基于分布式水文模型的矿山污染物扩散入河量估算方法

摘要

本发明公开了一种基于分布式水文模型的矿山污染物扩散入河量估算方法，本发明方法将矿山污染物的大气扩散、干湿沉降和坡面冲刷等过程作为一个整体，基于分布式水文模型，设计了一套矿山开采局部污染源污染物扩散、迁移入河量的估算方法，为存在多个矿山污染源的大型流域/区域污染物的扩散、迁移负荷量估算提供了有效的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及污染物扩散迁移领域，尤其涉及一种基于分布式水文模型的矿 山污染物扩散迁移入河量的估算方法。

背景技术

矿山及其开采导致重金属、粉煤灰、放射性颗粒等污染物随气流、径流从 局部污染源扩散至更广阔的空间，最终部分沉积到土壤层，部分进入水体。如 果这种扩散过程没有严格的阻断措施，将造成广泛的环境污染以及生命健康危 害。其中，进入河流、湖泊、海洋等水体的污染物影响更为严重，因此，污染 物扩展、迁移至河流的数量估算成为评价其后续影响的基础。

从目前的技术方法看，污染物到河流的过程往往被拆解为大气扩散、干湿 沉降、坡面冲刷等局部过程分别研究和估算，尽管各个局部过程的研究、估算 方法均取得了很大进步，但是这种人为割裂的方式使污染物的全生命周期遭到 了破坏，难以保证污染负荷评估的可靠性。

另外，大气扩散、干湿沉降在大气污染领域得到了充分研究，但是在水环 境污染领域尚未引起足够的重视，把矿山污染物的大气过程和地表过程联系起 来进行整体评估的技术尚未可见。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于分布式水文模型的矿山污 染物扩散入河量估算方法解决了现有的矿山污染物对水环境污染研究时，没有 考虑大气扩散和干湿沉降，进而导致污染物入河估算结果不准确的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：基于分布式水文模型 的矿山污染物扩散入河量估算方法，包括以下步骤：

S1、以日为单位，对矿山污染物进入大气并沉降到地表时，沉降点承受的 总污染负荷量进行估算；

S2、构建沉降点上的单位面积污染负荷量和坡面产流量之间的空间关系；

S3、基于构建的空间关系，将待估算区域划分为网格单元，并建立网格单 元与子流域之间的空间叠加关系；

S4、根据建立的空间叠加关系，将估算的总污染负荷量分布到子流域及其 内部的不同土地利用类型中，进而获得矿山污染物扩散入河量的估算结果。

进一步地，所述步骤S1中，将矿山污染物对应的各个污染源概化为点状， 受风速及其风向的影响，距离污染源D、夹角θ处的沉降点P处承受的污染负荷 量f(D,θ)的计算公式为：

式中，f(D,θ)为距离污染源、夹角θ处的沉降点P承受的日污染负荷量，单 位为kg/hm

进一步地，基于污染负荷量f(D,θ)，沉降点P处承受的总污染负荷量F(t)的 计算公式为：

式中，F(t)为第t天沉降点P处承受的总污染负荷量，单位为kg/hm

进一步地，所述步骤S2中的坡面产流量通过基于子流域划分的分布式水文 模型模拟获得；

所述步骤S2中，在构建单位面积污染负荷量和坡面产流量之间的空间关系 时，将沉降点上的单位面积负荷量作为其周边设定范围内坡面上的平均负荷量。

进一步地，所述步骤S3中，建立网格单元与子流域之间的空间叠加关系时， 将划分的每个网格单元中心点的污染负荷量作为该网格单元的平均污染负荷 量。

进一步地，所述步骤S4具体为：

S41、确定各网格单元在各土地利用类型中所占的面积比例；

S42、基于估算的的沉降点的总污染负荷量，确定第i个网格单元上的总污 染负荷量，进而确定第k个子流域内第j种土地利用类型上的污染负荷量；

S43、将确定土地利用类型下的当日污染物负荷量和对应历史累积污染物一 起参与坡面冲刷过程，计算对应土地利用类型下第t天计入子流域内河道的污染 负荷量；

S44、基于各种土地类型对应的污染负荷量，计算各子流域内进入河道的污 染负荷量，即获得矿山污染物扩散入河量的估算结果。

进一步地，所述步骤S41中，第i个网格单元在第k个子流域内第j种土地 利用类型中所占比例Fr(i,j,k)的计算公式为：

Fr(i,j,k)＝A(i,j,k)/A(j,k)

式中，A(i,j,k)为第k个子流域内第j种土地利用类型与第i个网格单元的叠 加面积；A(j,k)为第j个子流域内第种土地利用类型的面积；当子流域内第j种 土地利用类型与第i个网格单元没有重叠面积时，Fr(i,j,k)＝0；

所述步骤S42中，第k个子流域内第j种土地利用类型上的污染负荷量F

式中，F

所述步骤S43中，第t天计入子流域内河道的污染负荷量L

L

式中，L

所述步骤S44中，各子流域内进入河道的污染负荷量L

式中，L

本发明的有益效果为：

本发明将矿山污染物的大气扩散、干湿沉降和坡面冲刷等过程作为一个整 体，基于分布式水文模型，设计了一套矿山开采局部污染源污染物扩散、迁移 入河量的估算方法，为存在多个矿山污染源的大型流域/区域污染物的扩散、迁 移负荷量估算提供了有效的方法。

附图说明

图1为本发明提供的基于分布式水文模型的矿山污染物扩散入河量估算方 法流程图。

图2为本发明提供的是沿风向的污染负荷量分布曲线示意图。

图3为本发明提供的不沿风向的污染负荷量分布示意图。

图4为本发明提供的沉降点P承接多个污染源大气扩散沉降负荷示意图。

图5为本发明提供的子流域、网格单元和土地利用空间叠加关系示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的 普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精 神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保 护之列。

本发明将污染物从矿山污染源的扩散、迁移过程分为两部分：大气扩散沉 降过程和坡面累积冲刷过程，前者的沉降量是后者的输入两，后者的输出量即 为污染物的入河量。

如图1所示，基于分布式水文模型的矿山污染物扩散入河量估算方法，其 特征在于，包括以下步骤：

S1、以日为单位，对矿山污染物进入大气并沉降到地表时，沉降点承受的 总污染负荷量进行估算；

S2、构建沉降点上的单位面积污染负荷量和坡面产流量之间的空间关系；

S3、基于构建的空间关系，将待估算区域划分为网格单元，并建立网格单 元与子流域之间的空间叠加关系；

S4、根据建立的空间叠加关系，将估算的总污染负荷量分布到子流域及其 内部的不同土地利用类型中，进而获得矿山污染物扩散入河量的估算结果。

本发明实施例中，以日尺度为单位，估算矿山污染物进入大气并沉降到地 表的负荷量(其他时间尺度，如小时、周、月等尺度可以以此方法类推)。气象 要素是这一过程的主要驱动因素，包括风速、风向、空气湿度等，相对于广阔 的流域或者区域范围，矿山及其开采场基本上可以作为点状污染源处理，因此， 在上述步骤S1中，将矿山污染物对应的各个污染源概化为点状，受风速及其风 向的影响，距离污染源D、夹角θ处的沉降点P(如图2和图3所示)处承受的 污染负荷量f(D,θ)的计算公式为：

式中，f(D,θ)为距离污染源、夹角θ处的沉降点P承受的日污染负荷量，单 位为kg/hm

降水是大气污染物沉降到地面的重要因素之一，强度较大的降水可以较好 地改善空气质量，但也改变了污染物的沉降强度，如果污染负荷计算的前一天 (t-1)发生了大于2mm的降水量(P

如果流域或者区域内存在多处矿山开采点，那么把所有开采点均概化为点 状污染源，则某个沉降点P承受所有污染源扩散、沉降的污染负荷(图4)，只 是随沉降点与各污染源的相对位置不同，承受的污染负荷量不同；因此，基于 污染负荷量f(D,θ)，沉降点P处承受的总污染负荷量F(t)的计算公式为：

式中，F(t)为第t天沉降点P处承受的总污染负荷量，单位为kg/hm

在上述过程中，大气扩散沉降的估算需要日尺度气象数据，包括平均风速、 主要风向、空气平均相对湿度、降水量等，还需要矿山的空间分布图，以概化 点状污染源的空间位置；假设污染源以相同的强度持续供应污染物，另外，上 述污染负荷估算公式中的参数(k

上述步骤S2～S4中是基于污染负荷量，考虑坡面冲刷过程获得矿山污染物 扩散迁移入河量估算的过程。在坡面累积冲刷过程中，沉降到地表的污染物在 降水径流的冲刷下部分进入河流，部分滞留在土壤层，逐渐累积，但也会随着 较大的径流进入河道，且不同的土地利用类似被冲刷如何的强度差异很大，过 程极为复杂，为简化步骤、方便使用，本实施例中采用指数方程来刻画污染物 的坡面累积和冲刷过程，地表产流是地表污染物冲刷入河的基本驱动力，因此， 产流量是指数方程的重要变量，由分布式水文模型模拟获得。

本实施例中上述步骤S2中的坡面产流量通过基于子流域划分的分布式水文 模型模拟获得；

所述步骤S2中，大气扩散沉降量估算的是沉降点上的单位面积负荷量，而 水文模型模拟的是坡面上的产流量，两者存在尺度上的差异，因此在估算坡面 累积冲刷之前需要首先建立两者之间的空间关系，在构建单位面积污染负荷量 和坡面产流量之间的空间关系时，将沉降点上的单位面积负荷量作为其周边设 定范围内坡面上的平均负荷量。

所述步骤S3中，建立网格单元与子流域之间的空间叠加关系时，将划分的 每个网格单元中心点的污染负荷量作为该网格单元的平均污染负荷量，这样通 过建立网格单元与子流域之间的空间叠加关系，就可以将估算的大气扩散沉降 量分布到子流域，甚至分布到子流域内部的不同土地利用类型上(如图5所示)。

基于坡面累积冲刷过程，上述步骤S4具体为：

S41、确定各网格单元在各土地利用类型中所占的面积比例；

S42、基于估算的的沉降点的总污染负荷量，确定第i个网格单元上的总污 染负荷量，进而确定第k个子流域内第j种土地利用类型上的污染负荷量；

S43、将确定土地利用类型下的当日污染物负荷量和对应历史累积污染物一 起参与坡面冲刷过程，计算对应土地利用类型下第t天计入子流域内河道的污染 负荷量；

S44、基于各种土地类型对应的污染负荷量，计算各子流域内进入河道的污 染负荷量，即获得矿山污染物扩散入河量的估算结果。

在上述步骤S41中，由于不同的土地利用类型对污染物的滞留作用不同， 因此按土地利用类型与网格单元的叠加关系将中心点的单位面积负荷量分配到 土地利用上，第i个网格单元在第k个子流域内第j种土地利用类型中所占比例 Fr(i,j,k)的计算公式为：

Fr(i,j,k)＝A(i,j,k)/A(j,k)

式中，A(i,j,k)为第k个子流域内第j种土地利用类型与第i个网格单元的叠 加面积；A(j,k)为第j个子流域内第种土地利用类型的面积；当子流域内第j种 土地利用类型与第i个网格单元没有重叠面积时，Fr(i,j,k)＝0；

上述步骤S42中，第k个子流域内第j种土地利用类型上的污染负荷量F

式中，F

上述步骤S43中，第t天计入子流域内河道的污染负荷量L

L

式中，L

上述步骤S44中，各子流域内进入河道的污染负荷量L

式中，L

在此基础上，如果需要估算全流域/区域在当天的总污染物入河，可他那个 个累加全部子流域的入河量得到，污染物积累冲刷入河量估算所涉及的冲刷系 数也可以通过实现数据来确定或者调解，类似于水文模型的参数率定。另外， 本实施例中的上述入河量估算方法，可以通过编程实现，甚至可以嵌入分布式 水文模型，构成水文循环与水环境模拟的综合模型。