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新工具可预测旧煤田的地质运动和地下水流量

诺丁汉大学开发了一种远程监控工具,可以帮助当局管理最近废弃的煤矿中的公共安全和环境问题。该工具使用卫星雷达图像来捕获地形高度变化的毫米级测量值。这样的测量可用于监测和预测以前的采矿区地下水位以及地表以下深处的地质条件的变化。

拥有悠久的煤炭开采历史,该项目在英国进行了区域规模的测试,但考虑到全球对煤炭需求的下降,而转向更具可持续性的能源,该项目具有全球影响。

该方法在诺丁汉郡的煤田中实施,该煤田于2015年被废弃,当时最后一个深矿Thoresby Colliery永久关闭。

关闭深层矿井后,以前被抽到地表以确保采矿安全的地下水又可以再次上升,直到通过所谓的回弹过程将其恢复到自然水平。

通过前矿山开采而来的地下水回弹需要仔细监测;通常含有污染物会污染水道和饮用水供应; 导致局部洪水;如果上升速度过快,则应重新开采沉陷,抬高土地并重新激活地质断层。这些问题可能会导致成本高昂和危险的问题,需要在土地重新分配之前解决。

因此,煤炭管理局需要有关其管理的广泛矿山系统回弹率的详细信息,以便确切知道在哪里放松或增加抽水以控制地下水位。

因此,测量矿井水回弹的速率和位置对于有效管理前煤田的环境和安全风险至关重要,但是很难实现。地下水可能会通过相邻煤矿内部和之间的空腔以意想不到的方向流动,并在认为没有危险的区域中从地面排放。

过去,对矿井水的流向进行预测很大程度上取决于矿井计划;有时超过一个世纪的不准确或不完整的文件;和钻孔数据。每个钻孔的成本大约为20,000到35万英镑,钻孔的成本很高,而且通常分布在广阔的煤田中,稀疏,存在测量空白。

最近,通过将干涉式合成孔径雷达(InSAR)应用于从雷达卫星获取的图像,可以监测到隆起,沉降和其他地质运动。但是,从历史上看,这种干涉测量技术仅在城市地区(相对于农村地区)有效,在这里雷达可以拾取地面上的稳定物体(例如建筑物或铁轨),并定期反射回卫星。

这项研究使用由诺丁汉大学及其衍生公司Terra Motion Ltd.开发的先进的InSAR技术,称为间歇小基线子集(ISBAS)。InSAR使用每隔几天或几周拍摄的相同位置的卫星图像堆栈,使得随着时间的流逝即使是最细微的地形变化也可以实现。ISBAS InSAR可以独特地计算城市和乡村地形上的土地变形测量值。在绘制通常位于农村地区的以前的采矿区时,这很有用。例如,在诺丁汉郡的煤田上,土地覆盖主要是农村地区,其中近80%的土地是农业用地,牧场和半自然地区。

这样的测量密度意味着诺丁汉大学博士学位的研究领导。学生David Gee可以开发一种经济有效的简单方法来模拟地表运动变化引起的地下水回弹。研究发现,地面运动测量值与矿井水位上升之间存在确定的联系。地下水变化常常会导致地面沉降或隆升,其中地层的作用有点像海绵,在充满流体时会膨胀,而在排水时会收缩。

通过对InSAR数据进行几乎完全的空间覆盖,他可以填补井眼之间的测量间隙,以绘制整个煤田中矿井水位的变化图。该模型同时考虑了地质和地下水深度,以确定真实的回弹率,并帮助确定与回弹相关的问题可能发生的位置。

该研究的标题为“使用DInSAR模拟最近废弃的煤田的地下水回弹”,发表在《环境遥感》杂志上。

诺丁汉大学地理空间研究所的大卫·吉(David Gee)说:“英国有几个煤层正在经历矿井水回弹,使用InSAR测量了地表隆升。在诺丁汉郡的煤田中,该模型和InSAR测得的变形证实了隆起是由矿井水的回收引起的。”

首先,生成一个正向模型,以根据监测井眼测得的地下水位变化估算地表隆起。David使用ENVISAT和Sentinel-1雷达数据使用ISBAS InSAR校准并验证了模型。然后,他反转了InSAR的测量结果,以估算地下水位的变化。随后,使用倒置速率估算地下水反弹所需的时间,并确定最有可能面临地面排放风险的煤田地区。

戴维说:“将InSAR测量与建模相结合,可以帮助描述以前采矿现场发生的水文地质过程。该技术有可能为最近关闭的煤田的逐步放弃战略做出重大贡献。”

InSAR的发现为地下水变化提供了补充数据,从而增加了井眼测量值。这意味着可以远程进行监测,因此对于国家机构(如环境署(负责管理洪水,污染和污染土地等危害)和煤炭管理局(负责管理地下煤炭遗留的任务))的劳动强度较低在公共安全和沉降方面进行采矿)。

该模型已经标记出某些煤田的行为不符合先前的预测,这可能会影响现有的整治计划。

大卫解释说:“例如,北诺丁汉郡煤田的最深部分并未如预期那样反弹,这表明这里的矿山计划可能并不完全准确。其稳定性已通过InSAR和该模型进行了验证-该地区的未来监测将有助于确定是否或何时最终发生反弹。

“该项目的下一步是将我们的结果整合到由环境署和煤炭管理局开发的现有筛查工具中,以帮助地方规划部门,开发商和顾问在煤田地区设计可持续的排水系统。初步结果是在区域范围内产生的借助国家InSAR地图,有潜力将其扩展到英国的所有煤田。”

英国地质调查局高级遥感地质学家Luke Bateson表示:“ InSAR数据为揭示地面运动的方式提供了绝佳的机会,但是我们需要进行诸如David的研究,以了解这些地面运动的含义以及它们的含义。大卫的研究不仅提供了这种理解,而且提供了一种工具,可以将InSAR地面运动转换成矿山水位信息,从而可以用来做出明智的决定。”

Terra Motion Ltd.首席技术官Andrew Sowter博士解释说:“像这样的研究表明,作为一家小型商业公司,对于我们与大学的合作投资进行投资,对我们来说是很有价值的。基于我们的ISBAS InSAR方法,并得到了一系列重要利益相关者的支持,这将使我们能够在众多关键应用中进一步打入市场,而这些关键应用迄今为止被认为是较传统的InSAR技术难以实现的,尤其是与地下流体相关的市场在温带植被区提取和注射。”

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