一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法技術

本發明專利技術公開了一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，包括以下步驟：S01，基于采煤沉陷區的現狀，從煤層的分布、開采進度和結構入手，基于Knothe時間函數，利用概率積分法預測采煤沉陷區的動態下沉等值線；S02，利用GIS、ENVI和Quick?Bird分別得到采煤沉陷區的面積和深度，配合預測的動態下沉等值線，預測出未來年份下該采煤沉陷區的沉陷面積、沉陷深度和沉陷庫容。本發明專利技術提供的一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，綜合利用了采煤沉陷區的潛力，利用其作為水庫對沉陷區周邊河流的洪水進行攔蓄，并將蓄洪滯洪的效果量化。滿足未來綜合性防洪工程，科學化防洪預案，系統精準化防洪調度的多目標要求。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，屬于水利

技術介紹
當前，對于利用采煤沉陷區蓄洪滯洪的研究尚處于起步階段，由于采煤沉陷區是一種高潛水位塌陷地區，沉陷區的動態變化規律、積水機理、水循環轉化機制等較為復雜。目前的學者基本上只能預估采煤沉陷區蓄洪滯洪效果，不能對采煤沉陷區蓄洪滯洪效果進行量化。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是，提供一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，該方法對于未來防洪工程系統化、科學化、合理化，提高區域防洪除澇標準和水平都具有重要的理論意義和應用價值。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案為：一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，包括以下步驟：S01，基于采煤沉陷區的現狀，從煤層的分布、開采進度和結構入手，基于Knothe時間函數，利用概率積分法預測采煤沉陷區的動態下沉等值線；S02，利用GIS、ENVI和QuickBird分別得到采煤沉陷區的面積和深度，配合預測的動態下沉等值線，預測出未來年份下該采煤沉陷區的沉陷面積、沉陷深度和沉陷庫容；S03，將采煤沉陷區視為“平原型水庫”，綜合考慮周邊河流對其防洪除澇的影響，研究確定特征水位和沉陷區引排水方案；S04，基于對采煤沉陷區所在區域氣象水文資料的分析，建立采煤沉陷區蓄洪滯洪數學模型；利用蓄洪滯洪數學模型模擬，當采煤沉陷區周邊的河流面臨不同頻率的洪水時，經過采煤沉陷區的調蓄，洪水量被攔蓄，洪峰值被削減；將采煤沉陷區對洪水的蓄洪滯洪效果量化出來。利用GIS，以高分辨率的數字高程模型DEM為基本資料，使用GIS中的計算工具，計算未來各個年份采煤沉陷區的DEM數值；再應用GIS中的功能預測工具計算出采煤沉陷區未來的沉陷面積；利用QuickBird遙感數據和在采煤沉陷區內進行人工布點獲得的參數，選取反演因子，經過回歸分析建立水深遙感反演模型，從而計算得到沉陷水深；配合S01中得到的動態下沉等值線以及通過動態下沉等值線得到的各個方向的下沉值，計算未來年份的沉陷深度；不同時期的沉陷庫容是不同的；由采煤沉陷區預測的不同時期的沉陷面積與采煤沉陷區預測的相對應時期的沉陷深度相乘得到不同時期的沉陷庫容；基于中國科學院地理空間數據信息系統平臺和NASAEarthExplorer數據信息系統平臺，選取采煤沉陷區多年來的TM和ETM+遙感數字影像資料，將資料經過幾何校正、數據標定、大氣校正和圖像剪裁預處理和分析，并將長系列影像資料劃分為若干個典型年份，利用ENVI工具將采煤沉陷區的地形地貌和范圍進行提取，直觀清晰地展現采煤沉陷區沉陷范圍的歷史演變過程。所述特征水位包括汛期時最高蓄水位、非汛期時最高蓄水位、正常蓄水位、生態水位和興利蓄水位。所述沉陷區引排水方案綜合了水位調度、流量調節和河道曲折系數。所述蓄洪滯洪數學模型的內容如下：Qr＝qr·t0其中，Qr代表采煤沉陷區周邊河流天然來水洪量，單位：萬m3；qr代表采煤沉陷區周邊河流天然來水流量，單位：m3/s；t0代表時間步長，t0＝24h＝86400s；a.當采煤沉陷區蓄水時：當qr≤qf時，采煤沉陷區不起蓄采煤沉陷區周邊河流內來水，采煤沉陷區理論下泄量不為零；若Vy+Qr-Qf-Qu>Vmax時，則Vt＝Vmax-Vy；若Vy+Qr-Qf-Qu≤Vmax時，則Vt＝Qr-Qf-Qu；其中，Vt代表當日采煤沉陷區蓄水量，單位：萬m3；Vy代表上一日采煤沉陷區蓄水量，單位：萬m3；Vmax代表采煤沉陷區最大庫容量，單位：萬m3；Qf代表采煤沉陷區周邊河流防洪汛限水位對應天然來水洪量，單位：萬m3；Qu代表采煤沉陷區當日用水量，單位：萬m3；qf代表采煤沉陷區周邊河流防洪汛限水位對應天然來水流量，單位：m3/s；b.當采煤沉陷區理論下泄時：當qr>qf時，采煤沉陷區起蓄采煤沉陷區周邊河流內來水，采煤沉陷區理論下泄量為零；若Qf-Qr≤Vy-Vmin-Qu，則Qo＝Qf-Qr；若Qf-Qr>Vy-Vmin-Qu，則Qo＝Vy-Vmin-Qu；其中，Vmin代表采煤沉陷區死庫容量，單位：萬m3；Qo代表采煤沉陷區下泄量，單位萬m3；c.當采煤沉陷區供水調節時：當qr≤qf時，若Vy-Vmin-Qmu≥0，則Q＝Qmu；若Vy-Vmin-Qmu<0，則Q＝Vy-Vmin；當qr>qf時，若Qr-Qf≥Qmu，則Q＝Qmu；若Qr-Qf<Qmu，則當Qr-Qf+Vy-Vmin≥Qmu時，Q＝Qmu；當Qr-Qf+Vy-Vmin<Qmu時，Q＝Qr-Qf+Vy-Vmin；其中，Qmu代表采煤沉陷區當日最大用水量，單位萬m3；Q代表采煤沉陷區供水量，單位萬m3；d.當采煤沉陷區庫容調節變化時：當qr≤qf時，若Vy-Vmin-Qo≥Qmu，則V＝Vy-Qmu-Qo；若Vy-Vmin-Qo<Qmu，則V＝Vmin；當qr>qf時，若Qr-Qf-Qu≥0時，當Qr-Qf-Qu≥Vmax-Vy時，則V＝Vmax；當Qr-Qf-Qu<Vmax-Vy時，則V＝Vy+Qr-Qf-Qu；當qr>qf時，若Qr-Qf-Qu<0時，當Qr-Qf+Vy-Vmin-Qu≥0時，則V＝Vy+Qr-Qf-Qu，當Qr-Qf+Vy-Vmin-Qu<0時，則V＝Vmin；通過上述a，b，c，d四個模塊的計算后，經過采煤沉陷區調蓄后的河道下泄量如下：Qre＝Qr-Qu-(Vt-Vy)其中，Qre代表河道下泄量，單位萬m3；V代表采煤沉陷區即時庫容，單位萬m3。采煤沉陷區是由于煤礦的常年開采而形成的一種地表下沉、低凹積水，類似湖泊的封閉水體。隨著時間的推移，直至煤層穩定前，采煤沉陷區的沉陷面積和深度會持續增加，相應的積水庫容也不斷發生變化。目前，對于采煤沉陷區，國內外的研究熱點集中在采煤沉陷區的土地復耕和綜合治理、采煤沉陷區的環境治理與保護、采煤沉陷區的水質凈化和生態修復、采煤沉陷區的水資源調控、采煤沉陷區的地下水位監測等方面。本專利技術所述的一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，遵循循環經濟的理論，從水文學與水資源學科的角度出發，著重挖掘采煤沉陷區在防洪除澇方面的潛力，因地制宜地開發利用采煤沉陷區，將其視為“平原型水庫”，利用采煤沉陷區引蓄洪水。實現承擔上游洪水，緩解下游防洪壓力的目標。隨著采煤沉陷區的不斷開采，沉陷面積和水深不斷變化，而通過人為的實際測量只能掌握當下的沉陷區狀況，無法對未來沉陷區的下沉情況做出定量的預測，導致不能大致掌握采煤沉陷區的穩定狀態。專利技術所述采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，依據礦業集團對開采沉陷現狀的實測，基于Knothe時間函數應用概率積分法預測未來年份采煤沉陷區的開采沉陷下沉值；利用GIS工具，以高分辨率的數字高程模型(DEM)為基本資料，使用SpatialAnalystTool等工具，計算未來各個年份的DEM數值。進一步應用GIS軟件中的CalculateGeometry等功能預測計算出采煤沉陷區未來的沉陷面積。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：本專利技術提供的一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，將采煤沉陷區作為“平原型水庫”，利用其庫容對其周邊河流進行分洪、蓄洪、滯洪。該方法利用GIS、QuickBird本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，其特征在于，包括以下步驟：S01，基于采煤沉陷區的現狀，從煤層的分布、開采進度和結構入手，基于Knothe時間函數，利用概率積分法預測采煤沉陷區的動態下沉等值線；S02，利用GIS、ENVI和Quick?Bird分別得到采煤沉陷區的面積和深度，配合預測的動態下沉等值線，預測出未來年份下該采煤沉陷區的沉陷面積、沉陷深度和沉陷庫容；S03，將采煤沉陷區視為“平原型水庫”，綜合考慮周邊河流對其防洪除澇的影響，研究確定特征水位和沉陷區引排水方案；S04，基于對采煤沉陷區所在區域氣象水文資料的分析，建立采煤沉陷區蓄洪滯洪數學模型；利用蓄洪滯洪數學模型模擬，當采煤沉陷區周邊的河流面臨不同頻率的洪水時，經過采煤沉陷區的調蓄，洪水量被攔蓄，洪峰值被削減；將采煤沉陷區對洪水的蓄洪滯洪效果量化出來。

【技術特征摘要】
1.一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，其特征在于，包括以下步驟：S01，基于采煤沉陷區的現狀，從煤層的分布、開采進度和結構入手，基于Knothe時間函數，利用概率積分法預測采煤沉陷區的動態下沉等值線；S02，利用GIS、ENVI和QuickBird分別得到采煤沉陷區的面積和深度，配合預測的動態下沉等值線，預測出未來年份下該采煤沉陷區的沉陷面積、沉陷深度和沉陷庫容；S03，將采煤沉陷區視為“平原型水庫”，綜合考慮周邊河流對其防洪除澇的影響，研究確定特征水位和沉陷區引排水方案；S04，基于對采煤沉陷區所在區域氣象水文資料的分析，建立采煤沉陷區蓄洪滯洪數學模型；利用蓄洪滯洪數學模型模擬，當采煤沉陷區周邊的河流面臨不同頻率的洪水時，經過采煤沉陷區的調蓄，洪水量被攔蓄，洪峰值被削減；將采煤沉陷區對洪水的蓄洪滯洪效果量化出來。2.根據權利要求1所述的一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，其特征在于：利用GIS，以高分辨率的數字高程模型DEM為基本資料，使用GIS中的計算工具，計算未來各個年份采煤沉陷區的DEM數值；再應用GIS中的功能預測工具計算出采煤沉陷區未來的沉陷面積；利用QuickBird遙感數據和在采煤沉陷區內進行人工布點獲得的參數，選取反演因子，經過回歸分析建立水深遙感反演模型，從而計算得到沉陷水深；配合S01中得到的動態下沉等值線以及通過動態下沉等值線得到的各個方向的下沉值，計算未來年份的沉陷深度；不同時期的沉陷庫容是不同的；由采煤沉陷區預測的不同時期的沉陷面積與采煤沉陷區預測的相對應時期的沉陷深度相乘得到不同時期的沉陷庫容；基于中國科學院地理空間數據信息系統平臺和NASAEarthExplorer數據信息系統平臺，選取采煤沉陷區多年來的TM和ETM+遙感數字影像資料，將資料經過幾何校正、數據標定、大氣校正和圖像剪裁預處理和分析，并將長系列影像資料劃分為若干個典型年份，利用ENVI工具將采煤沉陷區的地形地貌和范圍進行提取，直觀清晰地展現采煤沉陷區沉陷范圍的歷史演變過程。3.根據權利要求1所述的一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，其特征在于：所述特征水位包括汛期時最高蓄水位、非汛期時最高蓄水位、正常蓄水位、生態水位和興利蓄水位。4.根據權利要求1所述的一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，其特征在于：所述沉陷區引排水方案綜合了水位調度、流量調節和河道曲折系數。5.根據權利要求1所述的一種采煤沉陷區蓄洪滯洪效果的定量方法，其特征在于：所述蓄洪滯洪數學模型的內容如下：Qr＝qr·t0其中，Qr代表采煤沉陷區周邊河流天然來水洪量，單位：萬m3；...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王衛光，鄭佳重，丁一民，邢萬秋，傅健宇，董青，
申請(專利權)人：河海大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32