一种煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法，属于水文技术分析领域。本发明专利技术收集输入WEP分布式水文模型所需数据，并进行空间展布；收集模拟流域内水文站的径流数据，设置率定期和验证期，对WEP模型进行参数率定和验证；在WEP模型中加入煤矿开采模块，模拟煤矿开采的影响，并对煤矿参数进行率定；基于率定后的WEP模型，设置不同情景，输出不同煤矿开采、气候变化、社会用水情景下的径流量，实现不同因素对径流量的影响分析。本发明专利技术通过不同情景设置，解析气候变化、煤矿开采、社会用水等驱动因子与径流量之间关系，为评估径流量变化贡献，和河川生态保护和修复提供参考依据。和河川生态保护和修复提供参考依据。和河川生态保护和修复提供参考依据。

【技术实现步骤摘要】
一种煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法


[0001]本专利技术属于水文技术分析领域，具体涉及一种煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法。

技术介绍

[0002]煤炭开采对煤矿周边的河川径流量有巨大的影响。现行的煤炭开采对河川径流影响通常采用统计学方法，即由分析有煤炭开采和无煤炭开采情况下的降雨
‑
径流相关关系得到。但是煤炭开采对河川径流影响是一个动态和复杂的过程，同时在人类活动强烈的流域无法准确识别煤矿和其他人类活动对河川径流的影响。本专利技术通过概化煤炭开采对河川径流的直径影响和间接影响，构建一个随时间以及开采量动态变化的煤矿概化模型，让分析结果具有物理基础，弥补了传统方法的缺陷。

技术实现思路

[0003](一)要解决的技术问题
[0004]本专利技术要解决的技术问题是如何提供一种煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法，以解决现有方法无法准确识别煤矿和其他人类活动对河川径流的影响的问题。
[0005](二)技术方案
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法，该方法包括如下步骤：
[0007]S1、收集输入WEP分布式水文模型所需数据，并进行空间展布；
[0008]S2、收集模拟流域内水文站的径流数据，设置率定期和验证期，对WEP模型进行参数率定和验证；
[0009]S3、在WEP模型中加入煤矿开采模块，模拟煤矿开采的影响，并对煤矿参数进行率定；
[0010]S4、基于率定后的WEP模型，设置不同情景，输出不同煤矿开采、气候变化、社会用水情景下的径流量，实现不同因素对径流量的影响分析。
[0011]进一步地，所述步骤S1中，收集的数据包括气象数据、土地利用数据、土壤类型数据、植被类型数据、DEM数据、水文站数据和社会取用水数据。
[0012]进一步地，所述步骤S1中，利用地理信息系统软件ARCGIS对DEM数据进行填洼、流向、流量、提取河网后，提取研究区流域范围，并划分子流域和等高带。
[0013]进一步地，所述步骤S1中，获取气象站点的气象数据，包括逐日降水数据、逐日气温数据、逐日湿度数据、逐日日照数据和逐日风速数据，利用VB程序展布到研究区子流域内，并形成WEP模型输入所需的“.dat”格式；
[0014]土壤类型数据通过中国土壤资源数据库获得；
[0015]土地利用数据、植被类型数据通过卫星遥感影像解译获取，并利用ARCGIS软件处理成ASCII码格式；
[0016]水文站数据来自于流域水文年鉴；
[0017]社会用水数据通过水资源公报获取，并按用水类型展布到等高带。
[0018]进一步地，所述步骤S2具体包括如下步骤：
[0019]S21、选择率定期和验证期，以实测水文站径流数据为对象，输入步骤S1中所有输入数据文件，通过WEP模型模拟径流量；将基于分布式水文模型WEP输出得到的模拟径流值和实测值对比；
[0020]S22、将纳什效率系数、相对误差和相关系数作为分布式水文模型WEP模拟效果的评价指标，通过模拟径流值和实测值计算评价指标结果；
[0021]S23、依据评价指标结果，对模型参数进行调整，当满足预设条件时即认为模型模拟相对合理，即完成对分布式水文模型WEP的率定过程，认为可用于后续的模拟分析。
[0022]进一步地，所述预设条件为：纳什效率系数大于0.7、相对误差小于10％，相关系数大于0.6。
[0023]进一步地，所述步骤S3具体包括如下步骤：
[0024]S31、在WEP模型中加入煤矿开采模块，收集煤矿数据，设置相关的参数和修正系数；
[0025]将采空区按离矿井由近至远划分成x个部分，将图层与WEP模型的计算单元图层相交，得到每个计算单元受影响的面积比例，然后按照采空区半径的平方反距离加权，得到煤矿对计算单元的综合影响系数，其表达式如下：
[0026][0027][0028]式中I
cij
表示i号煤矿对j号计算单元的综合影响系数，x表示将该煤矿i的采空区划分成不同部分的个数，S
jk
表示j号计算单元受煤矿i的采空区第k部分影响的面积，S
cj
表示计算单元j的面积，ω
k
表示反距离加权的权重，r
k
表示第k部分采空区半径；
[0029][0030][0031]式中Q
sj
表示j号计算单元内煤矿形成的采空区内的蓄水量，n表示影响该计算单元的煤矿个数，A
i
表示i号煤矿的年生产能力，C
i
表示i号煤矿采空区蓄水量的修正系数，v
ij
表示i号煤矿对j号计算单元综合影响系数的权重，m是i号煤矿影响的计算单元个数；I
cij
为i号煤矿对j号计算单元的综合影响系数；
[0032]S32、煤矿排水量的表达式如下：
[0033][0034]式中D
s
表示某计算单元内的煤矿排水量，l表示该计算单元内的煤矿个数，T
i
表示i号煤矿的吨煤排水系数，即煤矿的排水量与煤炭开采量之比，A
i
表示i号煤矿的年生产能力，R
i
表示i号煤矿排出水量的重复利用系数；
[0035]S33、采空区内的快速下渗和渗漏通过增大模型内的垂向和侧向水力传导系数来
模拟，其表达式如下：
[0036][0037][0038]式中n表示影响某计算单元的煤矿个数，K'
s
表示计算单元内修正后的垂向水利传导系数，K'
u
表示计算单元内修正后的侧向水利传导系数，K
s
表示计算单元内修正前的垂向水利传导系数，K
u
表示计算单元内修正前的侧向水利传导系数；K
sc
和K
uc
是模型模拟中垂向水利传导系数和侧向水利传导系数的修正系数，I
ci
表示i号煤矿对该计算单元的综合影响系数，固定j后采用公式(1)计算；
[0039]S34、在煤矿开采模块中导入A
i
、S
jk
、S
cj
、r
k
、K
s
、K
u
数据，计算I
cij
、Q
sj
、D
s
、K'
s
、K'
u
数据，然后通过与实测径流数据对比率定C
i
、R
i
、K
sc
、K
uc
参数。
[0040]进一步地，煤矿数据包括煤矿的位置、范围、年开采量和煤矿影响的采空区范围。
[0041]进一步地，所述步骤S4中，变化期的实测基流量与基准期还原流量之间的差值包括四个部分，其一为降水变化影响部分，其二为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1、收集输入WEP分布式水文模型所需数据，并进行空间展布；S2、收集模拟流域内水文站的径流数据，设置率定期和验证期，对WEP模型进行参数率定和验证；S3、在WEP模型中加入煤矿开采模块，模拟煤矿开采的影响，并对煤矿参数进行率定；S4、基于率定后的WEP模型，设置不同情景，输出不同煤矿开采、气候变化、社会用水情景下的径流量，实现不同因素对径流量的影响分析。2.如权利要求1所述的煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中，收集的数据包括气象数据、土地利用数据、土壤类型数据、植被类型数据、DEM数据、水文站数据和社会取用水数据。3.如权利要求2所述的煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用地理信息系统软件ARCGIS对DEM数据进行填洼、流向、流量、提取河网后，提取研究区流域范围，并划分子流域和等高带。4.如权利要求3所述的煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中，获取气象站点的气象数据，包括逐日降水数据、逐日气温数据、逐日湿度数据、逐日日照数据和逐日风速数据，利用VB程序展布到研究区子流域内，并形成WEP模型输入所需的“.dat”格式；土壤类型数据通过中国土壤资源数据库获得；土地利用数据、植被类型数据通过卫星遥感影像解译获取，并利用ARCGIS软件处理成ASCII码格式；水文站数据来自于流域水文年鉴；社会用水数据通过水资源公报获取，并按用水类型展布到等高带。5.如权利要求2
‑
4任一项所述的煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：S21、选择率定期和验证期，以实测水文站径流数据为对象，输入步骤S1中所有输入数据文件，通过WEP模型模拟径流量；将基于分布式水文模型WEP输出得到的模拟径流值和实测值对比；S22、将纳什效率系数、相对误差和相关系数作为分布式水文模型WEP模拟效果的评价指标，通过模拟径流值和实测值计算评价指标结果；S23、依据评价指标结果，对模型参数进行调整，当满足预设条件时即认为模型模拟相对合理，即完成对分布式水文模型WEP的率定过程，认为可用于后续的模拟分析。6.如权利要求5所述的煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法，其特征在于，所述预设条件为：纳什效率系数大于0.7、相对误差小于10％，相关系数大于0.6。7.如权利要求5所述的煤炭开采对河川径流影响的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：S31、在WEP模型中加入煤矿开采模块，收集煤矿数据，设置相关的参数和修正系数；将采空区按离矿井由近至远划分成x个部分，将图层与WEP模型的计算单元图层相交，得到每个计算单元受影响的面积比例，然后按照采空区半径的平方反距离加权，得到煤矿对计算单元的综合影响系数，其表达式如下：
式中I
cij
表示i号煤矿对j号计算单元的综合影响系数，x表示将该煤矿i的采空区划分成不同部分的个数，S
jk
表示j号计算单元受煤矿i的采空区第k部分影响的面积，S
cj
表示计算单元j的面积，ω
k
表示反距离加权的权重，r
k
表示第k部分采空区半径；表示第k部分采空区半径；式中Q
sj
表示j号计算单元内煤矿形成的采空区内的蓄水量，n表示影响该计算单元的煤矿个数，A
i
表示i号煤矿的年生产能力，C
i
表示i号煤矿采空区蓄水量的修正系数，v
ij
表示i号煤矿对j号计算单元综合影响系数的权重，m是i号煤矿影响的计算单元个数；I
cij
为i号煤矿对j号计算单元的综合影响系数；S32、煤矿排水量的表达式如下：式中D
s
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝春沣，彭弢，牛存稳，贾仰文，韩春苗，仇亚琴，杜军凯，刘佳嘉，
申请(专利权)人：北京市水文总站，
类型：发明
国别省市：