0 引 言
煤炭是我国的主体能源，2019年全国煤炭消费量为28亿t标准煤, 占全国一次能源消费总量的57.7%[1]。西部是我国煤炭主产区，煤炭储量占全国储量的40%[2]左右，随着中东部煤炭开采地质条件的日益复杂，煤炭开采安全风险愈来愈高。但是，西部地区(晋陕蒙宁甘)严重缺水，水资源量仅占全国水资源量的3.9%，且地表蒸发量大，是降水量的6倍以上。据统计，我国每开采1 t煤产生2 t左右矿井水，矿井水利用率仅为25%[3]，每年因煤炭开采形成约80亿t矿井水，近60亿t不能有效利用，相当于我国工业和民用缺水量的60%左右[4]。矿井水资源不能有效利用的原因在于矿井水外排地表后损失浪费，在西部矿区尤为明显[5] 。资源与环境协调开采是解决煤炭开采环境问题的根本出路[6]，因此，开发与环境协调的创新技术成为社会、市场的必然需求[7]。
国家能源集团在神东矿区经过20余年的技术攻关和工程探索，提出了煤矿地下水库储用矿井水的技术理念[8]，将矿井水储存在井下采空区岩体空隙内，实现了矿井水的井下净化处理和分级分质利用，在此基础上，相继研发了煤矿地下水库和煤矿分布式地下水库水资源保护利用技术，构建了煤矿地下水库技术体系[9]，并在现场工程中成功应用，破解了传统“堵截法”(限高开采、分区开采和充填开采等)在实际工程中难以有效推广的缺陷，变“水害”为“水利”[10]。煤矿地下水库关键技术包括水库选址、水源预测、库容计算、坝体构筑、安全防控、水质控制等6个部分[11]，其中库容计算是煤矿地下水库的核心技术，如何快速有效地计算储水量，对于确保地下水库安全运行、地下水库水资源优化调度作用重大。目前，煤矿使用的工程专题地图基本都是CAD制图，煤矿地下水库库容也是基于CAD手工测算，繁琐且准确率低，有学者利用MODFLOW[12]、GMS[13]、FEFLOW等软件的可视化功能进行地下水库的三维建模[14]，同时利用ArcGIS软件的空间实体体积计算功能，实现对地下水库库容的计算[15]，给煤矿地下水库的库容计算提供了参考。
基于此，提出基于GIS和CAD的煤矿地下水库库容精准计算思路，基于煤矿普遍使用的CAD专题地图，采用二次编程方法，读取计算库容所必需的底板等高线数据，基于三角网格插值算法，形成底板数字高程模型(DEM)，结合地下水库储水高度，生成不同的储水体积元，并对其进行储水系数赋值，建立煤矿地下水库库容计算模型；在此基础上，开发基于C#语言.NET平台下煤矿地下水库库容计算的WebApi接口，搭建基于Java语言的Web端煤矿地下水库库容计算平台，实现了煤矿地下水库库容的快速精准计算。
1 库容计算平台系统构建
1.1 库容计算平台系统总体功能设计
以某近水平矿区煤矿地下水库的库容计算为研究背景，借鉴地上水库及地下水库自动化库容计算系统的成功设计经验，依据煤矿地下水库的储水空间(主要为采空区冒落岩体空隙)，分析系统输入的数据集(地下水库库底等高线的CAD专题地图)特点及系统对输出地下水库库容的要求，设计了地下水库库容计算系统的总体功能结构，如图1所示。系统功能包括3大模块：库容计算、专题地图管理和用户管理。
图1 系统总体功能结构
Fig.1 Functional structure of system
1)库容计算模块。包括录入数据和结果查询。通过录入数据，可实现待计算库容水库等高线专题地图的上传及各图层的选取工作，计算后可获取地下水库库容分层体积与总体库容。通过结果查询，可查看最大库容、水库水位和储水系数等参数，若要对库容结果进行再计算，可通过重新编辑水库水位、储水系数来实现。
2)专题地图管理模块。包括查看专题地图和删除专题地图。通过查看专题地图可直接在线浏览专题地图，且可对目标区域进行测量、缩放、在线编辑等。为节省存储空间，可通过删除专题地图将不需要的专题地图数据删除。
3)用户管理模块。包括用户注册、用户登录及安全退出，可实现单点登录进入系统，提高了用户交互友好程度。
1.2 库容计算平台系统逻辑架构设计
按照模型—视图—控制器(Model View Control,MVC)分层开发的设计理念，通过划分合理层级关系结构，减少各模块功能间耦合度。利于应用程序的工程化管理和功能扩展，全面展现整体应用系统，将系统划分为3层，即用户界面展示层、业务逻辑服务层、数据访问操作层，如图2所示。
图2 系统逻辑架构设计
Fig.2 System logic architecture design
1)用户界面展示层。可实现用户与系统打通交互通道，使用户可直接看到与其操作相关的功能逻辑，不包含任何与业务相关的后台隐含功能，体现了职责分层的设计理念。
2)业务逻辑服务层。该层分为2部分：①是采用Java语言进行底层代码开发；②是采用C#语言开发符合Restful风格的Web服务，克服了仅依靠CAD专题地图读写及GIS建模的难题。
3)数据访问操作层。该层可直接连接底层所需的各类数据库，且可对业务逻辑服务层中的数据进行增加、删除等。系统中的数据存储分为2个部分：①是基于Mysql关系型数据库进行专题地图文件的信息存储；②是基于FastDFS分布式文件系统进行专题地图文件的信息存储，通过FastDFS的Java客户端和C#客户端实现对专题地图的上传、下载和计算后的重新存储。解决了Mysql数据库对大文件读写速度慢、跨层数据传输消耗资源大、负载均衡等问题，适合应用于小型图纸文件系统的存储。
2 库容计算平台关键技术
2.1 CAD专题地图空间数据自动提取
煤矿地下水库底板等高线专题地图为DWG文件，传统打开都需用户安装AutoCAD平台，且数据转换DXF格式阅读时内存资源消耗大、处理速度慢、效率较低[16]。开放设计联盟(Open Design Alliance，ODA)提供了读写DWG文件的接口，基于ODA的TeighaX控件可实现不安装AutoCAD平台条件下的DWG专题地图数据的自动提取和分类解析。
采用TeighaX控件编程，根据煤矿地下水库CAD专题地图的水库边界提取相应的等高线数据。有高程数据的等高线是建立不规则三角网模型(TIN)的关键，因此，进行等高线数据的自动赋予高程操作。
自动赋予高程首先要获取专题地图高程的文字注记，通过文字注记的文字高度等来构建边长为文字高度的方形选择框。若文字方框与唯一一条等高线相交，说明该文字注记可标注该等高线高程，若等高线与多个文字高程方框相交，则只取第1个获取到的文字高程。同时进行人工复检，确保读取数据的准确性。
2.2 水库体积精准计算
利用等高线生成数字高程模型(DEM)是地下水库体积自动计算的前提。等高线既可直接生成不规则三角网模型，又可直接生成规则格网模型(GRID)，规则格网也可由等高线生成的不规则三角网通过内插法获得[18]。与规则格网方法相比，不规则三角网方法可依据地形起伏变化等情况决定采样点位置和对采样点的密度进行改变，由相邻3个数据点连接成面来逼近真实曲面，与实际情况更吻合，适用范围也更广泛。基于矢量等高线数据生成TIN后进行相应空间体积计算。等高线由有序坐标点连接组成，在CAD二次开发中，可获取等高线各个节点的X、Y和Z坐标，将点写入新图层，再将新图层中数据输出到新文件中，自动完成等高线离散化为点的操作，为三角网的生成准备输入数据。三角网生成中应用最广泛的是Delaunay三角剖分，该功能具有空圆特性和最大化最小角特性，可最大限度保证生成的三角形满足近似等边形状[19]。生成Delaunay三角网的算法主要有三角网分区算法、逐点插入法和分治算法[20]，其中三角网分区算法由于效率低而使用较少；分治算法时间效率高，但需要大量递归计算，占用内存空间大；逐点插入法思路较简单，先在包含所有数据点的多边形中建立初始三角网，然后将其余点在局部优化算法(LOP)的保证下逐一插入，但用时较久。
采用凸壳边界优化的逐步插入法对等高线离散化后的高程点进行Delaunay三角剖分，具体步骤如下：
1)通过构建的数据结构，确定1条边的起始点，再确定该边左右两侧三角形的节点，以所确定三角形的3个节点作为新边的起始点进行索引，进而确定所有邻接三角形的节点。
2)获取所有名为AcDbPoint的离散点集的坐标数组，进一步确定离散点集的外围边界，该外围边界初始多边形包含了所有数据点。
3)从边界处向内搜索满足Delaunay特性的点形成三角形，根据Delaunay准则判断所有满足条件的三角形作为Delaunay三角形，遍历所有离散点，直到所有边界的边形成Delaunay三角形。
4)新形成Delaunay三角形的内圈又可以作为新的边界，重复步骤2)，直到所有离散点建立满足Delaunay准则的三角形，最终形成不规则三角网。
5)生成不规则三角形的各个点的坐标被记录在ArrayList集合中，通过ModelSpace的Add3DFace方法即可绘制出TIN模型的三角面片，图3所示。
6)通过三角网来计算地下水库储水体积。通过自动读取煤矿地下水库库底等高线高程数据，结合储水水位，计算每个三角形与水面所围成的体积(储水体积元)，将所有三角形对应的体积相加即可得到煤矿地下水库储水空间体积。
图3 由离散点生成的Delaunay三角网
Fig.3 Delaunay TIN generated by discrete points
2.3 库容自动计算流程
依据等高线进行体积计算是基于C#语言在.NET平台下开发的，为实现Java跨语言调用，可将其封装成基于JSON消息格式的Restful服务，而.NET平台下WebAPI在微软VS2012 MVC4版本中绑定发行，完全基于Restful标准框架。用户通过Web浏览器上传计算专题地图后，根据专题地图文件URL执行提取等高线数据、建立TIN、体积计算、库容计算程序，该过程会把库容计算结果等存储到Mysql，以供Web端来展示TIN模型及地下水库库容计算结果等，流程如图4所示。
注：EE，enterprise editian,企业版
图4 库容自动计算流程
Fig.4 Calculation process of underground
reservoir storage capacity
3 库容计算平台系统开发及案例应用
3.1 库容计算平台系统开发
基于面向对象的设计思想，采用C#、Java语言工具，开发基于GIS的Web端煤矿地下水库库容精准计算平台。系统主要功能包括：库容计算和专题地图管理。录入数据时，专题地图备注和专题地图文件为必填选项。选择完所有需要图层后，点击“计算”进行库容计算。通过项目栏目可查询计算生成的煤矿地下水库储水空间TIN模型、水库库容曲线等结果，如图5、图6所示。
图5 煤矿地下水库储水空间TIN模型
Fig.5 TIN Model for water storage space of of underground
reservoir in coal mine
图6 煤矿地下水库库容曲线
Fig.6 Storage curve of underground reservoir in coal mine
3.2 库容计算平台案例应用
以某地下水库为案例，选取储水区域较大的A1和A3区域进行对比分析，现场实测储水系数为0.3，分别按照传统方法和库容计算平台系统进行计算，结果见表1。
结果表明，2种方法计算结果误差均在3%之内，说明该系统方法可行。此外，与传统计算方法相比，库客计算平台系统还具有速度快、准确度高等特点；且通过在不同三角体积元内设置不同储水系数，还可实现煤矿地下水库库容的精准计算。
表1 地下水库储水量计算结果对比
Table 1 Comparison of underground reservoir water storage
储水区域南方Cass软件计算方法/万m3库容计算平台系统/万m3误差/%A1228.45226.890.68A3127.78131.182.66
4 结 论
1)实现了基于GIS与CAD专题地图的煤矿地下水库储水边界内底板高程坐标自动获取，减少了人工获取数据的繁琐程度，提高了工作效率和数据准确性。
2)通过快速生成的储水体积元，结合不同空间尺度范围内的储水系数，实现了地下水库库容的精准计算。
3)开发了地下水库库容Web计算平台，与传统方法对比，具有操作简单、计算速度快和准确度高等特点。以某煤矿地下水库为案例，分别采用传统方法和库容计算平台系统对储水区域较大的A1区和A3区进行库容计算，对比结果表明A1区的误差为0.68%，A3区的误差为2.66%，2种方法计算结果误差均在3%之内，说明研发系统计算结果可靠，可作为水库库容快速计算方法应用。
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