水口和下游出水口附近的水质监测点个数；Q_i和S_i分别为水质实测值和水质模拟值。

7.根据权利要求2所述矿区流域污染物迁移的GIS风险管控方法，其特征在于，利用单因子评价法流域水质进行评价分级，通过在所有参与综合水质评价的水质指标中选择水质最差的单项指标所属类别来确定所属水域综合水质类别，计算公式如下：

G＝maxG_i

式中：G_i为第i项污染物的水质类别，C_i为第i项污染物的浓度，C_s为第i项污染物的评价标准。

8.根据权利要求7所述矿区流域污染物迁移的GIS风险管控方法，其特征在于，流域微径流水采用的综合指数评价法，综合指数评价法先对各污染指标的相对污染指数进行统计，据此算出污染物的污染指数，根据污染指数判断出水体的污染程度级主要污染物，综合污染指数评价法的计算公式如下：

式中：P_i为第i项污染物的污染指数；n为参评水质指标的项数：

其评价分级方法如下：

若预警指标仅需要对单因子水质指标进行预警，引入水质变化速率的概念，其计算公式为：

式中：S_i为水质模拟值；Q_i为水质实测值；t为时间；

通过分析比较现有水质、水质预测变化速率Q，对地表水水质及动态进行赋值，赋值参考下表：

矿山流域地表水水质及动态赋值(单因子)

9.根据权利要求7所述矿区流域污染物迁移的GIS风险管控方法，其特征在于，污染物迁移扩散通量的计算方法如下：

式中Q(t)为瞬时流量，m³/s；C(t)为瞬时浓度，mg/L。

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