基于投影尋蹤動(dòng)態(tài)聚類(lèi)模型尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)的研究

段沛霞

(北京國(guó)環(huán)建邦環(huán)?？萍加邢薰?，北京 100101)

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基于投影尋蹤動(dòng)態(tài)聚類(lèi)模型尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)的研究

段沛霞

(北京國(guó)環(huán)建邦環(huán)?？萍加邢薰?，北京 100101)

摘要：針對(duì)尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作、實(shí)際管理工作中的重要性，應(yīng)用投影尋蹤動(dòng)態(tài)聚類(lèi)模型與尾礦庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實(shí)例，進(jìn)行定量分析。依照投影特征值進(jìn)行等級(jí)判定，根據(jù)最佳投影方向確定不同指標(biāo)因子對(duì)尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)的影響程度。研究結(jié)果表明，該方法不僅能給出尾礦庫(kù)運(yùn)行期的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)，而且對(duì)于尾礦庫(kù)的普查管理能提供便捷方式，為尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了一種新方法。

關(guān)鍵詞：尾礦庫(kù)；風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系；投影尋蹤；動(dòng)態(tài)聚類(lèi)

1研究背景

到目前為止，我國(guó)已成為世界礦業(yè)大國(guó)，而尾礦庫(kù)是金屬、非金屬礦山的基礎(chǔ)設(shè)施之一[1]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)已有尾礦庫(kù)數(shù)量約12600多座，其中危庫(kù)、險(xiǎn)庫(kù)、病庫(kù)所占比例達(dá)40%左右[2]。2005—2011年，全國(guó)尾礦庫(kù)共發(fā)生事故或環(huán)境安全事件70起，死亡和失蹤353人[3]。尾礦庫(kù)潰壩除造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失外，對(duì)環(huán)境的影響也是巨大的。所以，在采掘類(lèi)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是非常重要的工作內(nèi)容之一。

尾礦庫(kù)是具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，尾礦庫(kù)潰壩事故是其危害性最嚴(yán)重的事故。尾礦中一般含有大量有毒有害物質(zhì)，一旦發(fā)生潰壩事故，在造成重大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，伴生、次生泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)直接破壞生態(tài)環(huán)境[4-7]。尾砂中的重金屬直接污染土壤、影響該區(qū)域內(nèi)的植被；尾砂中的有害物質(zhì)將通過(guò)地表徑流進(jìn)入地表水體或通過(guò)滲漏到地下水，使區(qū)域地表水和地下水環(huán)境受到重金屬、懸浮物等物質(zhì)的污染，并導(dǎo)致水土流失[8-10]。為了減少尾礦庫(kù)潰壩帶來(lái)的環(huán)境影響及對(duì)群眾生命、財(cái)產(chǎn)造成的損失，近年來(lái)，李全明、王晉淼、彭康等[11-13]對(duì)于運(yùn)行期尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型開(kāi)展了研究工作。為了便于環(huán)境管理部門(mén)、安全管理部門(mén)對(duì)運(yùn)行期的尾礦庫(kù)的管理與普查工作的開(kāi)展，本文將投影尋蹤動(dòng)態(tài)聚類(lèi)模型引入到尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中。

2尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)對(duì)尾礦庫(kù)潰壩的主要因素、潰壩模式和潰壩路徑的分析和研究，對(duì)與尾礦庫(kù)安全有關(guān)的參數(shù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行歸類(lèi)，初步建立尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[11]，如圖1所示。指標(biāo)共分為5個(gè)大類(lèi)，包括漫頂潰決、失穩(wěn)潰決、滲流破壞、結(jié)果破壞和管理因素。這5大類(lèi)指標(biāo)共包括16個(gè)子指標(biāo)。

3尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)大量的尾礦庫(kù)潰壩事故案例及尾礦壩工程力學(xué)特性的分析，并利用國(guó)內(nèi)尾礦庫(kù)專(zhuān)家系統(tǒng)、結(jié)合工程使用中的可操作性，將尾礦壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)分成4個(gè)級(jí)別[11]，各指標(biāo)的分級(jí)結(jié)果如表1所示。

其中，將A級(jí)定義為評(píng)價(jià)的尾礦庫(kù)可繼續(xù)安全運(yùn)行；B級(jí)定義為評(píng)價(jià)的尾礦庫(kù)帶有缺陷運(yùn)行；C級(jí)定義為評(píng)價(jià)的尾礦庫(kù)存在嚴(yán)重缺陷，必須交由安全監(jiān)督機(jī)構(gòu)在限定期限內(nèi)進(jìn)行治理，并對(duì)運(yùn)行進(jìn)行密切監(jiān)視；D級(jí)定義為評(píng)價(jià)的尾礦庫(kù)將無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行，由安全監(jiān)督機(jī)構(gòu)下令停止使用，治理合格后方可再次投入運(yùn)行[14]。

4投影尋蹤動(dòng)態(tài)聚類(lèi)模型

表1　尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)判指標(biāo)A級(jí)B級(jí)C級(jí)D級(jí)防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)/(年一遇)>500100～50050～100<50排洪設(shè)施能力系數(shù)>0.750.50～0.750.25～0.50<0.25灘頂與庫(kù)水位高差/m>1.51.0～1.50.5～1.0<0.5平均粒徑/mm>0.500.20～0.500.05～0.20<0.05下游坡比(1∶n)>5.03.0～5.01.0～3.0<1.0現(xiàn)狀壩高/m>2020～5050～80<80地震烈度/(°)>8.06.5～8.05.0～6.5<5.0堆積容重/(t/m3)>2.01.7～2.01.4～1.7<1.4浸潤(rùn)線高度/m>8.06.0～8.05.0～6.0<5.0橫向裂隙衡量系數(shù)>0.750.50～0.750.25～0.50<0.25縱向裂隙衡量系數(shù)>0.750.50～0.750.25～0.50<0.25水平裂隙衡量系數(shù)>0.750.50～0.750.25～0.50<0.25排洪設(shè)備完好系數(shù)>0.750.50～0.750.25～0.50<0.25日常管理衡量系數(shù)>0.750.50～0.750.25～0.50<0.25事故應(yīng)急衡量系數(shù)>0.750.50～0.750.25～0.50<0.25監(jiān)測(cè)設(shè)備完備系數(shù)>0.750.50～0.750.25～0.50<0.25

(1)預(yù)處理：由于各因素?cái)?shù)值范圍可能相差較大，為了消除極端異常值對(duì)聚類(lèi)結(jié)果造成的影響，找出滿足下式的樣本個(gè)體，并將其從樣本集中加以剔除。

(1)

另外，為了滿足尺度不變性，采用下式對(duì)剔除后的評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行極差歸一化處理：

(2)

(3)

(3)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)：對(duì)于任一投影方向，基于某一聚類(lèi)準(zhǔn)則的樣本分類(lèi)結(jié)果是確定的，記整個(gè)樣本的投影特征值序列組成的集合為Ω={z1,z2···,zn}，要將他們分成k類(lèi)，采用動(dòng)態(tài)聚類(lèi)法[16]，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(4)

(5)

上述優(yōu)化問(wèn)題可應(yīng)用免疫進(jìn)化算法[17]解決。

5實(shí)例應(yīng)用

根據(jù)李全明[11]、彭康[13]、王鐵軍[14]等人的研究，得到了庫(kù)1、2、3的指標(biāo)參數(shù)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，按照表1尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在各分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)任意生成了7個(gè)樣本參數(shù)用于本文的評(píng)價(jià)模型。依據(jù)該模型建立，其中n=10,m=16,p=4(既將樣本聚類(lèi)為4類(lèi))。各樣本的評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)及評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　各樣本評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)及評(píng)價(jià)結(jié)果

6結(jié)論

通過(guò)實(shí)例計(jì)算，投影尋蹤動(dòng)態(tài)聚類(lèi)模型應(yīng)用于尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是成功的，為此方向的研究提供了一種新方法。且整個(gè)計(jì)算過(guò)程無(wú)人為干擾，無(wú)需人為賦予權(quán)重，計(jì)算結(jié)果更客觀、明了。此方法對(duì)于環(huán)境保護(hù)部門(mén)、安全管理部門(mén)鑒定尾礦庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)提供了一種較為可靠的方法，為今后尾礦庫(kù)的普查工作提供了一種便捷方法。

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Research on Tailings Dam Risk based on Projection Pursuit Dynamic Cluster Model

DUAN Pei-xia

(Beijing Guohuan Jianbang Environmental Science and Technology CO., LTD, Beijing 100101 ,China)

Abstract：In view of the importance of tailings dam risk assessment in the needs of environmental impact assessment and practical management, the projection pursuit dynamic cluster model and the tailings risk evaluation standard were combined to conduct the quantitative analysis according to the projection characteristic value of the degrees and the optimal projection direction to determine the influence of different indicators of risk factors on the tailings dam in real examples. Research results showed that the method could not only give the risk evaluation in the operation time period, but also provide a convenient way of general survey and management for tailings, which could be a new method to evaluate the dam risk as well.

Key words：tailings; risk index system; projection pursuit; dynamic clustering

中圖分類(lèi)號(hào)：X820.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-9655(2016)01-0082-04

作者簡(jiǎn)介：段沛霞(1984-)，女，碩士研究生，工程師，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。

收稿日期：2015-06-23