一种基于网格气象预报的尾矿库提前排水计算方法

1.本发明涉及气象预报降水量预测技术领域，具体来说，涉及一种基于网格气象预报的尾矿库提前排水计算方法。


背景技术：

2.尾矿库是一个由尾矿砂堆积形成的具有高势能的危险源，随着对金属、非金属矿山的大量开采，尾矿库数量日益增多，目前我国共有约1.2万座尾矿库，其安全性受到了各界广泛关注。据不完全统计，汛期强降雨天气引发的尾矿库事故占各类尾矿库溃坝事故的50％以上，每年汛期尾矿库都将面临强降雨天气的威胁，暴雨在尾矿库汇水面积区域内迅速汇集并流入库区滩面内，一旦排洪系统未能及时将洪水排出库外，将会导致尾矿库发生洪水漫顶事故，应急救援难度大，事故后果极为严重。因此，做好尾矿库汛期的监测预警，控制好库内水位，对于尾矿库的运行安全尤为重要。
3.为实现尾矿库安全度汛，在设计阶段都会对尾矿库各使用期按照防洪标准进行洪水计算，再通过调洪计算来验证所设计的排洪设施是否满足安全度汛要求。目前，尾矿库设计中采用的洪水计算方法，是依托大量实测水文历史数据，按照一定的重现期进行推求计算所得。但是随着全球气候变暖，恶劣天气频发，强降雨天气日渐频繁，50年、100年一遇，甚至1000年一遇的暴雨近几年也时有发生。随着短时强降水事件频率增加，尾矿库在汛期面临超出防洪标准洪水的可能性也越来越大，当实际降水量超出设计频率时，尾矿库的安全将受到极大威胁。
4.随着科技进步，气象预报越来越准确，精度越来越高，很多地区已经实现了公里级智能网格气象预报。因此，可以基于网格降水预报计算尾矿库所在区域即将发生的洪水总量，并通过计算提供具有指导性的水位数据。
5.目前，对尾矿库降水量的监测预警都是基于库区雨量计的实时累计数据，存在明显滞后性。对强降雨天气，能保证尾矿库安全度汛的有效措施是降低库内水位，腾出足够的蓄洪库容，但目前企业缺乏准确的指导数据，不能提前进行库内水位规划，及时采取应对措施。
6.针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

7.针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于网格气象预报的尾矿库提前排水计算方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
8.为此，本发明采用的具体技术方案如下：一种基于网格气象预报的尾矿库提前排水计算方法，该方法包括以下步骤：s1、获取网格气象数据及尾矿库基础信息并存入数据库；s2、确定尾矿库位置对应的降水预报计算节点；s3、获取实时气象数据及基础信息数据进行预处理；
s4、计算未来三天内最大24h累计降水量；s5、判断尾矿库是否需要提前排水；s6、计算尾矿库提前排水的所需外排量；s7、计算尾矿库所需降低的水位；s8、构建改进型模糊综合评价模型；s9、输出综合评价结果，并划分风险等级。
9.进一步的，所述确定尾矿库位置对应的降水预报计算节点，包括以下步骤：s21、基于气象部门的智能降水预报网格，建立由网格节点及经纬度组成的二维坐标模型；s22、根据尾矿库所在位置的经纬度坐标值，定位到所述二维坐标模型中并确定临近的四个网格节点；s23、分别计算尾矿库坐标值到相邻节点的距离，选取距离最近的网格节点作为降水预报计算节点。
10.进一步的，所述获取实时气象数据及基础信息数据进行预处理，包括以下步骤：s31、从数据库中同步及获取所述降水预报计算节点的实时气象数据及尾矿库基础信息数据，组成计算数据集；s32、检测所述计算数据集并利用同类别邻均值法进行缺失值填充；s33、利用等身分箱算法对所述计算数据集进行去噪清洗；s34、采用粗糙集理论对所述计算数据集进行数据规约及并行化处理。
11.进一步的，所述计算未来三天内最大24h累计降水量的计算公式包括：所述计算未来三天内最大24h累计降水量的计算公式包括：其中，表示未来三天内第i个小时开始的24h区间累计降水量；表示未来三天内第i小时的降水量；表示未来三天内最大24h累计降水量；i表示未来三天内的每个小时时段。
12.进一步的，所述判断尾矿库是否需要提前排水，包括以下步骤：s51、依据汛期现状高程尾矿库调洪演算报告，获取尾矿库现状高程下设计防洪标准24h降水量；s52、将所述设计防洪标准24h降水量与未来三天内第i小时开始的24h累计降水量进行对比；s53、若≥，则表示尾矿库内水位不高于正常生产水位；s54、若＜，则立即预警并将尾矿库内水进行提前外排。
13.进一步的，所述计算尾矿库提前排水的所需外排量的计算公式包括：
其中，表示设计防洪标准24h降水入库总量；表示设计防洪标准24h降水量；表示未来三天内最大24h区间累计降水入库总量；表示未来三天内最大24h累计降水量；f表示现状高程尾矿库汇水面积；表示防洪标准；表示尾矿库内水所需外排量即超出设计防洪标准的24h降水入库量。
14.进一步的，所述计算尾矿库所需降低的水位的计算公式包括：所述计算尾矿库所需降低的水位的计算公式包括：所述计算尾矿库所需降低的水位的计算公式包括：其中， 表示所需外排量；表示蓄洪库容；表示现状运行高程正常生产水位对应水面面积；表示所需降低水位对应水面面积；表示现状运行高程正常生产水位；表示所需降低水位；表示现状运行高程规范允许最高水位值；表示现状运行高程设计洪水位；表示现状运行高程规范允许最高水位对应水面面积；表示现状运行高程设计洪水位对应水面面积；表示水面面积差；表示水位高度差。
15.进一步的，所述构建改进型模糊综合评价模型，包括以下步骤：s81、建立尾矿库参数与气象数据相结合的评价指标体系，确定评价因素集；
s82、利用层次分析法与熵值法相结合的综合赋权法确定评价指标的权重；s83、根据专家评价及与历史信息的相似度匹配建立模糊统计法区间量化评价等级集，并确定指标隶属度；其中，相似度计算公式如下：其中，代表第i个临近网格节点在t时刻的降水量，其中， 代表第i个临近网格节点在t时刻的历史降水量，其中，i=1,2
……
n, t=1,2
……
t；s84、根据评价指标及模糊关系构建模糊综合评价矩阵；s85、评价结果量化。
16.进一步的，所述利用层次分析法与熵值法相结合的综合赋权法确定评价指标的权重，包括以下步骤：s821、分别确定层次分析法与熵值法生成的第j个指标的权重系数与，并将两个权重系数进行线性组合得到综合权重系数，其表达式为：其中，a表示层次分析法生成的第j个指标的权重占综合权重的比例；s822、利用综合权重与熵值法权重之间的偏差，以及综合权重与层次分析法权重之间的偏差的平方和最小为目标，建立目标函数，其表达式为：s823、将综合权重系数公式代入目标函数进行合并，其表达式为：s824、对合并后公式中的标准离差法权重占组合权重的比例进行求导并令其一阶导数为零，得到求解后的综合权重系数，其表达式为：。
17.进一步的，所述评价结果量化的计算表达式为：其中，e表示模糊结果评价量化值；d
t
表示评价等级集量化区间的中值；c表示模糊综合评价矩阵且；a表示指标权重组成的权重矩阵；b表示指标权重矩阵和评价矩阵结合的综合评价矩阵。
18.本发明的有益效果为：通过气象部门提供的1km
×
1km网格降水量预报值，计算尾矿库所在位置未来三天内即将发生的24h累计降水量，可随时间推进不断更新预测的降水
量数据，滚动捕捉可能发生的24h累计降水量最大值，得到库区更准确的预报降水量数据，判断是否有超出设计防洪标准的暴雨发生。当超出防洪标准暴雨发生时，提供一种计算方法，可快速计算出尾矿库的提前排水量，并给出目标水位值；从而能够在强降雨天气来临前，提醒相关部门和企业及时作出响应，合理降低库内水位，提供更大的蓄洪库容，进而保证尾矿库安全度汛。
19.此外，通过构建二维坐标模型，快速实现尾矿库及网格气象节点的定位匹配，能够大幅提高尾矿库针对性局部地区的精确预报与计算，同时通过对气象数据进行预处理，降低冗余的计算数据的复杂度，从而有效提高后续计算的效率与精度，保证汛期消息的快速灵活计算及精确预测播报。再引入模糊评价模型，将计算结果及相关参数作为评价指标进行权重计算，辅助以专家评价以及与历史信息的相似度匹配，作为汛期风险评估模型数据基础，能避免单一赋权法在赋权中存在的局限性，提高评估结果的准确性和科学性，从而对未来降水量及汛期进行科学评估，帮助矿山企业及相关政府作出快速灵活的响应。
附图说明
20.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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是根据本发明实施例的一种基于网格气象预报的尾矿库提前排水计算方法的流程图；图2是根据本发明实施例的一种基于网格气象预报的尾矿库提前排水计算方法中尾矿库典型剖面示意图；图3是根据本发明实施例的一种基于网格气象预报的尾矿库提前排水计算方法逻辑流程示意图。
22.具体实施方式
23.根据本发明的实施例，提供了一种基于网格气象预报的尾矿库提前排水计算方法。
24.现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-3所示，根据本发明实施例的基于网格气象预报的尾矿库提前排水计算方法，该方法包括以下步骤：s1、获取网格气象数据及尾矿库基础信息并存入数据库；尾矿库的基础信息如图2所示，其中1表示现状运行高程规范允许最高水位，2表示现状运行高程设计洪水位，3表示现状运行高程正常生产水位，4表示所需降低的水位，5表示现状运行高程规范允许最高水位对应水面面积，6表示现状运行高程设计洪水位对应水面面积，7表示现状运行高程正常生产水位对应水面面积，8表示所需降低水位对应水面面积，9表示所需额外提供的蓄洪库容。
25.s2、确定尾矿库位置对应的降水预报计算节点；
其中，步骤s2包括以下步骤：s21、基于气象部门的智能降水预报网格，建立由网格节点及经纬度组成的二维坐标模型；s22、根据尾矿库所在位置的经纬度坐标值，定位到所述二维坐标模型中并确定临近的四个网格节点；s23、分别计算尾矿库坐标值到相邻节点的距离，选取距离最近的网格节点作为降水预报计算节点。
26.在一个实施例中，在气象部门提供的智能降水预报网格中（精度1km
×
1km），建立由网格点经纬度组成的二维数组di（xi，yi），根据尾矿库所在位置的经纬度坐标值(x1、y1)，定位到网格中临近的四个节点（若经度坐标或纬度坐标重合则为两个节点），计算(x1，y1)到相邻节点的距离，选取距离最近的网格节点作为降水量计算节点。
27.s3、获取实时气象数据及基础信息数据进行预处理；其中，步骤s3包括以下步骤：s31、从数据库中同步及获取所述降水预报计算节点的实时气象数据及尾矿库基础信息数据，组成计算数据集；s32、检测所述计算数据集并利用同类别邻均值法进行缺失值填充；s33、利用等身分箱算法对所述计算数据集进行去噪清洗；s34、采用粗糙集理论对所述计算数据集进行数据规约及并行化处理。
28.s4、计算未来三天内最大24h累计降水量，计算公式包括：计算公式包括：其中， 表示未来三天内第i个小时开始的24h区间累计降水量， 表示未来三天内第i小时的降水量，表示未来三天内最大24h累计降水量，i表示未来三天内的每个小时时段。
29.所述三天内最大24h累计降水量为24h区间累计降水量，取每次更新后{0-24，1-25，...,47-71，48-72h}24h区间段中最大累计预报降水量。并且未来三天内最大24h累计降水量，应随着时间向前推移和降水量数据更新而不间断的滚动计算。
30.s5、判断尾矿库是否需要提前排水；其中，步骤s5包括以下步骤：s51、依据汛期现状高程尾矿库调洪演算报告，获取尾矿库现状高程下设计防洪标准24h降水量；s52、将所述设计防洪标准24h降水量与未来三天内第i小时开始的24h累计降水量进行对比；s53、若≥，则表示尾矿库内水位不高于正常生产水位；s54、若＜，则立即预警并将尾矿库内水进行提前外排。
31.当＜时，意味着未来三天内的某24h区间内降水量将超过设计防洪标准的降水量，即未来三天内将会出现超出尾矿库防洪标准的暴雨。因此，需要降低由调洪计算确定的现状高程正常生产水位，提前外排库内存水，为暴雨提供足够的蓄洪库容，确保尾矿库安全超高和干滩长度满足设计和规范要求，从而保证尾矿库安全度汛。
32.s6、计算尾矿库提前排水的所需外排量，计算公式包括：计算公式包括：计算公式包括：其中， 表示设计防洪标准24h降水入库总量， 表示设计防洪标准24h降水量， 表示未来三天内最大24h区间累计降水入库总量，表示未来三天内最大24h累计降水量，f表示现状高程尾矿库汇水面积， 表示尾矿库内水所需外排量即超出设计防洪标准的24h降水入库量，、及的单位均为m3，f的面积为m2， 表示防洪标准，与的单位为mm。
33.s7、计算尾矿库所需降低的水位，计算公式包括：计算公式包括：计算公式包括：其中， 表示所需外排量， 表示蓄洪库容， 表示现状运行高程正常生产水位对应水面面积， 表示所需降低水位对应水面面积， 表示现状运行高程正常生产水位， 表示所需降低水位， 表示现状运行高程规范允许最高水位值， 表示现状运行高程设计洪水位， 表示现状运行高程规范允许最高水位对应水面面积， 表示现状运行高程设计洪水位对应水面面积， 表示水面面积差，表示水位高度差。
34.s8、构建改进型模糊综合评价模型；模糊综合评价法是应用模糊关系合成原理，用多个因素对被评价事物隶属度等级状况进行综合评价的一种方法，其存在主观性强、评价结果分辨率差等缺点。为了更科学合理地评价降水量风险程度，建立了改进的模糊综合评价法模型。其中，步骤s8包括以下步骤：
s81、建立尾矿库参数与气象数据相结合的评价指标体系，确定评价因素集；s82、利用层次分析法（ahp）与熵值法相结合的综合赋权法确定评价指标的权重；在模糊综合评价中，权重的计算是一项重要的内容，对评价的结果有重要影响。传统的模糊综合评价法一般采用主观赋权法中的层次分析法(ahp)或客观赋权法中的熵值法来确定指标权重。本文采用ahp与熵值法相结合的综合赋权法，来弥补主客观单一赋权的不足。
35.其中，步骤s82包括以下步骤：s821、分别确定层次分析法与熵值法生成的第j个指标的权重系数与，并将两个权重系数进行线性组合得到综合权重系数，其表达式为：其中，a表示层次分析法生成的第j个指标的权重占综合权重的比例；s822、利用综合权重与熵值法权重之间的偏差，以及综合权重与层次分析法权重之间的偏差的平方和最小为目标，建立目标函数，其表达式为：s823、将综合权重系数公式代入目标函数进行合并，其表达式为：s824、对合并后公式中的标准离差法权重占组合权重的比例进行求导并令其一阶导数为零，得到求解后的综合权重系数，其表达式为：上述求解得到综合权重系数的目的，是为了构建权重矩阵，设权重矩阵为a，则。
36.s83、根据专家评价及与历史信息的相似度匹配建立模糊统计法区间量化评价等级集，并确定指标隶属度；其中，相似度计算公式如下：其中代表第i个所述的临近网格节点在t时刻的降水量；其中代表第i个所述的临近网格节点在t时刻的历史降水量；其中i=1，2
……
n；t=1，2
……
t；模糊综合评价法中的评价等级集是由评价者对评价对象可能做出的各种评价结果所组成的集合，可以根据评价对象的需要，用不同的等级、评语或数字等来描述。仅建立评价等级集无法区分处于同等级的系统的优劣，分辨率较差。为此，采用模糊统计法对评价等级集进行区间量化，并确定评价指标的隶属度。
37.因此，经过专家评价及与历史信息的相似度匹配计算后，得到了评价等级集v，并设评价指标为u，则根据相似度r的结算结果，由低至高给各个评价指标u划分等级，并确定每个等级的区间值；再依次统计各个评价指标u属于各个评价等级的频数，频数与参加评价的专家总数的比值即为该指标对该评价等级的隶属度r
ij
，且r
ij
满足归一性和非负性。
38.此外，对评价指标u中每一个因素进行评价就确定了从u到v的模糊关系q，即模糊评价矩阵q为；将指标权重矩阵a和模糊评价矩阵q进行综合评价，可得指标综合评价矩阵b，即。
39.s84、根据评价指标及模糊关系构建模糊综合评价矩阵；其中，模糊综合评价矩阵可表示为。
40.s85、评价结果量化，计算表达式为：其中，e表示模糊结果评价量化值，d
t
表示评价等级集量化区间的中值，c表示模糊综合评价矩阵且，a表示指标权重组成的权重矩阵，b表示指标权重矩阵和评价矩阵结合的综合评价矩阵。
41.根据气象预报与尾矿库安全规范标准，存在洪水与溃堤风险受到降水的直接影响，通过将计算得到的未来三天内24h的降水量与所需降低水位，结合专家反馈意见，建立了一个比较全面的“尾矿库风险评价指标体系”，通过将计算结果划分为不同区间，匹配到对应的安全分析等级。本发明中，将评价量化值e在（0，2]的范围标定为无风险、（2，4]为轻微风险、（4，6]为中度风险，（6，8]为重度风险，并且将无风险、轻微风险、中度风险与重度风险作为风险等级的指标。
42.s9、输出综合评价结果，并划分风险等级。
43.在具体实施例中，以某尾矿库为例，该尾矿库设计最终堆积标高为821.0m，设计总坝高189m，最终总库容为7249.68万m3，按照《尾矿设施设计规范》（gb50863-2013）的规定，确定该尾矿库为二等库。现状运行滩顶高程为780.0m，对应等别为二等，以下为该尾矿库提前排水的计算过程。
44.1.基础数据
①
确定网格节点，读取气象数据（省气象局将制作的1km*1km网格降水量预报数据产品放置到前置数据库中，并定时更新，需求方通过api接口获取数据，并在获取数据后进行解析。）根据尾矿库所在位置的经纬度坐标值，确定气象部门提供的智能降水预报网格中距离其最近的网格节点。收集所述网格节点未来三天内每小时时段降水量hi（mm）数据，如表1所示：表1：未来三天内每小时时段降水量
ꢀꢀ②
依据汛期现状高程尾矿库调洪演算报告，获取、、、依据汛期该尾矿库调洪演算结果可知：现状运行高程设正常生产水位为771.00m；现状运行高程设计洪水位为771.85m。
45.该尾矿库现状运行等别为二等，尾矿库现状沉积滩前100m范围内坡度为0.02。按照《尾矿设施设计规范》（gb50863-2013）规定，对应等别尾矿库应同时满足最小安全超高控
制为1m、最小干滩长度控制为100m的要求。因此可确定尾矿库现状高程最高水位应按照最小干滩长度100m进行控制，对应安全超高为2m，即现状运行高程规范允许最高水位为778.00mm。
46.依据调洪演算中洪水计算结果（国家法规要求矿山企业每年汛期前必须进行调洪演算，调洪演算是设计单位根据尾矿库现状平面图、排洪系统形式、水文资料等计算排洪系统泄流量、洪峰流量、洪水总量，通过水量平衡公式进行调洪演算，最终得出防洪高度、安全超高等控制参数，并形成调洪演算报告，企业将调洪演算结果填报到预警系统中，并将调洪演算把报告上报县应急管理局备案），可知设计防洪标准24h降水量 h
p%
为185.4mm。
47.③
根据现状实测图，量测、、、f；在尾矿库现状实测图上绘制现状高程对应汇水范围，并量测该汇水面积f为1.87
×
106m2。
48.根据确定的、、水位值，分别得到对应水面面积的范围，并分别量测得到：现状运行高程正常生产水位对应水面面积为100995m2；现状运行高程设计洪水位对应水面面积为156555m2；现状运行高程规范允许最高水位对应水面面积为289460m2。
49.2.计算未来三天内最大24h累计降水量首先将未来三天内每小时时段的降水量（mm）带入未来三天内最大24h累计降水量的计算公式，计算得到所述未来三天内第i小时开始的24h区间累计降水量值，计算结果如下表所示：表2：未来三天内24h区间累计降水量
将上表数值带入公式，得到未来三天内最大24h累计降水量：3.判断库内水是否需提前外排将所述设计防洪标准下24h降水量h
p%
与所述未来三天第i小时开始的24h区间累计降水量进行对比。
50.通过对比可知，在第36h第一次出现超出设计防洪标准的降水，在第40h出现最大值210.00mm。此时应立即预警，提醒相关部门需要适当降低库内水位，并将对应时间提供给
相关企业和部门，为其制定相应对策措施提供有效的技术支持。
51.4.计算所需外排量当＜发生时，需将部分库内存水提前排至库外，提供足够的蓄洪库容。超出设计防洪标准的24h降水入库量即为所需外排量（m
³
）。
52.将所述设计防洪标准24h降水量h
p%
、未来三天内最大24h累计降水量、现状运行高程对应尾矿库汇水面积f分别带入尾矿库提前排水所需外排量的计算公式进行计算：高程对应尾矿库汇水面积f分别带入尾矿库提前排水所需外排量的计算公式进行计算：高程对应尾矿库汇水面积f分别带入尾矿库提前排水所需外排量的计算公式进行计算：通过计算可知所需外排量为46002m
³
。
53.5.计算所需降低的水位值将通过基础数据和计算所得的、、、、、、，全部带入所需降低的水位的计算公式可得：由此可知，需要将该尾矿库的库内水位降低至770.5m以下，方能保证在本次降雨时尾矿库内水位满足规范和设计的要求，保证尾矿库安全度汛。
54.其中，此处的770.5m为高程值，并非水位深度。在矿山尾矿库行业中通常应用高程值进行日常管理，尾矿库设计文件中对水位的说明也采用高程值。
55.综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过气象部门提供的1km
×
1km网格降水量预报值，计算尾矿库所在位置未来三天内即将发生的24h累计降水量，可随时间推进不断更新预测的降水量数据，滚动捕捉可能发生的24h累计降水量最大值，得到库区更准确的预报降水量数据，判断是否有超出设计防洪标准的暴雨发生。当超出防洪标准暴雨发生时，提供一种计算方法，可快速计算出尾矿库的提前排水量，并给出目标水位值；从而能够在强降雨天气来临前，提醒相关部门和企业及时作出响应，合理降低库内水位，提供更大的蓄洪库容，进而保证尾矿库安全度汛。
56.此外，通过构建二维坐标模型，快速实现尾矿库及网格气象节点的定位匹配，能够大幅提高尾矿库针对性局部地区的精确预报与计算，同时通过对气象数据进行预处理，降低冗余的计算数据的复杂度，从而有效提高后续计算的效率与精度，保证汛期消息的快速灵活计算及精确预测播报。再引入模糊评价模型，将计算结果及相关参数作为评价指标进行权重计算，作为汛期风险评估模型数据基础，能避免单一赋权法在赋权中存在的局限性，提高评估结果的准确性和科学性，从而对未来降水量及汛期进行科学评估，帮助矿山企业及相关政府作出快速灵活的响应。
57.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。