(环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094)

基于“天地一体化”指标的尾矿库安全预警技术研究

肖如林刘慧明付卓刘思含杨旻蔡明勇闻瑞红

(环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094)

尾矿库是一项巨大的环境风险源，一旦发生事故，会给周边环境带来严重危害，因而成为环境监管的重点。近年来，尾矿库事故频发，严重危害周边环境安全，使得尾矿库环境应急管理工作面临严峻形势。尾矿库安全预警可为尾矿库自身安全及周边环境安全管控等提供重要决策支持。为此，文章综合前人已有的相关研究成果，在充分利用现有以地面调查指标为主的指标体系的基础上，利用遥感补充获取尾矿库所在区域宏观背景指标信息，以此构建基于“天地一体化”指标和模糊层次分析法的尾矿库安全预警技术方法；并在广西河池市为例，开展该方法的试点应用，对试点尾矿库的安全风险进行评估和识别，针对其中的重点风险尾矿库进行了事故后的影响范围和响应时间的预警分析。相关的技术方法拓展了遥感技术应用，发展了尾矿库预警的方法，同时相关的试点应用成果可为当地尾矿库环境应急管理工作提供支持。

尾矿库；安全；环境；预警；遥感；“天地一体化”；模糊层次分析法

尾矿库通常是指在山谷口或平缓地形的周围筑坝，用来堆存金属和非金属等矿山企业进行矿石选别后排出的尾矿或其他工业废渣的贮存场所[1]。我国是尾矿库大国，有尾矿库12655座，其中有4910座危库、险库和病库，占38.8%[2]。然而当前尾矿库安全基础薄弱，导致尾矿库突发环境事件频发，尾矿库环境应急管理工作形势严峻[3]。开展尾矿库安全预警技术研究，一方面有助于及时掌握尾矿库安全状况，防范尾矿库事故的发生，有效降低尾矿库风险水平；另一方面可为尾矿库分级分类管理、尾矿库风险的联防联控等尾矿库应急管理工作提供重要决策支持。

尾矿库事故的发生一般会有各种先兆，而且其发生和发展会有一定的时空规律，这就为预警提供了可能性。目前尾矿库安全预警主要围绕尾矿库坝体的稳定性和安全度进行预测预警，主要集中于以下三个方面：一是通过各种在线监控设备[4-8]从微观上监测尾矿库的各种指数，并基于各指数状况和变化规律来进行尾矿库坝体安全预测预警。二是利用各种物理模拟模型[9-13]，从动力学的角度对尾矿坝的安全系数进行分析与模拟预测。三是基于各种数学或逻辑归纳演绎模型[14-21]，进行尾矿库溃坝预测预警。然而这些预测预警的评估分析模型大多是以地面调查或监测的指标体系为主，存在以下两方面的问题：一方面，指标选取偏局部微观，缺乏区域宏观背景指标信息的支持。目前多是尾矿库自身相关的微观指标(比如某些离散点位上的坝体位移、浸润线的观测等)，在区域宏观背景方面的指标考虑不足。通常尾矿库周边的地形、植被覆盖、气象水文、人类活动以及地质灾害等情况对尾矿库安全有较大影响，而且地面的离散点位上的调查或监测难以精确的获取或表达这类信息；另一方面地面调查或监测存在代价高、相对粗略、易有盲区等问题：(1)尾矿库常处于条件恶劣、交通不便地区，造成实地调查监测的代价比较大；(2)很多指标信息调查获取得相对粗略(比如涉及到面积、距离等信息，调查一般是通过问询或目视估计来确定，并不会进行实地测量，这就容易造成很大的误差)；(3)尾矿库通常规模大，区域地势起伏、视野有限，易形成盲区，一些隐蔽处的风险隐患不容易被地面调查时发现。

遥感在获取区域宏观信息，监测微观形变、各种风险隐患等方面具有较好的应用[22-25]，可以为尾矿库安全预警提供有力技术支撑。针对以上问题，本文从尾矿库事故发生的孕灾、致灾等事故发生的灾害系统论视角，综合前人已有的相关研究成果，在充分利用现有的以地面调查指标为主的指标体系的基础上，利用遥感补充获取尾矿库所在区域宏观背景指标信息，构建宏观与微观相结合的、“天地一体化”指标支持下的尾矿库安全预警技术方法。

1 尾矿库安全预警技术方法

首先，通过风险因素分析识别可能影响尾矿库安全的各方面因素，并综合前人的相关研究成果，吸收其中主流评价指标或已有的综合评价结果指标(比如尾矿库安全等级指标，通常是每隔一定时间定期更新)，再利用遥感，补充获取尾矿库周边区域的宏观背景指标信息，形成微观和宏观兼具的、“天地一体化”的指标体系，然后利用模糊层次分析法，建立相应的尾矿库安全预警方法，对尾矿库的安全进行预警。针对其中重点尾矿库，利用泥石流灾害相关分析模型，对该尾矿库事故后的响应时间等事故影响进行分析和预警。遥感在其中，可为预警评估指标信息获取、事故后的影响预警分析中的相关参数提供基础信息。

图1 尾矿库安全预警技术路线

1.1 指标体系

尾矿库安全预警指标体系如图2所示。该指标体系不仅考虑了影响尾矿库自身安全的一些局部指标和地面调查评估指标[19]，还从宏观的时空背景环境下考虑了导致尾矿库事故发生的有关地质条件(地形坡度、地质构造及条件)、气象条件(降雨量)、上游水文条件(汇水区面积/尾矿库面积、下垫面类型、汇水区坡度)、人为因素等多个宏观指标，并综合利用遥感和GIS技术手段对这些指标进行获取。如图3的示例为利用高分辨率遥感数据提取尾矿库边界范围和坝体位置信息之后，再基于地形数据，利用ArcGIS的ModelBuilder构建工作流模型，实现对尾矿库上游汇水区范围以及事故后污染物流向信息的自动化提取。

图2 尾矿库安全预警指标体系

图3 基于遥感和GIS工作流模型的尾矿库上游汇水区范围和尾矿库泄漏后污染物流向信息提取

1.2 指标分级

指标确定后，需要对各指标进行分级评分。本模型中将尾矿库安全预警等级确定为3级，I级为事故发生可能性非常大、Ⅱ级为事故发生可能性较大、Ⅲ级为事故发生可能性较小；并相应的将尾矿库安全预警指标体系中的各指标进行分级，其具体的分级情况如表1所示[19]。

表1 尾矿库安全预警体系指标等级及指标取值范围

1.3 指标权重

不同的指标具有不同的影响力，通常通过权重来加以设置。本模型中，各指标的权重是通过多名专家对层次化结构[26]的指标体系中的各指标进行赋权重，然后综合所有专家对同一个指标的权重求算数平均，作为该指标最终的权重值。本模型中，各指标的具体取值如表2所示。

表2 指标权重

1.4 评价模型

本方法中利用基于模糊模式识别理论的模糊层次分析法对尾矿库安全预警等级这一模糊概念进行评估分析和识别。不同于传统的综合加权求和的层次分析评估模型，模糊模式识别[27]的是已知若干个模式，识别与计算研究对象属于各个模式的相对隶属度，计算相对状态(或级别)特征值，以此识别判断研究对象属于哪一个模式。其计算结果相对更加科学、柔性。其计算过程大致为：(1)列出指标特征向量和指标标准特征值矩阵；(2)计算指标相对隶属度矩阵和指标标准特征值相对隶属度矩阵；(3)利用模糊识别模型计算尾矿库安全预警等级特征值。

2 尾矿库预警技术应用示范

2.1 示范区概况

示范区选在广西壮族自治区河池市。该地区矿产资源开发已形成相当的规模，开发利用的矿种达36种，有色金属锡、锑、锌、铟等矿产品在全国具有重要的地位，尾矿库较多；地形多样，结构复杂，岩溶广布，地质条件丰富；全地区年平均降雨量一般在1200～1600毫米之间，多的地方超过2500毫米，最少的地方也在1000毫米以上，河流广布，属于洪涝(气象)易灾区。试点的尾矿库为该区域6个典型尾矿库，其基本信息量化后如表3所示。

2.2 试验及结果分析

在实际应用过程中，考虑到尾矿库自身安全、地质条件、人为因素、上游水文条件等因素相对较为稳定，因此，本试验主要研究不同的气象条件(降雨)情况下，尾矿库相对的安全程度，并据此进行预警分析。

根据河池地区降雨的年际变化特征，特选取了5个典型日期的降雨数据(表4)，开展了5组安全预警分析试验，并统计出每个尾矿库在5组不同降雨条件下的出现较高预警等级(I、II级)的次数，以此对比分析尾矿库安全风险的相对状况。具体结果如图4所示。

图4 各尾矿库安全处于高危险等级的频次统计图

通过比对尾矿库安全处于高危险等级的可能频次可知：在气象条件一致的情况下，宏发尾矿库、六合尾矿库和佳正尾矿库的安全风险较高，需要引起注意。

同时，针对重点尾矿库，以六合尾矿库为示范，根据《DZ/T 0220-2006泥石流灾害防治工程勘察规范》中的经验公式，并结合遥感提取的敏感点分布及尾矿库上下游下垫面信息，对尾矿库发生泄漏后的污染物流向、洪峰流量达到时间等进行了计算分析(如图5)，对尾矿库突发环境事件的预警和应急响应等应急和风险管理工作具有指导作用。

表3 示范区尾矿库基本信息

表4 研究区域2013年降雨量(单位：毫米)

图5 六合尾矿库事故后污染物流向和各敏感点洪峰流量到达时间的预警分析

3 结 论

本文在综合前人的相关指标体系成果的基础上，利用遥感补充获取尾矿库所在区域宏观背景指标信息，并以此构建“天地一体化”指标体系支持下的、基于模糊层次分析法的尾矿库安全预警模型，在广西开展了初步的试点应用，识别出了重点风险尾矿库，并对重点尾矿库事故后的影响范围和响应时间等进行了预警分析。该技术方法拓展了遥感技术应用、发展了尾矿库预警的方法，同时相关的试点应用成果可为当地尾矿库环境应急管理工作提供支持。

但目前该方法也存在一定局限性：一方面，当前的评估指标相对较粗，今后将考虑结合基于雷达的沉降、形变监测技术方法，为尾矿库安全预警提供更精细、可靠的安全评估指标；另一方面，受限于数据源，目前尾矿库示范区都集中于同一个地区，其各指标取值差异性不明显，导致相关结果未能体现出更好的差异性，今后需在更大范围的尾矿库案例中开展试验以进一步检验其适用性。

[1]王涛，侯克鹏，郭振世，等.层次分析法(AHP)在尾矿库安全运行分析中的应用[J].岩土力学，2008，29(增刊)：680-687.

[2]田文旗，谢旭阳.我国尾矿库现状及安全对策的建议[J].中国矿山工程，2009，38(6)：42-49.

[3]张力军.张力军在全国尾矿库环境应急管理工作现场会上强调扎实推进尾矿库环境应急管理[R].2011，中国环境报.http：//www.cenews.com.cn/xwzx/zhxw/ybyw/201010/t20101018-665175.html.

[4]洪振川.尾矿库安全监测预警系统在南山矿尾矿库的应用[J].现代矿业，2010，(494)：129-130.

[5]李忠奎.尾矿库溃坝监测预警系统设计研究[J].有色金属，2008，60(6)：33-35.

[6]刘峰.让风险在监测预警中化解——尾矿库风险分级及监测、预警关键技术研究成果解读.(2011).http：//www.chinasafety.ac.cn/detailnews.aspxnid=4608.

[7]马文可，魏诺，付勇.基于无线传感网络的尾矿库安全监测预警系统的设计与实现[J].山东科学，2011，24(3)：79-82.

[8]张琳，李英芹.基于GNSS技术的尾矿库在线安全监测预警系统[J].电气技术，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，张磊，赵彦昌，等.基于FLAC3D的尾矿库地震稳定性分析[J].金属矿山，2011，(406)：159-162.

[11]肖慧，盛建龙，姚尧.基于GEO-SLOPE的某尾矿库稳定性分析[J].现代矿业，2010，(495)：67-69.

[12]殷凤霞，黄德镛.FLAC软件在尾矿库稳定性分析中的应用[J].内江师范学院学报，2008，23(8)：66-69.

[13]朱泽勋，吴莉.基于SLIDE的某尾矿库边坡稳定性分析[J].采矿技术，11(6)：49-50.

[14]李明，胡乃联，于芳，等.Matlab/Simulink建模技术在尾矿库安全预警中的应用研究[J].金属矿山，2005，(增刊)：252-255.

[15]王世鹏.基于BP人工神经网络的尾矿库坝体稳定性预测研究[C].国际安全科学与技术学会研讨会(沈阳，2010)论文集，2010，794-798.

[16]王姝，柴建设.基于社会科学统计程序(SPSS)回归性分析的尾矿库事故预测模型[J].中国安全科学学报，2008，18(12)：34-60.

[17]王姝.基于回归性分析的尾矿库事故预测模型研究[D].首都经济贸易大学硕士学位论文，2009.

[18]谢旭阳，江田汉，王云海，等.基于支持向量机的尾矿库灾害区域预警[J].中国安全生产科学技术，2008，4(4)：17-21.

[19]谢旭阳，王云海，张兴凯，等.尾矿库区域预警指标体系的建立[J].中国安全科学学报，2008，18(5)：167-171.

[20]杨永生.尾矿库水情预警预报系统[J].矿业快报，2004，(445)：24-26.

[21]尹君，王玉杰，吕林，等.基于模糊层次和集对分析的尾矿库安全评价及预测[J].金属矿山，2010，(412)：159-161.

[22]刘剑锋，张可慧，马文才.基于高分一号卫星遥感影像的矿区生态安全评价研究——以井陉矿区为例[J].地理与地理信息科学，2015，31(5)：121-126.

[23]肖如林，吕杰，付卓，等.张家口市尾矿库环境风险遥感监测应用研究[J].遥感技术与应用，2014，29(1)：100-105.

[24]吴立新，高均海，葛大庆，等.基于D-InSAR的煤矿区开采沉陷遥感监测技术分析[J].地理与地理信息科学，2004，20(2)：22-25.

[25]罗文敏，陆笑笑.浅析高分辨率遥感影像在地质灾害调查中的作用[J].环境与可持续发展，2016，(6)：138-139.

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

[27]陈守煜.工程模糊集理论与应用[M].北京：国防工业出版社，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

项目资助：环保标准制修订项目(2013-94)；环境遥感技术研究基金资助项目(WHJJ2016-005)

肖如林，博士，研究方向为生态环境保护监管、环境应急3S技术研究与应用

刘思含，高级工程师，博士，研究方向为环境遥感监测与应用

文献格式：肖如林 等.基于“天地一体化”指标的尾矿库安全预警技术研究[J].环境与可持续发展，2017，42(6)：117-121.

X21

A

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