基于“天地一體化”指標的尾礦庫安全預警技術研究

(環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094)

基于“天地一體化”指標的尾礦庫安全預警技術研究

肖如林劉慧明付卓劉思含楊旻蔡明勇聞瑞紅

(環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094)

尾礦庫是一項巨大的環境風險源，一旦發生事故，會給周邊環境帶來嚴重危害，因而成為環境監管的重點。近年來，尾礦庫事故頻發，嚴重危害周邊環境安全，使得尾礦庫環境應急管理工作面臨嚴峻形勢。尾礦庫安全預警可為尾礦庫自身安全及周邊環境安全管控等提供重要決策支持。為此，文章綜合前人已有的相關研究成果，在充分利用現有以地面調查指標為主的指標體系的基礎上，利用遙感補充獲取尾礦庫所在區域宏觀背景指標信息，以此構建基于“天地一體化”指標和模糊層次分析法的尾礦庫安全預警技術方法；并在廣西河池市為例，開展該方法的試點應用，對試點尾礦庫的安全風險進行評估和識別，針對其中的重點風險尾礦庫進行了事故后的影響范圍和響應時間的預警分析。相關的技術方法拓展了遙感技術應用，發展了尾礦庫預警的方法，同時相關的試點應用成果可為當地尾礦庫環境應急管理工作提供支持。

尾礦庫；安全；環境；預警；遙感；“天地一體化”；模糊層次分析法

尾礦庫通常是指在山谷口或平緩地形的周圍筑壩，用來堆存金屬和非金屬等礦山企業進行礦石選別后排出的尾礦或其他工業廢渣的貯存場所[1]。我國是尾礦庫大國，有尾礦庫12655座，其中有4910座危庫、險庫和病庫，占38.8%[2]。然而當前尾礦庫安全基礎薄弱，導致尾礦庫突發環境事件頻發，尾礦庫環境應急管理工作形勢嚴峻[3]。開展尾礦庫安全預警技術研究，一方面有助于及時掌握尾礦庫安全狀況，防范尾礦庫事故的發生，有效降低尾礦庫風險水平；另一方面可為尾礦庫分級分類管理、尾礦庫風險的聯防聯控等尾礦庫應急管理工作提供重要決策支持。

尾礦庫事故的發生一般會有各種先兆，而且其發生和發展會有一定的時空規律，這就為預警提供了可能性。目前尾礦庫安全預警主要圍繞尾礦庫壩體的穩定性和安全度進行預測預警，主要集中于以下三個方面：一是通過各種在線監控設備[4-8]從微觀上監測尾礦庫的各種指數，并基于各指數狀況和變化規律來進行尾礦庫壩體安全預測預警。二是利用各種物理模擬模型[9-13]，從動力學的角度對尾礦壩的安全系數進行分析與模擬預測。三是基于各種數學或邏輯歸納演繹模型[14-21]，進行尾礦庫潰壩預測預警。然而這些預測預警的評估分析模型大多是以地面調查或監測的指標體系為主，存在以下兩方面的問題：一方面，指標選取偏局部微觀，缺乏區域宏觀背景指標信息的支持。目前多是尾礦庫自身相關的微觀指標(比如某些離散點位上的壩體位移、浸潤線的觀測等)，在區域宏觀背景方面的指標考慮不足。通常尾礦庫周邊的地形、植被覆蓋、氣象水文、人類活動以及地質災害等情況對尾礦庫安全有較大影響，而且地面的離散點位上的調查或監測難以精確的獲取或表達這類信息；另一方面地面調查或監測存在代價高、相對粗略、易有盲區等問題：(1)尾礦庫常處于條件惡劣、交通不便地區，造成實地調查監測的代價比較大；(2)很多指標信息調查獲取得相對粗略(比如涉及到面積、距離等信息，調查一般是通過問詢或目視估計來確定，并不會進行實地測量，這就容易造成很大的誤差)；(3)尾礦庫通常規模大，區域地勢起伏、視野有限，易形成盲區，一些隱蔽處的風險隱患不容易被地面調查時發現。

遙感在獲取區域宏觀信息，監測微觀形變、各種風險隱患等方面具有較好的應用[22-25]，可以為尾礦庫安全預警提供有力技術支撐。針對以上問題，本文從尾礦庫事故發生的孕災、致災等事故發生的災害系統論視角，綜合前人已有的相關研究成果，在充分利用現有的以地面調查指標為主的指標體系的基礎上，利用遙感補充獲取尾礦庫所在區域宏觀背景指標信息，構建宏觀與微觀相結合的、“天地一體化”指標支持下的尾礦庫安全預警技術方法。

1 尾礦庫安全預警技術方法

首先，通過風險因素分析識別可能影響尾礦庫安全的各方面因素，并綜合前人的相關研究成果，吸收其中主流評價指標或已有的綜合評價結果指標(比如尾礦庫安全等級指標，通常是每隔一定時間定期更新)，再利用遙感，補充獲取尾礦庫周邊區域的宏觀背景指標信息，形成微觀和宏觀兼具的、“天地一體化”的指標體系，然后利用模糊層次分析法，建立相應的尾礦庫安全預警方法，對尾礦庫的安全進行預警。針對其中重點尾礦庫，利用泥石流災害相關分析模型，對該尾礦庫事故后的響應時間等事故影響進行分析和預警。遙感在其中，可為預警評估指標信息獲取、事故后的影響預警分析中的相關參數提供基礎信息。

圖1 尾礦庫安全預警技術路線

1.1 指標體系

尾礦庫安全預警指標體系如圖2所示。該指標體系不僅考慮了影響尾礦庫自身安全的一些局部指標和地面調查評估指標[19]，還從宏觀的時空背景環境下考慮了導致尾礦庫事故發生的有關地質條件(地形坡度、地質構造及條件)、氣象條件(降雨量)、上游水文條件(匯水區面積/尾礦庫面積、下墊面類型、匯水區坡度)、人為因素等多個宏觀指標，并綜合利用遙感和GIS技術手段對這些指標進行獲取。如圖3的示例為利用高分辨率遙感數據提取尾礦庫邊界范圍和壩體位置信息之后，再基于地形數據，利用ArcGIS的ModelBuilder構建工作流模型，實現對尾礦庫上游匯水區范圍以及事故后污染物流向信息的自動化提取。

圖2 尾礦庫安全預警指標體系

圖3 基于遙感和GIS工作流模型的尾礦庫上游匯水區范圍和尾礦庫泄漏后污染物流向信息提取

1.2 指標分級

指標確定后，需要對各指標進行分級評分。本模型中將尾礦庫安全預警等級確定為3級，I級為事故發生可能性非常大、Ⅱ級為事故發生可能性較大、Ⅲ級為事故發生可能性較小；并相應的將尾礦庫安全預警指標體系中的各指標進行分級，其具體的分級情況如表1所示[19]。

表1 尾礦庫安全預警體系指標等級及指標取值范圍

1.3 指標權重

不同的指標具有不同的影響力，通常通過權重來加以設置。本模型中，各指標的權重是通過多名專家對層次化結構[26]的指標體系中的各指標進行賦權重，然后綜合所有專家對同一個指標的權重求算數平均，作為該指標最終的權重值。本模型中，各指標的具體取值如表2所示。

表2 指標權重

1.4 評價模型

本方法中利用基于模糊模式識別理論的模糊層次分析法對尾礦庫安全預警等級這一模糊概念進行評估分析和識別。不同于傳統的綜合加權求和的層次分析評估模型，模糊模式識別[27]的是已知若干個模式，識別與計算研究對象屬于各個模式的相對隸屬度，計算相對狀態(或級別)特征值，以此識別判斷研究對象屬于哪一個模式。其計算結果相對更加科學、柔性。其計算過程大致為：(1)列出指標特征向量和指標標準特征值矩陣；(2)計算指標相對隸屬度矩陣和指標標準特征值相對隸屬度矩陣；(3)利用模糊識別模型計算尾礦庫安全預警等級特征值。

2 尾礦庫預警技術應用示范

2.1 示范區概況

示范區選在廣西壯族自治區河池市。該地區礦產資源開發已形成相當的規模，開發利用的礦種達36種，有色金屬錫、銻、鋅、銦等礦產品在全國具有重要的地位，尾礦庫較多；地形多樣，結構復雜，巖溶廣布，地質條件豐富；全地區年平均降雨量一般在1200～1600毫米之間，多的地方超過2500毫米，最少的地方也在1000毫米以上，河流廣布，屬于洪澇(氣象)易災區。試點的尾礦庫為該區域6個典型尾礦庫，其基本信息量化后如表3所示。

2.2 試驗及結果分析

在實際應用過程中，考慮到尾礦庫自身安全、地質條件、人為因素、上游水文條件等因素相對較為穩定，因此，本試驗主要研究不同的氣象條件(降雨)情況下，尾礦庫相對的安全程度，并據此進行預警分析。

根據河池地區降雨的年際變化特征，特選取了5個典型日期的降雨數據(表4)，開展了5組安全預警分析試驗，并統計出每個尾礦庫在5組不同降雨條件下的出現較高預警等級(I、II級)的次數，以此對比分析尾礦庫安全風險的相對狀況。具體結果如圖4所示。

圖4 各尾礦庫安全處于高危險等級的頻次統計圖

通過比對尾礦庫安全處于高危險等級的可能頻次可知：在氣象條件一致的情況下，宏發尾礦庫、六合尾礦庫和佳正尾礦庫的安全風險較高，需要引起注意。

同時，針對重點尾礦庫，以六合尾礦庫為示范，根據《DZ/T 0220-2006泥石流災害防治工程勘察規范》中的經驗公式，并結合遙感提取的敏感點分布及尾礦庫上下游下墊面信息，對尾礦庫發生泄漏后的污染物流向、洪峰流量達到時間等進行了計算分析(如圖5)，對尾礦庫突發環境事件的預警和應急響應等應急和風險管理工作具有指導作用。

表3 示范區尾礦庫基本信息

表4 研究區域2013年降雨量(單位：毫米)

圖5 六合尾礦庫事故后污染物流向和各敏感點洪峰流量到達時間的預警分析

3 結 論

本文在綜合前人的相關指標體系成果的基礎上，利用遙感補充獲取尾礦庫所在區域宏觀背景指標信息，并以此構建“天地一體化”指標體系支持下的、基于模糊層次分析法的尾礦庫安全預警模型，在廣西開展了初步的試點應用，識別出了重點風險尾礦庫，并對重點尾礦庫事故后的影響范圍和響應時間等進行了預警分析。該技術方法拓展了遙感技術應用、發展了尾礦庫預警的方法，同時相關的試點應用成果可為當地尾礦庫環境應急管理工作提供支持。

但目前該方法也存在一定局限性：一方面，當前的評估指標相對較粗，今后將考慮結合基于雷達的沉降、形變監測技術方法，為尾礦庫安全預警提供更精細、可靠的安全評估指標；另一方面，受限于數據源，目前尾礦庫示范區都集中于同一個地區，其各指標取值差異性不明顯，導致相關結果未能體現出更好的差異性，今后需在更大范圍的尾礦庫案例中開展試驗以進一步檢驗其適用性。

[1]王濤，侯克鵬，郭振世，等.層次分析法(AHP)在尾礦庫安全運行分析中的應用[J].巖土力學，2008，29(增刊)：680-687.

[2]田文旗，謝旭陽.我國尾礦庫現狀及安全對策的建議[J].中國礦山工程，2009，38(6)：42-49.

[3]張力軍.張力軍在全國尾礦庫環境應急管理工作現場會上強調扎實推進尾礦庫環境應急管理[R].2011，中國環境報.http：//www.cenews.com.cn/xwzx/zhxw/ybyw/201010/t20101018-665175.html.

[4]洪振川.尾礦庫安全監測預警系統在南山礦尾礦庫的應用[J].現代礦業，2010，(494)：129-130.

[5]李忠奎.尾礦庫潰壩監測預警系統設計研究[J].有色金屬，2008，60(6)：33-35.

[6]劉峰.讓風險在監測預警中化解——尾礦庫風險分級及監測、預警關鍵技術研究成果解讀.(2011).http：//www.chinasafety.ac.cn/detailnews.aspxnid=4608.

[7]馬文可，魏諾，付勇.基于無線傳感網絡的尾礦庫安全監測預警系統的設計與實現[J].山東科學，2011，24(3)：79-82.

[8]張琳，李英芹.基于GNSS技術的尾礦庫在線安全監測預警系統[J].電氣技術，2011，(5)：42-44.

[9]Salgueiro A R，Pereira H G，Rico M T，et al.Application of correspondence analysis in the assessment of mine tailings dam breakage risk in the Mediterranean region[J].Risk Analysis，2008，28(1)：13-23.

[10]王炳文，張磊，趙彥昌，等.基于FLAC3D的尾礦庫地震穩定性分析[J].金屬礦山，2011，(406)：159-162.

[11]肖慧，盛建龍，姚堯.基于GEO-SLOPE的某尾礦庫穩定性分析[J].現代礦業，2010，(495)：67-69.

[12]殷鳳霞，黃德鏞.FLAC軟件在尾礦庫穩定性分析中的應用[J].內江師范學院學報，2008，23(8)：66-69.

[13]朱澤勛，吳莉.基于SLIDE的某尾礦庫邊坡穩定性分析[J].采礦技術，11(6)：49-50.

[14]李明，胡乃聯，于芳，等.Matlab/Simulink建模技術在尾礦庫安全預警中的應用研究[J].金屬礦山，2005，(增刊)：252-255.

[15]王世鵬.基于BP人工神經網絡的尾礦庫壩體穩定性預測研究[C].國際安全科學與技術學會研討會(沈陽，2010)論文集，2010，794-798.

[16]王姝，柴建設.基于社會科學統計程序(SPSS)回歸性分析的尾礦庫事故預測模型[J].中國安全科學學報，2008，18(12)：34-60.

[17]王姝.基于回歸性分析的尾礦庫事故預測模型研究[D].首都經濟貿易大學碩士學位論文，2009.

[18]謝旭陽，江田漢，王云海，等.基于支持向量機的尾礦庫災害區域預警[J].中國安全生產科學技術，2008，4(4)：17-21.

[19]謝旭陽，王云海，張興凱，等.尾礦庫區域預警指標體系的建立[J].中國安全科學學報，2008，18(5)：167-171.

[20]楊永生.尾礦庫水情預警預報系統[J].礦業快報，2004，(445)：24-26.

[21]尹君，王玉杰，呂林，等.基于模糊層次和集對分析的尾礦庫安全評價及預測[J].金屬礦山，2010，(412)：159-161.

[22]劉劍鋒，張可慧，馬文才.基于高分一號衛星遙感影像的礦區生態安全評價研究——以井陘礦區為例[J].地理與地理信息科學，2015，31(5)：121-126.

[23]肖如林，呂杰，付卓，等.張家口市尾礦庫環境風險遙感監測應用研究[J].遙感技術與應用，2014，29(1)：100-105.

[24]吳立新，高均海，葛大慶，等.基于D-InSAR的煤礦區開采沉陷遙感監測技術分析[J].地理與地理信息科學，2004，20(2)：22-25.

[25]羅文敏，陸笑笑.淺析高分辨率遙感影像在地質災害調查中的作用[J].環境與可持續發展，2016，(6)：138-139.

[26]Saaty T L.The analytic hierarchy process[M].New York：Mc Graw-Hill，1980.

[27]陳守煜.工程模糊集理論與應用[M].北京：國防工業出版社，1998.

ResearchontheSafetyEarlyWarningSystemofTailingsPondBasedonSpace-groundIntegration

XIAO Rulin LIU Huiming FU Zhuo LIU Sihan YANG Min CAI Mingyon

(Satellite Environmental Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100094)

In recent years，tailings pond accidents occurred frequently，which seriously harm the surrounding environment，so that tailings pond emergency management is facing a grim situation. Safety early warning of tailing pond can provide important decision support information for the emergency management of tailings pond. Therefore，on the basis of previous studies and the application of remote sensing technology，this paper establishes a more scientific and practical safety early warning index system and combines the index system with Fuzzy Analytic Hierarchy Process to build a safety warning method of tailings pond. In the end，we test the safety warning method on the sample tailings ponds in Hechi City. The result shows that the method is helpful to grasp the safety situation in time，to prevent the occurrence of accidents，to reduce the risk level and to provide important decision support for emergency management work like classification and risk control of tailings pond. The method not only extent the application of RS，but also develops the method of early warning of tailings pond.

tailings pond；safety；environment；safety early warning；remote sensing；Space-ground integration；Fuzzy Analytic Hierarchy Process

項目資助：環保標準制修訂項目(2013-94)；環境遙感技術研究基金資助項目(WHJJ2016-005)

肖如林，博士，研究方向為生態環境保護監管、環境應急3S技術研究與應用

劉思含，高級工程師，博士，研究方向為環境遙感監測與應用

文獻格式：肖如林 等.基于“天地一體化”指標的尾礦庫安全預警技術研究[J].環境與可持續發展，2017，42(6)：117-121.

X21

A

1673-288X(2017)06-0117-05