CN116187001A - 一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法 - Google Patents

一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，涉及地浸采铀领域，该方法包括如下步骤：建立地浸采铀场地的地下水概念模型，并将所述地下水概念模型转换成地下水数值模型，模拟得到评价区域的稳定流地下水流场；基于地下水流模型，将粒子在评估时段内均匀投放于注液井，进行粒子示踪计算；读取粒子示踪轨迹，剔除在评估时段内未到达抽水井的粒子迹线；统计评估时段内每条迹线到达抽水井的粒子个数，估算每条迹线的相对通量和通量贡献率，获取不同累积通量贡献率的粒子示踪迹线；采用Alphashape算法识别不同累计贡献率下的粒子示踪边界，进而估算有效溶浸范围和面积。本发明解决了地浸采铀有效溶浸范围的自动化提取问题。

Description

一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法
技术领域
本发明涉及一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，属于地浸采铀技术领域。
背景技术
铀是一种重要的核电原料，目前主要通过原地浸出的方式进行开采。地浸采铀是通过对可地浸砂岩型铀矿上布置钻井，从注液井注入地浸液，使地浸液与铀矿发生充分反应后，由抽液井提出地表，在地表工厂从地浸液中萃取铀的过程。在地浸采铀过程中，地浸液在含水层中运移并与铀矿发生反应，地浸液在含水层中渗流溶浸范围与铀矿的开采效率密切相关，准确评估地浸液在含水层中的有效溶浸范围对于抽取井方案设计具有重要意义。
由于地浸采铀主要发生在地下，很难通过现场的实时监测获取有效溶浸范围。计算机数值模拟技术的发展为地浸采铀有效溶浸范围的评价提供的一种有效手段。通过模拟研究场地的地下水流场，同时结合粒子示踪技术能有效的追踪地浸液在含水层中的运动轨迹，是分析地浸采铀溶浸范围的一种有效手段。
尽管前期已有部分研究初步采用粒子示踪技术来分析地浸采铀的有效溶浸范围，但仍缺乏能自动识别提取有效溶浸范围和面积的有效方法，有效溶浸范围和面积的自动识别提取对于快速分析不同的井网布设和抽提方案下的有效溶浸范围的变化具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术存在的技术缺陷，解决上述技术问题，提出一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法。
本发明具体采用如下技术方案：一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，包括如下步骤：
步骤SS1：建立地浸采铀场地的地下水概念模型，并将所述地下水概念模型转换成地下水数值模型，模拟得到评价区域的稳定流地下水流场；
步骤SS2：基于地下水流模型，将粒子在评估时段内均匀投放于注液井，进行粒子示踪计算；
步骤SS3：读取粒子示踪轨迹，剔除在评估时段内未到达抽水井的粒子迹线；统计评估时段内每条迹线到达抽水井的粒子个数，估算每条迹线的相对通量和通量贡献率，获取不同累积通量贡献率的粒子示踪迹线；
步骤SS4：采用Alphashape算法识别不同累计贡献率下的粒子示踪边界，进而估算有效溶浸范围和面积。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS1具体包括：地浸采铀场地的地下水数值模型中的注液井和抽液井流量、模型的边界条件均不随时间变化，地下水流模型为稳定流模型，最终模拟场地地下水稳定流流场，地下水流场不随时间变化。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS2具体包括：将有效溶浸范围评估时段均匀划分为N个时段，在每个时段开始时将M个粒子均匀投放到注液井中，共投放NⅹM个粒子；运行粒子示踪程序计算不同粒子在模拟区域的运动轨迹，模拟注入液的运移轨迹，其中划分时段N和每次投放的粒子个数M与最后有效溶浸范围的精度有关，N和M的值越大，最终提取的有效溶浸范围精度越高。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS3具体包括：读取N*M个粒子在评估时段结束时的位置，若粒子最后位置到达抽水井，则保存该粒子在整个评估时段内运动轨迹，否则删除该粒子的运动轨迹。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS3具体还包括：由于模拟区地下水流场不随时间变化，因此不同时段投放的粒子拥有相同的运动轨迹，将不同粒子的相同运动轨迹定义为同一条迹线；统计评估时段内到达抽水井的粒子总数TM和不同迹线到达抽水井的粒子个数EMi，采用以下公式计算评估时段内每条迹线的相对通量贡献率：
Figure BDA0004019103470000021
其中：n为被抽液井捕捉到的粒子迹线条数。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS3具体还包括：将不同迹线的通量贡献率从大到小进行排序，计算迹线通量贡献率的累积贡献率，取相对通量贡献率靠前且累积贡献率等于指定贡献率的迹线所包围的范围，将该范围作为该指定贡献率下的有效溶浸范围。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS4具体包括：提取指定贡献率内迹线上多个粒子的运动轨迹，删除重复的粒子轨迹，形成散点粒子轨迹集，采用Alphashape算法提取散点集的边界，获取最终的有效溶浸范围和面积(或体积)。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS4具体还包括：采用Alphashape算法提取边界时，首先基于散点集构建Delaunay三角网，然后依次提取每个三角形，若三角形中某条便长度大于2α，α为Alphashape算法的参数，则删除该三角形；其次提取剩余三角形的每条边，若过三角形该边的两点且半径为α的圆包含其他点，则删除该三角形；最后剩余三角网的边缘为该散点集的边缘线，即有效溶浸范围。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS4具体还包括：Alphashape算法提取的边缘线与α的大小存在很大关系，α值越大，提取的边界越接近于凸包，α值越小，提取的边界越接近于点云。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS4具体还包括：为提取到最接近于粒子迹线包围的迹线范围，对比不同α值下Alphashape提取的边界，取包含所有点且提取边界形状最小的α值作为最优参数，提取最终的有效溶浸范围；根据提取的边界点坐标，最终计算有效溶浸范围面积。
通过上述技术方案，本发明能自动、快速提取某一特定地浸采铀条件下不同贡献率下的有效溶浸范围及其面积(或体积)。
本发明所达到的有益效果：1、本发明采用粒子示踪技术追踪地浸采铀中注入液的运动轨迹，通过在评估时段内均匀投放示踪粒子来估算评估期内不同迹线的相对通量和贡献率，用于剔除相对贡献率较小的迹线，获取不同累积贡献率下的示踪迹线集，实现了自动提取不同累积贡献率迹线的自动提取效果。2、本发明根据不同累积贡献率下的示踪迹线集上的粒子轨迹，采用Alphashape算法自动提取该粒子轨迹集的边界，通过对比不同α值下的提取结果，获取包含所有点且边界面积或体积最小的边界作为最终的不同累积贡献率下的有效溶浸范围，根据提取的边界点坐标，自动计算有效溶浸范围面积，实现了有效溶浸范围和自动提取的效果。
附图说明
图1是本发明的一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法的方法流程图。
图2是本发明的实施例中某地浸采铀场地抽液井与注液井空间分布示意图。
图3是本发明的实施例中的三种不同贡献度下提取出来的有效溶浸范围。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提出一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，包括如下步骤：
步骤SS1：建立地浸采铀场地的地下水概念模型，并将所述地下水概念模型转换成地下水数值模型，模拟得到评价区域的稳定流地下水流场；
步骤SS2：基于地下水流模型，将粒子在评估时段内均匀投放于注液井，进行粒子示踪计算；
步骤SS3：读取粒子示踪轨迹，剔除在评估时段内未到达抽水井的粒子迹线；统计评估时段内每条迹线到达抽水井的粒子个数，估算每条迹线的相对通量和通量贡献率，获取不同累积通量贡献率的粒子示踪迹线；
步骤SS4：采用Alphashape算法识别不同累计贡献率下的粒子示踪边界，进而估算有效溶浸范围和面积。
实施例1：本实施例具体涉及一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，该方法结合某地浸采铀场地为例进行说明，具体包括如下步骤：如图2所示，该地浸采铀场地呈500m×500m，含铀矿含水层为连续分布的粉砂层，含水层厚度为20m，含水层平均渗透系数为0.25m/day，平均孔隙度为0.15，含水层上部和下部均为渗透性极差的泥岩，可看作隔水层。整个地块内地下水水位变化较小，左右边界可概化为定水头边界，水位均为30m，上下边界概化为为隔水边界。地块内含有4口注液井液和1口抽液井，注液井的注液量为25m3/day，抽液井的抽提量为100m3/day，模拟时段为900天。
根据场地的水文地质条件建立概念模型，本实例采用MODFLOW模型建立该场地的地下水数值模型，最终获取该地块的地下水稳定流流场。
在MODFLOW模拟结果的基础上，采用MODPATH程序进行粒子示踪模拟。首先将整个模拟时段900天平均划分为50个时段，在每个时段向4口注液井分别投放100个粒子，粒子均匀投放于抽液井所在网格，整个模拟时段共计投放20000个粒子，运行MODPATH程序获取模拟时段内不同粒子的运动轨迹。
获取不同粒子的运动轨迹，由于场地内地下水流场在整个模拟期内不变，因此每个时段投放的粒子均具有相同的运动轨迹，最后能提取400条不同的粒子迹线。
删除模拟期间没有粒子到达抽液井的粒子迹线，最终可获取258条不同的粒子迹线。统计模拟期间258条迹线上到达抽液井的粒子总数TM和每条迹线上到达的粒子数EMi，采用以下公式计算每条迹线的相对通量：
Figure BDA0004019103470000051
其中：n为到达抽液井的粒子迹线总数。
将258条迹线的相对通量按从大到小进行排序，计算累积通量贡献率。在此基础上获取到达某一累积贡献率的相对通量较大的所有迹线，删除通量贡献率很小的迹线。本实例提取了3种累积贡献率：100％、95％和80％，其中100％累积贡献率包括所有到达抽液井的迹线。
将三种不同累积贡献率下的迹线上的所有粒子轨迹的坐标提取出来，组成一个二维散点矩阵，在此基础上构建Delaunay三角网，然后依次提取每个三角形，若三角形中某条便长度大于2α(α为Alphashape算法的参数)，则删除该三角形，其次提取剩余三角形的每条边，若过三角形该边的两点且半径为α的圆包含其他点，则删除该三角形，最后提取剩余三角网的边缘线作为不同累积贡献率下的有效溶浸范围。根据提取的边缘线计算有效溶浸范围的面积。
进一步的，在提取有效溶浸范围时，我们对比了不同α提取的有效溶浸范围面积，最终将包括所有粒子轨迹且有效溶浸范围面积最小的α作为最优参数，提取有效溶浸范围。
图3显示了三种不同累积贡献率(100％、95％、80％)下的有效溶浸范围，面积分别为11170.76m2、8520.82m2和6041.64m2，对应的最优α值为1.18、1.52和1.68。
本实施例采用MODFLOW和MODPATH程序进行场地地下水流场和粒子示踪模拟，在实际应用过程中，但本发明并不局限于仅使用这两种模型，具有相似功能的地下水数值模型和粒子示踪模型都可以采用本发明获得有效溶浸范围和面积。
本实例为二维平面模型，本发明也可以用于三维场地，用于获取三维条件下的有效溶浸范围和体积。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤SS1：建立地浸采铀场地的地下水概念模型，并将所述地下水概念模型转换成地下水数值模型，模拟得到评价区域的稳定流地下水流场；
步骤SS2：基于地下水流模型，将粒子在评估时段内均匀投放于注液井，进行粒子示踪计算；
步骤SS3：读取粒子示踪轨迹，剔除在评估时段内未到达抽水井的粒子迹线；统计评估时段内每条迹线到达抽水井的粒子个数，估算每条迹线的相对通量和通量贡献率，获取不同累积通量贡献率的粒子示踪迹线；
步骤SS4：采用Alphashape算法识别不同累计贡献率下的粒子示踪边界，进而估算有效溶浸范围和面积。
2.根据权利要求1所述的一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，其特征在于，所述步骤SS1具体包括：地浸采铀场地的地下水数值模型中的注液井和抽液井流量、模型的边界条件均不随时间变化，地下水流模型为稳定流模型，最终模拟场地地下水稳定流流场，地下水流场不随时间变化。
3.根据权利要求1所述的一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，其特征在于，所述步骤SS2具体包括：将有效溶浸范围评估时段均匀划分为N个时段，在每个时段开始时将M个粒子均匀投放到注液井中，共投放NⅹM个粒子；运行粒子示踪程序计算不同粒子在模拟区域的运动轨迹，模拟注入液的运移轨迹，其中划分时段N和每次投放的粒子个数M与最后有效溶浸范围的精度有关，N和M的值越大，最终提取的有效溶浸范围精度越高。
4.根据权利要求1所述的一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，其特征在于，所述步骤SS3具体包括：读取N*M个粒子在评估时段结束时的位置，若粒子最后位置到达抽水井，则保存该粒子在整个评估时段内运动轨迹，否则删除该粒子的运动轨迹。
5.根据权利要求4所述的一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，其特征在于，所述步骤SS3具体还包括：由于模拟区地下水流场不随时间变化，因此不同时段投放的粒子拥有相同的运动轨迹，将不同粒子的相同运动轨迹定义为同一条迹线；统计评估时段内到达抽水井的粒子总数TM和不同迹线到达抽水井的粒子个数EMi，采用以下公式计算评估时段内每条迹线的相对通量贡献率：
Figure FDA0004019103460000021
其中：n为被抽液井捕捉到的粒子迹线条数。
6.根据权利要求5所述的一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，其特征在于，所述步骤SS3具体还包括：将不同迹线的通量贡献率从大到小进行排序，计算迹线通量贡献率的累积贡献率，取相对通量贡献率靠前且累积贡献率等于指定贡献率的迹线所包围的范围，将该范围作为该指定贡献率下的有效溶浸范围。
7.根据权利要求1所述的一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，其特征在于，所述步骤SS4具体包括：提取指定贡献率内迹线上多个粒子的运动轨迹，删除重复的粒子轨迹，形成散点粒子轨迹集，采用Alphashape算法提取散点集的边界，获取最终的有效溶浸范围和面积。
8.根据权利要求7所述的一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，其特征在于，所述步骤SS4具体还包括：采用Alphashape算法提取边界时，首先基于散点集构建Delaunay三角网，然后依次提取每个三角形，若三角形中某条便长度大于2α，α为Alphashape算法的参数，则删除该三角形；其次提取剩余三角形的每条边，若过三角形该边的两点且半径为α的圆包含其他点，则删除该三角形；最后剩余三角网的边缘为该散点集的边缘线，即有效溶浸范围。
9.根据权利要求8所述的一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，其特征在于，所述步骤SS4具体还包括：Alphashape算法提取的边缘线与α的大小存在很大关系，α值越大，提取的边界越接近于凸包，α值越小，提取的边界越接近于点云。
10.根据权利要求9所述的一种地浸采铀有效溶浸范围的自动提取方法，其特征在于，所述步骤SS4具体还包括：为提取到最接近于粒子迹线包围的迹线范围，对比不同α值下Alphashape提取的边界，取包含所有点且提取边界形状最小的α值作为最优参数，提取最终的有效溶浸范围；根据提取的边界点坐标，最终计算有效溶浸范围面积。
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