基于元胞自动机的尾矿库溃坝泄漏模拟分析方法及系统与流程

1.本发明涉及安全和生态环境行业的事故或灾害的数字模拟分析领域，更具体的说是涉及基于元胞自动机的尾矿库溃坝泄漏模拟分析方法及系统。


背景技术：

2.尾矿库通常是指在山谷口或平缓地形的周围筑坝，用来堆存金属和非金属等矿山企业进行矿石选别后排出的尾矿或其他工业废渣的贮存场所。它是一种人为改变地表形态的大型构筑物，通常规模较大，而且堆存的尾矿成分复杂、环境危害性大，属于重大安全和环境风险源，一旦发生事故，会对库区周围河流、农田等造成严重污染和破坏，对库区下游居民及各类生物造成危害。
3.目前，尾矿库溃坝分析主要有以下四类：
4.1、简单经验公式法：主要是基于案例和经验建立经验公式进行评估分析。存在数理基础不可靠、模型比较简单等问题，且不能反映演进过程，只能反映出最终的下游不同距离的横截面上的分布结果，而实际中的溃坝泄漏是一个在四维时空中演进过程。此外，现实中周边地形等背景环境对演进过程有很大影响，但是模型对周边地形等背景环境因素考虑不足。
5.2、实体模型实验法：主要应用相似实验原理，通过各种相似的实体实验模型，进行模拟试验与评估分析。这类方法的优点是相对比较精确，但是由于是实体模型，代价比较高，同时由于各尾矿库构造及周边地理环境等的不同，难以形成通用实体模型以适用于不同区域的不同尾矿库的模拟分析。
6.3、数字模拟法：主要通过建立复杂的动力学方程，并利用数字分析方法实现模拟分析。这种方法有较好的数理基础，且可以模拟整个过程，但是计算比较复杂，边界条件的界定和参数的获取和取值难以把握，计算代价也比较高。
7.4、gis分析法：主要利用缓冲区分析、地形分析等gis分析方法，计算溃坝影响范围。这种方法仅可简单粗略提取影响范围，并不能实现溃坝演进的精细化、过程化模拟分析。
8.综上可知，现有技术中对尾矿库溃坝泄漏模拟分析方法要么过于粗略、简单、数理基础不够，要么计算复杂、代价高，在数理基础、精细化以及效率代价等多方面未能实现有效兼顾和均衡。
9.因此，如何提供一种基于元胞自动机的尾矿库溃坝泄漏模拟分析方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

10.有鉴于此，本发明提供了一种基于元胞自动机的尾矿库溃坝泄漏模拟分析方法及系统，基于尾矿库溃坝后尾矿的运移具有一定的元胞与其邻域之间基于规则的相互作用和状态转换特征，利用地理元胞自动机建立了一种适合于尾矿库溃坝泄漏过程模拟分析的地
理元胞自动机模型，实现高效、精确的尾矿库溃坝后尾矿泄漏过程的模拟分析，可为尾矿库安全与生态环境风险评估与预警提供关键技术支撑。
11.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
12.一方面，本发明提供了基于元胞自动机的尾矿库溃坝泄漏模拟分析方法，包括如下步骤：
13.s100、构建尾矿库溃坝泄漏地理元胞自动机模型；
14.s200、获取尾矿库参数数据；
15.s300、对所述尾矿库参数数据进行预处理，并将预处理后的尾矿库参数数据输入至所述尾矿库溃坝泄漏地理元胞自动机模型进行模拟分析；
16.s400、输出模拟分析结果。
17.优选的，所述s100中尾矿库溃坝泄漏地理元胞自动机模型为：a＝(vd,s,nr,r,t，i，c)，其中，vd为元胞空间、s为元胞状态、nr为元胞邻域、r为元胞规则、t为元胞时间、i为初始状态、c为控制条件。
18.优选的，所述s200中的尾矿库参数数据包括：尾矿库所在区域地形数据、尾矿库溃坝的泄漏口位置、尾矿的泄漏量、相邻元胞间允许的最大尾矿以及尾矿在相邻元胞间相互作用一次的时间间隔。
19.优选的，所述s300中对所述尾矿库参数数据进行预处理包括：
20.s310、空间化处理：将所述尾矿库所在区域地形数据、所述尾矿库溃坝的泄漏口位置进行空间化，使其位于地理元胞空间中；
21.s320、裁剪处理：对所述尾矿库所在区域地形数据进行裁剪，保留元胞空间范围内的数据；
22.s330、初始化处理：对元胞空间范围内的元胞状态进行初始化。
23.优选的，所述元胞空间包括：元胞空间的维度、元胞空间的范围以及元胞空间的粒度。
24.优选的，所述元胞状态包括：元胞所在位置的地形高程、元胞所在位置上尾矿的堆积厚度以及元胞的平衡状态；
25.其中，所述元胞的平衡状态包括“平衡”状态以及“不平衡”状态：
26.当元胞与邻居之间不存在尾矿流入或流出情况时，则判定元胞状态为平衡状态：
27.当元胞与邻居之间存在尾矿流入或流出的情况时，则判定元胞状态为不平衡状态。
28.优选的，所述元胞邻域采用半径为1的冯诺依曼型的邻域模型，即4邻域模型。
29.优选的，所述元胞规则包括：当元胞处于不平衡状态下的规则以及当元胞处于平衡状态下的规则；
30.其中，当元胞不平衡时，则从该元胞向坡度最大的下方向上的邻居流出一定量(δ1)的尾矿或者从坡度最大的上方向上的邻居流入一定量(δ2)的尾矿到该元胞，δ1、δ2的大小根据元胞与邻居间的状态差异确定。
31.当元胞平衡时，则元胞所在位置上的尾矿堆积厚度以及元胞的平衡状态保持不变。
32.优选的，所述控制条件包括：预设的尾矿泄漏量、相邻元胞间允许的最大尾矿高差
以及最终的平衡条件。
33.另一方面，本发明还提供了一种基于元胞自动机的尾矿库溃坝泄漏模拟分析系统，包括：
34.构建模块，用于构建尾矿库溃坝泄漏地理元胞自动机模型；
35.获取模块，用于获取尾矿库参数数据；
36.处理模块，与所述构建模块以及所述获取模块连接，对尾矿库参数数据进行预处理并将预处理后的尾矿库参数数据输入至尾矿库溃坝泄漏地理元胞自动机模型进行模拟分析；
37.输出模块，与所述处理模块连接，输出模拟分析结果。
38.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于元胞自动机的尾矿库溃坝泄漏模拟分析方法及系统，所需要获取的数据小，逻辑简单清晰，只是元胞与邻居之间简单的比较和加减计算，使得计算处理代价小，可以便捷高效的对尾矿库进行不同情形的尾矿库溃坝泄漏模拟分析与预警，有效防范尾矿库安全与环境风险，从而保障生态环境和人们的人身和财产安全。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
40.图1为本发明提供的尾矿库溃坝泄漏模拟分析方法的流程示意图；
41.图2为本发明实施例提供的二维元胞空间结构示意图；
42.图3为本发明实施例提供的半径为1的二维冯诺依曼邻域模型结构示意图；
43.图4为本发明实施例提供的情形a下的元胞与邻居间相互作用示例图。
44.图5为本发明实施例提供的情形b下的元胞与邻居间相互作用示例图。
45.图6为本发明实施例提供的尾矿库溃坝泄漏模拟分析系统结构示意图。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.一方面，参见附图1所示，本发明实施例公开了基于元胞自动机的尾矿库溃坝泄漏模拟分析方法，
48.包括如下步骤：
49.s100、构建尾矿库溃坝泄漏地理元胞自动机模型；
50.s200、获取尾矿库参数数据；
51.s300、对尾矿库参数数据进行预处理并将预处理后的尾矿库参数数据输入至尾矿库溃坝泄漏地理元胞自动机模型进行模拟分析；
52.s400、输出模拟分析结果。
53.具体的，元胞自动机是一种时间、空间、状态都离散，空间相互作用和时间因果关系都为局部的网格动力学模型，具有模拟复杂系统时空演化过程的能力。与传统的基于方程式的物理学模型相比，元胞自动机模型具有较好的时空动态性，可以模拟非线性复杂系统的突现、混沌、进化等特征，是模拟生态、环境、自然灾害等多种高度复杂的地理现象的有力工具，在社会学、生物学、生态学、信息科学、计算机科学、数学、物理学、化学、地理、环境、军事等领域有较多应用。
54.更具体的，尾矿库溃坝后，尾矿泄漏的运移是一个明显的时空变化过程，表现出一定的元胞与其邻域之间基于规则的相互作用和状态转换特征：基于势能梯度，尾矿由高势能向低势能运移。因此可以基于地理元胞自动机的方法，对其进行建模和模拟分析，为尾矿库安全与生态环境风险评估与预警提供关键技术支撑。
55.在一个具体实施例中，s100中尾矿库溃坝泄漏地理元胞自动机模型为：a＝(vd,s,nr,r,t，i，c)，其中，vd为元胞空间、s为元胞状态、nr为元胞邻域、r为元胞规则、t为元胞时间、i为初始状态、c为控制条件。
56.在一个具体实施例中，s200中的尾矿库参数数据包括：尾矿库所在区域地形数据、尾矿库溃坝的泄漏口位置、尾矿的泄漏量、相邻元胞间允许的最大尾矿高差(即尾矿平稳时元胞与邻居元胞允许的最大梯度差)以及尾矿在相邻元胞间相互作用一次的时间间隔。
57.具体的，尾矿库所在区域地形数据表示为dem，可以直接利用已有的地形数据；也可以通过无人机等航空摄影或者地面测绘的方式获取尾矿库所在区域的地形数据。所获取的地形数据越精细，模拟分析效果也越精准。
58.具体的，尾矿库溃坝的泄漏口位置b，可以基于该尾矿库或相似相近尾矿库的历史事故案例中的位置设定；也可以按需在尾矿库堆积坝位置随机选定位置。实际模拟分析时，可以选定不同的位置(用多边形标记泄漏口位置)，从而模拟分析不同位置的溃坝情形后的尾矿泄漏影响范围和程度。
59.具体的，泄漏量v，它的设置可以基于该尾矿库或相似相近尾矿库的历史泄漏事故中的泄漏量设定；也可以基于上面选定的溃口位置，以该溃口位置弧底上部的尾矿库库容的α倍(0＜α≤1)作为预设的泄漏量进行模拟。实际模拟分析时，可以设置不同的泄漏量v(或α)，从而模拟不同泄漏量情形下的溃坝泄漏影响范围和程度。
60.具体的，尾矿平稳时所允许的最大高差μ是根据实际尾矿库的粒径、粘滞系数、地形数据分辨率等综合设置。更具体的，可以通过实地测量，看尾矿在自然情况下所能形成的最大坡度ds(这个和尾矿粒径、粘滞系数有关)进行计算设定：μ＝tan(ds)*r，其中r表示地形数据的分辨率，tan(ds)表示角度ds的正切函数；当然，也可以基于相似相近尾矿的已知参数进行设置。
61.具体的，时间间隔为尾矿在相邻元胞间相互作用一次的时间间隔长度，是根据尾矿粘滞系数、地形数据分辨率等估算确定。
62.在一个具体实施例中，s200中对尾矿库参数数据进行预处理包括：
63.s210、空间化处理：将尾矿库所在区域地形数据、尾矿库溃坝的泄漏口位置进行空间化，使其处于地理元胞空间中；
64.s220、裁剪处理：对尾矿库所在区域地形数据进行裁剪，保留元胞空间范围内的数
据；
65.s230、初始化处理：对元胞空间范围内的元胞状态进行初始化。
66.具体的，通过剪裁处理可以避免部分不必要的数据计算处理。
67.在一个具体实施例中，尾矿库溃坝泄漏地理元胞自动机逻辑模型的设计主要基于尾矿库及尾矿库溃坝泄漏的特性和机理，按照地理元胞自动机的理论方法，建立适用于尾矿库溃坝泄漏模拟分析的地理元胞自动机模型。
68.尾矿库溃坝后，尾矿在自然地形上的运移规律主要受势能主导下的物理动力学控制，为此基于地理元胞自动机的理论方法，设计基于势能梯度的地理元胞自动机模型，以实现对尾矿库溃坝后尾矿运移过程的模拟。其总体逻辑模型为a＝(vd,s,nr,r,t,i,c)，其中s300中尾矿库溃坝泄漏地理元胞自动机模型包括：元胞空间vd、元胞状态s、元胞邻域nr、元胞规则r、元胞时间t、初始状态i以及控制条件c。
69.在一个具体实施例中，元胞空间数据vd包括：元胞空间的维度、元胞空间的范围以及元胞空间的粒度；
70.具体的，虽然实际现实中，尾矿库溃坝后尾矿的泄漏过程都是在三维空间中进行的，但考虑到此时尾矿更多的是在竖直方向的重力作用下迭代的向周边低于其高度的邻居移动，总体上更多表现为水平面上的移动。因此，适合采用二维元胞空间进行建模表达和模拟分析。
71.更具体的，参见附图2所示，元胞空间的维度采用二维(d取2)的地理元胞空间来构建尾矿库溃坝泄漏的地理元胞空间。
72.具体的，元胞空间的范围界定了地理元胞自动机中元胞在空间上的作用边界范围，尾矿库溃坝后尾矿泄漏影响范围必然有一定的边界，因此，元胞空间的范围应至少不小于尾矿库溃坝后尾矿可能的最大泄漏范围。
73.更具体的，为减少模拟时所需收集的数据量以及计算处理的工作量，这个范围通可设置为比最大泄漏范围稍大的范围，比如以坝体为中心，以n倍(比如40倍)尾矿库坝高或者k公里为半径的缓冲区范围。
74.具体的，元胞空间的粒度界定了地理元胞空间中元胞的尺寸，元胞尺寸越小，模拟表达的越精细，但是计算量也越大。元胞空间的粒度主要由采用的地形数据的比例尺或分辨率决定。
75.在一个具体实施例中，元胞状态主要用于定义元胞所处的状态。包括：元胞所在位置的地形高程se、元胞所在位置上尾矿的堆积厚度sh以及元胞的平衡状态ss。
76.具体的，元胞所在位置的地形高程se，单位为米，为数值型。对每个元胞来说该值通常是个固定值，一经初始化便不会变化。
77.具体的，元胞所在位置上尾矿的堆积厚度sh，单位为米，为数值型，取值不小于0。对每个元胞来说，模拟计算过程中，其值会根据自身及其邻居的状态进行改变。
78.具体的，元胞的平衡状态ss包括元胞平衡状态以及元胞不平衡状态，为有限的、离散的状态集合{平衡,不平衡}。且元胞的平衡状态ss是根据元胞及其与邻居之间的高度s
l
(s
l
＝se+sh)的大小关系确定的。所以每当某个元胞或其邻居的s
l
有变化时，需要重新计算该元胞的平衡状态ss。
79.更具体的，平衡的情形即该元胞与邻居之间不存在尾矿流入或流出的可能，即需
要同时满足以下两个条件：
80.a、不流入：该元胞所有sh＞μ的邻居与该元胞的当前高度s
l
的差值均小于允许的最大高差μ时，μ的单位为米。
81.b、不流出：该元胞sh≤μ；或者该元胞sh＞μ，且与其所有邻居的当前高度s
l
的差值均小于μ时。
82.更具体的，不平衡的情形为该元胞与邻居之间存在尾矿流入或流出的可能，也即不符合上述平衡条件的情况。
83.在一个具体实施例中，参见附图3所示，元胞邻域的采用半径为1的冯诺依曼型的邻域模型n1，即4邻域模型；
84.在一个具体实施例中，定义元胞与邻居之间相互作用和转换的规则。即根据元胞当前状态及其邻居状况确定下一时刻该元胞状态的动力学函数，简单讲，就是一个状态转换函数。根据尾矿运移扩散规律(尾矿流向坡度最大的下方向邻居)。
85.具体的，元胞规则包括：当元胞处于不平衡状态的下的规则以及当元胞处于平衡状态下的规则；
86.更具体的，当元胞不平衡时，即ss＝“不平衡”，尾矿流向坡度最大的下方向上的邻居(相对的便是从高于自己且有尾矿堆积、坡度最大的上方向的邻居流入)。具体为：
87.①
流出：当元胞的尾矿堆积厚度s
ho
＞μ，且元胞的高度s
lo
＞s
lx
，其中，s
lx
表示高度最小的邻居x的高度；
88.需要特别说明的是，x是一个集合，指高度最小的邻居集合，该集合中可能包含多个同等最小高度的邻居，用k表示该集合的数量，则从元胞流出k*δ的尾矿到邻居x，即元胞的s
ho
减小k*δ，邻居x的s
hx
增加δ。其中，参见附图4-5所示，元胞与邻居间相互作用时，δ的大小分两种情形：
89.情形a(尾矿不够填满与邻居的梯度差)：如果两者高度差(s
lo-s
lx
)＞((k+1)*s
ho
)，则δ＝(s
ho
–
μ)/k。
90.情形b(尾矿足够填满与邻居的梯度差)：如果两者高度差(s
lo-s
lx
)≤((k+1)*s
ho
)，则δ＝(s
lo-s
lx-μ)/(k+1)。
91.②
流入：流入为流出的相对过程，其原理与流入一样，只是方向相反。
92.更具体的，当元胞平衡时，即ss＝“平衡”，不做任何变动，即元胞所在位置上尾矿的堆积厚度sh以及元胞的平衡状态ss都保持不变。
93.在一个具体实施例中，元胞时间t定义元胞自动机中元胞相互作用的响应时间(或速度)，通常用同等间隔的离散化的时间序列来表示不同时刻。
94.具体的，元胞空间中某个元胞o的下一个状态，总是与该元胞及其邻居的当前状态息息相关，即s(o)
(t+1)
＝f(s(o)
t
,s(nr(o))
t
)。其中，f表示一个函数(即状态转换函数)；s(o)
t
表示元胞o在t时刻的状态，包括se、sh和ss；nr(o)表示元胞o的所有邻居；s(nr(o))
t
表示元胞o所有邻居在t时刻的状态。因此，基于初始状态和元胞状态转换函数，随着时间的推移，整个元胞空间中的元胞的相关状态在不停的迭代转换，直到最终整个元胞空间达到整体平衡状态。
95.在一个具体实施例中，初始状态i定义元胞自动机的初始状态。
96.具体的，预设的泄漏口位置及状态b，即泄漏发生的位置，也是元胞自动机的初始
元胞位置。尾矿库的泄漏口通常位于尾矿库堆积坝的某个位置。一旦确定位置，则根据尾矿库的地形数据和堆积数据，可确定该位置元胞的se(表示该处元胞上的高程，模拟过程中不会变化)、sh(表示该处元胞上堆积的尾矿厚度，模拟过程中会不断变化)和ss(表示该处元胞是否平衡，初始时必然是不平衡，模拟过程中会不断变化)。
97.具体的，其他元胞的初始状态q，其他所有元胞的初始的se为该位置的地形高程(模拟过程中不会变化)，初始的sh为0(模拟过程中会不断变化)以及初始的ss为平衡(模拟过程中会不断变化)。
98.在一个具体实施例中，控制条件c主要定义元胞自动机运转的控制条件。
99.具体的，控制条件包括：预设的尾矿泄漏量v、相邻元胞间允许的最大尾矿高差μ以及最终的平衡条件f。
100.更具体的，预设的尾矿泄漏量v，单位为立方米，即预计泄漏的尾矿体积，单位为立方米。这个值通常不超过滑弧底标高以上的全部容积vf，通常用vf的一定比例α(0＜α≤1)进行模拟。
101.更具体的，相邻元胞间允许的最大尾矿高差μ，单位为米，定义了尾矿在自然平衡状态下元胞与邻居之间允许的最大高度差。这个参数通常和尾矿的粒径、粘滞系数有关，此外也受元胞大小的影响，所以这个值不适宜直接用一个固定的值，而是根据尾矿粒径大小、元胞大小，按照尾矿平稳时所允许的最大斜率(比如千分之一)计算这个高度差。这个斜率与尾矿的粒径和粘滞系数有关，越粗糙、粘滞系数越大的尾矿，允许的斜率也大。
102.更具体的，最终平衡条件f，定义元胞最终停止作用，整个元胞自动机达到平衡的条件。尾矿库溃坝，随即尾矿发生泄漏，尾矿在重力的作用下会发生运移，但是最终会形成基于势能梯度的整体平衡和稳定状态。
103.更具体的，尾矿库溃坝泄漏的元胞自动机模型的最终平衡需同时满足以下两个条件：
104.条件a、完成预设量的尾矿泄漏：即泄漏出来的尾矿量等于预设的尾矿泄漏量，也即所有元胞上堆积的尾矿的总体积等于预设的尾矿泄漏体积。
105.条件b、所有元胞均处于平衡状态：即所有元胞和邻居之间不存在尾矿的流入或流出作用。
106.在一个具体实施例中，根据构建的地理元胞自动机模型，利用编程开发，将其转换为尾矿库溃坝泄漏模拟分析模型的软件实体，在收集并预处理好的数据和预设好的参数上，进行模拟分析：即基于既定好的元胞规则下元胞的不停相互作用(元胞间的尾矿运移)，从而形成不同时刻的泄漏尾矿分布数据等中间过程数据，经过一定时间运行，最终达到整个元胞空间内的所有元胞的平衡。此时最终尾矿堆积厚度的分布数据便是最终的尾矿泄漏影响范围和程度的成果数据。
107.模拟分析结果具体为：经过整个元胞空间内元胞间的相互作用(即元胞与邻居间尾矿的运移和状态的切换)，最终必然会达到整体的势能梯度平衡状态，即各元胞不再有状态的变化(即堆积的尾矿将不再流动)。此时，每个元胞的sh即表示该元胞上堆积的尾矿厚度，单位为米。所有堆积尾矿厚度不为0(sh＞0)的元胞范围就是最后的尾矿库溃坝引起的尾矿泄漏影响范围，各元胞上的尾矿堆积厚度sh即为受影响的程度-尾矿掩埋厚度。
108.另一方面，参见附图6所示，本发明实施例公开了一种基于地理元胞自动机的尾矿
库溃坝泄漏模拟分析系统，包括：
109.构建模块，用于构建尾矿库溃坝泄漏地理元胞自动机模型；
110.获取模块，用于获取尾矿库参数数据；
111.处理模块，与所述构建模块以及所述获取模块连接，用于对所述尾矿库参数数据进行预处理，并将预处理后的尾矿库参数数据输入至所述尾矿库溃坝泄漏地理元胞自动机模型进行模拟分析；
112.输出模块，与所述处理模块连接，输出模拟分析结果。
113.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
114.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。