考慮下游損失的尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

胡建平，王世杰，吳 浩，曾 航，胡少華

(1.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

尾礦庫(kù)是儲(chǔ)存金屬或非金屬礦山在開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的礦渣的場(chǎng)所，屬于高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源[1]。尾礦庫(kù)一旦發(fā)生潰壩，會(huì)對(duì)其周邊及下游區(qū)域產(chǎn)生極大的危害。我國(guó)作為礦業(yè)大國(guó)，擁有的尾礦庫(kù)數(shù)量龐大，潰壩事故損失逐年增加，其安全形勢(shì)比較嚴(yán)峻[2]。對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，可確定其風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)并采取具有針對(duì)性的管控措施，從而降低尾礦庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)。因此，開(kāi)展尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)研究，對(duì)于保證尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行、保障企業(yè)與下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全、保護(hù)下游區(qū)域環(huán)境等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

目前，許多學(xué)者在尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)確定方面開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究，并取得了一定的研究成果。如李全明等[4]分析總結(jié)了尾礦庫(kù)的5類(lèi)潰壩模式和23種可能的潰壩路徑，篩選出16個(gè)尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。王晉淼等[5]整理分析了造成尾礦庫(kù)潰壩的主要因素，建立了涵蓋滲流破壞、壩基失穩(wěn)、洪水漫頂和安全管理4個(gè)方面的尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。謝旭陽(yáng)等[6]從尾礦庫(kù)本身安全、地質(zhì)條件、氣象條件和人為因素4個(gè)方面分析了尾礦庫(kù)災(zāi)害的影響因素，選取了16個(gè)尾礦庫(kù)區(qū)域預(yù)警指標(biāo)。董譯萱等[7]從管理、機(jī)械、物質(zhì)、環(huán)境角度著手，對(duì)潰壩成因進(jìn)行分析，確定了17個(gè)尾礦庫(kù)安全性能指標(biāo)。

綜上，以上研究多是從尾礦庫(kù)的潰壩成因和潰壩機(jī)理出發(fā)，總結(jié)出導(dǎo)致潰壩的風(fēng)險(xiǎn)因素，再根據(jù)系統(tǒng)理論或相關(guān)性分析，提出相對(duì)科學(xué)合理的尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。但是，在開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，若不將尾礦庫(kù)潰壩產(chǎn)生的后果考慮在內(nèi)，很可能會(huì)降低評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。因此，為全面衡量尾礦庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)從潰壩可能性與潰壩后果兩個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)。筆者在分析尾礦庫(kù)潰壩成因的基礎(chǔ)上，考慮了潰壩對(duì)下游區(qū)域可能造成的損失，主要包括生命損失、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境損失，選取了23個(gè)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，建立了考慮下游損失的尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。結(jié)合改進(jìn)層次分析法(AHP)與改進(jìn)熵權(quán)法(EWM)求取權(quán)重，并對(duì)某尾礦庫(kù)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，驗(yàn)證該指標(biāo)體系的系統(tǒng)性與科學(xué)性。

1 尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

1.1 基于潰壩成因的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)初選

從尾礦庫(kù)的潰壩成因出發(fā)，文獻(xiàn)[5]將導(dǎo)致尾礦庫(kù)潰壩的主要原因分為壩基失穩(wěn)、洪水漫頂、滲流破壞和安全管理4個(gè)方面。為全面分析導(dǎo)致尾礦庫(kù)潰壩的主要因素，將上述4種潰壩成因進(jìn)行細(xì)化。根據(jù)系統(tǒng)化原則，利用逆向思維開(kāi)展成因剖析，初步選取了19個(gè)引發(fā)潰壩的基本影響因素，如圖1所示。

圖1 引發(fā)潰壩的基本影響因素

1.2 考慮下游損失的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)選取

尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指尾礦庫(kù)在運(yùn)行期間發(fā)生潰壩的可能性及潰壩可能造成的危害程度[8-9]。上述基于潰壩成因梳理的風(fēng)險(xiǎn)因素僅指發(fā)生潰壩的可能性，為建立完整的潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，需將潰壩后果考慮在內(nèi)。尾礦庫(kù)一旦潰壩，對(duì)下游區(qū)域的危害巨大，故下游區(qū)域作為尾礦庫(kù)潰壩的風(fēng)險(xiǎn)受體，需對(duì)其具體分析并納入潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系當(dāng)中。下游損失涵蓋的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)具體內(nèi)容如表1所示。

表1 下游損失涵蓋的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)內(nèi)容

1.3 潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系建立

根據(jù)尾礦庫(kù)的潰壩成因，總結(jié)歸納出引發(fā)潰壩的主要因素，并考慮了尾礦庫(kù)潰壩導(dǎo)致下游區(qū)域產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)損失，最終選取了23個(gè)影響尾礦庫(kù)安全和反映事故損失的指標(biāo)，構(gòu)建尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，如圖2所示。尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系分為目標(biāo)層(A)、準(zhǔn)則層(B)、指標(biāo)層(C)，其中目標(biāo)層(A)是以尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為目標(biāo)，反映尾礦庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)狀況；準(zhǔn)則層(B)包括自然風(fēng)險(xiǎn)(B1)、固有風(fēng)險(xiǎn)(B2)和管理風(fēng)險(xiǎn)(B3)，代表尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)的主要類(lèi)別；指標(biāo)層(C)涵蓋了23個(gè)由風(fēng)險(xiǎn)因素和風(fēng)險(xiǎn)損失組成的指標(biāo)。

圖2 尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

2 基于改進(jìn)AHP-EWM的模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重確定

(1)基于改進(jìn)層次分析法的主觀賦權(quán)。傳統(tǒng)AHP法使用九分位標(biāo)度法，存在難以準(zhǔn)確賦值、判斷矩陣一致性檢驗(yàn)困難等問(wèn)題，故采用改進(jìn)AHP法確定指標(biāo)主觀權(quán)重。改進(jìn)AHP法是在傳統(tǒng)AHP法的基礎(chǔ)上作出如下改進(jìn)：采用三分位標(biāo)度法(如表2所示)構(gòu)造初始判斷矩陣D=(dij)m×m，dij的取值方法如式(1)所示[11]；利用差值法將初始判斷矩陣轉(zhuǎn)換為一致性矩陣。

表2 三分位標(biāo)度表

(1)

其中，ri、rj分別為指標(biāo)i和指標(biāo)j的相對(duì)重要權(quán)數(shù)。

(2)基于改進(jìn)熵權(quán)法的客觀賦權(quán)。熵權(quán)法(EWM)是一種客觀賦權(quán)方法，是基于熵理論中信息熵的思想，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值之間的變異程度進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)權(quán)重的合理分配[12]。筆者采用改進(jìn)EWM法確定指標(biāo)客觀權(quán)重，即對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算熵權(quán)重的公式進(jìn)行完善，使得在信息熵ej趨近于1時(shí)，仍可取得合理的權(quán)重值[13]。將改進(jìn)AHP法中的判斷矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，可得標(biāo)準(zhǔn)矩陣X=(xij)m×m，則第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵為：

(2)

其中，yij為標(biāo)準(zhǔn)矩陣中各個(gè)元素的比重。

第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)重為：

(3)

(3)基于最小相對(duì)信息熵的綜合賦權(quán)。為了提高計(jì)算組合權(quán)重的兼容性和穩(wěn)定性，采用一種基于最小相對(duì)信息熵的組合權(quán)重優(yōu)化方法[14]。即對(duì)于第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其基于最小相對(duì)信息熵的綜合權(quán)重為：

(4)

式中：Wj為主觀權(quán)重；Ej為客觀權(quán)重。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

Pj=Zj·Rj

(5)

B=Z·P

(6)

式中：Zj為指標(biāo)層第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重；Z為準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重向量。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

以某尾礦庫(kù)為例，該尾礦庫(kù)所處的地形主要為丘陵、平地，其西面和南面兩面環(huán)山。尾礦庫(kù)下游區(qū)域有3個(gè)自然灣，下游1 km內(nèi)的人口數(shù)量達(dá)1 000余人，建筑物總數(shù)達(dá)500余座。尾礦庫(kù)周邊有學(xué)校、醫(yī)院、老政府家屬區(qū)、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)等重要設(shè)施，無(wú)35 kV以上高壓電線(xiàn)，320 m范圍內(nèi)無(wú)鐵路、巷道、三級(jí)以上公路、油庫(kù)。該尾礦庫(kù)配備有專(zhuān)職安全管理人員2名，制定有尾礦庫(kù)管理規(guī)定和相關(guān)應(yīng)急預(yù)案，并實(shí)行安全生產(chǎn)責(zé)任制，定期組織人員開(kāi)展尾礦庫(kù)安全檢查，安裝有位移沉降觀測(cè)系統(tǒng)和浸潤(rùn)線(xiàn)標(biāo)高觀測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)設(shè)施目前狀態(tài)比較完好。該尾礦庫(kù)的安全生產(chǎn)基本情況如表3所示。

表3 某尾礦庫(kù)基本情況

3.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)已建立的尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，按照目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層構(gòu)建該指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)三分位標(biāo)度法對(duì)同一層次之間的指標(biāo)進(jìn)行相對(duì)重要性比較，從而構(gòu)造初始判斷矩陣并計(jì)算各指標(biāo)相對(duì)重要權(quán)數(shù)。采用差值法構(gòu)造出一致性矩陣D，該矩陣即為各級(jí)指標(biāo)間的判斷矩陣。利用Matlab算法程序?qū)Ω鱾€(gè)判斷矩陣進(jìn)行主客觀權(quán)重計(jì)算，分別求出一級(jí)指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重和二級(jí)指標(biāo)相對(duì)于一級(jí)指標(biāo)的單層次權(quán)重，再將兩者相乘可得到二級(jí)指標(biāo)的總層次權(quán)重，最后根據(jù)式(4)計(jì)算出綜合權(quán)重。由于判斷矩陣本身已滿(mǎn)足一致性要求，故權(quán)重計(jì)算結(jié)果具有滿(mǎn)意的一致性，最終權(quán)重結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

圖3 各指標(biāo)權(quán)重對(duì)比

從主觀權(quán)重結(jié)果來(lái)看，下游人口數(shù)量C5(0.195 3)、排洪能力C19(0.133 0)和日常檢查及隱患整改C22(0.127 0)的權(quán)重較大，表明下游人口數(shù)量對(duì)尾礦庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)影響最大，尾礦庫(kù)的排洪能力也是比較重要的風(fēng)險(xiǎn)因素。從客觀權(quán)重結(jié)果來(lái)看，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理與維護(hù)C23(0.101 5)、日常檢查及隱患整改C22(0.100 6)和強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間C2(0.077 8)的權(quán)重較大，二級(jí)指標(biāo)C23、C22同屬于一級(jí)指標(biāo)管理風(fēng)險(xiǎn)，可見(jiàn)管理措施是導(dǎo)致尾礦庫(kù)潰壩的重要因素，應(yīng)定期對(duì)尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)進(jìn)行檢查，確保尾礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。從綜合權(quán)重結(jié)果來(lái)看，日常檢查及隱患整改C22(0.123 6)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理與維護(hù)C23(0.097 8)和下游人口數(shù)量C5(0.093 1)的權(quán)重較大，可知尾礦庫(kù)的安全管理工作至關(guān)重要，且潰壩生命損失不容小覷，需高度重視下游區(qū)域的人口數(shù)量及分布，一旦發(fā)生潰壩應(yīng)將下游人員及時(shí)進(jìn)行疏散與轉(zhuǎn)移。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

(1)構(gòu)建尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)模糊判斷矩陣。結(jié)合尾礦庫(kù)的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)尾礦庫(kù)各個(gè)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的隸屬度進(jìn)行評(píng)判，模糊評(píng)判結(jié)果如表4所示。對(duì)準(zhǔn)則層中的自然風(fēng)險(xiǎn)B1、固有風(fēng)險(xiǎn)B2、管理風(fēng)險(xiǎn)B3分別進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，分別將指標(biāo)C1～C4、C5～C19、C20～C23的隸屬度矩陣進(jìn)行歸一化得到考慮下游損失的模糊判斷矩陣。

表4 考慮下游損失的尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)隸屬度

(2)尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)式(5)可得一級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果，若考慮下游損失，則自然風(fēng)險(xiǎn)P1=(0.341 6，0.138 1，0.292 7，0.227 6)，固有風(fēng)險(xiǎn)P2=(0.319 2，0.108 0，0.284 7，0.288 2)，管理風(fēng)險(xiǎn)P3=(0.039 3，0.100 0，0.442 2，0.418 6)，進(jìn)而由式(6)可得二級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果B=(0.236 8，0.110 7，0.334 6，0.317 9)；若不考慮下游損失，則自然風(fēng)險(xiǎn)P1=(0.341 6，0.138 1，0.292 7，0.227 6)，固有風(fēng)險(xiǎn)P2=(0.114 9，0.095 3，0.360 7，0.429 1)，管理風(fēng)險(xiǎn)P3=(0.039 3，0.100 0，0.442 2，0.418 6)，二級(jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果B=(0.130 7，0.104 1，0.374 1，0.391 1)。

(3)尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定。尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示，可知在尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中，若不將下游人口數(shù)量、下游基礎(chǔ)設(shè)施、下游環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)和尾砂毒性4個(gè)指標(biāo)納入其中，會(huì)低估尾礦庫(kù)的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。

表5 尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

若不考慮下游損失，該尾礦庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)為低風(fēng)險(xiǎn)。該尾礦庫(kù)的堆積干容重為1.35 t/m3，則實(shí)際堆積容重一旦超標(biāo)，可能引發(fā)滲流破壞；該尾礦庫(kù)所處區(qū)域日最大降雨量較大，不僅會(huì)增加排滲系統(tǒng)的壓力，還會(huì)降低壩體的穩(wěn)定性；該尾礦庫(kù)的匯水面積較大，容易引發(fā)洪水漫頂。故該尾礦庫(kù)存在一定的潰壩風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)部門(mén)應(yīng)引起重視并加強(qiáng)安全管理，盡量避免發(fā)生潰壩事故。

若考慮下游損失，該尾礦庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)為一般風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提升。由于該尾礦庫(kù)的下游區(qū)域人口比較密集，學(xué)校、醫(yī)院、電信等基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量較多，而且該尾礦庫(kù)儲(chǔ)存的銅礦，尾砂有毒性。因此，該尾礦庫(kù)的下游風(fēng)險(xiǎn)較為突出。總之，考慮下游損失的潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系更加完整，能夠體現(xiàn)尾礦庫(kù)的真實(shí)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，對(duì)尾礦庫(kù)的安全管理工作具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

(1)綜合考慮尾礦庫(kù)的潰壩可能性與潰壩后果兩個(gè)方面，分析并總結(jié)尾礦庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)因素，同時(shí)將下游人口數(shù)量、下游基礎(chǔ)設(shè)施、下游環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)和尾砂毒性納入指標(biāo)體系，并將指標(biāo)按照自然風(fēng)險(xiǎn)、固有風(fēng)險(xiǎn)和管理風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行歸類(lèi)，建立了考慮下游損失的尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，共包含23個(gè)具體的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

(2)采用改進(jìn)AHP-EWM法確定尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重，利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)某尾礦庫(kù)進(jìn)行潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，最終得出考慮下游損失與不考慮下游損失的尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別為一般風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)比分析可得，考慮下游損失的尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系更加完善，更具備科學(xué)性與適用性。