(環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

基于“天地一體化”指標(biāo)的尾礦庫安全預(yù)警技術(shù)研究

肖如林劉慧明付卓劉思含楊旻蔡明勇聞瑞紅

(環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

尾礦庫是一項巨大的環(huán)境風(fēng)險源，一旦發(fā)生事故，會給周邊環(huán)境帶來嚴(yán)重危害，因而成為環(huán)境監(jiān)管的重點。近年來，尾礦庫事故頻發(fā)，嚴(yán)重危害周邊環(huán)境安全，使得尾礦庫環(huán)境應(yīng)急管理工作面臨嚴(yán)峻形勢。尾礦庫安全預(yù)警可為尾礦庫自身安全及周邊環(huán)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(guān)研究成果，在充分利用現(xiàn)有以地面調(diào)查指標(biāo)為主的指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，利用遙感補充獲取尾礦庫所在區(qū)域宏觀背景指標(biāo)信息，以此構(gòu)建基于“天地一體化”指標(biāo)和模糊層次分析法的尾礦庫安全預(yù)警技術(shù)方法；并在廣西河池市為例，開展該方法的試點應(yīng)用，對試點尾礦庫的安全風(fēng)險進(jìn)行評估和識別，針對其中的重點風(fēng)險尾礦庫進(jìn)行了事故后的影響范圍和響應(yīng)時間的預(yù)警分析。相關(guān)的技術(shù)方法拓展了遙感技術(shù)應(yīng)用，發(fā)展了尾礦庫預(yù)警的方法，同時相關(guān)的試點應(yīng)用成果可為當(dāng)?shù)匚驳V庫環(huán)境應(yīng)急管理工作提供支持。

尾礦庫；安全；環(huán)境；預(yù)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(yè)進(jìn)行礦石選別后排出的尾礦或其他工業(yè)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(dāng)前尾礦庫安全基礎(chǔ)薄弱，導(dǎo)致尾礦庫突發(fā)環(huán)境事件頻發(fā)，尾礦庫環(huán)境應(yīng)急管理工作形勢嚴(yán)峻[3]。開展尾礦庫安全預(yù)警技術(shù)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(fā)生，有效降低尾礦庫風(fēng)險水平；另一方面可為尾礦庫分級分類管理、尾礦庫風(fēng)險的聯(lián)防聯(lián)控等尾礦庫應(yīng)急管理工作提供重要決策支持。

尾礦庫事故的發(fā)生一般會有各種先兆，而且其發(fā)生和發(fā)展會有一定的時空規(guī)律，這就為預(yù)警提供了可能性。目前尾礦庫安全預(yù)警主要圍繞尾礦庫壩體的穩(wěn)定性和安全度進(jìn)行預(yù)測預(yù)警，主要集中于以下三個方面：一是通過各種在線監(jiān)控設(shè)備[4-8]從微觀上監(jiān)測尾礦庫的各種指數(shù)，并基于各指數(shù)狀況和變化規(guī)律來進(jìn)行尾礦庫壩體安全預(yù)測預(yù)警。二是利用各種物理模擬模型[9-13]，從動力學(xué)的角度對尾礦壩的安全系數(shù)進(jìn)行分析與模擬預(yù)測。三是基于各種數(shù)學(xué)或邏輯歸納演繹模型[14-21]，進(jìn)行尾礦庫潰壩預(yù)測預(yù)警。然而這些預(yù)測預(yù)警的評估分析模型大多是以地面調(diào)查或監(jiān)測的指標(biāo)體系為主，存在以下兩方面的問題：一方面，指標(biāo)選取偏局部微觀，缺乏區(qū)域宏觀背景指標(biāo)信息的支持。目前多是尾礦庫自身相關(guān)的微觀指標(biāo)(比如某些離散點位上的壩體位移、浸潤線的觀測等)，在區(qū)域宏觀背景方面的指標(biāo)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(zhì)災(zāi)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(diào)查或監(jiān)測難以精確的獲取或表達(dá)這類信息；另一方面地面調(diào)查或監(jiān)測存在代價高、相對粗略、易有盲區(qū)等問題：(1)尾礦庫常處于條件惡劣、交通不便地區(qū)，造成實地調(diào)查監(jiān)測的代價比較大；(2)很多指標(biāo)信息調(diào)查獲取得相對粗略(比如涉及到面積、距離等信息，調(diào)查一般是通過問詢或目視估計來確定，并不會進(jìn)行實地測量，這就容易造成很大的誤差)；(3)尾礦庫通常規(guī)模大，區(qū)域地勢起伏、視野有限，易形成盲區(qū)，一些隱蔽處的風(fēng)險隱患不容易被地面調(diào)查時發(fā)現(xiàn)。

遙感在獲取區(qū)域宏觀信息，監(jiān)測微觀形變、各種風(fēng)險隱患等方面具有較好的應(yīng)用[22-25]，可以為尾礦庫安全預(yù)警提供有力技術(shù)支撐。針對以上問題，本文從尾礦庫事故發(fā)生的孕災(zāi)、致災(zāi)等事故發(fā)生的災(zāi)害系統(tǒng)論視角，綜合前人已有的相關(guān)研究成果，在充分利用現(xiàn)有的以地面調(diào)查指標(biāo)為主的指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，利用遙感補充獲取尾礦庫所在區(qū)域宏觀背景指標(biāo)信息，構(gòu)建宏觀與微觀相結(jié)合的、“天地一體化”指標(biāo)支持下的尾礦庫安全預(yù)警技術(shù)方法。

1 尾礦庫安全預(yù)警技術(shù)方法

首先，通過風(fēng)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(guān)研究成果，吸收其中主流評價指標(biāo)或已有的綜合評價結(jié)果指標(biāo)(比如尾礦庫安全等級指標(biāo)，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(qū)域的宏觀背景指標(biāo)信息，形成微觀和宏觀兼具的、“天地一體化”的指標(biāo)體系，然后利用模糊層次分析法，建立相應(yīng)的尾礦庫安全預(yù)警方法，對尾礦庫的安全進(jìn)行預(yù)警。針對其中重點尾礦庫，利用泥石流災(zāi)害相關(guān)分析模型，對該尾礦庫事故后的響應(yīng)時間等事故影響進(jìn)行分析和預(yù)警。遙感在其中，可為預(yù)警評估指標(biāo)信息獲取、事故后的影響預(yù)警分析中的相關(guān)參數(shù)提供基礎(chǔ)信息。

圖1 尾礦庫安全預(yù)警技術(shù)路線

1.1 指標(biāo)體系

尾礦庫安全預(yù)警指標(biāo)體系如圖2所示。該指標(biāo)體系不僅考慮了影響尾礦庫自身安全的一些局部指標(biāo)和地面調(diào)查評估指標(biāo)[19]，還從宏觀的時空背景環(huán)境下考慮了導(dǎo)致尾礦庫事故發(fā)生的有關(guān)地質(zhì)條件(地形坡度、地質(zhì)構(gòu)造及條件)、氣象條件(降雨量)、上游水文條件(匯水區(qū)面積/尾礦庫面積、下墊面類型、匯水區(qū)坡度)、人為因素等多個宏觀指標(biāo)，并綜合利用遙感和GIS技術(shù)手段對這些指標(biāo)進(jìn)行獲取。如圖3的示例為利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)提取尾礦庫邊界范圍和壩體位置信息之后，再基于地形數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的ModelBuilder構(gòu)建工作流模型，實現(xiàn)對尾礦庫上游匯水區(qū)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(yù)警指標(biāo)體系

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

1.2 指標(biāo)分級

指標(biāo)確定后，需要對各指標(biāo)進(jìn)行分級評分。本模型中將尾礦庫安全預(yù)警等級確定為3級，I級為事故發(fā)生可能性非常大、Ⅱ級為事故發(fā)生可能性較大、Ⅲ級為事故發(fā)生可能性較??；并相應(yīng)的將尾礦庫安全預(yù)警指標(biāo)體系中的各指標(biāo)進(jìn)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(yù)警體系指標(biāo)等級及指標(biāo)取值范圍

1.3 指標(biāo)權(quán)重

不同的指標(biāo)具有不同的影響力，通常通過權(quán)重來加以設(shè)置。本模型中，各指標(biāo)的權(quán)重是通過多名專家對層次化結(jié)構(gòu)[26]的指標(biāo)體系中的各指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)重，然后綜合所有專家對同一個指標(biāo)的權(quán)重求算數(shù)平均，作為該指標(biāo)最終的權(quán)重值。本模型中，各指標(biāo)的具體取值如表2所示。

表2 指標(biāo)權(quán)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(yù)警等級這一模糊概念進(jìn)行評估分析和識別。不同于傳統(tǒng)的綜合加權(quán)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(tài)(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(jié)果相對更加科學(xué)、柔性。其計算過程大致為：(1)列出指標(biāo)特征向量和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣；(2)計算指標(biāo)相對隸屬度矩陣和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)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(yù)警等級特征值。

2 尾礦庫預(yù)警技術(shù)應(yīng)用示范

2.1 示范區(qū)概況

示范區(qū)選在廣西壯族自治區(qū)河池市。該地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)已形成相當(dāng)?shù)囊?guī)模，開發(fā)利用的礦種達(dá)36種，有色金屬錫、銻、鋅、銦等礦產(chǎn)品在全國具有重要的地位，尾礦庫較多；地形多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖溶廣布，地質(zhì)條件豐富；全地區(qū)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(zāi)區(qū)。試點的尾礦庫為該區(qū)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(jié)果分析

在實際應(yīng)用過程中，考慮到尾礦庫自身安全、地質(zhì)條件、人為因素、上游水文條件等因素相對較為穩(wěn)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(jù)此進(jìn)行預(yù)警分析。

根據(jù)河池地區(qū)降雨的年際變化特征，特選取了5個典型日期的降雨數(shù)據(jù)(表4)，開展了5組安全預(yù)警分析試驗，并統(tǒng)計出每個尾礦庫在5組不同降雨條件下的出現(xiàn)較高預(yù)警等級(I、II級)的次數(shù)，以此對比分析尾礦庫安全風(fēng)險的相對狀況。具體結(jié)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(tǒng)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(fā)尾礦庫、六合尾礦庫和佳正尾礦庫的安全風(fēng)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(jù)《DZ/T 0220-2006泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》中的經(jīng)驗公式，并結(jié)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(fā)生泄漏后的污染物流向、洪峰流量達(dá)到時間等進(jìn)行了計算分析(如圖5)，對尾礦庫突發(fā)環(huán)境事件的預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)等應(yīng)急和風(fēng)險管理工作具有指導(dǎo)作用。

表3 示范區(qū)尾礦庫基本信息

表4 研究區(qū)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(dá)時間的預(yù)警分析

3 結(jié) 論

本文在綜合前人的相關(guān)指標(biāo)體系成果的基礎(chǔ)上，利用遙感補充獲取尾礦庫所在區(qū)域宏觀背景指標(biāo)信息，并以此構(gòu)建“天地一體化”指標(biāo)體系支持下的、基于模糊層次分析法的尾礦庫安全預(yù)警模型，在廣西開展了初步的試點應(yīng)用，識別出了重點風(fēng)險尾礦庫，并對重點尾礦庫事故后的影響范圍和響應(yīng)時間等進(jìn)行了預(yù)警分析。該技術(shù)方法拓展了遙感技術(shù)應(yīng)用、發(fā)展了尾礦庫預(yù)警的方法，同時相關(guān)的試點應(yīng)用成果可為當(dāng)?shù)匚驳V庫環(huán)境應(yīng)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(dāng)前的評估指標(biāo)相對較粗，今后將考慮結(jié)合基于雷達(dá)的沉降、形變監(jiān)測技術(shù)方法，為尾礦庫安全預(yù)警提供更精細(xì)、可靠的安全評估指標(biāo)；另一方面，受限于數(shù)據(jù)源，目前尾礦庫示范區(qū)都集中于同一個地區(qū)，其各指標(biāo)取值差異性不明顯，導(dǎo)致相關(guān)結(jié)果未能體現(xiàn)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(jìn)一步檢驗其適用性。

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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(huán)保標(biāo)準(zhǔn)制修訂項目(2013-94)；環(huán)境遙感技術(shù)研究基金資助項目(WHJJ2016-005)

肖如林，博士，研究方向為生態(tài)環(huán)境保護(hù)監(jiān)管、環(huán)境應(yīng)急3S技術(shù)研究與應(yīng)用

劉思含，高級工程師，博士，研究方向為環(huán)境遙感監(jiān)測與應(yīng)用

文獻(xiàn)格式：肖如林 等.基于“天地一體化”指標(biāo)的尾礦庫安全預(yù)警技術(shù)研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(6)：117-121.

X21

A

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